UNCC lidera investigación manufacturera práctica de vanguardia

A partir de este mes, TechFront tiene un nuevo formato que destaca programas de investigación manufacturera en universidades clave, seguido de resúmenes de investigaciones recientes en Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes y Manufacturing Letters de SME, todos publicados por Elsevier Ltd.

El foco universitario de este mes es la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering entrevistó a los profesores de UNCC Tony L. Schmitz y Chris Evans sobre el alcance de los programas de educación e investigación manufacturera de pregrado y posgrado de UNCC.

En UNCC, el énfasis está en que los estudiantes adquieran experiencia práctica en planta en manufactura de pregrado y posgrado. Ubicada en la ciudad de Charlotte, en el corazón del país de NASCAR, la William States Lee College of Engineering de la universidad urbana incluye la investigación del Center for Precision Metrology, el Center for Freeform Optics, y el Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory en el Energy Production and Infrastructure Center (EPIC).

«El Center for Precision Metrology es el centro de investigación más antiguo aquí en el campus», dijo Chris Evans, profesor de ingeniería mecánica y director del Center for Precision Metrology (ver https://cpm.uncc.edu/). «Apoyamos educación, tanto de posgrado como de pregrado, pero particularmente educación de posgrado donde en un ciclo de dos años tenemos unas 15 clases en aspectos de metrología, manufactura y diseño de máquinas de precisión. Todas son impartidas por facultad ya sea en ingeniería mecánica o ingeniería de ciencia óptica, porque los centros son multidisciplinarios».

Con un laboratorio de metrología dimensional de última generación, con equipos de proveedores incluyendo Hexagon Metrology, el Center for Precision Metrology apoya la investigación de facultad en metrología y manufactura. «Creo que tenemos la mejor instalación de metrología de cualquier universidad en EE. UU.», afirmó Evans. Además de su enfoque interdisciplinario, UNCC colabora con la industria, y tiene un programa de afiliados industriales que incluye empresas como Caterpillar, Cummins e Intel.

«Los [afiliados] miembros vienen al campus a ver presentaciones de estudiantes que están realizando programas de investigación y desarrollo competitivos, impulsados industrialmente, seleccionados por los propios afiliados», añadió Evans, «así que básicamente las cuotas que pagan para ser miembros financian a los estudiantes. Ese es un excelente programa de alcance, en términos de hacer visibles a nuestros estudiantes a empleadores potenciales».

Enfoque práctico y colaborativo

La formación práctica es un foco clave en UNCC. «Orgullosamente soy una persona de "uñas sucias"», dijo Evans. «Cada uno de nuestros estudiantes de pregrado de ingeniería mecánica como sophomore debe tomar una clase de sistemas de manufactura que involucra tanto su primera exposición al diseño como ir al taller».

Esta experiencia muestra a los estudiantes de pregrado de UNCC cómo operar máquinas herramienta manuales, y les exige construir según un conjunto de planos que están totalmente toleranciados con GD&T para un motor de aire de un solo cilindro sin sello que debe funcionar para que aprueben el curso, dijo Evans. «Aprenden temprano en su carrera que tienen que ensuciarse las manos y hacer cosas reales, no solo simulaciones», añadió. «Aprenden el significado de las tolerancias».

El campus de UNCC de 29.000 estudiantes tiene más de 1000 estudiantes en el programa de ingeniería mecánica, que crece aproximadamente un 8 % al año, dijo Evans.

En el Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory de UNCC, dirigido por el profesor John Ziegert, se realiza investigación en metrología comprada con una subvención de 2 millones de dólares de Siemens Energy. Ubicado en la unidad EPIC, la pieza central del laboratorio es una MMC Leitz PMM-F 30-20-16 que puede aceptar componentes grandes y pesados con geometría muy compleja y medir rápidamente cada dimensión, ángulo y radio con precisión dentro de unos pocos micrómetros. La MMC fue donada por Hexagon, un socio activo en el laboratorio Siemens, y está alojada en una cámara ambiental diseñada a medida que controla temperaturas a 20 ±0,5 °C. Además, el laboratorio tiene tres rastreadores láser y acceso a una MMC de brazo articulado.

Proporcionar experiencia práctica, junto con exposición a líderes industriales clave, rinde frutos para estudiantes que asisten a los programas de manufactura de UNCC. «Generalmente tienen más de una oferta, particularmente nuestros estudiantes nacionales», dijo Tony Schmitz, FSME, vicepresidente asociado para programas de posgrado y profesor de ingeniería mecánica y ciencia de la ingeniería en UNCC.

Otras ventajas radican en la amplia colaboración de la universidad con otras instituciones de investigación manufacturera. El Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) es una colaboración entre UNCC y la Universidad de Rochester. UNCC también trabaja en una colaboración estatal avanzando la ciencia de manufactura aditiva de metal con NC State University (Raleigh), y otra en metalurgia de polvos con UNC Greensboro.

«Una cosa que me gusta de estar en Charlotte es que hay colaboración en el aire. No somos competitivos internamente», dijo Evans. Eso es importante, añadió Schmitz. «Muchos de los profesores de este departamento han estado en la facultad de otras universidades y han tenido otras experiencias, en laboratorios nacionales, etc.», dijo Schmitz. «En todas mis experiencias, este es el ambiente más colegiado para una organización de investigación que he observado. Me gusta decir: "Tenemos adultos trabajando aquí"».

Investigación de vanguardia

Los investigadores de facultad de UNCC están involucrados en programas de investigación manufacturera en curso, incluyendo trabajo en el Center for Freeform Optics sobre procesos de manufactura para estas ópticas basados en herramientas de diamante monocristalino y mecanizado de ultraprecisión. Otro esfuerzo es encabezado por el profesor de UNCC Gert Goch, experto en manufactura de engranajes y metrología de manufactura de engranajes, cuyo grupo desarrolló recientemente una forma de usar descripción areal de dientes de engranajes en investigación de metrología.

En SOUTH-TEC 2017 en Greenville, SC, Schmitz dio a los asistentes una mirada futurista al potencial de la manufactura. Repitió su charla SME NAMRC-45, basada en su investigación ganadora del premio Blue Sky Competition que se centró en encontrar aplicaciones manufactureras futuras dentro de procesos biológicos encontrados en la naturaleza. La charla de Schmitz, titulada «Biomimetic Manufacturing», mostró cómo los sistemas biológicos pueden dar pistas para posibles innovaciones manufactureras futuras. Su trabajo, ganador del primer premio NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award nombrado en honor al fallecido profesor de la Universidad de California, Berkeley, David Dornfeld, presentó una mirada fascinante a lo que los investigadores de manufactura futuros pueden idear si pueden «considerar lo escandaloso» con mentes abiertas.

«Necesitamos tomar nuevos desafíos y enfoques», dijo Schmitz sobre la SME Blue Sky Competition. «Hay un gran riesgo/recompensa». La explicación de Schmitz sobre manufactura biomimética esbozó cómo observar de cerca árboles, brotes de frijol, termitas, dientes de castor e incluso el virus Zika puede dar a los futuristas pistas para desarrollar nuevos enfoques de manufactura.

Al examinar los dientes de castor, por ejemplo, Schmitz dijo que los incisivos autoafilables eventualmente crecerían demasiado para la boca del castor si dejara de masticar constantemente. Entre las preguntas de Schmitz estaban: «¿Podemos aprovechar la geometría? ¿Podría diseñarse una herramienta de corte que evolucione para acomodar, en lugar de minimizar, el desgaste? En lugar de nueva tecnología de materiales de recubrimiento, ¿podrían nuevos diseños "crecer" a una tasa apropiada? ... Hay muchas posibilidades de investigación en una intersección entre manufactura y biología».

—Editor Senior Patrick Waurzyniak

Artículos técnicos de revistas SME y Manufacturing Letters

Estos resúmenes, extractos y enlaces web son de artículos recientes publicados en Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes y Manufacturing Letters de SME, que son impresos por Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) y usados aquí con permiso.

Unión de aluminio en chapa a magnesio fundido

En su artículo, «Joining sheet aluminum AA6061-T4 to cast magnesium AM60B by vaporizing foil actuator welding: Input energy, interface, and strength», los autores Bert Liu, Anupam Vivek y Glenn S. Daehn, del Department of Materials Science and Engineering en Ohio State University (Columbus), examinaron técnicas para soldar exitosamente aluminio a magnesio fundido para ayudar a fabricantes de automóviles en su búsqueda de plataformas automotrices cada vez más ligeras que logren mayor eficiencia de combustible. El artículo, que aparece en Journal of Manufacturing Processes, Vol. 30, diciembre 2017, está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

La unión disímil de aluminio en chapa AA6061-T4 a magnesio fundido AM60B se logró mediante soldadura por actuador de lámina vaporizante (VFAW). Se usaron tres niveles de energía de entrada (6, 8 y 10 kJ), y como tendencia, energías de entrada más altas resultaron en velocidades de proyectil progresivamente mayores, características interfaciales onduladas más pronunciadas, zonas de soldadura más grandes, resistencias de pelado más altas y energías de pelado más altas. En todos los casos, la sección transversal de la soldadura reveló una interfaz fuertemente unida caracterizada por características onduladas bien desarrolladas y ausencia de vacíos y capas continuas de compuestos intermetálicos (IMC). A 10 kJ de energía de entrada, velocidad de proyectil de 820 m/s, resistencia de pelado de 22,4 N/mm y energía de pelado de 5,2 J se obtuvieron.

En cizallamiento por solape, la falla ocurrió en el proyectil AA6061-T4 al 97 % de la carga de tracción máxima del material base. Las muestras de pelado fallaron a lo largo de la interfaz de soldadura, y el lado AM60B de la superficie de fractura mostró líneas delgadas, uniformemente espaciadas, de residuos de Al que habían sido arrancados del AA6061-T4 base de manera dúctil y transferidos al lado AM60B, indicando un enlace muy fuerte AA6061-T4/AM60B en estas áreas. Este trabajo demuestra la capacidad de VFAW para unir metales ligeros disímiles como Al/Mg.

Modelado de geometría de superficie desgastada para reparación de álabes de motor

En el Volumen 15 de Manufacturing Letters para enero 2018, los autores Xinchang Zhang, Wei Li y Frank Liou del Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), escriben sobre el uso de modelado para ayudar a reparar álabes de turbina dañados usando deposición metálica directa. Su artículo, «Modeling of worn surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process», está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

La reparación de álabes de motor requiere obtener el área desgastada y generar la trayectoria de herramienta correspondiente para deposición. En este artículo, se propuso un método automatizado de modelado de superficie desgastada para recuperar el volumen faltante de álabes dañados. La ingeniería inversa se utilizó para reconstruir modelos de álabes. El modelo dañado reconstruido se ajustó mejor con el modelo nominal. El método de comparación de área de sección transversal se usó para detectar las capas dañadas. El método de lanzamiento de rayos se adoptó para intersectar las capas dañadas y extraer el volumen faltante. La trayectoria de herramienta se generó y el experimento de reparación se realizó usando Laser-aided Direct Metal Deposition para validar el método propuesto.

Dos enfoques para mecanizado de costillas delgadas

En «Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machining», los autores Tony L. Schmitz y Andrew Honeycutt del UNC Charlotte Department of Mechanical Engineering and Engineering Science presentan dos enfoques analíticos diferentes para predecir dinámicas de viga fixed-free de costillas delgadas con geometrías variables. Este artículo de Journal of Manufacturing Processes, Volumen 30, de diciembre 2017 está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

El primer enfoque usa el método de Rayleigh para determinar la masa efectiva para el modo fundamental de flexión de vigas de espesor escalonado y el teorema de Castigliano para calcular la rigidez tanto en el extremo libre de la viga como en el cambio de espesor. El segundo método usa análisis de subestructura de acoplamiento de receptancia (RCSA) para predecir las receptancias (o funciones de respuesta en frecuencia) en las mismas dos ubicaciones conectando rígidamente receptancias que describen las secciones de viga escalonadas individuales, donde las receptancias se derivan del modelo de viga Timoshenko.

Comparaciones con cálculos de elementos finitos se completan para verificar las dos técnicas. Se observa que las predicciones RCSA concuerdan más estrechamente con resultados de elementos finitos. Experimentos también se realizan donde el espesor de la viga escalonada se cambia por múltiples pasadas de mecanizado, y mediciones de receptancia se llevan a cabo entre pasadas. Las predicciones RCSA se comparan con resultados experimentales para frecuencia natural y rigidez. Concordancia en frecuencia natural dentro de unos pocos por ciento se reporta.

Principios Lean aceleran proceso de suministro de plutonio

En su artículo, «Application of lean manufacturing principles to improve a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process», los autores Tomcy Thomas, Steven R. Sherman y Rapinder S. Sawhney del Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee (Knoxville) y el Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), describen cómo los procesos lean pueden acelerar el proceso de suministro de Pu238. El artículo aparece en el Volumen 46 de enero 2018 de Journal of Manufacturing Systems, y está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

El Pu-238 Supply Project del US Department of Energy busca reconstruir la capacidad de EE. UU. para producir Pu238 a escala de kilogramo. Este radioisótopo es usado por la NASA para alimentar sondas espaciales profundas, y el suministro está disminuyendo. Se produjo por última vez en EE. UU. en 1988. Se describe un diseño conceptual de un proceso de suministro de Pu238 usando procesos e instalaciones existentes en el Radiochemical Engineering Development Center de ORNL.

La sección limitante de velocidad del proceso conceptual se analizó usando simulación de sistema de eventos discretos para determinar tasas de producción esperadas, cuellos de botella, y efectos de retrasos de tiempo en la tasa de producción. Alternativas de proceso se generaron basadas en principios de manufactura lean, y esas fueron examinadas y comparadas al proceso original usando simulación para identificar mejores estrategias operativas.

TechFront es editado por el Editor Senior Patrick Waurzyniak.