La ingeniería de UIUC lidera la innovación en soluciones de fabricación

La Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) tiene una larga e ilustre historia y tradición en ciencias de la ingeniería mecánica y aplicada, y la universidad celebrará pronto la apertura de una expansión planificada desde hace tiempo, de varios millones de dólares, a su edificio de Mechanical Science and Engineering (MechSE).

UIUC ha sido alma mater de muchos exalumnos notables que destacaron como emprendedores, creando empresas como Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube y Tesla Motors, por citar algunas.

Como parte de la renovación, el programa Transform MEB (Mechanical Engineering Building) de UIUC incluye una donación de 12 millones de dólares del exalumno Sidney Lu (BSME '81), presidente y CEO del fabricante de componentes para ordenadores y smartphones Foxconn Interconnect (Taiwán), que fabrica iPads y iPhones de Apple.

La ampliación del ala este se conocerá como Lu Center for Learning and Innovation. Este proyecto incluye una adición de cinco plantas al este del MEB, una adición de una planta al norte, y 66.000 ft² (20.117 m²) de espacio existente reimaginado, reingenierizado y optimizado para educación, innovación y comunidad, según UIUC.

Además de la expansión, en octubre de 2017 UIUC MechSE anunció que la universidad recibió un Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de la National Science Foundation, con el centro respaldado por una subvención de seis años y 15,6 millones de dólares centrada en nuevos nanomateriales. Este anuncio siguió a la adjudicación a UIUC de 18,5 millones por un nuevo NSF Engineering Research Center liderado por el profesor de MechSE Andrew Alleyne. Ese centro, llamado Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), se centra en los retos térmicos y eléctricos rodeando la electrónica móvil y el diseño de vehículos como un único sistema.

"Queremos aumentar la densidad de potencia total en vehículos 10 a 100 veces. Eso se traduciría en miles de millones de litros de combustible ahorrados y casi duplicar la autonomía de un coche eléctrico", dijo Alleyne, profesor Ralph & Catherine Fisher en MechSE, en un comunicado. "Las tecnologías eléctricas actuales están en su límite térmico. Un enfoque de sistemas es la única forma de empujar más allá del estado del arte actual."

En una reciente conversación con Manufacturing Engineering, Placid Matthew Ferreira, profesor Tungchao Julia Lu y ex director del departamento MechSE de UIUC, y Shiv Gopal Kapoor, cátedra Grayce Wicall Gauthier y profesor de mechanical science and engineering, describieron el amplio alcance de la investigación del departamento.

"Nos llamamos MechSE, por Mechanical Science and Engineering, porque hace tiempo el departamento de ingeniería mecánica y el de mecánica teórica y aplicada se unieron", dijo Ferreira. "El departamento abarca ciencias mecánicas e ingeniería mecánica, yendo desde lo más fundamental —la base teórica para ingeniería mecánica como mecánica, fenómenos de transporte, mecánica de sólidos, mecánica de fluidos, teoría de control, cinemática, dinámica— a áreas más aplicadas como motores de combustión interna, mecatrónica, aire acondicionado y refrigeración, robótica, procesos de fabricación, sistemas de fabricación, biomecánica y comportamiento de materiales.

"Es un grupo muy amplio, y en este ecosistema de ciencias e ingeniería mecánicas, la fabricación juega un papel bastante importante, tanto desde los aspectos de procesos de fabricación como de sistemas de fabricación", continuó Ferreira. "Aprovechamos la experiencia teórica del departamento en cosas como mecánica de sólidos, procesos de solidificación en términos de dinámica y controles. Bajamos esas cosas al modelado de procesos de fabricación, diseño de máquinas-herramienta y control de procesos de fabricación. Incluso entramos en cloud manufacturing. Tomamos los aspectos de ciencias computacionales y entramos en la simulación de procesos de fabricación."

Este enfoque amplio aprovecha la experiencia del departamento, abarcando diversas disciplinas de fabricación, como dinámica de fluidos computacional para modelado y simulación de procesos, añadió Ferreira. "[Esto nos ayuda] a entender el comportamiento del material cuando miramos el proceso de mecanizado, por ejemplo, y también hacia dónde vamos en estas áreas en sistemas de fabricación en la nube; lo llamamos sistemas ciber-físicos."

Avances en fabricación en la nube y ciber-física

Con la historia de investigación informática y recursos de simulación de UIUC, el departamento puede aprovechar la disponibilidad de potencia de supercomputación, ubicada tanto en el campus como en otros lugares de EE. UU. La universidad alberga el National Center for Supercomputing Applications (NCSA), que creó Mosaic, el primer navegador web gráfico.

"Cuando vienes a Illinois, te das cuenta de que con su historia, ha tenido una contribución muy larga a la fabricación de investigadores que hicieron los primeros análisis de aspectos térmicos en mecanizado", dijo Kapoor, señalando la importancia de tales experimentos en herramientas de corte y en la ciencia térmica del proceso de mecanizado. Kapoor, editor en jefe del Journal of Manufacturing Processes, Ferreira y otros profesores de Northwestern University (Evanston, IL) tienen tres proyectos en curso con el Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII; Chicago) en UI Labs.

"En un proyecto, estamos desarrollando lo que se conoce como un sistema operativo para fabricación ciber-física", dijo Ferreira. "En otro, trabajamos con Caterpillar y Missouri Science and Technology para reducir la variabilidad de procesos de mecanizado. Y en un tercero, estamos desarrollando un marco para cuantificación y reducción de incertidumbre en procesos de fundición a presión."

En el caso del proyecto de sistema operativo ciber-físico, Ferreira dijo que el grupo lleva solo un año en la investigación pero sus líderes han empezado a pedir a otros que traigan sus máquinas-herramienta para trabajar con el sistema operativo.

Colaborar con la industria paga inmensamente en avance de investigación y puesta en mercado de nuevas tecnologías. "Estamos trabajando con socios industriales, como Caterpillar y otros, en tantos niveles", dijo Ferreira, citando las grandes contribuciones de investigadores anteriores en UIUC, como B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam, y más recientemente, Shiv Kapoor. "Crearon cosas ampliamente usadas en la industria, modelos tangibles de procesos de mecanizado que la industria podía realmente aplicar y usar para averiguar qué fuerzas esperar durante el mecanizado y cómo diferentes errores se expondrían a través de la mecánica del proceso al acabado superficial."

Gran parte de la investigación universitaria empezó resolviendo problemas de proveedores y OEMs automotrices. "Empezamos el trabajo con Ford, GM y sus proveedores", dijo. "También tenemos Caterpillar, John Deere, y luego los fabricantes de máquinas-herramienta, muy temprano trabajando con Ingersoll, la empresa de fresadoras, DMG Mori y otros."

Durante unos 12 años, el departamento de UIUC también dirigió un centro centrado en mecanizado y sistemas de máquina-herramienta. Ferreira fue director del Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS), de 2003-2010, y es actualmente afiliado del Micro-Nanotechnology Laboratory en UIUC.

"Hicimos la transición desde allí a la era de la micro y nano fabricación, donde Illinois ha sido líder", dijo Ferreira. "Teníamos un centro bastante grande que se propuso definir toda la fabricación a nanoescala, y bajamos muchos procesos a micromecanizado, microconformado y micro EDM."

—Editor Senior Patrick Waurzyniak

Artículos técnicos de revistas SME y Manufacturing Letters

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

Evitación de chatter en fresado robótico

En su artículo, "CCT-based mode coupling chatter avoidance in robotic milling", Lejun Cen y Shreyes N. Melkote de la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta), examinan problemas con chatter generado por fresado robótico. Su artículo, publicado en el Volumen 29 del Journal of Manufacturing Processes, está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Actualmente, grandes estructuras aeroespaciales se mecanizan usando grandes centros de mecanizado CNC multi-eje. En comparación, el fresado con un brazo robótico articulado de múltiples grados de libertad (DOF) tiene varias ventajas por su menor coste y versatilidad. La baja rigidez de un brazo robótico articulado, sin embargo, da lugar a severo chatter de acoplamiento de modos a baja frecuencia durante el mecanizado.

Estudios previos han mostrado que tal chatter puede suprimirse minimizando el ángulo entre la dirección media de la fuerza de corte resultante y la dirección de rigidez principal máxima del robot. Este enfoque limita el rango de movimiento permisible del robot, y por tanto su flexibilidad de uso. Este artículo presenta un nuevo método para evitar chatter de acoplamiento de modos en fresado robótico usando el modelo de rigidez Conservative Congruence Transformation (CCT), que no requiere cambiar la dirección de avance de la herramienta ni la orientación de la pieza. Experimentos de fresado robótico muestran que el chatter de acoplamiento de modos se reduce significativamente con este enfoque.

El fresado de grandes piezas de aeronaves se realiza rutinariamente usando grandes y caros centros de mecanizado CNC muy rígidos y precisos. Estas máquinas-herramienta ocupan a menudo un gran espacio en la planta. En contraste, un sistema de fresado robótico basado en brazo articulado multi-eje ofrece alto grado de flexibilidad para mecanizado de grandes piezas de aeronaves. Trabajos previos han mostrado que, comparado con centros de mecanizado CNC industriales, los sistemas de fresado robótico pueden reducir requisitos de espacio de producción en un 40% y simultáneamente dar mayor flexibilidad. El fresado robótico también es más adecuado en entornos peligrosos. Sin embargo, aplicaciones prácticas de brazos robóticos articulados a menudo se restringen a aplicaciones de baja fuerza como manipulación de materiales, ensamblaje, soldadura y desbarbado.

Torneado de acabado de Ti-6AL-4V con fluido de corte por atomización

Nuevos sistemas de pulverización de fluido de corte por atomización tienen potencial para mejorar el torneado en bruto de titanio, lo que se discute en el artículo "Finish turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system", de Chandra Nath y Shiv G. Kapoor del Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL), y Anil K. Srivastava de la University of Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX). El artículo, publicado en el Volumen 28 del Journal of Manufacturing Processes, está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

La calidad del producto y la productividad son factores importantes en industrias manufactureras, especialmente al tratar materiales difíciles como el titanio. Los efectos de refrigeración y lubricación ofrecidos por el sistema de aplicación de fluido de corte juegan un papel vital en determinar estos factores, especialmente durante el corte de acabado. Recientemente, el sistema de pulverización ACF ha mostrado prometedores efectos de refrigeración y lubricación durante torneado en bruto de titanio a macroescala, pero no se ha examinado aún durante corte de acabado (ej., profundidad de corte y avance 0,2 mm o inferior).

Este artículo estudia el efecto del sistema de pulverización ACF en el rendimiento de mecanizado durante torneado de acabado de Ti-6Al-4V. En un primer set de experimentos, se varían dos parámetros de pulverización (velocidad de gas y caudal) y parámetros de corte (velocidad de corte, avance y profundidad de corte) para seleccionar la condición más adecuada para la aplicación del sistema ACF. Las salidas de mecanizado se evalúan en términos de desgaste del radio, temperatura de corte, rugosidad superficial, error de redondez, morfología de viruta y dureza de la pieza. Un segundo set de experimentos compara el rendimiento del sistema ACF contra aire comprimido (seco) y refrigerante por inundación. Se encuentra que, incluso a un caudal de fluido menor de 1,5 mL/min (10% volumen) a menor velocidad de gas, el sistema de pulverización supera a las otras dos condiciones de refrigerante, mejorando aún más el rendimiento de un proceso de fabricación respetuoso con el medio ambiente.

Modelado de recuperación de imanes de tierras raras

En su artículo, "Modeling operation and inventory for rare earth permanent magnet recovery under supply and demand uncertainties", Hongyue Jin y Yuehwern Yih, de Industrial Engineering, Purdue University (West Lafayette, IN), y John W. Sutherland de Environmental and Ecological Engineering en Purdue, discuten factores de estrategias de inventario usando simulaciones de modelado.

Los imanes permanentes de tierras raras (REPMs) juegan un papel esencial en diversas aplicaciones, como producción de energía renovable y productos aeroespaciales y de defensa. Elementos de tierras raras (REEs) como neodimio y disprosio se usan en REPMs, y el suministro de estos REEs ha experimentado volatilidad. Para mitigar este riesgo, los REEs pueden recuperarse de productos al final de su vida útil (EOL) como discos duros de ordenador (HDDs).

Este artículo desarrolla una estrategia de gestión de operaciones e inventario para explorar la rentabilidad bajo suministro de mercado incierto y con valores variables cuya demanda también enfrenta incertidumbres significativas. El artículo aparece en la edición de enero de 2018, Vol. 46, del Journal of Manufacturing Systems, y está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront editado por el Editor Senior Patrick Waurzyniak.