Abordagem prática da UNCC para pesquisa de manufatura

A partir deste mês, o TechFront tem um novo formato que destaca os programas de pesquisa de manufatura nas principais universidades, seguido por resumos de pesquisas recentes no Journal of Manufacturing Systems da SME , Jornal de Processos de Fabricação e Fabricando Cartas , todos publicados pela Elsevier Ltd.

O foco da universidade deste mês está na Universidade da Carolina do Norte Charlotte (UNCC). A Engenharia de Manufatura entrevistou os professores da UNCC Tony L. Schmitz e Chris Evans sobre o escopo dos programas de educação e pesquisa em manufatura de graduação e pós-graduação da UNCC.

Na UNCC, a ênfase está em estudantes ganhando experiência prática de chão de fábrica em fabricação de graduação e pós-graduação. Localizada na cidade de Charlotte, no coração do país da NASCAR, a William States Lee College of Engineering da universidade urbana inclui a pesquisa do Centro de Metrologia de Precisão, o Centro de Óptica de Forma Livre e o Laboratório de Soluções de Fabricação de Grandes Siemens na Produção de Energia e Centro de Infraestrutura (EPIC).

“O Centro de Metrologia de Precisão é o centro de pesquisa mais antigo aqui no campus”, disse Chris Evans, professor de engenharia mecânica e diretor do Centro de Metrologia de Precisão (consulte https://cpm.uncc.edu/). “Apoiamos o ensino, tanto de graduação quanto de graduação, mas principalmente o ensino de pós-graduação, onde em um ciclo de dois anos temos cerca de 15 aulas em aspectos de metrologia, fabricação e projeto de máquinas de precisão. Eles são todos ensinados por professores em engenharia mecânica ou engenharia de ciências ópticas, porque os centros são multidisciplinares.”

Apresentando um laboratório de metrologia dimensional de última geração, com equipamentos de fornecedores, incluindo Hexagon Metrology, o Centro de Metrologia de Precisão oferece suporte à pesquisa do corpo docente em metrologia e fabricação. “Acho que temos a melhor instalação de metrologia de qualquer universidade nos EUA”, afirmou Evans. Além de sua abordagem interdisciplinar, a UNCC colabora com a indústria e possui um programa de afiliadas industriais que inclui empresas como Caterpillar, Cummins e Intel.

“Os membros [afiliados] vêm ao campus para ver apresentações de alunos que estão realizando programas de desenvolvimento de pesquisa competitivos e industrialmente selecionados pelos próprios afiliados”, acrescentou Evans, “então, basicamente, as taxas que eles pagam para serem membros financiam os alunos. Esse é um excelente programa de divulgação, em termos de tornar nossos alunos visíveis para potenciais empregadores.”

Fábrica, Foco Colaborativo

O treinamento prático é o foco principal da UNCC. “Sou orgulhosamente uma pessoa do tipo ‘unhas sujas’”, disse Evans. “Cada um de nossos alunos de engenharia mecânica no segundo ano deve fazer uma aula de sistemas de fabricação que envolve tanto a primeira exposição do projeto quanto a entrada na oficina.”

Essa experiência mostra aos alunos de graduação da UNCC como operar máquinas-ferramentas manuais e exige que eles criem um conjunto de impressões totalmente toleradas com GD&T para um motor a ar de cilindro único sem vedação que deve funcionar para que eles passem no curso, Evans disse. “Eles aprendem no início de suas carreiras que precisam sujar as mãos e fazer coisas reais, não apenas simulações”, acrescentou. “Eles aprendem o significado das tolerâncias.”

O campus da UNCC, com 29.000 alunos, tem mais de 1.000 alunos no programa de engenharia mecânica, que está crescendo cerca de 8% ao ano, disse Evans.

No Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory da UNCC, chefiado pelo professor John Ziegert, a pesquisa é realizada em equipamentos de metrologia adquiridos com uma doação de US$ 2 milhões da Siemens Energy. Localizada na unidade EPIC, a peça central do laboratório é uma CMM Leitz PMM-F 30-20-16 que pode aceitar componentes grandes e pesados ​​com geometria muito complexa e medir rapidamente todas as dimensões, ângulos e raios com precisão de alguns micrômetros. O CMM foi doado pela Hexagon, um parceiro ativo no laboratório da Siemens, e está alojado em uma câmara ambiental projetada sob medida que controla temperaturas de até 20 ± 0,5°C. Além disso, o laboratório possui três rastreadores a laser e acesso a uma CMM de braço articulado.

Fornecer experiência prática, juntamente com a exposição aos principais líderes industriais, compensa os alunos que frequentam os programas de fabricação da UNCC. “Eles geralmente têm mais de uma oferta, especialmente nossos alunos domésticos”, disse Tony Schmitz, FSME, presidente associado da UNCC para programas de pós-graduação e professor de engenharia mecânica e ciências da engenharia.

Outras vantagens estão na extensa colaboração da universidade com outras instituições de pesquisa em manufatura. O Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) é uma colaboração entre a UNCC e a Universidade de Rochester. A UNCC também trabalha em uma colaboração estadual para o avanço da ciência da manufatura aditiva de metais com a NC State University (Raleigh) e outra em metalurgia do pó com a UNC Greensboro.

“Uma coisa que eu gosto de estar em Charlotte é que há colaboração no ar. Não somos competitivos internamente”, disse Evans. Isso é importante, acrescentou Schmitz. “Muitos do corpo docente deste departamento estiveram no corpo docente de outras universidades e tiveram outras experiências, em laboratórios nacionais e assim por diante”, disse Schmitz. “Em todas as minhas experiências, este é o ambiente mais colegial para uma organização de pesquisa que observei. Eu gosto de dizer:'Temos adultos trabalhando aqui.'”

Pesquisa de ponta

Os pesquisadores do corpo docente da UNCC estão envolvidos em programas de pesquisa de fabricação em andamento, incluindo trabalho no Center for Freeform Optics em processos de fabricação para essas ópticas baseadas em ferramentas de diamante de cristal único e usinagem de ultraprecisão. Outro esforço é liderado pelo professor da UNCC, Gert Goch, especialista em fabricação de engrenagens e metrologia de fabricação de engrenagens, cujo grupo desenvolveu recentemente uma maneira de usar a descrição real de dentes de engrenagem na pesquisa metrológica.

Na SOUTH-TEC 2017 em Greenville, SC, Schmitz deu aos participantes uma visão futurista do potencial de fabricação. Ele reprisou sua palestra SME NAMRC-45, com base em sua pesquisa premiada no Blue Sky Competition, que se concentrou em encontrar futuras aplicações de fabricação dentro de processos biológicos encontrados na natureza. A palestra de Schmitz, intitulada “Fabricação Biomimética”, mostrou como os sistemas biológicos podem dar pistas para possíveis inovações futuras de fabricação. Seu trabalho, vencedor do prêmio inaugural NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award, em homenagem ao falecido professor David Dornfeld da Universidade da Califórnia, Berkeley, apresentou uma visão fascinante do que os futuros pesquisadores de manufatura podem criar se puderem “considerar o ultrajante” com mentes abertas.

“Precisamos assumir novos desafios e abordagens”, disse Schmitz sobre o SME Blue Sky Competition. “Há um grande risco/recompensa.” A explicação de Schmitz sobre a fabricação biomimética delineou como olhar de perto para árvores, brotos de feijão, cupins, dentes de castor e até mesmo o vírus Zika pode dar pistas aos futuristas para o desenvolvimento de novas abordagens de fabricação.

Ao examinar os dentes do castor, por exemplo, Schmitz disse que os incisivos autoafiáveis ​​acabariam ficando grandes demais para a boca do castor se ele parasse de mastigar constantemente. Entre as perguntas de Schmitz estavam:“Podemos aproveitar a geometria? Uma ferramenta de corte poderia ser projetada para evoluir para acomodar, em vez de minimizar o desgaste? Em vez de uma nova tecnologia de material de revestimento, novos designs poderiam “crescer” a uma taxa apropriada? … Existem muitas possibilidades de pesquisa em uma interseção entre manufatura e biologia.”

—Editor Sênior Patrick Waurzyniak

Documentos técnicos de periódicos de PMEs e cartas de fabricação

Esses resumos, trechos e links da web são de artigos recentes publicados no SME Journal of Manufacturing Systems , Jornal de Processos de Fabricação , e Fabricando Cartas , que são impressos pela Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) e usados ​​aqui com permissão.

Unindo a folha de alumínio ao magnésio fundido

Em seu artigo, “Joining sheet Aluminum AA6061-T4 to cast magnésio AM60B by vaporizing foil atuator Welding:Input energy, interface, and Strength”, os autores Bert Liu, Anupam Vivek e Glenn S. Daehn, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais na Ohio State University (Columbus), examinou técnicas de soldagem bem-sucedida de alumínio para fundir magnésio para ajudar as montadoras em sua busca por plataformas automotivas cada vez mais leves que alcancem maior eficiência de combustível. O artigo, que aparece no Journal of Manufacturing Processes , Vol. 30 de dezembro de 2017, está disponível em http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

A junção diferente da folha de alumínio AA6061-T4 ao magnésio fundido AM60B foi obtida por soldagem por vaporização do atuador de folha (VFAW). Três níveis de energia de entrada foram usados ​​(6, 8 e 10 kJ) e, como tendência, energias de entrada mais altas resultaram em velocidades de deslocamento progressivamente mais altas, características onduladas interfaciais mais pronunciadas, zonas de solda maiores, maiores resistências de descascamento e energias de descascamento mais altas. Em todos os casos, a seção transversal da solda revelou uma interface solidamente ligada caracterizada por características onduladas bem desenvolvidas e ausência de vazios e camadas contínuas de compostos intermetálicos (IMCs). Com uma energia de entrada de 10 kJ, foram obtidas velocidade de deslocamento de 820 m/s, resistência ao descascamento de 22,4 N/mm e energia de descascamento de 5,2 J.

No cisalhamento, a falha ocorreu no flyer AA6061-T4 em 97% da carga de tração de pico do material de base. As amostras de casca falharam ao longo da interface de solda, e o lado AM60B da superfície da fratura mostrou linhas finas e uniformemente espaçadas de resíduos de Al que foram arrancados da base AA6061-T4 de forma dúctil e transferidos para o lado AM60B, indicando uma ligação AA6061-T4/AM60B muito forte nestas áreas. Este trabalho demonstra a capacidade do VFAW em unir metais leves diferentes, como Al/Mg.

Modelagem de geometria de superfície desgastada para reparo da lâmina do motor

No Volume 15 de Fabricando Cartas para janeiro de 2018, os autores Xinchang Zhang, Wei Li e Frank Liou do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), escrevem sobre o uso de modelagem para ajudar a reparar lâminas de motores de turbina danificadas usando deposição direta de metal. Seu artigo, “Modeling of weared surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process”, está disponível em http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

O reparo da lâmina do motor requer a obtenção da área desgastada e a geração do percurso da ferramenta correspondente para deposição. Neste artigo, um método automatizado de modelagem de superfície desgastada foi proposto para recuperar o volume perdido de lâminas danificadas. A engenharia reversa foi utilizada para reconstruir modelos de lâminas. O modelo danificado reconstruído foi o que melhor se ajustou ao modelo nominal. O método de comparação de área de seção transversal foi usado para detectar as camadas danificadas. O método ray casting foi adotado para cruzar as camadas danificadas para extrair o volume faltante. O percurso da ferramenta foi gerado e experimento de reparo realizado usando Deposição Direta de Metal auxiliada por Laser para validar o método proposto.

Duas abordagens para usinagem de nervuras finas

Em "Soluções analíticas para dinâmica de feixe livre fixo na usinagem de nervuras finas", os autores Tony L. Schmitz e Andrew Honeycutt do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência da Engenharia da UNC Charlotte apresentam duas abordagens analíticas diferentes para prever vigas livres fixas e nervuras finas dinâmicas com geometrias variadas. Este Jornal de Processos de Fabricação , Volume 30, artigo de dezembro de 2017 está disponível em http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

A primeira abordagem usa o método de Rayleigh para determinar a massa efetiva para o modo de flexão fundamental das vigas de espessura escalonada e o teorema de Castigliano para calcular a rigidez tanto na extremidade livre da viga quanto na mudança de espessura. O segundo método usa a análise de subestrutura de acoplamento de receptância (RCSA) para prever as receptâncias do feixe (ou funções de resposta em frequência) nos mesmos dois locais conectando rigidamente as receptâncias que descrevem as seções individuais do feixe escalonado, onde as receptâncias são derivadas do modelo de feixe de Timoshenko.

As comparações com cálculos de elementos finitos são feitas para verificar as duas técnicas. Observa-se que as previsões do RCSA concordam mais com os resultados de elementos finitos. Experimentos também são realizados onde a espessura da viga escalonada é alterada por várias passagens de usinagem e as medições de receptância são realizadas entre as passagens. As previsões RCSA são comparadas com resultados experimentais para frequência natural e rigidez. A concordância na frequência natural dentro de alguns por cento é relatada.

Princípios Lean aceleram o processo de fornecimento de plutônio

Em seu artigo, “Aplicação de princípios de manufatura enxuta para melhorar um processo de fornecimento conceitual de plutônio 238 (Pu238)”, os autores Tomcy Thomas, Steven R. Sherman e Rapinder S. Sawhney do Departamento de Engenharia Industrial e de Sistemas da Universidade do Tennessee ( Knoxville) e o Grupo de Ciência e Engenharia Radioquímica, Divisão de Segurança Nuclear e Tecnologia de Isótopos, Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL; Oak Ridge, TN), descrevem como os processos enxutos podem acelerar o processo de fornecimento de Pu238. O artigo aparece no Volume 46 de janeiro de 2018 do Journal of Manufacturing Systems , e está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

O Projeto de Fornecimento Pu-238 do Departamento de Energia dos EUA visa reconstruir a capacidade dos EUA de produzir Pu238 na escala de quilogramas. Este radioisótopo é usado pela NASA para alimentar sondas espaciais profundas, e o fornecimento está diminuindo. Foi produzido pela última vez nos EUA em 1988. Um projeto conceitual de um processo de fornecimento de Pu238 é descrito usando processos e instalações existentes no Centro de Desenvolvimento de Engenharia Radioquímica do ORNL.

A seção de limitação de taxa do processo conceitual foi analisada usando simulação de sistema de eventos discretos para determinar taxas de produção esperadas, gargalos e os efeitos de atrasos na taxa de produção. Alternativas de processo foram geradas com base nos princípios de manufatura enxuta, examinadas e comparadas ao processo original por meio de simulação para identificar melhores estratégias operacionais.

TechFront é editado pelo editor sênior Patrick Waurzyniak.