O famoso programa de engenharia da UIUC aborda problemas difíceis de fabricação

A Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) tem uma longa e distinta história e tradição em ciências de engenharia mecânica e aplicada, e a universidade em breve celebrará a abertura de uma expansão multimilionária há muito planejada ao seu edifício de Ciências e Engenharia Mecânica (MechSE).

A UIUC foi o lar de muitos ex-alunos notáveis ​​que se destacaram como empreendedores, criando empresas como Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube e Tesla Motors, para citar alguns.

Como parte do face-lift, o programa Transform MEB (Mechanical Engineering Building) da UIUC inclui uma doação de US$ 12 milhões do ex-aluno Sidney Lu (BSME '81), presidente e CEO da fabricante de computadores e smartphones Foxconn Interconnect (Taiwan), que constrói iPads da Apple e iPhones.

A adição da ala leste será conhecida como Lu Center for Learning and Innovation. Este projeto inclui uma adição de cinco andares a leste do MEB, uma adição de um andar ao norte e 66.000 pés² (20.117 m²) de espaço existente reimaginado, reprojetado e otimizado para educação, inovação e comunidade, de acordo com a UIUC.

Além da expansão, em outubro de 2017, a UIUC MechSE anunciou que a universidade recebeu um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais (MRSEC) pela National Science Foundation, com o centro apoiado por uma doação de US $ 15,6 milhões por seis anos com foco em novos nanomateriais. Este anúncio seguiu-se à concessão de US$ 18,5 milhões da NSF à UIUC para um novo Centro de Pesquisa de Engenharia da NSF liderado pelo professor de MechSE Andrew Alleyne. Esse centro, chamado de Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), concentra-se nos desafios térmicos e elétricos que envolvem a eletrônica móvel e o design de veículos como um único sistema.

“Queremos aumentar a densidade de potência total nos veículos em 10 a 100 vezes. Isso se traduziria em bilhões de litros de combustível economizados e quase o dobro da autonomia de um carro elétrico”, disse Alleyne, professor da Ralph &Catherine Fisher em MechSE, em um comunicado. “As tecnologias elétricas de hoje estão no limite térmico. Uma abordagem sistêmica é a única maneira de irmos além do atual estado da arte.”

Em uma discussão recente com a Engenharia de Manufatura, Placid Matthew Ferreira da UIUC, Tungchao Julia Lu Professor e ex-chefe do departamento de MechSE, e Shiv Gopal Kapoor, Grayce Wicall Gauthier Chair e professor de ciência mecânica e engenharia, descreveram o amplo escopo de pesquisa em o Departamento.

“Somos chamados de MechSE, de Ciência e Engenharia Mecânica, porque há algum tempo o departamento de engenharia mecânica e o departamento de mecânica teórica e aplicada se uniram”, disse Ferreira. “O departamento abrange ciências mecânicas e engenharia mecânica, indo do mais fundamental – a base teórica para engenharia mecânica, como mecânica, fenômenos de transporte, mecânica dos sólidos, mecânica dos fluidos, teoria de controle, cinemática, dinâmica – para áreas mais aplicadas, como motores IC , mecatrônica, ar condicionado e refrigeração, robótica, processos de fabricação, sistemas de fabricação, biomecânica e comportamento de materiais.

“É um grupo muito amplo e, neste ecossistema de ciências mecânicas e engenharia, a manufatura desempenha um papel bastante importante, tanto nos aspectos dos processos de fabricação quanto nos aspectos dos sistemas de fabricação”, continuou Ferreira. “Aproveitamos a experiência teórica dentro do departamento em coisas como mecânica dos sólidos, processos de solidificação em termos de dinâmica e controles. Trazemos essas coisas para processos de modelagem ou fabricação, projeto de máquinas-ferramentas e controle de processos de fabricação. Nós até entramos na fabricação em nuvem. Pegamos os aspectos das ciências computacionais e entramos na simulação de processos de fabricação.”

Essa abordagem ampla aproveita a expertise do departamento, abrangendo diversas disciplinas de manufatura, como a dinâmica de fluidos computacional para modelagem e simulação de processos, acrescentou Ferreira. “[Isso nos ajuda] a entender o comportamento do material quando analisamos o processo de usinagem, por exemplo, e também para onde estamos indo nessas áreas na nuvem de sistemas de manufatura; chamamos isso de sistemas cibernéticos”.

Avanços na fabricação em nuvem e ciberfísica

Com o histórico de recursos de pesquisa e simulação de computadores da UIUC, o departamento pode aproveitar a disponibilidade de energia de supercomputadores, localizados tanto no campus universitário quanto em outros lugares dos EUA. A universidade hospeda o National Center for Supercomputing Applications (NCSA), que criou o Mosaic, o primeiro navegador gráfico da Web.

“Quando você vem para Illinois, percebe que, com sua história, teve uma contribuição muito longa para a fabricação de pesquisadores que fizeram as primeiras análises de aspectos térmicos na usinagem”, disse Kapoor, ressaltando a importância de tais experimentos em ferramentas de corte e em a ciência térmica do processo de usinagem. Kapoor, editor-chefe do Journal of Manufacturing Processes , Ferreira e outros professores da Northwestern University (Evanston, IL) têm três projetos em andamento com o Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII; Chicago) no UI Labs.

“Em um projeto, estamos desenvolvendo o que é conhecido como sistema operacional para fabricação ciberfísica”, disse Ferreira. “Em outro projeto, estamos trabalhando com a Caterpillar e a Missouri Science and Technology para reduzir a variabilidade dos processos de usinagem. E então, em um terceiro projeto, estamos desenvolvendo uma estrutura para quantificação de incerteza e redução de incerteza em processos de fundição.”

No caso do projeto do sistema operacional ciberfísico, Ferreira disse que o grupo está apenas cerca de um ano na pesquisa, mas seus líderes começaram a pedir a outras pessoas que tragam suas máquinas-ferramentas para trabalhar com o sistema operacional.

A colaboração com a indústria compensa imensamente no avanço da pesquisa e na introdução de novas tecnologias no mercado. “Estamos trabalhando com parceiros industriais, como Caterpillar e outros, em muitos níveis”, disse Ferreira, citando as principais contribuições de pesquisadores anteriores da UIUC, como B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam e, mais recentemente, Shiv Kapoor. “Eles criaram coisas que eram amplamente usadas na indústria, modelos tangíveis de processos de usinagem que a indústria poderia realmente aplicar e usar e tentar descobrir quais forças esperar durante a usinagem e como diferentes erros se exporiam através da mecânica do processo ao acabamento da superfície. ”

Grande parte da pesquisa universitária começou com a resolução de problemas encontrados por fornecedores automotivos e OEMs. “Iniciamos o trabalho com a Ford, GM e seus fornecedores”, disse ele. “Também temos Caterpillar, John Deere e depois os fabricantes de máquinas-ferramenta, trabalhando desde muito cedo com a Ingersoll, a empresa de fresadoras, DMG Mori e outros.”

Por cerca de 12 anos, o departamento da UIUC também administrou um centro focado em usinagem e sistemas de máquinas-ferramenta. Ferreira foi diretor do Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS), de 2003 a 2010, e atualmente é afiliado do Laboratório de Micro-Nanotecnologia da UIUC.

“Fizemos a transição de lá para a era da micro e nano manufatura, onde Illinois tem sido líder”, disse Ferreira. “Tínhamos um centro bastante grande que se propôs especificamente a definir toda a fabricação em nanoescala, e levamos muitos processos para microusinagem, microformação e micro EDM.”

—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.

Evitação de vibração no fresamento robótico

Em seu artigo, “Evitação de vibração de acoplamento de modo baseado em CCT em fresamento robótico”, Lejun Cen e Shreyes N. Melkote da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff, Instituto de Tecnologia da Geórgia (Atlanta), examinam problemas com vibração gerada por robótica moagem. O artigo deles, publicado no Volume 29 do Journal of Manufacturing Processes , está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Atualmente, grandes estruturas aeroespaciais são usinadas usando grandes centros de usinagem CNC multi-eixo. Em comparação, a fresagem com braço robótico articulado com múltiplos graus de liberdade (DOF) tem várias vantagens devido ao seu menor custo e versatilidade. A baixa rigidez de um robô de braço articulado, no entanto, dá origem a vibrações severas de acoplamento de modo de baixa frequência durante a usinagem.

Estudos anteriores mostraram que tal vibração pode ser suprimida minimizando o ângulo entre a direção média da força de corte resultante e a direção da rigidez principal máxima do robô. Essa abordagem limita a faixa de movimento permitido do robô e, portanto, sua flexibilidade de uso. Este artigo apresenta um novo método para evitar vibração de acoplamento de modo em fresamento robótico usando o modelo de rigidez Conservative Congruence Transformation (CCT), que não requer mudança na direção de avanço da ferramenta ou na orientação da peça. Os experimentos de fresamento robótico mostram que a vibração do acoplamento de modo é significativamente reduzida ao usar essa abordagem.

O fresamento de grandes peças de aeronaves é realizado rotineiramente usando grandes e caros centros de usinagem CNC que são muito rígidos e precisos. Essas máquinas-ferramentas geralmente ocupam um grande espaço de trabalho no chão de fábrica. Em contraste, um sistema de fresagem robótica baseado em braço articulado multi-eixo oferece um alto grau de flexibilidade para usinagem de peças de aeronaves de grande porte. Trabalhos anteriores mostraram que, em comparação com centros de usinagem CNC industriais, os sistemas de fresagem robótica podem reduzir os requisitos de espaço de trabalho de produção em 40% e, simultaneamente, fornecer maior flexibilidade. A fresagem robótica também é mais adequada em ambientes perigosos. No entanto, as aplicações práticas de robôs de braço articulado geralmente são restritas a aplicações de baixa força, como manuseio de materiais, montagem, soldagem e rebarbação.

Acabamento de torneamento Ti-6AL-4V com fluido de corte baseado em atomização

Novos sistemas de pulverização de fluido de corte por atomização têm potencial para melhorar o torneamento desbaste de titânio, o que é discutido no artigo “Finish Turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system”, pelos autores Chandra Nath e Shiv G. Kapoor do Departamento de Ciências Mecânicas e Engenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL), e Anil K. Srivastava da Universidade do Texas Rio Grande Valley (Edimburgo, TX). O artigo, publicado no Volume 28 do Journal of Manufacturing Processes , está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

A qualidade e a produtividade do produto são fatores importantes nas indústrias de manufatura, especialmente ao lidar com materiais pesados ​​como o titânio. Os efeitos de resfriamento e lubrificação oferecidos pelo sistema de aplicação de fluido de usinagem associado desempenham um papel vital na determinação desses fatores, especialmente durante o corte de acabamento. Recentemente, o sistema de spray ACF mostrou efeitos promissores de resfriamento e lubrificação durante o torneamento de titânio em macroescala, mas ainda não foi examinado durante o corte de acabamento (por exemplo, profundidade de corte e taxa de avanço de 0,2 mm ou inferior).

Este trabalho tem como objetivo estudar o efeito do sistema de pulverização ACF no desempenho da usinagem durante o torneamento de acabamento de Ti-6Al-4V. No primeiro conjunto de experimentos, dois parâmetros de pulverização (velocidade do gás e vazão) e parâmetros de corte (velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte) são variados para selecionar a condição mais adequada para a aplicação do Sistema de pulverização ACF. As saídas de usinagem são avaliadas em termos de desgaste do nariz, temperatura de corte, rugosidade da superfície, erro de circularidade, morfologia do cavaco e dureza da peça. Um conjunto separado de experimentos é então realizado para comparar o desempenho do sistema de pulverização ACF em relação às condições de ar comprimido (seco) e de líquido refrigerante. Verifica-se que, mesmo com uma taxa de fluxo de fluido mais baixa de 1,5 mL/min (10% de volume) a uma velocidade de gás mais baixa, o sistema de pulverização supera as outras duas condições de refrigeração, melhorando ainda mais o desempenho de um processo de fabricação ecologicamente correto .

Recuperação de modelos de ímãs de terras raras

Em seu artigo, "Modelagem de operação e inventário para recuperação de ímãs permanentes de terras raras sob incertezas de oferta e demanda", os autores Hongyue Jin e Yuehwern Yih, da Engenharia Industrial, Purdue University (West Lafayette, IN), e John W. Sutherland, da Environmental and Engenharia Ecológica em Purdue, discutem os fatores que envolvem as estratégias de estoque usando simulações de modelagem.

Os ímãs permanentes de terras raras (REPMs) desempenham um papel essencial em várias aplicações, como produção de energia renovável e produtos relacionados ao setor aeroespacial e de defesa. Elementos de terras raras (REEs) como neodímio e disprósio são usados ​​em REPMs, e o fornecimento desses REEs tem experimentado volatilidade. Para mitigar esse risco, os REEs podem ser recuperados de produtos em fim de vida (EOL), como unidades de disco rígido de computador (HDDs).

Este trabalho desenvolve uma estratégia de operação e gestão de estoque para explorar a lucratividade sob oferta incerta de mercado e com valores variados cuja demanda também enfrenta incertezas significativas. O artigo aparece na edição de janeiro de 2018, Vol. 46, do Journal of Manufacturing Systems , e está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront é editado pelo editor sênior Patrick Waurzyniak.