UNCC lidera pesquisa de manufatura prática e de ponta

A partir deste mês, a TechFront apresenta um novo formato que destaca programas de pesquisa de manufatura em universidades-chave, seguidos por resumos de pesquisas recentes nos periódicos Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes e Manufacturing Letters da SME, todos publicados pela Elsevier Ltd.

O foco universitário deste mês é a University of North Carolina Charlotte (UNCC). A Manufacturing Engineering entrevistou os professores da UNCC Tony L. Schmitz e Chris Evans sobre o escopo dos programas de educação e pesquisa de manufatura de graduação e pós-graduação da UNCC.

Ênfase na experiência prática no chão de fábrica

Na UNCC, a ênfase está em os alunos obterem experiência prática no chão de fábrica na manufatura de graduação e pós-graduação. Localizada na cidade de Charlotte, no coração da região da NASCAR, a universidade urbana William States Lee College of Engineering inclui a pesquisa do Center for Precision Metrology, do Center for Freeform Optics e do Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory no Energy Production and Infrastructure Center (EPIC).

"O Center for Precision Metrology é o centro de pesquisa mais antigo aqui no campus", disse Chris Evans, professor de engenharia mecânica e diretor do Center for Precision Metrology (veja https://cpm.uncc.edu/). "Apoiamos a educação, tanto de graduação quanto de pós-graduação, mas particularmente a pós-graduação, onde, ao longo de um ciclo de dois anos, temos cerca de 15 aulas em aspectos de metrologia, manufatura e projeto de máquinas de precisão. Todas são ministradas por professores de engenharia mecânica ou engenharia de ciências ópticas, porque os centros são multidisciplinares."

Com um laboratório de metrologia dimensional de última geração, com equipamentos de fornecedores incluindo Hexagon Metrology, o Center for Precision Metrology apoia a pesquisa do corpo docente em metrologia e manufatura. "Acho que temos a melhor instalação de metrologia de qualquer universidade nos EUA", afirmou Evans. Além de sua abordagem multidisciplinar, a UNCC colabora com a indústria e possui um programa de afiliados industriais que inclui empresas como Caterpillar, Cummins e Intel.

"Os [afiliados] membros vêm ao campus ver apresentações de alunos que realizam programas de pesquisa e desenvolvimento competitivos e industrialmente orientados selecionados pelos próprios afiliados", acrescentou Evans, "de modo que basicamente as taxas que pagam para ser membros financiam os alunos. Esse é um excelente programa de extensão, em termos de tornar nossos alunos visíveis para potenciais empregadores."

Foco colaborativo e no chão de fábrica

O treinamento prático é um foco principal na UNCC. "Sou orgulhosamente uma pessoa de 'unhas sujas'", disse Evans. "Todos os nossos alunos de graduação em engenharia mecânica, no segundo ano, devem cursar uma disciplina de sistemas de manufatura que envolve tanto sua primeira exposição ao projeto quanto a ida à oficina."

Essa experiência mostra aos alunos de graduação da UNCC como operar máquinas-ferramenta manuais e exige que eles construam seguindo um conjunto de desenhos totalmente toleranciados com GD&T para um motor a ar de cilindro único sem vedação que deve funcionar para que eles passem no curso, disse Evans. "Eles aprendem cedo na carreira que precisam sujar as mãos e fazer coisas reais, não apenas simulações", acrescentou. "Eles aprendem o significado de tolerâncias."

O campus da UNCC com 29.000 alunos tem mais de 1000 alunos no programa de engenharia mecânica, que cresce cerca de 8% ao ano, disse Evans.

Laboratório Siemens Energy Large Manufacturing Solutions

No Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory da UNCC, liderado pelo professor John Ziegert, realiza-se pesquisa em metrologia com equipamento adquirido com uma doação de US$ 2 milhões da Siemens Energy. Localizado 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 cada dimensão, ângulo e raio com precisão dentro de alguns micrômetros. A CMM foi doada pela Hexagon, parceira ativa no laboratório Siemens, e está alojada em uma câmara ambiental projetada sob medida que controla temperaturas a 20 ±0,5 °C. Além disso, o laboratório possui três laser trackers e acesso a uma CMM de braço articulado.

Oferecer experiência prática, junto com exposição a líderes industriais-chave, compensa para os alunos que frequentam os programas de manufatura da UNCC. "Geralmente eles têm mais de uma oferta, particularmente nossos alunos domésticos", disse Tony Schmitz, FSME, vice-presidente associado para programas de pós-graduação e professor de engenharia mecânica e ciência da engenharia da UNCC.

Colaboração extensiva com outras instituições

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

"Uma coisa que gosto em estar em Charlotte é que há colaboração no ar. Não somos internamente competitivos", disse Evans. Isso é importante, acrescentou Schmitz. "Muitos dos professores deste departamento já 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 já observei. Gosto de dizer: 'Temos adultos trabalhando aqui'."

Pesquisa de ponta

Pesquisadores do corpo docente da UNCC estão envolvidos em programas contínuos de pesquisa de manufatura, incluindo trabalho no Center for Freeform Optics sobre processos de fabricação para essas ópticas baseados em ferramentas de diamante monocristalino e usinagem de ultraprecisão. Outro esforço é liderado pelo professor Gert Goch da UNCC, especialista em fabricação de engrenagens e metrologia de fabricação de engrenagens, cujo grupo desenvolveu recentemente uma forma de usar descrição areal de dentes de engrenagens em pesquisa de metrologia.

No SOUTH-TEC 2017 em Greenville, SC, Schmitz deu aos participantes uma visão futurista do potencial da manufatura. Ele reprisou sua palestra no NAMRC-45 da SME, baseada em sua pesquisa vencedora do Blue Sky Competition, que focou em encontrar aplicações futuras de manufatura dentro de processos biológicos encontrados na natureza. A palestra de Schmitz, intitulada "Manufatura Biomimética", mostrou como sistemas biológicos podem dar pistas para possíveis inovações futuras de manufatura. Seu trabalho, vencedor do inaugural NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award, nomeado em homenagem ao falecido professor da University of California, Berkeley, David Dornfeld, apresentou uma visão fascinante do que futuros pesquisadores de manufatura podem criar se puderem "considerar o ultrajante" com mentes abertas.

"Precisamos assumir novos desafios e abordagens", disse Schmitz sobre a Blue Sky Competition da SME. "Há um grande risco/recompensa." A explicação de Schmitz sobre manufatura biomimética descreveu como olhar de perto para árvores, brotos de feijão, cupins, dentes de castor e até o vírus Zika pode dar pistas a futuristas para desenvolver novas abordagens de manufatura.

Ao examinar dentes de castor, por exemplo, Schmitz disse que os incisores autoafiadores acabariam crescendo demais para a boca do castor se ele parasse de roer constantemente. Entre as perguntas de Schmitz estavam: "Podemos aproveitar a geometria? Uma ferramenta de corte poderia ser projetada que evolua para acomodar, em vez de minimizar o desgaste? Em vez de nova tecnologia de material de revestimento, novos projetos poderiam 'crescer' em uma taxa apropriada? ... Há muitas possibilidades de pesquisa na interseção entre manufatura e biologia."

— Editor Sênior Patrick Waurzyniak

Artigos Técnicos dos Periódicos SME e Manufacturing Letters

Estes resumos, trechos e links são de artigos recentes publicados no Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes e Manufacturing Letters da SME, que são impressos pela Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) e usados aqui com permissão.

Junção de Alumínio em Chapa a Magnésio Fundido

Em seu artigo, "Joining sheet aluminum AA6061-T4 to cast magnesium AM60B by vaporizing foil actuator welding: Input energy, interface, and strength", os autores Bert Liu, Anupam Vivek e Glenn S. Daehn, do Department of Materials Science and Engineering da Ohio State University (Columbus), examinaram técnicas para soldar com sucesso alumínio a magnésio fundido para ajudar fabricantes de automóveis 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, dezembro de 2017, está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

A junção dissimilar de alumínio em chapa AA6061-T4 a magnésio fundido AM60B foi alcançada por soldagem com atuador de folha vaporizante (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 projétil progressivamente maiores, características interfaciais onduladas mais pronunciadas, zonas de solda maiores, maiores resistências ao descascamento e maiores energias de descascamento. Em todos os casos, a seção transversal da solda revelou uma interface firmemente ligada, caracterizada por características onduladas bem desenvolvidas e ausência de vazios e camadas contínuas de compostos intermetálicos (IMCs). A 10 kJ de energia de entrada, velocidade do projétil de 820 m/s, resistência ao descascamento de 22,4 N/mm e energia de descascamento de 5,2 J foram obtidos.

No cisalhamento de sobreposição, a falha ocorreu no projétil AA6061-T4 a 97% da carga de tração de pico do material base. Amostras de descascamento falharam ao longo da interface da solda, e o lado AM60B da superfície de fratura mostrou linhas finas e uniformemente espaçadas de resíduos de Al que haviam sido arrancados do AA6061-T4 base de forma dúctil e transferidos para o lado AM60B, indicando ligação muito forte AA6061-T4/AM60B nessas áreas. Este trabalho demonstra a capacidade da VFAW em juntar metais leves dissimilares como Al/Mg.

Modelagem de Geometria de Superfície Desgastada para Reparo de Palhetas de Motor

No Volume 15 de Manufacturing Letters para janeiro de 2018, os autores Xinchang Zhang, Wei Li e Frank Liou do Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), escrevem sobre o uso de modelagem para ajudar a reparar palhetas de turbinas danificadas usando deposição direta de metal a laser. Seu artigo, "Modeling of worn surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process", está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

O reparo de palhetas de motor requer obter a área desgastada e gerar o caminho de ferramenta correspondente para deposição. Neste artigo, um método automatizado de modelagem de superfície desgastada foi proposto para recuperar o volume faltante de palhetas danificadas. Engenharia reversa foi utilizada para reconstruir modelos de palhetas. O modelo danificado reconstruído foi melhor ajustado com o modelo nominal. Método de comparação de área de seção transversal foi usado para detectar camadas danificadas. O método de lançamento de raios foi adotado para intersectar as camadas danificadas e extrair o volume faltante. O caminho de ferramenta foi gerado e o experimento de reparo realizado usando Deposição Direta de Metal a Laser para validar o método proposto.

Duas Abordagens para Usinagem de Nervuras Finas

Em "Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machining", os autores Tony L. Schmitz e Andrew Honeycutt do UNC Charlotte Department of Mechanical Engineering and Engineering Science apresentam duas abordagens analíticas diferentes para prever dinâmicas de viga fixa-livre em usinagem de nervuras finas com geometrias variáveis. Este artigo do Journal of Manufacturing Processes, Volume 30, de dezembro de 2017, está disponível em https://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 fundamental de flexão de vigas com 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 análise de subestrutura por acoplamento de receptância (RCSA) para prever as receptâncias (ou funções de resposta em frequência) da viga nos mesmos dois locais, conectando rigidamente receptâncias que descrevem as seções escalonadas individuais da viga, onde as receptâncias são derivadas do modelo de viga de Timoshenko.

Comparações com cálculos de elementos finitos são concluídas para verificar as duas técnicas. Observa-se que as previsões da RCSA concordam mais de perto com os resultados de elementos finitos. Experimentos também são realizados onde a espessura da viga escalonada é alterada por múltiplas passadas de usinagem, e medições de receptância são realizadas entre as passadas. As previsões da RCSA são comparadas aos resultados experimentais para frequência natural e rigidez. Concordância na frequência natural dentro de alguns por cento é relatada.

Princípios Lean Aceleram Processo de Fornecimento de Plutônio

Em seu artigo, "Application of lean manufacturing principles to improve a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process", os autores Tomcy Thomas, Steven R. Sherman e Rapinder S. Sawhney do Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee (Knoxville) e do Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), descrevem como processos lean 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 Pu-238 Supply Project do Departamento de Energia dos EUA visa reconstruir a capacidade dos EUA de produzir Pu238 em escala de quilogramas. Este radioisótopo é usado pela NASA para alimentar sondas espaciais de espaço profundo, e o suprimento 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 Radiochemical Engineering Development Center do ORNL.

A seção limitante da taxa do processo conceitual foi analisada usando simulação de sistema de eventos discretos para determinar taxas de produção esperadas, gargalos e efeitos de atrasos de tempo na taxa de produção. Alternativas de processo foram geradas com base em princípios de manufatura lean, e essas foram examinadas e comparadas ao processo original usando simulação para identificar melhores estratégias operacionais.

TechFront é editado pelo Editor Sênior Patrick Waurzyniak.