Engenharia da UIUC Lidera Inovação em Soluções 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 planejada de longa data, de vários milhões de dólares, em seu prédio de Ciência e Engenharia Mecânica (MechSE).

A UIUC foi 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 da reforma, 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 do fabricante de computadores e smartphones Foxconn Interconnect (Taiwan), que constrói iPads e iPhones da Apple.

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 ft² (20.117 m²) de espaço existente reimaginado, reengenhado e otimizado para educação, inovação e comunidade, segundo a UIUC.

Além da expansão, em outubro de 2017, o MechSE da UIUC anunciou que a universidade recebeu um Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) da National Science Foundation, com o centro apoiado por uma bolsa de seis anos de US$ 15,6 milhões focada em novos nanomateriais. Este anúncio seguiu a NSF conceder à UIUC US$ 18,5 milhões para um novo NSF Engineering Research Center liderado pelo Professor Andrew Alleyne do MechSE. Esse centro, chamado Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), foca nos desafios térmicos e elétricos envolvendo eletrônicos móveis e design de veículos como um único sistema.

“Queremos aumentar a densidade total de potência em veículos em 10 a 100 vezes. Isso se traduziria em bilhões de litros de combustível economizados e quase dobrar a autonomia de um carro elétrico”, disse Alleyne, Professor Ralph & Catherine Fisher no MechSE, em comunicado. “As tecnologias elétricas de hoje estão em seu limite térmico. Uma abordagem de sistemas é a única forma de ultrapassarmos o estado da arte atual.”

Em uma discussão recente com a Engenharia de Fabricação, Placid Matthew Ferreira, Professor Tungchao Julia Lu e ex-chefe do departamento MechSE, e Shiv Gopal Kapoor, Chair Grayce Wicall Gauthier e professor de ciência e engenharia mecânica, descreveram o amplo escopo de pesquisa no departamento.

“Somos chamados de MechSE, para Mechanical Science and Engineering, 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 — a áreas mais aplicadas como motores de combustão interna, 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 e engenharia mecânicas, a fabricação desempenha um papel bastante importante, tanto do ponto de vista de processos de fabricação quanto de sistemas de fabricação”, continuou Ferreira. “Aproveitamos a expertise teórica dentro do departamento em coisas como mecânica dos sólidos, processos de solidificação em termos de dinâmica e controles. Trazemos essas coisas para modelagem ou processos de fabricação, design de máquinas-ferramenta e controle de processos de fabricação. Até entramos em fabricação na nuvem. Pegamos os aspectos de ciências computacionais e entramos na simulação de processos de fabricação.”

Esta abordagem ampla aproveita a expertise no departamento, abrangendo várias disciplinas de fabricação, como dinâmica de fluidos computacional para modelagem e simulação de processos, acrescentou Ferreira. “[Isso nos ajuda] a entender o comportamento do material quando estamos olhando para o processo de usinagem, por exemplo, e também para onde estamos indo nessas áreas em sistemas de fabricação na nuvem; chamamos de sistemas cibernéticos.”

Avanços em Fabricação na Nuvem e Ciberfísica

Com a história de pesquisa em computação e recursos de simulação da UIUC, o departamento pode aproveitar a disponibilidade de poder de supercomputador, localizado tanto no campus universitário quanto em outros lugares nos EUA. A universidade abriga o National Center for Supercomputing Applications (NCSA), que criou o Mosaic, o primeiro navegador Web gráfico.

“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, observando a importância de tais experimentos em ferramentas de corte e na 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) nos UI Labs.

“Em um projeto, estamos desenvolvendo o que é conhecido como um sistema operacional para fabricação ciberfísica”, disse Ferreira. “Em outro projeto, estamos trabalhando com Caterpillar e Missouri Science and Technology para reduzir a variabilidade de 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 sob pressão.”

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

Colaborar com a indústria compensa imensamente no avanço da pesquisa e na colocação de novas tecnologias no mercado. “Estamos trabalhando com parceiros industriais, como Caterpillar e outros, em tantos níveis”, disse Ferreira, citando as grandes contribuições de pesquisadores anteriores na UIUC, como B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam, e mais recentemente, Shiv Kapoor. “Eles criaram coisas que foram amplamente usadas na indústria, modelos tangíveis de processos de usinagem que a indústria podia 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 superficial.”

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

Por cerca de 12 anos, o departamento da UIUC também dirigiu 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 2003-2010, e atualmente é afiliado do Micro-Nanotechnology Laboratory na UIUC.

“Fizemos a transição de lá para a era da micro e nano fabricação, 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, microconformação e micro EDM.”

—Editor Sênior Patrick Waurzyniak

Artigos Técnicos dos Periódicos SME e Manufacturing Letters

Estes resumos, trechos e links web 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.

Evitaçăo de Chatter em Fresamento Robótico

Em seu artigo, “CCT-based mode coupling chatter avoidance in robotic milling”, Lejun Cen e Shreyes N. Melkote da George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta), examinam questões com chatter gerado por fresamento robótico. Seu artigo, 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, fresamento com um braço robótico articulado de múltiplos graus de liberdade (GDL) tem várias vantagens devido ao seu menor custo e versatilidade. A baixa rigidez de um robô de braço articulado, no entanto, dá origem a chatter severo de acoplamento de modo de baixa frequência durante a usinagem.

Estudos anteriores mostraram que tal chatter pode ser suprimido minimizando o ângulo entre a direção da força de corte resultante média e a direção de rigidez principal máxima do robô. Esta abordagem limita a gama de movimento permissível do robô, e portanto sua flexibilidade de uso. Este artigo apresenta um novo método para evitar chatter de acoplamento de modo em fresamento robótico usando o modelo de rigidez Conservative Congruence Transformation (CCT), que não requer mudar a direção de avanço da ferramenta ou a orientação da peça. Experimentos de fresamento robótico mostram que o chatter de acoplamento de modo é significativamente reduzido ao usar esta abordagem.

Fresamento de grandes peças de aeronaves é rotineiramente realizado usando grandes e caros centros de usinagem CNC que são muito rígidos e precisos. Essas máquinas-ferramenta muitas vezes ocupam um grande espaço de trabalho no chão de fábrica. Em contraste, um sistema de fresamento robótico baseado em braço articulado multi-eixo oferece alto grau de flexibilidade para usinagem de grandes peças de aeronaves. Trabalhos anteriores mostraram que, comparado a centros de usinagem CNC industriais, sistemas de fresamento robótico podem reduzir requisitos de espaço de trabalho de produção em 40% e simultaneamente fornecer maior flexibilidade. Fresamento robótico também é mais adequado em ambientes perigosos. No entanto, aplicações práticas de robôs de braço articulado são frequentemente restritas a aplicações de baixa força como manuseio de material, montagem, soldagem e rebarbação.

Torneamento de Acabamento de Ti-6AL-4V com Fluido de Corte Baseado em Atomizaçăo

Novos sistemas de spray de fluido de corte por atomização têm potencial para melhorar o torneamento bruto 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 Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL), e Anil K. Srivastava da University of Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX). O artigo, publicado no Volume 28 do Journal of Manufacturing Processes, está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

Qualidade do produto e produtividade são fatores importantes na indústria de fabricação, especialmente ao lidar com materiais difíceis como titânio. Efeitos de resfriamento e lubrificação oferecidos pelo sistema de aplicação de fluido de usinagem associado desempenham papel vital na determinação desses fatores, especialmente durante corte de acabamento. Recentemente, o sistema de spray ACF mostrou efeitos promissores de resfriamento e lubrificação durante torneamento bruto de titânio em macroescala, mas ainda não foi examinado durante corte de acabamento (ex: profundidade de corte e taxa de avanço 0,2 mm ou menor).

Este artigo visa estudar o efeito do sistema de spray ACF no desempenho de usinagem durante torneamento de acabamento de Ti-6Al-4V. No primeiro conjunto de experimentos, dois parâmetros de spray (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 aplicação do sistema de spray ACF. Saídas de usinagem são avaliadas em termos de desgaste do nariz, temperatura de corte, rugosidade superficial, erro de redondeza, morfologia de cavaco e dureza da peça. Um conjunto separado de experimentos é então realizado para comparar o desempenho do sistema de spray ACF contra ar comprimido (seco) e condições de refrigerante por inundação. Verifica-se que, mesmo em uma vazão de fluido menor de 1,5 mL/min (10% volume) em uma velocidade de gás menor, o sistema de spray supera as outras duas condições de refrigerante, melhorando ainda mais o desempenho de um processo de fabricação ambientalmente amigável.

Modelagem da Recuperação de Ímãs de Terras Raras

Em seu artigo, “Modeling operation and inventory for rare earth permanent magnet recovery under supply and demand uncertainties”, os autores Hongyue Jin e Yuehwern Yih, de Engenharia Industrial, Purdue University (West Lafayette, IN), e John W. Sutherland de Engenharia Ambiental e Ecológica em Purdue, discutem os fatores envolvendo estratégias de inventário usando simulações de modelagem.

Ímãs permanentes de terras raras (REPMs) desempenham papel essencial em várias aplicações, como produção de energia renovável e produtos relacionados a aeroespacial e defesa. Elementos de terras raras (REEs) como neodímio e disprósio são usados em REPMs, e o suprimento desses REEs tem experimentado volatilidade. Para mitigar esse risco, REEs podem ser recuperados de produtos fim de vida (EOL) como discos rígidos de computador (HDDs).

Este artigo desenvolve uma estratégia de gestão de operação e inventário para explorar a rentabilidade sob suprimento de mercado incerto e com valores variáveis 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.