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El sector manufacturero estadounidense utiliza la adquisición rápida de datos para mejorar su capacidad de producción

Las empresas manufactureras de todo el mundo se esfuerzan por mejorar la calidad de sus productos. Investigadores norteamericanos han utilizado los sistemas de adquisición de datos de HBM para mejorar la competitividad internacional.

El sector manufacturero estadounidense utiliza la adquisición rápida de datos para mejorar su capacidad de producción

En su esfuerzo por mantener la competitividad a escala internacional, el sector manufacturero estadounidense está llevando a cabo cambios esenciales centrados en el diseño y la fabricación de productos complejos de elevada calidad y altamente personalizados. La demanda global obliga a hacer realidad estos productos rápidamente, para satisfacer las exigencias de un mercado en constante cambio. Los fabricantes tienen que acortar los ciclos de desarrollo del producto e incrementar la flexibilidad y la velocidad de los sistemas de producción y de las redes de suministro. Y todo ello debe lograrse reduciendo al mismo tiempo las necesidades energéticas y el impacto medioambiental.

Una de las principales dificultades a las que se enfrenta este sector es la capacidad de predecir con precisión los mejores parámetros de mecanizado para un proceso y materia prima concretos.

Estos aspectos han sido objeto de importantes investigaciones en EE.UU., donde el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) ha desarrollado avanzados métodos y herramientas de metrología de los procesos, con el fin de profundizar en el conocimiento científico de los actuales procesos de producción.

Esta investigación busca sentar las bases para el desarrollo de nuevas aplicaciones industriales susceptibles de reforzar la competitividad internacional estadounidense.

Se han desarrollado varios procedimientos que podrían ser de vital importancia para varios procesos de producción, y el NIST cree que requieren enfoques metrológicos genéricos.

- En los fenómenos de procesamiento más comunes que ha estudiado, el NIST busca un mejor entendimiento de las fuerzas, temperaturas, propiedades de los materiales y sus transformaciones, sobre todo en la zona de interacción de las herramientas.

- También se han estudiado formas de reducir el impacto del desgaste de las herramientas a partir de consideraciones de rendimiento, fricción y vibraciones durante el proceso de producción.

Las repercusiones de estos cambios exigen transformar las prácticas de producción basadas en la experiencia humana en una elaboración de modelos, toma de decisiones y producción basadas en evidencias científicas. El programa del NIST está desarrollando mediciones, normas y herramientas esenciales para ayudar a los fabricantes estadounidenses a llevar a buen puerto esta transformación.

Como parte de esta investigación, el NIST ha desarrollado una barra de Hopkinson (o barra de presión de Hopkinson) de precisión que combina una función de calentamiento rápido. Este dispositivo tiene la finalidad de proporcionar información sobre las propiedades de los materiales, para mejorar la elaboración de modelos de elementos finitos para los procesos de mecanizado de alta velocidad.

La barra de Hopkinson del NIST está formada por dos barras de acero de alta resistencia de 1,5 m de largo y 15 mm de diámetro, montadas sobre cojinetes para facilitar su deslizamiento axial y evitar que se flexionen en otras direcciones. Las dos barras se denominan barra incidente y barra de transmisión. Existe una tercera barra adicional (denominada percutor) fabricada con el mismo acero que las dos barras principales. Esta tercera barra es mucho más corta pero tiene el mismo diámetro que las dos principales, y se puede mover fácilmente.

Cuando se llevan a cabo experimentos, una muestra cilíndrica del material objeto de ensayo se encaja entre las dos barras y se alinea con cuidado hasta que queda axialmente simétrica. Esto permite, obviando los efectos radiales, analizar cualquier información recopilada mediante la teoría de la onda unidimensional. A continuación, se dispara una pistola de aire a distintas velocidades (siempre altas) para lanzar el percutor contra la barra incidente.

El impacto del percutor envía una onda de tensión compresiva que atraviesa la barra incidente y la muestra. Este montaje permite que la muestra se vea rápidamente impactada por la onda de tensión compresiva. Cuando dicha onda llega a la muestra, la diferencia de impedancia entre la barra y la muestra divide la onda de entrada en dos partes.

Una de las partes es una onda tensil que se vuelve a reflejar a lo largo de la barra incidente. La segunda parte continua en forma de onda compresiva y deforma plásticamente la muestra de manera rápida y permanente. La onda compresiva se propaga después a la barra de transmisión. La barra de Hopkinson del NIST ha sido diseñada de forma que la deformación plástica solo afecta a la muestra.

Además, el dispositivo del NIST se ha combinado con un sistema de calentamiento mediante resistencias controlado que ofrece una perspectiva única de la metrología de la muestra del ensayo.

El sistema de calentamiento se desarrolló inicialmente para medir las propiedades físicas de metales a alta temperatura; por ejemplo, el punto crítico de fusión de un metal puro. Ahora, se mejorado para precalentar una muestra experimental de forma extremadamente rápida, empleando impulsos de corriente continua de alta precisión, una vez que la muestra se ha colocado para el ensayo.

La barra de Hopkinson del NIST puede calentar una muestra hasta una temperatura de 1000 ºC aproximadamente en menos de un segundo. Estas altas temperaturas se pueden mantener durante varios segundos antes de cortar la corriente de forma brusca, para realizar pruebas de compresión dinámica con muestras calentadas rápidamente, a velocidades de deformación de hasta 104 s-1.

Esta combinación de la barra de Hopkinson del NIST con una muestra precalentada permite a los investigadores estudiar la influencia de las velocidades de calentamiento y el tiempo a cualquier temperatura especificada en el esfuerzo de flujo de los aceros al carbono. De este modo se pueden simular operaciones de mecanizado a alta velocidad.

A pesar de que la velocidad de calentamiento por impulsos es inferior a la que normalmente se registra en los procesos de mecanizado a alta velocidad, resulta mucho más rápida que el precalentamiento de las muestras mediante los métodos tradicionales. Y eso es una ventaja, porque permite obtener mediciones del esfuerzo de flujo ya que deja menos tiempo para que se produzcan procesos microestructurales térmicamente activados (como la dislocación por recocido, el aumento del grano y las transformaciones de fase en estado sólido).

Es muy importante monitorizar la barra de Hopkinson del NIST con equipos de análisis y adquisición de datos de altas prestaciones, ya que el principal objetivo de las pruebas consiste precisamente en recopilar datos que faciliten el desarrollo de métodos y herramientas de metrología avanzados.

Por lo general, se realizan entre cinco y diez ensayos con cada material, por lo que las pruebas deben ser repetibles y el sistema de adquisición de datos debe permitir comparar rápidamente los datos de las distintas pruebas. Además, todas las pruebas son destructivas, ya que las muestras son bastante finas y quedan deformadas de manera permanente durante el experimento.

Esto impuso algunas limitaciones al diseño del sistema, dado que el intervalo de tiempo de los ensayos es de tan solo unos milisegundos y se deseaba garantizar que todos los datos relevantes fuesen correctamente capturados y posteriormente analizados.

Para garantizar que se cumplan todos estos requisitos, el NIST desarrolló un sistema de software integrado denominado Split Hopkinson Bar Data Processing And Distribution System o PADS (sistema de distribución y procesamiento de datos de la barra de Hopkinson).

El equipo de adquisición de datos Genesis HighSpeed de HBM transfiere los datos de medición de la barra de Hopkinson al sistema PADS. HBM pudo cumplir los requisitos del NIST porque Genesis HighSpeed es un sistema de adquisición de datos robusto, con capacidad para capturar todos los datos relevantes procedentes de los tres puntos clave durante el ensayo:

- el impacto compresivo inicial

- la onda de tensión de compresión que se refleja

- y la onda tensil que sigue la trayectoria

en el breve lapso de tiempo disponible. Gracias a esto y a los conocimientos de metrología internacional de HBM, el sistema podía proporcionar todos los equipos de detección, adquisición de datos y procesamiento de la información que necesitaban los investigadores para construir sistemas similares (desde las galgas extensométricas hasta el software de análisis).

Una de las ventajas del sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed de HBM radica en que también puede registrar de forma precisa la tensión de baja amplitud, ya que está equipado con una tarjeta A/D de alta velocidad. El sistema de adquisición de datos requiere una respuesta de alta frecuencia para grabar la señal, que normalmente dura menos de un milisegundo. Por lo general, la respuesta de frecuencia mínima de todos los componentes del sistema de adquisición de datos debe ser de 2 MHz para la información de las galgas extensométricas y de 100 kHz para los datos de calentamiento.

Las galgas extensométricas se han convertido en la técnica estándar para medir las extensiones de la barra en los experimentos con la barra de Hopkinson del NIST. Normalmente se instalan dos galgas extensométricas de forma simétrica en la superficie de la barra, atravesando su diámetro. Con las galgas extensométricas montadas en los puntos medios de las barras incidente y de transmisión, y empleando un análisis de onda elástica unidimensional, es posible obtener la tensión de la muestra con respecto a la respuesta de extensión. Las señales de las galgas extensométricas se acondicionan con un puente de Wheatstone. Normalmente la salida de tensión del puente de Wheatstone en estos experimentos posee una amplitud muy pequeña, del orden de milivoltios.

Los dos conjuntos de galgas extensométricas lineales estándar se ubican en un circuito de puente completo. Las galgas extensométricas anteriores al sistema tienen un doble objetivo, ya que miden la extensión incidente en el material y la extensión reflejada derivada del impulso de carga que retorna al equipo percutor. La galga extensométrica posterior registra la deformación transmitida que atraviesa el material y la segunda sección de la barra de Hopkinson del NIST.

Otra de las ventajas del equipo de adquisición de datos Genesis HighSpeed es que su manejo es muy sencillo y el software se puede modificar fácilmente, a la medida de las necesidades específicas de cualquier aplicación. El equipo de adquisición de datos Genesis HighSpeed, sumado a la experiencia de HBM en el campo de las extensiones y las galgas extensométricas, nos permite ofrecer a nuestros clientes una combinación de conocimientos única.

Históricamente, los ingenieros analizaban los datos procedentes de experimentos similares mediante secuencias de programación estáticas, empleando lenguajes como Fortran o Matlab. Sin embrago, Genesis HighSpeed y el software de HBM asociado, con una excelente interfaz gráfica de usuario (GUI), han proporcionado a los ingenieros nuevas herramientas.

Los ingenieros también suelen llevar a cabo pruebas, analizan los datos y publican exclusivamente la información procesada. Sin embrago, HBM ofrece una amplia base de datos relacional que permite a los investigadores almacenar los datos originales, junto con los parámetros de procesamiento, y reprocesar la información en tiempo real en función de las necesidades. Esto resulta muy práctico cuando se elaboran curvas de tensión/extensión a partir de los datos de la barra de Hopkinson. Gracias al equipo Genesis HighSpeed, es posible acceder a los datos en una red a través de un servidor de archivo o instalarlos en un portátil y utilizarlos en modo independiente. Esto permite recuperar rápidamente el registro del ensayo completo.

Un ejemplo de lo útil que resulta esta función es el Data PADS. Este sistema reprocesa de forma interactiva las relaciones de tensión/extensión y otras curvas de datos con arreglo a distintos supuestos, almacenando tanto los datos de galga extensométrica brutos como los metadatos que describen el modo que deberían procesarse los datos de las galgas extensométricas. El Data PADS desarrollado por el NIST también incluye una base de datos que contiene vídeo a alta velocidad, vídeo de cámara térmica, datos pirométricos de alta velocidad, datos de sensores sobre la velocidad del proyectil, así como documentos técnicos e información relacionada. Además, el software tiene que dar acceso a múltiples usuarios que pueden estar llevando a cabo distintos tipos de pruebas con diferentes configuraciones del sistema.

Al margen de los datos unidimensionales normales, como las constantes de calibración y las condiciones de ensayo, el equipo de la barra de Hopkinson del NIST genera una gran variedad de datos bidimensionales, como corriente, temperatura, posición del proyectil y datos de galgas extensométricas con respecto al tiempo. También puede generar datos tridimensionales, imágenes térmicas e imágenes de luz visible en función del tiempo, para proporcionar una información más completa.

El uso de la barra de Hopkinson del NIST ha permitido realizar simulaciones de un problema fundamental como es el astillado. Durante el astillado, la pieza de trabajo interactúa con la herramienta de corte en condiciones de presión y temperatura extremas. Esto hace que se produzca una amplia deformación plástica con una velocidad de extensión muy elevada, tanto en la zona de corte principal fina como en la zona de corte secundaria, a lo largo de la interfase entre la herramienta y la pieza de trabajo, ya que el material recién cortado desplaza hacia arriba la cara de la herramienta.

En algunos materiales, la temperatura durante los cortes a alta velocidad también puede acercarse a la de fusión. A pesar de que la elaboración de modelos y la simulación han progresado notablemente gracias al desarrollo de paquetes sencillos de software de elementos finitos, la creación de la barra de Hopkinson del NIST ha contribuido a caracterizar mejor las propiedades de los materiales gracias a una mayor precisión y fiabilidad en la elaboración de modelos y la simulación de los procesos de mecanizado.

Fuente: http://www.hbm.com/es

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