Advances in plastic deformation technologies

Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraPostprint (published version

Estudio para la mejora del acabado superficial de superficies complejas aplicando un proceso de deformación plástica (Bruñido con Bola)

Mejorar el acabado superficial de una pieza plana o cilíndrica, se puede hacer de manera relativamente sencilla, utilizando para ello un proceso de rectificado. Sin embargo lograr un buen acabado superficial en una superficie de configuración geométrica compleja, es un problema difícil de tratar y es uno de los retos que tiene la industria de la manufactura de piezas a día de hoy.Muchos elementos mecánicos como los moldes y matrices se caracterizan por tener en su geometría varias superficies complejas. De manera general casi cada producto comercial contiene, al menos, un componente crítico hecho en un molde o una matriz. Es por esto que este problema está siendo ampliamente estudiado por los investigadores de la rama de la fabricación de piezas. En esta tesis se estudia como mejorar el acabado superficial de geometrías complejas a través de un proceso de deformación plástica: el bruñido con bola. Este proceso puede sustituir al habitualmente utilizado en este tipo de superficies, específicamente el pulido manual. Como característica fundamental del mismo, se puede decir que es un proceso automatizado que se desarrolla en la propia máquina donde está siendo elaborada la pieza en cuestión. Para llevar a cabo este estudio se definen tres etapas. En la primera se desarrolla, en pasos sucesivos, un modelo físico para el proceso; a través del cual se podrá describir el fenómeno que ocurre durante el bruñido con bola. El objetivo final, es saber que parámetros son necesarios definir y ajustar durante la aplicación de dicho proceso. Se parte de hacer un análisis de fuerzas sobre un elemento diferencial de área y se van incorporando al modelo, las variables que están presentes en el sistema. El resultado final es un modelo en que los valores teóricos de presión se ven afectados por la influencia de los fenómenos que están presente en el sistema analizado, como son la velocidad con la que se deforma el material y el efecto del endurecimiento que va sufriendo el mismo a medida que va desarrollándose el proceso.Una vez obtenido el modelo se realiza la caracterización a través de ensayos del material de las piezas de trabajo para poder introducir sus propiedades en el mismo y a continuación se diseñan y realizan los experimentos necesarios para validar los resultados obtenidos.En una segunda etapa, se adicionan al modelo físico algunas variables no consideradas explícitamente hasta el momento, como el ancho de pasada lateral de la herramienta, la estrategia de mecanizado a seguir en el proceso y la influencia sobre la fuerza de bruñido, de la presión hidráulica del sistema y la profundidad de penetración del cabezal de la herramienta. Además se ajusta el modelo para el bruñido de superficies complejas. Todo esto se lleva a cabo a través del diseño de experimentos. Los resultados obtenidos se llevan a una hoja resumen donde se puede observar lo que se esperan obtener con el proceso bajo determinadas condiciones de trabajo. Como indicadores de la bondad del modelo se miden la rugosidad superficial media Ra y la rugosidad máxima total en la longitud de evaluación Rt.En la tercera y última etapa, se realiza un estudio sobre la dureza superficial y las tensiones residuales en el material de las piezas ensayadas, para determinar los valores añadidos que aporta el proceso. Al finalizar se llegan a conclusiones importantes sobre el proceso de bruñido con bola estudiado y sobre el cumplimiento de los objetivos planteados en la tesis. Por otra parte se recomienda toda una serie de trabajos pendientes a los cuales se les podría dar solución en un futuro inmediato.RÉSUMÉL'amélioration de la qualité de surface d'une pièce plane ou cylindrique, peut se faire d'une manière relativement simple, utilisant pour cela un processus de rectification. Cependant obtenir un bon état superficiel sur une surface de géométrie complexe (comme les surfaces gauches), est un problème difficile à traiter et correspond à l'un des objectifs que l'industrie mécanique recherche aujourd'hui.Beaucoup d'éléments mécaniques comme les moules et les matrices comportent dans leur géométrie plusieurs surfaces gauches. De manière générale et quelque soit le domaine concerné (automobile, aéronautique, ferroviaire, etc..) quasiment chaque produit commercial contient, au moins, un composant réalisé à partir d'un moule ou d'une matrice. C'est la raison pour laquelle ce problème est amplement étudié par les chercheurs du domaine de la fabrication mécanique.Dans cette thèse on propose une technique d'amélioration de l'état de surface de géométries complexes à travers d'un processus de déformation plastique: le rodage par déformation plastique à l'aide d'une bille. Ce processus peut remplacer le polissage manuel, long et couteux, habituellement utilisé pour ce type de surfaces. Le rodage par bille a comme avantage principal d'être un procédé automatisé qui peut s'effectuer dans la même machine où la pièce a été élaborée (centre d'usinage à Commande Numérique CN).Pour mener à bien cette étude, on définit trois étapes. Dans la première, on développe, par phases successives, un modèle physique pour le processus; à travers duquel on pourra décrire le phénomène qui se développe durant la déformation plastique. L'objectif final, est de savoir quels sont les paramètres prépondérants et de déterminer leur réglage durant l'opération de finition. L'étude commence avec une analyse des efforts sur un élément différentiel d'une aire élémentaire de contact et on continue en incorporant dans le modèle, les variables présentes dans le système. Le résultat final est un modèle qui montre que les valeurs théoriques de pression sont affectées par des phénomènes présents dans le système analysé, comme : la vitesse de déformation du matériau et l'effet de durcissement superficiel et progressif pendant le processus de rodage.Une fois le modèle obtenu, on effectue la validation à travers d'essais sur différents matériaux et pièces. Pour tenir compte des propriétés de ces matériaux, on a conçu et on a réalisé, les expériences nécessaires pour valider le modèle.Dans une seconde étape, on rajoute au modèle physique, plusieurs variables non considérés explicitement sur le modèle initial, tels que le pas de balayage, la stratégie d'usinage à suivre durant le processus et l'influence sur l'effort de rodage de la pression hydraulique du système et de la profondeur de pénétration de l'outil. Tout ceci se réalise par la mise en place d'un plan d'expériences. Les résultats obtenus sont présentés sur une feuille résumée où l'on peut observer les performances du système, sous certaines conditions de travail. Comme indicateurs de la qualité du modèle on mesure la rugosité moyenne de la surface Ra et la rugosité maximale totale Rt. Dans la troisième et dernière étape, on réalise une étude sur la dureté superficielle et sur les contraintes résiduelles du matériau à partir des différents échantillons pour mesurer les améliorations qu'apporte le procédé de parachèvement étudié.La thèse se termine en proposant un certain nombre de conclusions et perspectives sur le processus de « rodage par bille » étudié et en faisant un bilan par rapport aux objectifs initiaux de la thèse. En guise de perspective, on recommande un certain nombre de pistes d'amélioration qui seront développées dans un avenir proche.It is quite easy to improve the surface finish of a flat surface or a cylindrical one by using a grinding process. But achieving a good finish on a surface of complex geometry is a difficult task. And this is one of the challenges the manufacturing industry faces today. The geometry of many mechanical parts such as moulds and dies is characterised by several complex surfaces. In general almost each trade product has at least one critical component made in a mould or die. That is why this issue has been widely studied by researchers in the manufacturing industry. This thesis aims to research on how to improve the surface finish of complex geometry through a process of plastic deformation; the ball burnishing. This process can replace the one commonly used for this kind of surface, specially the manual polishing. The main feature is an automated process that takes place in the machine itself where the part is actually being produced. To carry out this research three stages need to be defined. At the first one, a physical model is gradually developed for the process. This model allows to describe the phenomenon happening before the ball burnishing. It purpose is to define and to set the parameters required for implementing the process. First an analysis of forces is made on an area differential element and the system variables are then added to the model. The final outcome is a model with theoretical pressure values which are determined by the phenomena happening in the analysed system; such as the speed at which the material is deformed and the hardening effect while the process develops. Once the model has been made, the workpiece characterisation is tested to introduce the properties into the model and after that the required tests are made to validate the results. At a second stage following variables not openly considered up to the previous stage are added to the physical model: the side cut width of the tool, the machining strategy to be applied to the process, the influence on the burnishing strength by the hydraulic pressure system, as well as the penetration depth of the tool head. The model for burnishing of complex surfaces is also fitted. And all this is done by means of the Design of Experiments techniques (DOE). The outcome is offered on a summary sheet that shows what the process can deliver under certain conditions. As goodness indicators for the model the average surface roughness Ra and the total maximum roughness are measured in the evaluation length Rt.At the third and final stage the surface hardness and the residual stress of the tested workpiece material are verified in order to determine the added values that the process is capable of providing. Finally interesting conclusions are drawn about the ball burnishing process and about how to reach the goals outlined in this thesis. Furthermore a range of pending research studies still need to be done to find solutions in the near future.Postprint (published version

Study of the lateral pass width for conventional and ultrasonic vibrations-assisted ball burnishing on Ti-6Al-4V specimens

Ball burnishing is a technological finishing process based on plastic deformation of the objective surface by means of a hard ball gliding over it. Along with its easiness of application, possible on the same machine where machining was performed [1], burnishing is a comprehensive process able to achieve surface roughness improvements, and compressive residual stresses up to deep layers of the material [2]. Burnishing results have proved to be depending of a proper selection of parameters, which must be correctly controlled during the process. That is the case of burnishing force or the number of passes [3]. Among these parameters, the lateral pass width has proved to be influential on the surface roughness results, due to the behavior that most materials show when being plastically deformed. In effect, the applied force makes the material to flow to the borders of the burnishing imprint, giving way to a pile-up effect. This paper deals with indentation experiments on Ti-6Al-4V to deepen in the burnishing process of this material. Single burnishing imprints are geometrically characterized combining different levels of force, number of passes, and comparing the conventional process with that assisted with vibrations. An optimal lateral pass width is thus determined, and technological recommendations are made for future applications of the process.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Surface roughness assessment after different strategy patterns of ultrasonic ball burnishing

Ball burnishing is a comprehensive finishing process consisting on deforming plastically a certain surface by the action of a rolling sphere-shaped indenter. In this work, an AISI 1038 workpiece is burnished in two phases. The first phase covers the burnishing of a 10x10 mm patch, performed along the direction of the previous milling. The second pass is applied on the previous patch, following three different strategies, namely, parallel, perpendicular and at a 45-degrees angle with regards to that first burnishing direction. The comparison between the non-vibration assisted ball burnishing (NVABB) and vibration-assisted ball burnishing (VABB) effects is included in the study. To assess the influence of these strategies on the final roughness profile, an L9 Taguchi orthogonal array is designed, including as factors the vibrations amplitude, the burnishing force, and the lateral pass width. Surface roughness is measured and compared to determine the optimal burnishing orientation. The VABB process proves to be more effective in surface roughness improvement. Technical recommendations are given to select the best process parameters inside the tested levels for each factor. All burnishing strategy prove to have different effects on the surface, and should be selected according to the preferential burnishing direction and in service application of the part.Postprint (published version

Impacts of surface texture and nature of friction on energy-force efficiency of surface plastic deformation during burnishing

Burnishing, the plastic deformation of the workpiece surface due to sliding contact with a tool called burnisher, is a finishing operation widely used in various industries. In this work, impacts of the initial surface roughness Ra of the workpiece being burnished, the nature of friction in the contact zone, and the clamping force on the stability and energy efficiency of burnishing have been investigated. Experiments have been conducted with and without lubricant, represented by low-viscosity deep-hydrogenated fraction of sour oils, at initial surface roughness Ra of 0.8 and 1.25 µm and variable (100–200 N) clamping force. A key process indicator, which largely controls mechanics of burnishing, the temperature in the tool-workpiece contact zone has been measured using natural thermocouple method. Microhardness of the workpiece surface after burnishing has also been measured. It has been shown that changes in the temperature of the tool-workpiece contact zone are proportional to the changes in the squared tool clamping force. This dependence appeared to be universal and equally applicable to burnishing with and without lubrication. Based on the analysis of the experimental data, ¿ new criterion of the burnishing efficiency has been developed. The new criterion simplifies the choice of optimum operational parameters and helps in preventing adverse impacts of structural phase transformations in the workpiece surface layer that unavoidably lead to reduced product quality and operational reliability and in reducing tool wear, which is critically important in the case of dry burnishing. The obtained results show that the nature of friction accompanying the surface plastic deformation has a significant impact on the stability and energy efficiency of the burnishing process. While the clamping force is equally important for burnishing with and without lubrication, the initial roughness Ra has an impact on dry burnishing only. Application of minimum quantity lubrication (MQL) under experimental conditions typical for industrial burnishing is found to be favorable. In particular, it was shown that MQL not only enhances the stability of burnishing process and but also increases its energy efficiency by more than 20%.Peer ReviewedPostprint (published version

Impresión 3D: Del laboratorio a casa. Programa de divulgación científico-tecnológica sobre la tecnología de impresión 3D

La impresión 3D comienza a ser un fenómeno tecnológico en España, dada la gran variedad de modelos a la venta para aquellas personas emprendedoras que deseen disponer de esta tecnología en su entorno doméstico. Sin embargo, existe un gran desconocimiento sobre de qué consiste la tecnología en que se basa, y cuales son sus potencialidades. Los investigadores implicados en este proyecto han emprendido una serie de acciones financiadas por la FECYT que se realizarán durante el 2015, con la intención de divulgar los avances científicos ligados a las impresoras 3D, y, en particular, a la tecnología en que se basa la fabricación de piezas con estos dispositivos: la FDM (fused deposition modeling). Estas acciones pasan por el lanzamiento de una web donde se publicarán programas y documentales de producción propia sobre impresión 3D, una aplicación móvil que facilite la conexión entre dispositivos móviles e impresoras, y la celebración de cursos de formación destinados a público no universitario que les permitan entrar en contacto con estos dispositivos. Se espera que cientos de personas no universitarias se sientan interesadas en incorporar a su ámbito doméstico una impresora 3D como una nueva herramienta de futur

Interactivo para autoaprendizaje del análisis de mecanismos

Con este informe se da a conocer la herramienta y la metodología utilizada en el aprendizaje de análisis de mecanismos, planteado en la asignatura Mecánica y Teoría de Mecanismos 2 (MTM 2) impartida para la titulación de Ingeniería Industrial Mecánica, en la Escola Universitaria de Enginyers Industrials de Barcelona (E.U.E.T.I.B.). En este trabajo se explican los contenidos y la aplicación del material multimedia “Interactivo”, utilizado para dar soporte a las actividades docentes presenciales y al estudio no presencial de la asignatura. La idea de crear el interactivo responde a la necesidad de adaptar los contenidos y recursos docentes a los requerimientos que las pautas de la declaración de Bolonia y las bases del futuro Espacio Europeo de Educación Superior (E.E.E.S.) plantean, entre ellos, la adecuación de la metodología de impartición y de evaluación de las asignaturas. [2] El desarrollo del interactivo tiene como objetivos facilitar la comprensión de la asignatura y proporcionar a los alumnos un recurso que incite a desarrollar aptitudes de autoformación, que despierte en ellos un espíritu de investigación y creatividad, y que fomente las habilidades de búsqueda y aplicación de los conocimientos. En él se le propone al alumno una serie de actividades que le permiten tener una participación individual y colectiva más activa, así como desarrollar aptitudes y actitudes en el planteamiento y resolución de problemáticas reales en el estudio de mecanismos. En este informe se describen los resultados de la positiva valoración que hacen los alumnos del interactivo y se exponen las aportaciones desde el punto de vista del aprendizaje y de la adquisición de habilidades.Postprint (published version

Comparison of thermal performance of 3D printer liquefiers through finite element models

Open source 3D printers have experienced an intense expansion during the last years, mainly because of their accessibility and the vast availability of information thanks to user communities. This fact presents researchers with a perfect context for hardware innovation, by improving the overall printing process, also in terms of durability of the printing machine. A 3D printer liquefier must transmit heat to the thermoplastic material in order to extrude it, reaching temperatures above 200 degrees for some materials like ABS on the tip of the nozzle. The design of the heating process must comply with keeping the balance between proper heating of the material and controlling the temperature along the extruding body, so that the printer itself is not harmed for overtemperature. On the other hand, the design must guarantee that the melting front is located in an intermediate point between the nozzle tip and the entrance of the raw material, to minimize pressure drops in the system, and so decreasing the demanding energy to the feeding motors. An alternative design of the heating system, Twist3D, is proposed in this paper.Peer ReviewedPostprint (published version

Flexural properties and failure mechanism assessment for additive manufactured lom bars on different building orientations

Plastic Laminated Object Manufacturing has not been assessed from the flexural properties point of view. The deflection range in parts manufactured by this technique is wider than in parts fabricated by other additive manufacturing methods like SLS or FDM. This fact has increased the interest on the final application of these parts rather than restricted to Rapid Prototyping applications. In this study it will be compared the impact of building orientation and geometric features of parts over the flexural properties. Through optical observation it will be studied the failure mechanism.Postprint (published version

Experimental analysis of manufacturing parameters’ effect on the flexural properties of wood-PLA composite parts built through FFF

This paper aims to determine the flexural stiffness and strength of a composite made of a polylactic acid reinforced with wood particles, named commercially as Timberfill, manufactured through fused filament fabrication (FFF). The influence of four factors (layer height, nozzle diameter, fill density, and printing velocity) is studied through an L27Taguchi orthogonal array. The response variables used as output results for an analysis of variance are obtained from a set of four-point bending tests. Results show that the layer height is the most influential parameter on flexural strength, followed by nozzle diameter and infill density, whereas the printing velocity has no significant influence. Ultimately, an optimal parameter set that maximizes the material’s flexural strength is found by combining a 0.2-mm layer height, 0.7-mm nozzle diameter, 75% fill density, and 35-mm/s velocity. The highest flexural resistance achieved experimentally is 47.26 MPa. The statistical results are supported with microscopic photographs of fracture sections, and validated by comparing them with previous studies performed on non-reinforced PLA material, proving that the introduction of wood fibers in PLA matrix reduces the resistance of raw PLA by hindering the cohesion between filaments and generating voids inside it. Lastly, five solid Timberfill specimens manufactured by injection molding were also tested to compare their strength with the additive manufactured samples. Results prove that treating the wood-PLA through additive manufacturing results in an improvement of its resistance and elastic properties, being the Young’s module almost 25% lower than the injected material.Preprin