Fabricación virtual de cosechadoras en John Deere

John Deere Harverter Works es la fábrica de cosechadoras más grande del mundo. La fábrica es real, por supuesto, y las cosechadoras que se producen también.

Las nuevas tecnologías y los nuevos modelos que se incorporan requieren una actualización constante de productos y procesos. Así es habitual que se diseñen y se prueben cientos de componentes y procesos nuevos, lo cual requiere grandes inversiones de tiempo y de dinero y especialmente una gran coordinación de trabajo en equipo de diferentes especialistas.

Contando con softwares de fabricación virtual, se pueden hacer rápidamente pruebas de fabricación de todas las componentes y procesos que se desarrollan y así lograr:

• Piezas y componentes de mayor calidad y mejor diseño,
• Procesos más eficientes, seguros y confiables,
• Invirtiendo menos tiempo y a un costo menor.

Así, cuando hay que fabricar nuevos modelos o partes de las cosechadoras un grupo especializado de diseñadores, ingenieros, constructores, soldadores y ensambladores trabajan en forma conjunta con el objeto de simular la fabricación de cosechadoras virtuales.

Tanto el diseño de la máquina como la fabricación de sus piezas y el posterior ensamble de las mismas son simulados en programas que permiten dibujar y simular movimientos de todo tipo en tres dimensiones.

¿Cómo se logra la fabricación virtual?

El uso de un software de diseño en 3D.

Con el mismo se pueden crear virtualmente y en tres dimensiones:

• Todas las piezas y componentes de las cosechadoras
• Las maquinas y herramientas necesarias para su fabricación
• Los espacios de fábrica y procesos de producción a ejecutar
• El personal necesario para ejecutar los procesos de producción

Todo se suma para formar parte de un mundo virtual tridimensional que funciona como si fuera una fábrica real.

El modelizado en tres dimensiones y la simulación virtual ayudan en la determinación de los procesos más eficientes, en forma rápida y a menor costo.

Estas herramientas digitales pueden crear un área ideal de trabajo virtual para cada tarea que luego es utilizada como modelo para la construcción de ambientes de trabajo reales.

Luego se incluye personal virtual dentro del ambiente simulado y finalmente se corren programas que simulan funcionamiento de las líneas de montaje, con lo que se pueden observar y analizar en computadoras problemas potenciales que deben ser mejorados antes de la ejecución real del proceso.

Por ejemplo se puede analizar si los espacios reservados son apropiados, si existen interferencias entre elementos, si los componentes están correctamente dispuestos, etc.

Resultado: mejores productos a más bajo precio

Los beneficios de la fabricación virtual de cosechadoras y otros productos son considerables. Beneficios que se transforman en mejores productos y procesos, a la vez que permiten bajar los costos y precios de las maquinarias.

Los principales beneficios de la fabricación virtual son:

• Mejora la relación costo-eficiencia mediante la resolución de problemas en los esquemas virtuales, sin que sea necesario contar con los elementos físicos reales.
• Se eliminan así la necesidad de costosos prototipos
• Reduce drásticamente los costos de rediseño y reconstrucción de herramental
• Genera productos de mayor calidad en menor tiempo
• Detecta tempranamente los errores de diseño en los procesos
• Evita modificaciones por errores en la estructura de los edificios
• Permite incorporar nuevas tecnologías de productos y procesos rápidamente y con mayor seguridad
• Permite compartir en forma ágil y rápida los diseños entre los departamentos de Ingeniería de producto e Ingeniería de Procesos

Además, el entorno virtual simplifica la visión de cómo las partes son montadas en un conjunto, haciendo mucho más sencilla la estimación del tiempo que demanda el montaje de cada componente.

Gracias a esta información y otras los diseñadores pueden estimar con un alto grado de aproximación los costos de nuevos diseños antes que el producto sea producido en serie.

Conclusión

La fabricación virtual en tres dimensiones permite trabajar con mayor calidad en productos y procesos, tener mayor flexibilidad y rapidez para incorporar nuevas tecnologías o nuevos modelos de maquinaria y lograr menores costos.

Este tipo de tecnología es otro avance que permite a John Deere fabricar mejores productos a precios cada vez más competitivos.

ANSYS Software Enhances Design to Keep Flood Waters at Bay

Pumping Platforms Designed Using Engineering Simulation Software Withstand Hurricane Forces

UTHPOINTE, Pa.--(BUSINESS WIRE)--May. 27, 2009-- ANSYS, Inc. (NASDAQ: ANSS), a global innovator of simulation software and technologies designed to optimize product development processes, today announced that its software has been successfully used to build pumping station platforms in storm-prone New Orleans. Engineers charged with improving water drainage pumping capacity faced a number of design challenges. Because the platforms are partially submerged, all design problems had to be identified and addressed before any construction began. In addition, the project needed to be completed prior to the onset of hurricane season. Work was contracted after one of the costliest and deadliest hurricanes in the United States, Katrina, devastated the Gulf Coast. When Category 2 hurricane Gustav hit in 2008, the platforms and pumps successfully kept flood waters in check, validating the accuracy of the ANSYS® simulation results.

 When a hurricane or other major weather event hits, high-power pumping units must work at full capacity to drain excess water out of sub-sea level New Orleans. The heavy equipment — turbine pumps, diesel engines, gearboxes and associated piping — produce vibrations and other stresses that can cause the massive platforms supporting the equipment to fail. Design and analysis consultant Mechanical Solutions, Inc. (MSI), working for the platform design-build contractor Weston Solutions, Inc., used software from ANSYS to simulate these stresses in the pumping platform along the 17th Street Canal, ensuring that the system would perform optimally during storms.

H.1 - Models show the 17th Street Canal pumping station (top) with a detailed view of the model in

which the soil has been removed to expose the piles (bottom).

Simulation-driven design using ANSYS software allows companies to determine potential problems early in the design phase, long before a structure or product is built. In addition, many different design modifications can be rapidly simulated and the corresponding effects assessed. "Our approach with every project is to bring value to the table by identifying and mitigating risk early on to reduce the potential for costly modifications after construction has been completed. By using software from ANSYS to simulate the vibrational response of the platform, we were confident that the pumping system would perform optimally, and it did," said William J. Kelly, principal engineer, Mechanical Solutions, Inc. "In addition, engineering simulation helped us meet a rigid deadline by identifying issues early in the design process so that the platform could be completed before hurricane season."

H.2 - MSI also analyzed frequencies up to 120 hertz, which corresponded to the cylinder firing frequency for the diesel engines, and they accounted for rotating imbalance loads and phase conditions imposed by the gears and pump impellers.

MSI used its well-practiced design audit approach to characterize and predict the behavior of the system’s structural natural frequencies and vibration levels at various locations. The team accounted for soil conditions expected to play a role in the system platform’s vibrational response. Engineers performed analyses to assess forces imparted to the platform by the diesel engines, gearboxes and pumps. MSI also analyzed frequencies up to 120 hertz, which corresponded to the cylinder firing frequency for the diesel engines, and they accounted for rotating imbalance loads and phase conditions imposed by the gears and pump impellers. The results indicated that the worst-case loading occurred when the imbalance loads of all 11 pumps were in phase. Finally, MSI performed an acoustic evaluation of the discharge piping to assess the potential for acoustic resonance within the 9-foot diameter manifolds leading to the lake.

H.3 - A New Orleans pumping platform under construction

About Mechanical Solutions, Inc.

Mechanical Solutions, Inc. (MSI), based in the United States, is a leading mechanical engineering firm that performs consulting and R&D. The company also provides design, analysis and testing services for a diverse range of project types throughout the world. MSI specializes in stress, thermal, finite element fluid dynamic, rotordynamic and experimental modal analyses. For more information, visit

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ANSYS Press Center

AUMENTO DE LA VIDA ÚTIL DE INSERTOS DE PRÓTESIS DE ARTICULACIÓN DE RODILLA

 Agustín Vidal Lesso_,  Raúl Lesso Arroyo

 

   Departamento de Ingeniería Mecánica, 

Instituto Tecnológico de Celaya

 

RESUMEN 

Los insertos de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) en las prótesis de rodilla son elementos que actualmente tiene una vida útil baja (3 a 4 años). Para aumentar la vida útil de los insertos, se trabajó en el análisis del del Titanio, como recubrimiento del UHMWPE, aplicando del método de elemento finito.

Se logró reproducir la prueba de nanoindentación en titanio de manera virtual, obteniendo la dureza y la profundidad de penetración por simulación y análisis teórico-experimental-simulación.

Se analizaron además, diferentes espesores micrométricos de recubrimiento, obteniéndose el estado de esfuerzo para cada caso, lo cual proporciona el criterio para determinar el espesor del recubrimiento y así disminuir el desgaste de los insertos de prótesis de rodilla.

INTRODUCCIÓN

El problema de osteoartritis  en la rodilla (desgaste de cartílago) lleva finalmente a la utilización de una prótesis de rodilla. Estimaciones realizadas, señalan que para el año 2010, habrá 3.5 millones de personas con dolor y alteración de las rodillas, lo cual termina en la osteoartritis.

 

Figura 1. Partes que forman a la rodilla.

 La prótesis es la sustitución de una parte del cuerpo por un objeto artificial o instrumento diseñado y colocado con el fin de mejorar una función. Una articulación artificial incluye elementos metálicos, plásticos y/o cerámicos que se fijan al hueso existente.

La prótesis de rodilla es un dispositivo que reemplaza la articulación deteriorada de la

rodilla como muestra la figura 2, y consta de los siguientes elementos:

·         Componente femoral. Es de material metálico y reproduce la curvatura anatómica de los cóndilos femorales (hueso del muslo) y el surco de la patela.
·         Componente tibial: Elemento metálico, reemplaza la parte superior de la tibia o hueso de la espinilla, consta generalmente de una bandeja tibial y un vástago.
·         Inserto: Fabricado de un material plástico (Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular, UHMWPE), sustituye la patela y los meniscos, constituye la superficie de contacto. 

Figura 2. Componentes de prótesis de rodilla.

Hoy en día, la vida útil del inserto(componente Meniscal) de las prótesis de rodilla, es baja, llegando a ser de hasta solo 3 a 4 años, lo cual repercute fuertemente en la calidad de vida de las personas. El inserto ha llegado a fallar en diversas zonas de contacto entre los otros componentes, en la figura 3, podemos observar las falla y su localización en las zonas críticas A, B, C y D.

 

Se han realizado diversas investigaciones por la técnica de nanoindentación para la caracterización de materiales de recubrimiento. Oliver W. C. et al.¹, obtuvo curvas de carga-desplazamiento en diferentes materiales. A.C. Fischer-Cripps et al.² presenta el análisis analítico de la nanoindentación con indentadores esféricos y  del tipo Berkovich. Las ecuaciones generadas se utilizaron en el presente estudio. Giannakopoulos A.E. et al.³, presenta análisis de nanoindentación con indentadores piramidales en metales y cerámicas. Muestra además, la geometría utilizada en los indentadores. Zhaohui Shan et al.⁴, presenta un análisis de nanoindentación utilizando el método de elemento finito en metales. Finalmente, F. Zhang et al.⁵, realiza análisis de nanoindentación en películas delgadas duras sobre substratos suaves, utilizando el método de elemento finito.

El conjunto de resultados e información proporcionada por estas investigaciones, es utilizado para realizar el presente análisis, donde se considera un comportamiento lineal para el recubrimiento de titanio y un comportamiento no lineal en el substrato de UHMWPE, no considerado en las investigaciones mencionadas anteriormente. Por lo tanto, el objetivo principal  del presente proyecto es aumentar la vida útil de los insertos de prótesis de articulación de rodilla.

MATERIALES Y MÉTODO

La metodología seguida para el desarrollo de la interface grafica se muestra en el diagrama siguiente:

 

Las propiedades mecánicas consideradas en los materiales utilizados para el análisis realizado fueron:

·         Titanio: E=120GPa, v=0.36

·         UHMWPE (véase figura 4)

Figura 4. Curva experimental esfuerzo-deformación verdaderos del UHMWPE⁶

Se realizó un análisis 2D, en lugar de 3D, debido al tiempo de cómputo consumido por éste último. Los modelos y mallas generadas para el análisis por elemento finito se muestran en la figura 5.

Se utilizó la geometría de un indentador tipo Berkovich⁷ con un semiángulo de 65.27º y un factor geométrico de corrección () de 1.034.

El modelo analítico de la profundidad de penetración en la prueba Berkovich (ecuación 1), desarrollado por Fischer-Cripps et al. ², se utilizó en el presente análisis con los resultados experimentales obtenidos por Rivera R.C. et al.⁸ y los obtenidos en el presente análisis de elemento finito.

 

donde 

 

Además, se consideró un módulo de elasticidad corregido E* de acuerdo a Oliver W. C. et al.¹ como se muestra en la ecuación 2.

 

donde

E*= módulo elástico corregido

E, v= módulo elástico y relación de Poisson del material penetrado

E’ , v’= módulo elástico y relación de Poisson del material del indentador

Figura 5. Modelo simplificado: a) sin recubrimiento y b) Análisis con recubrimientos.

RESULTADOS

Los desplazamientos y esfuerzos de von Mises obtenidos en la prueba de nanoindentación virtual del titanio, se muestran en las figuras 6 y 7, respectivamente.

 

Figura 6. Desplazamientos (m) en Ti con indentador Berkovich. 

Figura 7. Esfuerzos de von Mises (MPa) en Ti con indentador Berkovich.

 

Se graficó el comportamiento de la fuerza requerida para la penetración del indentador y se obtuvo el comportamiento que se muestra en la figura 8. 

Figura 8. Curva de indentación generada por simulación.

Los resultados obtenidos por simulación y los experimentales por Rivera R.C. et al.⁸, se utilizaron con la ecuación 1 y 2, para calcular la profundidad de penetración (véase figura 9). Es decir, la curva de penetración experimental y analítica-simulación.

 

Figura 9. Comparación de resultados.

La dureza se determinó adicionalmente por simulación para el recubrimiento de Ti (véase figura 10).

Figura 10. Comparación de la curva de dureza experimental y analítica-simulación.

El comportamiento de los esfuerzos de von Mises, para el UHMWPE sin recubrimiento, se muestra en la figura 11.

 Figura 11. Esfuerzos de von Mises (MPa) en el UHMWPE sin recubrimiento.

Simulando la aplicación de un recubrimiento de titanio sobre UHMWPE, se obtuvo la distribución de esfuerzos sobre diferentes espesores de recubrimiento, analizando un rango de 100 a 600(véase figura 12).

 

 

Figura 12. Distribución de esfuerzos de von Mises en el recubrimiento con espesor: a) 100 y b) 600.

Adicionalmente, se presenta en la figura 13, la distribución de esfuerzos en el substrato de diferentes espesores de recubrimiento. 

 

Figura 13. Distribución de esfuerzos de von Mises en el substrato del UHMWPE con recubrimiento de a) 100 y b) 600.

La figura 14, muestra el efecto del espesor del recubrimiento sobre su magnitud de esfuerzo de von Mises. 

 

Figura 14. Comportamiento del esfuerzo de von Mises del recubrimiento versus su espesor.

Finalmente, se determinó el efecto del espesor del recubrimiento su vida a la fatiga, encontrándose el comportamiento mostrado en la figura 15.

  

 

Figura 15. Comportamiento del número de ciclos de vida del recubrimiento versus su espesor.

CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos en la prueba de nanoindentación por simulación, presentan una buena correlación con los resultados experimentales como se mostró en la figura 8, 9 y 10. Es importante señalar, que los resultados experimentales obtenidos por Rivera R.C. et al.⁸, fueron realizados en nitruro de titanio (TiN), siendo el Ti el elemento que le da las mejores propiedades mecánicas a éste compuesto y debido a ello se pueden comparar los resultados obtenidos en Ti el presente estudio.

En la figura 8, se presentó la curva fuerza-penetración obtenida por simulación, la cual representa el comportamiento típico experimental no lineal, que presenta este tipo de pruebas.

La figuras 11 a 13, mostraron el comportamiento de los esfuerzos en el UHMWPE con y sin recubrimiento. A partir de éstos resultados, se puede concluir que el recubrimiento genera esfuerzos menores en el substrato y produce una distribución mas uniforme de esfuerzos en éste.

La figura 14, muestra que el espesor del recubrimiento influye en su magnitud de esfuerzo, encontrándose que a mayor espesor, menor es el esfuerzo en el recubrimiento, produciendo con ello, un aumento de vida útil, como lo muestra la curva en la figura 15.

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