Investigadores del Instituto Politécnico de Worcester ayudan a las Fuerzas Armadas de EE. UU. A optimizar los laboratorios de fabricación móviles; Podría permitir que las unidades remotas conviertan los metales de desecho en piezas de repuesto


Los investigadores de WPI vierten metal fundido en un molde de fundición de inversión precalentado.

Los investigadores de WPI vierten metal fundido en un molde de fundición de inversión precalentado.

“Esto podría revolucionar la forma en que administramos las operaciones en tiempo de guerra, reduciendo nuestra vulnerabilidad en el campo”. – Jianyu LiangProfesor de ingeniería mecánica en WPI

Históricamente, las piezas de repuesto necesarias en bases militares remotas se han introducido en aviones, barcos y convoyes de camiones. Es una cadena de suministro costosa y complicada que puede tardar semanas o meses entre el pedido y la entrega. Además, el Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea de EE. UU. informes emitidos citando su necesidad de reducir la vulnerabilidad operativa y mejorar la eficacia, al tiempo que reducen el desperdicio. Para ayudar a abordar estos problemas, los científicos e ingenieros de materiales del Instituto Politécnico de Worcester (WPI) están desarrollando un proceso de fabricación que permitirá a las fuerzas armadas reducir los tiempos de espera para las piezas, aumentar la disponibilidad de las unidades, reducir las operaciones logísticas y los costos, y hacer que las tropas desplegadas sean más seguras y seguras. más autosostenible.

El Laboratorio Expedicionario del Ejército es una unidad de fabricación autónoma y móvil. Es lo suficientemente compacto como para caber en un contenedor de envío o camión, y se puede trasladar fácil y rápidamente a bases de todo el mundo. Ya en uso en algunas bases y posiciones militares remotas en todo el mundo, el proyecto de investigación de WPI mejorará y ampliará su utilidad al hacer que sea más fácil y más eficiente para las unidades reutilizar los metales de desecho que ya están disponibles, como rotores de freno rotos o llantas de neumáticos. con el fin de fabricar piezas de repuesto muy necesarias para todo, desde vehículos hasta equipos médicos.

“Esto podría revolucionar la forma en que administramos las operaciones en tiempo de guerra, reduciendo nuestra vulnerabilidad en el campo”, dijo. Jianyu Liang, profesor de ingeniería mecánica y co-PI en el proyecto. “La investigación de WPI se alinea con la necesidad del Ejército de poder fabricar piezas de repuesto a partir de lo que de otro modo sería metal desperdiciado en o cerca del punto de despliegue de los soldados para garantizar que estén preparados en cualquier momento y en cualquier teatro”.

Es más, el uso de metales de desecho también minimiza el impacto ambiental de las operaciones militares al utilizar lo que de otra manera se descartaría en gran medida en el sitio; Todas las instalaciones militares generan desechos metálicos como consecuencia normal de las operaciones militares: hasta cuatro libras de desechos sólidos por soldado por día, según estimaciones del Departamento de Defensa.

El proyecto WPI comenzó en 2019 cuando WPI y el Laboratorio de Investigación del Ejército recibió un premio de $ 1,15 millones del Programa de Investigación y Desarrollo Ambiental Estratégico (SERDP), el programa de ciencia y tecnología ambiental dirigido por el Departamento de Defensa (DOD) en asociación con el Departamento de Energía y la Agencia de Protección Ambiental. El equipo de investigación de WPI tuvo la tarea de crear un proceso de fabricación ágil de principio a fin que combina la tecnología de impresión 3D existente, el equipo de análisis de metales y un proceso de fundición, en el que los moldes de cerámica de las piezas necesarias se forman alrededor de un patrón de plástico que se puede crear. con impresión 3D. Luego, la chatarra de las aleaciones adecuadas se funde y se vierte en los moldes para crear las piezas necesarias.

La optimización de los laboratorios expedicionarios con fundiciones móviles haría posible que las unidades militares reutilizaran la chatarra ferrosa (hierro y acero), que representa aproximadamente el 60 por ciento de todos los desechos metálicos generados, así como el aluminio, que representa otro 30 por ciento en cualquier lugar y en cualquier momento. .

“La innovación del proyecto no se trata de las herramientas”, dijo Liang. “Se trata de crear un nuevo proceso que pueda utilizar las herramientas y la tecnología existentes para crear una fundición móvil que pueda producir rápidamente una pieza necesaria. Esta innovación tiene el potencial de cambiar la logística militar y la fabricación moderna al combinar múltiples herramientas y etapas de procesamiento que generalmente se llevan a cabo en ubicaciones e instalaciones separadas en un solo sistema integrado que se puede configurar y operar en el campo. Hacerlo compacto y seguro dentro del espacio permitido en los contenedores de envío no es una tarea trivial “.

Desde que comenzó el proyecto, los investigadores han utilizado el aprendizaje automático para analizar una base de datos de procesos de fundición de acero (utilizando metales líquidos y moldes para crear piezas) para el ejército; modelos diseñados para crear nuevas aleaciones a partir de metales de desecho para piezas de repuesto anticipadas; y creó una fundición de acero de fundición rápida compactable habilitada para impresión 3D que actualiza un modelo antiguo para las fábricas de fundición de metales.

Como parte del proyecto, los investigadores de WPI han estado desarrollando métodos que los técnicos en el campo pueden usar para determinar qué aleaciones son necesarias para fabricar piezas de repuesto particulares y para identificar y extraer esas aleaciones de la chatarra que tienen a mano. Los técnicos podrán consultar un modelo de mezcla de metales que se desarrolló sobre la base de una base de datos en crecimiento que los investigadores de WPI han creado mediante el análisis de la chatarra suministrada por los militares para detallar la composición metalúrgica de una amplia gama de piezas que más comúnmente necesitan reemplazo o reparar.

Los investigadores de WPI también han empleado el aprendizaje automático para desarrollar un proceso para prescribir los procesos de tratamiento térmico posteriores a la fundición para identificar las propiedades mecánicas necesarias para cada pieza de repuesto que se fabrica.

“Nuestro proceso ha llevado a la creación de una unidad de fabricación con una huella mucho más pequeña que los modelos típicos”, dijo Liang. “Es compacto, transportable, seguro y cumple con los límites de energía y agua impuestos por el programa SERDP. Aunque no podemos predecir qué será necesario reemplazar, al unir todas estas tecnologías podemos crear cualquier pieza necesaria sobre la marcha, y podemos hacerlo con chatarra ”.

El proyecto está dirigido por Liang; Brajendra Mishra, Kenneth G. Merriam Profesor de ingeniería mecánica y director del Instituto de Procesamiento de Metales (MPI) de WPI, y Diran Apelian, profesor afiliado de WPI’s Instituto de procesamiento de metales-junto con Richard Sisson Jr., George F. Fuller Profesor de ingeniería mecánica y director del Centro para la excelencia en el tratamiento térmico dentro de MPI. Karl Sundberg, estudiante de doctorado y asistente de investigación de posgrado, y Sean Kelly, investigador asociado postdoctoral, han trabajado en el proyecto. Brandon McWilliams, líder de fabricación aditiva metálica en el Laboratorio de Investigación del Ejército (ARL), y Jian H. Yu, ingeniero de materiales en ARL, son colaboradores en el proyecto, junto con Robert De Saro, presidente y fundador de Plainfield, Nueva Jersey. empresa de investigación energética basada en También están trabajando en el proyecto el estudiante de doctorado de WPI, Yutao Wang, quien está estudiando ingeniería de manufactura; y Lily Wolf ’24, que se especializa en ingeniería mecánica.

El equipo ha presentado ponencias sobre su trabajo en la Cumbre de acero del DOD; la Conferencia MS&T; el Simposio sobre Reciclaje, Tratamiento de Residuos y Tecnología Limpia; y el Simposio del Programa de Investigación y Desarrollo Ambiental Estratégico (SERDP) y del Programa de Certificación de Tecnología de Seguridad Ambiental (ESTCP).

Acerca del Instituto Politécnico de Worcester

WPI, líder mundial en aprendizaje basado en proyectos, es una universidad tecnológica distintiva y de primer nivel fundada en 1865 sobre el principio de que los estudiantes aprenden de manera más efectiva aplicando la teoría aprendida en el aula a la práctica de resolver problemas del mundo real. Reconocido por la Academia Nacional de Ingeniería con el Premio Bernard M. Gordon 2016 a la Innovación en Educación en Ingeniería y Tecnología, el plan de estudios pionero basado en proyectos de WPI involucra a los estudiantes universitarios en la resolución de importantes problemas científicos, tecnológicos y sociales a lo largo de su educación y en más de 50 proyectos. centros de todo el mundo. WPI ofrece más de 70 programas de licenciatura, maestría y doctorado en 17 departamentos académicos de ciencia, ingeniería, tecnología, negocios, ciencias sociales y humanidades y artes. Su cuerpo docente y sus estudiantes realizan investigaciones innovadoras para enfrentar los desafíos actuales en salud y biotecnología; robótica e internet de las cosas; fabricación y materiales avanzados; sistemas cibernéticos, de datos y de seguridad; aprender ciencia; y más. http://www.wpi.edu

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