Mecanizado por torneado en duro

[ES]Los objetivos del siguiente trabajo consisten en analizar e optimizar el proceso del torneado en duro del acero ASP-23 indagando de especial manera en la realización de diferentes soluciones para brochas. En este caso, este proyecto nace de la importancia de reducir así como los costes económicos y los costes temporales de fabricación de elementos basados en el acero ASP-23 mediante el torneado en duro; proceso de mecanizado, cuya importancia cada vez es mayor como en las industrias de automoción o aeronáutica. El desarrollo del proyecto es fruto de la necesidad de EKIN S. Coop, uno de los líderes en los procesos de máquina-herramienta de alta precisión para el brochado, de desarrollar un proceso de mecanizado más eficaz de las brochas que produce. Así en el aula máquina-herramienta (ETSIB) se han intentado demostrar los beneficios que tiene el torneado en duro en el mecanizado del ASP-23. Hoy en día, con el rápido desarrollo de nuevos materiales, los procesos de fabricación se están haciendo cada vez más complejos, por la amplia variedad de maquinas con las que se realizan los procesos, por la variedad de geometría/material de las herramientas empleadas, por las propiedades del material de la pieza a mecanizar, por los parámetros de corte tan variados con los que podemos implementar el proceso (profundidad de corte, velocidad, alimentación...) y por la diversidad de elementos de sujeción utilizados. Además debemos ser conscientes de que tal variedad implica grandes magnitudes de deformaciones, velocidades y temperaturas. He aquí la justificación y el gran interés en el proyecto a realizar. Por ello, en este proyecto intentamos dar un pequeño paso en el conocimiento del proceso del torneado en duro de aceros con poca maquinabilidad, siendo conscientes de la amplia variedad y dificultad del avance en la ingeniería de fabricación y del mucho trabajo que queda por hacer.

Aplicaciones de las tecnologías de fabricación aditiva en la industria actual

[ES]En el ámbito industrial actual, la fabricación aditiva supone una alternativa para dar respuesta a las nuevas necesidades del mercado, que no pueden verse resueltas mediante las técnicas de fabricación clásicas. La fabricación aditiva (AM Adittive Manufacturing) representa un cambio en métodos y procesos industriales, permitiendo llevar a cabo piezas antes imposibles de realizar. Tiene sus principales aplicaciones en el sector médico, aeronáutico o el sector de la automoción. Se dan numerosas técnicas clasificadas por diferentes criterios, como el medio a través del cual se aporta la energía. Presenta numerosas ventajas como la complejidad en la geometría de las piezas que se pueden fabricar, a pesar de que aún no está totalmente desarrollada y presenta limitaciones como el coste de material. Todo el diseño parte de las tecnologías CAD/CAM 3D, y se fabrica ya en una amplia variedad de materiales, tanto metálicos como plásticos. Aún bajo poca normativa, se espera que en las próximas décadas esta tecnología desarrolle todo su potencial y sea de uso habitual en los sectores propicios para su explotación.

Fabricación y reparación de geometrías complejas mediante aporte por laser.

El láser cladding es una tecnología en alza. Mediante la energía de una radiación láser, se crea un baño fundido de material que, combinado con la inyección de material en polvo a través de una boquilla y controlando el movimiento a través de la programación de una plataforma cinemática, ofrece la posibilidad de fabricar una geometría determinada mediante la adición de material. Se trata, sin embargo, de un proceso complejo en el que intervienen gran cantidad de fenómenos físicos y resulta complicado obtener un buen resultado en trayectorias complejas. En el presente trabajo se ha tratado el proceso de fabricación de una geometría compleja tipo álabe de turbina. Para ello, se ha comenzado por llevar a cabo una revisión bibliográfica, posteriormente, se han llevado a cabo una serie de ensayos experimentales para la determinación de parámetros de proceso, y finalmente, se ha desarrollado una estrategia de aporte original para estructuras tipo álabe que permite garantizar la estabilidad del proceso. En base a los resultados satisfactorios obtenidos, se ha concluido que mediante la aplicación de la nueva estrategia es posible la generación de geometrías complejas con alto grado de estabilidad.

Manual de mecánica teórica

Índice: - Formulación Lagrangiana. - Formulación Hamiltoniana. - Ecuación de Hamilton-Jacobi. - Teoría de Perturbaciones. - Sistemas Continuos. - Mecánica y Geometría Diferencia

Advanced Reaction Systems for Hydrogen Production

[EN] This PhD work started in March 2010 with the support of the University of the Basque Country (UPV/EHU) under the program named “Formación de Personal Investigador” at the Chemical and Environmental Engineering Department in the Faculty of Engineering of Bilbao. The major part of the Thesis work was carried out in the mentioned department, as a member of the Sustainable Process Engineering (SuPrEn) research group. In addition, this PhD Thesis includes the research work developed during a period of 6 months at the Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, IMM, in Germany. During the four years of the Thesis, conventional and microreactor systems were tested for several feedstocks renewable and non-renewable, gases and liquids through several reforming processes in order to produce hydrogen. For this purpose, new catalytic formulations which showed high activity, selectivity and stability were design. As a consequence, the PhD work performed allowed the publication of seven scientific articles in peer-reviewed journals. This PhD Thesis is divided into the following six chapters described below. The opportunity of this work is established on the basis of the transition period needed for moving from a petroleum based energy system to a renewable based new one. Consequently, the present global energy scenario was detailed in Chapter 1, and the role of hydrogen as a real alternative in the future energy system was justified based on several outlooks. Therefore, renewable and non-renewable hydrogen production routes were presented, explaining the corresponding benefits and drawbacks. Then, the raw materials used in this Thesis work were described and the most important issues regarding the processes and the characteristics of the catalytic formulations were explained. The introduction chapter finishes by introducing the concepts of decentralized production and process intensification with the use of microreactors. In addition, a small description of these innovative reaction systems and the benefits that entailed their use were also mentioned. In Chapter 2 the main objectives of this Thesis work are summarized. The development of advanced reaction systems for hydrogen rich mixtures production is the main objective. In addition, the use and comparison between two different reaction systems, (fixed bed reactor (FBR) and microreactor), the processing of renewable raw materials, the development of new, active, selective and stable catalytic formulations, and the optimization of the operating conditions were also established as additional partial objectives. Methane and natural gas (NG) steam reforming experimental results obtained when operated with microreactor and FBR systems are presented in Chapter 3. For these experiments nickel-based (Ni/Al2O3 and Ni/MgO) and noble metal-based (Pd/Al2O3 and Pt/Al2O3) catalysts were prepared by wet impregnation and their catalytic activity was measured at several temperatures, from 973 to 1073 K, different S/C ratios, from 1.0 to 2.0, and atmospheric pressure. The Weight Hourly Space Velocity (WHSV) was maintained constant in order to compare the catalytic activity in both reaction systems. The results obtained showed a better performance of the catalysts operating in microreactors. The Ni/MgO catalyst reached the highest hydrogen production yield at 1073 K and steam-to-carbon ratio (S/C) of 1.5 under Steam methane Reforming (SMR) conditions. In addition, this catalyst also showed good activity and stability under NG reforming at S/C=1.0 and 2.0. The Ni/Al2O3 catalyst also showed high activity and good stability and it was the catalyst reaching the highest methane conversion (72.9 %) and H2out/CH4in ratio (2.4) under SMR conditions at 1073 K and S/C=1.0. However, this catalyst suffered from deactivation when it was tested under NG reforming conditions. Regarding the activity measurements carried out with the noble metal-based catalysts in the microreactor systems, they suffered a very quick deactivation, probably because of the effects attributed to carbon deposition, which was detected by Scanning Electron Microscope (SEM). When the FBR was used no catalytic activity was measured with the catalysts under investigation, probably because they were operated at the same WHSV than the microreactors and these WHSVs were too high for FBR system. In Chapter 4 biogas reforming processes were studied. This chapter starts with an introduction explaining the properties of the biogas and the main production routes. Then, the experimental procedure carried out is detailed giving concrete information about the experimental set-up, defining the parameters measured, specifying the characteristics of the reactors used and describing the characterization techniques utilized. Each following section describes the results obtained from activity testing with the different catalysts prepared, which is subsequently summarized: Section 4.3: Biogas reforming processes using γ-Al2O3 based catalysts The activity results obtained by several Ni-based catalysts and a bimetallic Rh-Ni catalyst supported on magnesia or alumina modified with oxides like CeO2 and ZrO2 are presented in this section. In addition, an alumina-based commercial catalyst was tested in order to compare the activity results measured. Four different biogas reforming processes were studied using a FBR: dry reforming (DR), biogas steam reforming (BSR), biogas oxidative reforming (BOR) and tri-reforming (TR). For the BSR process different steam to carbon ratios (S/C) from 1.0 to 3.0, were tested. In the case of BOR process the oxygen-to-methane (O2/CH4) ratio was varied from 0.125 to 0.50. Finally, for TR processes different S/C ratios from 1.0 to 3.0, and O2/CH4 ratios of 0.25 and 0.50 were studied. Then, the catalysts which achieved high activity and stability were impregnated in a microreactor to explore the viability of process intensification. The operation with microreactors was carried out under the best experimental conditions measured in the FBR. In addition, the physicochemical characterization of the fresh and spent catalysts was carried out by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES), N2 physisorption, H2 chemisorption, Temperature Programmed Reduction (TPR), SEM, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-ray powder Diffraction (XRD). Operating with the FBR, conversions close to the ones predicted by thermodynamic calculations were obtained by most of the catalysts tested. The Rh-Ni/Ce-Al2O3 catalyst obtained the highest hydrogen production yield in DR. In BSR process, the Ni/Ce-Al2O3 catalyst achieved the best activity results operating at S/C=1.0. In the case of BOR process, the Ni/Ce-Zr-Al2O3 catalyst showed the highest reactants conversion values operating at O2/CH4=0.25. Finally, in the TR process the Rh-Ni/Ce-Al2O3 catalyst obtained the best results operating at S/C=1.0 and O2/CH4=0.25. Therefore, these three catalysts were selected to be coated onto microchannels in order to test its performance under BOR and TR processes conditions. Although the operation using microreactors was carried out under considerably higher WHSV, similar conversions and yields as the ones measured in FBR were measured. Furthermore, attending to other measurements like Turnover Frequency (TOF) and Hydrogen Productivity (PROD), the values calculated for the catalysts tested in microreactors were one order of magnitude higher. Thus, due to the low dispersion degree measured by H2-chemisorption, the Ni/Ce-Al2O3 catalyst reached the highest TOF and PROD values. Section 4.4: Biogas reforming processes using Zeolites L based catalysts In this section three type of L zeolites, with different morphology and size, were synthesized and used as catalyst support. Then, for each type of L zeolite three nickel monometallic and their homologous Rh-Ni bimetallic catalysts were prepared by the wetness impregnation method. These catalysts were tested using the FBR under DR process and different conditions of BSR (S/C ratio of 1.0 and 2.0), BOR (O2/CH4 ratio of 0.25 and 0.50) and TR processes (at S/C=1.0 and O2/CH4=0.25). The characterization of these catalysts was also carried out by using the same techniques mentioned in the previous section. Very high methane and carbon dioxide conversion values were measured for almost all the catalysts under investigation. The experimental results evidenced the better catalytic behavior of the bimetallic catalysts as compared to the monometallic ones. Comparing the catalysts behavior with regards to their morphology, for the BSR process the Disc catalysts were the most active ones at the lowest S/C ratio tested. On the contrary, the Cylindrical (30–60 nm) catalysts were more active under BOR conditions at O2/CH4=0.25 and TR processes. By the contrary, the Cylindrical (1–3 µm) catalysts showed the worst activity results for both processes. Section 4.5: Biogas reforming processes using Na+ and Cs+ doped Zeolites LTL based catalysts A method for the synthesis of Linde Type L (LTL) zeolite under microwave-assisted hydrothermal conditions and its behavior as a support for heterogeneously catalyzed hydrogen production is described in this section. Then, rhodium and nickel-based bimetallic catalysts were prepared in order to be tested by DR process and BOR process at O2/CH4=0.25. Moreover, the characterization of the catalysts under investigation was also carried out. Higher activities were achieved by the catalysts prepared from the non-doped zeolites, Rh-Ni/D and Rh-Ni/N, as compared to the ones supported on Na+ and Cs+ exchanged supports. However, the differences between them were not very significant. In addition, the Na+ and Cs+ incorporation affected mainly to the Disc catalysts. Comparing the results obtained by these catalysts with the ones studied in the section 4.4, in general worst results were achieved under DR conditions and almost the same results when operated under BOR conditions. In Chapter 5 the ethylene glycol (EG) as feed for syngas production by steam reforming (SR) and oxidative steam reforming (OSR) was studied by using microchannel reactors. The product composition was determined at a S/C of 4.0, reaction temperatures between 625°C and 725°C, atmospheric pressure and Volume Hourly Space Velocities (VHSV) between 100 and 300 NL/(gcath). This work was divided in two sections. The first one corresponds to the introduction of the main and most promising EG production routes. Then, the new experimental procedure is detailed and the information about the experimental set-up and the measured parameters is described. The characterization was carried out using the same techniques as for the previous chapter. Then, the next sections correspond to the catalytic activity and catalysts characterization results. Section 5.3: xRh-cm and xRh-np catalysts for ethylene glycol reforming Initially, catalysts with different rhodium loading, from 1.0 to 5.0 wt. %, and supported on α-Al2O3 were prepared by two different preparation methods (conventional impregnation and separate nanoparticle synthesis). Then, the catalysts were compared regarding their measured activity and selectivity, as well as the characterization results obtained before and after the activity tests carried out. The samples prepared by a conventional impregnation method showed generally higher activity compared to catalysts prepared from Rh nanoparticles. By-product formation of species such as acetaldehyde, ethane and ethylene was detected, regardless if oxygen was added to the feed or not. Among the catalysts tested, the 2.5Rh-cm catalyst was considered the best one. Section 5.4: 2.5Rh-cm catalyst support modification with CeO2 and La2O3 In this part of the Chapter 5, the catalyst showing the best performance in the previous section, the 2.5Rh-Al2O3 catalyst, was selected in order to be improved. Therefore, new Rh based catalysts were designed using α-Al2O3 and being modified this support with different contents of CeO2 or La2O3 oxides. All the catalysts containing additives showed complete conversion and selectivities close to the equilibrium in both SR and OSR processes. In addition, for these catalysts the concentrations measured for the C2H4, CH4, CH3CHO and C2H6 by-products were very low. Finally, the 2.5Rh-20Ce catalyst was selected according to its catalytic activity and characterization results in order to run a stability test, which lasted more than 115 hours under stable operation. The last chapter, Chapter 6, summarizes the main conclusions achieved throughout this Thesis work. Although very high reactant conversions and rich hydrogen mixtures were obtained using a fixed bed reaction system, the use of microreactors improves the key issues, heat and mass transfer limitations, through which the reforming reactions are intensified. Therefore, they seem to be a very interesting and promising alternative for process intensification and decentralized production for remote application.

Charge and spin transport in graphene devices

170 p.

Simulación de la refrigeración en la estampación en caliente para una pieza de chapa.

[ES]El objetivo principal de este proyecto se centra en conseguir las características mecánicas requeridas por los componentes del chasis de los vehículos con una reducción de peso y mejora de productividad, para ellos es necesario simular el proceso de templado que se da durante la estampación en caliente de una pieza de chapa mediante utillajes con conductos de refrigeración. Para ello se ha utilizado el programa de elementos finitos ANSYS hasta obtener un proceso de embutición simulado que represente con una desviación dentro de los límites aceptables el comportamiento real de la chapa en la etapa de refrigeración. Como objetivo secundario se encuentra el afianzamiento de las bases teóricas de ciencia de materiales y la adquisición de más conocimientos relacionados con la transmisión de calor entre cuerpos sólidos, centrándose sobre todo en la distribución de temperaturas sobre la superficie de éstos. En una primera parte se tratarán los conceptos generales de la estampación en caliente y sus posibles variantes. También se explicará la necesidad del uso de nuevos materiales para la industria automovilística, así como la razón por la cual se utilizan conductos de refrigeración. A continuación, se definirá la geometría de la chapa a analizar, tanto las consecuentes geometrías de los utillajes, que tendrán diferentes distribuciones de conductos de refrigeración. Además se establecerán los criterios para realizar el análisis térmico transitorio del conjunto troquel – chapa – matriz. Una vez seleccionado el tipo de análisis se profundizará en su estudio, aplicándolo a los diferentes utillajes ya citados. Se analizarán los resultados obtenidos y los errores y se buscarán posibles alternativas. Finalmente, se procederá a sacar las conclusiones de la simulación realizada y se procederá a comparar los resultados obtenidos con las diferentes distribuciones de conductos de refrigeración en los utillajes.

Diseño y fabricación de una boquilla coaxial de aporte de material para un láser.

[ES]Este trabajo de fin de grado tiene como objetivo principal el diseño y la posterior fabricación de una boquilla coaxial que aporte material de cobertura para “laser cladding”. Para ello se utilizarán programas de diseño gráfico para hacer la geometría y programas de elementos finitos para simular el comportamiento del polvo y el gas dentro de la boquilla.

Estampación con Pam-Stamp de la parte interna de un capó.

[ES]El objetivo principal de este documento es diseñar todo el proceso de fabricación de la parte interna de capó. Esta acción se realiza con la ayuda de un software informático llamado Pam-Stamp. Es un programa de simulación virtual de procesos de conformado de chapa. El proceso elegido es la estampación en frío. Como resultados final se conocen la geometría tras la estampación, así como todas las propiedades físicas del producto elegido.

Zehaztasun handiko artikulazioen malgutasun analisia.

[EU]Azken urteetan argi geratu da gizakiak aurrera egiteko ezinbestekoa duela zehaztasuna. Teknologia berriak geroz eta bideratuagoak daude produktuen tamaina ahalik eta gehien murrizten edota produktu handien perdoiak nanometroetara hurbiltzeko ahaleginetan. Hau lortzeko bidean ezinbestekoa da elementu guztietan zehaztasuna limitera eramatea eta funtsean, honetan zentratuko da lan hau. Proiektu hau artikulazioen zehaztasuna hobetzeko tekniketan zentratuko da, gehiago zehaztuz, optika arloan lan egingo duen errobot baten artikulazioak analizatuko ditu. Artikulazioen zehaztasun optimoa lortzeko artikulazio hauek generazio berriko artikulazioak izatea pentsatu da, artikulazio flexible edo “flexible joints” izenekoak. Artikulazio hauek, orain artekoak ez bezala, ez dituzte bi elementu elkartuko, elementu bakarrez osatuta egongo dira eta bere buruarekiko errotazioz eta flexioz egingo dute lan honela, ohiko artikulazioek funtzionamendu egokirako behar duten lasaiera baztertu egingo da zehaztasun hobeak lortuz. Lan honetan zehar artikulazio flexible mota bat aukeratuko da eta geometriaren hainbat parametroren eta material ezberdinen aurrean edukiko duen jokaera analizatuko da. Aipatu beharra dago, artikulazio flexibleak azken hamarkadetan garatutako ideiak direnez beraiei buruzko informazioa oso pribatizatua dagoela eta ez dela lan erraza hau interneten edota liburutegietan topatzea. Ala ere, hauen analisirako aurkitu den informazio guztia eranskinetan dauden artikuluetan dago. Bertatik atera den informazio garrantzitsuena elementu finituen bitartezko analisian geometriak eduki beharreko baldintza batzuk eta ulermen eta aldaratze egokia lortzeko komeni diren datuak zehaztea izan da. Interesgarria da aipatzea analisiaren ondorioak konstante elastiko eta biratu dezaketen angelu maximoaren bitartez egin direla.

Diseño, Modelado y Análisis por Elementos Finitos de un Cuadro de Bicicleta de Carretera.

[ES]El objetivo de este proyecto es llevar a cabo el diseño conceptual, modelado y análisis estructural de un cuadro de bicicleta de geometría de carretera, empleando herramientas de Diseño Asistido por Ordenador y software de Análisis con Elementos Finitos. El modelo inicial será analizado y optimizado de cara a que cumpla los requerimientos resitentes del escenario de cargas asumido. El propósito de este proyecto es completar la primera fase de un hipotético caso de producción.

Simulación por elementos finitos del conformado de una pieza para carrocería de un automóvil.

[ES]El presente proyecto tiene como objetivo optimizar los parámetros de conformado a partir de la geometría de los troqueles de una pieza de un automóvil, con el fin de asegurar los parámetros de calidad que se exigen a este tipo de procesos se cumplan. Para ello, se dispone de un programa de simulación en elementos finitos cuyo nombre es Pam-Stamp 2G, en el cual se va a llevar a cabo el diseño. Además, se dispone de la matriz de la pieza requerida para una mayor facilidad de resolución. El proyecto constará de una descripción detallada del proceso de diseño del conformado durante todo el curso académico, complementado con un diagrama Gantt, así como las decisiones adoptadas durante el trabajo para lograr un desarrollo óptimo del mismo. Por último, contendrá también un presupuesto en el que se detallará los gastos que ha supuesto el desarrollo completo del trabajo.

Programación de control numérico de un pedal de batería mediante el software Surfcam.

[ES]El objetivo de este trabajo es programar y mecanizar un molde de inyección de aluminio, con el objetivo de obtener un pedal de batería. Para ello, previamente se necesitará diseñar en CAD el molde, para posteriormente exportarlo al programa Surfcam V4.0, donde se definirán las trayectorias de las herramientas teniendo en cuenta su geometría. Una vez definidas en el programa, éste se ejecutará en un centro de mecanizado sobre un tocho de aluminio.

Desarrollo de técnicas de fresado en cinco ejes de engranajes espiro cónicos y posterior metrología.

[ES]El presente Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo contribuir al desarrollo de diferentes técnicas de fresado de engranajes espiro cónicos mediante fresadoras genéricas de cinco ejes. El proyecto estará dividido en varias partes que incluirán: el diseño de la geometría de las piezas a mecanizar, el propio proceso de manufactura y su posterior metrología. Durante el transcurso del curso 2014-2015 se documentará y participará activamente en el desarrollo de dichas técnicas de fresado. Proceso que será dirigido por Álvaro Álvarez, doctorando del departamento de Mecánica de la Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao. El objetivo principal es llegar a ser capaz de obtener piezas de gran complejidad en su diseño y proceso de fabricación, dentro de los márgenes de calidad exigidos por las normas pertinentes y mediante un proceso novedoso y competitivo a nivel internacional.

Lehiaketako motozikleta baten baskulatzailearen optimizazio erresistentea.

[EU]Gradu amaierako lan honetan, baskulatzaile baten orejeten diseinua eta optimizazio erresistentea burutuko dira. Orejeta horien betebeharra, esekidura-triangeluaren eta baskulatzailearen arteko lotura izatea izango da. Diseinua eta optimizazio erresistentea garatzeko egin behar diren elementu finituen analisiak, PTC Creo Parametric softwarearen bidez gauzatuko dira. Proiektu honen abiapuntua, motostudent lehiaketako motozikleta baten baskulatzailea da. Honi aipatutako orejetak gehitu beharko zaizkio, eta horien optimizazio erresistentea lortu. Optimizazioa bilatzeko orejeten lehen bertsio bat diseinatuko da. Behin orejetak baskulatzaileari erantsita, elementu finituen analisiak burutuko dira orejeten bariazio geometriko desberdinekin. Analisi horien helburua, orejetek geometria optimoena izatea da, agertzen diren tentsioak neke-tentsio onargarria baino txikiagoak izanik.