Muovaussimuloinnin hyödyt ja mahdollisuudet

Transkriptio

1 Muovaussimuloinnin hyödyt ja mahdollisuudet Ohutlevykeskuksen teemapäivän satoa Lassi Martikainen, Kaisa Puhakka Hämeen ammattikorkeakoulun Ohutlevykeskus järjesti muovaussimuloinnin teemapäivän tammikuisena torstaina tiloissaan Hämeenlinnassa. Paikalle oli saapunut kolmisenkymmentä osallistujaa pääosin ohutlevyä valmistavasta teollisuudesta. Mielenkiintoinen aihe oli houkutellut mukaan myös muutaman yliopistomaailman edustajan. Idea teemapäivään tuli Ohutlevykeskuksen yhteistyökumppaneilta: ohutlevyä muovaavissa yrityksissä kaivattiin perustietoa muovaussimuloinnista, jonka vasta muutama suomalainen yritys on ottanut käyttöönsä. Päivän esitysten pääpaino oli muovaussimuloinnin käytännön sovelluksissa, onnistuneen simuloinnin vaatimuksissa ja simuloinnin tarjoamissa hyödyissä. Ohjelmaan sisältyi runsaasti käytännön esimerkkejä sekä demonstraatio muovaussimulointiohjelmiston käytöstä. Mihin simulointia tarvitaan? Ohutlevytuotteen valmistettavuuden tutkiminen numeeriseen laskentaan perustuvan tietokoneavusteisen simuloinnin eli muovausmallinnuksen avulla on ollut tavallista autoteollisuudessa jo parin vuosikymmen ajan. Simuloinnilla pyritään varmistamaan, että ohutlevyn muotoilu, tekninen suunnittelu ja muovaustyökalut tuottavat kerralla kelvollisen ohutlevytuotteen. Muodoltaan monimutkaisen tai uudenlaisesta ohutlevymateriaalista valmistettavan tuotteen valmistettavuuden arviointi on vaikeaa, eikä kokemusperäisistä suunnitteluperiaatteista ole useinkaan riittävää apua. Simuloinnin avulla pystytään korvaamaan osa muovauskokeista ja näin vähentämään tuotekehityskustannuksia sekä nopeuttamaan koko prosessia. Muovausprosesseihin vaikuttavat monet vaikeasti mallinnettavat tekijät, kuten ohutlevymateriaalin toiminta suurilla venymillä, ohutlevyn ja muovaustyökalujen välinen kitka sekä työkalujen pidätysvoimat. Edellä mainittuja tekijöitä on vaikea laskennallisesti mallintaa tarkasti. Käyttökelpoisia tuloksia on kuitenkin saavutettavissa, vaikka muovausprosessiin liittyvät yksittäiset fysikaaliset ilmiöt mallinnetaankin suhteellisen yksinkertaisilla matemaattisilla malleilla. Kuva 1: Professori Larsgunnar Nilsson oli teemapäivän pääesiintyjä. Muovaussimuloinnin aamunkoitosta nykypäivään Päivän ensimmäinen puhuja oli professori Larsgunnar Nilsson Linköpingin yliopistosta (Kuva 1). Hän on kehittänyt insinööritieteiden numeerisia laskentamenetelmiä ja niiden sovelluksia jo 1970-luvulta lähtien. Akateemisen työnsä lisäksi professori Nilsson on toiminut aktiivisesti yritysmaailman hankkeissa. 12 OHUTLEVY 1/2012

2 Kuva 2: Numeerisen laskennan käyttö on laajentunut puolustusteollisuudesta muille teollisuudenaloille. Kuva 3: Muovaussimuloinnin tulosta voidaan suoraan käyttää jatkotarkasteluissa. Nilsson valotti aluksi tietokoneavusteisten laskentamenetelmien ja mallinnuksen historiaa (Kuva 2). Hänen mukaansa laskentamenetelmien kehittymisen kannalta merkittävin edistysaskel oli FEMin (The Finite Element Method) eli elementtimenetelmän kehittyminen yleiskäyttöiseksi laskentamenetelmäksi. Tietokoneiden laskentatehon huima kasvu on sittemmin mahdollistanut elementtilaskennan soveltamisen jokapäiväisessä suunnittelutyössä. Historiakatsauksen jälkeen Nilsson esitteli esimerkkejä muovaustyökalujen suunnittelusta, ohutlevytuotteen kokoonpanon mallinnuksesta sekä lämpötilan ja plastisen muodonmuutoksen aikaansaamista ohutmateriaalin faasimuutosten mallintamisesta. Faasimuutoksia koskevat esimerkit liittyivät austeniittisen ruostumattoman teräksen suurpainemuovaukseen ja booriteräksen muottikarkaisuun (hot stamping). Työkalusuunnittelua koskeva esimerkki havainnollisti työkalun joustojen vaikutuksia ja työkalun rungon optimointia. Tavallisesti muovaustyökalut mallinnetaan simuloinneissa täysin jäykkinä kappaleina, jolloin työkalun kimmoisia muodonmuutoksia ei oteta huomioon. Todellisuudessa työkalun pienikin joustavuus saattaa vaikuttaa muovaustulokseen. Tietokoneiden kasvanut laskentateho on mahdollistanut myös työkalujen tarkemman mallintamisen. Simulointiin perustuvan suunnittelun tärkeä etu on mahdollisuus tutkia myös muovatun osan ominaisuuksia ja toimintaa laskennallisesti esimerkiksi tuotteen kokoonpantavuutta tai kestävyyttä silmälläpitäen. Muovaussimuloinnin avulla saatua tulosta voidaan käyttää esimerkiksi lujuusopillisten tarkastelujen lähtötietona. Yleensä tämä edellyttää, että samassa ohjelmassa voidaan muovaussimuloinnin lisäksi tehdä myös muita erityyppisiä laskennallisia tarkasteluja (ns. one-code strategy) (Kuva 3). Näin kerran luodun laskentamallin avulla voidaan siis tutkia valmistusprosessin parametrien vaikutusta lopputuotteen ominaisuuksiin. Professori Nilsson esitti esimerkkinä, kuinka muovausprosessin simulointituloksena syntyneen mallin avulla arvioitiin muovatun tuotteen ominaisuuksien vaikutusta tuotteen kokoonpanoon ja edelleen tuotteen käyttäytymiseen törmäyskuormituksessa. Simulointi apuna takaisinjouston hallinnassa Professori Nilssonin toinen esitelmä perehdytti kuulijat ohutlevyn takaisinjouston mallintamiseen ja kompensoin- OHUTLEVY 1/

3 Kuva 4: Takaisinjouston kompensointi Kuva 5: Mikael Schill kertoi simuloinnin hyödyistä. tiin. Takaisinjoustolla (spring-back) tarkoitetaan taivutetun ohutlevyn muodon osittaista palautumista työkalujen ohutlevyyn kohdistaman voiman poistuessa. Se johtuu levyyn jääneistä kimmoisista muodonmuutoksista, jotka pyrkivät palautumaan. Takaisinjousto näkyy muovatun kappaleen muotovirheinä. Takaisinjousto on verrannollinen materiaalin myötörajaan ja siksi sen vaikutukset korostuvat lujilla materiaaleilla. Takaisinjoustoon vaikuttavat myös työkalujen geometria (esim. taivutussäde tai vetosärmän pyöristyssäde), levynpaksuus sekä kappaleen ja työkalujen välinen kitka. On myös huomattava, että eri ohutlevymateriaalierien lujuusvaihtelut aiheuttavat takaisinjouston vaihtelua ja edelleen erilaisia mittapoikkeamia valmiissa tuotteissa. Takaisinjoustoon voidaan vaikuttaa mm. ohutlevytuotteen muotoilulla, materiaalin valinnalla ja työkalun geometrisillä muodoilla. Takaisinjouston välttämiseksi on tärkeätä saada muovattava kappale plastisoitumaan tasaisesti. Muotovirheitä voidaan pienentää työkalujen geometriaa muuttamalla niin, että niillä muovattu kappale on takaisinjouston jälkeen halutuissa mitoissa. Käytännössä tämä tarkoittaa työkalujen muodon muuttamista siten, että muovattavan kappaleen ylitaivuttaminen on mahdollista. Takaisinjouston mallintaminen laskennallisesti on haastavaa. Se edellyttää ohutlevymateriaalin toiminnan yksityiskohtaista kuvaamista laskentamallissa. Eri laskentaohjelmilla tehdyt vertailut osoittavat eroja ohjelmien kyvyssä käsitellä takaisinjoustoa. Tiettyihin ohjelmistoihin on rakennettu algoritmeja, joiden avulla mallinnettujen työkalujen geometriaa voidaan muuttaa takaisinjouston huomioon ottavien laskentatulosten perusteella (Kuva 4). Tällaisen iteratiivisen laskennan tuloksena saadaan työkalun pinnan geometria, jossa on kompensoitu takaisinjouston vaikutukset. Tuloksena saatu geometriamalli voidaan muuntaa esim. IGES-muotoon, jota voidaan käyttää työkalujen koneistusta suunniteltaessa. Nilsson esitti LS-DYNA -ohjelmistolla laskettuja tuloksia, joiden vastaavuus muovatuista osista tehtyjen mittausten kanssa oli erinomainen. Laskentamenetelmät: yhden askeleen menetelmä ja inkrementaalinen menetelmä Seuraavana puhujana oli professori Nilssonin maamies, tohtori Mikael Schill CAE-ohjelmistoihin ja numeerisiin laskentapalveluihin erikoistuneesta DYNAmore Nordic Ab -yrityksestä (Kuva 5). Schill on työskennellyt vuosia muovausmenetelmien mallintamisen parissa etsien ratkaisuja ohutlevyteollisuuden käytännön ongelmiin. Schill kertoi muovaussimuloinnin soveltamisesta ohutlevytuotteen suunnittelu- ja valmistusprosessin eri vaiheissa. Simuloinnin suurimpana hyötynä hän piti sitä, että se auttaa tunnistamaan mahdolliset muovausongelmat ennen työkalujen valmistusta. Näin voidaan vähentää työkalujen muutoksista johtuvia kustannuksia, säästää aikaa ja onnistua kerralla materiaalivalinnoissa. Usein myös vältytään pro- 14 OHUTLEVY 1/2012

4 Kuva 6: Yhden askeleen menetelmässä aihion muoto lasketaan kappaleen muovatun geometrian avulla. Kuva 7: Tuotteen kehitysprosessin vaihe on otettava huomioon laskentamenetelmää valittaessa. totyyppien valmistukselta. Simulointi onkin hyödyllisintä mahdollisimman aikaisessa tuotekehitysketjun vaiheessa. Schill keskittyikin esityksessään juuri tuotesuunnittelun alkuvaiheeseen soveltuvan ns. yhden askeleen menetelmän esittelyyn (Kuva 6). Perinteisesti ohutlevyn muovausta on mallinnettu elementtimenetelmän avulla ns. inkrementaalisia laskentamenetelmiä käyttäen. Tällöin simuloinnin lähtökohtana on tasainen aihio, ja muovausprosessia mallinnetaan askel askeleelta kohti muovatun kappaleen geometriaa. Muovaustyökalujen ja ohutlevyaihion muoto sekä muovaustapahtuman reunaehdot on oltava ennalta tunnetut ja yksityiskohtaisesti mallinnetut, jotta simulointi voidaan tehdä. Inkrementaaliset menetelmät soveltuvat huonosti tuotekehityshankkeen alkuvaiheessa tehtävään suunnittelutyöhön, koska simulointi on työlästä, aikaa vievää ja vaatii usein pitkän laskenta-ajan. Tuotekehityshankkeen alkuvaiheessa tapahtuvaan suunnittelutyöhön, missä eri vaihtoehtojen tutkiminen ja vertailu on tärkeää, on pyritty kehittämään inkrementaalisia menetelmiä yksinkertaisempia menetelmiä. Yhden askeleen menetelmät ovat näistä elementtimenetelmään perustuvista laskentatavoista tunnetuimpia ja yleistyneet viime vuosina ohutlevyn muovauksen mallintamisessa (Kuva 7). Yhden askeleen menetelmässä (one-step method) koko muovausprosessin oletetaan tapahtuvan yhdessä vaiheessa. Yhden askeleen menetelmää kutsutaan myös käänteiseksi menetelmäksi (inverse method), sillä laskennan alkutilana on kappaleen muovattu geometria, jonka avulla lasketaan aihion muoto. Menetelmän avulla voidaan saada nopeasti ja vaivattomasti arvio kappaleen muovattavuudesta ja muovauksen mahdollisista ongelmista. Yhden askeleen menetelmä soveltuukin ohutlevytuotteen luonnossuunnitteluun, jossa tarvitaan nopeasti tietoja valmistusmenetelmän ja aihion muodon suunnitteluun. Esimerkiksi työkaluvalmistajat ovat havainneet menetelmän erittäin hyödylliseksi tarjousvaiheessa. Laskentamenetelmän muodostamisessa tehtyjen yksinkertaistusten vuoksi yhden askeleen menetelmää ei voi pitää niin tarkkana kuin inkrementaalista menetelmää. Menetelmän avulla ei pystytä kuvaamaan muovaustapahtuman vaiheita. Tämän vuoksi yhden askeleen menetelmän avulla on vaikea arvioida ohutlevyaihion rypyttymistä, repeämisestä tai lukittumista muovauksen aikana. Ajasta riippuvien ilmiöiden kuten aihion venymisnopeuden tai työkalun painimen nopeuden vaikutusten kuvaaminen ei ole mahdollista. On myös muistettava, että yhden askeleen menetelmää ei ole mahdollista soveltaa tapauksissa, joissa tuotteen lopullinen geometria ei ole tiedossa. Tohtori Schill näytti esityksensä lopuksi, kuinka näihin molempiin menetelmiin perustuvat laskentaohjelmistot toimivat. Ohutlevytuotteen muodon suunnittelussa IGES-pintamallista muodostettu FastForm-ohjelman laskentamalli ja ensimmäiset tulokset syvävedettävän ohutlevytuotteen valmistettavuudesta ja aihion muodosta valmistuivat noin parissakymmenessä minuutissa. Monet osallistujat kiittelivät OHUTLEVY 1/

5 Kuva 8: Telekommunikaatioteollisuuden ohutlevyosien simulointien sovelluskohteita Kuva 9: Johanna Hiljanen on Ohutlevykeskuksen muovausasiantuntija. asiassa ruostumattomia teräksiä, alumiiniseoksia tai kupariseoksia. Levyjen paksuus ja lujuusominaisuudet vaihtelevat sovelluksista riippuen. Tavalliset paksuudet ovat 0,05 0,5 mm ja vetomurtolujuus MPa. Havukainen käyttää työssään pääasiassa inkrementaalista LS-DYNA -ohjelmistoa. Esimerkkien avulla hän kertoi mallinnuksessa käyttämistään materiaalimalleista ja niissä tarvittavista materiaaliparametreistä. Materiaalimallit ovat varsin kehittyneitä, ja niillä pystytään ottamaan huomioon mm. ohutlevyn suuntautuneisuus. Mallien parametrien määrittämiseksi tarvitaan kolmessa eri suunnassa (0, 45 ja 90 valssaussuuntaan nähden) tehdyt vetokoetulokset. Laskentatulosten todentamiseen käytetään materiaaleille määritettyjä rajamuovattavuuskuvaajia (Forming Limit Curve). Esityksensä lopuksi Havukainen totesi simuloinnin olevan erinomainen ja välttämätön keino työkalujen suunnittelussa. Mallinnustyö, tulosten analysointi ja johtopäätösten teko edellyttävät kuitenkin aina muovausprosessin ja työkalutekniikan käytännön tuntemusta. Yleisön palautteen mukaan Havukaisen esitys antoi erinomaisen kuvan simuloinnin käytöstä erikoisista materiaaleista valmistettavien ja vaativien ohutlevyosien suursarjavalmistuksen suunnittelussa. demonstraatiota erittäin havainnolliseksi. Ohjelman käyttö vaikutti varsin suoraviivaiselta ja helpolta. Sen sijaan inkrementaalisen laskentaohjelman LS-DYNAn käyttö vaatii käyttäjältään perustietoja ja sinnikästä harjoittelua. Schillin mukaan ohjelman käyttöön kannattaa perehtyä kouluttautumalla. Simulointi on välttämätöntä suursarjojen suunnittelussa Lite-On Mobile Oyj:n Senior Technical Specialist Pauli Havukaisen käsitteli esityksessään mallinnuksia, joita käytetään ohuiden ja pienten metallikappaleiden suursarjavalmistuksessa tarvittavien työkalujen suunnittelussa (Kuva 8). Mallinnettavien ohutlevytuotteiden materiaalit ovat pää- Venymäanalyysi laskentamenetelmien tukena Tietokoneavusteista mallintamista käsittelevissä esityksissä tuli selvästi ilmi laskentatulosten vertaamisen merkitys muovatusta osasta tehtyihin mittauksiin tai kokeellisesti määritettyihin parametreihin. Yleensä laskentatuloksia verrataan ohutlevyn muovattavuuden rajoja kuvaavaan rajamuovattavuuskäyrään. Sen määrittäminen perustuu venymäanalyysin käyttöön. Venymäanalyysien tulokset ja vetokokeilla määritetyt materiaaliominaisuudet ovat tärkeä edellytys luotettavien mallinnustulosten luomiseksi. Päivän viimeinen puhuja, Ohutlevykeskuksen kehitysinsinööri Johanna Hiljanen, perehdytti osallistujat venymäanalyysiin. Hän kertoi ARAMIS-laitteistosta, optisesta mittausjärjestelmästä, jonka avulla voidaan määrittää 16 OHUTLEVY 1/2012

6 muovatun kappaleen pintavenymät muovauksen aikana. Edellytyksenä on, että muovattava kappale voidaan kuvata muovausprosessin aikana. Tavallisesti työkalut estävät kuvaamisen, jolloin on tyydyttävä muovatun kappaleen venymätilan määrittämiseen. Tähän voidaan käyttää mm. ARGUS- tai ASAME-laitteistoja. ARAMIS-mittausjärjestelmä soveltuu erinomaisesti esim. vetokoekappaleen tai Erichsen-laitteella tehdyn muovauksen kuvaamiseen. Menetelmässä voidaan käyttää spray-maalaamalla tehtyä stokastista kuviota, jonka muutosten avulla kappaleen kokemat venymät voidaan määrittää. Menetelmä soveltuu myös mm. maalipinnoitettujen ohutlevyjen tutkimiseen (Kuva 9). Simulointi on olennainen osa suunnittelutyötä Kuulijakunnalta kerätyn palautteen perusteella Simulation Info Day antoi hyvän yleiskuvan muovaussimuloinnin mahdollisuuksista ja käytännön toteutuksesta ohutlevyteollisuudessa. Erityismaininnan saivat ohjelmistojen demonstraatiot ja käytännön esimerkkitapaukset. On ilmeistä, että päivä sai paikallaolijat pohtimaan muovaussimuloinnin hyödyntämistä omassa työssään. Paikalla olleen muovaussimuloinnin käyttöönottaneen yrityksen edustajan mukaan simuloinnin hyödyt ovat niin merkittävät, ettei simuloinnista luopumista voisi enää edes harkita. Yritysrahoitusta vahvalla ammattitaidolla. Ota yhteyttä: Inari Järvinen, puh * *) Lankapuhelimesta soitettaessa 0,0821 /puhelu + 0,059 /minuutti (alv 22 %). Matkapuhelimesta soitettaessa 0,0821 /puhelu + 0,169 /minuutti (alv 22 %). OHUTLEVY 1/