Akademin för Innovation, Design och Teknik

Transkript

1 Akademin för Innovation, Design och Teknik Fördjupningsarbete om gjutning Individuell inlämningsuppgift, INL1, 1,5 högskolepoäng, avancerad nivå KPP039 Produktutveckling 3 Författare: Daniel Nordin Handledare: Rolf Lövgren Inlämningsdatum: 17 jan 2011

2 Inledning Detta är ett fördjupningsarbete för kursen Produktutveckling 3 1 som går ut på att noggrannare ta en titt på hur gjutning gåt till. Arbetet kommer att gå igenom historian, hur det används idag, själva tillverkningsprocessen, defekter, fördelar, nackdelar och en slutsatts över tillverkningsmetoden Tillverkningsmetoden går ut på att hälla ett upphettat flytande material i en form där det senare får stelna. Därmed har man fått fram sin önskade form. Gjutning är en väl använd tillverkningsmetod som använda mestadels idag för att tillverka mera komplicerade delar i till en produkt och inom byggbranschen. Gjutning är en tillverkningsmetod som sträcker sig långt tillbaka i tiden. Det har gått från att vara en väldigt gammal metod som sträcker sig från 3200 f.kr. till den industrialiserade värld vi lever i idag där processerna är datorstyrda. Detta gör att, trots att den är så gammal, den än idag på stark frammarsch och är en av de största tillverkningsmetoderna. 1 KPP039 Produktutveckling 3 2 (14)

3 Ordlista Anlöpning CAD (Computer Aided Design) CNC (Computer Numerical Control) Efterbehandlingsmetod vid tillverkning då man hettar upp ett material för att erhålla högre hållfasthetsegenskaper samt göra gör det mindre sprött Formgivningsspråk med hjälp av datorer Datorkontrollerat styrspråk 3 (14)

4 Innehållsförteckning Inledning... 2 Ordlista... 3 Innehållsförteckning... 4 Historia... 5 Tillverkningsprocessen... 6 Tillverkningsmetoder... 6 Sandgjutning... 7 Formsprutning... 7 Centrifugalgjutning... 7 Stränggjutning... 7 Material... 7 Den moderna gjutningen... 8 Komplicerade former... 8 Byggbranschen... 9 Defekter... 9 Fördelar... 9 Nackdelar Jämförelse med konkurrerande tillverkningsmetoder Svetsa ihop individuella delar CNC fräsning Maskinsmide Slutsats Referenser Litteratur Internet Personer Program Bilder (14)

5 Historia Gjutnig är en väldigt gammal tillverknings metod och sträcker sig långt tillbaka i tiden, närmare 6000 år. Här följer några viktiga tidpunkterpunkter för historian inom metallgjutning 2. Runt 3200 f.kr: finns det gamla gjutformer i koppar hittats i mellanöstern. Denna form användes för att gjuta brons Runt 2000 f.kr: upptäcktes järn och gjorde att man fick nya stora Bild 1: Historisk illustration för gjutning möjligheter Runt f.kr: den första kinesiska gjutningen av järn produceras Runt 645 f.kr: De tidigaste bevisen från sandgjutning (Kina) Runt 233 f.kr: Plogformar i gjutjärn tillverkas i Kina vilket var väldigt komplicerade former för den tiden Runt 500 f.kr: Stål gjuts för första gången På senare tid har även med introduktion av datortekniken lämnat sina spår vilket gör att idag är gjuttekniken en väldigt högteknologisk metod. 2 De historiska tidpunkterna kommer från: technologies.com/historyofmetalcasting.aspx 5 (14)

6 Tillverkningsprocessen Tillverkningsprocessen kan variera väldigt, beroende på tillverkningsmetod, men följer oftast en generell linje. Tillverkning av gjutform Upplösning av material Fylla gjutningsform Stelning Eventuell härdning Hela processen börjar med att man tillverkar en gjutform, som man sedan skall använda för att hälla i det flytande materialet i. Formen kan tillverkas på olika sätt. Ett vanligt sätt tidigare var att man gjorde det i en sandform. Numera är formarna oftast gjorde av metallegeringar då smältpunkterna är betydligt högre och det man kan få till mera precisa former samt jämnare tillverkningskvalité. Gjutformen måste även ha en tilloppskanal där man kan hälla i det flytande materialet i. När man har sin gjutform hettar man sedan upp det material man arbetar med till sin smältpunk så att det är i flytande form. Sedan häller man ner det i sin gjutform och låter det stelna. När materialet har stelnat kan man sedan ta ut den ur gjutformen. Eventuellt kan man behöva slipa bort överblivna kanter och spåret som blir kvar från tilloppskanalen. Efter det kan man eventuellt efterbehandla materialet för att få högre hållfasthetsegenskaper och göra det mindre sprött genom att anlöpa. Man gör detta genom att placera produkten i en varmluftsugn och hetta upp materialet igen. Då förändras den inre stukturen av kornen på materialen och de fogas samman så skapas ett mera hållfast material. Detta gör även att sprödheten minskar eftersom det är vid korngränserna materialet oftast ger vika. Nu när man har fogat samman kornen gör det att detta sker först vid en mycket högre belastning. Vid större tillverkningsserier går denna process betydligt fortare då gjutformerna går att återanvända och man kan tillverka parallellt med det andra stegen. Behöver man inte efterbehandla materialet så är den största tiden då bara stelningstiden i formen. Tillverkningsmetoder Det finns många tillverkningsmetoder att arbeta med. Från tidiga metoder som sandgjutning till mera industrialiserade metoder så som centrifugalgjutning. I detta stycke tas några exempel på några intressanta tillverkningsmetoder upp. 6 (14)

7 Sandgjutning Sandgjutning är en av de äldsta gjutningsmetoder då den är väldigt enkel att genomföra. I kursen Ingenjörsvetenskap 1 3 fick vi prova att genomföra detta i en labboration. Metoden går ut på att man använder en mall på den produkt man vill få ut som tidigare tagits fram. Denna mall lägger man sedan i en träform som man häller i en blandning av sand och bindemedel, som är i två delar. Detta används för att skapa gjutformen och man packar det tätt med en klubba. Sedan tar man isär de två delarna och tar ut mallen samt. Man har i talk för att det Bild 2: Bild från gjutlabborationen i Ingenjörsvetenskap 1 skall bli lättare att få ut produkten efter stelning innan man sätter ihop de två delarna igen. Sedan gör man ett hål i formen som man skall använda som tilloppskanal till det flytande materialet. Då har man tagit fram sin gjutform. I detta fall använde vi aluminium som gjutmaterial. Det hettades upp till dess smältpunkt på cirka 660 C 4. Detta fick sedan stelna innan man tog ut den ur sin form och kylde ner det i ett vattenbad till rumstemperatur. Eventuella kanter fick slipas bort och sedan har man sin färdiga produkt. Denna metod gick väldigt enkelt och snabbt att genomföra. Sandform har som nackdel att gjutformen är en engångform och måste göras om varje gång. Men eftersom det gick fort att genomföra så är det ett mindre problem. Formsprutning Formsprutning är en tillverkningsmetod man använder till plast. Det som skiljer denna metod åt är att man sprutar in plasten och låter det stelna med ett högt tryck. Detta gör att man får väldigt hög noggrannhet på resultatet och underviker eventuella luftblåsor. Man kan även öka trycket ännu mera och på så sätt få in mera plast på samma yta och få ännu högre hållfasthetsegenskaper. Centrifugalgjutning Med centrifugalgjutning utnyttjar man, förutom tyngdkraften, centrifugalkraften i en roterande form med hög hastighet. Detta för att skapa ett då tätt lager av material som möjligt. Man använder denna metod när man skall tillverka bland annat gjutjärnsrör, hylsor och likande. Stränggjutning Stränggjutning går ut på att man pressar igenom en flytande metall genom ett grafitmunstycke och kyler ner det hastigt med vattenkylare. Genom denna metod kan man få en väldig variation på tvärsnittet på profiler som bland annat fyrkanter, cylindrar eller olika rör. Material Material som man använder är bl.a. plaster, betong, lera, glas, gips, livsmedel, stål och andra metallegeringar. Detta gör att kunden har ett stort val av material att välja mellan. De vanligaste materialen är betong och metallegeringar. 3 KPP040 Ingenjörsvetenskap 1 material och hållfasthet (14)

8 Den moderna gjutningen Här visas hur gjutningsteknik används idag. Komplicerade former En bra egenskap som gjutning har, som är svår att genomföra med andra tillverkningsmetoder, är att det är förhållandevis enkelt att genomföra mera komplicerade former vid serieproducering. Till skillnad från till exempelvis fräsning och maskinsmide så är det enklare att göra olika hålrum och innanmäten. Man kan till exempel placera en kärna inuti gjutformen för att skapa olika hålrum. Man kan även komma under olika former som man med andra metoder, som till exempel maskinsmide eller fräsning, inte kan göra. På bilder till höger visas en illustration över hur en fräs inte kan komma under ett hålrum. Detta går utan problem att göra med gjutningsteknik. Bild 3: Illustration för vart en fräs inte kan komma åt Bild 4: Bild över en gjuten produkt På bilden till vänster visas en produkt som har tagits fram med gjutning. Detta går att göra med de andra metoderna men det blir mera komplicerat att genomgöra. Skulle man smida detta så kan man göra allt utom hålrummet som går rakt igenom. Detta måste då borras ut. Det krävs då alltså två moment, vilket blir för dyrt. Skulle man göra detta med frästeknik så skulle man behöva en dyrare maskin med en roterande axel för att komma åt hålrummet. Detta gör att en vid en sådan här form är gjutning att föredra. Dessa typer av former gör att gjutning, trots att det är en väldigt gammal tillverkningsmetod, fortfarande har stora fördela mot liknande tillverkningsmetoder. 8 (14)

9 Byggbranschen Inom byggbranschen används det i stor utsträckning till att gjuta cementgrunder till byggnader. Det används under sådan stor utsträckning främst på grund av att gjutning är väldigt smidigt att jobba med eftersom den ena grunder är sällan den andra lik. Men även att platsen man jobbar på kan se väldigt olika ut. Det gör att ha ett flytande material blir väldigt fördelaktigt. Cement har även den egenskapen att det tål värmeskillnader väldigt bra, det isolerar och håller fukt borta. Det är även väldigt Bild 5: Bild över gjutning vid byggarbetsplats uppskattat eftersom det går väldigt fort att ta fram en grund, när platsen där den ska stå på väl är förberedd. Det är även förhållandevis billigt material och hela processen inte kostar allt för mycket. Defekter Det kan förekomma flera defekter vid tillverkningen. Främst på grund av hur själva tillverkningsprocessen är konstruerad. En vanlig defekt är att det kan förekomma luftblåsor i produkten under stelningsfasen. Detta sker på grund av att materialet är flytande när man häller det i formen och att alla luftbubblor inte har försvunnit eftersom det kan stelna väldigt fort. Det kan göra att formerna inte blir lika estetiskt tilltalande som man önskat. Men främst att hållfasthetsegenskaperna kan förändras och att produkten går sönder tidigare än väntat. Andra exempel på kända defekter kan vara: dimensionsfel, fel i gjutformens utformning, gods saknas på gjutstycket, sprickor eller strukturfel i materialet. Detta är välkända defekter och det finns oftast metoder för att undvika detta. Datorteknik används bland annat för att säkerhetsställa noggrannhet. Man kan till exempel använda CAD och fräs teknik för att göra väldigt noggranna gjutformar som sedan används vid massproduktion med gjutning. Fördelar De största fördelarna med gjutning är att man kan göra väldigt komplicerade former som inte skulle gå att genomföra med andra tillverkningsmetoder eller att det skulle blir för dyrt och komplicerat att bearbeta till den formen. En annan stor fördel är att det är ett förhållandevis billigt sätt att tillverka på. Formar går snabbt att ta fram och de kostar inte så mycket. Detta gör att man snabbt kan arbeta med denna metod. Eftersom det blir billigt att ta fram gjutformer gör att det finns många företags om arbetar med denna tillverkningsmetod. Det finns även då väldigt många mindre företag, då investeringarna att starta upp en fabrik blir väldigt låga. Detta gör att det finns väldigt många alternativ för kunderna att välja på. Många företag väljer därför att nischa in sig på speciella material som de då kan få 9 (14)

10 spetskunskaper inom. Ett exempel på detta är företaget Sedenborgs Metallgjuteri AB 5, som ligger i Kvicksund, som har specialiserat sig på materialet aluminium brons. I boken Gjuteriteknik av Ingemar Svensson 6 tas ett exempel upp med jämförelse av kostnader mellan att svetsa ihop nio individuella ståldelar och att gjuta samma produkt i ett stycke. Då har man lyckats dra ner kostnaden genom att gjuta med 53 %. Man slipper lagerhållning och orderbevakning av de individuella delarna samt att produkten fick mera tilltalande design då man slapp svetsfogarna. Han tar även upp att gjutning är den snabbaste vägen att gå från smält metall till färdig produkt. Nackdelar En nackdel med gjutning är att det inte går att gjuta vilket material som helst, till exempel kan man inte använda alla metallegeringar då vissa har en väldigt hög smältpunk och kräver andra bearbetningsmetoder. Anledningen till detta är att det blir svårt att göra gjutformarna men även att få fram de önskade hållfasthetsegenskaperna. En annan nackdel är att det kan förekomma defekter vid tillverkningsprocessen som tidigare nämnts. Den stora nackdelen är att den inte är optimal vid större serietillverkning med metallegeringar. Den passar bättre till batch tillverkning. Anledningen till detta är att maskinsmide går så mycket fortare att genomföra. Med maskinsmide så behöver man inte nå materialets smältpunkt och processen att tillverka delen går fortare då materialet inte behöver vara kvar i en form och stelna. 5 Lars Sedenborg vid Sedenborgs Metallgjuteri AB 6 Ingemar Svensson (1990), Gjuteriteknik, Tredje utgåvan 10 (14)

11 Jämförelse med konkurrerande tillverkningsmetoder Här följer en jämförelse med liknande och konkurerande tillverkningsmetoder. Det finns många flera metoder men här kommer de som man använder till liknande jobb. Svetsa ihop individuella delar En metod som används ofta är att man svetsar ihop individuella delar för att göra en komplett produkt. Detta är ett snabbt sätt att jobba med samt att det är en väldigt enkel och smidig metod. En annan fördel är att det är lätt att lära sig vilket gör att man kan hitta många lokala tillverkare. Men det har många nackdelar med sig också. Det kostar betydligt mera då man måste ta fram de individuella delarna för att de sedan skall svetsas ihop. Man får även en lagerhållningskostnad och orderbevakning. Eftersom det även är ett handtillverkat arbete så krävs det även en väldigt skicklig svetsare för att få hög och jämn kvalité på produkten. Materialvalet blir man även väldigt låst till då man endast kan använda olika plåtar och metaller. Detta är en metod som man bör undvika om man får större serier då det tar för lång tid och det kostar för mycket. Svetsning Gjutning Enkelt att ta fram ett exemplar Enkelt att serieproducera Billigt att ta fram en prototyp Billigt att serieproducera Enkelt att ta fram komplicerade former Hög kvalitetssäkring Lokala tillverkare Flexibelt med materialval CNC fräsning CNC fräsning är en tillverkningsmetod där man låter en datorstyrd fräs skära ut en produkt ur ett massivt stycke. Det är en väldigt bra metod främst för prototyptillverkning. Det är en väldigt noggrann metod då man kan gå in på tusendels millimeter. Denna metod kan man även föredra om man ska ha en aningen större volymer, som batchtillverkning. Men detta gäller endast om man ska jobba i mera porösa material så som till exempel trä eller likande. Men det är en väldigt långsam process och det bli även väldigt mycket spill. Man kan även fräsa ur metaller mer det gör endast i väldigt små volymer. Denna metod är inte att föredra vid serietillverkning eftersom det tar för lång tid och maskinerna kan oftast endast ta en produkt i taget. Men har man detaljer som kräver extrem noggrannhet så är denna metod att föredra. CNC fräsning Gjutning Enkelt att ta fram ett exemplar Enkelt att serieproducera Billigt att ta fram en prototyp Billigt att serieproducera Enkelt att ta fram komplicerade former Hög kvalitetssäkring Lokala tillverkare Flexibelt med materialval 11 (14)

12 Maskinsmide Maskinsmide är en tillverkningsmetod där man bearbetar ett stycke genom att man hettar upp materialet och låter två former med stor kraft pressa samman. Det är den tillverkningsmetod som är den största konkurrenten då den är på stark frammarsch. Det är en metod som främst riktar sig till serieproducering. Det har till stor fördel vid större serier då kostnaderna per enhet kan sjunka drastiskt och det går väldigt fort. Man kan även smida i det flesta metaller då det är mera av en bearbetningsmetod eftersom materialet bara blir upphettat och aldrig når smältpunkten. Kvalitén som man får efter maskinsmide är väldigt hög då man pressar ihop materialet och får högre noggrannhet än när man häller i ett flytande material i en gjutform. Man undviker då luftbubblor och andra defekter. Men det har som nackdel att initialkostnaderna är väldigt höga vilket gör att det blir ett väldigt dåligt val när man har låga serier. Eftersom kostnaderna är så höga att driva en sådan här fabrik gör det att det inte finns allt för många över världen. De största fabrikerna finns centrerade i Östasien, i länder så som Sydkorea, Japan och Kina. En annan nackdel är att man inte kan göra lika komplicerade former som vid gjutning. Man kan till exempel inte göra hålrum och utstickande delar på samma sätt då pressformarna inte kan komma under. Maskinsmide Gjutning Enkelt att ta fram ett exemplar Enkelt att serieproducera Billigt att ta fram en prototyp Billigt att serieproducera Enkelt att ta fram komplicerade former Hög kvalitetssäkring Lokala tillverkare Flexibelt med materialval 12 (14)

13 Slutsats Som slutsats är gjutning en väldigt bra tillverkningsmetod. Den är smidig att jobba med, det kostar inte så mycket. Man är väldigt flexibel med materialvalet och det är lätt att hitta en tillverkare. Det finns även väldigt många variationer av gjutning som gör att man kan få väldigt många olika resultat. Materialvalen gör även där att man har ett brett urval att välja mellan. Det är även lätt att hitta en tillverkare eftersom metoden är så pass enkel och det är billigt att starta en fabrik. Man kan självklart inte använda gjutning till allt. Nackdelarna gör att det finns utrymme för konkurrerande tillverkningsmetoder att ta andelar. Men med datortekniken har det gjort att tillverkningsdefekterna blir mindre och mindre. Så i framtiden så kommer det bli en alltmera vanligare metod, ur ekonomisk synpunkt, att överväga mellan då de andra tillverkningsmetodernas nackdelar är svårare att komma runt. Gjutning är en tillverkningsmetod som fortfarande är på stark frammarsch, då datortekniken har påverkat mycket. Detta sker trotts att metoden är mer än 6000 år gammal. Så gjutning är en tillverkningsmetod som har en fortfarande har en ljus framtiden framför sig. 13 (14)

14 Referenser Här följer de referenser som han används vid detta fördjupningsarbete. Litteratur Ingemar Svensson (1990), Gjuteriteknik, Tredje utgåvan, Karlebo Förlag AB, ISBN: Internet Wikipedia gjutning, , Wikipedia gjutning (engelska), , Wikipedia aluminum, , Metal technologies historia över metallgjutning, , Personer Göran Svensson, universitetsadjunkt vid Mälardalens högskola, goran.svensson@mdh.se Lars Sedenborg, Sedenborgs Metallgjuteri AB, , tel Program SolidWorks 2010, CAD program PhotoView 360, Renderings program Bilder Bild framsida, , Bild 1: Historisk illustration för gjutning, , Bild 2: Bild från gjutlabborationen i Ingenjörsvetenskap 1, , tagen från gjutlabborationen i KPP040 Ingenjörsvetenskap 1 material och hållfasthet Bild 3: Illustration för vart en fräs inte kan komma åt, , skapad med SolidWorks 2010 och renderad med PhotoView 360 Bild 4: Bild över en gjuten produkt, , Bild 5, Bild över gjutning vid byggarbetsplats, , vigning.4.3f5909f e html 14 (14)