Projektplan. Automatiserad konstruktion av verktyg och fixturer för bockning av aluminiumprofiler

Transkript

1 1 (5) BILAGA 1 Professor Staffan Sunnersjö Projektplan Automatiserad konstruktion av verktyg och fixturer för bockning av aluminiumprofiler Introduktion Avancerad FEM-simulering inkluderande kontakter, olinjär geometri och plasticering är ett mycket aktivt forskningsområde sedan drygt 20 år. Tillämpningarna avser framförallt fordonskollisioner och olika slags formningsoperationer. Bland formningsoperationerna dominerar plåtformning samt kall och varm smidning, men även t ex tråddragning och extrudering simuleras. Det finns publicerad forskning avseende simulering av bockning av plåt 1 och rör 2. Forskning kring formningssimulering bedrivs i Sverige främst vid de tekniska högskolorna i Linköping och Luleå, men även vid CTH och LTH samt vid flera regionala högskolor och forskningsinstitut (IVF och IM). Ovanstående forskning avser primärt analysarbete. Automatiserad återkoppling till utformning av verktyg och fixturer, dvs syntesarbete, är ganska ovanlig. Inom plåtformning finns ett fåtal exempel 3 liksom avseende formverktyg för gjutning 4 och formsprutning av plast 5 och fixturering för maskinbearbetning 6. I projektet avser vi utnyttja kunskapsbaserad teknik för att implementera konstruktionsregler för verktygen. Sådan teknik, känd under namn som KBE eller RBE, har utvecklats ur AI-tekniken under de senaste 20 åren och är ett brett forskningsområde 7, bl a finns sedan 30 år en årlig ASME-konferens inom Design Automation. Projektbeskrivning Bakgrund Extruderade aluminiumprofiler utnyttjas ofta i lätta, lastbärande konstruktioner. Anledningen är dels materialets goda styrka i förhållande till vikten, dels att tillverkningsmetoden ger stor konstruktiv frihet att utforma tvärsnittet på ett optimalt sätt. Härigenom kan ett stort 1 Gupta, S, Automated punch shape synthesis for sheet metal bending operations. Proc DETC 1999, ASME 2 L. Gao and M. Strano, FEM analysis of tube pre-bending and hydroforming, Journal of Materials Processing Technology, 151 (2004) Camelio, J, et ak, Impact of fixture design on sheet metal assembly variation. Proc DETC 2002, ASME 4 Dhaliwal, S, et al, A step towards automated design of multi-piece sacrificial molds. Proc DETC 2002, ASME 5 Muller, D, et al, The directool software tool design on facet geometries with decision support. Proc ICED Wang, M, Automated 3D fixture layout design. Proc DETC 1999, ASME 7 Chapman, Craig, Introducing knowledge based engineering as a sub-set of artificial intelligence. University of Warwick, Knowledge based product development lab, UK, 2003.

2 2 (5) böjmotstånd uppnås med minsta möjliga materialåtgång. De komplicerade och tunnväggiga tvärsnitten kan emellertid skapa svårigheter då profilen i ett senare tillverkningssteg skall bockas eller formas. Vid plastisk deformation orsakas välvning som deformerar tvärsnittet påtagligt från nominell geometri. Eftersom tvärsnitten ofta innehåller funktionselement som integreras i tvärsnittet, t ex tätningsspår och skruvfickor, är dessa avvikelser inte acceptabla, utan man måste med olika former av sträckning, förforming, fixturering och insatser kompensera för eller förhindra oönskade deformationer så att slutprodukten innehåller givna toleranskrav. Utformningen av dessa produktionsverktyg är en komplicerad process och bygger på erfarenhetsvärden på deformation, glidning, deformationshårdnande, återfjädring o s v. I praktiken krävs ofta upprepad provtillverkning med mellanliggande justeringar för att ge produktionsverktygen den slutliga utformningen. Projektidé Det föreslagna projektet syftar till att skapa datorstöd för att eliminera merparten av provningen och med automatik direkt skapa en optimerad form av produktionsverktygen för att ge produkten önskad slutgeometri med innehållande av givna toleranser. Datorstödet är tänkt bygga på flera teknologier i samverkan. En grundsten utgörs av simuleringsteknik baserad på olinjär FEM-analys med speciell vikt lagd på modellering av kontakter med friktion och på materialmodeller relevanta för det plastiska området. Vidare utnyttjas optimeringslära och regelbaserade konstruktionssystem för att utvärdera simuleringsresultaten och styra konstruktionsvariablerna mot önskat slutmål. De optimerade variabelvärdena matas därefter in i en parametrisk geometrimodell för att skapa tillverkningsunderlag för produktionsutrustningen. Genomförande För att minimera provning och erhålla optimala produktionsverktyg måste bockningsprocessen simuleras med mycket god noggrannhet. I projektet kommer därför bockningssimulering att utföras med modern beräkningsmekanik. Beräkningsmekanik har de senaste åren haft en fantastisk utveckling, speciellt inom olinjär FEM. Genom att implementera grundläggande principer i datorer har virtuell provning av exempelvis bilkrock och plåtformning kunnat etableras som standardförfarande i industriell tillämpning. I projektet kommer simulering av bockning att genomföras genom att utnyttja den senaste FEM teknologin. Både materialmodellering, inklusive plastisk anisotropi, och kontaktmekanik kommer att vara av central betydelse. Gruppen har goda kunskaper inom båda dessa discipliner. Vidare måste kontakter och friktionen mellan profil och verktyg modelleras tillfredställande. Det kan även bli nödvändigt att inkludera temperaturen i dessa beskrivningar. Gruppen har betydande erfarenheter inom termomekanisk modellering. Ur ett historiskt perspektiv har explicita metoder varit drivande i utvecklingen av den här typen av simuleringar. På senare år har dock implicita metoder förbättrats avsevärt så att även dessa kan utnyttjas. Förmodligen kommer en kombination av explicit och implicit teknik att användas i projektet på samma sätt som man vanligtvis gör vid plåtformningssimulering, där pressningen sker explicit och återfjädringen implicit. Man kan även tänka sig att utföra hela bockningsprocessen helt implicit. Ett sådant angreppssätt skulle möjliggöra en noggrannare modellering av integrerade, småskaliga funktionselement.

3 3 (5) Resultaten från den virtuella provtillverkningen skall därefter utnyttjas till att modifiera den nominella verktygsgeometrin. Detta är i grunden ett optimeringsproblem, men med bivillkor givna av de praktiska begränsningar som tillverkningsprocessen skapar. Dessa tillverkningstekniska begränsningar implementeras i ett regelverk, sannolikt skapat i ett deklarativt programspråk och kopplat till någon lämplig optimeringsprocessor. Ur detta underlag skapas CAD-modeller för de slutliga vertygsgeometrierna. Detta avses ske genom att ett bibliotek av parametriska funktionsytor och stödstruktur skapas som konfigureras och anpassas till önskad slutgeometri. Forskargruppens bakgrund inom området Det planerade projektet innehåller forskningsfrågor inom två huvudområden som diskuteras separat nedan. Simuleringsteknik Här avses speciellt simulering av plastisk deformation med stora töjningar och stora rotationer samt effekterna av kontakter med friktion. Den praktiska erfarenheten från tillverkningsprocessen indikerar att friktionen spelar en central roll för resultaten och denna måste alltså behandlas med stor omsorg modelleringsmässigt. Niclas Strömberg har 10 års erfarenhet av forskning och industriell tillämpning av kontaktmekanik, termomekanisk simulering och materialmodellering, och har publicerat nio tidskriftsartiklar samt ett stort antal konferensbidrag inom detta område. Det materialtekniska kunnande, som krävs för projektet, hämtas från forskargruppen Komponentteknologi genom att Salem Seifeddine medverkar på deltid i projektet. Komponentteknologi, som leds av professor Ingvar Svensson, är en internationellt etablerad forskargrupp med inriktning mot materialteknik och simulering av gjutprocessen. Ett viktigt kompetenstillskott avseende materialmodellering kommer från Sapas forskningslaboratorium. Faurecia Exhaust System i Torsås bedriver en omfattande simuleringsverksamhet inom plastisk formning. Denna kompetens i kombination med bilindustrikunnande gör Faurecia till en viktig partner i projektet. Automatiserad konstruktion Vid Ingenjörshögskolan är detta ett centralt område inom ämnet produktutveckling. Verksamheten leds av professor Staffan Sunnersjö som har c:a 15 års erfarenhet av forskning och tillämpning av teknik för konstruktionsautomatisering samt c:a 25 års erfarenhet av FEManvändning, med totalt c:a 15 publikationer och en lärobok inom dessa områden. Inom forskargruppen arbetar idag fyra doktorander varav två är nära sin licentiatexamen. Pågående doktorandprojekt 8 ligger väl inom samma forskningsfält som det nu sökta projektet och har goda synergieffekter med dessa. Avseende produktionsprocessen och konstruktion av 8 Doktorandprojekt: 1. Comparative studies of design automation methods 2. Computer support for enhanced producability of engineering products 3. Syntesis tools for computational tasks in engineering design 4. Shape optimisation for cast components under process constraints

4 4 (5) bockningsverktygen tillförs projektet kompetens genom medverkan från Sapa Profilbockning och Ekenäs Mekaniska. Projektets positionering i förhållande till nationell och internationell forskning Formningssimulering med finita elementmetoden är ett mycket väletablerat område såväl i Sverige som internationellt, men såvitt vi vet finns inga allmänt spridda forskningsresultat som avser bockning av aluminiumprofiler. Här finns alltså ett betydande nyhetsvärde i sig, men härtill kommer återkopplingen till den konstruktiva utformningen av verktyg och fixturer. Den senare målsättningen, som innebär att analysresultaten med automatik utnyttjas för syntesarbete, är inte oprövad, men ansatsen att kombinera ett kvalificerat simuleringsverktyg med en optimeringsprocess där bivillkoren styrs av ett deklarativt regelverk, ligger avgjort i forskningsfronten. Sammantaget innehåller projektet flera väsentliga nyhetsinslag och tillämpningen mot aluminiumprofiler är speciellt intressant i och med förväntad ökning av användning av aluminium i fordon, där profiler med komplicerad kurvatur utnyttjas i s k space-frames. Tidplan 2005 Litteraturgenomgång och fördjupad omvärldsbevakning Genomgång med Sapas produktionstekniker av ett antal praktiskt genomförda exempel Identifiering av karakteristiska funktionsytor i verktygs- och fixtursortimentet Formulering av konstruktionsregler för verktyg och fixturer för profilbockning Inledande försök med bockningssimulering kartläggning av viktiga stötestenar och planering för hur dessa skall bemästras 2006 Identifiering av materialparametrar och, vid behov, genomförande av materialprovning upprättande av materialmodeller Genomförande av bockningsprovning med studier av friktionsförhållande genom reverse engineering Kalibrering av simuleringsverktyget mot typfall samt realistiska industritillämpningar Implementation av regelverk i lämpligt deklarativt programspråk 2007 Förfining av beräkningsmodell och regelverk Val av optimeringsstrategi Sammanlänkning av simuleringprogram, regelverk, optimeringsalgoritmer och prarametriskt CAD-system under gemensamt användargränssnitt Provning av komplett system och intrimning mot provresultat Introduktion till företagets användare, provanvändning på företaget Utvärdering a provresultat, justeringar med anledning av detta.

5 5 (5) Under projekttiden genomförs ett antal teknikspridningsaktiviteter enligt punkt 10.3 i ansökningsblanketten.