Produktutvecklingsprocessen med multimaterial och sammanfogning Tomas Luksepp Rapport nr 1312 Utveckling av Fogningsmetoder för kombination av Olika material till Hybridlösningar Ett LIGHTer initiativ [UFoH] AP2- Limning Publik 1
Sammanfattning Denna rapport är en beskrivning av den generella produktutvecklingsprocessen samt hur multimaterial och sammanfogningsproblematik påverkar denna. Med ökande krav på kort utvecklingstid upplevs kravspecifikationen i de flesta produktutvecklingsprojekt som ofullständig. Ofta är det också oklart när man lämnar konceptutvecklingsfasen och går in i själva dimensionerings- och tillpassningsfasen. Gränserna är flytande. Förändringar och tillägg i kravspecifikationen sent i produktutvecklingsprocessen är inte kostnadseffektivt. Konceptuella problem kan leda till nedlagda projekt. När flera olika material ska fogas samman ökar komplexiteten. Det medför att många olika kompetenser måste vara involverade i hela produktutvecklingsprocessen. Det är därför ännu viktigare att processen är tydlig, strukturerad och accepterad bland de inblandade. För att effektiva multimaterialstrukturer ska kunna realiseras är det helt nödvändigt att egenskaperna hos de aktuella produkterna kan beräknas och simuleras. Detta innebär att respektive sammanfogningsmetod som ska kunna bli vald också måste kunna simuleras för en korrekt dimensionering. Summary This report is a description of the overall product development process and how it is affected by multi-material and joining challenges. With increasing demands on shortening development times, the specification of requirements in most product development projects is experienced to be incomplete. It is often not obvious when the concept development phase goes over into the product development and dimensioning phase. The boundaries are fluent. Changes and additions to the specification late in the product development process are not cost effective. Conceptual problems can lead to abandoned projects. When several different materials are to be joined the complexity increases. This means that many different skills must be involved in the entire product development process. It is therefore even more important that the process is clear, structured and accepted by the people involved. If effective multi-material structures are to be realized, it is essential that the properties of the products can be calculated and simulated. This means that each joining method under consideration must be possible to simulate for a correct dimensioning. 2
Innehållsförteckning 1 BAKGRUND... 3 2 INLEDNING... 3 3 SYFTE OCH MÅL... 4 4 PRODUKTUTVECKLINGSPROCESSEN... 5 5 MULTIMATERIAL OCH SAMMANFOGNING... 8 6 REFERENSER... 9 1 Bakgrund Multimaterialkonstruktion med tillhörande sammanfogning kräver mycket tvärvetenskaplig kompetens. Med dagens ökande krav på kortare produktutvecklingscykler och ökad precision i virtuell och ekonomisk verifiering blir teknologiskiften mycket utmanande att genomföra. Det är därför av stor vikt att de inblandade verkligen förstår sin roll i den generella utvecklingsprocessen. Denna rapport är ett försök att beskriva denna process och belysa materialval- och sammanfogningsproblematik i detta perspektiv. 2 Inledning Önskan att ständigt förbättra produkter med avseende på egenskaper, kostnader samt påverkan på miljön leder till en ökad efterfrågan på produkter där olika material kombineras för att lösa funktionskraven på bästa möjliga sätt. Kombinerandet av material med tillhörande sammanfogningslösningar ökar komplexiteten i produktutvecklingsprocessen. Tidigare, då valen inte var så många, kunde en erfaren konstruktör överblicka hela den konceptuella fasen. Men nu när många personer och olika kompetenser måste samverka i hela utvecklingsprocessen är det viktigt att processen är tydlig och strukturerad för att arbetet ska bli effektivt. Vid starten av produktutvecklingsprojekt är den bästa lösningen inte känd. Det är därför viktigt att konsekvent analysera olika konceptalternativ innan val av material och process görs och dimensioneringen påbörjas. Ofta underskattas betydelsen av att upprätta en god kravspecifikation. Dvs Det innebär att produktkrav och egenskapskrav utifrån kundens perspektiv ska översättas till en teknisk specifikation. Dimensioneringskriterierna kan också ändra sig med koncept och materialval. Att finna de goda lösningarna är en iterativ process för ett multidisciplinärt team. Produktutvecklingsprocessen kan delas upp i två olika utvecklingsloopar där den första genererar ett konceptuellt val och en teknisk specifikation och den andra är en dimensionerings- och processanpassning. Denna uppdelning i konceptutveckling och produktutveckling blir speciellt viktig i högvolymsproducerande industri som fordonsindustrin. Med olika material, fogmetoder och integration av funktioner ökar komplexiteten. För att utveckla nya produkter ökar därmed också kompetens- och resursbehovet. 3
Den nödvändiga kunskapen sitter då hos många olika personer och det kan finnas behov att generera ytterligare ny kunskap. Lättare konstruktioner medför nya material samt nya formnings- och sammanfogningsmetoder, vilket i sin tur innebär förändringar i etablerad industriell infrastruktur, med tillhörande investeringsbehov. Större och mindre teknologiskiften som kommer att komma är en stor utmaning för hela det industriella systemet i alla led, allt ifrån tillverkningen till produkt- och processutveckling, leverantörsstruktur etc. Företagen behöver både översiktliga och detaljerade kunskaper kring lättviktsteknologi, inkluderat ekonomiska aspekter för att genomföra teknologiskiften med minimalt risktagande både tekniskt och ekonomiskt. Timingen på teknologiskiftena blir också avgörande för industrins framtida konkurrenskraft. 3 Syfte och mål Syftet med denna rapport är att synliggöra hela produktutvecklingsprocessen. Målet är att involverade i produktutveckling förstår själva processen och behovet av att tydligt specificera och kommunicera kraven för att driva utvecklingen effektivt. 4
4 Produktutvecklingsprocessen Fig 1. Schematisk bild av utvecklingsprocessen. Syftet med produktutvecklingsprocessens första cykel, konceptutvecklingen, är att utveckla en konceptuell lösning som är både tekniskt och ekonomiskt försvarbar för vald tillverkningsprocess. Detta innefattar upprättandet av en kravspecifikation som bör vara så komplett nedbruten till tekniska krav som det 5
bara går innan själva dimensioneringsarbetet inleds. Denna kravspecifikation ska innefatta både produktens funktions- och egenskapskrav och de krav som konceptvalet medför. En väl genomarbetad teknisk specifikation är en förutsättning för systematisk målstyrning av utvecklingsarbetet. I själva produktutvecklingsfasen dimensioneras produkten samtidigt som den anpassas till tillverkningsprocessen och angränsande systemlösningar. Ofta talas det om processdriven produktutveckling där man anpassar produkten till den befintliga processen för att minimera behovet av investeringar. Olika komponenter utvecklas parallellt och har då i utvecklingsskedet en tilldelad packningsvolym. För att förbättra lösningarna under utvecklingsprocessen uppkommer många önskemål om ändringar i respektive packningsvolym eller i interaktionen mellan komponenter. Listan på antalet ändringsordrar kan bli lång. Konceptuella problem i denna fas kommer med stor sannolikhet att kraftigt påverka projektets tidplan och ekonomi. Orsaken till dessa problem hade vanligtvis kunnat undvikas med en bättre genomarbetad teknisk kravspecifikation. När det gäller sammanfogning bör respektive ingående metod vara ett komplett system. T ex räcker det inte med att bara välja ett lim själva fogutformningen och hela ytbehandlings- och tillverkningsprocessen ingår också i systemlösningen. Den generella beskrivningen nedan utgör en stomme eller ramverk som de specifika material- eller sammanfogningsutmaningarna kan hängas upp på. Beskrivningen är inte fullständig och observera att stegen är iterativa och utvecklingen kan föregå parallellt och i loopar. Den generella produktutvecklingsprocessen kan se ut som följer: KONCEPTUTVECKLING Steg 1. Funktionsbeskrivning En krav- och egenskapsspecifikation av produkten som primärt definieras ur kundens synvinkel. Exempel på krav och önskemål som kan ingå: Produktplanläggning; prestanda; klimat och miljö; mått och toleranser; livslängd; hållbarhet; utseende; antal; hållbar design ur ett ekoperspektiv; kostnad. Steg 2. Teknisk specifikation Kundparametrarna bryts ner till en detaljerad teknisk specifikation för produkten, komponenterna och fogarna som ska konstrueras. Exempel Lastnivåer globalt; styvhet; slag; utmattning; kryp; driftsförhållanden, t ex temperatur/miljöeffekter, korrosion, kemikalier; processförutsättningar, (verktyg, produktion, infrastruktur, leverantörer); seriestorlek; cykeltider; förbehandling; automationsnivå; toleransförutsättningar; hälsa/arbetsmiljö, m m. 6
Steg 3. Konceptgenerering En inventering av möjliga lösningar. Identifiera uppbyggnadsalternativ: materialval och processande av material, material, formning och sammanfogning koncept, ingående komponenter, modularisering, tillverkningsprocesser, sammanfogning (utnyttja materialens inneboende fördelar) fördelar nackdelar realistiska konceptkandidater Steg 4 Konceptutveckling och evaluering Lovande konceptförslag utvecklas och evalueras: funktionsbeskrivning, ingående komponenter och dess samverkan förfinat materialval och processer konstruktionselement balkar, förstyvningar, energiupptag, etc verktyg och produktionsutrustning integration av funktioner, funktionalitet fördelning mellan delkomponenter sammanfogningsalternativ o teknik o ytbehandling o längdutvidgningseffekter, global/ lokalt o limmets temperaturegenskaper geometrisäkring service, reparation, fail safe (automatisk säkerhetsanordning) infrastruktur, investeringar, ekonomi prototyper, modeller potentiella leverantörer, utvecklingspartners preliminär specifikation fördelar nackdelar m m. Steg 5 Konceptval Systematiskt jämföra koncepten och besluta om huvudspår: infrastruktur, investeringar genomförbarhet teknik, kompetens (inkl. hantering kunskapsluckor) genomförbarhet ekonomi, produktpris leverantörsstruktur framtagning av en fullständig och detaljerad teknisk kravspecifikation! Oftast har produktutvecklingen påbörjats innan konceptfasen slutförts. I så gott som alla projekt är kravspecifikationen ofullständig då produktutvecklingen 7
startar, vilket leder till onödigt och ibland kostbart itererande i produktutvecklingsfasen. Referens [1] och [2] ger en utförlig beskrivning av konceptkonstruktion och val av material och tillverkningsmetoder. PRODUKTUTVECKLING Steg 6 Konstruktion och dimensionering Dimensioneringsförutsättningar i kontinuerligt uppdaterad teknisk kravspecifikation: design av moduler/komponenter utifrån produktionsprocess och tillgänglig packningsvolym. val av konstruktionslösningar i detalj, geometrisäkring produktionsutrustning och verktyg sammanfogningstekniker o design av foggeometri alternativt fogkoncept o längdutvidgning, global check ändringar modifieringar, interaktion med angränsande system. ITERATIVA SUPPORTPROCESSER Iterativa supportprocesser används både vid koncept- och produktutvecklingen. Simulering, beräkning och virtuell verifiering Modeller Provning, verifiering och validering Testning och provning av delsystem, produkt, tillverkningsprocess 5 Multimaterial och sammanfogning Den generella beskrivningen av produktutvecklingsprocessen ovan är i hög grad giltig för de flesta produktutvecklingsprojekt. När erfarna konstruktörer arbetar med kända konstruktionslösningar och material kan de dock avsevärt förenkla och korta ner denna process. Konstruktörer med stor kompetens inom många olika sammanfogningsområden är dock ovanliga, i alla fall då även många olika material ska beaktas. Med många personer involverade i utvecklingen av avancerade multimaterialprodukter är det mycket viktigt att följa en tydlig och strukturerad process för att driva produktutvecklingen innovativt och effektivt. När ett projekt övergår från konceptfas till dimensioneringsfas är materialvalet i princip gjort och samtidigt bör definitivt lösningarna för sammanfogning också vara definierade system. Ofta när man har för avsikt att foga samman en produkt eller konstruktion har erfarenheten visat att man inte tänkt igenom hela sammanfogningskonceptet med alla processkrav från grunden, dvs kravspecifikationen är ofullständig eller upprättas för sent, vilket belastar utvecklingsprocessen med korrigeringar och extrakostnader. 8
Dessutom, för att möta kraven på korta utvecklingstider blir kravet på virtuell verifiering en nödvändighet. Isotropa material som metaller och plaster är relativt lätta att modellera. Anisotropa kompositmaterial är svårare men också dessa kan beräknas med stor noggrannhet idag. För sammanfogning har man kommit långt i modelleringen av svetsning och mekanisk fogning. När det däremot gäller limning och modellering av brottbeteende så saknas en generell tillgång till tillförlitliga och verifierade simuleringsmetoder. Limbrott blir speciellt svårt att modellera speciellt i de fall olika temperaturer är aktuella och olika material med olika termisk utvidgning är sammanfogade. Det innebär att också komponenternas geometri får stor betydelse för belastningen på fogen. Även formningsmetoderna för komponenterna får här betydelse då kvarvarande spänningar påverkar belastningen på fogen vid olika temperatur. Saknas tillgång på materialdata och verifierade metoder är detta en osäkerhet som innebär att högre säkerhetsfaktorer än nödvändigt väljs i dimensioneringen och därmed tappar svårmodellerade sammanfogningskoncept i konkurrenskraft med följd att andra och egentligen sämre konceptlösningar blir föredragna. Att blanda material med olika termisk utvidgning och att lära sig att sammanfoga dem med olika metoder på ett effektivt sätt med låg risk kommer att kräva stora utvecklingsresurser. Denna kunskap kommer att vara mycket viktig i den globala konkurrensen i att ta fram önskade attraktiva framtida produkter. 6 Referenser [1] Konceptkonstruktion och val av material och tillverkningsmetoder. Ingvar Rask, Staffan Sunnersjö, IVF 1998, ISBN 91-89158-08-3 [2] Konstruktionslotsen, http://lotsen.ivf.se/ 9