High Performance Manufacturing of Advanced Thin Plates ─ Forming of Titanium and Stainless Steel Materials

Abstract: Popular Abstract in Swedish I Sverige är tillverkningsindustrin en mycket betydelsefull sektor ur flera aspekter. Dagens ökade krav på tillverkade produkter avseende främst kvalité och prestanda medför samtidigt ökade krav på tillverkningsprocesserna. Syftet med denna avhandling har varit att studera hur en specifik plastisk formningsprocess för avancerade tunnplåtskomponenter kan analyseras, optimeras, övervakas och predikteras samt hur processresultatet kan uttryckas i ekonomiska termer. De aktuella tunnplåtskomponenterna är tillverkade i rostfritt stål eller kommersiellt ren titan och har ett intensivt mönster med en komplex utformning där det är höga toleranskrav på geometri och ytor. En övergripande vision är att kontinuerligt och adaptivt kunna optimera tillverkningsprocessen med avseende på kvalité, processtabilitet, takt och hållbart resursutnyttjande. För att uppnå visionen har en laboratorieplattform med tillhörande provnings-metodik utvecklats som möjliggör processtudier av kvalitetskritiska formnings-moment. Genom förfarandet kan specifika problem renodlas knutna till formningen av mönstergeometrier under industriella förhållanden. I laboratorie-miljö har kunskaper och erfarenheter byggts upp avseende samband mellan processresultat och styrande faktorer som sedan kunnat implementeras vid industriell tillverkning. I flera fall har även resultat från dessa studier kombinerats med andra förekommande mer traditionella testmetoder för att förenkla eller verifiera erhållna resultat. Genom studier och användning av laboratorie-plattformen har använda materials formbarhet kunnat rangordnas och tilldelas ett formbarhetsindex som senare varit vägledning vid utveckling av nya produkter. Samband och erhållna resultat från ett vidareutvecklat dragprov har bl.a. kunnat knytas till titanmaterialets formbarhet och dess riktningsberoende vid pressning av utvalda mönster eller s.k. plastiska elementarfall. För optimala formnings-förhållanden har även inverkan av utvalda friktionspåverkande parametrar studerats och därmed har även storleken på produktens utgångsämne kunnat predikteras genom kännedom om det globala materialindraget och den lokala materialförtunningen. Forskningen visar på att prestandan för den studerade processen kan förbättras med hjälp av den utvecklade metodiken genom ökad kunskap och kännedom om plåtytornas egenskaper, använt smörjsystem samt plåtmaterialens formbarhet. Som ett led i denna forskning har också verktygsslitaget med tillhörande mätmetoder utvärderats i laboratoriemiljö. För att erhålla en så låg verktygs-kostnad per producerad detalj som möjligt är det viktigt att verktygsmaterial och beläggning väljs med avseende på kostnad och prestanda. Olika verktygs-lösningar för låg-, mellan- och högvolym har studerats och förhållandet mellan en referensverktygskostnad och ett förslitningsindex presenteras som ett sätt att optimera förhållandet mellan pris och prestanda. Användning av FE-analyser är en viktig hörnsten i förbättringsarbetet mot en mer högpresterande tillverkningsprocess. Virtuella hjälpmedel kan vara tidseffektiva vid optimering av produkt och process och bidra till en läge detaljkostnad. Laboratorieplattformen har möjliggjort att FE-analyser kunnat verifieras och därmed har även förbättringar av produkt och formningsprocess kunnat implementeras. Inom arbetet har även ett nytt övervakningssystem baserat på AE (Akustisk Emission) utvecklats och studerats som kan i nära realtid, under formnings-processen, säkerställa kvalitén på den tillverkade detaljen. Systemet möjliggör bl.a. detektering av sprickbildning. Arbetet behandlar även metoder för att beskriva hela tillverkningsprocessen i ett kostnadsperspektiv. En metod för att analysera produktionsprestanda, med fokus på stillestånd, stilleståndskaraktär samt kostnad per producerad enhet presenteras. Genom framtagen kostnadsmodell har respektive stillestånd och tillhörande orsak kunnat uttryckas i ekonomiska termer. Även det dynamiska stilleståndsbeteendet har studerats ur ett kostnadsperspektiv. Resultaten visar på att det finns betydande potential till förbättringar i hela tillverkningsprocessen och därmed skapa förutsättningarna för en högpresterande tillverkningsprocess. Vidare visar studien att rätt automationsnivå är en viktig faktor för att realisera ett högpresterande tillverkningssystem med långsiktig hållbarhet. För detta presenteras en ekonomisk modell för att bestämma optimal automationsnivå för givna förutsättningar.