Utvikling av hydraulisk presse for forming av metallplate-materialer

Abstract

I dagens moderne samfunn er uendelig mange hverdagslige ting lagd av metallplater; Bilkarosserier, flykropp- og vinger, bensintanker, brusbokser, telefondeksler og mange andre objekter. Metallplatene fremstilles ved valsing av formbare metaller, ved støping, eller ved pressing og sintring. Metallplater kan kuttes og bøyes til mange former, men når formene blir kompliserte er arbeidsprosessen både vanskelig, tidkrevende og dyr. En formingsprosess som er idéel for kompliserte former er hydroforming; Her vil et hydrostatiskt trykk presse og forme metallplaten mot en matrise.

Hydroformingsmaskiner er store og dyre, og er derfor lite tilgjengelig for mindre bedrifter og privatpersoner som driver med forming av metallplater. I hovedfaget TIP300 designet jeg en bensintank som var egnet til å produseres med hydroforming, og med bakgrunn i dette var det ønskelig å utvikle en liten og rimelig hydroformingsmaskin. Dette ledet til hovedmålet i denne oppgaven som er; ”Å utrede, utvikle og designe en hydraulisk presse som former metallplate-materialer ved væsketrykk. Konseptet skal gjøre hydroforming av metallplate-materialer lettere tilgjengelig for små bedrifter og privatpersoner. Videre å dokumentere utviklingsprosessen med tekniske anvisninger for tilvirkning og evt. rettighetsbeskyttelse”.

For å nå hovedmålet ble det laget et prosessdiagram hvor prosjektet deles inn i utviklings-trinn og aktiviteter. Prosjektet kan deles inn i fire faser; Utredningsfasen, utviklingsfasen, konstruksjon- og designfasen, og realiseringsfasen.

I utredningsfasen ble det formulert en oppdragsbeskrivelse, samt problemstillinger som måtte løses og teknologiske flaskehalser som måtte overkommes. Deretter ble oppgavens hovedmål formulert, etterfulgt av delmål med underordnede aktiviteter. For å sikre stødig fremgang i prosjektet ble det utarbeidet en prosjektplan med en oversikt over aktiviteter, tid til rådighet, og milepæler. Videre ble produktutviklingsmetoder som IPD, Pughs metodikk, SCAMPER og QFD beskrevet og brukt som fremgangsmetoder i prosjektet. IPD metodikken har som hensikt å påse at utviklingsprosessen blir gjort i riktig rekkefølge og at ting ikke blir glemt underveis. Idémyldringsverktøyet SCAMPER ble hovedsakelig brukt under konseptgenereringen for å sette ting i nytt perspektiv og for å komme opp med nye løsninger. Pughs metodikk ble brukt til å utvikle seleksjonsmatriser for å utføre en egenscreening av foretrukne løsningsalternativer. Etter metodikken ble det listet hvilke løsningsverktøy som ble brukt under prosjektet og hvordan innholdet i prosjektet skulle kvalitetssikres. Videre ble det gjort en teknologiutredning hvor det vises og forklares fem hydroformingsprosesser for å forme metallplater. Til slutt i utredningsfasen ble det gjennomført en teoriutredning med nødvendig teori for å danne grunnlaget for senere beregninger og dimensjonering.

I utviklingsfasen ble det utredet for to størrelser av hydroformingsmaskinen: En fremtidig fullskala prototype som er tenkt å kunne forme deler til motorsykler, samt en mindre forsøksmodell som skal teste og verifisere konseptet. Videre analyser, beregninger og dimensjoneringer i oppgaven ble gjort med hensyn på forsøksmodellen.

I starten av utviklingsfasen ble det gjennomført en produktspesifisering hvor produktmålet og viktige produktegenskaper ble formulert. Deretter ble det utredet grensespesifikasjoner for fullskalaprototypen ved å gjennomføre en analyse av størrelsen på chassisdeler til utvalgte motorsykler. Basert på grensespesifikasjonene ble det gjort en metrisk grovspesifisering for prototypen, mens størrelsen på forsøksmodellen ble bestemt av hvilke materialer som var tilgjengelig på NMBUs verksted. For å sikre at produktet oppfyller alle kritiske funksjoner ble det gjennomført en funksjonsanalyse. I analysen ble det utviklet flere løsningsalternativer for hver funksjon, hvor løsningsalternativene senere ble vurdert, vektet og valgt uavhengig av hverandre. De valgte løsningsalternativene ble så satt sammen til et endelig konseptvalg. For å kvalitetssikre konseptet ble det gjennomført en ekspertundersøkelse i form av et spørreskjema hvor ekspertene kunne gi tilbakemeldinger på utvalgte løsninger. Til slutt i utviklingsfasen ble det utarbeidet en plan for tidlige forsøk, hvor det gjøres rede for forsøksmål for å kunne teste om konseptet fungerer.

I konstruksjon- og designfasen ble det utført beregninger med en sikkerhetsfaktor mot flyt, med påfølgende dimensjonering av produktets elementer og komponenter. Deretter ble produktet 3D modellert i Solidworks og det ble lagd en sammenstillingstegning som viser alle komponenter og standarddeler. Til slutt ble det utført FEM-analyser av hovedelementene for å verifisere beregningene og for å avdekke svakheter.

I realiseringsfasen ble det gjort rede for produksjonsmetoder samt kostnadskalkyler for forsøksmodellen og fullskalaprototypen. Dette blir etterfulgt av en markedspresentasjon hvor det vises renderte bilder av begge modellene. Til slutt ble det lagd tekniske tegninger og anvisninger for å kunne produsere forsøksmodellen.

Resultatet av prosjektet ble et konseptforslag for en hydraulisk presse som former metallplater med et hydrostatisk væsketrykk. Konstruksjonen består av to hovedelementer; et trykkammer og et lokk. I lokket er det integrert en membran som fylles med fett, og ved hjelp av en fettpresse bygges det opp et trykk som gjør at membranen ekspanderer og former metallplater mot en matrise. Både lokk og trykkammer er sylindrisk utformet med utvendig diameter på 200mm, innvendig diameter på 120mm og konstruksjonens totale høyde er på 177mm. For å koble sammen lokk og trykkammer vil det brukes 10 stk. M16 skruer, og i bunnen og siden av trykkammeret bores det dreneringskanaler som skal drenere luft og eventuelle lekkasjer. Lokk og trykkammer vil produseres i S355 konstruksjonsstål og konstruksjonens samlede vekt er på ca. 27,6kg, hvor lokket utgjør 12,4kg. Totalkostnaden for en forsøksmodell er på ca. 646000 NOK, hvor ca. 77% av dette går til utviklingskostnadene.

Videre arbeid vil bestå i å finne løsninger for produksjon av membranen, og å gjennomføre søk på nett for å se om det finnes standardmembraner som kan brukes. Deretter bør det gjennomføres grundigere FEM-analyser, samt ta kontakt med verkstedet ved NMBU for å optimalisere konstruksjonen før produksjon. Til slutt skal det gjennomføres forsøk for å teste om konseptet fungerer. Hvis konseptet fungerer skal det arbeides videre med fullskalaprototypen.

In today’s modern society, endless objects are made of sheet metal; car bodies, fuselageand wings, fuel tanks, soda cans, phone covers, etc. The sheet metal is made by rolling moldable metals, by casting, or by pressing and sintering. Sheet metal can be cut and bent to many shapes, but when the shapes get complicated, the work process is both difficult, time-consuming and expensive. One forming process which is ideal for creating complicated shapes is hydroforming; here, a hydrostatic pressure will press and shape the sheet metal against a die matrix. Hydroforming machines are large and expensive, and are therefore not readily available to smaller companies and private individuals engaged in sheet metal forming. In the major subject TIP300, I designed a fuel tank that could be produced by hydroforming, and based on this it was desirable to develop a small and affordable hydroforming machine. This led to the main goal of this thesis; “To study, develop and design a hydraulic press that shapes sheet metals with a fluid pressure. The concept aims to make hydroforming of sheet metal more easily accessible to small businesses and individuals. Further to document the development process with technical instructions for manufacturing, and any possible copyright protection.”