Udvikling af topologioptimeret snittap

Transkript

1

2 Udvikling af topologioptimeret snittap Development of a topology optimized threading tap Afgangsprojekt 2017 Professionsbachelor: Produktudvikling og Teknisk Integration Simon Larsson Vejleder: Christian Lystager Antal tegn inkl. mellemrum:

3 Forord Afgangsprojektet er den afsluttende del af professionsbacheloruddannelsen i Produktudvikling og Teknisk Integration på Københavns Erhvervsakademi (KEA). Projektets varighed er 7 uger, hvilket svarer til 15 ECTS point. Simon Larsson København, december 2017 Nøgleord : additive manufacturing, snittap, gevind, topologioptimering, vægtoptimering, finite element. Side 2

4 Indholdsfortegnelse Indledning 4 Metode 7 Teori 9 Additive manufacturing teknologier 9 Produktion med additive manufacturing 11 Forretningsmodeller og logistiske fordele 12 Overfladeruhed og efterbehandling 13 Research 15 Produktion og lager af snittappe 15 Gevindskæring og geometri 16 Udvikling 18 Modellering og analyse af AU s prototype 18 Krav til udformningen af snittappen 20 Analyse af alternativ gitterstruktur 20 Topologioptimering af snittappen 23 Opbygning af topologioptimeret snittap 24 Analyse af deformation ved slibning 26 Udvikling af karbidskær 27 Resultat 30 Verificering af nyt design 30 3D printet model 33 Diskussion 34 Konklusion 35 Litteraturliste 37 Side 3

5 Indledning Baggrunden for projektet Thürmer Tools er en virksomhed, der har produceret skærende værktøjer siden år Dette projekt er udformet på baggrund af et praktikophold på 10 uger i udviklingsafdelingen Twentyseven, som åbnede i Praktikken har givet en grundlæggende forståelse for gevindværktøjer og flere idéer til hvad nærværende projekt skulle omhandle. I løbet af projektperiodens første uger blev der undersøgt, hvordan maskintappe med indvendig køling kan udvikles. Efter den indledende research viste det sig dog, at opgaven blev for kompleks til at kunne løses tilfredsstillende inden for projektforløbets tidsramme. Dette er tilfældet, eftersom det er meget kompliceret, at simulere en realistisk gevindskæringsproces med køling, hvilket gør det svært at verificere resultatet. Den første idé blev derfor forkastet, for i stedet at tage udgangspunkt i en 3D printet prototype af en snittap, som er et håndværktøj, der bliver brugt til at reparere og rense et indvendigt gevind. Beskrivelse af Thürmer Tools snittap og AU s prototype Den nuværende prototype (fremover refereret til som prototypen ) er resultatet af et tidligere bachelorprojekt fra Aarhus Universitet (AU), hvor to studerende i samarbejde med Teknologisk institut udviklede et vægtoptimeret design af Thürmer Tools 4 snittap (se figur 1). Grunden til at snittappen skulle vægtoptimeres er, at det er et håndværktøj der blandt andet bliver brugt offshore og i vindmøller, hvor det er begrænset, hvor meget last operatøren må have på sig i luften. Den 3D-printede prototype er produceret i H13 værktøjsstål, og konstruktionen er 75% lettere end det oprindelige, massive produkt som vejer ca. 6 kg. Problemet med prototypen er, at det skærende gevind ikke har den nødvendige hårdhed, til at kunne klare belastningerne, der opstår ved gevindskæring i rustfrit stål. Dette skyldes at metalemner, som er produceret med additive manufacturing ikke har de samme tekniske egenskaber, som metal der bliver bearbejdet traditionelt. Ved efterbehandlingen af AU s 3D printede prototype viste det sig også, at det var svært at slibe gevindet. Gevindet blev skævt, da Side 4

6 overfladeruheden rundt omkring skaftet og pinol hullerne gjorde, at værktøjet ikke blev spændt op i centreret position i drejebænken. Det resulterede i at værktøjet ikke overholder dansk standards tolerancer for 4 gevind (DS/EN ISO 228-1:2013). Figur 1: Nuværende produkt (t.v) og vægtoptimeret prototype (t.h) Projektets formål På baggrund af ovenstående informationer er formålet med dette projekt, at undersøge hvordan prototypen yderligere kan vægtoptimeres med fintite element (FE) og topologioptimering. Eftersom det 3D printede materiale ikke har den rigtige overfladehårdhed, vil det blive undersøgt hvordan et modulbaseret system med karbidskær (eng. threading inserts) kan integreres i snittappen, for at prototypen kan videreudvikles til at kunne skære gevind. I den forbindelse bliver det undersøgt, om et modulbaseret system kan reducere behovet for at have lagerførte beholdninger af de forskellige typer af snittappe. Endelig skal den grove overfladeruhed også håndteres, for at værktøjet skal overholde Dansk standards tolerancer for 4 gevind. Figur 2 illustrerer, at dette projekt er en videreudviklingen af AU s projekt med formål om at udover vægtoptimering også gøre, at snittappen kan skære gevind ved at bruge karbidskær, hvilket også skal reducere behovet at have et stor færdigvarelager. Side 5

7 Figur 2: Overblik over formål ved videreudvikling af snittappen Projektets leverancer I denne rapport præsenteres projektets teoretiske grundlag for, hvordan snittappen kan udvikles og vægtoptimeres med Finite element. Desuden vil den vægtoptimerede snittap med det modulbasere system blive udviklet og gemt som en CAD-fil, hvorefter den bliver fremstillet på en FDM printer i PLA (Polylactic Acid). Projektets succeskriterier At genere data fra AU s prototype i en FE analyse, som efterfølgende kan sammenlignes med dette projekts data. At vægtoptimeringen reducerer snittappens vægt med 500 gram (ca. 30%). At påvise, at den modulbaserede snittap kan reducere færdigvarelageret af snittappe. At udforme en snittap, som overholder kravene til tolerancer i gevind ifølge Dansk Standard. At fremstille en 3D printet model i skala 1:1 med tolerancer, der gør det muligt, at integrere skærene i snittappen. Hypotese Projektets første hypotese er, at snittappen primært bliver belastet når den skærer gevindet på vej ind i hullet, hvilket gør at de fleste spændinger kun opstår i gitterstrukturens ene retning. Hvis denne hypotese kan bekræftes vil en asymmetrisk gitterkonstruktion resultere i en vægtoptimering. Den anden hypotese er, at det er Side 6

8 muligt at erstatte snittappens skærende gevind med modulbaserede karbidskær, så at den kan skære gevind. Udover det ville den samme type af karbidskær også kunne bruges i snittappe med forskellige diameter, hvilket ville reducere antallet snittappe på færdigvarelageret. Problemformulering På baggrund af de indledningsvise overvejelser vil denne opgave undersøge følgende spørgsmål: Hvordan kan den 3D printede snittap yderligere vægtoptimeres? Hvordan kan et modulbaseret system muliggøre, at prototypen kan skære gevind, samtidig som færdiglageret med forskellige snittappe bliver reduceret? Metode Fremgangsmåde I projektet anvendes metoden topologioptimering (TO) til at reducere snittappens vægt, idet materiale, der ikke bidrager til konstruktionens styrke bliver fjernet. Dertil bliver Finite element method (FEM) brugt til at verificere, at den nye snittap overholder de kravene til gevindets tolerancer ifølge Dansk Standard. Projektets fremgangsmåde er, at gevindskæringsprocessen for den AU s prototype først simuleres, for senere at kunne sammenligne den nye snittap med den gamle. Det har ikke været muligt at få adgang til den oprindelige CAD-fil. Derfor skal den fysiske model først måles og tegnes op som en ny CAD-model. Efterfølgende bliver finite element (FE) brugt til at verificere, at modellen giver samme resultater som i simuleringen udført af Aarhus Universitet (se bilag 2). Dette gør det muligt at afprøve et nyt design med FE, for at bekræfte opgavens hypotese vedrørende snittappens gitterstruktur. Dernæst vil der blive udført en topologioptimering for, på baggrund af det genererede materiale, at opbygge en snittap som dels overholder de samme krav til styrke, dels er lettere end den oprindelige prototype. Endelig bliver det undersøgt hvordan karbidskærene kan udformes og integreres i snittappen, på en måde som gør, at den kan skære gevind. Det endelige Side 7

9 design verificeres ved at gentage den samme FE analyse som for AU s prototype, hvilket gør det muligt at sammenligne de to snittappe i forhold til styrke, deformation og vægt. Dataindsamling og databehandling Projektet er baseret på data fra AU-projektets rapport (bilag 2), hvor der blev udført fysiske test for at identificere de kræfter der opstår i gevindskæringsprocessen. Derudover tager projektet udgangspunkt i den data, der genereres i FE analysen, samt i litteratur, der omhandler gevind og gevindskæring. Reliabilitet og validitet FEM-metoden er beregningsmetode, hvor softwaren ved brug af algoritmer beregner fysiske fænomener indenfor et defineret område. Disse software tager udgangspunkt i definerede parametre, som blandt andet materialeegenskaber og tager ikke højde for afvigelser som kan forekomme i virkeligheden. Der kan eksempelvis være afvigelser i 3D print processen, som gør at materialet ikke har en homogen densitet. Men metoden anses for at give data med høj reliabilitet, eftersom andre vil få samme data, hvis FE analysen gennemføres igen. Udover softwaren har CAD-modellen af den fysiske prototype betydning for projektets validitet. Prototypen er i denne undersøgelse blevet målt og modelleret i CAD (bilag 1). Modellerne er tæt på identiske både i forhold til vægt og volumen, hvilket en forudsætning for at projektet giver pålidelig data, der kan bruges til sammenligning af AU-projektet og mine resultater. Side 8

10 Afgrænsning Snittappen bliver i dette projektet vægtoptimeret, hvilket har betydning i forhold til materialebesparelse, da den bliver billigere at producere. De økonomiske aspekter ved at producere snittappen, vil dog ikke blive undersøgt nærmere, da vægtoptimering og snittappens funktionalitet er det primære fokus. I forhold til udviklingen af de modulære skær er karbid valgt som materiale, da dette materiale bliver benyttet inden for andre områder som CNC-fræsere, hvor kravene til værktøjernes overfladehårdhed er høje. Det ville også være muligt, at bruge andre materialer, men dette testes ikke, da formålet i første omgang er, at gøre snittappen i stand til at klare belastningen i gevindskæringsprocessen. Teori Additive manufacturing teknologier Additive manufacturing bliver i daglig tale ofte refereret til som 3D printning. I 1990 kommercialiserede virksomheden Stratasys teknologien, hvor det først blot var simple modeller til test af tolerancer, som kunne fremstilles. Efterhånden som teknologien er 1 blevet udviklet, er det muligt at fremstille de færdige produkter direkte. Der findes mange kategorier inden for additive manufacturing, hvor hver af dem har sine fordele og ulemper. Uanset type af AM teknologi, starter processen med en 3D CAD-fil af emnet der bliver processeret i en software, som slicer emnet. Det betyder at det tredimensionelle emne bliver opdelt i masse tynde lag og oversat til g-code, som indeholder de instruktioner printeren skal udføre. En printer baseret på teknologien Fused Deposition Modeling (FDM) bruger materiale i form af eksempelvis plast filament eller metal wire. Materialet bliver successivt fodret ind i en dyse, som ekstruderer det smeltede materiale. Udfra de tildelte instruktioner bliver emnet additivt opbygget, når materialet appliceres lag for lag. 1 Milewski 2017:121 Side 9

11 2 Figur 3: FDM processen En anden kategori er Powder Bed Fusion (PBF) som er et samlebetegnelse, der dækker over følgende additive manufacturing tekniker: Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Electron Beam Melting (EBM), Selective Heat Sintering (SHS), Selective Laser Melting 3 (SLM) og Selective Laser Sintering (SLS). I SLM er det en laserstråle, som smelter 4 pulver sammen på baggrund af de lag som slicer-programmet har opdelt emnet i. Figur 4 viser et overblik over processen, hvor emnet bliver additivt opbygget, ved at et tyndt lag pulver fordeles efter hver sammensmeltning. Stemplet sørger for at nyt pulver kan fordeles, og pladen som emnet bliver bygget op på, justeres ned i niveau i takt med opbygningen. Emnet er i denne proces omgivet af pulver, hvilket betyder at geometrier som FDM printere ellers kræver supportmateriale for at kunne producere, her kan produceres uden support. Men afhængigt af emnets geometri kan supportmateriale alligevel være nødvendigt at bruge, for at sikre at emnet holdes på plads og ikke slår sig 5 når det bliver produceret. En ulempe ved SLM og AM er, at der generelt er problemer i forhold til reproducerbarhed. Det er svært at producere emner uden afvigelser i Milewski 2017:134 5 Ibid:135 Side 10

12 kvalitet, hvilket kan skyldes at 3D printerne ikke er ens kalibreret, eller at pulveret i en 6 ny batch har andre tekniske egenskaber. 7 Figur 4 : Illustration af Selective Laser Melting Produktion med additive manufacturing AM kan for de meste ikke konkurrere med konventionel masseproduktion, og er 8 grundlæggende mere økonomisk fordelagtig ved produktion i lave volumer. Dog kan emner med høj geometrisk kompleksitet i konventionel produktion medføre, at omkostningerne bliver højere. Det tager længere tid, jo mere kompleks en geometri en CNC-fræsere skal bearbejde. Det tager også lang tid at programmere CAM programmet med mange operationer, og det er tidskrævende at fræse materialet ud når maskinen 9 skal skifte værktøjer og lave mange bevægelser. Til forskel fra konventionel produktion er omkostningerne pr. emne ved additive manufacturing ikke afhængige af kompleksiteten. Det betyder, at jo højere kompleksitet emnet har, jo mere økonomisk fordelagtigt bliver det at bruge teknologien i produktionen. Break even punktet i figur 5 illustrerer, at det ved et bestemt niveau af kompleksitet bliver billigere at producere additivt. Det betyder også, at al kompleksitet efter dette niveau ikke koster noget 6 Ibid: Gibson et al., 2015:375 9 Conner et al., 2014:67 Side 11

13 ekstra, hvilket er en fordel, når topologioptimerede emner med kompleks geometri skal produceres. 10 Figur 5: Omkostning pr. emne for AM og konventionel produktion En stor del af omkostningerne i produktion med AM skyldes, at metalpulveret er dyrt. Et studie udført af Lindemann et. al. viser, at den anden højeste omkostning efter investering i 3D-print maskinen, er materialeomkostninger og de svarer til hele 19% af de totale omkostninger 11. Selvom materialet er dyrt, kan det på den anden side bruges mere effektivt med mindre spild til forskel fra konventionel produktion, hvor materialet bliver fjernet med subtraktiv bearbejdning. Et emne der bliver opbygget additivt uden supportmateriale, kan derfor opnå en Buy-To-Fly-ratio omkring 1:1, hvilket betyder, at det færdige produkt har ca. samme vægt som råmaterialet der blev brugt til at producere emnet. Forretningsmodeller og logistiske fordele Ofte bliver additive manufacturing nævnt som en disruptiv teknologi, som ændrer måden produkter bliver designet på. Teknologien gør det også muligt, at udvikle nye forretningsmodeller 12. Forretningsmodeller med AM tager udgangspunkt i, at teknologien tilføjer værdi for kunden og at denne værdi bliver opnået på en effektiv måde 13. Teknologien kan eksempelvis gøre det nemmere at tilføje værdi til et produkt, ved at effektivisere udviklingsarbejdet med rapid prototyping. Ved direkte at afprøve 10 Conner et al., 2014:71, figur Gibson et al., 2015:9 13 Lutter-Günther et. al. 2015:549 Side 12

14 forskellige designs, kan antallet interaktioner reduceres og produktet kan hurtigt komme i produktion. Udover at effektivisere processen, kan AM tilføje værdi til kunden i form af vægtoptimerede produkter med en kort time-to-customer periode 14. Selvom teknologien har mange fordele, er der også nogle ulemper, som er vigtige at have med i overvejelserne, hvis et emne skal produceres med AM. De forskellige AM-teknologier og især de pulver baserede systemer, giver de producerede emner en grov overfladeruhed, hvilket gør at de efterfølgende skal gennemgå en eller flere efterbehandlinger. I afsnittet Overfladeruhed og Efterbehandling bliver forskellige typer af overfladebehandling beskrevet. En anden faktor der kan overvejes i forhold til AM er logistik og lager. I mange produktionsvirksomheder er der ventetid imellem de værdiskabende processer, hvilket resulterer i, at produkterne har en lang gennemløbstid. Hele 92% af gennemløbstiden for samlingen af en bil indenfor automotiv industrien, skyldes eksempelvis ventetid mellem processerne 15. Men med additive manufacturing kan antallet af processer reduceres, hvilket også eliminerer ventetiden mellem disse. Udover ventetiden i mellem processerne, kan usikkerhed i forhold til salgsprognoser skabe overproduktion med store færdigvarelager. De store lagre medfører unødvendig kapitalbinding og ekstra omkostninger i form af mere lagerarbejde. Ved brug af AM som direct digital produktion, kan komponenter med mange dele produceres on-demand og sendes direkte til kunden, hvorved færdigvarelageret reduceres. Overfladeruhed og efterbehandling Additive manufacturing har en stor ulempe, når det kommer til overfladeruheden af de fremstillede emner. Pulverbaserede systemer som Selective Laser Melting (SLM) giver en overfladeruhed på omkring u in 16, hvilket normalt ikke er fint nok til mekaniske dele, da der er høje krav til produkternes tolerancer. Overfladeruheden er generelt det største problem inden for direct manufacturing med AM-teknologien, da efterbehandling ofte er tidskrævende og dyrt. På nuværende tidspunkt findes der mange forskellige metoder til at gøre overfladeruheden finere. Det gælder for eksempel 14 Ibid 15 Douglas, 2015: Milewski, 2017:218 Side 13

15 Laser polishing, som er en teknologi der smelter og udjævner den grynede overflade med en laserstråle, som kan styres i forskellige vinkler. Med denne teknologi er det muligt at opnå en overfladeruhed på under 2 µm i gennemsnit er under udvikling, er den stadig meget kommercielt begrænset. 17. Da teknologien fortsat Figur 6: Overfladeruhed efter laser polering En anden måde at få en finere overfladeruhed er, at ekstrudere metalpulveret. En 3D- printer, der arbejder efter dette princip er Desktop Metal s 3D printer 18. Den kan fremstille emnet i rustfrit stål med en finere overfladeruhed end SLM, da pulveret bliver varmet op og extruderet direkte lag for lag. Resultatet heraf er en hurtigere process end SLM, med mindre efterbehandling, eftersom der ikke er noget pulver, der skal fjernes. Selvom det fremstillede emne har en jævnere overflade end SLM, har de ekstruderede lag også ujævnheder, som kan være kritiske i forhold til produktets krav til tolerancer. Den efterfølgende sintereringsproces gør også at emnet krymper, hvilket kan tilføje yderligere usikkerhed. Der findes iøvrigt også hybride maskiner, som bruger laser sintering teknologien kombineret med en integreret CNC fræser, til at opbygge emnet 19. En kommercielt tilgængelig maskine, der bruger denne teknologi er LUMEX Avance-25 fra Matsuura Machinery Corporation 20. En fordel ved denne hybrid-løsningen er, at overfladen bliver behandlet samtidig med at emnet bliver opbygget, og ovenikøbet med en præcision svarende til konventionel CNC fræsning. Desuden kan det for nogle emner være tidsbesparende, at den samme maskine håndterer hele processen. Bortset fra frigivelsen af emnet fra printpladen behøver det printede emne ikke efterbehandles og derfor er denne hybridteknologi langt i udviklingen i forhold til direct manufacturing Milewski, 2017: Side 14

16 Uden hybrid-løsningen bliver emner med høje krav til geometriske tolerancer printet near net shape, og i en CNC fræser bliver områder med kritiske tolerancer 21 efterfølgende udfræset. Research Produktion og lager af snittappe Thürmer Tools producerer snittappe i forskellige størrelser og med forskellige gevind. De bliver produceret fra et stykke massiv rundstang, der bearbejdes med fræsning i en CNC-drejebænk. I denne proces dannes akslen, det firkantede skaft og spånkanalerne, ved at materiale i disse områder fjernes. Gevindet som til sidst bliver produceret (figur 7), er som regel et metrisk fingevind med forskellige gevind stigninger. En snittap der vejer 6 kg når den er færdig, er produceret fra et stykke rundstang med en vægt på straks over 17 kg. Det giver en Buy-To-Fly-ratio på ca. 3:1, hvilket betyder at en stor del af materialet bliver spildt i produktionen. Figur 7: Snittap opspændt i CNC-drejebænk Snittappe er et nichemarked og derfor bliver de ikke solgt i samme udstrækning som maskintappe, der bliver brugt til at skære nyt gevind. Det betyder, at nogle af snittappene bliver opbevaret på færdigvarelageret, i lang tid før de bliver solgt. Lageret kan vokse sig stort, da snittappene bliver produceret med variation både i diameter og gevind. 21 Milewski, 2017:242 Side 15

17 Figur 8: Forskellige håndtappe på Thürmer Tools lager Gevindskæring og geometri I dette afsnit bliver sammenhængen mellem gevindets geometri og hullets diameter undersøgt, med henblik på at bekræfte hypotesen om, at de samme skær kan bruges i snittappe med forskellig diameter. For at verificere dette, blev to cylindere med forskellige indvendige diametre modelleret i CAD. Et gevind med en gevindstigning på 3 mm blev skåret ud i begge emner, hvorefter tværsnittet blev gransket og afmålt (figur 9). Målingerne af de to gevind verificerede, at de er ens, bortset fra en lille forskel i dybde på 6 tusindedels millimeter. Dette er så lille en forskel, at det ikke har nogen betydning for gevidskæringsprocessen. Figur 9: Sammenligning af gevind i huller med forskellige diameter Udover selve gevindet, er det vigtigt at tage hensyn til den ydre geometri i snittappens krone. Snittappen skærer gevind ved, at den skærende kant (cutting edge i figur 10) Side 16

18 skærer materialet som danner en spåne i spånkanalen. Resten af materialet er med til at stabilisere området rundt om den skærende kant, hvor spændingerne opstår. Da det er spidsen der skærer gevindet, er dette punkt ikke afhængigt af hvor stor diameteren på hullet er. En anden vigtig vinkel er snittappens relief angle, som reducerer friktionen i gevindskæringsprocessen. Denne gør, at det kun er materialet tættest på den skærende kant, som er i kontakt med emnet, hvor der bliver skåret gevind. Hvis snittapens relief angle er for stor, bliver området omkring den skærende kant for svag. Det er derfor vigtigt, at de nye skær bliver integreret i snittappen på en måde, som aflaster dem fra høje spændinger. 22 Figur 10: Geometriske opbygning af snittappe Udover det ovenstående afsnit, hvor gevind geometrier i forskellige huller blev undersøgt, kan hypotesen yderligere understøttes med informationen om, at der inden for CNC-fræsning bliver brugt den samme type af karbidskær til at fræse gevind i huller 23 med diametre mellem 9,5 og 100 mm. 22 Vom Braucke, 2014:73, figur a 23 Side 17

19 Delkonklusion: Med ovenstående er det blevet påvist, hvordan det er muligt, at bruge samme type af skær i snittappe med ens gevind højde, selvom de har forskellige diameter. Det er tilfældet, da: - gevindet er afhængigt af gevindstigningen og ikke emnets diameter. - det er det ydere punkt i snittappens skær som skærer gevindet og ikke siden af gevindet. Hypotesen om at kunne bruge samme typer af karbidskær i snittappe med forskellige diameter, kan dermed bekræftes både teoretisk og ved at se, at skærene på nuværende tidspunkt bliver brugt indenfor en anden type gevindskæringsproces. I opgavens udviklingsdel bliver udformningen af skærene til snittappen præsenteret. Udvikling Modellering og analyse af AU s prototype I den indledende undersøgelse vil AU s prototype blive opbygget og analyseret med Finite element. Grunden til at snittap yderligere skal vægtoptimeres, er ikke kun pga. fordelene i forhold til brug, men også for at en mindre mængde materiale kan reducere produktionsomkostningerne. Den oprindelige CAD model kunne ikke fremskaffes til projektet og derfor blev en ny model af prototypen opbygget i Autodesk Fusion 360. Det er vigtigt at modellen stemmer overens med den oprindelige CAD model, for at kunne sammenligne resultaterne i det nye design med det oprindelige design. At simulere den samme FE analyse vil også verificere, om opsætningen og indstillingerne i simuleringen giver ens, repræsentativ data. Side 18

20 24 Figur 11: Opbygget CAD model (t.v.) sammenlignet med nuværende prototype (t.h). AU s opbyggede model vejer 10 gram mere end den originale model, og begge modeller har en volumen på 202 kubikcentimeter. Modellen er defineret med materialet H13 stål og stemmer overens med materialet i AU s undersøgelse (se bilag 1, figur 2). Det er også det pulver teknologisk institut har brugt, når de har printet den nuværende prototype. Materialet bliver brugt ved samtlige FE analyser, for at give repræsentative data i undersøgelsen. Modellering af CAD-modellen og resultaterne fra FE analysen kan ses i bilag Modellering og analyse af nuværende prototype. Denne del af undersøgelsen anskueliggør,, at FE analysen af den opbyggede model giver data, der stemmer overens med resultaterne fra AU s studie. Derfor kan modellen bruges som reference ved sammenligning af projektets resultater. 24 Bilag 2:39, figur 43 Side 19

21 Det er også tydeligt, at prototypen er overdimensioneret, da alle steder udtaget samlingerne har en sikkerhedsfaktor på ca. 8, da brudspænding i materialet er 1060 MPa. Dette vil blive viderebehandlet i næste afsnit, hvor snittappen bliver topologi optimeret. Da brugerscenariet er, at snittappen skal skære et nyt gevind og ikke reparerer, er snittappen fra AU bevidst overdimensioneret, for at klare f.eks. fejlanvendelse af værktøjet. Det er derfor, ligesom i AU s undersøgelse sandsynligt, at det er rigeligt at bruge en sikkerhedsfaktor 2 og ikke 3, som normalt er anbefalet. Fokus vil derfor være, at fjerne materialer, for at opnå en mere jævn spændingsfordeling i snittappen. Krav til udformningen af snittappen Selvom prototypen er blevet vægtoptimeret med 70% i forhold til den massive snittap og nu vejer 1,58 kg, kan vægten muligvis reduceres yderligere. Der stilles de samme krav til den nye model som for prototypen. Det betyder, at der bliver tilføjet en last på 1260 MPa på hvert skær, hvilket er den kraft der opstår, når snittappen skærer et nyt gevind i rustfrit stål. Snittappens skær skal have en hårdhed på min. 65 HRC. Snittappen skal overholde en sikkerhedsfaktor på 2, og den skal kunne fremstilles med SLM og FDM printere. De områder der bliver set på i forhold til vægtoptimering er markeret med nummer i figur 11 og de er: 1. Gitterstruktur 2. Krone og overgang til gitterstruktur 3. Bund 4. Cylinderformet pæle i midten. Analyse af alternativ gitterstruktur I dette afsnit bliver hypotesen om, at spændingerne primært opstår i gitterstrukturens ene retning indledningsvist undersøgt, ved at afprøve alternative designs. Snittappen bliver belastet mest i den spåntagende proces, når den roterer i urets retning. Efterfølgende bliver snittappen roteret den modsatte vej op ad hullet, men her 25 Ibid:41 26 Ibid:9 Side 20

22 er belastningen på snittappen meget mindre, da gevindet allerede er skåret. Hypotesen er derfor, at gitterstrukturen primært bliver belastet i den ene retning. I nedenstående eksperiment opbygges et asymmetrisk design, der bliver sammenlignet med resultatet fra FE analysen af den oprindelige gitterstruktur. I den første test blev et design med kun en spline afprøvet. Der blev opstillet to modeller med 4 splines, hvor den enes splines roterer i samme retning som momentet, mens den anden model splines roterer i modsat retning af momentet. Resultatet viser, at begge modeller har spændinger langt over materialets brudspænding på 1260 MPa. Det betyder, at en løsning med kun en spline uanset retning, ikke er styrkemæssigt fordelagtig, sammenlignet med gitterstrukturen i det oprindelige design. Figur 12: Test med kun en spline i hver retning I den anden test blev en gitterstruktur med et tyndere materiale afprøvet for henholdsvis den højredrejede og venstredrejede spline. Resultatet viste, at spændinger i gitterstrukturen bliver langt højere end det oprindelige design i begge tilfælden. For samtlige tests var også deformationen større end i prototypen. Side 21

23 Figur 13: Spændinger i asymmetrisk gitterstruktur Selv om snittappen kun roterer den ene vej tyder analysen på, at spændingerne er jævnt fordelt i begge retninger af gitterstrukturen. For at verificere dette, blev en simpel model med splines analyseret ud fra de samme parametre i FE-analyse. Analysen viste tydeligt, at spændingen er lige fordelt alle de steder, hvor en spline møder en anden spline. Desuden opstår spændingerne primært på den side, der peger ud ad. På indersiden opstår der i stedet moderate spændinger mellem samlingerne. Figur 14: Test med spændingsfordeling i gitterstruktur Delkonklusion : Ved at opstille de tre eksperimenter blev det tydeligt, at spændingerne i gitterstrukturen er lige fordelt i begge retninger. Den genererede gitterstruktur fra AU s topologioptimering har haft varieret geometri, men det blev verificeret, at den symmetriske gitterstruktur er tilfredsstillende optimeret i forhold til spændingernes Side 22

24 retning. Endelig viste analysen også, at det er i gitterstrukturens samlinger, at de største spændinger opstår. For nærmere at undersøge, hvad der er en optimal geometri for det nye design, bliver der i næste afsnit gennemført en topologioptimering af snittappen. Topologioptimering af snittappen For at undersøge hvordan en optimeret gitterstrukturen skal udformes, bliver området analyseret med en topologioptimering i softwaren Autodesk Fusion 360. Det bliver også undersøgt, hvorvidt kronen og overgangen mellem den og gitterstrukturen er optimeret. For at efterligne snittappens brugersituation, blev modellen opsat på samme måde som ved tidligere tests, med kræfterne ved kronens samtlige skær og indspænding af skaftets øvre del. Figur 15: Topologioptimeringsprocessen af snittappen Resultatet fra topologioptimeringen viser, at det kun er en lille del af materialet i kronen som optager spændinger, samt at kun en lille del af materialet mellem skærene bliver brugt. Materialet i bunden af kronen optager heller ikke nogle spændinger, hvorfor dette materiale også er blevet fjernet. Materialet ved gitterstrukturens samlinger har ca. den dobbelte tykkelse sammenlignet med resten af strukturen. Det ekstra materiale som reducerer spændinger i samlingerne er svære at se, da de er på indersiden af en meget organisk struktur. I figur 16 nedenfor ses en af de mange samlinger med ekstra materiale. Side 23

25 Figur 16: Topologioptimeringen viser samlinger med tykkere materiale Det hvide materiale fra topologioptimeringen kan importeres som en STL-fil, hvilket gør det muligt at modellere den nye snittap uden på det vejledende materiale (se figur 17). Opbygning af topologioptimeret snittap Som topologioptimeringen viste, skal skærene forbindes til gitterstrukturen, med materiale ud fra hver side af de 8 skær. Det betyder, at det nye design skal have dobbelt så mange spline som den oprindelige prototype. Topologioptimeringen tager ikke højde for den bøjning der opstår i scenariet, hvor snittappen bliver uhensigtsmæssigt brugt. Ved at justere skærene lidt op, bliver de forbundet i både den øvre og nedre del. Placeringen giver det endelige design en stabil, krydsformet forbindelse mellem hvert skær, hvilket ses i figur 25. Figur 17: Opbygning af ny snittap ovenpå topologioptimeret materiale Side 24

26 Resultatet fra topologioptimeringen viser, at hele bunden kan fjernes, uden at snittappen mister den nødvendige styrke. Det samme gælder for den gennemgående cylinder, som bliver brugt til at modvirke buckling ved opspænding i drejebænken, når skærene skal slibes. Bundpladen har en vægt på 150 gram og cylinderen 132 gram. Figur 18 : Fjernet bundplade og cylinder med vægt på i alt 282 gram For at gøre det muligt at bearbejde snittappen i CNC-drejebænken, bliver et øvre og nedre midterstykke manuelt tilføjet. Delene har ikke nogen vinkler større end 45 grader, hvilket gør det muligt at fremstille dem med en FDM printer, uden at benytte 27 support-materiale. Figur 19: Nyt materiale ved skaftet pdf Side 25

27 Figur 20: Nyt materiale ved bund Den nedre del der har erstattet cylinderen og bundpladen, har en masse på 13 gram. Det nye materiale vejer i alt 89 gram. Analyse af deformation ved slibning Deformationen i snittappen efter tilføjelse af de nye dele er analyseret i figur 21 nedenfor. I den oprindelige model var der en buckling på 0,002 mm. ved kanten hvor gevindet bliver slebet. I den nye model har den samme kant en buckling på 0,006 mm. Dette er 4 tusindedels millimeter mere, hvilket er acceptabelt for at overholde kravene til gevind ifølge Dansk standard (DS/EN ISO 228-1:2013). Figur 21: Deformation i snittappen ved opspænding i drejebænk Side 26

28 Udvikling af karbidskær Snittappen er således blevet vægtoptimeret, hvorfor det i dette afsnit vil blive undersøgt, hvordan karbidskærene udformes og integreres i snittappen. Skærene bliver produceret i karbid, da materialet i kombination med en coating opnår de tekniske egenskaber, som kræves til skærende værktøjer. Et karbidskær med TiAlN coating har eksempelvis en overfladehårdhed, der kan skære hårdmetaller med en hårdhed på 65 HRC 28, hvilket opfylder kravene til snittappens hårdhed. I forlængelse af teoriafsnittet, hvor geometrien for snittappens skær blev præcenteret, skal karbidskærene også udformes til overholde de samme geometriske krav, som det gør sig gældende for Thürmer Tools snittap. Skærene har derfor fået den rigtige skærevinkel og relief for at reducere friktionen i gevindskæringsprocessen. Skærene har til sidst fået den rigtige chamfer ved de første tre gevind, hvilket gør at snittappen lettere kommer ind i gevindet, som skal repareres. Da karbid er et dyrt materiale, er skærene blevet udformet til at være tynde. Skærene bliver derfor placeret i lommer, der stabiliserer dem. Lommerne er udformet til at støtte skærene, mens de samtidig skal være lette. De har derfor det meste materiale på den side, som skærende kommer til at presse op imod (se midterste billede i figur 22) Side 27

29 Figur 22: Udformning af lommer til skær Der er også blevet overvejet andre designs, hvor skærene kan samles som et click-system. Dette blev fravalgt, da det var sandsynligt, at skærene ville begynde at bevæge sig, hvilket aldrig må ske i gevindskæringsprocessen da det udskårne gevind så ødelægges. Skærene ville også blive større, hvilket resulterer i et unødvendigt højt forbrug af karbid. På baggrund af disse overvejelser, skal skærene samles med snittappen på en mere sikker måde, hvor det vil være mest oplagt, enten at lodde dem permanent fast, eller at bruge skuer. Fordelen ved at lodde dem er, at der ikke skal produceres gevind i snittappen. Dog vil det kræve mere manuelt arbejde, at lodde hvert enkelt skær, hvilket er tidskrævende. Desuden vil det også være svært at opnå en ensartet kvalitet, hvis skærene blev håndloddet, og det ville sandsynligvis resultere i, at gevindet ikke overholder en tolerance for gevindets yderdiameter på +/- 0,217mm (DS/EN ISO 228-1:2013). Løsningen er derfor, at samle skærene med skruer. Denne løsning gør det muligt at udskifte skærene, i stedet for at kassere hele snittappen, når skærene bliver slidt. Denne løsning betyder, at materiale i lommerne skal udfræses, for at opnå de bestemte tolerancer. I samme proces produceres gevindet, der skal bruges til at fastskrue skærene. Fremstillingen af karbidskær involverer Powder Metallurgy og andre produktionsprocesser, som kræver meget produktionsudstyr. Da produktionsvolumen Side 28

30 er lille, er det et produkt som bedst betaler sig at købe fra en underleverandør. I næste afsnit bliver efterbehandlingen videre uddybet. Efterbehandling med CNC fræser Som det fremgår af teoriafsnittet, kan AM teknologien på nuværende tidspunkt ikke producere emner med høje tolerancer pga. overfladeruhed. Lommerne skal derfor, som fremhævet ovenfor, efterbehandles med CNC fræser for at opnå Dansk Standards krav til gevindets tolerancer. Snittappen er designet til at kunne efterbehandles på en 4-akset CNC-drejebænk, hvilket gør, at Thürmer Tools ikke skal investere i ekstra produktionsudstyr. Den efterfølgende bearbejdning med CNC-fræsning foregår ved, at emnet placeres inden for maskinens arbejdsområde, hvorefter en måleprobe aflæser emnets præcise placering. I efterbehandlingen er det først den øverste del af snittappens aksel, som udfræses. Spindlen kan efterfølgende bruge håndtaget i CNC-drejebænken, til at fastholde snittappen i centreret position. Snittappen bliver bearbejdet på samme måde som i figur 23, men det er pladserne til karbidskærene, der bliver udfræset og hullerne med gevind bliver produceret (se område markeret med rødt i figur 24). Det er vigtigt at snittappen er fuldstændigt centreret i drejebænken, da pladserne til karbidskærene ellers bliver forkert udskåret, hvilket påvirker snittappens endelige tolerancer. Efter at snittappen er blevet bearbejdet, kan karbidskærene manuale skrues på plads af en operatør i produktionen, da både snittapens lommer og karbidskærene er bearbejdet med CNC-fræserens tolerancer på ca. +/-0,02 mm. Figur 23: Gevindskæring i CNC drejebænk 29 Figur 24: fræsning af lommer i snittap 29 Side 29

31 Resultat Verificering af nyt design For at simulere en normal anvendelse af snittappen, har den fået tilføjet de samme laster og indspændinger, som i FE analysen af AU s prototype. Resultatet viser at de fleste spændinger i gitterstruktur er mellem Mpa (figur 25). Hele gitterstrukturen er tyndere, men der er tilføjet ekstra støtte i alle samlinger, eftersom det er her spændingerne i samtlige tests har været højest. Der opstår højere spændinger i nogle få singulariteter, ligesom i analysen af AU s prototype. Dette skyldes skarpe overgange i modellen, som ikke ville opstå i virkeligheden og det har derfor ikke betydning for resultatet. Figur 25: Spændinger i snittappen ved normal anvendelse Resultatet svarer til en sikkerhedsfaktor mellem 3 og 5 for de fleste områder. Til sammenligning havde den oprindelige model spændinger på ca. 150 MPa i de fleste områder, hvilket svarer til en sikkerhedsfaktor på 8+. Side 30

32 Spændinger under bøjning For at analysere spændingerne ved uhensigtsmæssig brug af snittappen, har det været nødvendigt også at simulere en bøjning. I denne simulation beholdes lasterne fra normal anvendelse, men en kræft på 2000 N tilføjes skærets side. Resultatet i figur 26 viser, at spændingerne er omkring 600 MPa i gitterstrukturen. Nogle få skarpe kanter ved gitterstrukturens overgang, medfører singulariteter med højere spændinger, der ikke ville opstå i virkeligheden. Figur 26: Spændinger i snittappen under bøj Deformation Snittappen har ved skærene den højeste deformation på i alt 0,32 mm, hvilket er 0,2 mm mere end i prototypen. Det skyldes, at den nye gitterstruktur har en højere spænding, som er fordelt ud på hele gitteret. Spændingen er jævnt fordelt i skærene, hvilket gør, at de ifølge FE analysen er jævnt forskudt i forhold til sin oprindelige position (figur 28), men med en deformation på 0,04 mm ved den skærende kant i retning Z. Det betyder, at skærene kommer til at producere et gevind, der stadig overholder dansk standards tolerancer for 4 gevind, da gevindets yderdiameter må have en tolerance på +/- 0,217mm (DS/EN ISO 228-1:2013). Side 31

33 Figur 27: Deformation ved normal anvendelse Figur 28: Deformation ved skær Delkonklusion: Resultatafsnittet viser, at der mange steder kunne fjernes uden at snittappen blev svagere og eksempelvis blev gitterstrukturen bedre dimensioneret for at stadig overholde en sikkerhedsfaktor på 2. Side 32

34 3D printet model Den nye snittap blev 3D printet på en FDM printer med PLA-filament. Snittappen og skærene er blevet printet, så den kan samles på samme måde, som den ville være blevet med de rigtige materialer. Der er blevet brugt forsænkede M2 møtriker som gevind, da gevindene til at samle skærene er for små til at kunne printes, og et plastgevind ikke ville kunne klare gentagende fastspænding med metalskrue. Skærene har en offset på 0,1 mm i forhold til snittappens lommer, hvilket gør at komponenterne kan trykpasses sammen og samles med to skruer pr. skær. Samtlige skruer er forsænkede, hvilket gør at de ikke er i vejen for de spåner der genereres. Dette giver værktøjet et professionelt visuelt indtryk. Figur 29: 3D printet snittap Figur 30: Snittap med monterede skær Det ikke muligt at deformere gitterstrukturen ved, med håndkraft at vride skaftet og skærene i hver sin retning. Ligesom i FE analysen modvirker de forstærkede samlinger høje spændinger, hvilket giver en let, men stærk konstruktion. Side 33

35 Diskussion Projektet blev indledt med en tro på, at hypotesen om at der var en ujævn spændingsfordeling i gitterstrukturen i AU s prototype. Der blev derfor brugt tid på at afprøve snittappe med asymmetriske designs med FE, ud fra den forestilling, at en ujævnt belastet gitterstruktur kræver et asymmetrisk design. Det var først efter denne analyse, at hypotesen kunne afkræftes, da anden del af analysen tydeligt verificerede, at spændingerne er jævnt fordelt. Hvis denne test var blevet udført først, ville der have været mere tid til topologioptimering og opbygningen af den nye snittap. Usikkerheden i projektet har derfor været høj, eftersom nye indsigter ændrede tilgangen i udviklingsarbejdet. Metodisk er projektet baseret på data, som allerede er indsamlet i rapporten fra AU (se bilag 2). Forholder man sig kritisk til denne data, virker lasterne i simuleringen til at være uhensigtsmæssig høje. Der blev derfor tilføjet en last på 2000 N på skærets side, for at simulere uhensigtsmæssig brug. Dog er der ikke blevet indsamlet nogen data, der kan påvise denne belastning. Kræften svarer til ca. 200 kg i vægt, hvilket umiddelbart virker til at være meget højt, da snittappen er et håndværktøj, som kun bliver brugt til at reparere gevind. En brugerundersøgelse kunne med fordel have givet indblik i, hvordan værktøjet mest sandsynligt bliver brugt og hvilke spændinger disse scenarier medfører. Selvom snittappen bliver topologioptimeret efter alle brugerscenarier, er det stadig svært at opbygge en CAD model, som fuldstændigt stemmer overens med den genererede geometri fra topologioptimeringen. Det er muligt, at flere software til topologioptimering indenfor nærmeste fremtid kommer til at indeholde funktioner, der gør det muligt at bruge det genererede materiale direkte i produktet. Dette ville kunne optimere processen i forhold til tidsbesparelse i opbygningen af geometrien, og samtidig eliminere at fejl, som opstår på baggrund af måden hvorpå geometrien bliver tolket og genopbygget. Gratis software som 30 ThinkerCad fra Autodesk kan på nuværende tidspunkt bruges til at lave simple ændringer, samt tilføje materiale til den topologioptimerede geometri, hvilket kan være nok til at gøre materialet brugbart. I forhold til projektets resultater findes der også 30 Side 34

36 andre løsninger til, hvordan karbidskærene kan udnyttes effektivt. Projektets løsning er, at karbid skær med færdigt gevind placeres i den printede snittap. Fordelen ved dette er, at snittappen ikke skal spændes op i drejebænken igen for at slibe gevind, hvilket sparer tid og aflaster den egne produktion. Alternativt kan lageret reduceres endnu mere, ved at blanke karbidskær bliver monteret i snittappen hvorefter gevindet bliver slebet til sidst. Det betyder, at variationen i gevind også bliver elimineret, hvilket gør at eksempelvis en eller to størrelser med blanke karbidskær kan dække alle snittappe, der bliver printet. Lageret bliver dermed yderligere reduceret, men i stedet ville den ekstra arbejdsproces med slibning blive tilføjet. For at undgå at der opstår kø ved maskinerne ved mange ordre, og for at hurtigt kunne levere til kunden, er det dog muligt, at det er mest fordelagtigt at have et antal færdige karbidskær på lager. Med et overblik over hele produktionen er det muligt, at kortlægge det bedste forslag. Det kan dog vise sig, at en kombination af begge forslag, er den optimale løsning. Konklusion Den indledende undersøgelse viste, at det er gevindstigningen, der definerer gevindet og at gevindet er ens uanset diameter. Hypotesen om at den samme type af karbidskær kan bruges i snittappe med forskellige diameter, kunne derfor bekræftes og udviklingen af snittappen kunne fortsætte med dette udgangspunkt. I analysen blev det tydeligt, at en snittap med en symmetrisk gitterstruktur, er brugbar i forhold til de spændinger der opstår i gevindslæringsprocesen, men at det dog var i samlingerne, at de største spændinger opstod. Snittappen blev opbygget med udgangspunkt i resultatet fra topologioptimeringen, og den nye gitterstruktur fik derfor dobbelt så mange splines i hver retning og skærene blev direkte forbundet til disse. Efter den afsluttende FE analyse blev det verificeret, at den nye snittap med karbidskær overholder snittappens krav, både i forhold til styrke, hårdhed og tolerancer, samtidig med at de n er x gram lettere end AU s prototype. Det var dog nødvendigt med efterfølgende behandling med CNC-fræser, for at geometrien i den printede snittap skulle overholde dansk standards krav til gevindets tolerancer. Ved at producere snittappe med additive manufacturing og ved at bruge modulære skær, er det kun skærene, der bliver opbevaret på lageret. Da Side 35

37 skærene er små og passer til snittappe uanset diameter, bliver lageret med skær mindre end det nuværende lager, hvor snittappene er fremstillet med forskellige diameter og gevind. Metodisk set kunne topologioptimeringen, som blev udført efter eksperimentet med gitterstrukturer, direkte have givet projektet den data, som var nødvendig for videre at vægtoptimere snittappen. Men da projektet først tog afsæt i hypotesen om, at en asymmetrisk gitterstruktur vil give en mere fordelagtig spændingsfordeling, var det ved projektets start logisk at direkte afprøve et asymmetrisk design. De største udfordringer i projektet har været relateret til CAD-modellering, da dette har været en stor del af projektet både i forhold til at opbygge en eksakt version af den oprindelige prototype og at modellere det nye design. De definerede succeskriterier blev opfyldt og projektet anses derfor som gennemført efter de stillede forventninger. Side 36

38 Bilag : Bilag 1: Modellering_og_topologi.pdf Bilag 2: AU_rapport.pdf Litteraturliste Bøger Conner Brett P.,Guha P. Manogharan, Ashley N. Martof, Lauren M. Rodomsky, Caitlyn M. Rodomsky, Dakesha C. Jordan, James W. Limperos, Making sense of 3-D printing: Creating a map of additive manufacturing products and services, 2014 Dansk Standard, DS/EN ISO 228-1:2013. Douglas Thomas, Costs, benefits, and adoption of additive manufacturing: a supply chain perspective, 2015 Gibson Ian David Rosen, Brent Stucker, Additive Manufacturing Technologies 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, 2015 Lutter-Günther Max, Christian Seidel, Tobias Kamps, Gunther Reinhart, Implementation of Additive Manufacturing Business Models, 2015 Milewski, John O., Additive Manufacturing of Metals - From Fundamental Technology to Rocket Nozzles, Medical Implants, and Custom Jewelry, Springer, 2017 Vom Braucke, Troy S, Establishment of a Database for Tool Life Performance, 2004 Internetkilder (Besøgt: ) (Besøgt: ) g/powderbedfusion/ (Besøgt: ) Side 37

39 sls (Besøgt: ) (Besøgt: ) (Besøgt: ) (Besøgt: ) (Besøgt: ) ocess.jpg (Besøgt: ) (Besøgt: ) t-design pdf (Besøgt: ) (Besøgt: ) (Besøgt: ) Software Autodesk Fusion 360 Ultimaker Cura 3.0 Photoshop 2013 Side 38