s æ b e d i s p e n s e r

Transkript

1 Alt e r n at i v fremstilling a f s æ b e d i s p e n s e r I4, Industri og Produktion Det Ingeniør-, Natur- og Sundhedsvidenskabelige Fakultet Aalborg Universitet 2008 P-22 Jesper Kann Jan Kragbæk Nicolai Bloch Jonas Morsbøl Søren Bæk Jensen Nis Peter Reinholdt Rasmus Bruus Nielsen

2

3 Aalborg Universitet Institute of Mechanical Engineering Pontoppidanstræde 101 Telefon Fax Titel: Alternativ fremstilling af sæbedispenser Tema: Procesdesign Projektperiode: I4, forårssemesteret 2008 Projektgruppe: P22 Deltagere: Jesper Kann Jan Kragbæk Nicolai Bloch Jonas Morsbøl Søren Bæk Jensen Nis Peter Reinholdt Rasmus Bruus Nielsen Vejleder: Joachim Danckert Oplagstal: 9 Sidetal: 95 Synopsis: I nærværende rapport analyseres en lavpris sæbedispenser, som forhandles af Biltema Danmark. Sæbedispenseren består af en pumpe, fremstillet i plast, samt en beholder fremstillet i børstet rustfrit stål. Analysen indeholder fastlæggelse af materialevalg, bud på hvorledes sæbedispenseren er produceret, og slutteligt hvorledes beholderen kan reproduceres. Til bestemmelse af anvendte materialer er bl.a. benyttet FTIRspektroskopi, SEM samt traditionel lysoptisk mikroskopi. Disse undersøgelser viser, at pumpen dels består af PP og dels af PE. Endvidere består beholderen af 18/8 austenitik rustfrit stål(aisi 304). Pumpedelene anses hovedsageligt for at være fremstillet ved sprøjtestøbning, mens sæbebeholderen vurderes at være dybtrukket. Til vurdering af reproduktionsmuligheder undersøges flere plastiske formgivningsprocesser. Dybtrækning vurderes mest velegnet og nærstuderes ved faststofmekanisk analyse, praktiske forsøg i værksted samt ved FEM-baseret simulation. FEM viser sig at være et særdeles stærkt værktøj til dette formål. Der fastlægges et ønsket redesign af beholderen, samt et alternativt fremstillingsmateriale. Da austenistisk rustfrit stål kan bidrage til nikkelallergi, undersøges det hvorvidt beholderen kan fremstilles af ferritisk rustfrit stål. Vha. FEM-simulering viser ferritisk rustfrit stål sig anvendelig til reproduktion af beholderen, mens det, til fremstilling af den redesignede beholder, ikke kan anbefales. Endeligt opstilles produktionslinje til håndtering af materiale før, under og efter dybtrækningsprocessen. Bilagsantal og -art: 13, papir og CD-ROM Afsluttet den 28. maj 2008 Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne.

4

5 Forord Denne rapport er udarbejdet af gruppe P22 på 4. semester på Industri og Produktion, Aalborg Universitet i perioden 4. februar 2008 til 28. maj Projektet med titlen Alternativ fremstilling af sæbedispenser hører under semestrets overordnede tema procesdesign. Rapportens målgruppe er hovedsageligt vejledere, studerende på 4. semester Industri og Produktion og andre interesserede med et lignende kompetenceniveau. Rapporten består af en hovedrapport, appendiks samt en række tegninger. Hovedrapporten kan læses uafhængigt af appendiks og tegninger. For helhedens skyld bør disse dog medtages for dokumentation. Derudover er der på vedlagte CD, foruden kopi af rapporten i PDF format, vedlagt SolidWorks modeller, LabVIEW dataopsamlingsprogram, LabVIEW sekvensstyring, en video med den fungerende proceslinje og filer vedrørende simulering Kildeanvisninger er angivet i firkantede parenteser med et nummer, som refererer til litteraturlisten. Yderligere information om litteraturen findes i litteraturlisten. Litteraturlisten er opbygget efter Vancouver-standarden. Eksempelvis henviser [1] til "Manufacturing Engineering And Technology"af Kalpakjian og Schmidt. Figur- og tabelnumre er angivet efter kapitelnummer og derefter nummeret på det pågældende objekt. Eksempelvis er Figur 1.2 den anden figur i kapitel 1. Nummerering samt tilhørende tekst er placeret umiddelbart under objektet. Ligninger er nummeret med et ligningsnummer i højre side. Nummereringen af ligninger følger samme princip som figurer og tabeller. Gruppen ønsker desuden at rette en tak for hjælp med materialeanalyse til laboratorie tekniker Thomas Sørensen og lektor Mikael Larsen, der begge er tilknyttet Institut for Maskinteknik, AAU. Derudover en tak til gruppe fra VT6 for hjælp med materialedata. Til sidst en tak til Christian Aarø Rasmussen for assistance med SolidWorks. i

6 Nomenklaturliste Symbol Beskrivelse Enhed A areal m 2 V volumen m 3 F kraft eller last N E energi J W arbejde J U elektrisk spænding V σ normalspænding Pa σ deviatorspænding Pa σ von Mises referencespænding Pa σ f flydespænding Pa σ ut brudspænding Pa ε tøjning ε tøjningsækvivalens η effektivitetskoefficient R normal anisotropi R planær anisotropi R avg gennemsnitlig anisotropi K spændingskoefficient Pa n deformationshærdningseksponent ii

7 Indhold 1 Projektbeskrivelse Produktanalyse Analyse af delemner Dele i sæbedispenseren Pumpens funktion Funktionsflader Opmåling af beholdertop Materialeanalyse Materialer og procesrækkefølge Alternativ fremstilling Mål for alternativ fremstilling Alternative materialer Alternativ geometri Alternative procesmuligheder Proces- og materialevalg Analyse af dybtrækning Dybtrækningsteori Finite Element Method Rund kop Resultat Procesrealisering Dataopsamling Dybtrækningsforsøg Finite Element Method - Firkantet kop Resultater Ferritisk stål Simulering af ferritisk rustfrit stål Proceslinje Værktøj iii

8 7.2 Konstruktion Styring af proceslinje Udvikling af software Sikkerhed Konklusion 92 Litteratur 95 A Delmål 96 B LabVIEW Statecharts 100 C Følge-CD 103 D Indhold af tegningsmappe 104 iv

9 Projektbeskrivelse 1 Indledning Denne rapport tager udgangspunkt i en sæbedispenser indkøbt i Biltema for 25 kr. Der vil i rapporten blive fokuseret på metalbeholderen samt fremstilling af denne. Der vil derefter blive opstillet en række alternativer fremstillingsmetoder, samt alternative materialer. Disse alternativer analyseres med anvendelse af klassisk faststofmekanik samt FEM-analyser. Analyserne sammenlignes med forsøg udført i laboratoriet, for herigennem at give et overblik over hvor præcis FEM-analyse er i forbindelse med fremstillingsprocessen. Hvis FEM-analysen findes tilstrækkelig nøjagtigt, vil der slutteligt blive udført en FEM-analyse med et alternativt materiale, for at kunne dokumentere om dette materiale er anvendeligt. Der er efterfølgende udarbejdet et forslag til en proceslinje, hvori den valgte fremstillingsproces er anvendt. Arbejdet dokumenteret i rapporten tager udgangspunkt i det initierende problem: Hvordan kan en sæbedispenser fremstilles, og er det muligt at opstille en nøjagtig model af fremstillingsprocessen? 1

10 1.1. PRODUKTANALYSE Figur 1.1: Sæbedispenser. 1.1 Produktanalyse Denne analyse tager udgangspunkt i føromtalte sæbedispenser. Produktet er vist på figur Betjening og funktion Sæbedispenseren består af en beholder (1) og en pumpe (2), som vist på figur 1.2. Dispenseren betjenes ved, at der trykkes på tuden af pumpen, hvorved en mængde sæbe pumpes fra sæbebeholderen og videre ud gennem tuden (blå pile). Fjernes trykket suges sæbe op gennem et rør til et kammer i pumpen, hvor det lagres til den næste bruger (røde pile). Dispenseren fyldes ved at skrue pumpen af og hælde sæben ned gennem hullet i toppen af beholderen. 2

11 KAPITEL 1. PROJEKTBESKRIVELSE Forudsætninger For at kunne anvende sæbedispenseren kræves en mængde flydende håndsæbe med en viskositet, der passer til pumpesystemet. Sæbedispenseren antages at være tiltænkt almindelig brug i en privat husholdning, hvor håndvask normalvis foregår i køkkener og badeværelser. Dispenseren skal dels kunne modstå sæbens affedtende påvirkning og desuden kunne fungere i et miljø med høj luftfugtighed og risiko for vandstænk, snavs og nedsænkning i vand. 2 1 Snit A-A Figur 1.2: Model af sæbedispenseren og dens betjening. Ingen af pumpedelene er gennemskåret i snit A-A. 3

12 Analyse af delemner 2 I dette kapitel analyseres sæbedispenserens opbygning og de enkelte delkomponenters udformning og funktionsflader. Endvidere foretages en materialeanalyse af delkomponenterne, som afslutningsvist danner grundlag for en vurdering af mulige processer og procesrækkefølge for fremstilling af dispenseren. I forbindelse med materialeanalysen gennemgås den relevante teori for forskellige analysemetoder. 2.1 Dele i sæbedispenseren Her præsenteres de forskellige dele i beholderen og pumpen, og kaldenavne for de enkelte dele introduceres Figur 2.1: Pumpens dele vist i eksploderet tilstand. Sæbebeholderen består af emnerne illustreret på figurerne 2.1 og 2.2. De forskellige delemner er tildelt navne, som benyttes fremover. Navne og numre på de respektive delemner er vist i tabel 2.1: Nr. Kaldenavn Nr. Kaldenavn 1 Sugerør 7 Pumpehals 2 Pumpehus 8 Pakningsskive 3 Kugle 9 Hætte 4 Fjeder 10 Tud 5 Sæbeprop 11 Beholder bund 6 Gummipakning 12 Beholder top Tabel 2.1: Navngivning af sæbedispenserens dele. 4

13 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER B Figur 2.2: Delene vist i en gennemskåret samlet dispenser. 2.2 Pumpens funktion I det følgende beskrives, hvorledes pumpen i sæbedispenseren, under brug, transporterer ud af beholderen. Ved én anvendelse af dispenseren sker to ting; man trykker A A sæbe ud i hånden, og dernæst hæver man sæbe op i pumpehuset, så dispenseren er klar til brug igen. Beskrivelsen opdeles derfor i de to delprocesser: at trykke sæbe ud og at hæve sæbe op. At trykke sæbe ud Det forudsættes i denne proces, at pumpehuset indeholder sæbe 1. Ved et tryk på tuden føres pumpehalsen (med påsat gummipakning) nedad i pumpehuset, idet fjederen sammentrykkes. Trykket i pumpehuset vil få kuglen til at slutte tæt i bunden. Bemærk i øvrigt at fjederen ikke ligger an mod kuglen. Friktionen imellem gummipakningen og pumpehuset gør, at der åbnes en lille sprække rundt i overgangen mellem gummipakningen og sæbeproppen. Da sæben er inkompressibel, og voluminet i pumpehuset sammentrykkes, vil sæben derved søge op igennem sprækken og sæbekanalerne i sæbeproppen, videre op i tuden og ud af dennes åbning. Processen er illustreret på figur Pumpehuset fyldes i realiteten først ved processen at hæve sæbe op det forudsættes altså, at denne proces er forløbet inden "at trykke sæbe ud". 5

14 2.2. PUMPENS FUNKTION Figur 2.3: Tuden trykkes ned og sæben i pumpehuset flyder ud som illustreret med de røde pile. Figur 2.4: Tuden hæves og pumpehuset fyldes med sæbe som illustreret med de røde pile. 6

15 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER At hæve sæbe op Denne proces tager udgangspunkt i, at tuden er trykket ned, og fjederen derved er sammenpresset. Fjederen yder nu naturligt en kraft opad, som presser sæbeproppen og pumpehalsen op. Kraften fra fjederen og friktionen mellem gummipakning og pumpehus gør, at sprækken mellem gummipakningen og sæbeproppen lukker til således, at der ikke er en sprække, sæben kan løbe igennem. For ikke at skabe undertryk i pumpehuset idet voluminet forøges, vil kuglen nu løftes fra bunden og sæbe vil flyde op fra sugerøret. Dette vil som udgangspunkt på længere sigt skabe et undertryk i selve beholderen, som forhindrer at sæben kan flyde op i sugerøret. Dette problem omgås med de tre lufthuller øverst i pumpehuset. Processen er illustreret på figur Funktionsflader I denne rapport er funktionsfladerne defineret som de af produktets flader, der har indvirkning på funktionaliteten af produktet. Her tænkes ikke blot på flader, der vedrører pumpefunktionen, men også funktioner til at samle og låse produktets enkeltdele samt funktioner, der har til formål at højne brugervenligheden af produktet. Funktionsfladerne er yderlige kendetegnet ved, at en ændring i udformning kan medføre en ændring i funktionaliteten Tud Figur 2.5: Funktionsflader på tud. Tuden opdeles i fem funktionsflader, hvilket er vist nummereret på figur 2.5. Pumpemekanismen sættes igang, idet en finger yder en nedadrettet kraft på toppen af tuden (4). Tuden skal derfor udformes ergonomisk B efter den B menneskelige finger, således at den ikke er ubehagelig at røre ved for brugeren. Ydermere bør tuden udformes med et logisk design, så brugeren ved hvordan dispenseren betjenes blot ved at betragte den visuelt. 7

16 2.3. FUNKTIONSFLADER Indsnævringen (1) giver en flade, hvorpå den påtrykte kraft kan overføres til pumpehalsen. Notgangen (2) fikserer tuden til pumpehalsen, idet en passende udformet vulst på pumpehalsen går i indgreb med indsnævringen. Kanalen (3) har til formål at lede sæben fra pumpehalsen og ud til tudens munding, hvilket ligeledes er tudens hovedfunktion. Kanalens længde er afgørende for denne funktion. Desuden skal kanalen have et passende tværsnitsareal, således at sæben ikke bliver ledt ud af tuden med uønsket høj hastighed. Spalten (5) har tilsyneladende ingen funktion, udover at bevirke hurtigere afkøling af emnet ved støbeprocessen. Dette er således ikke en funktionsflade Hætte Figur 2.6: Funktionsflader på hætte. På figur 2.6 ses en skitse af hættens tværsnit. Hættens to hovedfunktioner er dels at adskille sæben i beholderen fra omgivelserne, men samtidig tillade adgang til kammeret, når genopfyldning er nødvendig, og dels at fiksere sæbepumpens øvrige komponenter. Funktionsfladen (4) har en rillet overflade, som sikrer passende friktion mellem brugerens fingerspidser og hætten, således A at hætten A let kan skrues af beholderen i forbindelse med genopfyldning. Hætten og pumpehuset kan klikkes sammen. Fladerne (3) og (6) sikrer, at hætten og pumpehuset fikseres, så de kun kan rotere omkring symmetriaksen i forhold til hinanden. De to notgange (3) skal have en dybde, så de kan gå i indgreb med pumpehuset. På den måde kan de to komponenter ikke adskilles under normalt brug, men først splittes ved at påføre en målrettet adskillende kraft. Fladerne (1) og (5) definerer henholdsvis gummipakningens og pumpehalsens øvre position. Fladernes indbyrdes højdeforskel er af mindre betydning, hvorimod deres koncentricitet i forhold til pumpehuset har betydning for pumpens ydelse. Hvis fladerne (1) og (5) ikke er tilpas koncentriske med pumpehuset, kan gummipakningen ikke falde i hak og nå op til flade (1). Dermed bliver voluminet i pum- 8

17 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER pekammeret ikke udnyttet, hvorfor sæbemængden pr. tryk på tuden formindskes. Nedsænkningen af flade (2) tillader en større vertikal vandring af tuden, for at pumpehusets volumen udnyttes. Flade (7) danner et gevind, således at hætten kan påskrues beholderen. Pga. dårlige tolerancer på beholder og hætte er det nødvendigt med en pakning mellem hætten og beholderen. Pakningen ligger an mod flade (8) Stempel A 7 6 A 5 Figur 2.7: Pumpehalsen (7), gummipakningen SECTION (6) og A-Asæbepropen (5) danner tilsammen pumpens stempel. De tre komponenter i figur 2.7 danner tilsammen én funktion, som under ét kan opfattes som pumpens stempel. Stemplet ses på figur 2.7. Funktionsfladerne på stemplets tre dele beskrives nedenfor. Pumpehals Figur 2.8: Funktionsflader på pumpehals. Pumpehalsen er placeret mellem tuden og sæbeproppen og har som hovedformål at udnytte pumpehusets kapacitet. I denne forbindelse er halsens længde afgørende, B B 9

18 2.3. FUNKTIONSFLADER for at der opnås den største volumenændring af pumpehuset, og dermed pumpes så meget sæbe op fra pumpehuset som muligt. Et tværsnit af pumpehalsen, samt de fem funktionsflader den er opdelt i, er vist på figur 2.8. Vulsten (2) er beskrevet i forbindelse med tuden. Pumpehalsens overkant (3) hviler på indsnævringen indvendigt i tuden og har til opgave at overføre den påtrykte kraft. Afstanden mellem fladerne (2) og (3) skal tilpasses tuden. Sæbeproppen, der er placeret nederst indvendigt i pumpehalsen, støder op mod indsnævringen nederst i pumpehalsen (4). Afstanden fra indsnævringen til pumpehalsens nederste kant (5) er i høj grad afgørende for pumpemekanismen. Denne afstand skal være mindre end længden af benene på sæbeproppen, da dette sikrer en åbning mellem pumpehalsen og sæbeproppens nederste del, som sæben kan strømme igennem. Kanten uden på pumpehalsen (1) begrænser gummipakningens vandring, således at sæben kan strømme op gennem pumpehalsen, når der trykkes ned på tuden. Gummipakning Figur 2.9: Funktionsflader på gummipakning. Gummipakningen, afbildet på figur 2.9, vandrer vertikalt i pumpehuset, når tuden og pumpehalsen trykkes ned. Pakningens hovedfunktion er at slutte tæt mellem pumpehalsen og pumpehuset under vandringen. Dette sikres af pakningens ydre overflade (2). AA Pakningens øvre kant (4) ligger an mod hætten og stopper den vertikale vandring forårsaget af fjederen. Den indvendige kant (1) i gummipakningen støder op mod den udvendige kant på pumpehalsen, idet der trykkes på tuden. Herved fremkommer en åbning mellem flade (3) på gummipakningen og sæbeproppen, hvorigennem sæben kan strømme. Når den påtrykte kraft atter fjernes fra tuden, løftes sæbeproppen og pumpehalsen. Gummipakningen løftes først med op, når sæbeproppen når flade (3) på gummipakningen og derved tvinger pakningen med op. Når flade (3) støder mod sæbeproppen, hindres gennemstrømning mellem pumpehuset og pumpehalsen, og kuglen i bunden af pumpehuset løftes derved af sæbestrømmen fra beholderen, hvorved pumpehuset genfyldes. Afstanden mellem flade (1) og (3) er afgørende for, at gummipakningen kan vandre mellem flade (1) på pumpehalsen og sæbeproppen. 10

19 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Sæbeprop 1 SNIT F-F 2 3 F F Figur 2.10: Funktionsflader på sæbeprop. Sæbeproppen har overordnet to funktioner. Dels slutter den tæt til gummipakningen, når sæben suges op, og samtidigt tillader den sæbestrøm op gennem pumpehalsen, når sæben trykkes ud. Førstnævnte funktion udføres af den skrå overflade på proppens fod (1), der er tilpasset den skrå, indvendige kant i gummipakningen. Sæbestrømmen fra åbningen mellem prop og pakning ledes videre op langs proppen via fire kanaler (3) placeret mellem proppens ben, hvorefter kanalerne igen samles til én strøm, som fortsætter op gennem pumpehalsen. Længden af disse ben er kritisk og skal tilpasses pumpehalsen nøjagtigt. Fjederen ligger an mod sæbeproppen på flade (2) og fastholdes af et spor i bunden af sæbeproppen Fjeder 1 2 Figur 2.11: Funktionsflader på fjederen. Fjederens funktion er at returnere stemplet til udgangspositionen, efter at tuden er blevet trykket ned. Fjederen ses på figur Flade (1) ligger an mod sæbeproppen, mens flade (2) ligger an mod pumpehuset. 11

20 2.3. FUNKTIONSFLADER Kugle 1 Figur 2.12: Funktionsflader på kuglen. Kuglen fungerer som lukkemekanisme, der sammen med pumpehuset kun tillader, at sæben kan strømme den ene vej gennem pumpen. Kuglens overflade (1), vist på figur 2.12, skal derfor have en vis størrelse, så den kan slutte tæt mod pumpehuset. Omvendt skal kuglen ikke være for stor til at hindre sæbestrømmen, når sæben trækkes op i pumpehuset Pumpehus 7 A 6 A Figur 2.13: Funktionsflader på pumpehus. Pumpehuse, vist på figur 2.13, definerer den maksimale mængde sæbe, som pumpen kan levere pr. tryk på tuden. Fladerne (6) og (7) sikrer, at pumpehuset og hætten fikseres til hinanden som beskrevet i afsnit Placeringen af disse flader skal derfor afstemmes efter hættens modsvarende flader. Flade (4) danner sammen med flade (8) på hætten, vist på figur 2.6, de flader, hvor mod pakningsskiven ligger an. 12 B B

21 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Flade (3) skal have en overfladebeskaffenhed, der gør, at den kan slutte tæt med gummipakningen og dermed forhindre sæben i at strømme mellem flade (2) på gummipakningen (se figur 2.9) og flade (3) på pumpehuset. Da flade (3) fungerer som stempelføring, skal denne centreres i forhold til hætten, så stemplet kan gå i indgreb med flade (1) og (5) på hætten, jf. figur 2.6. Fjederen ligger an mod flade (2), mens flade (5) bestemmer stemplets maksimale nedre position. Afstanden mellem fladerne (2) og (5) skal forhindre, at fjederen sammentrykkes over evne. Pumpehusets nederste indsnævring har to funktioner. På oversiden (flade (1)) ligger kuglen an, og overfladen skal derfor være af en passende beskaffenhed, således at kuglen slutter tæt mod fladen og forhindrer sæben i at strømme forbi kuglen, når stemplet trykkes ned. Flade (9) forhindrer, at sugerøret kan presses op i pumpehuset. Hullerne (8) sikrer, at der ikke dannes undertryk i sæbebeholderen jf. afsnit Sugerør 1 2 Figur 2.14: Funktionsflader på sugerør. Sugerøret, som er vist på figur 2.14, sikrer, at pumpen ideelt set er i stand til at pumpe sæben op af beholderen uanset sæbestanden i beholderen. I tilfælde af at sugerøret, pga. produktionstolerancerne, skulle være for langt, sikrer flade (1), at sugerøret ikke suger sig fast til bunden, men stadig tillader, at sæbe strømmer op i røret. Flade (2) skal have en diameter, som garanterer en tilpas prespasning med pumpehuset Pakningsskive 1 Figur 2.15: Funktionsflade på pakningsskive. Pakningsskiven består af et opskummet plastmateriale. På figur 2.15 ses en tegning af pakningsskiven. Det bløde materiale sikrer, at gevindet mellem de to dele ikke 13

22 2.3. FUNKTIONSFLADER skrider ved normalt brug. Endvidere må flade (1) være af en beskaffenhed, som kan slutte tæt både mod hætte og beholder. Den ydre diameter skal passe ind i hætten, mens den indre diameter skal passe omkring pumpehuset Beholder top 1 2 Figur 2.16: Funktionsflader på beholderens top. Af produktionsmæssige hensyn er beholderen sammensat af to dele. Beholderens top, vist på figur 2.16, har et gevind (1) som skal gå i indgreb med gevindet i hætten (jf. afsnit 2.3.2). Siden af beholderens top er svagt konisk, således at flade (2) kan presses ned i beholderens bund, hvorved de to dele låses sammen Beholder bund 1 2 Figur 2.17: Funktionsflader på beholderens bund. Beholderens bund ses på figur Øverste del af beholderens bund (1) skal have en passende diameter, så beholderens top presses ca. 1 cm ned i beholderens bund. Beholderens bund (2) skal være plan samt vinkelret på beholderens centerlinje, så beholderen kan stilles på et bord uden at vippe eller vælte. 14

23 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER 2.4 Opmåling af beholdertop Toppen af sæbebeholderen er udformet på en sådan måde, at opmåling via skydelære ikke i tilstrækkelig grad kan gengive beholdertoppens geometri. Derfor opmåles denne i en profilprojektor. I en profilprojektor stilles emnet på en transparent plade, der er placeret over en lyskilde. Lyset herfra opfanges i et objektiv, hvorefter det projiceres op på en skærm, hvorpå opmåling kan foretages. På figur 2.18 er vist et billede af profilprojektoren. Figur 2.18: Profilprojektor anvendt til opmåling af beholdertoppen. Opmålingen er foretaget, så der er taget flest målinger i områder, hvor fladerne er krummest. Beholdertoppen blev placeret skævt i forhold til det i profilprojektoren indlagte koordinatsystem, der er anvendt til at udtrykke målepunkternes position. Derfor korrigeres det målte koordinatsæt [x, y] med rotationsmatricen jf.: 0 x cos θ sin θ x = (2.1) 0 y sin θ cos θ y hvor x0 og y 0 er det korrigerede koordinatsæt og θ er rotationsvinklen. Måledata er anvendt i forbindelse med CAD-modellering. De korrigerede måledata for den ene side af beholdertoppens profil er vist på figur

24 2.5. MATERIALEANALYSE Y [mm] X [mm] Figur 2.19: Plot af korrigerede målepunkter. 2.5 Materialeanalyse I det følgende undersøges hvilke materialer de forskellige delemner i dispenseren er fremstillet af. Analysen er delt op i undersøgelse af metalemner og plastemner. Først undersøges metalemnerne. Ud fra geometrien af beholderen vurderes det, at denne kan være dybtrukken. Derfor virker det sandsynligt, at den er fremstillet i austenitisk rustfrit stål, som er et materiale med gode dybtrækningsegenskaber [2]. Dette underbygges af en hurtig magnetisk undersøgelse af beholderen. Austenitisk rustfrit stål er umagnetisk, men ved deformation kan dannes martensit, som gør materialet magnetisk. Da beholderen er magnetisk i siderne og ikke i bunden, er det meget sandsynligt, at den er fremstillet ved dybtrækning af austenitisk rustfrit stål, da dette medfører kraftig deformation i siderne og ingen deformation i bunden. Yderligere er beholderen blevet gennemskåret og godstykkelserne i væggen henholdsvis bunden opmålt, vha. en mikrometerskrue. Da denne viser sig at være konstant, haves en indikation af, at beholderen kun er dybtrukken og ikke efterfølgende strækningsreduceret Faser og Strukturer For at kunne give et mere pålideligt bud på de fremstillingsteknikker der er benyttet, skal metallets kornorientering og fase kendes. Til dette formål benyttes Lys Optisk Mikroskopi (LOM), som giver mulighed for forstørrelser fra gange [3, 372]. 16

25 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER LOM er derfor velegnet til at se faser for metaller og til afbildning af kornstrukturer i kulstofstål med emnestørrelser på 0, 1m 0, 01mm [3]. Idéen bag et LOM er ganske enkelt at belyse emnet og så iagttage det reflekterede lys. Emnet skal præpareres til et slib, før kornstrukturen træder tilstrækkeligt frem til, at der kan foretages metallurgrafiske undersøgelser via LOM. Først klippes to passende stykker af metalemnet ud og ét støbes ind i epoxy. Herefter slibes det indstøbte emne og poleres af flere omgange for til sidst at blive ætset med et passende ætsningsmiddel. Ætsningsprocessen gentages indtil kornstrukturen på tilfredsstillende vis er synlig i et LOM. Et af de udskårne emner rekrystalliseres ved en holdetemperatur på 1000 C i 60 minutter, for at have et billede af den udeformerede kornstruktur som reference. Opbygning af et LOM Et LOM er i princippet opbygget som mange andre typer af optiske mikroskoper. Prøveemnet belyses gennem en halvt spejlende, halvt gennemsigtig glasplade som vist på figur Kun de lysstråler, der reflekteres tilbage nøjagtigt i indfaldsvinklen føres gennem okularet og videre til beskueren. Af denne grund vil områder med skrå Lyskilde flader være relativt mørke. Lyskilde Figur 2.20: Skitse af et LOM. 17

26 2.5. MATERIALEANALYSE Ætsning Tydeliggørelse af mikroskopiske strukturer foretages ved ætsning. Det er derfor essentielt for LOM, at der indledningsvist foretages en ætsning af emnet. Ved at vælge det rigtige ætsemiddel ætses enten kornfladerne eller korngrænserne i materialet. Ved korngrænseætsning ændres korngrænsernes orientering som vist på figur 2.21 således, at de ikke reflekterer det indkomne lys direkte tilbage. Dette giver anledning til skyggedannelse, hvorved korngrænserne kommer til at fremstå som mørke områder, når de iagttages i mikroskopet. Ved kornfladeætsning vil kornenes forskellige orientering give anledning til en varierende refleksion som vist på figur Derved kommer de enkelte korn til at fremstå med forskellig nuancer i mikroskopet. Oftest benyttes korngrænseætsning, a) da dette fortælle mest om emnets b) struktur. Det korrekte Indfaldende ætsemiddel lys er materialespecifikt og afhænger af, om korngrænserne eller kornfladerne Reflekteret ønskes angrebet lys [4]. Skævt reflekteret lys Korngrænse a) b) Indfaldende lys Reflekteret lys Skævt reflekteret lys Korn Korn Korn Korn Korngrænse Korn 1 Korn 2 Korn 3 Korn 4 Figur 2.21: Ved ætsning af korngrænserne ses det iflg. a) at kun lys der rammer kornfladerne reflekteres tilbage i indfaldsvinklen, derved fås et billede hvor korngrænserne er mørke som på b). a) b) Indfaldende lys Reflekteret a) lys b) Skævt Indfaldende reflekteret lys lys Kornflade Reflekteret lys Skævt reflekteret lys Kornflade Korn Korn 1 1 Korn Korn 2 2 Korn Korn 3 3 Korn Korn 4 4 Figur 2.22: Ved kornfladeætsning ændres strukturen på kornene, hvilket bevirker, at det påfaldende lys reflekteres skævt som på a). Dette giver mulighed for genkendelse af kornstrukturer, som vist på b). Deformationshærdning og rekrystallisation Ved rekrystallisation genskabes den oprindelige udeformerede mikrostruktur i materialet, hvorved materialets deformationsevne ligeledes genskabes [4]. I praksis varmebehandles materialet i en given tidsperiode, indtil materialet er helt rekrystalliseret. Antallet af rekrystalliserede korn er bl.a. en funktion af tid og temperatur. 18

27 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Rekrystallisationstemperaturen er defineret som den temperatur, hvorved fuldstændig rekrystallisation sker i løbet af en time [4]. Under rekrystallisationsprocessen vokser nye udeformerede korn frem i den deformerede kornstruktur. Antallet af nye korn pr. volumen er afhængig af deformationsgraden før rekrystallisationen. Under kolddeformation vokser antallet af gitterfejl. Disse gitterfejl fungerer som kim for korndannelsen ved rekrystallisationen. Dermed vil der ved svag deformation vokse få korn frem, mens der ved kraftig deformation vil vokse mange korn frem. Da der er større afstand mellem kimene i det svagt deformerede materiale, har kornene potentiale til at kunne blive større ved rekrystallisationen, sammenlignet med kornene som dannes ved rekrystallisation af det stærkt deformerede materiale. Fastholdes materialet ved højere temperatur eller i længere tid end nødvendigt for at rekrystallisere emnet fortsættes kornvæksten, idet de rekrystalliserede korn vokser videre på hinandens bekostning [4]. Resultatet heraf vil være en grovkornet struktur efter rekrystallisationen. Den drivende kraft for spontan dannelse af nye korn ved rekrystallisationen er forskellen i energiniveau mellem kornene i det deformerede materiale og nye udeformerede korn. Denne energiforskel skyldes egenspændinger, som ophobes i materialet ved deformation. Ved korndannelse overvindes en energibarriere. Energibarrieren kan kun overvindes hvis den drivende kraft er tilpas stor. Materialet skal derfor opnå en kritisk deformationsgrad for at kunne rekrystalliseres. Figur 2.23 viser hvorledes energibarrieren reduceres som følge af deformationsgraden. For de fleste ståltyper ligger den kritiske deformationsgrad i intervallet 5-10% [4]. Epot, Deformationsgrad 0 Kritisk deformationsgrad Energibarriere Udeformeret Rekrystallisering t Figur 2.23: Den drivende kraft for korndannelsen ved rekrystallisation er energiforskellen mellem deformerede og udeformerede korn. Samtidigt med at den drivende kraft vokser med deformationsgraden reduceres energibarrieren. Rekrystallisationen kan kun gennemføres hvis materialet minimum deformeres til den kritiske deformationsgrad. Den omtalte deformation medfører egenspændinger i materialet. Disse skyldes tilstedeværelsen og reproduktionen af dislokationer. Medmindre der anvendes materi- 19

28 2.5. MATERIALEANALYSE aler med speciel mikrostruktur, f.eks. whiskers 2, vil der i praksis altid forekomme dislokationer i metaller. Dislokationerne optræder enten som skruedislokationer eller kantdislokationer som vist på figur 2.24a) b). Ved at påvirke emnet med en spænding større end flydespændingen, deformeres emnet, og der dannes nye dislokationer, der har mulighed for at vandre langs et slipplan i gitterstrukturen. Dislokationers vandring initieres af påtrykte forskydningsspændinger, hvilket giver anledning til kortvarigt brud af atombindinger, hvorefter nye bindinger dannes med andre atomer. Princippet er illustreret ved figur 2.24c). Figur 2.24: a) Kantdislokation. b) Skruedislokation. c) Vandring af dislokationer initieres af forskydningsspændinger, τ. Oprindeligt optræder 4 som det indskudte halvplan, men under påvirkning af τ-spændinger brydes bindinger i plan 5 5 og nye bindinger danner plan 4 5, hvorefter 5 udgør det indskudte halvplan [4]. D A C P AB B P AB A D jog B P AB P CD C P CD Figur 2.25: a) To skærende slipplaner P AB og P CD hvori kantdislokationerne AB og CD kan vandre. b) dislokation CD danner et hak i slipplan P AB. Når to ikke-parallelle slipplaner P AB og P CD, jf. figur 2.25, er aktive samtidigt, vil de på et givent tidspunkt krydse hinanden. En kantdislokation CD vandrende i dets slipplan P CD vil forårsage et hak i slipplan P AB. Disse hak i slipplanerne kaldes jogs og kan vanskeliggøre vandring af dislokationer [4]. Princippet er illustreret i figur Skæring af to kantdislokationer hæmmer ikke vandring af disse dislokationer, 2 Dislokationsfrie og trådformede énkrystaller, længde < 10 mm, diameter 1µm [4]. 20

29 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER da bindinger stadig kan brydes og genskabes med et andet atom. Derimod vil der, i det tilfælde hvor en skruedislokation skæres af en kantdislokation, ske en begrænsning af skruedislokationens mobilitet, idet dislokationslinjen forskydes en atomafstand [5]. Efter som dislokationernes vandring begrænses, ophobes de omkring jogs, hvilket forårsager egenspændinger i materialet 3. En del af energien fra formgivningsprocessen lagres som egenspændinger i materialet pga. jogs. Antallet af jogs stiger i takt med tilblivelsen af nye dislokationer, hvilket medfører øget nødvendig spænding for at forsætte deformationen af materialet, hvilket betegnes deformationshærdning. I mange tilfælde anvendes rekrystallisation med henblik på at fjerne deformationshærdningen, da dette besværliggør yderligere formgivning. I forbindelse med austenitisk rustfrit stål anvendes rekrystallisation ofte for at opnå kornforfining, da denne ståltype ikke kan gøres finkornet ved normalisering [4]. Metode til LOM Der udtages to emner til undersøgelse. Det ene opvarmes så det rekrystalliserer, hvorimod det andet undersøges som det er. For begge emner gælder, at de er skåret, således at man kigger ind på fladen der, under brug, vender ud mod brugeren af produktet. Forud for analysen skal begge emner slibes og poleres, indtil de er ridsefri. For dispenseren betyder dette, at den børstede overflade skal slibes væk. Polering kan foretages manuelt eller elektrisk. Det bedste resultat opnås oftest ved elektropolering, idet man ved mekanisk polering deformerer overfladen, hvilket kan give et mindre korrekt billede af mikrostrukturen [4]. Herefter ætses slibet som tidligere beskrevet, så mikrostrukturelle detaljer fremkaldes. Principielt er slibet nu klart til at blive betragtet i det lysoptiske mikroskop. Det kan dog være nødvendigt at ætse eller polere slibet flere gange. Resultater Ved korngrænseætsning med henblik på at fremkalde martensit kan man se en struktur som vist på figur På figur 2.27 ses et foto af det rekrystalliserede emne. Bemærk tvillinger, som er et karaktertræk, der opstår ved rekrystallisation af metaller med FCC-gitter. Dette er i god tråd med antagelsen om, at beholderen er fremstillet af austenitisk rustfrit stål, da dette netop har FCC-krystalstruktur, hvorimod ferrit eller martensit har BCC-struktur [4]. På figurerne 2.26 og 2.27 ses en forskel i kornstruktur. På figur 2.26 ses at kornene er langstrakte, hvilket er tegn på kraftig deformation. Dette bekræfter yderligere antagelsen om, at beholderen er dybtrukken, da kornene er parallelle med trækkeretningen. 3 Herudover giver fremmedatomer og korngrænser også anledning til ophobning af dislokationer. 21

30 2.5. MATERIALEANALYSE Figur 2.26: Billedet viser tydeligt, at kornene i det ikke-rekrystalliserede emne er deformeret i trækretningen Grundstofanalyse Den nøjagtige sammensætning af bestanddele i metallet bestemmes vha. et Scanning Elektronmikroskop (SEM). Først gives en kort beskrivelse af den teoretiske baggrund for grundstofbestemmelse og topografisk billeddannelse vha. af SEM. Idéen bag scanning elektronmikroskopi er basalt set at beskyde et prøveemne med elektroner og observere interaktionen herimellem. For at forstå hvordan et SEM virker, er det således nødvendigt at opnå et vist indblik i interaktionen mellem elektroner og materie. Elektron materie interaktion I et SEM beskydes en stor stofmængde med en elektronstråle bestående af mange elektroner. Det store antal af begge bestanddele gør situationen meget kompleks. En grundlæggende forståelse kan imidlertid godt opnås ved at studere simplere tilfælde. Derfor beskrives i det følgende det simplest tænkelige tilfælde, hvor et atom beskydes med en elektron. Beskrivelsen tager udgangspunkt i Bohrs atommodel. Når en elektron skydes ind i et atom, kan der ske flere forskellige ting. Tre af disse tilfælde er illustreret i figur Forestiller man sig, at elektronen rammer et af atomets elektroner i et fuldstændig elastisk stød, kastes den udefrakommende elektron blot tilbage, som vist på figur 2.28a. Disse elektroner benævnes tilbagespredte elektroner 4. Rammer elektronen derimod en elektron i et uelastisk stød, kastes begge væk fra atomet, som vist på figur 2.28b. Disse elektroner benævnes sekundære elektroner. Er en elektron, som ikke stammer fra den yderste skal, således undsluppet 4 Oversat fra den engelske betegnelse "backscattered electrons". 22

31 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Figur 2.27: På billedet ses markeret tvillinger i emnets overflade. fra atomet, befinder atomet sig i en eksiteret tilstand. Det vil sige, at der vil være en eller flere elektroner i en skal med højere energi, end den hvori den ledige "elektronplads"befinder sig. Da atomet stræber mod den lavest mulige energitilstand, vil atomet på et tidspunkt henfalde til sin grundtilstand. Dermed frigives en mængde energi i form af en foton. Fotonens energi svarer præcis til energiforskellen imellem de to skaller, hvorimellem elektronoverførslen sker. Strålingens bølgelængde vil typisk ligge i røntgenområdet af det elektromagnetiske spektrum. Røntgenstråling er illustreret på figur 2.28c. a) b) c) Figur 2.28: Et atom rammes af en elektron. a) Tilbagekastet elektron. b) Sekundære elektroner. c) Røntgenstråling. Det skal bemærkes, at der findes mange andre effekter af elektron materie interaktion, men da disse ikke er relevante i forbindelse med den aktuelle grundstofbestemmelse, er de undladt her. Med baggrund i dette redegøres i det følgende kort for, hvordan et SEM virker. 23

32 2.5. MATERIALEANALYSE Figur 2.29: Skematisk opbygning af et SEM og elektronernes bevægelse heri. Opbygningen af et SEM Den generelle opbygning af et SEM er vist på figur Elektroner sendes afsted fra en elektronkanon og accelereres op vha. et pålagt potentiale. Elektronerne fokuseres herefter med en magnetisk linse. En række scannespoler bruges nu til at afbøje elektronerne i den ønskede retning, således at disse rammer prøven, hvor det er tiltænkt. Derved er det muligt at indsamle data for et større område af prøven ved at udføre en rasterscanning af det. Interaktionen imellem elektronerne og den indsatte prøve observeres for hvert beskudt punkt vha. en detektor. Detektorens opbygning og placering afhænger af, hvilke resultater der ønskes. Der er generelt to forskellige formål med SEM-undersøgelser; topografisk billeddannelse og grundstofbestemmelse. Topografisk billeddannelse vha. SEM Ved topografisk billeddannelse observeres enten de tilbagespredte elektroner eller de sekundære elektroner. En elektrondetektor placeres som vist på figur 2.29 alt afhængig af, hvilken elektrontype man ønsker at observere. Detektoren tæller ganske simpelt antallet af indkomne elektroner. Dette omsættes nu til en farve, således at mange elektroner giver en lys farve, og få elektroner giver en mørk farve. Farverne 24

33 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Mørk Lys Grå Detektor Figur 2.30: Topografisk billeddannelse udfra sekundære elektroner. kan herefter fortolkes som en topografisk orientering. På figur 2.30 er vist, hvordan antallet af sekundære elektroner kan omsættes til et topografisk billede. Dette foregår tilsvarende for tilbagespredte elektroner blot med detektoren placeret anderledes jf. figur Ved detektion af sekundære elektroner opnås en bedre opløsning end ved detektion af tilbagespredte elektroner 5. Derfor detekteres oftest sekundære elektroner i forbindelse med topografisk billeddannelse. Grundstofbestemmelse vha. SEM Til grundstofbestemmelse vha. SEM observeres den fra prøveemnet udsendte røntgenstråling. Fotonerne detekteres 6, og deres energi bestemmes. Som tidligere nævnt svarer elektronovergange i et atom til helt bestemte energiniveauer. Dermed kan man omsætte de målte energier til helt bestemte grundstoffer vha. et passende referencesystem. Ved at scanne over et tilpas stort område er det hermed muligt at bestemme den kemiske sammensætning af prøveemnet med stor præcision. Praktiske foranstaltninger omkring SEM-analyser Da SEM-analyser beror på elektroners interaktion med stof og de efterfølgende effekter, er det meget vigtigt, at fremmedlegemer ikke er tilstede. Selv fremmede elektroner vil selvsagt forstyrre analysen. Derfor er det nødvendigt at udføre SEM-analyser i et vakuumkammer. Denne foranstaltning gør forberedelsesprocessen væsentligt mere tidskrævende og begrænser desuden størrelsen af prøveemnerne. Såfremt råmaterialet er blotlagt og elektrisk ledende, er yderligere præperation ikke nødvendig [3]. Metode Ingen præparation er nødvendig, da emnet hverken er malet eller overfladebehandlet på anden vis, og det rå materiale er umiddelbart tilgængeligt. 5 En dybere forståelse af dette fænomen kræver indsigt i overfladefysik og kvantemekanik, hvilket der i denne tekst afgrænses fra. 6 Detektering af fotoner/røntgenstråling foretages i praksis vha. en silicium detektor. 25

34 2.5. MATERIALEANALYSE Resultater Resultaterne fra analysen er vist i tabel 2.2. Materiale Fe Cr Ni Mn Pb Si Cu S Vægt /% 69, ,84 1,48 0,87 0,39 0,29 0,16 Tabel 2.2: Resultaterne fra grundstofanalysen. Der er benyttet en bagatelgrænse på 0,5% med undtagelse af Si, Cu og S, da disse iflg. lektor Mikael Larsen med stor sandsynlighed indgår i legeringen [2]. Det ses at der ikke er detekteret noget kulstof i emnet. Dette skyldes ikke, at der ikke forefindes kulstof i emnet, men at det bevidst er udeladt i analysen. I spektrogrammet vil C-peaks befinde sig i et område med høj tæthed af andre grundstoffers peaks. Dette øger risikoen for fejl. Desuden forekommer der kulstof i vakuumkammerets atmosfære, hvilket yderligere er forstyrrende. I austenitisk rustfrit stål vil der typisk ikke være mere end 0, 08% C Konklusion på metalanalyse Resultaterne fra LOM- og SEM-undersøgelsen indikerer, at beholderen er fremstillet i austenitisk rustfri 18/8 stål, eller det der efter amerikanske standarder kaldes AISI 304 [2]. Navnet dækker over indholdet af legeringselementerne krom og nikkel (18 % krom og 8 % nikkel). Den kraftige deformation af kornene, som er vist på figur 2.26, og den simple magnetiske undersøgelse indikerer, at beholderen er dybtrukket. På baggrund af disse resultater konkluderes det, at materiale typen er austenitisk rustfrit 18/8 stål, samt at råmaterialet er dybtrukket Bestemmelse af polymerer I dette afsnit bestemmes hvilke polymerer de forskellige pumpedele består af. Til dette formål anvendes Fouriertransformeret Infrarød spektroskopi (FTIR). FTIR-spektroskopi FTIR-spektroskopi er en af de vigtigste metoder til identificering af polymerer [6]. Plast er delvist transparent for infrarød lys. Dvs. at IR-strålingen både transmitteres og reflekteres. Bestemte bølgelængder i det infrarøde lys bliver delvist absorberet i plasten, således at intensiteten af disse bølgelængder er nedsat i det transmitterede og reflekterede lys. De enkelte atombindinger i et molekyle har forskellige egenfrekvenser. Hvis frekvensen af det indkomne lys er sammenfaldende med egenfrekvensen på den binding som rammes, vil der opstå resonans mellem strålen og bindingen, hvorved en del af strålingsenergien absorberes. Den nedsatte refleksion og transmission fra emnet ved de pågældende bølgelængder kan ses som peaks i et spektrogram over emnets tilbagestråling. 26

35 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Spektrogrammet fungerer som plasttypens fingeraftryk og afhænger af polymerens sammensætning (plasttype, additiver osv.). Dette kan bruges til identifikation ved sammenligning med spektrogrammer af kendte materialer fra en referencedatabase. Emne Detektor Kilde Figur 2.31: Princippet i FTIR-spektroskopi. Metode Analysen af polymererne sker ved, at en plan overflade på emnet placeres foran lysstrålen, og med et klik på en pedal foretages scanningen, hvorefter polymeren identificeres automatisk. Figur 2.31 viser princippet bag en FTIR-måling. Resultatbehandling Den røde kurve på figur 2.32 viser resultatet for analysen af hætten. En C-H binding absorberer stråler med bølgelængde på omkring 3,36µm, hvilket svarer til et bølgenummer på cm [6]. På kurven ses, at der er absorberet stråling i dette område. Dette tyder på, at materialet indeholder mange C-H bindinger, hvilket er karakteristisk for polymerer. Den blå kurve på figur 2.32 viser spektrummet for polypropylen (PP). Ved analysen viser FTIR-scanneren, at PP s interferogram har det bedste match med måleresultaterne og derfor er det mest sandsynlige materiale. De øvrige resultater fra materialeanalysen af sæbedispenserens plastdele, som er foretaget efter samme metode, er vist i tabel 2.3. PP og polyethylen (PE) er begge meget lette, billige og lavstyrkeplasttyper med høj krystalinitet, hvilket bidrager til øget kemikalieresistens [6]. Disse polymerer er fornuftige valg, da der ikke stilles særligt høje styrkemæssige krav, samtidig med at de er økonomisk fornuftige valg. Den høje krystalinitet kan hjælpe med til at beskytte mod det basiske miljø som sæber kan udgøre. 27

36 2.6. MATERIALER OG PROCESRÆKKEFØLGE T[%] Bølgenummer[1/cm] 1500 Datasæt for transmittans af PP Den målte transmittans Figur 2.32: FTIR-scanning af hætten. Kurverne viser transmittansen som funktion af bølgenummeret. Emne Hætte Tud Hals Sæbeprop Pumpehus Pakningsskive Sugerør Gummipakning Materiale PP PP PP PP PP PE-folie PE PE Tabel 2.3: Polymerer der er anvendt i sæbedispenseren. 2.6 Materialer og procesrækkefølge Materialeanalysen har vist at sæbedispenserens bestanddele er fremstillet af austenitisk rustfrit stål, polypropylen og polyethylen. På denne baggrund er der udarbejdet en oversigt over en mulig procesrækkefølge for fremstilling af sæbedispenseren. Denne oversigt er vist på figur Kvalitetskontrol er indlagt de viste steder i processen for at detektere fejl, der medfører at emnerne kasseres, hvilket i givet fald gør den efterfølgende børstning overflødig. 28

37 KAPITEL 2. ANALYSE AF DELEMNER Stålcoils indkøbes og udrettes ved valsning Fjeder, kugle, plastrør og plastgranulat indkøbes Blanketter udstanses til beholderens top Blanketter udstanses til beholderens bund Blanketter dybtrækkes og overskydende materiale fjernes Blanketter dybtrækkes og overskydende materiale fjernes De enkelte dele sprøjtestøbes Plastrør tilpasses Der stanses et hul i toppen af emnet Kvalitetskontrol udføres Kvalitetskontrol udføres Emnet børstes ind- og udvendig Kvalitetskontrol udføres Emnet børstes udvendig Pumpen samles Der rulles et gevind i toppen Top, bund og pumpe samles Figur 2.33: En mulig procesrækkefølge for fremstilling af sæbedispenseren. 29

38 Alternativ fremstilling 3 I dette kapitel udvælges sæbebeholderen til nærmere undersøgelse. Der formuleres en række målsætninger for, hvordan det pågældende emne ønskes ændret i forhold til sine nuværende udførelse. Efterfølgende gennemgås de overvejelser, der er gjort omkring muligheder for geometriændringer, materialevalg og fremstillingsproces for at indfri målsætningerne. På baggrund af dette udvælges en fremstillingsproces og et materiale til mere dybdegående analyse med henblik på design af en proceslinje til fremstilling af emnet. 3.1 Mål for alternativ fremstilling Geometri Overordnet består sæbedispenseren af to dele: En pumpeenhed fremstillet i plast og en beholder fremstillet i metal. Grundet interesse inden for pladeformgivning vælges beholderdelen til en mere dybdegående analyse. Redesign af emnet foregår Proces indenfor tre områder: Materiale Geometri, fremstillingsproces og materialevalg. Som vist på figur 3.1 er disse tre faktorer indbyrdes afhængige i den forstand, at to fastlagte faktorer afgrænser valgmuligheder indenfor den tredje. Geometri Proces Materiale Figur 3.1: Sammenhængen mellem geometri, proces og materiale. De tre faktorer er indbyrdes afhængige, således at to fastlagte faktorer afgrænser valgmuligheder indenfor den tredje. Udgangspunktet for de konkrete modifikationer af sæbebeholderen er en række af overordnede målsætninger for den alternative fremstilling. Beholderen er fremstillet i en nikkelholdig legering, hvilket kan være et problem for personer med nikkelallergi. At kunne fremstille et produkt der er nikkelfrit, kan derfor være en salgsparameter. Da sæbedispenseren er et discountprodukt, er den æstetiske finish tilsvarende lav, hvilket f.eks. er synligt ved produktets samlinger. Målsætningerne for en alternativ fremstilling af sæbedispenserens beholder er følgende: At fremstille en nikkelfri sæbebeholder. At fremstille en sæbebeholder med en bedre æstetisk finish. 30

39 KAPITEL 3. ALTERNATIV FREMSTILLING 3.2 Alternative materialer Følgende krav er opstillet for materialet til beholderen: at det er korrosionsbestandigt. at det har gode plastiske formbarhedsegenskaber Korrosionsbestandigheden kan opnås ved efterbehandling af materialet eller ved at vælge et materiale, der i sig selv er rustfrit. Det vurderes at være mest hensigtsmæssigt at vælge et materiale, der kræver få postprocesser. Rustfrit stål eller aluminium er til dette formål gode kandidater, da de begge i ubehandlet form er korrosionsbestandige overfor et normalt vådrumsmiljø. God plastisk formbarhed kan opnås både ved valg af aluminium og rustfri stål. Eksempelvis har og 3000-serien for aluminium gode formbarhedsegenskaber. Ofte vælges aluminium 3104 til dybtrækning af øldåser [2]. Rustfrit stål kan typisk inddeles i tre grupper: Austenitisk-, ferritisk- og martensitisk rustfrit stål. De to førstnævnte har stor duktilitet, med typiske brudforlængelser på henholdsvis % og %, mens det sidstnævnte er mindre sejt med en typisk brudforlængelse på 5 15 %. Ferritisk rustfrit stål er interessant, da det typisk er billigere end austenitisk rustfrit stål. Desuden er materialet nikkelfrit, hvilket kan være fordelagtigt, da nikkel kan forårsage allergisk reaktion. Det kan dog besværliggøre fremstillingsprocessen, at ferritisk rustfrit stål er mindre duktilt end austenitisk rustfrit stål. Derfor opstilles følgende ønsker til materialet: Beholderen ønskes fremstillet af enten ferritisk rustfrit stål eller 3000-serien for aluminium. 3.3 Alternativ geometri Produktets endelige udformning er ikke uden betydning i forbindelse med produktionsomkostningerne og kan desuden være udslagsgivende for, hvordan produktet klarer sig i konkurrence med lignende produkter på markedet. Der er derfor opstillet forslag til det videre arbejde med alternativ formgivning af sæbebeholderen: Sæbedispenserens beholder er forholdsvis anonym i sin fremtoning, en simpel afrundet cylindrisk form i to dele, med et gevind på den øverste del. Toppen og bunden af beholderen er presset sammen som beskrevet i afsnit Denne samlingsløsning medfører en svagt konisk udformning af toppen samt en synlig kant i samlingen, som set på figur 1.1. Var beholderen derimod fremstillet i ét stykke, kunne der opnås et ubrudt og mere ensartet design. Som nævnt er sæbedispenserens beholder ikke iøjnefaldende i sin udformning. Dermed kan der argumenteres for at redesigne beholderens udformning med henblik på at skabe et mere fremtrædende produkt. Den afrundede cylindriske form kunne erstattes af en mere æstetisk gennemtænkt form. Eksempelvis kunne anvendes en ellipsoid-, kubisk- eller timeglas form. 31

40 3.4. ALTERNATIVE PROCESMULIGHEDER Plasthætten er monteret skævt på beholderen, hvilket skyldes et dårligt udført gevind på beholderens top. Denne samling forbedrer ikke sæbedispenserens æstetiske finish, hvilket kunne afhjælpes ved et redesign af gevindet. Sæbedispenseren er et discountprodukt med en lav fremstillingspris. Ønskes et mere fremtrædende design som f.eks. en timeglas form, kompliceres fremstillingsprocessen, hvorved fremstillingsprisen må forventes at stige. Afsætning af produktet skal nu ske under andre forudsætninger, idet produktet nødvendigvis skal afsættes til en højere pris. Et sådant produkt vil sandsynligvis ikke længere kunne sælges i Biltema, men i en mere eksklusiv forretning med en anden kundegruppe. Fokus på et redesign af gevindet vurderes til at være et meget snævert arbejdsområde, og den dårlige samling af plasthætten og beholderens top er ikke det mest iøjnefaldende ved produktet. Derimod er samlingen mellem beholderens top og bund mere synlig, og målsætningen om at udføre beholderen i et stykke vurderes at repræsentere et bredere arbejdsområde. Derfor opstilles følgende ønske i forbindelse med en alternativ udformning af beholderen: Sæbedispenserens beholder ønskes fremstillet uden synlige samlinger. 3.4 Alternative procesmuligheder Til produktion af beholderen er der valgt tre mulige processer indenfor plastisk formgivning. Ud fra de tidligere opstillede ønsker til materiale og udformning i afsnit 3.2 og 3.3 undersøges i dette afsnit hvilken proces, der er mest velegnet til produktionen. De udvalgte processer er: Spinning Omvendt ekstrudering Dybtrækning (evt. med efterfølgende strækningsreduktion) Spinning Spinning er en proces til formgivning af rotationssymmetriske metalemner. Et rundt råemne spændes op mod en form og sættes i rotation, hvorefter emnet svøbes ud på formen med forskellige værktøjer. Normalt foretages spinning som vist på figur 3.2a omkring en træ-, eller hvis højere tolerancer kræves, en metalform. Som det vises på figur 3.2b, er det muligt at producere emner med roterende modhold i stedet for en fast form for at opnå mere komplicerede geometrier. Der er også eksempler på, at spinning kan foretages uden nogen form for modhold [7]. Bearbejdning kan foregå manuelt eller automatisk. Når der spinnes manuelt, placeres et værktøj op mod et støttepunkt og bruges som vægtstang for at få nok kraft til at kunne formgive emnet som vist på figur 3.2a. Støttepunktet kan nu flyttes og 32

41 KAPITEL 3. ALTERNATIV FREMSTILLING proceduren gentages, til emnet er som ønsket. Automatisk spinning er numerisk styret. Normalt ændrer spinning ikke godstykkelsen ret meget fordi råemnet blot svøbes på dornen. Forskydningsspinning foretages ved at bevæge værktøjet, således at godstykkelsen reduceres, mens emnediameteren bibeholdes. Dette er vist på figur 3.2c. Rørspinning, som er illustreret på figur 3.2d, er en anden form for forskydningsspinning. Et emne med høj godstykkelse formes til en lille kop ved enten dybtrækning eller omvendt ekstrudering, og spinningsprocessen fordeler dernæst materialet ud, samtidig med at godstykkelsen reduceres [1]. Til fremstilling af sæbedispenseren vil rørspinning i kombination med enten dybtrækning eller omvendt ekstrudering være et fornuftigt bud. a) Emne Værktøj b) Dorn c) d) Figur 3.2: a) Manuel bearbejdning ved brug af dorn og fast værktøj. b) Automatisk formgivning med rullende værktøj og modhold. c) Forskydningsspinning hvor den effektive godstykkelse reduceres. d) Rørspinning til fremstilling af lange emner med konstant diameter. Krav til materialer Spinbarhed er defineret som den maksimale godstykkelsesreduktion, et materiale kan udsættes for uden at fejle [1]. Spinbarhed hænger, ligesom bøjelighed, i høj grad sammen med materialets arealreduktion [1]. Generelt har sprøde materialer lav arealreduktion. Grundet arealreduktionen har materialer som aluminium, stål og messing gode bearbejdningsegenskaber, mens f.eks. magnesium er mindre egnet til spinning. 33

42 3.4. ALTERNATIVE PROCESMULIGHEDER Krav til forarbejdning Råemner med høj godstykkelse, sprødhed eller styrke kan kræve opvarmning under forarbejdning for at øge arealreduktionsevnen. Råemnerne bør naturligvis være runde, men derudover har processen kun få begrænsninger. Anvendelsesområder Spinning er både egnet til masseproduktion og til at producere mindre partier. En numerisk styret spinningsmaskine er relativt dyr, men kan producere emner hurtigt og dermed billigt, mens en manuel maskine er billig men langsom og dyr pr. emne. Typiske produkter, der kan fremstilles ved spinning, er dele til raket- og jetmotorer, fælge til biler og forskellige trykbeholdere Omvendt ekstrudering Omvendt ekstrudering 1 er en formgivningsproces, der eksempelvis anvendes til at fremstille forskellige typer beholdere som f.eks. spraydåser og lignende aerosolbeholdere. Aftrækkering Stempel Matrice Råemne Figur 3.3: a) Råemnet er placeret i matricen. b) Stemplet kører ned og deformerer råemnet. c) Stemplet kører retur, og aftrækkerringen trækker det ekstruderede emne af stemplet. Som vist på figur 3.3 foregår omvendt ekstrudering ved at placere et råemne i bunden af en matrice. Herefter kører stemplet ned og trykker på råemnet med en kraft, der initierer flydning af råemnet. Dermed bliver råemnet tvunget ud i mellemrummet mellem stempel og matrice. Slutemnets vægtykkelse er bestemt af størrelsen af dette mellemrum. Som det ses af figuren, bevæger emnet sig parallelt med stemplet, men i modsat retning. For at sikre mindst mulig friktion er stemplet udformet således, at enden af stemplet har en lidt større radius end resten af stemplet. Dette medfører, at kopvæggen kun har kontakt med de nederste centimeter stemplet under 1 Oversat fra den engelske betegnelse "backward can extrusion". 34

43 KAPITEL 3. ALTERNATIV FREMSTILLING flydningsprocessen. Dermed har emnet kun kontakt med matricen, hvor friktionen reduceres med smøring. Udelades denne smøring, vil det i praksis være umuligt at lave en acceptabel ekstrudering. Når stemplet kører retur igen, vil emnet oftest sidde fast på stemplet. En fastmonteret ring, som stemplet bevæger sig inden i, sørger for at trække emnet af stemplet. Krav til materialer Ved omvendt ekstrudering er det vigtigt ikke at vælge et hårdere materiale end højst nødvendigt. For aluminium gælder det f.eks., at ekstruderingskraften er omvendt proportional med råemnets Brinell-hårdhed [8]. Her gælder det også, at et råemne med stor kornstørrelse er nemmere at ekstrudere end et finkornet emne. Dette skyldes den lavere flydespænding, som er en konsekvens af de større korn. Man skal desuden overveje hvordan råemnet er fremstillet, da støbte råemner er nemmere at ekstrudere end valsede [8]. Aluminiumsemner kan plastisk deformeres helt op til 90-95%[9]. Omvendt ekstrudering kan også udføres på stål. Mange forskellige typer kan anvendes, og der bør her fokuseres på de ønskede egenskaber for slutemnet, når man vælger sin ståltype. Stålemner kan plastisk deformeres op til 70-80%. Dette gælder dog kun for lavt legerede ståltyper.[9]. Krav til forarbejdning Som tidligere nævnt opstår der en meget stor friktion mellem råemnet og ekstruderingsværktøjet. Det er derfor et krav, at der smøres med et passende smøremiddel, så friktionen nedsættes. Til stålekstrudering anvendes ofte fosfatering, mens ekstruderinger i aluminium ofte smøres med Glisapal [10]. Samtidig reagerer smøringen forskelligt afhængigt af det ekstrudere råmateriale. Det vil altså sige, at den smøring der fungerer for aluminium ikke nødvendigvis fungerer for stål og vice versa [8]. Anvendelsesområder Sammenlignet med andre produktionsprocesser er der flere fordele ved omvendt ekstrudering. En af de væsentligste fordele er, at det er en meget hurtig proces. Helt op til 2 enheder pr. sekund kan produceres [1]. Når dette sammenholdes med et meget lavt materialespild, glat overflade og lave værktøjsomkostninger, er denne proces meget konkurrencedygtig ift. andre processer [9]. Værktøjer, der har produceret over stålemner uden målbart slid, er ikke ualmindeligt [8]. Heraf kommer, at omvendt ekstrudering er meget velegnet til masseproduktion. Det er vanskeligt at komme med et bud på en reel stykpris, da denne afhænger af kompleksitet i geometrien samt det ønskede styktal produceret, men den vil typisk være relativt lav. 35

44 3.4. ALTERNATIVE PROCESMULIGHEDER Dybtrækning Dybtrækning er en formgivningsproces til fremstilling af kopformede emner af varierende størrelse og geometri. Processen fungerer ved, at et stykke plademateriale presses gennem en trækring. Råemnet, som også kaldes en blanket eller rondel for runde emner, skæres til i den ønskede form og størrelse. Herefter trækker et stempel blanketten ned gennem trækringen, hvorved pladematerialet deformeres, så det antager den ønskede form. Figur 3.4: Skitse af dybtrækningsproces. Krav til materialer En vigtig procesparameter i forbindelse med dybtræk er blanketmaterialets LDR (Limiting Drawing Ratio). LDR er forholdet mellem blankettens største diagonal d 0 (diameter for runde emner) og den mindst mulige kopdiagonal d 1, som det er muligt at fremstille i det pågældende materiale ved et enkelt træk [11]. Materialets LDR siger altså noget om hvor dyb en kop, der kan fremstilles i et enkelt dybtræk. Hvis den ønskede kopdybde overskrider hvad der er muligt med den aktuelle LDR, må processen ske vha. flere på hinanden følgende træk, hvor kopdiameteren gradvist reduceres. Denne teknik kaldes reduktion og kan desuden bruges til at lave delvise indsnævringer i emnet [12]. Krav til forarbejdning Eneste forarbejdning forud for en dybtrækning er udklipning af blanket og smøring af denne. Ved processer med flere træk kan den gentagne deformation af materialet resultere i at brudspændingen overskrides. Dette kan undgås ved at udgløde emnet mellem trækkene, hvorved noget af den oprindelige deformationsevne genvindes [13]. Anvendelsesområder Dybtrækning anvendes bl.a. til fremstilling af stålvaske, gryder og øldåser [1]. Processen egner sig til produktion med høje styktal, da anskaffelsesprisen for presse, 36

45 KAPITEL 3. ALTERNATIV FREMSTILLING stempler og trækring er høj sammenlignet med andre fremstillingsprocesser [1]. Selve procestiden for det enkelte emne varierer med emnestørrelse, -geometri og -materiale, men der kan opnås lavere enhedspriser end for eksempelvis spinning ved styktal over ca. 700 [1]. 3.5 Proces- og materialevalg Redesign af sæbebeholderen skal ske på baggrund af målsætningerne om at fremstille et nikkelfrit produkt med en pænere finish. I afsnit 3.4 er beskrevet en række relevante processer i forbindelse med fremstilling af sæbebeholderen. Fremstillingen kan procesteknisk deles op i to trin som vist på figur 3.5. Først skal der fremstilles en kop, hvilket kan gøres vha. de førnævnte processer. Dette procestrin afsluttes med en renskæring, for at sikre at koppen har lige kanter. Herefter kan koppens åbning indsnævres, således at pumpen kan monteres i en efterfølgende samlingsproces. Alternativt påsvejses en separat top. Kopformning Indsnævring af top Spinning Indsnævring af top ved gentagende reduktion Omvendt ekstrudering Dybtrækning Fremstilling og påsvejsning af en separat top Figur 3.5: Procesmuligheder ved fremstilling af en hel beholder kan sammensættes på flere måder som vist med stiplede linjer. Materialeundersøgelsen har vist, at koppen er dybtrukket. Det antages derfor, at produktet er fremstillet i et stort styktal. Af de i afsnit 3.4 undersøgte processer er dybtrækning og omvendt ekstrudering i denne forbindelse de mest rentable [1]. Af interessemæssige årsager arbejdes der videre med en løsning, hvor beholderen fremstilles i ferritisk rustfrit stål ved dybtrækning af en kop, som herefter indsnævres i toppen vha. reduktion. I det følgende afgrænses der til at arbejde med den indledende dybtrækning af et kopformet emne, og de efterfølgende procestrin beskrives kun overordnet. Det følgende kapitel beskæftiger sig med analyse af dybtrækningsprocessen og danner grundlag for det efterfølgende arbejde med automatisering og konstruering af en proceslinje, som er fokuseret omkring selve dybtrækningen. 37

46 Analyse af dybtrækning 4 I forbindelse med design af dybtrækningsprocessen for det valgte emne, er det nødvendigt at kende til en række begreber og parametre, som er relevante for processen. Analysen sker dels med udspring i klassisk plasticitetsteori og grundlæggende geometriske betragtninger og dels ved anvendelse af Finite Element Method (FEM). FEM-simuleringen giver mulighed for en detaljeret analyse af processen, men modellen er ikke ubetinget nøjagtig. Derfor foretages også beregninger baseret på geometriske forhold og plasticitetsteori, som både anvendes til validering af FEM-modellen og samtidig giver anledning til en dybere forståelse af dybtrækningsprocessen. 4.1 Dybtrækningsteori Denne analyse tager udgangspunkt i dybtrækning af en rund kop, som vist på figur 4.1. Vha. klassisk geometri og plasticitetsteori kan stempelkraften udledes. Udledningen bygger i første omgang på følgende antagelser: Det udførte arbejde i forbindelse med bøjning og udretning af pladematerialet under processen negligeres. Endvidere ses bort fra friktionen mellem div. værktøjer og pladematerialet. Disse energitab inddrages senere i en effektivitetskoefficient η. Der er ideel plastisk deformation. Derfor er deformationshærdningseksponenten n = 0. Pladematerialet er normalanisotropt og planært isotropt. Iht. forrige antagelse antages pladetykkelsen at være konstant over hele pladearealet og under hele dybtrækningsprocessen. Der er altså plan tøjningstilstand. Da pladearealet er konstant gælder følgende: πr 2 0 = πr 2 + 2πr 1 h = konstant (4.1) hvor betydningen af de brugte symboler er angivet på figur 4.1. Når h vokser falder r. Ved afledning ses, at ligning 4.1 for initisimale ændringer af h kan skrives som: 2πrdr + 2πr 1 dh = 0 (4.2) dr = r 1dh r Tøjningsændringen i y-aksens retning dε y kan skrives som: 38 (4.3)

47 KAPITEL 4. ANALYSE AF DYBTRÆKNING t dr r x z y r 1 r 0 h Figur 4.1: Skitse af gennemskåret kop. r 0 er rondellens begyndelsesradius. I det rektangulære koordinatsystem står x-aksen parallel med radius, y-aksen vinkelret på radius og z-aksen vinkelret på flangen. dε y = do O = 2πdr 2πr = dr r Hvor O er omkredsen af cirklen bestemt af r. x y σ x (4.4) σ y σ y σ x +dσ x Figur 4.2: Skitse af spændingstilstanden på et element i flangen. Her er σ y negativ. Figur 4.2 viser spændingstilstanden og dermed også tøjningstilstanden under dybtrækningen på et flangeelement. Da voluminet er konstant og dε z = 0, er dε x = dε y. Dermed kan ligning 4.3 og 4.4 omskrives til: dε x = dε y = r 1dh r 2 (4.5) For en infinitisimal tøjning dε = dl l under en vilkårlig deformationsproces, er det tilhørende udførte arbejde: dw = F dl = σa l dε = σv dε (4.6) 39

48 4.1. DYBTRÆKNINGSTEORI Det samlede arbejde pr. volumen på et element er summen σ x dε x + σ y dε y + σ z dε z. Arbejdet pr. volumen bliver derfor: dw V = (σ x σ y )dε x (4.7) Iflg. Lévy-Mises flydekriterie er dε z = σ zdλ hvor σ z er σ z s deviatorspænding [14]. Da dε z = 0 og dλ er en konstant større end nul bliver: σ z = 0 = σ z 1 3 (σ x + σ y + σ z ) σ z = 1 2 (σ x + σ y ) (4.8) Da von Mises referencespænding σ benyttes som sammenligningsgrundlag for 1- aksede materialetrækprøver, indsættes ovenstående i von Mises ligning udtrykt ved hovedspændinger: 2 σ 2 = (σ x σ y ) 2 + (σ y σ z ) 2 + (σ z σ x ) 2 ( = (σ x σ y ) 2 + σ y 1 2 ( ) (σ x + σ y )) + 2 (σ x + σ y ) σ x σ x σ y = 2 σ (4.9) 3 Ved plastisk deformation er von Mises referencespænding lig flydespændingen σ f. Indsættes dette og ligning 4.9 i ligning 4.6 fås: dw V = 2 3 σ f dε x (4.10) Voluminet af et infinitisimalt ringelement i flangen kan skrives som: Ligningerne 4.5, 4.6 og 4.11 kan da kombineres til: dv = 2πrtdr (4.11) dw dh = 4πrtr 1σ f dr 3r 2 (4.12) r fra ligning 4.12 erstattes med ρ i den efterfølgende ligning for at undgå forvirring mellem integrationsgrænser og variable. Integreres arbejdet op fra stempelradius r 1 til r fås: 40

49 KAPITEL 4. ANALYSE AF DYBTRÆKNING dw dh = dw r dh = 4πtr 1 σ f dρ = 4πtr ( ) 1σ f r ln = F stempel (r) (4.13) r 1 3ρ 3 r 1 hvor F stempel (r) er den kraft, der skal til for at øge kophøjden et infinitisimalt stykke som funktion af r [14] Virkningsgrad Virkningsgraden η kan indføres for at imødegå friktion mellem plademateriale og diverse værktøjer samt den deformation, der sker ved bøjning og udretning af materialet omkring trækringen. Virkningsgraden varierer med smøring, tilholdskraft, tykkelsen af pladematerialet og kopradius. Typisk ligger η = [0, 74; 0, 79] [14]. Ved indførelse af virkningsgraden bliver stempelkraften da: F stempel (r) = 4πtr 1σ f 3η Deformationshærdning ( ) r ln r 1 (4.14) Udledningen af stempelkraften i forrige afsnit bygger bl.a. på antagelsen om, at deformationshærdningseksponenten n = 0, dvs. at deformationen antages at være ideal plastisk. For raffinering af formel 4.13 vises en metode til at tage højde for deformationshærdning i flangen under dybtrækningen. Dvs. at flydespændingen σ f bliver en funktion af flangens radius r. Iflg. Hollomons lov er flydespændingen en funktion af den plastiske deformation: σ f = Kε n (4.15) hvor K er spændingskoefficienten, der sammen med deformationshærdningseksponenten n er materialeafhængige parametre. Da flangen udsættes for en flerakset tøjningtilstand, indføres en tøjningsækvivalens en analogi til von Mises referencespænding. Tøjningsækvivalensen er defineret som: d ε = σ xdε x + σ y dε y + σ z dε z σ (4.16) Her er σ von Mises referencespænding og σ x, σ y og σ z er hovedspændinger. Ud fra ovenstående definition bliver tøjningsækvivalensen [14]: ε = 2 ( ε 2 3 x + ε 2 y + εz) 2 (4.17) 41

50 4.2. FINITE ELEMENT METHOD RUND KOP Såfremt antagelsen om plan tøjning bibeholdes, er ε z = 0 og ε x = ε y, og derfor kan tøjningsækvivalensen skrives som: ε = 2 3 (ε2 x + ε 2 x) = 2 3 ε x (4.18) ( Benyttes benævnelserne fra figur 4.1, bliver den sande tøjning ε x = ln r r 0 ). Hollomons lov kan da skrives som: σ f = K ( 2 3 ε x ) n σ f (r) = K ( ) 2 n ( ) r n 3 ln r 0 (4.19) Da r r 0 kan ln(r/r 0 ) skrives som ln(r/r 0 ). Ved at kombinere ligningerne 4.19 og 4.13 fås udtrykket: dw dh = 4πr 1tK 3 ( 2 3 ) n r r 1 ( ( )) n ln ρ r0 ρ dρ = F stempel (r) (4.20) Vha. ovenstående ligning kan stempelkraften bestemmes med hensyntagen til deformationshærdningen i forbindelse med det plastiske arbejde. ( ln ( )) n r r 0 r Stamfunktionen til kan imidlertid ikke opskrives eksplicit. I stedet kan udtrykket approksimeres med et Taylorpolynomium. Taylorrækken i arbejdspunktet a 0 er generelt givet ved: P n (r) = n i=0 f (i) (a 0 ) i! (r a 0 ) i (4.21) Vha. en taylorapproksimation kan integralet i ligning 4.20 udregnes tilnærmelsesvist. Resultatet af dette ses i afsnit Finite Element Method Rund kop En mere nøjagtigt model af dybtrækningsprocessen kan opnås med FEM. Dette er en numerisk løsningsmetode, der kan anvendes til at modellere fysiske systemer. Metoden kan bruges til både faststofmekaniske og termodynamiske problemstillinger, og kan bruges til såvel statiske som dynamiske modeller. Lignende metoder som f.eks. CFD (Computational Fluid Dynamics) kan bruges til fluidmekanik. Princippet i elementmetoden er at bryde sit emne ned i små elementer, som hver især er simple at beregne deformationerne af. Elementerne kan f.eks. bestå af firkanter eller trekanter. Et element er forbundet til de omkringliggende elementer i hjørnerne, hvor igennem de påvirker hinanden. Når emnet påvirkes med en kraft 42

51 KAPITEL 4. ANALYSE AF DYBTRÆKNING sker der translationer og deformationer i elementerne, som begge beregnes numerisk bl.a. med udgangspunkt i differentialligningen formuleret ved Newtons anden lov og Hooks lov. I praksis udføres FEM-analysen ved at modellere emnet, hvorefter randbetingelser, ydre kræfter, bevægelse, kontakt mellem emner, materialer mm. fastlægges. Alt dette foregår i en såkaldt preprocessor. Herefter kontrollerer processoren opsætningen og går i gang med at løse problemet. Beregningstiden kan variere fra få sekunder til mange måneder alt efter emnernes opløsning, simuleringstiden og den ønskede datamængde. Computerens regnekraft er naturligvis også afgørende for beregningstiden, hvilket er grunden til, at flere computere ofte kobles sammen i klynger til et cluster for at opnå kortere beregningstider. Data fra simuleringen kan herefter analyseres i en postprocessor. Med dette værktøj er det muligt at få plot af f.eks. spændinger i forskellige retninger på bestemte tidspunkter, ændringen i indre energi m.m. Til FEM-analyse i dette projekt bruges pre- og postprocessoren LS Prepost mens FEM-beregningerne udføres vha. programmet LS DYNA Opsætning af preprocessor I preprocessoren fastlægges såkaldte *keywords. Asterisken * er her adopteret fra LS-DYNA og indikerer, at det efterfølgende ord er en overskrift, som dækker over en række funktioner. Det følgende afsnit er delt op i hovedpunkter, hvorunder der forklares hvilke keywords og funktioner, der knyttes til det pågældende hovedpunkt, samt deres betydning for simuleringen. Figur 4.3: Koppen i LS-Prepost klar til simulering i LS-DYNA. Geometri: Værktøjerne modelleres i et CAD-program og importeres i LS-Prepost. Opstillingen er vist på figur 4.3. Alle dele tildeles en *section, der fortæller delene, at de skal opføre sig som shells med tykkelsen 1 mm for blanketten og 0 mm for værktøjet. Ved at lave en skalstruktur frem for en massiv del gøres 43

52 4.2. FINITE ELEMENT METHOD RUND KOP simuleringen mindre beregningstung. På figur 4.3 ses det, at delene er opbygget som skaller. Materialer: Med *mat tildeles værktøjet materialet Rigid, som er et teoretisk materiale, der gør værktøjerne uendelig stive. Blanketten tildeles materialet power_law_plasticity. Dette materiale er planært isotropt, og skal bl.a. tildeles en K- og en n-værdi. Kontaktflader: Under *contact bruges kontaktformen forming one way surface to surface, hvor der defineres, at værktøjerne opfører sig som master og blanketten som slave. Dermed instrueres LS-DYNA i at lade værktøjerne diktere blankettens formgivning. Desuden defineres også friktionen mellem kontaktfladerne. Kræfter og bevægelse: Tilholdskraftens og stempelvandringens numeriske størrelser defineres som tidsafhængige kurver under *define. Tilholdets frihedsgrader og kraftkurve indstilles som rigid body under *load. Stempelvandringen specificeres med prescribed motion i *boundary ved at angive en kurve, frihedsgrader og del 1 samt en parameter, der fortæller, at kurven angiver en vandring. Kontrol: Under *control defineres stop tidspunkt i termination og masseskalering under timestep. Masseskalering er en metode, der forøger størrelsen af det kritiske tidsstep, hvilket mindsker antallet af beregninger ved simulering og dermed reducerer beregingstiden [15]. Ved metalformgivning er det desuden vigtigt at definere, at en tøjning giver en godstykkelsesændring for skalstrukturerne. Dette gøres under shell. Dataopsamling: I *Dbase under ASCII_options bestemmes hvilke data der skal udskrives, og med hvilken frekvens dette skal ske. Binary_d3plot bruges til udskrift af 3D-plottet. Her defineres desuden hvor mange gange der skal plottes gennem simuleringen. På baggrund af ovenstående opsætning er plottet i figur 4.4 genereret samt et plot af stempelkraften som funktion af kopdybden. Dette resultat behandles i afsnit Validering Generelt er 3D-plottet af simuleringen en nem måde at finde fejl på. Hvis geometrien ser forkert ud, tyder det på, at noget er indstillet forkert. Hvis plottet eksempelvis eksploderer, kan det skyldes initialpenetrering, hvor to eller flere dele i modellen er placeret så de penetrerer hinanden i startpositionen. Figur 4.5 viser den indre og den kinetiske energi i blanketten. Da simuleringen som tidligere nævnt foretages over et reduceret tidsinterval, vil de beregnede hastigheder 1 Oversat fra det engelske ord "part". 44

53 KAPITEL 4. ANALYSE AF DYBTRÆKNING Figur 4.4: Plot af von Mises spændinger i den runde kop og accelerationer også være forøgede. Hvis simuleringens tidsinterval er for lille, kan den kinetiske energi forbundet med de øgede bevægelseshastigheder give anledning til væsentlige afvigelser fra en simulering med det sande tidsinterval. Men da den kinetiske energi som vist på figur 4.5 er meget lav i forhold til den indre energi, er hastighedsforøgelsens påvirkning af resultatet negligerbar. 45

54 4.3. RESULTAT 6 x E[J] Indre energi Kinetisk energi h[mm] Figur 4.5: Plot af indre og kinetisk energi i blanketten. 4.3 Resultat På baggrund af den klassisk faststofmekaniske analyse i afsnit 4.1 og FEM-analysen i afsnit 4.2 kan stempelkraften estimeres som funktion af stempelvandringen. Ligning 4.20 i afsnit kan som beskrevet bestemmes vha. en Taylorrække. På figur 4.6 ses en sammenligning af og a 0 = r 0+r 1 2. ( ln ( r r 0 )) n r og det tilhørende Taylorpolynomium for i = 10 ( ln( r r0 )) n Figur 4.6: På figuren er (rød) samt det tilhørende Taylorpolynomium (blå) plottet r som funktion af r. Det ses på figuren, at fejlen på Taylorpolynomiet er størst for høje r-værdier. På figur 4.7 kan resultatet af den klassiske analyse ses. I tabel 4.1 ses ståldata, som har ligget til grund for analysen. Iflg. Hosford & Caddell ligger LDR (se afsnit 3.4.3) for en dybtrækning typisk fra 2,1 2,2 [14]. Som det ses af tabel 4.1 bliver 46

55 KAPITEL 4. ANALYSE AF DYBTRÆKNING r 0 75 mm r 1 37,25 mm t 1 mm σ f 241 MPa (AISI 304) σ ut 586 MPa (AISI 304) n 0,45 (AISI 304) K 1275 MPa (AISI 304) η 0,76 Tabel 4.1: Data for austenitisk rustfrit stål. 75mm 37,25mm koppens trækforhold LDR = = 2, 01, hvilket indikerer at dybtrækningen kan gennemføres i et træk. Den røde kurve på figur 4.7 er baseret på ligning 4.13, mens den blå kurve er baseret på ligning Begge kurver er korrigeret med virkningsgraden η som beskrevet i afsnit Iflg. Kalpakjian kan den maksimale stempelkraft bestemmes ved [1]: (( ) ) r0 F max = 2πr 1 tσ ut 0, 7 r 1 (4.22) På figur 4.7 er dette estimat vist som en grøn linje. Det ses af figuren at ved inkorporering af Hollomons lov i ligning 4.13 opnås en bedre overensstemmelse med Kalpakjians estimat. Figur 4.8 viser den FEM-baserede stempelkraft som funktion af stempelvandringen. Denne kurves forløb forventes at være tættest på, hvad der opnås i en virkelig dybtrækningsproces dog uden hensyntagen til friktion mellem plademateriale og værktøjer. Den røde kurve på figur 4.7 stemmer bedst overens med FEM-analysen i starten af dybtrækningen, mens den blå kurve approksimerer bedst på den resterende del af FEM-analysen. Dette kan skyldes, at deformationshærdningen ikke er medregnet i den røde kurve, hvilket passer på situationen i starten af dybtrækningsprocessen, hvor flangen endnu ikke er blevet udsat for plastisk deformation. En anden årsag til afvigelse kan være at Taylorapproksimationen som tidligere nævnt ikke er god for store r-værdier. At det FEM-baserede estimat af stempelkraft ikke når samme størrelse som Kalpakjian s estimat skyldes sandsynligvis at friktionen er sat til 0 i FEM-modellen. Ovenstående viser, at der kvantitativt er overenstemmelse mellem FEM-modellen og den klassiske faststofmekanik. I det følgende kapitel foretages en måling af stempelkraften ved praktiske dybtrækningsforsøg i laboratoriet. Dette har til formål at fastlægge om FEM-analysen også er et godt kvalitativt (kurvens forløb) estimat. 47

56 4.3. RESULTAT Figur 4.7: Den røde og den blå kurve viser stempelkraften som funktion af stempelvandringen under dybtrækningsprocessen. Den røde kurve er baseret på ligning 4.13 hvor materialet antages at være ideelt plastisk, mens den blå kurve er baseret på ligning 4.20, hvor materialet antages at deformationshærde jf. Hollomons lov. Den grønne kurve viser et estimat af den maksimale stempelkraft iflg. Kalpakjian [1]. 12 x Figur 4.8: Grafen viser stempelkraften som funktion af stempelvandringen. Grafen er baseret på FEM-simulering. 48

57 5 Procesrealisering Dette kapitel beskriver, hvorledes dybtrækningsprocessen er udført i laboratoriet, og hvorledes data er indsamlet og behandlet. Endvidere opsættes en FEM-model til simulering af processen. Af praktiske grunde trækkes en firkantet kop i stedet for en rund, som ellers er behandlet i de forrige kapitler. Af den grund foretages også en FEM-simulering af dybtrækning af en firkantet kop. Figur 5.1: Billede af den anvendte presse. Pressen er af typen BSV Research DM A. 49

58 5.1. DATAOPSAMLING På billede 5.1 ses pressen der har været anvendt til dybtrækning. I denne presse er stemplet fikseret med stempelnæsen opad. Trækringen flyttes derfor nedad, mens tilholdet trykker opad. Så længe kraften på trækringen overvinder tilholdskraften og den kraft, der skal til for at deformere blanketten, flyttes trækringen og tilholdet nedad. Derved trækkes blanketten ned over stemplet og danner en kop. Figur 5.2 viser en skitse af princippet. Figur 5.2: Skitsen viser hvordeles dybtrækningen forløber på pressen. 5.1 Dataopsamling Under dybtrækningsprocessen overvåges fire parametre på pressen: Kraften på stemplet, tilholdskraften, trækringens vandring og tilholdets vandring. Vandringerne måles vha. hver sin type vandringmåler, mens stempelkraften og tilholdskraften bestemmes vha. såkaldte tryktransducere Vandringsmåling Trækringsvandingen måles vha. en tråd trukket parallelt med vandringsretningen mellem et fast sted på pressen og et sted, der flytter sig med trækringen. Vandringsmåleren er illustreret på figur 5.2. Den ende af tråden, der sidder på pressen er viklet omkring et hjul med en spiralfjeder. Hjulet er tilsluttet en lineær variabel modstand, således at spændingsfaldet over modstanden er proportionalt med vandringen. Tilholdsvandringen måles med en forskydningstransducer. Forskydningstransduceren fungerer principielt ved, at en jernstang er stukket igennem to serieforbundne, modsat viklede spoler. Gennem spolerne sendes en vekselspænding. Vekselspændingen inducerer et magnetfelt i hver spole, som vil være modsat rettet, da spolerne er viklet hver sin vej. Så længe metalstangen er stukket helt igennem begge spoler, er de i magnetisk kontakt, og spolernes modsat rettede magnetfelter udbalancere derfor hinanden. Derved ophæves spolernes impedans. Trækkes stangen delvist ud af 50

59 KAPITEL 5. PROCESREALISERING den ene af spolerne, falder styrken af denne spoles magnetfelt, hvilket resulterer i at udbalanceringen ophæves. Derved stiger impedansen i den anden af spolerne. Dette kan måles som en stigning i modstand. Fordelen ved en tryktransducer er en meget stor nøjagtighed kan opnås Tryktransducer Den ene tryktransducer er placeret under stemplet, mens den anden er placeret mellem tilholdet og det hydrauliske stempel, der trykker på tilholdet. Som vist på figur 5.3a består tryktransducerne af en stålskive med huller, hvori der er monteret straingauges i en Wheatstone-bro. Straingaugen består af en lang tråd der er foldet som vist på figur 5.3c. Straingaugen pålimes overfladen af et emne, hvorved tråden i straingaugen strækkes eller komprimeres når emnet deformeres. Da den elektriske modstand i tråden afhænger af trådens tværsnitsareal, stiger eller falder spændingsfaldet over straingaugen, når den henholdsvis strækkes og komprimeres. Den mest nøjagtige måling opnås, når tøjningen er parallel med tråden i straingaugen. Målenøjagtigheden er så god, at en temperaturændring på emnet kan give fejl. Derfor arrangeres straingaugene i en Wheatstone-bro. Ved at måle spændingsforskellen mellem A og B på figur 5.3b, undgås måleforstyrrelser fra temperaturen, da alle straingaugene deformeres lige meget, hvorved spændingsforskellen mellem A og B ikke påvirkes heraf. Figur 5.3: a) Tryktransducer. b) Wheatstone-bro. c) Straingauge Kalibrering Sammenhængen mellem henholdsvis trækrings- og tilholdsvandringen og spændingsfaldet over deres respektive vandringsmåler tilnærmes vha. en retlinjet kalibreringskurve. Generelt kan den rette linje udtrykkes som: 51

60 5.1. DATAOPSAMLING h = au + b (5.1) hvor a er proportionalitetsfaktoren, b er nulpunktskorrektionen, h er en højde og U er et spændingsfald. Trækringen og tilholdet skal tildeles hver sin kalibreringskurve. Proportionalitetsfaktorerne bestemmes ved at stille trækringen og tilholdet i en række tilfældige positioner, h i, hvor deres afstand måles til et fast sted på pressen parallelt med vandringsretningen. Til hver position knyttes spændingsfaldet, U i, over vandringsmåleren, som f.eks. måles med et multimeter. Proportionalitetsfaktorene udregnes ved mindste kvadraters metode: a = n U i h i 1 n n U i h i n i=1 i=1 ( n n ) 2 (5.2) Ui 2 1 U i n i=1 i=1 Nulpunktskorrektionen fastlægges ved at stille trækring og tilhold i de positioner, der ønskes som nulpunkter. Ved denne position aflæses spændingen U 0 og indsættes i: i=1 h = au + b 0 = au 0 + b b = au 0 (5.3) Vælges tilholdets nulpunkt som værende ud for stempelnæsen, og trækringens nulpunkt som værende der, hvor trækringen er i kontakt med tilholdet. I tilholdets nulpunkt, kan kalibreringskurverne bestemmes til: Trækring : h trækring (U) = 50, 6063 mm V Tilhold : h tilhold (U) = 47, 5528 mm V U + 177, 8953mm (5.4) U 167, 184mm (5.5) Fremgangsmåden for kalibrering af tryktransducerne er analog til kalibrering af vandring. Tryktransduceren opspændes i en trækprøvemaskine, hvorefter spændingsfald over transduceren U i måles ved kendte kræfter F i påført af trækprøvemaskinen. Proportionalitetsfaktoren a bestemmes med ligning 5.2. Nulpunktskorrektionen b bestemmes vha.: ( n b = 1 F i n i=1 Kalibreringskurverne bestemmes da til: ) n au i i=1 (5.6) 52

61 KAPITEL 5. PROCESREALISERING Stempelkraft : F stempel (U) = N V Tilholdskraft : F tilhold (U) = N V U 2228N (5.7) U 2631N (5.8) Dataopsamlingsprogram Flowchartet på figur 5.4 viser dataopsamlingsprogrammets basale opbygning. Programmet indeholder desuden en funktion, der muliggør automatisk start og stop. Sidstnævnte kan bruges til at starte en måling, når trækringen rammer blanketten, og stoppe når koppen er trukket f.eks. 40 mm. Dette gør, at mængden af uønsket måledata mindskes. Pressen Trækring vandring: Signal [0V - 10V+] Tilhold vandring: Signal [0V - 10V+] Stempel kraft: Signal [0V - 10V+] Tilhold kraft: Signal [0V - 10V+] PCI-kort LabVIEW Databehandling Frafiltrering af støj Frafiltrering af støj Frafiltrering af støj Frafiltrering af støj Konvertering fra V til mm Konvertering fra V til mm Konvertering fra V til N Konvertering fra V til N Nulpunktskorrigering Nulpunktskorrigering Nulpunktskorrigering Nulpunktskorrigering Trækring vandring Tilhold vandring Stempel kraft Tilhold kraft Kraft-vej plot Figur 5.4: Flowchart over programmets opbygning. 53

62 5.2. DYBTRÆKNINGSFORSØG 5.2 Dybtrækningsforsøg Dybtrækningsforsøget foretages med blanketter af 150 mm 150 mm med en godstykkelse på 1 mm. Materialet anvendt til forsøget er et såkaldt NUMISHEET dybtrækningsstål. Forsøget udføres med en tilholdskraft på ca. 19 kn for at undgå buler i flangen. Et passende estimat af tilholdskraftens størrelse opnås ud fra indledende forsøg, hvor prøvekopper trækkes i billigt plademateriale. Trækkes koppen dybere end 40 mm er der ikke tilstrækkeligt materiale i flangerne til at danne kopvæggen. Derfor er en kophøjde på 40 mm velegnet til denne blanketstørrelse. Blanketten smøres inden dybtrækningen med et til formålet velegnet smøremiddel. Værktøjet er ikke udført med anordninger til at styre placeringen af blanketten. Derfor placeres blanketten manuelt på tilholdet. På figur 5.5, 5.6, 5.7 og 5.8 ses billeder fra de indledende dybtrækningsforsøg. Af sikkerhedsmæssige hensyn befinder der sig under forsøget kun én person ved pressen, mens andre forsøgsdeltagere befinder sig ved en PC for at overvåge dataopsamlingen. Figur 5.5: Tilhold og stempel. Figur 5.6: Blanketten er klar til presning. Figur 5.7: Trækning af kop med for lav tilholderkraft. Figur 5.8: For lav tilholderkraft resulterer i buler i flangen. 54

63 KAPITEL 5. PROCESREALISERING 5.3 Finite Element Method - Firkantet kop FEM-simuleringen udføres igen vha. LS-DYNA. Opsætningen af preprocessoren er i vid udstrækning udført som i afsnit 4.2. De områder hvor opsætningen afviger fra afsnit 4.2 er opstillet nedenfor. Geometri: Da simuleringen skal udføres for en firkantet kop må dybtrækningsværktøjerne nødvendigvis tilpasses hertil. På figur 5.13 ses værktøjerne til trækning af den firkantede kop. Materialer: I kapitel 4 antages pladematerialet at være planært isotropt, og FEMsimuleringen indrettes derfor herefter. I den praktiske dybtrækning påvirkes processen dog af, at materialet reelt er planært anisotropt. Derfor tildeles blanketten materialet Hill 3R, som er specielt velegnet til at simulere anisotropt stål. Som input til materialet bestemmes pladematerialets anisotropi, stivhedskonstant, K, og deformationshærdningseksponent, n. Disse måles ved trækprøvning, som beskrives senere. Kontaktflader: Friktionen defineres til 0, 144 [16] Trækprøvning Til bestemmelse af de ovenfor nævnte parametre er der foretaget en serie trækprøvninger. Trækprøvningerne er udført af en 6. semester gruppe, år Nedenfor findes en beskrivelse af hvorledes trækprøvningerne er udført samt en præsentation af resultaterne. Til trækprøvningen er der fremstillet en række trækemner. Trækemnerne er udtaget af det valsede plademateriale. Da en valset plade i praksis er planært anisotrop, er det nødvendigt at bestemme anisotropien i flere retninger i pladens plan. Trækemnerne er således udtaget i retningerne 0, 45 og 90 i forhold til valseretningen som illustreret på figur 5.9. Anisotropiforholdet er generelt defineret som: R = ε w ε t (5.9) hvor ε w er tøjningen på tværs af trækemnet (w for width), og ε t er tøjningen i emnets tykkelsesretning. Tøjningen i trækemnets tykkelsesretning er imidlertid vanskelig at måle nøjagtigt. I stedet måles tøjningen i længderetningen ε l. Anisotropien bestemmes da efter følgende omskrivning. Volumentøjningen ε v kan skrives som: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) v lwt l w t ε v = ln = ln = ln + ln + ln v 0 l 0 w 0 t 0 l 0 w 0 t 0 = ε l + ε w + ε t (5.10) 55

64 5.3. FINITE ELEMENT METHOD - FIRKANTET KOP Valseretning Figur 5.9: Illustration af valseretningen på trækemner Da voluminet er konstant, kan dette omskrives til: ( v ε v = ln v 0 Anisotropien kan da bestemmes ved: ) = ln (1) = 0 = ε l + ε w + ε t ε t = (ε l + ε w ) (5.11) ε w R = (5.12) ε l + ε w Til trækprøvningen er anvendt en Instron 5568 trækprøvemaskine. Figur 5.10 viser en principtegning af trækprøvemaskinen. Den nederste trækklo er fastmonteret, hvorimod den øverste trækklo kan flyttes vertikalt. Trækemnet opspændes i trækkløerne. Når øverste trækklo flyttes opad, deformeres trækemnet. Under deformationen måles trækkraften kontinuerligt. Tøjningen af trækemnet bestemmes på langs og på tværs af emnet vha. såkaldte extensometre. Extensometrene er udstyret med to arme, der er fastgjort til trækemnet. Når emnet deformeres, ændres afstanden mellem armene. Afstanden mellem disse arme bestemmer spændingsfaldet over en variabel modstand inde i extensometret, som bliver registreret i den tilkoblede computer. For at sikre korrekte målinger er der før trækprøvning foretaget en kalibrering af extensometrene. Figur 5.11 og 5.12 viser de anvendte extensometre ved kalibrering. Kalibrering af breddeextensometret udføres ved at måle bredden af to måleklodser med extensometret. For hver af de to klodser måles det tilhørende spændingsfald over extensometret, således at en kalibreringskurve kan fastlægges. Længdeextensometret 56

65 KAPITEL 5. PROCESREALISERING a b INSTRON 5568 Figur 5.10: Principtegning af Instron 5568 trækprøvemaskinen. (a) og (b) markerer henholdsvis øvre og nedre trækklo. Figur 5.11: Kalibrering af extensometer til måling af ændring i bredde. Figur 5.12: Kalibrering af extensometer til måling af ændring i længde. har en indbygget funktion til kalibrering, hvor extensometret sammenklemmes, indtil en lille nål rammer et øje. Udfra de tre trækemner bestemmes anisotropierne R 0, R 45 og R 90 vha. ligning Disse benyttes til at udregne materialets planære anisotropi R iflg.: R = R 0 2R 45 + R 90 2 (5.13) Denne fortæller om tendensen til såkaldt øredannelse. Hvis R 0 er der ingen øredannelse. Det gennemsnitlige anisotropiforhold, R avg, udregnes som. R avg = R 0 + 2R 45 + R 90 4 (5.14) Ofte kan valset plademateriale antages at være plan isotropt hvor R avg således er et mål for pladens normale anisotropi. R avg er en god indikator for materialets dybtrækningsegenskaber [1]. Jo højere R avg, jo bedre dybtrækningsegenskaber. 57

66 5.4. RESULTATER Tabel 5.1 viser en oversigt over de fundne R-værdier, den gennemsnitlige K-værdi og den gennemsnitlige n-værdi. K og n er bestemt vha. OriginPro, som er et stykke software, der ligger på computeren tilsluttet trækprøvemaskinen. Variabel Værdi R 0 2,63 R 45 1,93 R 90 3,28 R 1,025 R avg 2,4425 K avg 499, 8MP a n avg 0,23 Tabel 5.1: Data for NUMISHEET-stål. Figur 5.13: Opstillingen i preprocessoren, klar til simulering i LS-DYNA. 5.4 Resultater På baggrund af resultaterne fra trækprøvningerne kan konfigurationsfilen fra preprocessoren indlæses i LS-DYNA, således at den ønskede simulation kan udføres. De udskrevne data kan herefter behandles og analyseres. Figur 5.14 viser et 3D-plot af den FEM-simulerede dybtrukne kop. Figur 5.15 viser stempelkraften som funktion af kopdybden for de tre dybtrækningsforsøg og den simulerede dybtrækning i LS-DYNA. Kvalitativt stemmer den simulerede kurve godt overens med kurverne fra forsøget. Dog vokser kurven for simuleringen tidligere, og har sit maksimum omkring 73 kn ved en kopdybde på 24 mm, mens kurverne for forsøget når op på omkring 77 kn ved en kopdybde på 28 mm. Forskellen i maksimal stempelkraft skyldes muligvis, at friktionen på 0, 144 i FEM-simuleringen er for lav. 58

67 KAPITEL 5. PROCESREALISERING Figur 5.14: Plot af von Mises spændingerne i den dybtrukne kop. 8 x F[N] Forsøg 1 Forsøg 2 Forsøg 3 LS DYNA h[mm] Figur 5.15: Stempelkraften som funktion af kopdybden for de tre dybtrækningsforsøg og en simuleret i LS-DYNA. Efterfølgende opmåling af forsøgsemnerne gav de i tabel 5.2 viste resultater. De angivende diagonaler er gennemsnitsværdier for hver kops to diagonaler. Efter mindste kvadraters metode, se ligning 5.2 og 5.6, bestemmes den lineære sammenhæng mellem kopdybden og D avg for de tre forsøg. Hjørneindtrækningen er, jf. figur 5.16, udregnet som: (150mm) 2 + (150mm) 2 D avg 2 (5.15) I sidste kolonne i tabellen ses de tilsvarende mål på den FEM-simulerede kop. Vha. den antagede lineære sammenhæng mellem kopdybden og D avg udregnes den forventede hjørneindtrækning ved en praktisk dybtrækning af en kop med samme højde som i FEM-simuleringen. Dette estimat ses i næstsidste kolonne i tabellen. Derefter kan det konkluderes, at koppen simuleret i LS-DYNA har ca. 15 % højere indtrækning ved samme trækdybde. Dette tilskrives igen at friktionen i FEM-modellen på 0, 144 muligvis er for lav. 59

68 5.4. RESULTATER Variabel Forsøg 1 Forsøg 2 Forsøg 3 Estimat LS-DYNA Dybde [mm] 42,3 42,0 40,6 41,08 41,08 Diagonal avg, D avg [mm] 178,52 179, ,32 175,6 Hjørneindtrækning [mm] 16,8 16,54 15,57 15,9 18,26 Tabel 5.2: Resultater fra dybtrækningsforsøgene. Mål er vist på figur Udeformeret blanket B A Figur 5.16: Indtrækningsmål: Mål A er diagonalmålet, mål B er hjørneindtrækningen. Figur 5.17 og 5.18 viser henholdsvis den simulerede og den dybtrukne kop. Det er muligt at se små skygger fra buler i kraven på begge figurer. Dette anses som værende endnu en indikation af FEM-simuleringens høje nøjagtighed. Figur 5.17: Et billede af den simulerede kop. Figur 5.18: Et billede af den dybtrukne kop. 60

69 Ferritisk stål 6 I henhold til ønsket i afsnit 3.2, om at fremstille sæbedispenserens beholder i et alternativt materiale, undersøges anvendeligheden af ferritisk rustfrit stål til dybtrækning i dette kapitel. Eftersom det i kapitel 4 og 5 bekræftes, at LS-DYNA er et velegnet simuleringsværktøj til dybtrækning, benyttes dette til formålet. 6.1 Simulering af ferritisk rustfrit stål Udover Poissons forhold, densitet og elasticitetsmodul benyttes de i tabel 6.1 viste data til simuleringen. Som repræsentant for ferritisk rustfrit stål benyttes 410- legeringen. Desuden bruges en tilholdskraft på 10 kn, som den forrige runde kop. Materialet power_law_plasticity benyttes, da der, som i afsnit 4.2, skal simuleres med planær isotropi. Målene på koppen er som i tabel 4.1 afsnit 4.3. Variabel 410-stål 304-stål K n 0,1 0,45 Tabel 6.1: Materialedata for det ferritiske 410-stål og det austenitiske 304-stål. Figur 6.1 viser stempelkraften som funktion af trækdybden, også kaldet kraftvejkurven, for det austenitiske 304-stål og det ferritiske 410-stål. Arealet under kraftvejkurven er et udtryk for arbejdet, der er påkrævet for at udføre deformationen. Det fremgår af kurven, at formgivning af 410-stålet kræver mere energi, og dermed er dyrere at deformere, end 304-stålet. 14 x stål 410 stål 10 F[N] h[m] Figur 6.1: Stempelkraften som funktion af kopdybden for ferritisk og austenitisk rustfrit stål. 61

70 6.1. SIMULERING AF FERRITISK RUSTFRIT STÅL FLD Til at indikere om det er muligt at benytte ferritisk rustfrit stål, opstilles et forming limit diagram (FLD) også kaldet et Keeler-Goodwin diagram. Når et element i et plademateriale udsættes for en plan spændingstilstand, deformeres det i retning af dets hovedtøjninger, hvoraf de to hovedtøjninger ligger i pladematerialets plan. I et FLD plottes disse to hovedtøjninger. Den mindste (regnet med fortegn) af de to (minor true strain) afsættes langs 1.-aksen, mens den største (major true strain) afsættes langs 2.-aksen. På figur 6.2 og 6.3 ses to sådanne diagrammer. Her er de sande tøjningerne på alle elementer i FEM-modellerne plottet, for dybtrækning i henholdsvis austenitisk og ferritisk rustfrit stål. Det kan bekræftes empirisk, at hvis punkterne overskrider den teoretisk fastlagte formbarhedsgrænse (den røde kurve), er der risiko for brud under formgivningen. Den venstre del af kurven (4. kvadrant) opnås udfra lokaliseret indsnævring før brud, mens den højre del (1. kvadrant) opnås ved diffus indsnævring [14]. Fælles for begge er, at de forskydes i 2.-aksens retning ved stigende n-værdi. Den gule kurve er lagt ind som en sikkerhedsmargin mod brud. Figur 6.2: FLD for simulering af en kop i austenitisk rustfrit stål. Figur 6.3: FLD for simulering af en kop i ferritisk rustfrit stål. Som det ses på figur 6.2 og 6.3 er der ingen af elementerne i FEM-simuleringen af dybtrækning i austenitisk og ferritisk stål, der overskriver deformationsgrænsen. Dette viser, at begge materialer tilsyneladende kan anvendes til dybtrækning af den ønskede kop. Figur 6.4 og 6.5 viser såkaldte fanplot af kopperne. Farverne på hver kop kan genfindes på figur 6.2 og 6.3 og viser hvor på kopperne, de enkelte tøjninger findes. Da punkterne på figur 6.3 ligger tæt på sikkerhedsgrænsen, vil det muligvis være problematisk at udføre en eventuel strækningsreduktion af koppen uden en forudgående udglødning. I tilfælde af at strækningsreduktion er nødvendig for at opnå den endelige mål for koppen, besværliggør dette processen. 62

71 KAPITEL 6. FERRITISK STÅL Figur 6.4: FLD fan plot for simulering af en kop i austenitisk rustfrit stål. Figur 6.5: FLD fan plot for simulering af en kop i ferritisk rustfrit stål. 63

72 Proceslinje 7 I dette kapitel beskrives hvordan en række processer kan sammensættes med henblik på at fremstille sæbedispenseren. En del af proceslinjen er udvalgt til en mere detaljeret beskrivelse, hvortil der ydermere udarbejdes en sekvensstyring. Da rapportens fokus ligger på formgivningen af metaldelene, antages det ved skitsering af proceslinjen, at pumpen bestående af delene vist på figur 2.1 købes færdig Rondeller Beholdertop Samlet Råmateriale på Rondeller Færdig coil udstandses dybtrækkes til fremstilles og beholder Montage af pumpe sæbedispenser kop monteres evt. børstes og monteres på beholderen. Råmaterialet til fremstilling af beholderen er stålplade, der leveres oprullet på en coil. Pladematerialet valses og udstanses til rondeller, som senere dybtrækkes. Dette er grundlaget for fremstilling af sæbedispenseren. Proceslinjen er skitseret på figur 7.1. Råmateriale på coil Rondeller udstandses Rondeller dybtrækkes til kop Koppen strækningsreduceres Koppen renskæres Kvalitetskontrol Beholdertop fremstilles via reduktion Kvalitetskontrol Gevind rulles i beholdertop Samlet beholder børstes Montage af pumpe Pakning af færdig dispenser Leveringsklar dispenser Figur 7.1: Overordnet proceslinje. Transport imellem hver proces er her angivet med en lille fyldt pil. Herefter er produktet klar til oplagring eller afsendelse. I det følgende gives en mere detaljeret beskrivelse af de enkelte procestrin. Rondeller udstanses Pladematerialet rulles af coilen og udrettes ved valsning. Rondeller udstanses herefter i passende størrelse, som sendes videre til dybtrækning. Afhængig af stansemaskinens kapacitet kan udstansningen enten ske centralt, hvorefter rondellerne transporteres ud til flere forskellige proceslinjer, eller integreres i proceslinjen, således at dette procestrin er placeret umiddelbart før dybtrækningen. Rondeller dybtrækkes til kop Under denne proces formgives en beholder ved at dybtrække en kop. Dette punkt er nærmere beskrevet i afsnit Koppen strækningsreduceres Koppen trækkes igennem et antal matricer, der reducerer vægtykkelsen, idet kophøjden forøges. 64

73 KAPITEL 7. PROCESLINJE Koppen renskæres Efter dybtrækning og strækningsreduktion vil toppen af koppen have en uønsket form som følge af øredannelse. Desuden vil koppen på dette tidspunkt muligvis ikke have den ønskede højde. En præcis afskåret kant er ydermere afgørende for reduktionsprocessen. Af disse grunde er det nødvendigt med en renskæringsproces umiddelbart efter strækningsreduktionen. Kvalitetskontrol før reduktion Kvalitetskontrollen kasserer emner, for hvilke videre bearbejdning ikke er rentabel. Det er her passende at undersøge, hvorvidt renskæringen er udført tilstrækkeligt nøjagtigt til, at beholderen kan formgives efter hensigten via reduktionsprocessen. Beholdertoppen fremstilles via reduktion Proceslinjen er udarbejdet under den antagelse, at toppen fremstilles ved gentagende reduktion 1 af den dybtrukne kop, fremfor at lave en seperat top, der svejses fast. Denne del af proceslinjen bliver ikke nærmere beskrevet. Kvalitetskontrol før rulning af gevind Har emnet på dette tidspunkt i processen ikke den ønskede form og beskaffenhed, kan der ikke kompenseres for dette gennem de kommende processer. Yderligere bearbejdning af et sådan emne vil således være spildt. Gevind rulles i beholdertop Med passende værktøj og maskine rulles et gevind i toppen af beholderen. Gevindet udformes således, at det passer til hætten på pumpen. Samlet beholder børstes Børstningen kan foretages med et apparat som vist på figur 7.2. Her fastholdes beholderen mellem to sæt ruller, hvor det ene sæt børster beholderen, mens det andet sæt driver beholderen rundt. Det børstende rullesæt er lavet af nylon eller lagdelt smergellærred, mens det drivende sæt består af gummiruller. Montage af pumpe Den færdige pumpe skrues på beholderen og sæbedispenseren er komplet. Pakning af færdig sæbedispenser Pakning af sæbedispenserne er den sidste proces før produktet er klart til at blive leveret hos kunden. 1 Se afsnit for beskrivelse af reduktionsprocessen 65

74 7.1. VÆRKTØJ Figur 7.2: Overfladebørstning via et sæt nylon- eller smergellærredruller og et sæt gummiruller. Til videre behandling og detaljeret beskrivelse vælges dybtrækningen af koppen til sæbebeholderen. I det følgende gennemgås værktøjet anvendt ved dybtrækningsprocessen. Dernæst følger en beskrivelse af den endelige konstruktion og sekvensstyring af processen, samt overvejelser i forbindelse med konstruering og automatiserings af proceslinjen. 7.1 Værktøj En presse, der er indkøbt til dybtrækning er sjældent specialbygget til denne specifikke opgave, men kan anvendes til mange forskellige fremstillingsprocesser. For at tilpasse pressen til den enkelte proces og emnegeometri laves et værktøj, der monteres i pressen. Når et sådan værktøj designes, skal både materialevalg, geometri og tolerancesætning overvejes. Disse parametre har indflydelse på levetiden af værktøjet, samt kvaliteten af det producerede emne. Materialer For at kunne vælge det mest velegnede værktøjsmateriale, er det vigtigt at klarlægge, hvilke påvirkninger værktøjet udsættes for under drift. Dybtrækningsværktøjer tilhører materialekategorien koldarbejdsstål. I denne kategori er hårdhed, slidstyrke og polérbarhed vigtige parametre. Værktøj til dybtrækning fremstilles oftest med henblik på masseproduktion. Bl.a. af denne grund er det mest rentabelt at fremstille værktøjer med høj hårdhed og lavt slaggerindhold. Dette giver en højere polérbarhed og dermed længere levetid og billigere formgivning. Et fornuftigt materialevalg til værktøjet kunne være 12-2-stål (12 % Cr, 2 % C ), der har høj hårdhed og stor slidbestandighed pga. det høje indhold af kromkarbider. Selv om 66

75 KAPITEL 7. PROCESLINJE Materiale Frigang (C) Aluminium 1, 25 t Dybtrækstål 1, 1 t 1, 25 t Rustfrit stål 1, 75 t 2.25 t t: tykkelse af blanket Tabel 7.1: Frigang mellem stempel og trækring [12]. der er tilstrækkeligt med smørefilm, kan der stadig forekomme metalkontakt under formgivningen. Ved denne kontakt kan der forekomme adhæsionsslid hvilket er en kortvarig koldsvejsning mellem emne og værktøj. Dette kan undgås ved at vælge materialer, der har ringe tilbøjelighed til sammensvejsning. Af denne grund anvendes ofte aluminiumbronze til dybtrækningsværktøjer ved formgivning af stål. Abrasionsslid, der forekommer på grund af friktion mellem emne og værktøj, kan reduceres ved at tilstræbe en stor forskel i hårdhed mellem værktøj og bearbejdningsemne [4]. Geometri Værktøjets geometri defineres af emnets geometri. Dog findes der generelle retningslinjer, som bør overholdes ved design af dybtrækningværktøj. På figur 7.3 ses værktøj anvendt under en dybtrækningsproces. Frigangen mellem trækringen og stemplet, C, bør altid være lidt større end blankettens godstykkelsen t, da godstykkelsen kan forøges i nogle punkter under trækningen. I tabel 7.1 ses anbefalede værdier for forskellige blanketmaterialer. Rundingsradiusen R d på trækringen bør være 2-10 gange t, mens rundingsradiusen R p på stemplet ikke har ikke afgørende indvirkning på hvorvidt dybtrækningen bliver en succes. Derfor ikke eksisterer nogen generelle regler herom [11]. Et andet forhold, der vigtigt at overholde, er, at blanketten ikke er større end trækring og tilhold, da dette kan forringe indtrækning. Arbejdstegninger af hhv. stempel, trækring og tilhold er vedlagt i tegningsmappen hhv. som tegning 1,2 og 3. Desuden vises på tegning 4 i tegningsmappen en samlingstegning af montagen af værktøjet i pressen. 67

76 7.2. KONSTRUKTION Figur 7.3: Dybtrækningsværktøj. t: godstykkelse, C: frigang mellem stempel og trækring, R p: stempelrundingsradius, R d : trækringsrundingsradius. 7.2 Konstruktion For at dybtrækningsprocessen kan automatiseres, kræves en række hjælpeprocesser til håndtering af emnet før og Rondeller efter trækningen. Beholdertop Samlet Råmateriale på Rondeller En skematisk Montage af oversigt Færdig over dybtrækningen og de tilhørende hjælpeprocesser er vist på figur 7.4. dybtrækkes til fremstilles og beholder coil udstandses pumpe sæbedispenser kop monteres evt. børstes Indledningsvis hentes en rondel fra en buffermekanisme, hvorefter smøremiddel påføres, og rondellen placeres i pressen. Herefter dybtrækkes emnet, hvorefter det tages ud af pressen og transporteres videre til næste procestrin. Udstandsede rondeller Indføring af rondel Påføring af smøremiddel Dybtrækning Udtagning af kop Kopper til renskæring Råmateriale på coil Figur 7.4: Dybtrækningsprocessen. Kopper til renskæring På figur 7.5 ses et oversigtsbillede af procestrinnet. Selve pressen er placeret centralt i proceslinjen, mens øvrige dele er monteret på en ramme bestående af aluminiumsprofiler. Profilerne stammer fra Bosch Rexroths produktkatalog [17] og er valgt, således Færdig sæbedispenser at færdiglavede montagebeslag, afskærmningselementer Beholdertop og lignende kan inddrages i Rondeller Rondeller Samlet beholder Montage af fremstilles og udstandses dybtrækkes til kop børstes pumpe konstruktionen. Valget af standardkomponenter monteres evt. letter desuden eventuel sammenbygning med andre procestrin. De pneumatiske cylindre fra Festo [18] er valgt på grund firmaets renommé som producent af højkvalitetsprodukter, hvilket er vigtig i forhold til stabiliteten af proceslinjen. I det følgende præsenteres den valgte konstruktion, og centrale områder af procesudstyret beskrives i forhold til funktion og designmæssige overvejelser. 68

77 KAPITEL 7. PROCESLINJE Pr e s s e Ol i e dys e Vær kt øj Ronde l f øde r Lys bom Tr ans por t bånd Ramme Tr ans f e r e nhe d Kas s at i ons s kakt e Figur 7.5: Dybtræksprocestrin. Ronde l ma ga s i n Ronde l Ronde l f øde r Figur 7.6: Rondelføder. 69

78 7.2. KONSTRUKTION Rondelføder Første led i processen er en buffermekanisme til rondeller fra stanseprocessen. Denne funktion udføres af en rondelføder som er vist på figur 7.6. Denne delkomponent er designet, så den kan modtage rondeller løbende fra stansemaskinen. Ydermere er rondelføderen konstrueret således, at der er mulighed for, at udstansningen kan ske centralt, hvorefter rondellerne transporteres til den enkelte linje i et antal aftagelige magasiner, som kan monteres på føderen og skiftes løbende som vist på figur 7.6. Fødemekanismen er designet således, at en slæde, med samme tykkelse som rondellerne, skubber den nederste rondel i magasinet ud af stakken og op mod et stop, således at den ligger klar til afhentning i en kendt position. Dette er vist på figur Figur 7.7: Rondelfødesekvens. 1) Rondellen skubbes ud. 2) Slæden køres tilbage. 3) Rondellen er klar til opsamling, og en ny rondel falder ned foran slæden. Transfermekanisme Rondellen placeret af slæden overføres til pressen af en transfermekanisme med to arme, som vist på figur 7.8. Den venstre arm på figuren er udstyret med en sugekop til håndtering af rondeller, mens der på højre arm er placeret en gribeklo til udtagning af de dybtrukne, kopformede emner fra pressen. Før transporten løftes emnerne fri af underlaget vha. robotarmene og flyttes til destinationen, hvor de sænkes ned på underlaget. Gribesystemet er monteret på to indbyrdes forbundne slæder, som styres af cylindrene C6 og C7, der er vist på figur 7.8. Disse cylindre er serieforbundne via en tredje slæde placeret mellem gribearmene, hvorved systemet har mulighed for at indtage tre positioner i vandret plan: Første position er vist på figur Her er begge cylindre er tilbage, og der tages en rondel fra føderen samtidig med, at der gribes om det dybtrukne emne i pressen. Anden position er vist på figur Her er begge cylindre er fremme, og rondellen placeres i pressen samtidig med, at det færdige emne placeres på et 70

79 KAPITEL 7. PROCESLINJE Rondelholder Kopholder C4 C1 C7 C2 C6 Midterslæde Figur 7.8: Transferenheden set i vandret plan fra pressens placering. transportbånd, hvor det bryder en lysbom. Sidstnævnte for at sikre at den trukne kop er fjernet fra pressen, så værktøjet ikke ødelægges ved næste træk. Den tredje position er vist på figur og er en venteposition, hvor kun den ene cylinder er fremme. Denne position antages under selve dybtrækket, således at begge arme er fri af pressen og befinder sig over hver deres kassationsskakt. Figur 7.9: Sugekop. Gribemekanisme Gribemekanismen består af to dele og er monteret på transferenheden. På den ene gribearm sidder en sugekop, der opsamler rondellerne, hvilket er vist på figur 7.9. På den anden arm er monteret en klo, som griber om de dybtrukne kopper så de kan fjernes fra pressen. Dette er vist på figur Smøresystem Som vist på figur 7.12 er der i pressen monteret to dyser, som sprøjter smøreolie på stemplet, tilholdet og rondellens overside. Oliestrømmen tænkes afpasset således, at fladerne smøres tilstrækkeligt uden risiko for, at olietrykket ændrer rondellens placering i værktøjet. På figur 7.12 ses dysernes placering på pressen. 71

80 7.2. KONSTRUKTION Figur 7.10: Transfersekvens. 1) Rondel og kop tages op. 2) Rondellen placeres i pressen, og koppen sættes på transportbåndet. 3) Venteposition. 72

81 KAPITEL 7. PROCESLINJE Figur 7.11: Klo. Oliedyser Figur 7.12: Oliedyse monteret på pressen. 73

82 7.3. STYRING AF PROCESLINJE 7.3 Styring af proceslinje Styring af anlægget beskrevet i afsnit 7.2 foretages vha. en række forskellige fysiske komponenter samt til formålet udviklet software. Udviklingen af styringen sker gennem tre trin: Klarlæggelse af placering og aktuering af de fysiske komponenter. Klarlæggelse af sekvenstrin til senere udvikling af software. Udvikling af software til styring af de klarlagte sekvenstrin Data for aktuatorer og kontakter Som beskrevet i afsnit 7.2 sker aktueringen af proceslinjen primært med cylindre. Alle aktuatorerne er listet i tabel 7.2. For overblikkets skyld er placeringen af aktuatorerne vist på figur Forkortelserne i ballonerne relaterer til forkortelserne angivet i tabellerne 7.2 og 7.3. Aktuatorer Navn Type Placering Formål Cylinder 1 (C1 ) Dobbeltvirkende På robotarm 1 Skyde robotarm 1 op og ned Cylinder 2 (C2 ) Dobbeltvirkende På robotarm 2 Skyde robotarm 2 op og ned Cylinder 4 (C4 ) Enkeltvirkende På kloen på Åbne kloen m. fjederretur robotarm 2 Cylinder 5 (C5 ) Dobbeltvirkende I bunden af Skubbe en rondel ud af rondelføderen rondelføderen Cylinder 6 (C6 ) Dobbeltvirkende Til venstre for Skyde robotarmene fra translationsskinnen pos. 1 til pos. 3 Cylinder 7 (C7 ) Dobbeltvirkende På første skinnevogn Skyde robotarmene fra pos. 3 til pos. 2 Oliespray Ved pressen Oliere hhv. værktøj og blanket Sugekop På robotarm 1 Løfte rondel ved konstant sug Lysbom Horisontal lysstråle Over transportbåndet Forårsage nødstop ved manglende kop i kloen Tabel 7.2: Oversigt over aktuatorer i systemet. Desuden tænkes der monteret en række kontakter, som bruges i forbindelse med styring af proceslinjen. Kontaktnavnene er opbygget efter et princip om, at kontakter begyndende med CC tilhører en cylinder. Slutter et kontaktnavn eksempelvis med B, betyder det, at denne kontakt er aktiveret, når den tilhørende cylinder står i sammentrukket position. Slutter kontaktnavnet på F, er kontakten placeret således, at den er aktiveret, når cylinderen er skudt frem. Dette er vist for cylinder C6 på figur

83 KAPITEL 7. PROCESLINJE Lyssensor Lys C4 Oliespray CB C2 C7 C6F C6B C6 C1 C5 Sugekop Figur 7.13: Placeringen af aktuatorerne fra tabel 7.2. Aktuatorerne er i cirkler. Kontakter er i kasser. 75

84 7.3. STYRING AF PROCESLINJE Kontakten Gitter er placeret, så den returnerer sand, hvis gitteret er lukket. En oversigt over alle kontakter er givet i tabel 7.3. Hele proceslinjen er designet, så den kan betjenes via et panel bestående af knapperne nævnt i tabel 7.4. Kontakter Navn Placering Betydning hvis sand CC1B Ved cylinder 1 s tilbage-position Cylinder 1 er tilbage CC1F Ved cylinder 1 s frem-position Cylinder 1 er skudt frem CC2B Ved cylinder 2 s tilbage-position Cylinder 2 er tilbage CC2F Ved cylinder 2 s frem-position Cylinder 2 er skudt frem CC5B Ved cylinder 5 s tilbage-position Cylinder 5 er tilbage CC5F Ved cylinder 5 s frem-position Cylinder 5 er skudt frem CC6B Ved cylinder 6 s tilbage-position Cylinder 6 er tilbage CC6F Ved cylinder 6 s frem-position Cylinder 6 er skudt frem CC7B Ved cylinder 7 s tilbage-position Cylinder 7 er tilbage CC7F Ved cylinder 7 s frem-position Cylinder 7 er skudt frem CPR Ved pressens cylinder Cylinder er returneret efter trækning CB Ud for bunden af rondelføderen Der er rondeller i rondelføderen Lyssensor Over transportbåndet Lysstrålen er ikke brudt Gitter I gitterlåger Sikkerhedsgitteret er lukket Tabel 7.3: Oversigt over kontakter i systemet. Betjeningsknapper Navn Type Funktion Start 1-positions trykknap Start systemet Quit 2-positions trykknap Afbryd systemet efter næst trukne kop Nødstop 1-positions trykknap Nødstop systemet momentant Reset 1-positions trykknap Før systemet tilbage til udgangspositionen Tabel 7.4: Oversigt over betjeningsknapper på frontpanelet. Til alle cylindre er en tilhørende ventil, som eksempelvis for cylinder 1 kan stå i positionerne C1+ og C1. Betydningen heraf, samt forklaring på systemets resterende output, kan ses i tabel

85 KAPITEL 7. PROCESLINJE Output Navn Tilkoblet aktuator Funktion C1+ Cylinder 1 Skyde cylinder 1 frem C1- Cylinder 1 Skyde cylinder 1 tilbage C2+ Cylinder 2 Skyde cylinder 2 frem C2- Cylinder 2 Skyde cylinder 2 tilbage C4 Cylinder 4 Skyde cylinder 4 frem C5+ Cylinder 5 Skyde cylinder 5 frem C5- Cylinder 5 Skyde cylinder 5 tilbage C6+ Cylinder 6 Skyde cylinder 6 frem C6- Cylinder 6 Skyde cylinder 6 tilbage C7+ Cylinder 7 Skyde cylinder 7 frem C7- Cylinder 7 Skyde cylinder 7 tilbage Oil Oliespray Spraye olie ved aktiv-signal Sug Sugekop Suge luft i sugekoppen Lysbom Lysbom Tænde lysstrålen i lysbommen Tabel 7.5: Oversigt over output i systemet Styringssekvenser I dette afsnit beskrives i hvilke sekvenser robotsystemet, der er beskrevet i afsnit 7.2, bevæger sig. Som en fast reference for systemet er en udgangsposition defineret. Systemet står i sin udgangsposition, hvis følgende betingelser er opfyldt: Begge robotarme er kørt helt op. Robotarmene står i position 3, jf. nummereringen i afsnit 7.2. Sugekoppen er ikke aktiveret. Kloen er ikke-aktiv, dvs. den står lukket. Der er hverken en blanket eller kop i pressen. Sekvenserne i proceslinjen kan overordnet set inddeles i fem forskellige stadier: Klar, Normalsekvens, Afslutningssekvens, Nødstop og Resetsekvens. Stadierne, deres indbyrdes sammenhæng og betingelserne for overgang imellem disse fremgår af figur Som udgangspunkt står systemet stille i stadiet Klar. Ved tryk på start påbegyndes produktionen ved at igangsætte Normalsekvens. Heri henter transfermekanismen rondeller, lægger dem i pressen, og fjerner dem igen efter dybtrækningen. Den afsluttes, når der ikke er flere rondeller, eller ved tryk på quit, hvis man ønsker at lukke proceslinjen ned. I Afslutningssekvens flyttes sidst trukne kop til transportbåndet, hvorefter stadiet Klar atter opnås. 77

86 7.3. STYRING AF PROCESLINJE Klar Start Stop Nødstop Reset Afslutningssekvens Ingen rondeller Normalsekvens Gribe fejl Nødstop Nødstop Resetsekvens Nødstop Figur 7.14: Sammenhængene mellem de forskellige overordnede sekvenser, som proceslinjen arbejder i. Røde kasser markerer de stillestående stadier, og blå kasser markerer de tre stadier med aktivitet. De anførte hændelser definerer overgangene mellem de forskellige stadier. Klar N1: Kør robotarmene til pos. 1, kør rondel ud N2: Opsamling af kop og rondel N3: Kør robotarmene fra pos. 1-3, olier værktøj undervejs N5: Kør robotarmene til pos. 2, olier blanket og dybtræk Normalsekvens Q1: Kør robotarmene til pos. 1, opsamling af kop Q2: Kør robotarmene til pos. 3, nedsætning af kop Q3: Kør robotarmene til pos. 2 Nødstop I tilfælde af ulykker eller at kloen laver en gribefejl, som kan medføre risiko for, at koppen stadig ligger i pressen, påbegyndes stadiet Nødstop, hvori alt står stille. Ved tryk på Reset returnerer systemet til udgangspositionen og fortsætter ind i Klar. Sekvensopbygning R1: Kør robotarmene op R2: Kør robotarmene til pos. 2 I de stadier med aktivitet, dvs. Normal-, Afslutnings- og Resetsekvens er arbejdsgangen som vist i figurerne 7.15, 7.16 og I det efterfølgende afsnit beskrives hvordan sekvensstyringen af dette opbygges. Proceslinjens bevægelse R3: Slip kop og sug N4: Nedsætning af kop og Som Klar Klar rondel demonstration af normalsekvensen er dens fem hovedsekvenser fra figur 7.15, illustreret i tabel

87 Klar Klar Klar KAPITEL 7. PROCESLINJE Start Start Start Stop Stop Stop Nødstop Nødstop Nødstop Reset Reset Reset Afslutningssekvens Normalsekvens Normalsekvens Nødstop Nødstop Nødstop Resetsekvens Resetsekvens Resetsekvens Ingen Ingen Ingen Gribe fejl Gribe fejl Gribe fejl Nødstop Nødstop Nødstop rondeller rondeller rondeller Nødstop Nødstop Nødstop Klar Klar Klar Normalsekvens Normalsekvens Nødstop Nødstop Nødstop N1: Kør N1: robotarmene Kør N1: robotarmene Kør robotarmene til pos. til 1, pos. til 1, pos. 1, kør rondel kør rondel udkør rondel ud ud Q1: Kør Q1: robotarmene Kør Q1: robotarmene Kør robotarmene til til til pos. 1, pos. opsamling 1, pos. opsamling 1, af opsamling kopaf kop af kop R1: Kør R1: robotarmene Kør R1: robotarmene Kør robotarmene op op op N2: Opsamling N2: Opsamling N2: af Opsamling kop af og kop og af kop og rondel rondel rondel Q2: Kør Q2: robotarmene Kør Q2: robotarmene Kør robotarmene til til til pos. 2, pos. nedsætning 2, pos. nedsætning 2, nedsætning af kopaf kop af kop R2: Kør R2: robotarmene Kør R2: robotarmene Kør robotarmene til til til pos. 3pos. 3 pos. 3 N3: Kør N3: robotarmene Kør N3: robotarmene Kør robotarmene fra pos. fra pos. fra pos. 1-2, olier 1-2, værktøj olier 1-2, værktøj olier undervejs værktøj undervejs undervejs Q3: Kør Q3: robotarmene Kør Q3: robotarmene Kør robotarmene til til til pos. 3pos. 3 pos. 3 R3: Slip R3: kop Slip R3: og kop sug Slip og kop sugog sug N4: Nedsætning N4: Nedsætning N4: Nedsætning af kop af og kop og af kop og rondel rondel rondel Klar Klar Klar Klar Klar Klar N5: Kør N5: robotarmene Kør N5: robotarmene Kør robotarmene til pos. til 3, pos. til 3, pos. 3, olier rondel olier blanket olier og dybtræk blanket og dybtræk og dybtræk Figur 7.15: Normalsekvensen gentager sig selv indtil der afsluttes, nødstoppes eller der ikke er flere rondeller, som set på figur Figur 7.16: Afslutningssekvensen har til formål at viderebringe sidste emne, uden at forsøge at lægge et nyt i pressen. Figur 7.17: Resetsekvensen, som kun kan tilgås efter nødstop, bringer procesanlægget tilbage til udgangspositionen, og sætter systemet i stadiet Klar. 79

88 7.3. STYRING AF PROCESLINJE Nr. Handlinger Billeder N1 Rondelføder frem R1+R2 tilbage Rondelføder tilbage Åben klo N2 R1ned R2 ned Sug Luk klo Hæv R1 Hæv R2 N3 R1 + R2 frem Giv værktøj olie R1+R2 frem Kontrol af lysbom Tabel 7.6: Proceslinjens bevægelse under de forskellige hovedsekvenser. 80

89 KAPITEL 7. PROCESLINJE N4 R1ned R2 ned Stop sug Åben klo Hæv R1 Hæv R2 N5 R1+R2 tilbage Olie på blanket Dybtræk Tænd lysbom Tabel 7.7: Proceslinjens bevægelse under de forskellige hovedsekvenser. 81

90 7.4. UDVIKLING AF SOFTWARE 7.4 Udvikling af software I det følgende afsnit udvikles softwaren til styring af de i afsnit 7.3 fastlagte sekvenser Konstruktion af sekvensstyring Styringen af robotsystemet beskrevet i afsnit 7.3.2, er valgt foretaget vha. sekvensstyring. En sekvensstyring er en serie af styreaktioner foretaget i en bestemt rækkefølge. Styreaktionerne består af en eller flere informationer, som beordrer en eller flere bestemte aktioner. Denne styring kan meget nærliggende foretages vha. en PLC (Programmable Logic Controller). En PLC er en lille computer specielt konstrueret til løsning af industrielle styringsopgaver. Det centrale i en PLC er en CPU med tilhørende program- og datalager. Disse er forbundet med et input- og et outputmodul, hvilket gør det muligt at hhv. ind- og udlæse data til og fra CPU en. PLC en arbejder i en cyklus, som starter med at en række inputsignaler indlæses i inputmodulet. Herefter udlæses outputtene fra forrige programgennemløb, hvorefter den definerede programsekvens gennemløbes igen med de nye input og generer tilhørende nye outputs. Herfra starter løkken forfra og kører i ring, indtil en stopknap eller lignende indikerer, at den skal stoppe. Dette er skitseret på figur I/O-scanner Inputtene indlæses og de beregnede output fra det netop overståede programgennemløb udlæses Program start Program gennemløb Program slut Figur 7.18: Arbejdscyklus for en PLC. Frit efter Heilmann [19]. Inputtene til PLC en vil typisk være et boolsk sandt/falsk signal fra en kontakt, som fortæller hvorvidt denne er tændt eller ej. De tilhørende output vil være boolske signaler, som bruges til at aktivere eller deaktivere en given aktuator. Det kunne f.eks. være et sandt/falsk, som fortæller en ventil, hvorvidt denne skal åbne eller lukke for luften til en cylinder. Princippet i sekvensstyring er opbygget således, at man vha. velplacerede kontakter kan bestemme tilstanden af et givet system, og på baggrund heraf kontrollere hvordan det skal bevæge sig over i en ny tilstand, vha. simpel programmering. 82

91 KAPITEL 7. PROCESLINJE Programkoden til en PLC vil typisk være givet i form af et ladderdiagram. Et ladderdiagram er en stigelignende struktur af boolske ligninger, som definerer de ønskede outputs udfra systemets tilstand. Diagrammet læses trin for trin, oppefra og ned. Hvert stigetrin består af en strømvej, en række kontakter (input) og et output som vist på figur Disse stigetrin er hver især semantisk identiske med en boolsk ligning. De to trin på figur 7.19 kan således fuldstændig analogt formuleres algebraisk ved følgende to boolske ligninger: M1 = (A + S) B (7.1) F 1 = M1 C (7.2) hvor stregen over C indikerer at der er tale om en boolsk NOT-kontakt. I eksemplet er det endvidere udnyttet, at et output i et stigetrin godt kan bruges som input i et senere trin. A S B M1 M1 C F1 Figur 7.19: Opbygningen af et ladderdiagram. Ladderdiagrammer kan bestå af mange på hinanden følgende trin, som de to viste på denne figur. Konstruktionen af selve ladderdiagrammet kan gribes an på forskellige måder. Er der tale om et simpelt system med kun få aktuatorer og kontakter i en forholdsvis simpel sekvens, vil man typisk opstille vej-tid diagrammer for de enkelte aktuatorer. Herefter kan man analysere sig frem til kontakternes konfigurationer til alle tider og herudfra opstille de nødvendige boolske ligninger, der så konverteres til ladderdiagrammer. Ved mere komplekse systemer bliver denne metode imidlertid uoverskuelig. Derfor findes en række alternativer, som er mere velegnede til at løse større styringsopgaver. Da proceslinjen til fremstilling af koppen indeholder relativt mange aktuatorer og kontakter, og gennemløber en forholdsvis kompleks sekvens, indeholdende komplicerede stadier som nødstop og resetfunktion, er det hensigtsmæssigt at bruge en af disse alternative metoder. Det er her valgt at opbygge styringen vha. Sequential Flow Charts (SFC), også kaldet Grafcet-diagrammer Grafcet-diagrammer I det følgende beskrives princippet bag anvendelsen af Grafcet-diagrammer i sekvensstyring. Det demonstreres hvordan disse er opbygget, samt hvorledes de konverteres til ladderdiagrammer. Ideen med Grafcet-diagrammer er at opdele hele styringen i en række faser, som så gennemløbes i kontrolleret rækkefølge. En fase kendetegnes ved en helt bestemt 83

92 7.4. UDVIKLING AF SOFTWARE konfiguration af kontakter og aktuatorer samt en tilhørende handling. Overgangen imellem de definerede faser styres vha. overgangsbetingelser. Systemet bliver således i en given fase, indtil overgangsbetingelsen til den næste fase er sand, hvorefter det bevæger sig over i denne. Et Grafcet-diagram viser, i hvilken rækkefølge disse faser indtræffer og hvilke overgangsbetingelser, der definerer skiftene imellem faserne. Et lille udklip af et sådant diagram er vist på figur Fasenavn F4,1 R1 ned N C1- CC1B Titel/beskrivelse Overgangsbetingelse Handlingstype F5,1 F6,1 R1 sug S Sug Hæv R1 D t=2s, C1+ Handling Fase CC1F Figur 7.20: Udsnit af et Grafcet-diagram med markering af de centrale elementer heri. Som nævnt er der til hver fase knyttet en bestemt handling. Denne handling udføres indtil systemet løber videre over i en ny fase. Hvordan handlingen udføres afhænger af handlingstypen. Der findes en lang række forskellige handlingstyper. De der er fundet relevante for dette projekt er: N = Non-stored; udfører en handling mens fasen er aktiv. S = Set; sætter en handling konstant aktiv, indtil den afbrydes i en anden fase. R = Reset; nulstiller en handling, der tidligere er sat aktiv med Set-funktionen. D = Delayed; udfører en handling med forsinkelse iht. den definerede tid t. L = Limited; udfører en handling i et givet tidsrum t. Handlingen ophører, når den definerede tid er udløbet. P = Pulse; eksekverer en handling en enkelt gang pr. fase. Hvorledes handlinger og handlingstyper angives i Grafcet-diagrammet, er vist på figur Undervejs i Grafcet-diagrammet kan det være nødvendigt at vælge mellem alternative sekvenser eller at udføre parallelle sekvenser. Valg af alternative sekvenser indikeres ved en forgrening som illustreret på figur Her vælger systemet blot den gren 84

93 KAPITEL 7. PROCESLINJE hvis overgangsbetingelse indtræffer først. Udførelse af parallelle sekvenser indikeres med to horisontale streger som vist på figur Når systemet løber ned (antag at systemet løber oppe fra og ned) i dette symbol, venter det med at gå videre til fasen/faserne derunder, indtil alle grene, som løber oppefra og ned, i symbolet er løbet derned, hvorefter det eksekverer alle grene, som løber derfra parallelt. Symbolet bruges således både til at lave forgreninger og samlinger i systemet alt afhængigt af, hvor mange grene der kobles til og fra symbolet. F11 Vent F11 Vent C1B C1F F12,1 Sænk R1 N C1- F12,2 Sænk R2 N C2- F12,1 Sænk R1 N C1- F12,2 Sænk R2 N C2- Figur 7.21: Valg af alternative sekvenser. Figur 7.22: Parallelle sekvenser. Grafcet-diagrammet giver således et godt overblik over styringen som helhed, fasernes rækkefølge, hvad der findes af parallelle og alternative sekvenser samt hvilke overgangsbetingelser, der forårsager de enkelte overgange. Det faktum, at Grafcetdiagrammet er fasebaset, åbner op for, at man kan dele sin styring op i underprogrammer. Dette viser sig meget nyttigt i mere komplekse systemer. Som en sidste bemærkning bør det nævnes, at ethvert (under)program skal starte i en initialiseringsfase (markeret med dobbeltoptrukket ramme i de fremstillede Grafcetdiagrammer), og at der ikke må være nogle løse grene. Dvs. systemet skal også ende i en konkret fase (ofte føres den tilbage til initialiseringsfasen) Omsætning fra Grafcet- til ladderdiagram Når de enkelte faser er klarlagt og opstillet i et Grafcet-diagram, er næste trin at omsætte dette til et ladderdiagram som PLC-softwaren kan forstå. Denne proces følger en fast algoritme bestående af to trin: Programmer faserne. Programmer outputtene hørende til hver enkelt fase. Et eksempel på programmering af faserne er skitseret i figur Betragtes f.eks. fasen F 2 ses det, at denne aktiveres af det faktum, at den forrige fase (F 1) er aktiv, samtidig med at overgangsbetingelsen CF bliver sand, og den næste fase (F 3) endnu ikke er det. Når stigetrinet er gennemløbet første gang, er den aktuelle fase (F 2) aktiv, og ved næste gennemløb sikrer den nedre af de parallelle strømveje, at fasen forbliver aktiv selv om forrige fase slukkes. Når overgangsbetingelsen CB til næste fase (F 3) bliver sand, og systemet bevæger sig herned, sikrer NOT-kontakten (F 3), at forrige fase slukkes. 85

94 7.4. UDVIKLING AF SOFTWARE Hver fase fungerer således som et hukommelseselement, der sættes aktivt når overgangsbetingelsen fra forrige bliver sand og nulstilles ved, at systemet bevæger sig over i næste fase. S F2 F1 F1 F1 CF F3 F2 F2 F2 CB F4 F3 F3 Figur 7.23: Programmering af faserne i et Grafcet-diagram. Programmeringen af handlingerne tilhørende de enkelte faser er væsentligt simplere. Dette gøres, som vist på figur 7.24, blot ved at definere hvilket output, der skal gives, når den enkelte fase er aktiv, uden brug af yderligere kontakter. F1 F2 C1+ C1- Figur 7.24: Programmering af handlingerne hørende til de enkelte faser. At faser og handlinger programmeres hver for sig gør, at et ladderdiagram, konstrueret udfra et Grafcet-diagram, hurtigt bliver meget omfattende. Fordelen ved metoden er, at alle faser opbygges som hukommelseselementer. Dette sikrer, at systemet følger den ønskede vej igennem Grafcet-diagrammet, uden risiko for at systemet pludselig springer til en uønsket fase med samme konfigurationer af kontakter. Enhver fase er på denne måde unik, og man har derfor altid fuldstændig styr på, hvor alle aktuatorer befinder sig, hvilke output der gives samt hvordan og hvorhen systemet bevæger sig herefter Udvikling af aktuel styring Da styringen beskrevet i afsnit er af betragtelig kompleksitet, vælges det som tidligere nævnt at udvikle denne vha. Grafcet-diagrammer. Grafcet-diagrammet konstrueres på baggrund af de fem hovedstadier vist på figur Disse fem stadier giver i det overordnede Grafcet-diagram hver især anledning 86

95 KAPITEL 7. PROCESLINJE til et underprogram, som nævnt i forrige afsnit, med den på figur 7.14 illustrerede kobling. Underprogrammerne for de to stillestående stadier (klar og nødstop) består hver især af blot en enkelt fase. De tre aktive stadier (normal-, afslutnings- og resetsekvens) er derimod hele sekvenser bestående af mange faser. Stadierne opdeles først hver især i delsekvenserne hhv. N1-N5, Q1-Q3 og R1-R3, som skitseret på figurerne 7.15, 7.16 og Hermed er de overordnede linjer, for hvordan systemet skal bevæge sig, trukket. For nu at omsætte dette til et Grafcet-diagram, skal hver af disse sekvenser opdeles i de relevante faser, og overgangene herimellem skal defineres. Herefter sættes delsekvenserne sammen med den rette brug af alternative sekvenser, forgreninger og samlinger, jf. afsnit Dette er gjort for normal- og afslutningssekvensen på tegning 6 i tegningsmappen og ligeledes for resetsekvensen på tegning 7 i tegningsmappen. Overgangen til nødstopstadiet fra de tre aktive hovedsekvenser er lavet således, at det fra enhver fase er muligt at trykke nødstop, hvorefter vil systemet øjeblikkeligt bevæge sig over i nødstopstadiet og stå stille. Systemet vil ligeledes bevæge sig over i nødstopstadiet, hvis sikkerhedsgitteret åbnes. Dette er for overskuelighedens skyld ikke anført på Grafcet-diagrammerne, men som det senere skal vises, er det implementeret i den konstruerede styring. Desuden findes undervejs i diagrammerne en række specielle forhold som kræver lidt videre forklaring: Ventefaser: Det har forskellige steder været nødvendigt at indsætte inaktive ventefaser for at undgå uhensigtsmæssige forhold. På den måde sikres det f.eks., at der lukkes for lufttilførslen, når en given cylinder er skudt frem. Knudepunkter: Knudepunkterne er inaktive faser, der fungerer som samlings- og/ eller forgreningspunkter for alternative sekvenser i diagrammet. Lysbom: Lysbommen er implementeret således, at hvis signalet til lysbommens sensor ikke afbrydes af en kop inden robotarm 2 kører ned til samlebåndet, vil systemet i stedet gå over i nødstopstadiet; nøjagtig som når der trykkes nødstop. Dette er anført med en pil markeret med "Nødstop". Smøring: Smøring af hhv. værktøj og blanket foregår ved at spraye på disse i et sekund. Tiden på et sekund er bestemt ud fra en subjektiv vurdering, men vil let kunne ændres, hvis dette viser sig hensigtsmæssigt. Sugemekanisme: Sugemekanismen er lavet således, at et konstant sug sættes på ved at sætte outputtet "Sug" til aktiv. Herved holdes rondellen fast indtil "Sug" nulstilles. Klo: Da det er ukendt, hvor lang tid kloen er om at hhv. gribe og slippe en kop, er der indført et sekunds forsinkelse til begge dele. Også denne tid er vurderet subjektivt, men er let at ændre, hvis det ønskes. Dybtrækning: Selve dybtrækningsprocessen forestilles implementeret ved, at der sendes et pulssignal til pressen, når den skal starte, og denne giver et klar-signal (CPR) tilbage, når den er færdig. 87

96 7.4. UDVIKLING AF SOFTWARE Programmering af aktuel styring Som beskrevet i afsnit kan Grafcet-diagrammerne let omdannes til et ladderdiagram, som kan implementeres i en PLC, hvorved styringen kan udføres. Af interessemæssige årsager er det imidlertid valgt istedet at lave styringen i programmet LabVIEW fra National Instruments. Dette kan gøres vha. toolkittet "NI LabVIEW State Diagram Toolkit" til LabVIEW. Dette toolkit åbner op for, at man i LabVIEW kan opbygge statechart, hvilket er en slags diagram-programmering, der minder meget om Grafcet-diagrammer. På tegning 8 i tegningsmappen ses det store statechart, der er dannet ud fra Grafcet-diagrammerne. I diagrammet ses faserne fra Grafcetdiagrammet i form af kasser med en påtrykt label. Kasserne er navngivet med samme fasenummer som i Grafcet-diagrammet og indeholder de tilhørende handlinger. Det har endvidere undervejs været nødvendigt indsætte diverse inaktive faser. Disse er navngivet med "Inaktiv" samt et vilkårligt tal, hvis eneste formål er at gøre fasenavnet unikt. Overgangsbetingelserne fra Grafcet-diagrammet er markeret med små pile påført en label der angiver den relevante kontakt. Parallelle sekvenser er dannet vha. "superfaser" med indbyggede "underfaser" og en "samlingsbar". Desuden er der ved indgange i hhv. statechartet og underfaser brugt "initialfaser". Desuden findes der i statechartet en "terminalfase". Denne er ikke implementeret i styringen, men skal være der af programmeringsmæssige årsager. Alle de brugte symboler er vist i figur Superfase Fase Overgangsbetingelse Lokal initialfase 1 Lokal initialfase 2 Underfase 1 Underfase 2 Overgang uden betingelse Samlingsbar Initialfase Terminalfase Figur 7.25: Oversigt over symboler brugt i statechartet. Statechartet er herefter hentet ind i et almindelig blokdiagram i LabVIEW vha. det omtalte toolkit. Blokdiagrammet er vist på tegning 9 i tegningsmappen. Desuden findes LabVIEW-programmet på CD en i appendiks C med navnet "Cyl. frem Caller VI.vi". Programmeringen i LabVIEW vil i praksis betyde, at en computer vil foretage signalbehandlingen og kommunikere med kontakter og ventiler i procesanlægget gennem et NI datakort. Dermed bliver PLC en overflødig. I takt med udviklingen på 88

97 KAPITEL 7. PROCESLINJE IT-markedet bliver det mere og mere udbredt at implementere styringen på denne måde. Alternativt kan programmet downloades til en CompactRio fra National Instruments. CompactRio en udmærker sig ved, at den er opbygget af microchips med en masse programmerbare transistorer påsat. Dette gør at LabVIEW-programmer, kan omdannes til at køre direkte fra hardware i stedet for via. software. Fordelene ved dette er bl.a. at der opnås et væsentligt mere stabilt system, samtidig med at programmet kan eksekveres i realtid, hvilket giver væsentligt hurtigere og mere præcise responstider. Sidstnævnte er for den konstruerede styring ikke af stor betydning, idet den er sekvensbaseret, men det er dog stadig et interessant aspekt. Brugen af LabView giver endvidere mulighed for at emulere proceslinjen igennem SolidWorks, ved at opbygge et LabVIEW-SolidWorks interface til kommunikation imellem de to programmer. Dette vil være et særdeles stærkt værktøj ved validering af sekvensstyringen, til at undersøge hvorvidt proceslinjens design opfylder eventuelle ønsker om hastighed, præcision osv. samt til eliminering af diverse uforudsete systemfejl. Det er i dette projekt lykkes at etablere forbindelse imellem ældre versioner af LabVIEW og SolidWorks, således at man fra sit LabView-frontpanel kan styre sin SolidWorks-model. Pga. manglende opdateringer fra producentens side 2 er det dog desværre ikke lykkedes at oprette forbindelse imellem nyere versioner af de to programmer, hvorfor det desværre ikke har været muligt at emulere styringen af den konstruerede proceslinje. 7.5 Sikkerhed Ved implementering af en maskine i en proceslinje, er der visse sikkerhedskrav, som maskinen skal overholde. Disse krav er i første omgang udstedt af EU, hvorefter de fortolkes og implementeres i de enkelte medlemslandes nationale lovgivninger. I Danmark er det arbejdstilsynet, der tager sig af den slags. Ved implementering af maskinen skal reglerne i Maskindirektivet 98/37/EF overholdes. Disse regler er af arbejdstilsynet fortolket i Bekendtgørelse om indretning af tekniske hjælpemidler juni 1994 (herefter benævnt AT 561 ). I 2006 blev et nyt maskindirektiv vedtaget i EU, men da disse regler først træder i kraft , er det stadig bekendtgørelse AT 561, der anvendes[20]. At maskinen i proceslinjen er indbefattet af AT 561, ses i 2 stk. 1a som involverer maskiner der anvendes ved forarbejdning af et produkt, samt 1c da maskinen tjener til udførelsen af en teknisk proces[21]. Da maskinen består af en række indbyrdes forbundne dele eller anordning, hvoraf mindst én er bevægelig, er maskinen tilhørende under AT 561, bilag 8. Dermed hører maskinen til under AT 561 kap. 2 som omhandler CE-mærkede maskiner og sikkerhedskomponenter. I henhold til 7 skal maskinens indretning opfylde de væsentlige sikkerheds- og sundhedskrav, der er fastsat i bilag 1. Da bilag 1 indeholder et væsentlig antal forhold, der skal overholdes, er disse, samt løsning herpå, listet op i tabel Ifølge National Instruments vil de nødvendige opdateringer ligge klar i sidste halvår af

98 7.5. SIKKERHED Tabel 7.8: Sikkerhedskrav jf. AT 561 bilag 1. Punkt Tekst Løsning Styresystemet skal være kon- Betjeningen foregår med 4 knapper. strueret således der ikke op- Start, reset, quit, nødstop. Dette medstår farlige situationer. fører en overskuelighed, som gør at farlige situationer er meget usandsynlige Betjeningsanordninger skal Betjeningspanelet placeres uden for være tydelige og anbragt så- sikkerhedsafskærmningen, der ledes der ingen ekstra fare er omkranser maskinen. Dermed kan ved betjening maskinen startes og stoppes uden fare Igangsætning må kun ske ved At maskinen kun kan startes ved en en bevidst handling. bevidst handling, sikres ved, at der i afskærmningen er placeret en kontakt, således at maskinen går i nødstop-mode, når lågen står åben Stopanordninger skal på På maskinens betjeningspanel findes betryggende vis bringe maskinen både en almindelig stopknap quit og til standsning. en nødstopknap. Derudover er der på maskinen placeret en nødstopknap. Maskinens styresystem sikre, at maskinen forbliver i nødstop, indtil der trykkes reset. Nødstoppet er desuden sikret med nøgle, hvilket vil sige, at knappen skal låses op, hvis den har været trykket ind. Dermed sikres mod utilsigtet aktivering af maskinen efter nødstop Svigt i energitilførslen. Afbrydelse Ved strømsvigt går maskinen i nødstopog genetablering må ikke skabe mode. Dermed deaktiveres sugekoppen farlige situationer. og maskinen smider rondellen, hvis den netop har taget en. Da rondellerne ikke er særligt store, betragtes disse ikke som værende til fare Svigt i styringskredsløbet Ved svigt i styringskredsløbet, er der sikret mod skade ved, at maskinens bevægelige dele er omkranset af en afskærmning Dermed kan der ikke ske skade på personer eller udstyr Maskinen skal være konstrueret Maskinen boltes fast til gulvet, hvilket sikre således, at den under forventet at maskinen ikke kan foretage uforudsete anvendelse er uden fare for at bevægelser. vippe eller vælte Brudfare ved betjening Maskinen efterses med jævne mellemrum, for at sikre at der ikke er sket uforudset slid, brud eller begyndende revnedannelse Risici i forbindelse med gen- Da maskinens bevægelige dele er standes fald og udslyngning omkranset ef en afskærmning, vil en evt. udslyngning blive standset af skærmen Risici i forbindelse med over- Under maskinen design er der taget flader, kanter og hjørner. hensyn til, at der ikke fremkommer spidse eller skarpe kanter og hjørner Forebyggelse af risici i For at sikre at der ikke sker utilsigtet forbindelse med bevægelige kontakt med maskinen med skade til følge, dele. er maskinens bevægelige dele skærmet af. I denne afskærming er monteret en dør, således der kan skabes adgang til maskinen. I denne dør er monteret en kontakt, som deaktiverer (nødstopper) maskinen hvis døren åbnes. Fortsat på næste side 90

99 KAPITEL 7. PROCESLINJE Tabel 7.8 Fortsat fra forrige side Punkt Tekst Løsning Valg af beskyttelse mod risici i Som nævnt i pkt omkranses forbindelse med bevægelige bevægelige dele af en afskærmning, dele. der sikre mod enhver unødig kontakt med maskinen Generelle krav. Afskærmningen Afskærmingen er fastmonteret på skal være solidt fremstillet og maskinens ramme. må ikke kunne forårsage yderligere risici Faste afskærmninger skal Som nævnt i pkt , sikres affastholdes solidt. De skal ikke skærmningen ved fastgørelse til kunne fjernes uden brug af maskinens ramme. værktøj Beskyttelsesanordninger skal Dette sikres ved, at montere en kontakt i være konstrueret og indpasset skærmlågen, således nødstop aktiveres. i styresystemet, således at Denne dør skal holdes åben, så længe igangsætning ikke er mulig, operatøren arbejder med maskinen. så længe operatøren har mulig- Nødstopknappen kan også aktiveres. hed for at nå maskinen Risici der skyldes elektrisk Alle elektriske monteringer skal være energi. udført solidt og korrekt Risici som følge af Montering af værktøj må kun udføres af monteringsfejl. dertil uddannet personel. Disse skal have sat sig grundigt ind i værktøjets vejledning inden påbegyndelse af monteringen Vedligeholdelse af maskinen På lige fod med pkt , skal der ved vedligeholdelse sikres, at maskinen ikke starter utilsigtet. Dette sikres ved at døren holdes åben, hvorved nødstoppet holdes aktiveret, og/eller nødstop knappen aktiveres Informationsudstyr. Information Betjeningspanelet består af 4 knapper. der er nødvendig for sikker Disse knapper er monteret med tydelig skrift. betjening, skal være entydig og let forståelig. Når maskinen er afskærmet, kan det være problematisk at føde maskinen med rondeller. Der er derfor monteret en låge i afskærmningen, således der kan komme rondeller ind. Når de færdige produkter kommer ud af maskinen, placeres de på et transport bånd. Dette kræver at der er et hul i gitteret, hvor transportbånd og produkter kan komme igennem. Hullet i gitteret må dog heller ikke være større end nødvendigt. For at sikre ordentlig tilgang i forbindelse med reparation eller anden vedligeholdelse, er der bag maskinen placeret et metalgitter. Dette gitter er monteret fast i gulvet, men kan afmonteres med værktøj. Ved afmontering skal nødstopknappen være aktiveret, således utilsigtet igangsætning af maskinen ikke forekommer. 91

100 Konklusion 8 Der er i rapporten udarbejdet en analyse af sæbedispenseren. Denne analyse er delt op i to hovedgrupper. Én med fokus på pumpen og én der beskæftiger sig med metalbeholderen, hvoraf hovedfokus ligger på metalbeholderen. Pumpens materialesammensætning er analyseret vha. FTIR-spektroskopi. Det blev fundet, at plastemnerne er fremstillet i polypropylen og polyethylen. Endvidere er pumpens funktionsprincip undersøgt og præsenteret. Materialeanalysen af metalbeholderen har vist, at den er fremstillet i austenitisk rustfrit stål af typen AISI 304. Dette er bl.a. konkluderet ud fra tilstedeværelsen af tvillinger, som er opstået ved rekrystallisation og er et typisk karaktertræk for metaller med FCC-gitter. Desuden er grundstofsammensætningen i materialet analyseret vha. SEM-undersøgelse. Denne viser, at stålet er tillegeret 18% krom og 8% nikkel, hvilket er typisk for et austenitisk rustfrit stål. Den simple magnetiske analyse er i god tråd med materialeanalysen og indikerer, sammen med materialeanalysen og opmåling af kopvæggens godstykkelse, at beholderen er dybtrukket. Der er udført en analyse af mulige fremstillingsprocesser, hvor dybtrækning blev udvalgt til viderebearbejdning. Dybtrækningsprocessen er simuleret i FEM-programmet LS-DYNA. Til validering af denne simulering er processen dels studeret ved faststofmekanisk analyse og dels ved en dybtrækning foretaget i et laboratorie. Til dybtrækningen i laboratoriet er der opbygget et dataopsamlingsprogram i LabVIEW, til senere analyse af eksperimentet. FEM-simuleringerne har vist sig at være i overensstemmelse med de faststofmekaniske modeller. Desuden har eksperimentel validering af FEM-modellen vist en klar sammenhæng mellem simulering og praksis. Heraf er det konkluderet, at den opstillede FEM-model er brugbar til simulering af dybtrækningsprocessen i forbindelse med fremstilling af beholderen i henhold til de i rapporten opstillede krav og ønsker. En efterfølgende FEM-simulering af dybtrækning af ferritisk rustfrit stål har vist, at denne ståltype er anvendelig, men at videre plastisk bearbejdning vil være vanskelig uden foregående udglødning. Dette ses af FLD figur 8.2. Endvidere viser figur 8.1, at der kræves en højere stempelkraft sammenlignet med dybtrækning i austenitisk rustfrit stål. Der er udarbejdet et udkast til udformningen af en proceslinje med et detaljeret forslag til designet af procestrinene umiddelbart før og efter dybtrækningen af beholderen. Denne er i vid udstrækning konstrueret af standardkomponenter og er designet med henblik på automatisk produktion. I forbindelse med konstrueringen er Arbejdstilsynets bekendtgørelse AT 561 blevet fulgt, således at Maskindirektivet er overholdt. Der er desuden udarbejdet en sekvensstyring til alle aktuatorer i konstruktionen. Sek- 92

101 KAPITEL 8. KONKLUSION 14 x stål 410 stål 10 F[N] h[m] Figur 8.1: Sammenligning af stempelarbejde for AISI 304 og AISI 410. Figur 8.2: FLD for simulering af dybtrækning i ferritisk rustfrit stål. vensstyringen er udviklet vha. Grafcet-diagrammer og den praktiske implementering er foretaget i LabVIEW. Til dette formål er toolkittet NI LabVIEW State Diagram Toolkit anvendt, hvorved der er gjort en række overvejelser om oversættelsen fra Grafcet-diagrammer til den systemspecifikke implementering. Sekvensstyringen er valideret vha. det tilhørende virtuelle kontrolinterface samt en debugfunktion i selve toolkittet, der giver mulighed for at følge signalvejen gennem diagrammet. 93

102 Litteratur [1] Serope Kalpakjian SS. Manufacturing Engineering And Technology. 5th ed. Prentice Hall; [2] Larsen M. Kursus i materiallære;. Slides fra undervisningen benyttes som kilde. [3] Møller P. Overfladeteknologi; N/A. [4] Conrad Vogel EM Celia Juhl. Metallurgi for Ingeniører. 9th ed. Polyteknisk Forlag; [5] Hertzberg RW. Deformation and fracture mechanics of engineering materials. 4th ed. John Wiley & Sons, Inc.; [6] Tim A Osswald GM. Materials Science of Polymers for Engineers. 2nd ed. Hanser Publishers; [7] Kobayashi M. Proceedings of the 3rd International Conference on Rotary Metalworking Processes. IFS (Publications) Ltd, UK; [8] Everhart JL. Impact And Cold Extrusion Of Metals. Chemical Publishing Company, Inc.; [9] Schwartz M. Encyclopedia of Materials, Parts and Finishes. 2nd ed. CRC Press; [10] Danckert J. A new punch design in backward can extrusion. vol. 2004;. [11] Mielnik EM. Metalworking Science and Engineering. McGraw-Hill, Inc.; [12] Suchy I. Handbook of Die Design. McGraw-Hill Companies, Inc.; [13] Danckert J. Kursus i plastisk formgivning;. Slides fra undervisningen benyttes som kilde. [14] William F Hosford RMC. Metal Forming. vol. 2. edition. PTR Prentice Hall; [15] LSTC. LS-DYNA Support;

103 LITTERATUR [16] Danckert J. Experimental investigation of a square-cup deep-drawing process. Journal of Materials Processing Technology. 1995;. [17] Group BR. Bosh Rexroth; [18] Festo. Festo automation; [19] Heilmann T. Logisk styring med PLC. 4th ed. Heilmanns Forlag; ISBN: [20] Arbejdstilsynet. Nyt maskindirektiv 2006/42/EF på vej;. [21] Arbejdstilsynet. Bekendtgørelse om indretning af tekniske hjælpemidler juni 1994;. 95

104 Delmål A For at anskueliggøre størrelsen af de forskellige dele, er der her opstillet tegninger af de enkelte delelementer med de primære mål. Alle mål på tegningerne er i millimeter. 74,5 48,9 73,9 57,6 19,0 96,5 20,4 10,1 12 Ø72,8 Figur A.1: Beholder - bund (skala 1:2) Figur A.2: Beholder - top (skala 1:2) 96

105 BILAG A. DELMÅL 6,8 5, ,5 5,60 7,1 6,9 22,20 7,1 3,6 8 6,6 4,6 5,5 1,2 Figur A.3: Pumpehals (skala 2:1) Figur A.4: Pakningsskive (skala 2:1) SECTION A-A 30,5 20,4 10 A7,6 A 3,3 A A 95,5 19,6 17,8 12,2 11,5 8,5 2,5 SECTION A-A 5 Figur A.5: Hætte (skala 1:1) Figur A.6: Sugerør (skala 1:1) 97

106 5 9,5 13,0 13,2 20,7 14,7 11,7 10 9,6 42,16 14,69 A A Figur A.7: Tud (skala 1:1) 47,1 41,8 40,5 17,3 10,5 7,1 2,6 6,8 Figur A.8: Pumpehus (skala 1:1) SECTION B-B ,2 8,6 6,7 B B 12,5 6,2 5,8 13,6 2,6 1,9 0,5 4,9 8, ,5 1,4 6,9 7,3 SECTION A-A Figur A.9: Gummipakning (skala 5:1) Figur A.10: Sæbeprop (skala 5:1) 98

107 BILAG A. DELMÅL 3,9 20,4 Figur A.11: Fjeder - udstrakt (skala 2:1) Figur A.12: Kugle (skala 10:1) PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL DIMENSIONS ARE IN INCHES TOLERANCES: FRACTIONAL ANGULAR: MACH BEND TWO PLACE DECIMAL THREE PLACE DECIMAL DRAWN CHECKED ENG APPR. MFG APPR. NAME DATE <COMPANY NAME> THE INFORMATION CONTAINED IN THIS DRAWING IS THE SOLE PROPERTY OF <INSERT COMPANY NAME HERE>. ANY REPRODUCTION IN PART OR AS A WHOLE WITHOUT THE WRITTEN PERMISSION OF <INSERT COMPANY NAME HERE> IS PROHIBITED. NEXT ASSY APPLICATION USED ON MATERIAL FINISH DO NOT SCALE DRAWING Q.A. COMMENTS: SIZE A DWG. NO. SCALE:2:1 WEIGHT: 99

108 LabVIEW Statecharts B Styringen af proceslinien er programmeret i LabVIEW Statechart toolkittet, som beskrevet under afsnit Heri er det muligt at få et visuelt indtryk af sekvenserne. For at køre programmet kræves det, at man har NI LabVIEW State Diagram Toolkit installeret. Toolkittet er inkluderet i AAUs campus licens. Overordnet set består programmet af et frontpanel og et blokdiagram, hvori der findes en blok som er linket til et stykke kode, der er genereret af toolkittet. Denne kode opnås ved først at opbygge sekvensstyring i et statechart som beskrevet i afsnit 7.4.5, og herefter kompilere denne. Frontpanel og blokdiagram udgør et såkaldt Caller VI, og det kompilerede statechart kan ses som en celle af logik, der er implemeteret i Caller VI et. Gennem Caller VI et kan man således give input til den logiske celle, som så returnerer output til Caller VI et. For at køre programmet gennemføres følgende trin: Åbn filer: På CD en i appendiks C under mappen Statechart findes to filer kaldet Cyl. frem Caller VI.vi og Cyl frem statechart.lvsc. Åbn begge. Herved fås et frontpanel og et såkaldt Statechart Project. Indstil frontpanel I frontpanelet skal det sikres, at konfigurationen af kontakter og lamper står som vist på figur B.1. Dette er vigtigt da statechartet ellers ikke vil opfører sig som det forventes. Med disse indstillinger opfatter programmet en proceslinjen forsynet med blanketter og klar til at udføre normalsekvensen. Debugging mode: I frontpanelets tilhørende blokdiagram højreklikkes på blokken Cyl frem statechart.lvsc og Debug statechart vælges. Statechartet åbnes nu i et vindue der ikke tillader redigering. Heri klikkes Highlight Execution på ikonet med en pære, se også figur B.2. Kør programmet: Gå tilbage i frontpanelet og eksekver VI et. I frontpanelet kan proceslinjen nu styres ved at klikke på kontakterne. Desuden ses de output der returneres når der trykkes på en kontakt. Animering af arbejdsgang: I statechartet illustreres nu overgange mellem de forskellige stadier. Ved brug af kontakterne i frontpanelet gives input til programmet, og det vises, i statechartet, ved tryk på en kontakt hvilken overgangsbetingelse der vælges mellem to stadier. Et aktivt stadie eller overgangsbetingelse highlightes, ikke-aktive stadier og overgangsbetingelser er gråtonede. Hele statechartet kan nu gennemløbes fra frontpanelet. Der er bl.a. mulighed for, på et vilkårligt tidspunkt, at trykke Nødstop og efterfølgende resette systemet, samt at 100

109 BILAG B. LABVIEW STATECHARTS Figur B.1: Figuren viser frontpanelet til sekvensstyringen. Herfra kan proceslinjen kontrolleres. Figur B.2: Et stadie der netop er blevet aktivt markeres med en gul kasse i hjørnet. Når stadiet forlades vil en rød kasse i stedet vises. En gråtonet kasse eller transition er endnu ikke aktiv.. 101