Low-cost tooling concepts for customized tube bending processes using hybrid design and additive manufacturing

Abstract

Denne oppgavens fokus vil være på den fleksible bøyeprosessen som tar plass i en rørbøyingsmaskin. Denne forminsprosessen tar inn en aluminiumsrør og bøyer det til den ønskede formen, med de rette dimensjonene. Det endelige resultatet av produktet vil variere og være avhengig av hvilke applikasjonsområde røret skal ha, samt hvilket område rørene skal være plassert i med tanke på det operasjonelle miljøet. Premisset for å lage en optimal rørprofil som har de beste kvalitetene og egenskapene, er derfor å ha en støtteverktøy under bøyeprosessen. Denne typen støtteverktøy, eller dor, er plassert inne i røret, på det eksakte stedet bøyingen tar plass. Med en slik støtte vil tverrsnittet på det bøyde røret til en større grad holde sin ekte form, samt senke den overflødige oppsamlingen av matriale, som igjen skaper rynkninger på røret. Slike støtteverktøy krever høy nøyaktighet rundt mål og dimensjoner, samt at de må være svært robuste. Dette resulterer i at de er svært kostbare både når det gjelder pris og ressurser brukt under produksjonsprosessen.

Det er gjort mye forskning på metalstøttesverktøy og hvordan de er i stand til å betraktelig styrke både kvaliteten og egenskapene til en ferdigbøyd rørprofil. Imidlertid har ikke utviklingen innenfor kombinasjonen av additiv tilvirkning og konvensjonell metallforming vært like stor. Derfor har denne oppgaven gått ut på å designe, printe, videreutvikle og teste støtteverktøy ved hjelp av additiv tilvirkning. I løpet av oppgaven har de produserte produktene blitt testet og målt for å få ett bilde av hvor godt de yter sammenlignet med støtteverktøy produsert på den konvensjonelle måte. En rekke tester per rør har blitt gjennomført for å sikre den dimensjonelle nøyaktigheten og for å forsikre at testene er repeterbare og mulige å bruke til å trekke visse konklusjoner.

Fokuset på en mer tilpassningsdyktig produksjonsprosess, og deler som er mulige å brukes på ett større område enn ett spesifikt bruksområde, er svært stort. Prosesser må derfor utvikles slik at det møter disse kravene til både markedet og kunder. Dette kan gjennomføres på en kostnadseffektiv måte ved å kombinere additiv tilvirkning og konsvensjonell metallforming, for å produsere deler med høy kvalitet som kan utføre sin tilegnede jobb på en tilfredsstillende måte.

The focus of this thesis is on the flexible bending process for manufacturing customized bent components and structures. The metal forming process takes in an aluminum tubular profile and bends it into the desired shape with the desired dimensions. End quality and strength will be variable and depend on the application of the tubular product, and whether it is meant for a hard operational environment or a lighter field where parts are more replaceable. Therefore, the premise is a tooling part that is present during the bending process as a support for an optimal tubular profile, to ensure that the right quality and properties for the finished product are obtained. These types of support tooling are placed inside the profile, at the exact location of the bending point, to ensure an even cross-section and a tube product that is without wrinkles and excessive defects. Support tooling like these require high dimensional accuracy and durability and are therefore expensive to manufacture and normally require a long lead time and strong materials.

Research has been extensively and thoroughly conducted on metal mandrels and how they are able to significantly toughen and strengthen the quality and properties of a post-processed part. However, further development in the field of additive manufacturing and the combination of methods to the process has subsided. Therefore, this research has gone into the conceptual design, prototyping, development, and testing of tools by additive manufacturing with one specific low-cost material; PLA. During the experimental testing stage, multiple specimens have been tested, qualitatively analyzed, and measured to gain experience with the produced tooling and to see how well rigid tooling, as well as flexible tooling, performs compared to conventional tooling. The multiple tests per specimen ensure dimensional accuracy and that tests are repeatable and of use to draw conclusions.

The focus on more customized production processes and parts that can quickly be changed and tailored to cater to different needs has never been higher. Plans and processes must therefore be more efficiently evolved to meet the demand of the market and customer. This can be achieved in a cost-efficient way by combining AM and metal forming, to produce quality tooling components.