A study on a novel flexible sheet forming process based on incremental plunge

In de wereld van de productie is het vormen van metaalplaten tot complexe curven zonder gebruik te maken van een zware, op maat gemaakte mal een aanzienlijke uitdaging. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op een techniek genaamd incremental sheet forming (incrementele plaatvorming), waarbij een klein, rond gereedschap tegen een klemvast stuk metaal drukt en een pad volgt, waardoor de plaat geleidelijk wordt gebogen tot een driedimensionale vorm. Deze methode wordt gewaardeerd omdat het snelle prototyping en kleinschalige productie mogelijk maakt zonder de hoge kosten van het maken van speciale mallen. Echter, dit proces heeft een hardnekkig gebrek: het gereedschap moet voortdurend over het metaaloppervlak glijden om de vorm uit te slijpen. Dit continue glijden veroorzaakt wrijving die een ruwe, gegroefde textuur achterlaat, vergelijkbaar met de groeven op een vinylplaat. Deze groeven zijn niet alleen een esthetisch probleem; ze kunnen het metaal verzwakken, waardoor het gevoeliger wordt voor scheuren of corrosie in de loop van de tijd.

Een team onderzoekers aan de Anhui University of Technology heeft een andere manier voorgesteld om dit probleem aan te pakken. In plaats van het gereedschap continu te laten glijden, hebben zij een methode ontwikkeld waarbij het gereedschap in het metaal naar beneden drukt, omhoog komt, naar een nieuwe plek beweegt en weer naar beneden drukt. Ze noemen deze nieuwe aanpak Incremental Plunge Forming (incrementele duwvorming). Door de slepende beweging te vervangen door een reeks snelle, gelokaliseerde indrukkingen, wilden de onderzoekers zien of ze gladdere onderdelen konden produceren terwijl ze nog steeds in staat bleven om complexe vormen te maken. Hun werk, uitgevoerd op dunne aluminium platen met een standaard computergestuurde freesmachine, suggereert dat het veranderen van de manier waarop het gereedschap het metaal raakt, de kwaliteit van het eindproduct fundamenteel kan verbeteren.

De onderzoekers begonnen door te testen of deze duwbeweging daadwerkelijk een vorm kon opbouwen. Ze klemden een vierkante plaat van een aluminiumlegering, iets minder dan een millimeter dik, op een machinetafel. Met behulp van een bolvormig gereedschap dat niet draaide, programmeerden ze de machine om het gereedschap tot een specifieke diepte in het metaal te drukken, weer omhoog te treken, opzij te bewegen en de handeling te herhalen. Deze cyclus creëerde een reeks overlappende deuken die, laag voor laag, een gebogen wand opbouwden. De resultaten waren onmiddellijk en succesvol: de machine produceerde gladde, kegelvormige onderdelen met rechte wanden en zonder scheuren of rimpels. Het proces werkte even goed voor onderdelen met steile hoeken als voor minder scherpe krommingen, wat bewees dat de intermitterende beweging genoeg vervorming kon accumuleren om een solide, continu object te creëren zonder de noodzaak van een achterliggende mal.

Zodra de vorm was bevestigd, richtte het team zich op het oppervlak van het metaal, waar het meest dramatische verschil zichtbaar werd. Bij de traditionele glijmethode sleept het gereedschap over het metaal, waardoor lange, parallelle groeven ontstaan die het pad van het gereets volgen. Deze groeven zijn scherp en directioneel, wat een oppervlak oplevert dat ruw aanvoelt. In tegenstelling hiertoe vertoonden de onderdelen gemaakt met de nieuwe duwmethode een totaal andere textuur. In plaats van lange lijnen was het oppervlak bedekt met een patroon van kleine, overlappende bultjes die leken op een honingraat of visschubben. Dit gebeurde omdat het gereedschap het metaal niet langer schraapte, maar het op de plaats zelf samendrukte. De herhaalde drukactie maakte het materiaal gladder en elimineerde de lange krassen die het oppervlak normaal gesproken beschadigen.

Om precies te meten hoeveel beter de nieuwe methode was, gebruikten de onderzoekers een apparaat om de hoogte van de minuscule pieken en dalen op het oppervlak te scannen. Ze ontdekten dat de gemiddelde ruwheid van de onderdelen gemaakt met de traditionele glijmethode 1,116 micrometer was. Toen ze overschakelden naar de duwmethode en een standaard smeermiddel gebruikten, daalde dat getal naar 0-4 micrometers. Dit vertegenwoordigt een vermindering van de oppervlakteruwheid met ongeveer 64 procent. Opmerkelijk genoeg was de oppervlakteruwheid bij het gebruik van de duwmethode zonder enig smeermiddel nog steeds lager dan die van de traditionele methode met smeermiddel. Dit geeft aan dat de verbetering primair voortkomt uit de verandering in de beweging van het gereedschap, en niet enkel door het gebruik van olie om wrijving te verminderen. Het nieuwe oppervlak was niet alleen gladder, maar leek ook harder en uniformer, wat de metalen in de toekomst zou kunnen helpen om slijtage en vermoeidheid te weerstaan.

Het team wilde ook weten of deze nieuwe werkwijze de mate waarin het metaal kon worden uitgerekt voordat het brak, zou beperken. Ze testten de grenzen door onderdelen te vormen met wanden die steeds steiler werden, waarbij ze pas stopten wanneer het metaal uiteindelijk scheurde. De traditionele methode veroorzaakte breuk in het aluminium wanneer de wandhoek 79 graden bereikte. De nieuwe duwmethode slaagde erin die grens iets verder te verleggen, tot een hoek van 80 graden voordat er falen optrad. Hoewel het verschil klein is, suggereert het dat de intermitterende drukbeweging de vervormbaarheid van het metaal niet schaadt en zelfs een klein voordeel kan bieden door het materiaal tussen elke druk toe te staan enigszijn te ontspannen. Deze bevinding is belangrijk omdat het bevestigt dat de nieuwe methode niet alleen een manier is om gladdere oppervlakken te maken, maar een levensvatbaar alternatief is dat de sterkte en vormbaarheid van het oorspronkelijke proces behoudt.

Uiteindelijk toont deze studie aan dat een eenvoudige verandering in de beweging van een gereedschap een langdurig probleem in de metaalvorming kan oplossen. Door de continue glijbeweging te stoppen en te beginnen met een ritmische druk-en-liftbeweging, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om complexe metaalvormen te creëren met een oppervlakteafwerking die aanzienlijk gladder en uniformer is. De nieuwe methode werkt op standaardmachines zonder dat er speciale apparatuur nodig is, waardoor het toegankelijk is voor een breed scala aan toepassingen. De verschuiving van een gegroefd oppervlak naar een honingraatachtige textuur vertegenwoordigt meer dan alleen een cosmetische upgrade; het suggereert een fundamentele verbetering in hoe het metaal zich onder spanning gedraagt, wat potentieel kan leiden tot onderdelen die langer meegaan en beter presteren in veeleisende omgevingen.