Analisi numerica e sperimentale del processo di piegatura lamiera mediante rapid tools

The market trend is increasingly facing a reduction of production batches, faster product development and reduced time to market. A higher and higher level of quality and a drastic reduction in costs are also required, combined with increased process efficiency. During the last 10-15 years this has led to a remarkable transformation of the production plans that can be summed up with the world-class production concept (World Class Manufacturing). The WCM principles are, in fact, the highest possible quality, simultaneous engineering and the ability to accommodate rapid changes in volume and product mix with short production lead-time. This basic structure is in fact accepted by all companies aspiring to be competitive manufacturers worldwide. Normally, before starting the production of a specific part, companies proceed with the construction of a prototype, studied by engineers which draw it and commit it to a modeler, who realizes the model with semi-manual operations. This turns out in a heavy increase of costs and production times, unacceptable for a company that aims at the global market. In order to reduce product development time and production costs, new technologies of rapid prototyping (RP) have been developed, which have the potential to completely revolutionize the manufacturing processes. Although RP techniques are still under development, they are considered a major breakthrough in engineering production. These techniques brought the following advantages: • The 3D CAD systems make possible to see the entire geometric model as a whole and from different angles. • The prototyping process happens in short times and with lower costs compared to traditional methods. • The prototype is deeply studied in its functional, technical and aesthetic aspect. The technology for rapid prototyping has led to the development of Rapid Tools. The so-called rapid tooling (RT) refers to the rapid production of parts which perform the function of ready-to-use tools, instead of pre-production prototypes. Innovative materials (generally plastics) are used to produce rapid tools, according to RP’s manufacturing technologies. The purpose of this thesis is to study the sheet metal bending process by the use of tools made of polymeric material. In order to perform this analysis, all the materials will be characterized with specific laboratory tests. After that experimental tests will be performed in order to verify the resistance of the tools and the quality of the process. Then, the bending process operations will be simulated by means of a finite element software, in order to create a realistic model for the detailed design and the numerical analysis of polyurethane tools. Finally, it will be shown an economic comparison between standard tools available on the market and the proposed modular configurations.

La tendenza del mercato è sempre più rivolta verso una riduzione dei lotti di produzione, un più rapido sviluppo dei prodotti e una diminuzione dei tempi di commercializzazione. Sono inoltre richiesti un livello di qualità sempre più alto e una drastica riduzione dei costi, unita ad una maggiore efficienza dei processi. Durante gli ultimi 10-15 anni ciò ha portato ad una notevole trasformazione dei piani produttivi che si può riassumere con il concetto di produzione di classe mondiale (World Class Manufacturing). I principi base del WCM sono, infatti, la massima qualità possibile, l’ingegnerizzazione simultanea e la capacità di accogliere rapidi cambiamenti di volume e di mix produttivo con un lead-time di produzione contenuto. Questa struttura di base è di fatto accettata da tutte le società che aspirano ad essere costruttori competitivi a livello mondiale. Normalmente, prima della messa in produzione di un particolare, si procede con la realizzazione di un suo prototipo, studiato dai progettisti che lo disegnano e ne affidano la produzione ad un modellista, il quale lo realizza con operazioni semi-manuali che si tramutano in tempi e costi troppo elevati per un’azienda che punta al mercato globale. Per ridurre il tempo di sviluppo del prodotto e diminuire i costi di produzione, sono state sviluppate la nuove tecnologie di prototipazione rapida (RP), che hanno le potenzialità per rivoluzionare completamente i processi di fabbricazione. Sebbene le tecniche RP siano ancora in fase di sviluppo, sono considerate un importante passo avanti nell'ingegneria di produzione. Nel linguaggio industriale, le tecniche RP vengono oggi più comunemente indicate con il nome AM (additive manufacturing) ma è bene, per maggior chiarezza, mantenere separati i due concetti per meglio apprendere quanto scritto. L'avvento di queste tecniche ha portato i seguenti vantaggi: • È possibile visualizzare il modello geometrico nella sua interezza e da diverse angolazioni, attraverso i sistemi CAD 3D • La prototipazione avviene in tempi brevi e a costi inferiori rispetto alle metodologie tradizionali • Il prototipo viene studiato approfonditamente nei suoi aspetti funzionali, tecnici ed estetici La tecnologia per la prototipazione rapida ha portato quindi all’idea che sta alla base dello sviluppo dei Rapid Tools. Il cosiddetto Rapid Tooling (RT) si riferisce alla rapida realizzazione di particolari che svolgono la funzione di veri e propri utensili pronti all’uso. Essi non costituiscono semplici prototipi per uno studio preliminare del componente (come avveniva nella RP), ma possiedono le necessarie capacità meccaniche per la realizzazione della lavorazione che sono chiamati a svolgere. Per la loro produzione vengono utilizzati materiali alternativi al metallo (tipicamente plastici) e tecnologie realizzative tipiche della RP. Lo scopo di questa tesi è di studiare il processo di piegatura di lamiere mediante l’utilizzo di utensili in materiale polimerico. Per fare ciò verranno caratterizzati i materiali oggetto di studio con test in laboratorio e si svolgeranno prove sperimentali al fine di verificare la resistenza degli utensili e la qualità della lavorazione. In seguito verranno simulate, mediante software ad elementi finiti, le lavorazioni di piegatura svolte, allo scopo di creare un modello valido per la progettazione di dettaglio e l’analisi numerica di utensili in poliuretano. Infine, verrà proposto un confronto economico tra gli utensili standard in commercio e le configurazioni modulari proposte.