Rapid tools in sheet metal forming processes

In the sheet metal forming industry the rigid metallic tools setup are the most common configurations used to plastically deform blanks or tubes (i.e. deep drawing and rotary draw bending), especially in the big batches productions. The use of metal rigid tools setup ensures robust process performances in terms of repeatability of the final tolerances of the components, thanks also to their high wear resistance. Furthermore, the numerous information available in scientific and industrial literature, in terms of design guidelines and numerical modelling, speed up all the initial phases of the process design. If the rigid tools could represent the best solution in terms of process accuracy and reduced time developments, the main disadvantage of the rigid metal tools can be researched on the elevated cost of the manufacturing operations, like milling or thermal treatments, which have a great impact on the total costs of the process especially in small-medium industrial productions. In order to reduce the tooling costs, especially for small batches productions, rubber or flexible tools, with general purpose shape, have been coupled together with one rigid metal tool, die or punch (i.e. flexforming and rubber pad forming), in order to enforce repeatable geometry of the stamped parts. The use of a general-purpose rubber tool coupled with a metal one allows reducing the tooling costs around the 50% with respect to a total rigid metal tools configuration, because only the total rigid metal tool must be manufactured each time new product must be stamped. Esthetical defects, like scratches on the component surface, are generally avoided thank to intrinsic auto-lubricating properties of the rubbers materials. If these advantages make the rubber tools as an attractive solution for the industrial production scenario, it should be noted that the rubber tools are not suitable for hot-forming processes (typical used in automotive industry), because at temperature approximatively of 80°C the mechanical behaviour of the rubber material tends to degenerate. Furthermore, the production rate of the processes based on rubber tools is very low, because elevated strain rates reduce the rubber tools life. The concept time phase of a process with rubber tools is normally very long because very few information and guidelines about design methodologies and numerical modelling are available in scientific and industrial literature, maybe due to their low diffusion in the industrial scenario. The behaviour of the rubber tools is not easy to be predicted, because the simulation models of a rubber forming process often need to be validated with experiments, which require a lot of resources in term of time and costs. From the considerations made above, it follows that the rubber tools setup can be suitable for small batches production, especially when small precision and components with simple features are manufactured. Resuming the considerations made above, the rigid and deformable tools seem to be opposite solutions in terms of achievable production volume, final accuracy in terms of tolerances on the stamped parts, production costs and design time. These opposite characteristics suggest that another solution could be investigated in order to reach the best compromise in terms of time and costs, especially in case middle production volume and restricted interval of tolerances are required. Since from the advent of rapid prototyping technologies, the rapid tools method has always been used in the production of prototypal tools setup, made by polymers, intended for the manufacture of pre-series products. Over the years, the polymer materials have been subjected to a lot of attention from the applied research, especially with the tremendous growth of additive manufacturing technologies observed in the last few years. The development of reinforced plastic materials with high performances gave a reborn attention on rapid tooling technologies as a possible cost-efficient and innovative solution for the improvement of the traditional sheet metal forming processes The main objective of this doctoral thesis is to investigate potentiality of rapid tools, made by different polyurethane materials (pure and reinforced with sand or with glass fiber), in three representative cold sheet metal forming processes, in order to formalize some guidelines based on direct experiences grown up by the collaboration of research laboratories and industries. In the first chapter of this thesis a general introduction about the rigid and rubber tools setups has been presented in detail with the analysis of the cold sheet metal forming processes most diffused in the companies encounter during the period of this doctoral research. The analysis of the sheet metal forming processes with metal and rubber tools allowed to identify the advantages and disadvantages of these two macro categories of tools setup intended to outline the necessity of the investigation of new tools setup solution. This new solution has been identified in the rapid tools by the presentation of an investigation of possible innovative materials suitable for tooling purpose. After the identification of the rapid tools as a possible alternative solution to the traditional tools setup, the state of the art and the description of the technologies able to manufacture them has been presented. In the second chapter a review of polymer materials has been performed in order to define their classification and the attended mechanical behaviour. Afterwards, the complete description of the performed tensile and compression tests, need for the characterization of the materials used in the case studies, has been described. After the characterization of the materials, the simulations of the compression tests have been performed in order to tests the capability of the FEM software PAM-STAMP in predicting the deformation of the characterized polyurethane materials. In the third chapter, the application of the rapid tools setup has been studied in sheet metal stamping process. Two case studies with different shapes, have been analysed experimentally, by the execution of experiments, and numerically, by the development of simulation models able to predict the final geometry of the stamped components. A compensation algorithm has been presented, together with a small state of the art of possible compensation methodologies, in order to correct the geometrical errors obtainable from the use of the rapid tools in the stamping process. Finally, fatigue tests on the polyurethane materials used in the experiments have been conducted, in order to evaluate the possible tools life at similar conditions of the stamping tests performed in the two case studies. In the fourth chapter, the application of the rapid tools in the sheet metal air bending process has been presented. A modular bending die with polyurethane inserts has been designed and compared with other traditional commercial die configurations made by meta, nylon and rubber. A big experimental plan has been designed and conducted in order to evaluate and compare the performances of the rapid tools with respect to the commercial solutions. Afterward, a numerical simulation model able to predict the process results has been presented for analysing the stress and strain maps on the rapid tools in order to evaluate the tools life, according with the tests performed in the previous chapter, and possible improvements for future developments. In the fifth chapter, a possible rapid tools implementation has been presented for tube rotary draw bending process. A simulation model with a polyurethane tools setup will be compared with a simulation model implemented and validated by the author in the thesis presented during the bachelor degree. The FEM model has been used for improve the polyurethane tools setup with some prototypal proposal which can be taken in account in the future developments. In the conclusions section, all the achieved results, maturated experiences and possible future developments will be resumed.

L’industria della deformazione lamiera, gli utensili rigidi rappresentano una configurazione tipicamente utilizzata nella deformazione lamiera (es. imbutitura profonda curvatura tubi), specialmente nelle produzioni di grandi lotti. L’utilizzo di utensili rigidi garantisce prestazioni di processo robuste in termini di ripetibilità delle tolleranze dei componenti, soprattutto grazie alla elevata resistenza ad usura. Inoltre, è possibile reperire moltissime informazioni nella letteratura industriale e scientifica riguardo le linee guida di progettazione e modellazione numerica, che permettono di velocizzare le fasi iniziali di progettazione di processo. Se da un lato gli utensili rigidi rappresentano la migliore soluzione in termini di accuratezza e tempi di sviluppo, lo svantaggio principale dell’utilizzo degli utensili metallici può essere ricercato negli elevati costi di produzione legati, per esempio, ai trattamenti termici che impattano fortemente nei costi di produzione, soprattutto nelle produzioni di lotti di piccolo-medio volume. Uno dei modi per ridurre i costi di produzione degli utensili metallici può essere ricercato nell’utilizzo degli utensili flessibili in gomma di forma standard (cuscini o membrane), accoppiati con utensili rigidi, come punzoni o matrici, i quali permettono di controllare la ripetibilità delle tolleranze geometriche. L’utilizzo di utensili in gomma general purpose, accoppiati con utensili metallici, permette di ridurre i costi di produzione utensili di circa il 50% rispetto ad un setup completamente metallico perché, nel momento in cui si deve produrre un nuovo componente, soltanto un utensile deve essere prodotto. I difetti estetici, come le rigature superficiali, vengono quasi eliminati grazie alle proprietà autolubrificanti intrinseche di alcuni materiali gommosi. Se da un lato, gli utensili in gomma sembrano una soluzione attraente per un panorama industriale, bisogna tenere fortemente in considerazione che questa tipologia di utensili non è applicabile in processi di formatura a caldo (normalmente utilizzata nelle produzioni automobilistiche), perché le proprietà meccaniche delle gomme tendono normalmente a deteriorarsi a temperature vicine a 80° C. Inoltre, il rateo di produzione dei processi che utilizzano gli utensili in gomma deve essere molto basso, perché le alte velocità di deformazione causano una riduzione della vita utile degli utensili in gomma. Generalmente, la fase di definizione di un processo di formatura con utensili in gomma è molto lunga perché le linee guida di progettazione e di simulazione sono molto scarse in letteratura scientifica ed industriale, probabilmente proprio a causa della loro scarsa diffusione nel panorama industriale. Il comportamento meccanico degli utensili in gomma è molto difficile da prevedere, per questo motivo i modelli di simulazione necessitano sempre una validazione sperimentale che richiedono spesso tempi e costi non trascurabili. Da tutte le considerazioni formulate, gli utensili rigidi (metallici) e quelli deformabili (base gomma) sembra due soluzioni diametralmente opposte in termini di volumi di produzione, accuratezza delle tolleranze di processo, costi di produzione e tempi di progettazione. Questo dualismo suggerisce che una terza soluzione può essere introdotta in modo da raggiungere un giusto compromesso tra tempi e costi di produzione, specialmente nelle medie produzioni in cui, spesso, le tolleranze di processo sono ristrette. Negli anni, i materiali polimerici sono stati sempre più soggetti alle attenzioni della ricerca applicata, specialmente con la recente rapida diffusione delle tecnologie di produzione di tipo additivo. Lo sviluppo di materiali plastici rinforzati ad elevate performances hanno rinnovato l’attenzione riguardo l’utilizzo degli utensili rapidi (rapid tools) come possibile soluzione di sviluppo efficiente e innovativa rispetto a setup utensili tradizionali utilizzati nella deformazione lamiera. L’obbiettivo principale di questa tesi di dottorato è l’investigazione delle potenzialità degli utensili rapidi, prodotti con differenti resine polimeriche (pure e rinforzate con sabbia o fibre di vetro), in tre differenti processi di deformazione a freddo, in modo tale da formalizzare alcune linee guida basate sull’esperienza diretta maturata tramite collaborazioni tra imprese e laboratori di ricerca. Nel primo capitolo di questa tesi viene presentata una dettagliata introduzione generale riguardo gli utensili metallici e gommosi con una analisi dei processi di produzione più diffusi nelle aziende incontrate durante il periodo di ricerca di dottorato. L’analisi dei processi di formatura lamiera con utensili metallici e gommosi ha permesso di identificare i vantaggi e svantaggi di queste due macro categorie di utensili in modo tale da identificare una terza possibile soluzione. Questa soluzione è stata identificata negli utensili rapidi come possibile alternativa ai setup utensili tradizionali, tramite la presentazione di uno stato dell’arte delle possibili tecnologie di fabbricazione. Nel secondo capitolo è stata presentata una analisi generale dei materiali polimerici in modo da definirne la loro classificazione e il loro comportamento meccanico atteso. In seguito, sono state descritte le prove a trazione e compressione che sono state eseguite sui materiali di riferimento, utilizzati negli esperimenti, al fine di caratterizzarne il comportamento meccanico. Successivamente alla caratterizzazione dei materiali, sono state eseguite delle simulazioni delle prove di compressione in modo tale da testare la capacità del software FEM PAM-STAMP a simulare la deformazione elastica dei materiali polimerici. Nel terzo capitolo, l’applicazione degli utensili rapidi è stata studiata nel processo di stampaggio lamiera. Due casi di studio con forme differenti sono stati analizzati sperimentalmente, tramite lo svolgimento di esperimenti in laboratorio e azienda, e numericamente, tramite lo sviluppo di modelli di simulazione che permettono di prevedere accuratamente la forma geometrica finale dei componenti stampati. Un algoritmo di compensazione è stato presentato, insieme ad un piccolo stato dell’arte delle possibili metodologie di compensazione, in modo tale da correggere gli errori geometrici ottenibili con l’uso degli utensili rapidi nel processo di stampaggio. Alla fine, dei test a fatica sono stati eseguiti sui materiali polimerici utilizzati negli esperimenti, in modo tale da valutare la vita utile degli utensili alle stesse condizioni degli esperimenti di stampaggio eseguiti per i casi sperimentali. Nel quarto capitolo, gli utensili rapidi sono stati introdotti nel processo di piegatura lamiera in aria. Un setup utensili ad inserti polimerici modulare è stato progettato e comparato con le soluzioni tradizionalmente utilizzate nel panorama industriale. Un piano sperimentale di 53 esperimenti è stato progettato ed eseguito in modo tale da comparare le performance degli utensili rapidi rispetto alle soluzioni commerciali. Successivamente, un modello di simulazione numerica capace di valutare i risultati di processo è stato presentato per analizza gli sforzi e deformazioni risultati in modo tale da valutare la vita utile degli utensili in accordo con i test a fatica descritti nel capitolo tre e possibili miglioramenti da attuare in futuro. Nell’ultimo capito, una possibile implementazione degli utensili rapidi è stata studiata nel processo di curvatura tubi a matrice rotante. Il modello di simulazione con gli utensili in poliuretano è stato confrontato con un modello di simulazione implementato e validato dall’autore nella tesi di laurea triennale. Il modello FEM risultante è stato utilizzato per migliorare il setup utensili con alcune soluzioni prototipali che potrebbero fornire interessanti suggerimenti per gli sviluppi futuri. Nelle conclusioni sono stati riassunti tutti i risultati ottenuti, le esperienze maturate e possibili sviluppi futuri di questa ricerca di dottorato.