Undervisning i støping som metode på NTNU - Hvordan skaffe kunder til bransjen

Transkript

1 Undervisning i støping som metode på NTNU - Hvordan skaffe kunder til bransjen Morten A. Langøy Professor II, NTNU Metallurg, Custom Steel Bransjesamling 4. desember

2 Innhold Kort om Institutt for Produktutvikling og Materialer på Fakultet for Ingeniørvitenskap og Teknologi ved NTNU Aktiviteter Prof. II Faget Støperiteknikk Eksempler på studentarbeider Planer 2

3 Fakultetet for ingeniørvitenskap og teknologi (IVT) MÅL: UTDANNING FOR KUNNSKAPSBASERT UTVIKLING OG NYSKAPING IVT-fakultetet skal gjennom forskningsbasert utdanning levere kompetente kandidater som har evne til å drive kunnskapsbasert utvikling og nyskaping. Institutt for produktutvikling og materialer er et av 15 institutter i IVT-fakultetet 3

4 Department of Engineering Design and Materials/ Institutt for produktutvikling og materialer Our Research Areas: Department of Engineering Design and Materials is responsible for the educational programme Product Development and Materials Technology (PuMa). This programme has a technologicalscientific bias whilst creativity and innovation is cultivated. The programme combines subjects of product development and design with materials technology and production processes. The department is organised in two research areas. 4

5 Aktiviteter Professor II Ansvar for undervisning i metallstøping ved IPM-instituttet. Undervisning i Støping og forming av metaller 4-årskurs stuenter, Støperidrift og simulering phd-studenter og støpingsdel i Berbeidingsmetoder 1-årsstudenter. Lære studentene om unike designmuligheter og eksklusive materialegenskaper for støpte produkter og utfordringer for et moderne støperi. Veilede prosjektoppgaver og Master-oppgaver. Delta i forskningsprosjekt; Autocast (avsluttet 2012) FAST-Tunn (startet 2011) Optimized production technology for cast, metal formed and welded products (Optimum production technology OptPro) (2014?) Etablere kurs i videreutdanning. I sum være verdt støtten fra industrien gjennom å utdanne gode fremtidige kunder. 5

6 Part 2 CASTING (C) Part 1 METAL FORMING (MF) COURSE TMM 4182 CASTING AND FORMING OF METALS Teaching plan for autumn 2012: Week no: Lecture: Monday 10:15-12:00 Room VE21 (245A) Problems/Assign. Curriculum: Information about course. Start of lectures Use of castings. Shapes, sizes and properties A - Ch1-4 of cast components. 42 Fluid flow and filling of moulds used for casting. Computer simulation of castings. 43 Thermal conditions, solidification and P Casting 1 A - Ch6 solidification shrinking. 44 Feeding of molten metal. Thermal contraction, P Casting 2 A Ch7+8 stresses and cracks. 45 Castability. Generic Alloys and Cast Iron. P Casting 3 A - Ch Running a foundry. Process steps, logistics, economy and production planning. Casting defects. Design considerations. 47 Casting summing up. Casting lab: Self designed and manufactured Name sign Exam 19/12; 09:00-13:00 Literature: Part 1: Specified chapters from: Henry Valberg: Applied metal forming. Including FEM-analysis. Cambridge University Press, 2010 (purchased at Tapir). Part 2: Specified chapters from the Norwegian book: Victor de Lange Davies/Langøy; Støperiteknikk /Materials Processing during Casting, Fredrikson and Åkerlind. Wiley Grade: Exam counts 60%, problems count 20%, assignments count 20%. A - Ch5 +14 A - Ch11-13

7 Generiske problemstillinger - Støpegods Løpsystem og formfylling Varmeledning og størkningstid Størkekrymp, mating og mate-mekanismer Lineær kontraksjon, varm og kald sprekking og restspenninger KRAV Støpemetode og prosess detaljer Design regler r Form/ Kokille FORM og YTELSE Flytende Størknet Støpenøyaktighet; Form/modell Sammensetning Geometrisk utforming Materiale og utforming Struktur, støpefeil og egenskaper : Kornstørrelse, dendrittarmavstand og plane og volum feil 7

8 Forsknings-aktivitet 10 % 5 % 0 % Resultatgrad som funksjon av lønnskostnad 2011 Autocast: Ingen felles bransjeprosjekt planlagt -5 % -10 % -15 % -20 % 10 % 15 % 20 % 25 % 30 % 35 % FAST-Tunn: Støpte kutteringer for tunnellboremaskiner 8

9 Eksempler Master-oppgaver William T. Breien: Nytt design for fremtidens Kumlokk Inger G. Roald: Design og kvalifisering av støpt komponent til krafttang for boreoperasjoner Silje Skarbø: Design og konstruksjon av underdel til peis (Framtaking av utsendelik modell I 3D) Hallvar Tveit Nilsen: New Design of Offshore Cable Clamps (Automatisering av småserieproduksjon) 9

10 NYTT DESIGN FOR FREMTIDENS KUMLOKK Studentprosjekt ved IPM på NTNU høsten 2013 Oppgaven går ut på å designe et kumlokk som tilfredsstiller belastningskrav samtidig som det er lettere. Utgangspunkt i kumlokk fra Ulefos (NSTVL) og NS-EN 124. Prosjektet gjennomføres av William T. Breien og veiledes av Morten Langøy

11 VERKTØY Studenten har brukt tid på å sette seg inn i to forskjellige dataverktøy som skal tas i bruk i utførelsen av oppgaven. SIEMENS NX 8 FEM/FEA Statisk lineære analyser av lokk Topologioptimalisering Statisk ikkelineære analyser av lokk og låsearm MAGMASOFT 5 Analyser av forløp ved støping Porøsitet Hastighet på smelt Dimensjonering av nedløpssystem

12 SIEMENS NX 8 Statiske lineære analyser Modellering av belastning Grensebetingeleser Det er lagt vekt på lite kompliserte, raske analyser Topologioptimalisering Topologioptimaliseringen tar utgangspunkt i de samme grensebetingelsene som den statiske analysen og itererer på hvilke elementer i designområdet som kan fjernes uten at spesifiserte verdier overskrides. Figurene til venstre viser hvordan lokkets opplagringer er modellert. Fastholdt aksielt (over) og radielt (under). Figuren til høyre illustrerer hvordan belastning er modellert i hht. NS-EN 124. Definisjon av designområde Spesifisering av grenseverdier Deformasjon Spenning Volum som kan fjernes Topologioptimalisering ble brukt innledningsvis i prosjektet som en pekepinn for videre arbeid. Designområde STL generert etter top.op. Og lagt over original modell.

13 FORMVARIASJON OG ITERASJON Mange statiske analyser av forskjellige lokk Sirkulær avstiver Sekskantet avstiver Arealtreghetsmoment i ribber Skjørt Avstivere i midten Tolkning av resultat og iterasjon på form Tilpasning til belastning beskrevet i standard. Foreløpige resultater Resultater av analyser gjort i NX viser at lokk som er opptil 6 kg lettere vil kunne godkjennes etter testing i hht standard.

14 MAGMASOFT 5 Oppsett av analyse Forslag til løpssystem med sprue, runner og gatingsystem modelleres i NX og importeres som STP Modellerer sandform, inlet, matere, filter osv. i Magmasoft Støpelegering og type sand defineres. Helletid bestemmes Resultater Resultatene fra Magmasoft tas med tilbake til NX, og nedløppssystemet utbedres der det er behov for det. Ønsker en støpeform og et nedløpssystem som: Minimerer porøsitet Begrenser smeltens hastighet inne i formen til om lag 0.05 m/s Minimerer forekomster av forurensning i støpet Figuren viser et plott av hastigheten til smelten inne i støpeformen ved et bestemt tidspunkt under helling. Hastigheten er høyere enn ønsket, og nedløpssystemet bør endres.

15 BESØK HOS ULEFOS OG MULIGHETER FOR PRØVESTØPING Besøk hos Ulefos tidlig i prosjektet der studenten fikk møte ansatte hos Ulefos som hjelper til med veiledning, og se hvordan masseproduksjon av kumlokk foregår. Videreutvikling av lokk og effektiv produksjon er viktig for Ulefos, da de ikke klarer å konkurrere med utenlandske aktører mht. til volum. Studenten har mulighet til å samarbeide med Ulefos og NTNU om å utføre prøvestøping og testing av kumlokk med nytt design. Former freses på universitetet og tas med til støperiet for støping og testing.

16 VIDERE ARBEID Arbeid i Magmasoft 5 med utforming og analyser av nedløpssystem Arbeid med statisk ikkelineære analyser av låsearm og variasjoner i utforming av denne i NX Ferdigstilling av rapport Utarbeide støpeform Støping og testing

17 Design og kvalifisering av støpt komponent til krafttang for boreoperasjoner Clamp house 17

18 18 FEM styrkeanalyse

19 19 Støpesimulering av kritiske områder

20 Konklusjon Komponentens design forbedres. Overflødig materiale fjernes uten at komponentens ytelse svekkes (mekanisk styrke) og uten at levetiden reduseres (porøsitet og utmatting). Vekten reduseres med 20%. Frigjør plass til mer utstyr og komponenten kan lages mer kompakt. 20

21 21 Design og konstruksjon av underdel til peis

22 22 New Design of Offshore Cable Clamps

23 Tidslinje Master-oppgaver Midten av mars: Forslag prosjektoppgave (fra faglærere, skisse fra bedriftene er tilstrekkelig) Midten av april: Studentene velger oppgave Sommerjobb? September: Oppstart prosjektoppgaver Desember: Innlevering prosjektoppgave Februar: Utlevering Master-oppgave (de fleste velger en oppgave som forlengelse til prosjektoppgave) Juni: Innlevering Master-oppgave 23

24 Planer Videreutdanningskurs sammen med forming og sveising Etablere forskningsprosjekt Automatisering? Brukt sand til resirkulering I Norge basert på utenlandske prosjekt? Avvente tilbakemelding fra Norges forskningsråd på Optimum production technology OptPro. Flere MSc-studenter med bedriftsoppgaver 24

25 Takk for oppmerksomheten 25