Caracterização experimental e modelação numérica de espumas metálicas

As espumas de alumínio são materiais ultraleves, o que as torna atractivas para um largo espectro de aplicações comerciais na área da defesa, na indústria automóvel e aeroespacial, entre outras. Actualmente, há um grande interesse na utilização de espumas de alumínio em componentes estruturais ultraleves, incorporados em sistemas de absorção de energia para protecção contra o impacto. O recurso à simulação numérica para resolver problemas de engenharia em várias áreas é cada vez mais comum. A modelação numérica dos materiais assume vital importância quando o problema envolve a análise de processos tecnológicos como, por exemplo, a conformação plástica de materiais, ou a análise de estruturas. Deste modo, torna-se imprescindível garantir que a modelação dos materiais é de tal forma rigorosa que permite simular o melhor possível o seu comportamento real nas condições concretas da análise a realizar. A forma mais comum de garantir o rigor dos modelos utilizados é a validação dos modelos numéricos tendo por base resultados experimentais. Neste trabalho, fez-se a caracterização do comportamento mecânico das espumas de alumínio com nome comercial ALPORAS!, obtidas pelo processo de fabrico denominado expansão directa do metal fundido por adição de um agente expansor. Esta caracterização consistiu num conjunto de ensaios experimentais quer no regime quasi-estático, quer no regime dinâmico. No regime quasi-estático realizaram-se ensaios de compressão uniaxial e de compressão multiaxial. Para a caracterização no regime dinâmico foram realizados ensaios em barras de Hopkinson de polimetil-metacrilato (PMMA). Com base nos resultados experimentais obtidos determinaram-se os parâmetros dos dois modelos constitutivos para espumas metálicas implementados no programa comercial Abaqus™/Explicit. Estes modelos, e os respectivos parâmetros determinados, foram validados reproduzindo numericamente alguns ensaios experimentais quasi-estáticos e dinâmicos. Assim, verificou-se a adequabilidade dos modelos em diversas condições quer em termos de esforços quer em termos de regime de taxa de deformação Por último, desenvolveu-se uma estrutura inovadora para absorção de energia durante um impacto, constituída por componentes perfilados em liga de alumínio e por componentes em espumas de alumínio. Esta estrutura foi testada exclusivamente com recurso à simulação numérica, utilizando os modelos constitutivos validados anteriormente.

Estudo de Ferramentas FEA Comerciais na Simulação Numérica de Processos de Conformação de Chapas Metálicas. Aplicação à Indústria Automóvel.

Os componentes obtidos através da conformação plástica de chapas têm uma grande importância, tanto na etapa de concepção do produto como na etapa de produção na indústria automóvel. Isto comprova-se pelo facto de, em média, cada automóvel integrar cerca de 500 componentes estampados para construir o chassis e a carroçaria [Alves 2003]. Deste total de componentes, 50 são de grandes dimensões (portas, tejadilho, painéis inferior e laterais, entre outros) e necessitam, em média, de cinco ferramentas para o seu fabrico, sendo o custo estimado para cada ferramenta de 230 000 € [Col 2000, Alves 2003]. Para além da indústria automóvel, a conformação plástica de chapas metálicas é um processo tecnológico presente nas indústrias relativas à aeroespacial, petrolífera, decoração, alimentar, entre outras. Do ponto de vista do enquadramento económico, cerca de 20% do custo total de um automóvel novo é devido à incorporação de componentes metálicos estampados. [Alves 2003]. A pressão do “Mercado Global” faz com que os custos relativos à matéria-prima, energia e mão-de-obra sejam uma constante em termos de redução do seu impacte no orçamento das empresas fornecedoras destes produtos. É neste contexto que surge a necessidade da realização deste estudo de Benchmark de Softwares, tornando-se bastante importante, quer ao nível da competitividade industrial, quer ao nível da inovação para novos produtos. A análise por elementos finitos desempenha um papel primordial no tryout virtual e otimização das ferramentas e processos de conformação plástica. Os objetivos principais deste estudo de simulação numérica são a identificação e comparação dos resultados obtidos pelo AUTOFORM e pelo PAMSTAMP, para cada uma das variáveis identificadas como as mais influentes na robustez dos processos de estampagem de chapa metálica. Estas variáveis identificadas são: consumo de material (Draw-in) após conformação; forças de conformação; valores de variação de espessura e dos valores de extensão e resultados de Springback. Os resultados obtidos são comparados com os resultados experimentais e, desta forma, avalia-se a capacidade inovadora e a eficácia de cada um dos softwares, obtendo-se assim, uma orientação mais real para o software mais indicado aos objetivos impostos pela indústria automóvel. Para este efeito, a indústria automóvel, como maior impulsionador e motor da investigação na área da simulação numérica aplicada aos processos de estampagem, tem aderido em peso ao Benchmarking. Um exemplo disto, é o que acontece nas conferências Numisheet. O Benchmark #2 da conferência Numisheet 2008 é analisado pormenorizadamente e os resultados numéricos e experimentais são comparados e apresentados. Dois materiais distintos (aço HC260LAD e liga de alumínio AC170), assim como três modelos com geometrias diferentes (com e sem freios) são apresentados neste relatório. Com vista à redução dos ciclos tentativa-erro, tem-se adotado ciclos virtuais ou numéricos e tem-se incrementado a interatividade entre as fases de concepção e projeto, num conceito muito próprio, mas cada vez mais abrangente, denominado “produção virtual”. É nesta filosofia que se insere a simulação numérica dos processos de conformação de chapa.

Computer aided form roll design

Cold roll forming is an extremely important but little studied sheet metal forming process. In this thesis, the process of cold roll forming is introduced and it is seen that form roll design is central to the cold roll forming process. The conventional design and manufacture of form rolls is discussed and it is observed that surrounding the design process are a number of activities which although peripheral are time consuming and a possible source of error. A CAD/CAM system is described which alleviates many of the problems traditional to form roll design. New techniques for the calculation of strip length and controlling the means of forming bends are detailed. The CAD/CAM system's advantages and limitations are discussed and, whilst the system has numerous significant advantages, its principal limitation can be said to be the need to manufacture form rolls and test them on a mill before a design can be stated satisfactory. A survey of the previous theoretical and experimental analysis of cold roll forming is presented and is found to be limited. By considering the previous work, a method of numerical analysis of the cold roll forming process is proposed based on a minimum energy approach. Parallel to the numerical analysis, a comprehensive range of software has been developed to enhance the designer's visualisation of the effects of his form roll design. A complementary approach to the analysis of form roll design is the generation of form roll design, a method for the partial generation of designs is described. It is suggested that the two approaches should continue in parallel and that the limitation of each approach is knowledge of the cold roll forming process. Hence, an initial experimental investigation of the rolling of channel sections is described. Finally, areas of potential future work are discussed.

Disseny dels elements constitutius per adaptar un centre de mecanitzat de control numèric a la tecnologia Incremental Sheet Forming (ISF)

Un dels processos tradicionals de conformació de xapa més utilitzats a nivell industrial, degut a la seva rapidesa d’operació i la seva maduresa del procés, és l’embotició. Per a dur a terme aquest procés és necessària la construcció d’uns utillatges (matriu i punxó) per a cada tipus de producte. Aquests utillatges estan fabricats amb materials altament resistents ja que han de poder suportar càrregues molt importants durant la deformació. A més, s’han de garantir unes precisions dimensionals molt bones per tal d’evitar el xoc entre les dues parts de l’utillatge i per a assegurar que la peça obtinguda tingui les dimensions desitjades. Aquest fet implica que el procés d’obtenció de les matrius i punxons tingui un cost molt elevat i per a amortitzar-lo és necessari que la producció sigui en massa.L’objecte d’aquest projecte és adaptar el centre de mecanitzat Kondia HS1000 per tal de poder dur a terme recerca bàsica de la tecnologia de conformat incremental de xapa (ISF) en el Grup de Recerca en Enginyeria del Producte, Procés i Producció (GREP)

Influence of friction during forming processes-a study using a numerical simulation technique

Friction has an important influence in metal forming operations, as it contributes to the success or otherwise of the process. In the present investigation, the effect of friction on metal forming was studied by simulating compression tests on cylindrical Al-Mg alloy using the finite element method (FEM) technique. Three kinds of compression tests were considered wherein a constant coefficient of friction was employed at the upper die-work-piece interface. However, the coefficient of friction between the lower die-work-piece interfaces was varied in the tests. The simulation results showed that a difference in metal flow occurs near the interfaces owing to the differences in the coefficient of friction. It was concluded that the variations in the coefficient of friction between the dies and the work-piece directly affect the stress distribution and shape of the work-piece, having implications on the microstructure of the material being processed.

Computational modelling of metals forming processes

The computational modelling of metal forming processes is now well established. In this work

Projecto de sistema de fixação de punções para quinadoras hidráulicas

Mestrado em Engenharia Mecânica - Construções Mecânicas

Avaliação de um modelo matemático para a determinação do coeficiente de atrito no processo de conformação por dobramento

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Estudo do alívio das tensões residuais, em peça estampada, pela técnica de vibrações mecânicas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Analysis of a Non-Traditional Micro Tube Hydroforming Process

As the demand for miniature products and components continues to increase, the need for manufacturing processes to provide these products and components has also increased. To meet this need, successful macroscale processes are being scaled down and applied at the microscale. Unfortunately, many challenges have been experienced when directly scaling down macro processes. Initially, frictional effects were believed to be the largest challenge encountered. However, in recent studies it has been found that the greatest challenge encountered has been with size effects. Size effect is a broad term that largely refers to the thickness of the material being formed and how this thickness directly affects the product dimensions and manufacturability. At the microscale, the thickness becomes critical due to the reduced number of grains. When surface contact between the forming tools and the material blanks occur at the macroscale, there is enough material (hundreds of layers of material grains) across the blank thickness to compensate for material flow and the effect of grain orientation. At the microscale, there may be under 10 grains across the blank thickness. With a decreased amount of grains across the thickness, the influence of the grain size, shape and orientation is significant. Any material defects (either natural occurring or ones that occur as a result of the material preparation) have a significant role in altering the forming potential. To date, various micro metal forming and micro materials testing equipment setups have been constructed at the Michigan Tech lab. Initially, the research focus was to create a micro deep drawing setup to potentially build micro sensor encapsulation housings. The research focus shifted to micro metal materials testing equipment setups. These include the construction and testing of the following setups: a micro mechanical bulge test, a micro sheet tension test (testing micro tensile bars), a micro strain analysis (with the use of optical lithography and chemical etching) and a micro sheet hydroforming bulge test. Recently, the focus has shifted to study a micro tube hydroforming process. The intent is to target fuel cells, medical, and sensor encapsulation applications. While the tube hydroforming process is widely understood at the macroscale, the microscale process also offers some significant challenges in terms of size effects. Current work is being conducted in applying direct current to enhance micro tube hydroforming formability. Initially, adding direct current to various metal forming operations has shown some phenomenal results. The focus of current research is to determine the validity of this process.

The Metal worker : a weekly journal of the stove, roofing, cornice, tin, plumbing and heating trades.

Description based on: volume 39, no. 1 (Jan. 7, 1893); title from caption.

A preform design method for sheet superplastic bulging with finite element modeling

Superplastic bulging is the most successful application of superplastic forming (SPF) in industry, but the non-uniform wall thickness distribution of parts formed by it is a common technical problem yet to be overcome. Based on a rigid-viscoplastic finite element program developed by the authors, for simulation of the sheet superplastic forming process combined with the prediction of microstructure variations (such as grain growth and cavity growth), a simple and efficient preform design method is proposed and applied to the design of preform mould for manufacturing parts with uniform wall thickness. Examples of formed parts are presented here to demonstrate that the technology can be used to improve the uniformity of wall thickness to meet practical requirements. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Computer aided design and manufacture of form-rolls

Cold roll forming of thin-walled sections is a very useful process in the sheet metal industry. However, the conventional method for the design and manufacture of form-rolls, the special tooling used in the cold roll forming process, is a very time consuming and skill demanding exercise. This thesis describes the establishment of a stand-alone minicomputer based CAD/CAM system for assisting the design and manufacture of form-rolls. The work was undertaken in collaboration with a leading manufacturer of thin-walled sections. A package of computer programs have been developed to provide computer aids for every aspect of work in form-roll design and manufacture. The programs have been successfully implemented, as an integrated CAD/CAM software system, on the ICL PERQ minicomputer with graphics facilities. Thus, the developed CAD/CAM system is a single-user workstation, with software facilities to help the user to perform the conventional roll design activities including the design of the finished section, the flower pattern, and the form-rolls. A roll editor program can then be used to modify, if required, the computer generated roll profiles. As far as manufacturing is concerned, a special-purpose roll machining program and postprocessor can be used in conjunction to generate the NC control part-programs for the production of form-rolls by NC turning. Graphics facilities have been incorporated into the CAD/CAM software programs to display drawings interactively on the computer screen throughout all stages of execution of the CAD/CAM software. It has been found that computerisation can shorten the lead time in all activities dealing with the design and manufacture of form-rolls, and small or medium size manufacturing companies can gain benefits from the CAD/CM! technology by developing, according to its own specification, a tailor-made CAD/CAM software system on a low cost minicomputer.