Matthias Van Wonterghem, Pieter Vanhulsel
Aluminium en hoge snelheid, een mooie toekomst?
Milieu is een hot topic. En terecht. Het is nu dat er moet gediscussieerd worden om onze huidige levenskwaliteit te behouden. Veelal komt in die discussies de auto-‐industrie als boeman naar boven. Nochtans heeft de auto-‐industrie de laatste jaren enorme inspanningen gedaan om het verbruik en daarmee gekoppeld de ecologische voetafdruk van wagens sterk te verminderen. Zo streeft men o.a. naar het verminderen van de te verplaatsen massa door lichtere materialen te gebruiken. Dat is goed voor zowel uw portemonnee als het milieu. Het vervangen van staal door aluminium kan het gewicht van de auto halveren, zonder dat daarbij aan veiligheid ingeboet moet worden: bij een crash kan aluminium tot twee keer zoveel energie absorberen als staal. Deze positieve evolutie wordt jammer genoeg afgeremd door het feit dat de vervormbaarheid van aluminium beperkt is wanneer klassieke vervormtechnieken gebruikt worden. Bepaalde vormen en verbindingen zijn niet mogelijk omdat het aluminium gaat scheuren en daardoor zijn sterkte verliest. Door over te gaan naar vervormtechnieken bij hoge snelheden (200 km per uur en hoger) kunnen deze beperkingen overwonnen worden. Het gaat zodanig snel dat het materiaal als het ware nog niet door heeft dat het vervormd wordt en het dus een totaal ander vervormgedrag vertoont. De vervormbaarheid zal typisch meer dan verdubbelen. Het elektromagnetisch pulskrimp proces is zo’n hoge snelheid vervormproces. In onze thesis werd deze techniek onderzocht en gebruikt voor het realiseren van verbindingen met aluminium buizen. Er is nog maar weinig gekend over dit hoge snelheidsproces en dus werd er fundamenteel onderzoek verricht naar het vervormgedrag en het faalgedrag van deze verbindingen. Daarnaast werd ook een optimaal groefontwerp bepaald, waarbij de verbinding even sterk is als het basismateriaal. Dit zet de combinatie van aluminium en deze techniek op de kaart in de industriële wereld als een waardig alternatief voor de klassieke materialen en vervormprocessen. Het elektromagnetisch pulskrimp proces gebruikt magnetische kracht om de buitenste aluminium buis te verbinden aan een binnenste buis. De binnenste buis kan uit eender welk materiaal vervaardigd zijn, wat deze techniek wijd toepasbaar maakt en ook de mogelijkheid biedt om materialen te gaan verbinden die met de klassieke technieken onmogelijk verbonden kunnen worden. Het proces is schematisch weergegeven in Figuur 1a. Een wisselstroom loopt doorheen een spoel en wekt daarin een magnetisch veld op. Doordat de buitenste aluminium buis zich in het magnetische veld bevindt, zal ook een wisselstroom beginnen stromen in deze buis, waardoor een tweede magnetisch veld ontstaat. Deze twee magnetische velden stoten elkaar af en de buitenste aluminium buis versnelt inwaarts en vervormt in groeven die aangebracht zijn in de binnenste buis. b a Figuur 1: a. Schematisch overzicht van het proces, b. schets van de buitenste buis die vervormd is in de groef van de binnenste buis.
1
Doordat de buitenste buis vervormd is in de groeven van de binnenste buis, zit deze buitenste buis geklemd achter de rand van de groef en kan ze niet verschuiven als eraan getrokken wordt (zie Figuur 1b.). Zo krijgt de verbinding haar sterkte. De groefgeometrie wordt bepaald door de breedte, de diepte en de afronding van de randen van de groef (zie Figuur 2). Er werd een herbruikbaar cilindersysteem gemaakt om verschillende groefontwerpen na te bootsen, zonder dat er telkens een binnenstuk met dat specifieke groefontwerp moet gemaakt worden. Hoe het systeem precies is opgebouwd wordt uitgelegd in Figuur 3 tem. Figuur 10. De breedte van de gesimuleerde groef kan aangepast worden door meer of minder ringen te plaatsen tussen de cilinders. De diepte van de groef kan beïnvloed worden door met de diameter van de ringen te spelen. De afronding van de randen van de groef wordt bepaald door de afronding van de randen van de cilinders. Een voorbeeld van een resulterend vervormd buisje is weer te vinden in Figuur 11. Het systeem laat toe om op een snelle manier en met een beperkte hoeveelheid materiaal fundamenteel onderzoek te doen naar het vervormgedrag van de aluminiumbuis in een welbepaalde groef.
Figuur 2: Bepalende parameters die de groef vastleggen.
Figuur 3: Componenten die nodig zijn om het cilinder systeem op te bouwen
Figuur 5: De tweede (rechter) cilinder wordt op de schroefdraad geplaatst.
Figuur 4: De eerste (linker) cilinder en de ringen worden op de schroefdraad geplaatst.
Figuur 6: De aluminiumbuis wordt op over het cilindersysteem geplaatst.
2
1
Figuur 7: Het hoge snelheidskrimp proces wordt uitgevoerd.
2
Figuur 8: 1. De eerste (links) draadstang wordt eruit geschroefd tot zijn uiteinde in het midden tussen de beide cilinders zit, 2. Een tweede (rechts) draadstang wordt in de tweede cilinder geschroefd tot zijn uiteinde het uiteinde van de eerste daadstang raakt.
1
2
3
Figuur 9: 1. De tweede cilinder wordt vastgezet, 2. De eerste draadstang wordt opnieuw in de eerste cilinder gedraaid, 3. en hierdoor wordt de tweede cilinder uit de vervormde buis geduwd.
Figuur 10: Ook de eerste cilinder kan nu uit de vervormde buis geduwd worden.
Figuur 11: De resulterende vervormde buis.
Er zijn 130 experimenten uitgevoerd en uit deze resultaten werden vergelijkingen afgeleid van driedimensionale oppervlakken om de drie parameters die de groef bepalen aan elkaar te linken. Dit laat toe om bij een groefontwerp te kijken welke combinaties van parameters geschikt kunnen zijn en laat ook toe om een schatting te maken van de derde parameter indien de andere twee gekend zijn. Een voorbeeld van zo’n driedimensionaal oppervlak is gegeven in Figuur 12.
3
Figuur 12: Een voorbeeld van een driedimensionaal oppervlak die de drie groefparameters aan elkaar linkt.
Omdat de sterkte van een verbinding met een enkele groef gelimiteerd is, hebben we vervolgens gekeken naar een verbinding met dubbele groef. Hier vonden we niets van terug bij eerder uitgevoerde onderzoeken en dus hebben we eerst een eindig elementen model ontworpen. Dit bevestigde dat de tweede groef ook een deel van de aangelegde belasting opneemt en dat de treksterkte dus een pak hoger ligt. Daarnaast werd vastgesteld dat de maximale spanning in de buis optreedt aan de eerste rand van de eerste groef, zie Figuur 13 detail A. Dit is m.a.w. het meest kritische punt van de vervormde buis en de dubbele groef moet zodanig ontworpen worden dat op die kritische plaats de spanning zo laag mogelijk gehouden wordt. detail A Max tensile stress
A
Figuur 13: Resultaat van de eindige elementen simulatie
De experimenten van de vervorming van de buis in een enkele groef en de eindige elementen simulatie werden gebruikt om op een experimentele manier tot een optimaal dubbel groefontwerp te komen. Om de experimentele testmatrix op te stellen, werd de Design of Experiments (DoE) methode gebruikt. Dit laat toe om met slechts een vierde van de experimenten die je normaal gezien moet uitvoeren, toch tot dezelfde besluiten te komen. Een grote kost en tijdsbesparing dus. Na het uitvoeren van 128 experimenten , zijn we tot een optimaal dubbel groefontwerp gekomen. De vervorming van de aluminium buis in dit groefontwerp is zodanig dat de verbinding even sterk is als
4
het buismateriaal zelf (normaal is de verbinding altijd het zwakste punt). Om te weten hoe dat fameuze optimale groefontwerp eruit ziet zal je toch even onze thesis moeten openslaan. (We kunnen hier ook niet alles prijsgeven, waarom hebben we anders 200 pagina’s geschreven?). Met al het voorgaande, hebben we al fundamentele kennis over het vervormgedrag bij hoge snelheid van de aluminium buis in enkele en dubbele groefontwerpen. Ook is er een optimaal groef ontwerp bepaald waarmee een verbinding kan gerealiseerd worden die even sterk is als het buismateriaal zelf. Dat wil je allemaal weten als je deze techniek voor industriële toepassingen gebruikt. Maar er is nog 1 ding dat ontbreekt: je wil ook het faalmechanisme van je verbinding kennen. Dit laat je immers toe om te weten welke verbinding je best voor welke belasting gebruikt en het laat je ook toe om het begin van falen te herkennen, waardoor je erop kan anticiperen. Om het faalgedrag van de verschillende verbindingen te bepalen, werd de Digital Image Correlation (DIC) techniek gebruikt. Bij DIC worden spikkeltjes aangebracht op de verbinding en de verplaatsing van deze spikkeltjes wordt met twee hoge snelheidscamera’s opgenomen wanneer de verbinding belast wordt. Hierdoor is het mogelijk de vervorming van een werkstuk dat belast wordt live te volgen. Aangezien vervorming gepaard gaat met een krachtopname, konden we zo bepalen op welk moment er op een bepaalde plaats in de verbinding kracht werd opgenomen. Een voorbeeld is weergegeven in Figuur 14. Daar is duidelijk te zien dat de linkse randen van beide groeven kracht opnemen, en dat de kracht die opgenomen wordt door de linkse groef dubbel zo groot is als de krachtopname door de rechtse groef.
Figuur 14: Opmeten van de vervorming van een verbinding. Uit alle uitgevoerde experimenten is duidelijk gebleken dat er 3 typische faalmodes zijn: de buis scheurt door op de linkse rand van de linkse groef, de buis scheurt door op de linkse rand van de rechtse groef of de buitenste buis wordt in zijn geheel van de binnenste buis getrokken zonder dat er scheuren optreden. Elk van deze faalmodes heeft een typisch trek rek diagram. Door het verloop van de krachtopname in de tijd te gaan bekijken met behulp van DIC, kon elk van deze trek rek diagrammen in detail verklaard worden (zie Figuur 15). Het begrijpen van faalmechanisme kan gebruikt worden om aan te geven tot welke belasting de verbinding veilig is om te gebruiken. Het laat ook toe om het begin van falen te herkennen en hier tijd op te reageren.
5
rela6eve treksterkte [%]
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
verplaatsing [mm]
Figuur 15: Voorbeeld van een trek rek diagram dat perfect kan verklaard worden met behulp van DIC In deze thesis werd in detail het vervorm-‐ en faalgedrag onderzocht van aluminium buizen die vervormd worden bij hoge snelheid. Ook werd een optimaal dubbel groefontwerp bepaald, dat dit type verbindingen in een competitieve positie plaatst t.o.v. de klassieke verbindingen. Dit alles toont aan dat de combinatie van hoge snelheid vervormprocessen (zoals het magnetisch pulskrimpen) in combinatie met aluminium een wereld van nieuwe mogelijkheden opent. Wie weet rijden onze auto’s hierdoor binnenkort wel met een maatje minder rond.
6
