Naadloos van productlayout tot machineaansturing
Prof Dr ir Joost Duflou Hoogleraar Departement Werktuigkunde KU Leuven Celestijnenlaan 300A bus 2422 B ‐ 3001 Heverlee – Leuven
[email protected] ++ 32 16 322845
17 september 2015
De fabriek van de toekomst
Strategieën voor flexibele plaatwerkproductie
1. Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen
2. Volautomatische werkvoorbereiding
3. Slimme interpretatie van werkstuk‐ specificaties: ontwerpoptimalisatie
17 september 2015
De fabriek van de toekomst
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Traditional ‘Rapid Manufacturing’
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Hand-formed aluminium panels for V8 Aston Martins (1990’s) Courtesy T. Cottingham, Aston Martins.com
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
Theory of Inventive Problem Solving: TRIZ TRIZ Trends: derived from patent analysis Segmentation trend
monolithic solid
segmented solid
highly solid segmented granulates solid
solid powder
monolithic liquid
Applications
sparse field
field
plasma
gas
aerosol
segmented liquid
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
TRIZ Trends Example: Sheet metal cutting
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Guillotine shear
Punching tool Nibbling tool
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
TRIZ Trends Example: Sheet metal cutting Water Abrasive material
Applications
Waterjet cutting (with abrasive material) ©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
TRIZ Trends Example: Sheet metal cutting
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Waterjet cutting
Oxyfuel cutting
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
TRIZ Trends Example: Sheet metal cutting
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Plasma cutting
Laser cutting
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Innovation Trend in Forming
Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
What if we aim to eliminate also the other half of the die set?
Segmentation trend
monolithic solid
segmented solid
highly solid segmented granulates solid
solid powder
monolithic liquid
forming with reconfigurable die
Applications sparse field
field
plasma
gas
aerosol
segmented liquid
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope
Traditional Forming with Flexible Tooling
Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Prototype of YAM5-200 MPF Press , Jilin University of China
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope
Traditional Forming with Flexible Tooling
Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Dataform FP6 Project results Prototype of YAM5-200 , Jilin University of China DataformMPF FP6Press Project results
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Innovation Trend in Forming
Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
What if we aim to eliminate also the other half of the die set?
Segmentation trend
monolithic solid
segmented solid
highly solid segmented granulates solid
solid powder
monolithic liquid
Applications sparse field
field
laser forming
plasma
gas
aerosol
segmented liquid
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope
Laser forming: Forming of ruled surfaces
Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Forming of a developable duct transition part
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope
Laser forming: Double curved surfaces
Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
3D forming of a fan blade ©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Laser forming: Double curved surfaces Edge forming with positive radius of curvature
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Innovation Trend in Forming
Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
What if we aim to eliminate also the other half of the die set?
Segmentation trend
monolithic solid
segmented solid
highly solid segmented granulates solid
solid powder
monolithic liquid
incremental forming
Applications sparse field
field
plasma
gas
aerosol
segmented liquid
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Incremental Sheet Forming “Apparatus and Process for Incremental Dieless Forming”
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Leszak, E. , Patent US3342051A1,filed 1964, published 1967-09-19. Apparatus and Process for Incremental Dieless Forming.
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
Incremental Backward Bulge Forming
Forming tool
F
Blank
Partial postitive die Bushing
F
Applications
S. Matsubara, Incremental Backward Bulge Formation of a Sheet Metal with a Hemispherical Head Tool-A Study of a Numerically Controlled Forming System, Journal of the JSTP, v. 35 n 406, 1994, pp 1311.
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Incremental Backward Bulge Forming Verification of Incremental Forming with a Tool Post
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
J. Jeswiet, E. Hagan ( Queen’s university, Kingston, Ontario, Canada ), Rapid Prototyping of a Headlight with Sheet Metal, SheMet 2001 Conference Proceedings
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Flexible Forming Methods : Incremental Backward Bulge Forming
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Single Point Incremental Forming (SPIF) Modified Process: without a Tool Post Forming F tool
Tool progression F
Blank
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
Hardware Requirements Clamping plate
Backing plate
Blank sheet
Applications
Clamping Contouring toolpath
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope
Hardware Requirements
Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Adapted 3-axis CNC-milling machine. Pros: • Limited adaptions • Relatively cheap • High stiffness
Cons: • Small forming volume • Not designed for high axial forces
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Purpose built dedicated 3-axis CNC machines. Pros: • Designed for the process • High stiffness
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Source: University of Cambridge
Source: www.industriateysa.com
Cons: • Expensive commercial machines ©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Adapted 6-axis articulated robot arms.
Pros: • Limited adaptions • Relatively cheap • Large working range
Source: www.KUKA.com
Cons: • Unstiff structure • Low accuracy
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Scope Hardware development Accuracy improvement
Peripheral hardware for increased formability and accuracy
6+2 axis incremental forming setup with localised laser heating
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
Source: KU Leuven
2x 6-axis setup for incremental forming with counterpressure Source: TU Bochum
©JRD
Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen Applications and Accuracy requirements
Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
2005
Current status
Applications
J M Allwood, G P F King, J Duflou “A structured search for applications of the Incremental Sheet Forming process by product segmentation” , Journal of Engineering Manufacture (IMechE)
©JRD
Progress and Achievements in Incremental Sheet Forming Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Progress and Achievements in Incremental Sheet Forming Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation
Applications
Cranial plate production with SPIF at KU Leuven
Three tool path strategies were tested : 1. Single pass: Ordinary Contouring 2. Double pass: Ordinary Contouring + Reverse Finishing Spiral 3. Single Adapted Pass
Applications
©JRD
Progress and Achievements in Incremental Sheet Forming Scope Hardware development Accuracy improvement
Cranial Plate: Comparison of tool path strategies
In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Progress and Achievements in Incremental Sheet Forming Scope Hardware development Accuracy improvement In-process measurements - DIC - Forces Process window enhancement - multi-pass - local heating Simulation Applications
©JRD
Strategieën voor flexibele plaatwerkproductie
1. Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen
2. Volautomatische werkvoorbereiding
3. Slimme interpretatie van werkstuk‐ specificaties: ontwerpoptimalisatie
17 september 2015
De fabriek van de toekomst
Automatische ontwerpevaluatie en werkvoorbereiding voor gebogen stukken
Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Probleemstelling
Vanuit het perspectief van de ontwerper: Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Vereist: Verificatie van de uitvoerbaarheid van de vooropgestelde geometrie Gewenst: Een aanduiding van de moeilijkheidsgraad van de productieopdracht: “een DFM - score”
Probleemstelling
Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Vanuit het perspectief van de werkvoorbereiding: Minimum vereiste: Identificatie van een geschikte methode voor de productie van het werkstuk Gewenst: Een geoptimaliseerde productiemethode volgens bedrijfseconomische criteria
Probleemstelling
Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Werkstukmodel: topologische beschrijving Grafenvoorstelling Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
22
3
6
21
2
21
8
5
20 20
19
15 15
19
18
16 16 17 17 18
5
1 14
3
1
10
8 8
flens x
9 10
11
y buiglijn y
9
13 14
7
7
12 13
6
4
11 12
x
6
Werkstukmodel: topologische beschrijving Matrixvoorstelling Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Flensnummer
Buiglijnnummer 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
2
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
3
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
4
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
5
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
6
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
7
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
8
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
9
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
10 0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
11 0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
12 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
13 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
14 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
15 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
16 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
17 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
18 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
19 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
20 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
21 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
22 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
Complexiteit van het buigvolgordeprobleem Aantal vereiste buigevaluaties Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Maximum aantal mogelijke buigevaluaties voor een enkele voorgeselecteerde werktuigset en rekening houdend met de mogelijkheid om resultaten van reeds geevalueerde delen van de permutatieboom te bewaren:
2i n ! N 2n 2n * 2 n 1 .. 2n * .. * 2 n n 1 i1 n i ! n
Complexiteit van het buigvolgordeprobleem Permutatieschema 1.0E+33 1.0E+30
# buigevaluaties
Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
1.0E+27 1.0E+24 1.0E+21 1.0E+18 1.0E+15 1.0E+12 1.0E+09 1.0E+06 1.0E+03 1.0E+00 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
# buiglijnen
21 buiglijnen
theoretisch maximum vereist aantal buigevaluaties: 1.77E+26
25
Complexiteit van het buigvolgordeprobleem Eliminatie van redundante informatie: Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Voorstelling van geometrisch identieke tussentoestanden als een enkel knooppunt in de overeenkomstige grafen: combinatorische voorstelling
ontvouwd stuk
gevormd stuk
Complexiteit van het buigvolgordeprobleem Impact van de voorstellingswijze Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
# buigevaluaties
1.0E+33 1.0E+30 1.0E+27 1.0E+24 1.0E+21
Voorstelling op basis van permutaties
1.0E+18
Combinatorische voorstelling
1.0E+15 1.0E+12 1.0E+09 1.0E+06 1.0E+03 1.0E+00 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
# buiglijnen
21 buiglijnen theoretisch maximum vereist aantal buigevaluaties : 4.40E+07 reductiefactor : 4.02E+18
25
Buigvolgordebepaling met behulp van volgordebeperkingen Selectieve zoekprocedure Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Op basis van geometrische volgordebeperkingen afgeleid uit typische lokale topologieën:
U
Z
F - details
met resulterende interferenties bij niet respekteren van de afgeleide volgordebeperkingen voor de betrokken buigoperaties
Buigvolgordebepaling met behulp van volgordebeperkingen Gedetecteerde geometrische volgordebeperkingen Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
6
3
- detail: buiglijn 6 dient voor buiglijn 3 te worden uitgevoerd analoog: buiglijn 19 dient voor buiglijn 14 te worden uitgevoerd
Buigvolgordebepaling met behulp van volgordebeperkingen Selectieve zoekprocedure Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Aanvullende volgordebeperkingen kunnen worden afgeleid uit ervaringsregels die verband houden met strategische keuzes voor onderlinge relatieve volgordes van buigoperaties. Bijvoorbeeld: 1. Vormbepalende buiglijnen worden best uitgevoerd na andere 2. Niet 90° buighoeken bij voorkeur na andere 3. Buiglijnen worden best uitgevoerd van de buitencontour van de ontvouwing naar de centrale flens toe 4. Korte buiglijnen worden best uitgevoerd voor langere
Buigvolgordebepaling als handelsreizigersprobleem Geoptimaliseerde oplossing Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Buigvolgordebepaling als handelsreizigersprobleem Geoptimaliseerde oplossing Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
3
Conclusie
Werkstukbeschrijving Probleemstelling Werkstukmodellering Buigvolgordebepaling : - complexiteit - m.b.v volgordebeperkingen - TSP aanpak Botsingscontrole Ergonomische evaluatie
Strategieën voor flexibele plaatwerkproductie
1. Ontwikkeling van flexibele plaatbewerkingsprocessen
2. Volautomatische werkvoorbereiding
3. Slimme interpretatie van werkstuk‐ specificaties: ontwerpoptimalisatie
17 september 2015
De fabriek van de toekomst
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options Splitting possibility Design optimization
Design intent
Optimized part design
©JRD
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options Splitting possibility Design optimization
©JRD
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options Splitting possibility Design optimization
©JRD
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options
45 possibilities
Splitting possibility Design optimization
62 possibilities
©JRD
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options Splitting possibility
• User-defined constraints • Overlapping features
Design optimization
• Hardware collisions
©JRD
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options Splitting possibility Design optimization
©JRD
Ontwerpoptimalisatie
Scope Enumeration of variants Inadmissible options Splitting possibility Design optimization
Optimization criteria: Material efficiency: Geometrical / Nesting • geometrical compactness • minimum enclosing area • minimum overall extent Process efficiency: Process parameters • production time minimization • laser cutting/bending length optimization • welding minimization
©JRD
Naadloos van productlayout tot machineaansturing
[email protected]
17 september 2015
De fabriek van de toekomst
