Produktutvecklingsprocessen med
multimaterial och sammanfogning
Tomas Luksepp
Rapport nr 1312
Utveckling av Fogningsmetoder för kombination av Olika material till
Hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ [UFoH]
AP2- Limning
Publik
1
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
Sammanfattning
Denna rapport är en beskrivning av den generella produktutvecklingsprocessen
samt hur multimaterial och sammanfogningsproblematik påverkar denna.
Med ökande krav på kort utvecklingstid upplevs kravspecifikationen i de flesta
produktutvecklingsprojekt som ofullständig. Ofta är det också oklart när man
lämnar konceptutvecklingsfasen och går in i själva dimensionerings- och
tillpassningsfasen. Gränserna är flytande. Förändringar och tillägg i
kravspecifikationen sent i produktutvecklingsprocessen är inte kostnadseffektivt.
Konceptuella problem kan leda till nedlagda projekt.
När flera olika material ska fogas samman ökar komplexiteten. Det medför att
många
olika
kompetenser
måste
vara
involverade
i
hela
produktutvecklingsprocessen. Det är därför ännu viktigare att processen är tydlig,
strukturerad och accepterad bland de inblandade.
För att effektiva multimaterialstrukturer ska kunna realiseras är det helt
nödvändigt att egenskaperna hos de aktuella produkterna kan beräknas och
simuleras. Detta innebär att respektive sammanfogningsmetod som ska kunna bli
vald också måste kunna simuleras för en korrekt dimensionering.
Summary
This report is a description of the overall product development process and how it
is affected by multi-material and joining challenges.
With increasing demands on shortening development times, the specification of
requirements in most product development projects is experienced to be
incomplete. It is often not obvious when the concept development phase goes over
into the product development and dimensioning phase. The boundaries are fluent.
Changes and additions to the specification late in the product development
process are not cost effective. Conceptual problems can lead to abandoned
projects.
When several different materials are to be joined the complexity increases. This
means that many different skills must be involved in the entire product
development process. It is therefore even more important that the process is clear,
structured and accepted by the people involved.
If effective multi-material structures are to be realized, it is essential that the
properties of the products can be calculated and simulated. This means that each
joining method under consideration must be possible to simulate for a correct
dimensioning.
2
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
Innehållsförteckning
1
BAKGRUND ........................................................................................................................... 3
2
INLEDNING ............................................................................................................................ 3
3
SYFTE OCH MÅL ................................................................................................................... 4
4
PRODUKTUTVECKLINGSPROCESSEN ............................................................................... 5
5
MULTIMATERIAL OCH SAMMANFOGNING ...................................................................... 8
6
REFERENSER ......................................................................................................................... 9
1 Bakgrund
Multimaterialkonstruktion med tillhörande sammanfogning kräver mycket
tvärvetenskaplig kompetens. Med dagens ökande krav på kortare
produktutvecklingscykler och ökad precision i virtuell och ekonomisk verifiering
blir teknologiskiften mycket utmanande att genomföra. Det är därför av stor vikt
att de inblandade verkligen förstår sin roll i den generella utvecklingsprocessen.
Denna rapport är ett försök att beskriva denna process och belysa materialval- och
sammanfogningsproblematik i detta perspektiv.
2 Inledning
Önskan att ständigt förbättra produkter med avseende på egenskaper, kostnader
samt påverkan på miljön leder till en ökad efterfrågan på produkter där olika
material kombineras för att lösa funktionskraven på bästa möjliga sätt.
Kombinerandet av material med tillhörande sammanfogningslösningar ökar
komplexiteten i produktutvecklingsprocessen. Tidigare, då valen inte var så
många, kunde en erfaren konstruktör överblicka hela den konceptuella fasen. Men
nu när många personer och olika kompetenser måste samverka i hela
utvecklingsprocessen är det viktigt att processen är tydlig och strukturerad för att
arbetet ska bli effektivt.
Vid starten av produktutvecklingsprojekt är den bästa lösningen inte känd. Det är
därför viktigt att konsekvent analysera olika konceptalternativ innan val av
material och process görs och dimensioneringen påbörjas. Ofta underskattas
betydelsen av att upprätta en god kravspecifikation. Dvs Det innebär att
produktkrav och egenskapskrav utifrån kundens perspektiv ska översättas till en
teknisk specifikation. Dimensioneringskriterierna kan också ändra sig med
koncept och materialval. Att finna de goda lösningarna är en iterativ process för
ett multidisciplinärt team.
Produktutvecklingsprocessen kan delas upp i två olika utvecklingsloopar där den
första genererar ett konceptuellt val och en teknisk specifikation och den andra är
en dimensionerings- och processanpassning. Denna uppdelning i
konceptutveckling och produktutveckling blir speciellt viktig i
högvolymsproducerande industri som fordonsindustrin.
Med olika material, fogmetoder och integration av funktioner ökar komplexiteten.
För att utveckla nya produkter ökar därmed också kompetens- och resursbehovet.
3
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
Den nödvändiga kunskapen sitter då hos många olika personer och det kan finnas
behov att generera ytterligare ny kunskap.
Lättare konstruktioner medför nya material samt nya formnings- och
sammanfogningsmetoder, vilket i sin tur innebär förändringar i etablerad
industriell infrastruktur, med tillhörande investeringsbehov. Större och mindre
teknologiskiften som kommer att komma är en stor utmaning för hela det
industriella systemet i alla led, allt ifrån tillverkningen till produkt- och processutveckling, leverantörsstruktur etc. Företagen behöver både översiktliga och
detaljerade kunskaper kring lättviktsteknologi, inkluderat ekonomiska aspekter för
att genomföra teknologiskiften med minimalt risktagande både tekniskt och
ekonomiskt. Timingen på teknologiskiftena blir också avgörande för industrins
framtida konkurrenskraft.
3 Syfte och mål
Syftet med denna rapport är att synliggöra hela produktutvecklingsprocessen.
Målet är att involverade i produktutveckling förstår själva processen och behovet
av att tydligt specificera och kommunicera kraven för att driva utvecklingen
effektivt.
4
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
4 Produktutvecklingsprocessen
Fig 1. Schematisk bild av utvecklingsprocessen.
Syftet med produktutvecklingsprocessens första cykel, konceptutvecklingen, är
att utveckla en konceptuell lösning som är både tekniskt och ekonomiskt
försvarbar för vald tillverkningsprocess. Detta innefattar upprättandet av en
kravspecifikation som bör vara så komplett nedbruten till tekniska krav som det
5
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
bara går innan själva dimensioneringsarbetet inleds. Denna kravspecifikation ska
innefatta både produktens funktions- och egenskapskrav och de krav som
konceptvalet medför. En väl genomarbetad teknisk specifikation är en
förutsättning för systematisk målstyrning av utvecklingsarbetet.
I själva produktutvecklingsfasen dimensioneras produkten samtidigt som den
anpassas till tillverkningsprocessen och angränsande systemlösningar. Ofta talas
det om processdriven produktutveckling där man anpassar produkten till den
befintliga processen för att minimera behovet av investeringar. Olika
komponenter utvecklas parallellt och har då i utvecklingsskedet en tilldelad
packningsvolym. För att förbättra lösningarna under utvecklingsprocessen
uppkommer många önskemål om ändringar i respektive packningsvolym eller i
interaktionen mellan komponenter. Listan på antalet ändringsordrar kan bli lång.
Konceptuella problem i denna fas kommer med stor sannolikhet att kraftigt
påverka projektets tidplan och ekonomi. Orsaken till dessa problem hade
vanligtvis kunnat undvikas med en bättre genomarbetad teknisk kravspecifikation.
När det gäller sammanfogning bör respektive ingående metod vara ett komplett
system. T ex räcker det inte med att bara välja ett lim – själva fogutformningen
och hela ytbehandlings- och tillverkningsprocessen ingår också i systemlösningen.
Den generella beskrivningen nedan utgör en stomme eller ramverk som de
specifika material- eller sammanfogningsutmaningarna kan hängas upp på.
Beskrivningen är inte fullständig och observera att stegen är iterativa och
utvecklingen kan föregå parallellt och i loopar.
Den generella produktutvecklingsprocessen kan se ut som följer:
KONCEPTUTVECKLING
Steg 1. Funktionsbeskrivning
En krav- och egenskapsspecifikation av produkten som primärt definieras ur
kundens synvinkel.
Exempel på krav och önskemål som kan ingå:
Produktplanläggning; prestanda; klimat och miljö; mått och toleranser;
livslängd; hållbarhet; utseende; antal; hållbar design ur ett ekoperspektiv;
kostnad.
Steg 2. Teknisk specifikation
Kundparametrarna bryts ner till en detaljerad teknisk specifikation för produkten,
komponenterna och fogarna som ska konstrueras.
Exempel
Lastnivåer globalt; styvhet; slag; utmattning; kryp; driftsförhållanden, t ex
temperatur/miljöeffekter, korrosion, kemikalier; processförutsättningar,
(verktyg, produktion, infrastruktur, leverantörer); seriestorlek; cykeltider;
förbehandling; automationsnivå; toleransförutsättningar; hälsa/arbetsmiljö,
m m.
6
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
Steg 3. Konceptgenerering
En inventering av möjliga lösningar.
Identifiera uppbyggnadsalternativ:
materialval och processande av material, ”material, formning och sammanfogning”
koncept, ingående komponenter, modularisering, tillverkningsprocesser,
sammanfogning (utnyttja materialens inneboende fördelar)
fördelar – nackdelar
realistiska konceptkandidater
Steg 4 Konceptutveckling och evaluering
Lovande konceptförslag utvecklas och evalueras:
funktionsbeskrivning, ingående komponenter och dess samverkan
förfinat materialval och processer
konstruktionselement
balkar, förstyvningar, energiupptag, etc
verktyg och produktionsutrustning
integration av funktioner, funktionalitet fördelning mellan delkomponenter
sammanfogningsalternativ
o teknik
o ytbehandling
o längdutvidgningseffekter, global/ lokalt
o limmets temperaturegenskaper
geometrisäkring
service, reparation, ’fail safe’ (automatisk säkerhetsanordning)
infrastruktur, investeringar, ekonomi
prototyper, modeller
potentiella leverantörer, utvecklingspartners
preliminär specifikation
fördelar – nackdelar
m m.
Steg 5 Konceptval
Systematiskt jämföra koncepten och besluta om huvudspår:
infrastruktur, investeringar
genomförbarhet teknik, kompetens (inkl. hantering kunskapsluckor)
genomförbarhet ekonomi, produktpris
leverantörsstruktur
framtagning av en fullständig och detaljerad teknisk kravspecifikation!
Oftast har produktutvecklingen påbörjats innan konceptfasen slutförts. I så gott
som alla projekt är kravspecifikationen ofullständig då produktutvecklingen
7
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
startar, vilket leder till onödigt och ibland kostbart itererande i
produktutvecklingsfasen.
Referens [1] och [2] ger en utförlig beskrivning av konceptkonstruktion och val av
material och tillverkningsmetoder.
PRODUKTUTVECKLING
Steg 6 Konstruktion och dimensionering
Dimensioneringsförutsättningar i kontinuerligt uppdaterad teknisk
kravspecifikation:
design av moduler/komponenter utifrån produktionsprocess och tillgänglig
packningsvolym.
val av konstruktionslösningar i detalj, geometrisäkring
produktionsutrustning och verktyg
sammanfogningstekniker
o design av foggeometri alternativt fogkoncept
o längdutvidgning, global check
ändringar modifieringar, interaktion med angränsande system.
ITERATIVA SUPPORTPROCESSER
Iterativa supportprocesser används både vid koncept- och produktutvecklingen.
Simulering, beräkning och virtuell verifiering
Modeller
Provning, verifiering och validering
Testning och provning av delsystem, produkt, tillverkningsprocess
5 Multimaterial och sammanfogning
Den generella beskrivningen av produktutvecklingsprocessen ovan är i hög grad
giltig för de flesta produktutvecklingsprojekt. När erfarna konstruktörer arbetar
med kända konstruktionslösningar och material kan de dock avsevärt förenkla och
korta ner denna process. Konstruktörer med stor kompetens inom många olika
sammanfogningsområden är dock ovanliga, i alla fall då även många olika
material ska beaktas. Med många personer involverade i utvecklingen av
avancerade multimaterialprodukter är det mycket viktigt att följa en tydlig och
strukturerad process för att driva produktutvecklingen innovativt och effektivt.
När ett projekt övergår från konceptfas till dimensioneringsfas är materialvalet i
princip gjort och samtidigt bör definitivt lösningarna för sammanfogning också
vara definierade system.
Ofta när man har för avsikt att foga samman en produkt eller konstruktion har
erfarenheten visat att man inte tänkt igenom hela sammanfogningskonceptet med
alla processkrav från grunden, dvs kravspecifikationen är ofullständig eller
upprättas för sent, vilket belastar utvecklingsprocessen med korrigeringar och
extrakostnader.
8
Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar – Ett LIGHTer initiativ
Dessutom, för att möta kraven på korta utvecklingstider blir kravet på virtuell
verifiering en nödvändighet. Isotropa material som metaller och plaster är relativt
lätta att modellera. Anisotropa kompositmaterial är svårare men också dessa kan
beräknas med stor noggrannhet idag. För sammanfogning har man kommit långt i
modelleringen av svetsning och mekanisk fogning. När det däremot gäller limning
och modellering av brottbeteende så saknas en generell tillgång till tillförlitliga
och verifierade simuleringsmetoder. Limbrott blir speciellt svårt att modellera
speciellt i de fall olika temperaturer är aktuella och olika material med olika
termisk utvidgning är sammanfogade. Det innebär att också komponenternas
geometri får stor betydelse för belastningen på fogen. Även formningsmetoderna
för komponenterna får här betydelse då kvarvarande spänningar påverkar
belastningen på fogen vid olika temperatur. Saknas tillgång på materialdata och
verifierade metoder är detta en osäkerhet som innebär att högre säkerhetsfaktorer
än nödvändigt väljs i dimensioneringen och därmed tappar svårmodellerade
sammanfogningskoncept i konkurrenskraft med följd att andra och egentligen
sämre konceptlösningar blir föredragna.
Att blanda material med olika termisk utvidgning och att lära sig att sammanfoga
dem med olika metoder på ett effektivt sätt med låg risk kommer att kräva stora
utvecklingsresurser. Denna kunskap kommer att vara mycket viktig i den globala
konkurrensen i att ta fram önskade attraktiva framtida produkter.
6 Referenser
[1] Konceptkonstruktion och val av material och tillverkningsmetoder. Ingvar
Rask, Staffan Sunnersjö, IVF 1998, ISBN 91-89158-08-3
[2] Konstruktionslotsen, http://lotsen.ivf.se/
9