Témata
Reklama

Predikce svařovacích procesů při výrobě automobilů ve společnosti General Motors pomocí Simufact Welding

General Motors, známý americký výrobce automobilů Chevrolet, Buick, GMC a Cadillac, je jedním z největších automobilových výrobců na světě. Při vývoji a následné montáži automobilových komponent se nevyhne potížím, jako jsou deformace a další problémy s rozměrovou a strukturální integritou způsobené svařovacími procesy. Může tím dojít ke zpomalení výroby, zvýšení potřeby přepracování a v konečném důsledku zvýšení nákladů a plýtvání. Proto General Motors pro predikci svařovacích procesů využívá simulační software Simufact Welding. Tento software, dříve známý jako MSC Software, je nyní součástí skupiny Hexagon a pomáhá efektivnímu vývoji vozidel a zajištění optimálního procesu svařování.

Ilustrační obrázek (Zdroj: Hexagon)

Komerční článek

Obloukové svařování plynem (GMAW) je metoda, při které se mezi elektrodou a obrobkem vytváří elektrický oblouk v inertním plynu. Tento proces je relativně rychlý, velmi dobře kontrolovatelný a spolehlivý. Stejně jako u každého spojovacího procesu rozhoduje o kvalitě svaru tepelně-mechanické chování použitých materiálů. Proto je třeba jej pečlivě zhodnotit, aby nedošlo k nadměrnému zkroucení a zbytkovému napětí, které má vliv na rozměrovou a konstrukční stabilitu.

Vznik tepelných deformací ovlivňuje upevnění svařence, pořadí svařování, příkon nebo rychlost. Ačkoliv existují metody, jak vznik deformací omezit, zohlednit všechny proměnné, které by mohly proces ovlivnit, je náročné. Úspěch často závisí na dovednostech operátora, provádění fyzikálních experimentů a pečlivém časovém plánování.

Zkušební sestava pro simulaci procesu svařování

Svařování je složitý multifyzikální proces podléhající mnoha proměnným. Je vysoce nelineární a zahrnuje fázovou transformaci svařovaných dílů a plastické deformace. Simulace svařování metodou konečných prvků tak pro predikci deformací hraje zásadní roli. Proces je lépe predikován již ve fázi návrhu a zmírní problémy, které se následně mohou vyskytnout ve výrobě.

Konstruktéři General Motors společně s techniky společnosti Hexagon spolupracovali na vytvoření a ověření digitálního dvojčete s fyzickou sestavou pomocí GMAW. Simulace svařování sestavy složené ze dvou U-profilů byla studována za různých procesních podmínek, jako je návrh procesu upnutí, odepnutí, předehnutí a přibodování, počet svarů, pořadí a směr svařování. Tato hodnotící studie zkoumala vliv odvodu tepla pomocí upínacího přípravku, předehřevu součástí, lokálních spojů a chování kontaktů mnoha zúčastněných částí na deformace při svařování.

Za různých podmínek bylo provedeno osm ověřovacích zkoušek, přičemž podstatu vystihují dva reprezentativní případy. V případě 1 byly U-profily plně upnuty v osmi bodech bez přídavných svarů. V případě 2 byly dvě horní svorky po přivaření ve čtyřech rozích odstraněny. Použité parametry svařování byly 22 V, 185 A, rychlost 10 mm/s a průměr přídavného drátu 1,2 mm.

Ověřování přesnosti těchto virtuálních testů má prvořadý význam. Snižuje se tím potřeba fyzického testování. K porovnání tvarů fyzických dílů s výsledky numerické simulace byl použit 3D laserový skener Hexagon.

Na svorky byly připevněny snímače zatížení pro měření reakčních sil vyvolaných svarem a termočlánky pro posouzení rozložení teploty ve svařované sestavě. Tento model byl poté virtuálně replikován pomocí Simufact Welding. Ověření výsledků simulace zahrnovalo porovnání virtuálních modelů s fyzickými experimenty za stejných podmínek. Společnost General Motors ověřila výsledky čtyř parametrů.

Sestava s rovnou skořepinou - CAD model. (Zdroj: Hexagon)
Sestava s rovnou skořepinou – reálné upevnění. (Zdroj: Hexagon)
Sestava s rovnou skořepinou se skládá ze dvou profilů průřezu U spojených dvěma svařovacími roboty. (Zdroj: Hexagon)

Teplota

Přesná predikce teplotních gradientů během svařování je nejkritičtějším krokem pro numerickou simulaci. Společnost General Motors na svařenci umístila dvanáct referenčních bodů pro porovnání numerické simulace s fyzikálními daty. Tým zjistil, že predikované průběhy teplot se velmi dobře shodují s naměřenými teplotami.

Umístění dvanácti teplotních senzorů. (Zdroj: Hexagon)
Simulace rozložení teploty pro dva případy použití. (Zdroj: Hexagon)

Rozložení deformací

Strmé teplotní gradienty, ke kterým při svařování dochází, způsobují deformace dílů. Pro ověření výsledků numerické simulace se skutečnými daty bylo k měření deformací využito 3D skenování. Před i po svařování byla sestava svařence naskenována na horním a dolním profilu pomocí 3D laserového skeneru Hexagon. Tento sken poskytl týmu dostatek informací k porovnání se simulacemi a zjistil shodu.

V případě 1 tým pozoroval poměrně velké deformace (~8 mm) v blízkosti horních rohů profilu, kde svařování končí. Ve spodním profilu, zejména v blízkosti upínacích oblastí, byly pozorovány velmi malé nebo téměř žádné deformace. V případě 2 byly deformace v horním profilu v blízkosti okrajů větší než v případě 1, což bylo očekávatelné - horní a dolní profil jsou před svařováním přivařeny a horní profil není během svařování upnut. Místo a velikost maximální deformace (~1,5 mm) predikované simulací se velmi dobře shodovalo se skutečnými měřeními při svařovacích zkouškách pro případy 1 a 2.

Pole deformací - případ 2. (Zdroj: Hexagon)

Maximální deformace - případ 1. (Zdroj: Hexagon)

Maximální deformace - případ 2. (Zdroj: Hexagon)

Měření upínací síly

Tým také během svařování pomocí siloměrů měřil upínací síly způsobené tepelnou roztažností. Tato zjištění pomohla k závěru, že predikované reakční síly z numerické simulace souhlasí se skutečnými měřeními.

Provaření a tepelně ovlivněná zóna

Jedním z nejdůležitějších kroků při simulaci svařování je zajistit, aby byl profil svaru podobný fyzickému. Výsledek tepelného ovlivnění bude určovat reakci konstrukce na deformace a napětí.

Ve fyzické studii tým ověřil přesnost simulace, kdy dva roboty prováděly svařování na dílech v pevném přípravku. Svarový průvar simulačního modelu byl přesně zachycen, přestože neodrážel všechny variace v makrografu.

Výsledky deformací

Testy umožnily lépe pochopit modelovací a simulační funkce softwaru Simufact Welding pro predikci deformací při svařování. Uživatelé mohou mít důvěru ve schopnosti tohoto softwaru vyhodnotit a zmírnit deformace způsobené svařováním již během fáze návrhu. Výsledkem je menší počet fyzických testů, technologických iterací a nižší množství odpadu.

Simulace přechodových teplotních gradientů způsobených přívodem tepla při různých sekvencích svařování se velmi dobře shodovaly s měřeními teplotních snímačů. Přesná predikce tepelného chování sestavy je předpokladem pro simulaci deformace při svařování.

Simulované deformace sestavy při různých podmínkách svařování byly ve vynikající shodě s daty ze skenování.

Výsledky simulace byly porovnány s upínacími silami naměřenými pomocí siloměrů zatížení při svařovacích zkouškách. Tým zjistil vynikající shodu mezi simulací a zkušebními daty. Deformace při svařování je také výrazně ovlivněna bodováním. Bez předchozího bodování byla maximální deformace v jednom místě více než 8 mm, zatímco při správně umístěných pomocných svarů se zkreslení snížilo na přibližně 2 mm.

Simulace svarového průvaru - případ 1. (Zdroj: Hexagon)

Snížení počtu prototypů

Řešení Simufact Welding umožnilo lépe predikovat deformace způsobené svařováním. Díky tomu je mohla společnost General Motors vyhodnotit a odstranit již ve fázi návrhu, tedy s velkým předstihem před výrobou. Konstruktéři mohou pomocí simulací správně navrhovat upínací přípravky a pořadí svarů. Výsledkem je dramatické snížení počtu prototypů, úspora nákladů a času.

Pro více informací o tomto produktu kontaktujte obchodní zastoupení Hexagon Manufacturing Intelligence v ČR a SR:

Obchodní oddělení Praha
Jana Tvarohová
E-mail: jana.tvarohova@hexagon.com
Mobil: +420 727 983 625

Firma
Hexagon Manufacturing Intelligence

Divize Manufacturing Intelligence společnosti Hexagon je předním světovým hráčem na poli simulačních softwarů, softwarů pro konstrukci a výrobu, 3D měřicích zařízení a řešení pro zpracování naměřených dat.

Tato řešení nacházejí uplatnění v celé řadě oblastí: ve všeobecném strojírenství, automobilovém a leteckém průmyslu, v dopravní a zemědělské technice, energetice, elektronice, medicínských technologiích, těžkém průmyslu, obrábění a mnohých dalších.

Poskytuje tak nástroje pro kompletní zajištění kvality v rámci celého životního cyklu výrobku.

CAE simulační software pro smart návrh produktů

CAE softwarová řešení společnosti Hexagon umožňují konstruktérům simulovat chování výrobků a procesů. Pomáhají zvyšovat kvalitu, bezpečnost a spolehlivost, šetřit čas vývoje a snižovat náklady spojené s testováním vyráběných produktů. Přesně a spolehlivě předpovídají, jak se budou výrobky chovat v reálném světě, a pomáhají tak designérům navrhovat inovativnější výrobky rychle a hospodárně.

Využívají k tomu analýzy metodou konečných prvků (FEA), výpočetní dynamiky tekutin (CFD), multibody dynamiku (MBD), akustické simulace nebo simulace modelování materiálů.

Výrobní software pro tvorbu a optimalizaci drah CNC

Software pro verifikaci, simulaci a optimalizaci drah nástrojů pro obrábění kovů, plastů, dřeva, konstrukci a výrobu forem a zápustek, tváření plechových dílů, obrábění dřeva, CNC simulace nebo automatizovanou výrobu.

3D měřicí zařízení pro rozměrovou kontrolu

Pomocí metrologických systémů Hexagon získáte informace o kvalitě výrobků a jejich zpracováním pak následnou zpětnou vazbu pro vývojové a výrobní oddělení.

Číst dál
Související články
Roboty pro automobilový sektor

Kompletní obnova automatizovaných robotických linek iniciovaná vrcholovým managementem společnosti Magneti Marelli vedla v závodě nacházejícím se v Crevalcore (územně správní celek města Bologna) ke zvyšování počtu zaměstnanců i efektivity těchto automatizovaných výrobních linek. Jak vysvětluje Marco Calabrese, ředitel údržby výrobního závodu, mnoho úkolů, které byly manuálního charakteru, je nyní zautomatizováno. „V těchto případech potřebujeme dosáhnout vyšší přesnosti, opakovatelnosti, výkonnosti a výrobní kvality a v zájmu vyšší efektivity samozřejmě i snížit dobu trvání cyklu. Integrací robotické automatizace zvýšila kvalitu a produktivitu práce a vedla i ke zvýšení počtu zaměstnanců pracujících v našem závodě.“

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Lepení ve výrobě karoserie

Lepení patří k velmi dynamicky se rozvíjejícím odvětvím spojování materiálů. Jeho rozvoj v automobilovém průmyslu je dán komplexními požadavky na karoserii, vývojem nových materiálů a jejich povrchových úprav i zvyšujícími nároky na užitné vlastnosti skeletu vozu. Vnitřní i vnější konstrukce moderních vozidel tvoří celá řada speciálních kovových i nekovových materiálů a plastů, které je nutné fixovat a u nichž konvenční technologie spojování již nedostačují.

Související články
Pod pláštěm autobusu

Kdo z nás nikdy nejel autobusy značky Iveco? Meziměstské autobusy Iveco Crossway a Crossway Low Entry z Vysokého Mýta sice své cestující naleznou spíše v zahraničí(v roce 2015 byla společnost Iveco Czech Republic osmým největším vývozcem), nicméně i na českých silnicích se v nich můžeme svézt.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inovativní spojovací systémy předjímající budoucnost

Díky dlouhodobým, prověřeným zkušenostem se svařováním tradičních materiálů úspěšně uplatňovaným v automobilovém odvětví dokáže nyní firma Comau vyvíjet stále vyspělejší řešení a spojovací postupy zaměřené i na ty nejnovější materiály.

Automatizace není odpovědí na všechny otázky

Primárním cílem zavádění automatizace a robotizace je nejen zajistit více času, jak jsme si řekli v minulém díle, ale jejím účelem je také usnadnit lidstvu složité a zdraví škodlivé úkoly. Automatizace se nasazuje v oblastech stereotypní a nebezpečné práce. Motivací firem může být i škálovatelnost, maximalizace zisku a v neposlední řadě nižší počet lidských selhání. Tento díl našeho seriálu Fenomén automatizace se zamýšlí nad tím, proč, kde a jak automatizovat, a dalšími otázkami.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

V nejisté době je univerzálnost řešením

Automatizace průmyslových procesů řeší problémy s nedostatkem kvalifikované pracovní síly, nahrazuje fyzicky namáhavou či zdravotně škodlivou činnost, snižuje chybovost lidského faktoru, zkracuje výrobní časy a v konečném důsledku přispívá ke zvýšení kvality a zisku. Nejen toto je pro ředitele společnosti Acam Solution Ing. Pavla Bortlíka a jeho tým motivace, ale i zábava. Za relativně krátkou dobu na trhu se firma stala, ať už napřímo, či přes své obchodní partnery, dodavatelem společností jako Volkswagen, Toyota, Olympus, Škoda Auto, Edwards, TE, BOSH, Heinze Gruppe, Woco STV či Fanuc a nyní přichází s řešením vhodným nejen pro velké výrobce, ale také pro malé a střední podniky – s univerzální robotickou buňkou HXG. Důležitým komponentem v této buňce je mimo jiné systém pro upínání nulového bodu VERO-S od společnosti Schunk.

Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

Automatizace lidem práci nebere

Automatizaci se ve firmě Kovosvit MAS věnují od roku 2013. Z původního projektu vznikla samostatná divize MAS Automation a na letošní rok má plánované téměř dvojnásobné tržby oproti roku 2017. V porovnání s plánovaným obratem celého Kovosvitu jsou tržby divize zatím nevýznamné, ale průměrný růst divize o dvě třetiny ročně dokládá, že automatizace má v podniku ze Sezimova Ústí zelenou.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit