Text: Kalle Eskilsson
Bild: Privat
Pressgjutning används för att tillverka olika typer av komponenter i flera industrisektorer. När gjutgodsen blir större, verktygen dyrare och kraven på effektivitet högre ökar också behovet av att kunna förutse eventuella svagheter eller risker i processen. I sitt examensarbete vid Jönköping University, genomfört i samarbete med RISE (Research Institutes of Sweden), har Jonathan Ydreborg undersökt hur simulering kan användas för att förutse temperaturgradienter i pressgjutverktyg.
Jonathan har en bakgrund som skiljer sig från många andra studenter. Innan han började studera arbetade han länge inom tillverkningsindustrin, bland annat som CNC-operatör och verktygsmakare. I sitt arbete har han tillverkat gjutverktyg för pressgjutning samt klippverktyg för plåtklippning och bockning. När han senare valde att läsa maskinteknik med inriktning mot produktutveckling och design blev studierna ett sätt för honom att fördjupa sina kunskaper och ta sig an utmaningar som han redan mött i praktiken.
– Jag ville lära mig mer inom området. Jag gillar fortfarande gjutning från verktygsmakeriet och verktygskonstruktion, men jag ville också utforska möjligheterna med simulering och beräkningsteknik, berättar Jonathan.
I samband med sitt examensarbete, med titeln ”Modeling and simulation to predict die temperature gradients in high pressure die casting”, tilldelades Jonathan ett stipendium på 25 000 kronor från Svenska Gjuteriföreningen. Syftet med arbetet var att skapa en digital modell för att studera hur temperaturen utvecklas i ett pressgjutverktyg. Fokus låg på aluminiumgjutgods och genomfördes i simuleringsprogrammet MAGMASOFT®.
Bakgrunden är en välkänd utmaning i industrin. Fysiska tester tar lång tid att genomföra och kräver resurser i form av både maskiner, material och personal. Om ett verktyg behöver göras om efter att det redan har tillverkats kan det medföra stora kostnader. Genom simulering kan olika delar av processen analyseras och ge bättre beslutsunderlag innan den riktiga produktionen påbörjas.
– Hela grejen med simulering är att man ska kunna förutse och undvika att behöva göra om efteråt. Manuell testning är inte heller optimalt då det ofta blir dyrt och kan stanna upp produktionen, säger Jonathan.
I pressgjutning spelar temperaturen i verktyget en avgörande roll. När smält aluminium sprutas in i formen tillförs stora mängder värme och om temperaturen blir ojämn kan det skapa termiska spänningar som i sin tur påverkar kvaliteten och livslängden på verktyget. Det är även viktigt att bibehålla temperaturen över flera gjutcykler. Om den fortsätter stiga kan det leda till värmesprickor och andra skador.
Jonathan byggde upp modellen stegvis för att kunna se hur olika delar av processen påverkade temperaturutvecklingen. Först simulerades en basmodell. Därefter lades fler faktorer till successivt, bland annat kylkanaler och sprejning av verktygsytan. Det iterativa arbetssättet var viktigt för att kunna jämföra hur resultaten förändrades utifrån enskilda faktorers inverkan. Isimuleringen visade sig kylkanalerna ha mycket stor betydelse för värmebalansen i verktyget. När det kommer till sprejningens påverkan var delar av resultatet mer förvånande. Som förväntat bidrog momentet till kylning mellan gjutcyklerna, men det visade sig också att sprejning kunde bidra till ökade temperaturskillnader mellan varma och kalla områden.
– Jag var inte beredd på att sprejningen kunde öka temperaturskillnaderna lokalt på vissa ställen. Samtidigt blev det väldigt tydligt hur stor betydelse kylkanalerna hade för värmebalansen i verktyget, säger Jonathan.
Examensarbetet visar att simulering kan vara ett viktigt verktyg för att förstå och optimera pressgjutningsprocesser. Det räcker dock sällan med att titta på enskilda parametrar i en så komplex process. Faktorer som geometri, material, insprutningshastighet, kylning, vakuum, förvärmning och gjutcykel påverkar processen på olika sätt och behöver ligga nära verkligheten för att resultaten ska vara så tillförlitliga som möjligt.
För RISE kan arbetet användas som underlag för vidare forskning. Jonathan ser själv en stor potential i att kombinera simulering med maskininlärning, något som han inte hade möjlighet att undersöka inom ramen för detta arbete. En av hans simuleringar kunde ta upp emot två dagar att köra, och för större och mer komplexa modeller kan beräkningstiden bli en tydlig begränsning. Om maskininlärning kan användas för att korta simuleringstiderna och minska mängden data som krävs skulle det kunna göra tekniken mer användbar och bidra med större nytta.
– Kan man få ner simuleringstiderna och mängden data som behövs är det en fantastisk möjlighet. För de stora verktygen och industrier som behöver gjuta stora gods tar det väldigt lång tid att simulera. Kan man få ner den tiden kan man göra stora besparingar, säger Jonathan.
Efter examensarbetet har Jonathan gått vidare till masterstudier i tillämpad mekanik vid Linköpings universitet. Intresset för gjutning finns kvar och han ser möjligheter med att fördjupa sig ytterligare inom simulering, flöden och maskininlärning.
Mycket pekar på att simuleringar kan ge konkreta vinster inom gjuteriindustrin. Resultatet av arbetet är inte en färdig lösning på alla utmaningar, men ett steg mot bättre förståelse för hur digitala modeller kan användas för att skapa mer effektiva, förutsägbara och hållbara pressgjutningsprocesser.
Examensarbetet kan laddas ner och läsas i sin helhet i portalen DiVa: https://www.diva-portal.org/
