Painomuovaus

Painomuovauksesta käytetään useita eri nimiä sekä suomeksi että englanniksi. Painomuovaus tai numeerinen painomuovaus on yleisin suomenkielinen termi, mutta myös termiä muotiton muovaus käytetään vielä joissakin yhteyksissä.

Englanninkieliset termit painomuovaukselle ovat incmental sheet forming, incremental forming, single point incremental forming ja dieless forming (lähinnä Japanissa).

Painomuovauksen perusteet

Numeerinen painomuovaus (engl. incremental forming, dieless NC forming) on ohutlevyjen kylmämuovausmenetelmä, joka on kehitetty prototyyppien ja pienten sarjojen valmistukseen. Menetelmän juuret ovat 1990-luvun Japanissa, jossa professori Matsubara keksi tavan muovata ohutlevyjä ilman kalliita työkaluja. Sittemmin menetelmää on tutkittu ja kehitetty eri puolilla maailmaa. Vuonna 2004 ainoa kaupallinen numeerisen painomuovauksen sovellus on Amino Corporationin valmistama portaalityyppinen painomuovauskone.

Muovaus

Ohutlevyaihio kiinnitetään nelikulmaiseen kehikkoon, joka on kiinnitetty pystyjohteisiin. Muovauksen edetessä kehikko liikkuu alaspäin yhtäaikaisesti työkalun kanssa. Koneesta riippuen kehikko voi liikkua myös x-y-tasossa muovauksen aikana.

Muovaus tapahtuu tietokoneohjatulla työkalulla, joka liukuu levyn pinnalla painaen. Työkalu etenee kerroksittain alaspäin, jolloin levy venyy ja taipuu haluttuun muotoon. Työkalu painaa levyä riittävällä voimalla, että levyn muodonmuutos jää pysyväksi. Voima riippuu muovattavasta materiaalista ja levyn paksuudesta. Muovauksessa ei tarvita muottia, vaan muovattavaa ohutlevyä tuetaan tarvittavista kohdista aihion alle sijoitettavalla kiinteällä tuella.

Muovausratojen ohjelmointi

Muovausratojen ohjelmointiin liittyvät työvaiheet voidaan jaotella seuraavasti.
  CAD -mallinnus
  CAM -ohjelmointi
  Postprosessointi
  Kappaleen muovaus robotilla

3D CAD -mallit

Muovattavasta kappaleesta tarvitaan 3D CAD -malli, jonka avulla muovausradat voidaan CAM-ohjelmistossa luoda. CAM-ohjelmisto ei tarvitse täydellistä 3D CAD -mallia (tilavuusmalli) muovattavasta kappaleesta vaan pelkät muotopinnat riittävät. Näiden pohjalta voidaan tarvittavat muovausradat luoda sekä alapuoleinen tuki suunnitella.
Alapuoleinen tuki suunnitellaan aina kappalekohtaisesti. Tarvittavan tuen määrä riippuu kappaleen muodosta ja halutusta tarkkuudesta. Yksinkertaisimmillaan alapuolinen tuki voi olla pystysuora tappi, mutta tarkemmissa muovauksissa tarvitaan täydellinen alapuolinen tuki.

CAM -ohjelmointi

Mikäli kappale on mallinnettu erillisellä CAD-järjestelmällä, joudutaan kappaleen geometria siirtämään CAM-ohjelmistoon. Yleisin tapa on siirtää geometria ns. neutraalissa tiedostoformaatissa (esim. IGES). Tällöin yleensä siirretään vain tarvittavat piirteet valmistettavasta kappaleesta eikä koko 3D CAD -mallia. Esimerkiksi siirretään pelkät muovattavat pinnat.

Postprosessointi

Ennen kuin luotuja muovausratoja voidaan ajaa robotilla, joudutaan CAM-ohjelmiston tuottama NC-koodi kääntämään robotin ymmärtämään muotoon. Eri CAM-järjestelmien tuottama NC-koodi on pääasiassa samanlaista, mutta varsinkin erityiskäskyjen kirjoitusmuoto on erilainen.

Kappaleen muovaus robotilla

Käännetyillä muovausradoilla muovataan robotilla halutunlainen kappale.

Muovauspöytä

Muovauspöydällä on kaksi erilaista toimintaperiaatetta: kiinteä kiinnityskehikko tai liikkuva kiinnityskehikko.

Kiinteä kiinnityskehikko

Muovattava levy kiinnitetään pöydässä kiinteään kehikkoon. Muovauspöydän toiminta perustuu periaatteeseen, jossa liikkuvalla levyllä nostetaan muovauksessa käytettävää alapuoleista tukea. Varsinainen levyn muovaus tapahtuu muovattavan levyn x, y -tasossa kerroksittain. Muovatun kerroksen jälkeen liikkuva levy nousee ylöspäin z-suunnassa halutun askeleen verran.

Liikkuva kiinnityskehikko

Muovattava levy kiinnitetään liikkuvaan kehikkoon. Muovauspöydässä kehikko laskee "vapaasti" z-suunnassa muovauksen aikana. Muovattava levy on tuettu alla olevaan alapuoliseen tukeen. Lisäksi kehikkoa voidaan keventää tarvittaessa esimerkiksi paineilmasylintereillä. Muovauksen aikana levyn muovaus tapahtuu x,y -tasossa kerroksittain siten, että muovatun kerroksen jälkeen muovaustyökalu siirtyy alaspäin z-suunnassa halutun askeleen verran ja samalla "painaa" liikkuvaa kehikkoa alaspäin.

Prosessiparametrit

Numeerisen painomuovauksen tärkeimpiä prosessiparametrejä ovat:
 Materiaali ja levyn paksuus
 Seinämän kulman jyrkkyys
 Z-akselin suuntainen syöttö
 Työkalun koko ja muoto
 Työstörata
 Muovattavan kappaleen geometria
 Voitelu

Parametrit vaikuttavat toisiinsa. Yhden parametrin muuttaminen aiheuttaa rajoituksia toisiin parametreihin ja muovausta suunniteltaessa joudutaan päättämään, mitkä ominaisuudet ovat toisia tärkeämpiä juuri kyseisessä kappaleessa.

Muovauslaitteistosta riippuvat tekijät

Muovattavan levyn suurin mahdollinen paksuus määräytyy koneen koon ja muovattavan materiaalin mukaan. Koska materiaalien myötörajat vaihtelevat, myös myötörajan ylittämiseen vaadittava voima vaihtelee. Muovauslaitteiston osalta muovaukseen tarvittava voima on kriittinen suure levynpaksuutta määriteltäessä. 
Robottiavusteisessa painomuovauksessa robotin jäykkyys ja voima rajoittavat muovattavan levyn suurinta mahdollista paksuutta. Käsivarsirobotti koostuu useasta varresta, jotka liittyvät toisiinsa nivelten avulla. Jokaisessa nivelessä on sähkömoottori, joka ohjaa varren liikkeitä. Nivelet ja moottoroinnit aiheuttavat rakenteeseen joustoja, joka robotin kärjessä mitattuna voi olla useita millimetrejä. Tämä jousto aiheuttaa epätarkkuutta myös muovausrataan niissä tilanteissa, joissa työkaluun kohdistuu paljon voimaa. Epätarkkuutta voidaan kompensoida ohjelmallisesti, jolloin saavutettu muokkaustarkkuus on parempi.

Työkalusta riippuvat parametrit

Jos muovaava työkalu on suora ja kiinnitetty kappaleen yläpuolelle, sisäänpäin kääntyvien muotojen muovaaminen edellyttää erikoistyökaluja. Tätä ongelmaa voidaan kiertää muovaamalla kappaletta uudelleen toisessa asennossa.
Työkalun pään halkaisija määrittää pienimmän mahdollisen pyöristyssäteen. Työkalun pienin mahdollinen halkaisija määräytyy muovattavan materiaalin mukaan. Vaikeasti muovattavien materiaalien, kuten ruostumattoman teräksen, muovauksessa työkaluun kohdistuu suuria sivuttaisvoimia, jotka voivat katkaista ohuen työkalun.
Työkalun halkaisija vaikuttaa myös pinnanlaatuun, mahdolliseen kulmajyrkkyyteen ja muovausvoimiin.

Materiaaliparametrit

Toinen geometrinen rajoitus liittyy materiaalin käyttäytymiseen muovauksessa. Numeerisessa painomuovauksessa muodonmuutos tapahtuu paikallisesti ainoastaan työkalun alla ja sen välittömässä läheisyydessä. Muovauksen aikana materiaali ei virtaa muualta aihiosta muodonmuutoskohtaan päin, vaan koko muodonmuutos aiheutuu muovattavan kohdan ohenemisesta. Aihiota taivutettaessa se ohenee suoraan verrannollisesti taivutuskulmaan nähden, jolloin levyn tilavuuden pysyessä samana levyn paksuus rajoittaa mahdollista taivutuskulmaa. Ilmiötä kuvaa Sinin laki.

tf=t0sinα

tf= levyn lopullinen paksuus

t0= levyn alkuperäinen paksuus

α = taivutuskulma

Z-portaan vaikutus lopputulokseen

Numeerisessa painomuovauksessa työkalun muovausrata on kerroksittainen. Jokaisen kerroksen välissä työkalu liikkuu määritellyn askeleen verran alaspäin. Tätä kutsutaan z-syötöksi. Useimmiten z-portaan arvot ovat 1,0–0,2mm välillä materiaalista ja muovattavasta geometriasta riippuen. Pienempi syöttö tuottaa paremman pinnanlaadun, mutta vastaavasti muovausaika kasvaa. Kun syöttöä pienennetään riittävästi, työkalu muovaa samaa kohtaa useita kertoja, jolloin materiaalin muokkauslujittumiskyky loppuu ja materiaali murtuu.

Muovausajan arviointi

Kappaleen muovausaika numeerisessa painomuovauksessa riippuu geometriasta, valitusta z-syötöstä ja käytetystä muovausnopeudesta. Geometria vaikuttaa muovausradan pituuteen, ja jos muovausnopeus pidetään vakiona, radan pituus on suoraan verrannollinen muovausaikaan. Z-portaan arvo on suoraan verrannollinen muovausratojen määrään ja siten muovausaikaan.

Lähteet
2002-2005 PASUUNA – Painomuovaus ja superplastisuus ohutlevykomponenttien ja työkalujen valmistuksessa, Tekes
Luokka:Teollisuus