शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन

वर्तमान में मेटल फॉर्मिंग उद्योग ट्राई-आउट टूलींग के निर्माण से पूर्व डाई, प्रक्रियाओं और ब्लैंक के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन के उपयोग में वृद्धि हो रही है। परिमित तत्व विश्लेषण (एफईए) यह निर्धारित करने के लिए शीट मेटल निर्माण के संचालन का अनुकरण करने का सबसे सामान्य प्रकार है कि क्या प्रस्तावित डिजाइन फ्रैक्चर या संकुचन जैसे दोषों से मुक्त भागों का उत्पादन करेगा।

शीट मेटल बनाने की चुनौतियाँ

शीट मेटल फॉर्मिंग, जिसे अधिकांशतः स्टैम्पिंग (मेटलवर्किंग) के रूप में जाना जाता है, ऐसी प्रक्रिया है जिसमें शीट मेटल का खंड, जिसे ब्लैंक कहा जाता है, पंच और डाई के मध्य विस्तारित करके बनाया जाता है।

सबसे अधिक होने वाले दोषों में संकुचन, विरल होना, स्प्रिंगबैक और विभाजन सम्मिलित हैं। प्रविधिज्ञों के अनुभव के आधार पर, मुख्य दोषों के समाधान के लिए उद्योग भर में कुछ विधियों का उपयोग किया जा रहा है। यद्यपि, उचित प्रक्रिया सबसे महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसमें अंतिम ज्यामिति तक पहुँचने के लिए कई चरणों के पश्चात् उचित ज्यामिति सम्मिलित होती है। जो विशिष्ट अनुभव या अधिक संख्या में पुनरावृत्तियों का अनुरोध करता है।

ब्लैंक का विरूपण सामान्यतः विभाजन, संकुचन और अन्य नकारात्मक विशेषताओं द्वारा सीमित होता है, जिससे गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूर्ण करना असंभव हो जाता है या वांछनीय दर से मंद गति से चलना आवश्यक हो जाता है।

ड्रॉ में संकुचन संपीड़ित बकलिंग के कारण विस्तारित की गई दीवार में रेडियल रूप से बनने वाली रेखाओं की श्रृंखला होती हैं। व्यावहारिक रूप से ये कम ब्लैंक धारक दबाव के कारण होते हैं जिसके कारण सामग्री फिसलती है और रेखा बनती हैं। इष्टतम ब्लैंक होल्डिंग दबाव कुंजी है, यद्यपि कुछ स्थितियों में यह कार्य नहीं करती है। तब ड्रा बीड्स समाधान हैं, ड्रॉ बीड का स्थान और आकार चुनौती है, जिसका उपकरण निर्माण से पूर्व डिजाइन चरण के समय एफईए के साथ विश्लेषण किया जा सकता है।

उच्च तन्यता प्रतिबल के कारण ऊर्ध्वाधर दीवार में क्रैक, कुछ छोटे रेडियस ब्लॉक सामग्री प्रवाह को अवरुद्ध करते हैं और उस बिंदु पर शीट के 40% से अधिक विरल होने का परिणाम उत्पन्न हो जाता है। परिणामस्वरूप क्रैक हो जाते हैं। कुछ स्थितियों में यह अत्यधिक ब्लैंक होल्डर दबाव के कारण हो सकता है, जो धातु के प्रवाह को प्रतिबंधित करता है। यह अनुचित प्रक्रिया डिज़ाइन के कारण भी हो सकता है, जैसे एक ही चरण में अधिक गहन ड्रॉ बनाने का प्रयास करना जो अन्यथा केवल दो चरणों में ही संभव है।

शीट मेटल का विरल होना उच्च तन्यता प्रतिबल के कारण ऊर्ध्वाधर दीवार में अत्यधिक विस्तार है, जिससे धातु भागों में विशेष रूप से छोटे रेडियस पर घनत्व में कमी आती है, यद्यपि प्रक्रिया सीमाओं के कारण इसे 20% तक विरल होने की अनुमति है।

स्प्रिंगबैक (धातुकर्म) विशेष रूप से शीट मेटल निर्माण का महत्वपूर्ण पक्ष है। यहां तक ​​कि महत्वपूर्ण गहनता से बनी संरचनाओं में स्प्रिंगबैक की अपेक्षाकृत कम मात्रा भी ब्लैंक को इस प्रकार विकृत कर सकती है कि सहनशीलता को स्थिर नहीं रखा जा सकता है। स्टील, एल्युमीनियम और मैग्नीशियम जैसी नए धातुओं में विशेष रूप से स्प्रिंगबैक की आशंका होती है।

शीट मेटल बनाना विज्ञान से अधिक कला है। टूलींग, स्टैम्पिंग प्रक्रिया और ब्लैंक सामग्री तथा ज्यामिति का डिज़ाइन मुख्य रूप से परीक्षण और त्रुटि द्वारा किया जाता है।

वर्तमान में सिमुलेशन सॉफ्टवेयर सीएई (कंप्यूटर एडेड इंजीनियरिंग) के अंतर्गत आता है, जो डाई निर्माण से पूर्व डिजाइन चरण में सामान्य दोषों की भविष्यवाणी करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण का उपयोग करता है।

भागों का सफलतापूर्वक उत्पादन करने के लिए पंच और डाई को डिजाइन करने का पारंपरिक दृष्टिकोण आवश्यक गुणवत्ता के भागों का उत्पादन करने के लिए निश्चित उपकरण डिजाइन की क्षमता का परिक्षण करने के लिए परीक्षण उपकरण बनाना है। अवलोकन व्यय को कम करने के लिए ट्राई-आउट उपकरण सामान्यतः कम बहुमूल्य धातु से बने होते हैं, फिर भी यह विधि अभी भी बहुमूल्य और समय लेने वाली है।

शीट मेटल निर्माण सिमुलेशन का इतिहास

मेटलफोर्मिंग के अनुकरण का प्रथम प्रयास 1960 के दशक में डीप ड्राइंग प्रक्रिया का उचित रूप से अध्ययन करने के लिए परिमित अवकल विधि का उपयोग करके किया गया था। सिमुलेशन त्रुटिहीनता को इसके पश्चात 1980 के दशक में अरेखीय परिमित तत्व विश्लेषण प्रयुक्त करके विस्तारित किया गया था किन्तु औद्योगिक समस्याओं पर सिमुलेशन प्रयुक्त करने के लिए इस समय कंप्यूटिंग समय अधिक लंबा था।

गत कुछ दशकों में कंप्यूटर हार्डवेयर में तीव्रता से हुए संशोधनों ने वास्तविक संसार की मेटल फॉर्मिंग समस्याओं को हल करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण पद्धति को व्यावहारिक बना दिया है। एक्सप्लिसिट टाइम इंटीग्रेशन पर आधारित एफईए कोड का नया क्लास विकसित किया गया जिसने कम्प्यूटेशनल टाइम और मेमोरी रिक्वायरमेंट्स को कम कर दिया। डायनामिक एक्सप्लिसिट एफईए एप्रोच गति के समीकरणों को समाकलित करने के लिए सेंट्रल डिफरेंट एक्सप्लिसिट स्कीम का उपयोग करता है। यह दृष्टिकोण लम्प्ड मास मैट्रिक्स और सेकंड के दस लाखवें क्रम पर विशिष्ट समय चरण का उपयोग करता है। यह विधि विशिष्ट औद्योगिक समस्याओं के लिए स्थिर और कुशल सिद्ध हुई है।

जैसे-जैसे कंप्यूटर हार्डवेयर और ऑपरेटिंग सिस्टम विकसित हुए हैं, इम्प्लीसिट परिमित तत्व विधियों के व्यावहारिक उपयोग को प्रिवेंट करने वाले मेमोरी लिमिटेशंस दूर हो गए हैं। इम्प्लीसिट विधि का उपयोग करते हुए सिमुलेशन में किसी दिए गए क्षण में होने वाली विकृति की अनुमानित मात्रा के आधार पर टाइम स्टेप्स की गणना की जाती है, इस प्रकार जब कुछ भी नहीं हो रहा हो तो अधिक छोटे टाइम स्टेप्स की गणना करने या उच्च मात्रा में विकृति उत्पन्न होने पर अधिक बड़े टाइम स्टेप की गणना के कारण होने वाली अनावश्यक कम्प्यूटेशनल अक्षमता को अवरोधित किया जा सकता है।

परिमित तत्व विश्लेषण विधियाँ

शीट मेटल निर्माण के लिए परिमित तत्व विश्लेषण विधि के अनुप्रयोग में दो व्यापक विभाजनों को इनवर्स वन-स्टेप और इंक्रीमेंटल के रूप में पहचाना जा सकता है।

इनवर्स वन-स्टेप विधियाँ पूर्ण भाग ज्यामिति की विरूपण क्षमता की गणना फ्लैट ब्लैंक पर करती हैं। प्रारंभ में पूर्ण ज्यामिति के आकार और भौतिक विशेषताओं के साथ मैश को फ्लैट पैटर्न ब्लैंक में विकृत किया जाता है। इस इनवर्स फॉर्मिंग ऑपरेशन में गणना किए गए प्रतिबल को अंतिम भाग के आकार में विकृत होने वाले फ्लैट ब्लैंक की विरूपण क्षमता की भविष्यवाणी करने के लिए विपरीत किया जाता है। यह माना जाता है कि सभी विकृति इन्क्रीमेंट अथवा स्टेप में होती है और यह उस प्रक्रिया का व्युत्क्रम है जिसका अनुकरण प्रतिनिधित्व करना है, इस प्रकार इसे इनवर्स वन-स्टेप नाम दिया गया है।

इंक्रीमेंटल एनालिसिस विधियां फ्लैट ब्लैंक के मैश से प्रारम्भ होती हैं और प्रस्तावित विनिर्माण प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करने के लिए प्रस्तुत किए गए उपकरणों के अंदर ब्लैंक के विरूपण का अनुकरण करती हैं। इस इंक्रीमेंटल फॉर्मिंग की गणना प्रारंभिक आकार से अंतिम तक की जाती है, और प्रारम्भ से अंत तक कई टाइम इन्क्रीमेंट पर गणना की जाती है। प्रस्तावित किए जा रहे फाइनाइट एलिमेंट सॉफ़्टवेयर के आधार पर टाइम इन्क्रीमेंट को स्पष्ट रूप से या अंतर्निहित रूप से परिभाषित किया जा सकता है। चूंकि इंक्रीमेंटल विधियों में टूलींग का मॉडल सम्मिलित होता है और सीमा स्थितियों की परिभाषा की अनुमति मिलती है जो विनिर्माण प्रस्ताव को पूर्ण रूप से दोहराती है, प्रक्रिया सत्यापन के लिए इंक्रीमेंटल विधियों का अधिक सामान्यतः उपयोग किया जाता है। टूलींग की कमी और इसलिए प्रक्रिया के हीन प्रतिनिधित्व के कारण इनवर्स वन-स्टेप ज्यामिति आधारित व्यवहार्यता परिक्षण तक सीमित है।

इंक्रीमेंटल एनालिसिस ने प्रूफ़ टूल या प्रोटोटाइप टूल के उपयोग के माध्यम से पूर्व पूर्ण की गई भूमिका को पूर्ण कर दिया है। अतीत में प्रूफ़ टूल सामान्य सामग्री की उपमा में नरम सामग्री से बने अल्पकालिक डाई होते थे, जिनका उपयोग धातु बनाने के संचालन की योजना बनाने और परीक्षण करने के लिए किया जाता था। यह प्रक्रिया अधिक समय लेने वाली थी और सदैव लाभकारी परिणाम नहीं देती थी, क्योंकि सॉफ्ट टूल्स लंबे समय तक चलने वाले उत्पादन उपकरणों की उपमा में अपने व्यवहार में अधिक भिन्न थे। सॉफ्ट टूल्स के अनुभव हार्ड टूल डिज़ाइन में स्थानांतरित नहीं होते हैं। सिमुलेशन ने प्रायः इस प्राचीन पद्धति को विस्थापित कर दिया है। वर्चुअल ट्रायआउट के रूप में उपयोग किया जाने वाला सिमुलेशन मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन है जो इनपुट वेरिएबल के विशिष्ट सेट पर आधारित होता है। यद्यपि, कोई भी सिमुलेशन केवल उतना ही उत्तम होता है जितना कि भविष्यवाणियां उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाने वाला डेटा होता है। जब सिमुलेशन को उत्तीर्ण परिणाम के रूप में देखा जाता है तो उपकरण का निर्माण अधिकांशतः गंभीरता से प्रारम्भ हो जाएगा। किन्तु यदि सिमुलेशन परिणाम उत्पादन इनपुट के अनरेअलिस्टिक सेट पर आधारित हैं तो इंजीनियरिंग उपकरण के रूप में इसका मूल्य संदिग्ध है।

रोबस्टनेस विश्लेषण

शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन पर प्रयुक्त स्टोकेस्टिक विश्लेषण में नवपरिवर्तन ने प्रारंभिक अडोप्टरों को अपनी प्रक्रियाओं में रिपीट करने की क्षमता इंजीनियर करने में सक्षम बनाया है जो कि वर्चुअल ट्रायआउट के रूप में सिमुलेशन के सिंगल सेट का उपयोग करने पर प्राप्त नहीं हो सकता है।

शीट मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन का उपयोग

चाबोचे प्रकार के मेटेरियल मॉडल का उपयोग कभी-कभी शीट मेटल निर्माण में स्प्रिंगबैक प्रभावों का अनुकरण करने के लिए किया जाता है। इन और अन्य उन्नत प्लास्टिसिटी मॉडलों को चक्रीय प्रतिबल-विकृति वक्रों के प्रयोगात्मक निर्धारण की आवश्यकता होती है। परीक्षण रिग का उपयोग भौतिक गुणों को मापने के लिए किया गया है, जब सिमुलेशन में इसका उपयोग किया जाता है तो मापन और गणना किए गए स्प्रिंगबैक के मध्य यह उत्कृष्ट सहसंबंध प्रदान करता है।

कई मेटल फॉर्मिंग ऑपरेशंस को सिंगल स्टेप में करने के लिए ब्लैंक के अधिक विरूपण की आवश्यकता होती है। मल्टीस्टेप या प्रोग्रेसिव स्टैम्पिंग ऑपरेशंस का उपयोग स्टैम्पिंग ऑपरेशंस की श्रृंखला के माध्यम से ब्लैंक के वांछित आकार में वृद्धि के लिए किया जाता है। इंक्रीमेंटल फॉर्मिंग सिमुलेशन सॉफ़्टवेयर प्लेटफ़ॉर्म इन ऑपरेशनों को वन-स्टेप स्टैम्पिंग ऑपरेशनों की श्रृंखला के साथ संबोधित करते हैं जो वन स्टेप एट टाइम फॉर्मिंग प्रक्रिया का अनुकरण करते हैं।

File:Progressive strip simulated thinning, AutoForm.jpg

मेटल फॉर्मिंग ऑपरेशन डिजाइन में सामान्य लक्ष्य प्रारंभिक ब्लैंक के आकार को डिजाइन करना है जिससे अंतिम भाग को डिजाइन ज्यामिति से मैच करने के लिए कुछ या किसी कटिंग ऑपरेशन्स की आवश्यकता न हो। ब्लैंक आकार को परिमित तत्व सिमुलेशन के साथ भी अनुकूलित किया जा सकता है। दृष्टिकोण पुनरावृत्तीय प्रक्रिया पर आधारित है जो अनुमानित प्रारंभिक ज्यामिति से प्रारम्भ होती है, फॉर्मिंग प्रक्रिया का अनुकरण करती है और फिर आदर्श उत्पाद ज्यामिति से परिणामी गठित ज्यामिति के विचलन का परिक्षण करती है। ब्लैंक कोर की ज्यामिति को उचित करने के लिए नोड पॉइंट्स को डिस्प्लेसमेंट फाइल्ड के अनुसार समायोजित किया जाता है। यह प्रक्रिया तब तक प्रारम्भ रहती है जब तक कि अंतिम ब्लैंक आकार डिज़ाइन किए गए भाग की ज्यामिति से युग्मित नहीं होता है।

मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन उच्च शक्ति वाले स्टील और उन्नत उच्च शक्ति वाले स्टील की स्थिति में विशेष लाभ प्रदान करता है, जिनका उपयोग वाहन की दुर्घटना सुरक्षा को बनाए रखते हुए भार कम करने के लिए वर्तमान ऑटोमोबाइल में किया जाता है। धातुओं में पारंपरिक स्टील की उपमा में अधिक उपज और तन्यता शक्ति होती है इसलिए डाई बनाने की प्रक्रिया के समय यह अधिक विरूपण से निकलती है जिसके परिणामस्वरूप डाई को डिजाइन करने में कठिनाई अधिक होती है। शीट मेटल सिमुलेशन जो न केवल ब्लैंक अपितु डाई के विरूपण पर भी विचार करता है, इन धातुओं को सफलतापूर्वक बनाने के लिए उपकरणों को डिजाइन करने के लिए इसका उपयोग किया जा सकता है।

औद्योगिक अनुप्रयोग

टाटा मोटर्स के इंजीनियरों ने नए तेल पंप डिज़ाइन के निर्माण के लिए टूलींग और प्रोसेस पैरामीटरों को विकसित करने के लिए मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन का उपयोग किया है। संवृत किए गए प्रथम प्रोटोटाइप सिमुलेशन भविष्यवाणी से युग्मित होते थे।

निसान मोटर कंपनी ने मेटल स्टैम्पिंग ऑपरेशन में टीयरिंग की समस्या के समाधान के लिए मेटल फॉर्मिंग सिमुलेशन का उपयोग किया है। उस ऊंचाई पर ब्लैंक कोर त्रिज्या के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए सरल सिमुलेशन मॉडल बनाया गया था जिस पर धातु को बिना विभक्त किये बनाया जा सकता है। इस जानकारी के आधार पर नया डाई डिज़ाइन किया गया जिससे समस्या का समाधान हो गया।

उद्योग में सॉलिडवर्क्स और एलआईटीआईओ के रूप में कई शीट मेटल प्रोग्राम उपलब्ध हैं।

वर्तमान में एफईए सॉफ़्टवेयर जैसे एलएस डायना, ऑटोफॉर्म, हाइपरफॉर्म, पामस्टैम्प उत्पाद निर्माण से पूर्व वर्चुअल प्रोसेस सिमुलेशन के लिए उत्तम हैं। प्रोसेस डिज़ाइन से पूर्व डिज़ाइन स्टेज में रिंकल, थिन्निंग और क्रैक्स जैसे दोष देखे जा सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रोसेस का उचित चयन होता है और लीड समय में कमी आती है और मूल्यवान धन का संचय होता है, जिसे अन्यथा व्यस्त विनिर्माण पुनरावृत्तियों में निवेश किया जाता है।