Advanced in mould assembling technologies for high precision polymer based optical components

• Author(s): Oliveira, Nelson Duarte Mendes
• Date: 2014
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/35771
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 658.5; Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: English
• Advisor(s): Pontes, A. J.
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de Doutoramento - Programa Doutoral em Líderes para as Indústrias Tecnológicas

In recent years, the worldwide economic crisis and the continuing trend toward globalization have forced companies worldwide to seek to improve existing production systems or implement new manufacturing processes. It was based on this problem that this project was initiated. This PhD had the objective of developing a new process capable of producing a functional automotive component in an optimized way and with a lower cost compared to existing processes. To achieve this objective an intensive study was made into the concept of a manufacturing process utilizing injection molding processes allied with laser welding technologies. These two processes were chosen due to their capability of producing different components in a single process. To achieve the desired end, several tasks were undertaken. In the first instance a market research study was done so as to define which automotive component case study warranted particular examination. An in-depth appraisal of the state-of-the-art of the technologies involved in the projected manufacturing process. Following on identification of the optimal component case study, initial design of a mold and assembling process was undertaken, this ultimately leading cost analysis. This PhD was made in collaboration with PIEP and Olesa. After preliminary studies it was decided to focus on the rear lamp. To adapt the existing rear lamp to be produced through this new process it was necessary to develop a new electric circuit and to change the resistive lamp to LEDs. To produce the electric conductive circuit, it was decided to use conductive polymers. The modification made to the existing rear lamp was made according to legislation UNECE Vehicle Regulations - 1958 Agreement; Regulation No. 50 -Rev.2. To ensure the success of the new electric conductive circuit, several conductive additives were mixed with PC and PP and then tested. These comparative conductive tests showed that the material with the best electric conductivity was PC with 5% of carbon nanotubes. In this project was to examine the application of laser welding as the joining process. To study their viability in joining several materials were studied - PC, PMMA and PP. The seams of the joins made were characterized in terms of the mechanical resistance. The best combination of materials obtained would seem to be PMMA with PC while the best welding conditions are available with a minimum velocity of 20cm/min, a minimum power of 20W and a laser emitter 1mm in diameter. A comparative cost analysis examining and contrasting the comparable unit costs of production under the current manufacturing/ assembling process. The current process produces component subsystems with a lower cost when compared to the hybrid process for production batches smaller than 2800 units. After this batch size, the hybrid process produces subsystems with lower cost. In the thesis, a number of factors that influence the final price were also studied and evaluated. In particular, the possibility to produce component subsystems with two injection machines in contra-cycle with one laser and robot was examined; this production process seems capable of producing component subsystems with a lower cost and double the productive capacity when compared to the process initially studied.

A atual crise económica e a globalização têm levado a que muitas das empresas procurem otimizar os seus processos produtivos ou então deslocalizar a sua produção para países onde o custo de mão-de-obra é mais barata, de forma reduzir o custo final. Muitas das vezes, a deslocalização obriga à substituição dos atuais fornecedores, por fornecedores locais, construção de novas instalações e formação dos novos colaboradores o que torna esta solução muito dispendiosa. De forma a evitar os elevados custos de uma deslocalização, novas soluções podem ser desenvolvidas, tais como otimização do atual processo produtivo, otimização do componente ou modificação da matéria-prima. É neste sentido que este projeto de investigação se insere, ou seja, desenvolver um novo processo que permita produzir subsistemas completos de uma forma otimizada e com um custo inferior às soluções existentes no mercado. De forma a obter o processo desejado várias tarefas foram realizadas, tais como estudo de mercado, estado da arte da tecnologia, o desenvolvimento técnico da ideia e finalmente a definição da estratégia de mercado. O trabalho foi realizado em colaboração com o PIEP e com a Olesa (parceiro industrial). Mais precisamente, o trabalho teve como objetivo, desenvolver uma célula de fabrico capaz de produzir subsistemas funcionais. Para isso foram utilizadas tecnologias como o laser e a montagem dentro do molde. A primeira tarefa realizada consistiu em analisar o Mercado automóvel e de motociclos. Esta escolha deveu-se ao facto de serem estes os mercados, onde parceiro industrial já se encontra implementado. Para tal foram analisados vários mercados tais como o europeu, indiano, norte-americano e japonês. A pesquisa mostrou que a maioria dos mercados sofreu com a crise mundial excetuando o mercado indiano. Esta pesquisa permitiu definir dois casos de estudo possíveis, um painel de porta e um farol traseiro de um motociclo. Após a realização do estudo preliminar e alguns contactos com o parceiro industrial decidiu-se que caso de estudo a ser estudado seria o farol do motociclo. Com a definição do caso de estudo, partiu-se para estado de arte das tecnologias definidas anteriormente e que serão utilizadas na célula de fabrico. O estado de arte revelou a existência de dois processos de soldadura por laser, um por transmissão e outro direto. O processo de soldadura por transmissão necessita que um dos materiais seja transparente ao laser, enquanto o outro material deva ter a capacidade de absorver toda a energia emitida pelo mesmo. Neste processo são utilizados lasers de díodo e de Nd:YAG. A soldadura direta não tem os mesmos requisitos que o método anterior, uma vez que neste processo é utilizado laser de CO2 que é absorvido por todos os materiais. A pesquisa sobre o processo de montagem dentro do molde demonstrou uma enorme variedade de processos. Mesmo assim, a maioria das técnicas baseia-se na utilização de variedade de processos. Mesmo assim, a maioria das técnicas baseia-se na utilização de placas rotativas nos moldes, robots ou então o processo de sobre-moldação. O desenvolvimento do caso de estudo teve como primeira etapa a modificação do emissor de luz. O farol atual utiliza uma lâmpada incandescente, enquanto o novo farol utilizará LEDs (Diodo Emissor de Luz). Com a substituição do emissor foi necessário desenvolver estruturas refletoras de modo a que o farol cumprisse a legislação. O material condutor da corrente elétrica no interior do farol foi substituído por um polímero condutor. A última modificação realizada no farol consistiu na remoção das estruturas da soldadura por ultrassons, para superfícies lisas de modo a poder ser soldado por laser. Após analisar as modificações partiu-se para a definição do número LEDs necessários para cumprir a legislação, material condutor e as melhores condições de soldadura. Os estudos e os cálculos mostraram que são necessários 11 LEDs para cumprir a legislação. Em termos de condutividade elétrica o material que apresentou a menor resistividade foi o PC com 5% de nano tubos de carbono (CNT’s). Em termos de soldadura a laser, a combinação de materiais que apresentou maior resistência mecânica foi a PMMA/PC. Para esta combinação de materiais, as melhores condições de soldadura são uma potência de 20W, uma velocidade de 20 cm/min e um diâmetro do laser de 1 mm. Para finalizar o estudo deste novo processo, foi efetuada uma analise financeira comparativa entre o processo atual e o novo. A análise demostrou que a produção com esta célula de fabrico apresenta custos inferiores ao processo atual. O mesmo estudo demonstrou que utilizando duas injectoras em contra ciclo é possível aumentar a cadência de produção reduzindo ao mesmo tempo o custo final do farol traseiro. O edifício é o fator com maior peso no preço final do farol traseiro. Neste caso se em vez de adquirir o edifício existir a possibilidade de aluga-lo é possível reduzir o preço final do farol substancialmente em produções inferiores a 5000 unidades.