Opracowanie technologii produkcji puszki napojowej z nowym kształtem kołnierza wykonanej ze stopu aluminium serii 3xxx z wykorzystaniem modelu MES

Abstract

Celem niniejszej pracy było przeprowadzenie szczegółowej analizy technologii produkcji aluminiowej puszki napojowej, w tym przeprowadzenie testów jakościowych, badanie zależności między parametrami geometrycznymi puszki, a wytrzymałością oraz cechami funkcjonalnymi. Ponadto, analiza stanu wiedzy na temat modelowania numerycznego procesu formowania aluminiowej puszki napojowej oraz opracowanie modelu tego procesu. Jak również dostarczenie wiedzy umożliwiającej doskonalenie procesu produkcji i polepszenie jakości wyrobów. Celem szczegółowym pracy było opracowanie oraz przetestowanie w warunkach produkcyjnych, technologii formowania puszki o stałej grubości ścianki w obszarze jej szyjki oraz kołnierza, za pomocą nowego stempla tłoczącego o kształcie umożliwiającym otrzymanie takiego efektu. Zrealizowanie tego celu zostało osiągnięte przy pomocy stworzonego modelu numerycznego procesu formowania aluminiowej puszki napojowej. Etapem finalnym wszystkich prac były testy produkcyjne prototypowego stempla oraz stempla referencyjnego, które potwierdziły założone hipotezy oraz poprawność opracowanych modeli numerycznych. Po wykonaniu testowej produkcji pobrane próbki w postaci puszek zostały poddane badaniom które wykazały, zmniejszenie wagi pojedynczej puszki o 0,042 gram, bez wpływu na jej wytrzymałość oraz cechy funkcjonalne. Taka zmiana wagi puszki przyniosła efekty w postaci lżejszego opakowania jak również zmniejszyła materiałochłonności procesu produkcyjnego. Dla średniej dobowej produkcji wynoszącej około 3 min sztuk puszek, redukcja ilości wykorzystanego do jej produkcji materiału będzie sięgać około 126 kg aluminium, czyli w skali roku będzie to dla jednej linii około 44,1. W przypadku produkcji pierwotnego aluminium przekłada się to na zmniejszenie emisji $CO_{2}$ nawet o 651 ton. The aim of this thesis was to conduct a detailed analysis of the technology for the production of aluminum beverage cans, including conducting quality tests, investigating the relationship between the geometric parameters of the can and its strength and functional characteristics. Additionally, an analysis of the state of knowledge on numerical modeling of the aluminum can forming process was carried out, and a model of this process was developed. Furthermore, the thesis aims to provide knowledge that enables the improvement of the production process and the quality of the products. The main objective of this work was to develop and test, under production conditions, a technology for forming a can with a uniform wall thickness in the neck and flange area, using a new forming tool that allows achieving such an effect. This objective was achieved by creating a numerical model of the aluminum beverage can forming process. The final stage of all work was the production testing of the prototype punch and the reference punch, which confirmed the assumptions and correctness of the developed numerical models. After the test production, samples in the form of cans were subjected to tests that showed a decrease in the weight of a single can by 0.042 grams without affecting its strength and functional characteristics. Such a change in the can weight had effects on lighter packaging as well as reducing the material consumption of the production process. For an average daily production of about 3 million cans, the reduction in the amount of material used for its production will reach about 126 kg of aluminum, which translates to around 44.1 tons per year for one production line. In the case of primary aluminum production, this results in reducing $CO_{2}$ emissions by up to 651 tons.