Om gjutning

I vårt dagliga liv är vi ständigt omgivna och beroende av gjutna komponenter. De finns exempelvis i person- och lastbilar, vindkraftverk, vattenpumpar, medicinsk utrustning, mobilsändare, hemelektronik, hushållsmaskiner, möbler och i de kranar du använder i köket och badrummet.  Med andra ord – utan gjutna komponenter skulle världen stanna.
Här skriver Swerea SWECAST:s marknadschef Conny Gustavsson om varför gjutning är en konkurrenskraftig tillverkningsmetod men han tar också upp de utmaningar som branschen står inför.

Att framställa komponenter genom gjutning är mycket kostnadseffektivt och tiden från idé till färdig komponent kan med dagens teknik hållas kort. Med gjutning får också produktutvecklare och konstruktörer en stor frihet i design och det är nästan så att enbart fantasin sätter gränserna för hur man kan integrera olika material och flera funktioner i samma komponent. Detta innebär att nya produktsegment och tillämpningar ständigt öppnas vilket gör att potentialen för ökad användning av gjutna komponenter i framtiden ter sig närmast oändlig.

Även ur miljösynpunkt är gjutna komponenter konkurrenskraftiga. Metaller är återvinningsbara till 100 procent, och metallskrot har i alla tider samlats in och utgjort råmaterial för nya komponenter.

En viktig förutsättning för en fortsatt ökad efterfrågan på gjutgods är att miljöpåverkan minimeras under komponenternas hela livcykel samt att tillverkningen sker i miljömässigt hållbara processer. Därmed får vi klimatsmarta gjutna komponenter såväl under tillverkningen som i återvinningsfasen.

Genom ny teknik utvecklas idag gjutna komponenter virtuellt med stöd av simulering vilket innebär att också utvecklingsfasen med energi- och kostnadskrävande prototyper i princip elimineras.

 

Svensk produktion i ett globalt sammanhang

Av den svenska produktionen av gjutna komponenter hamnar knappt 70 procent i någon typ av fordon, och då företrädesvis inom den tunga sektorn, det vill säga lastbilar, bussar, anläggningsmaskiner med mera.

Inom den tunga fordonsindustrin har Sverige genom Volvo och Scania idag en världsledande ställning inom tillverkning av gjutna motorblock och cylinderhuvuden.

De nya Euro-normerna för avgasreducering ställer höga krav på alla fordonstillverkare och Euro 6 är obligatoriskt för alla nya, tunga lastbilar från och med den den 1 januari 2014.

Vägen till minskade avgasemissioner går bland annat via ökad användning av nya höghållfasta gjutna material, som kompaktgrafitjärn (CGI). Materialet möjliggör högre förbränningstryck trots lägre vikt, vilket innebar att Scania år 2012 kunde lansera världens starkaste lastbilsmotor. Intressant att notera är att nya höghållfasta material också kräver utveckling av ny teknik inom det skärtekniska området. Successivt ställs nu också allt högre krav på andra drivmedel och därmed helt andra drivlinor i framtidens fordon. Elektrifiering och hybriddrift kommer att öka vilket bland annat innebär att efterfrågan på lätta och höghållfasta material kommer att öka.

På personbilssidan ser vi en stadigt ökad efterfrågan på så kallade strukturkomponenter, det vill säga tunna gjutna komponenter som ingår i fordonets chassi och som ofta utgör knutpunkter där strängpressade profiler och plåt sammanfogas, antingen via svetsning eller limning.

Även komplexa konstruktioner som tidigare byggts upp av en mängd olika detaljer, exempelvis en instrumentbräda, framställs idag via gjutning i ett enda stycke. Förutom kostnadsfördelar ger det förbättrad styvhet och bättre måttnoggrannhet. Kompletta dörrsidor och stolschassin är andra exempel på komponenter där gjutningen flyttar fram sina positioner och vinner marknadsandelar.

Ett annat viktigt område för gjutna komponenter är inom handburen elektronik. Laptops, videokameror och mera avancerade smartphones har ofta gjutna chassin i aluminium eller magnesium för att göra dem både lätta och hållbara samtidigt som det förmedlar en gedigen kvalitetskänsla. Inom telekomsidan pågår en ständig utbyggnad av 4G och på sikt sannolikt även av 5G, vilket innebär en ständig efterfrågan på nya basstationer i master och på hustak. Dessa basstationer har till exempel oftast såväl gjutet ytterskal som gjutna hållare för nätverkskort.

EU har uttalade mål om att öka elproduktionen från förnyelsebara energikällor som vatten-, vind- och vågkraft och Sverige har beslutat att minst 50 procent av vår energianvändning ska komma från förnyelsebara källor senast år 2020. För att klara av det räknar xxx med att det behövs ytterligare cirka 6 000 vindkraftverk, vilka bland annat  innehåller gjutna nav och växellådshus.

Sverige har redan idag en stark ställning inom detta komponentområde, bland annat tack vare stora satsningar på användning av virtuell produkt- och processutveckling i kombination med effektiviseringar i produktionskedjan. För framtiden är tillväxtpotentialen betydande.

 

Gjutningens utveckling

Konsten att gjuta har gamla anor och redan för cirka 5 000 år sedan behärskade människan tekniken att genom vaxursmältning framställa avancerade prydnadssaker och smycken i brons. I Kina började man framställa detaljer i gjutjärn kring år 500 f.Kr, men det tog ända fram till 1300-talet innan tekniken blev känd i Europa.

Trots så gamla anor är gjutning fortfarande en tillverkningsmetod i ständig och snabb utveckling. Idag satsas stora resurser på att dels minska gjuteriernas miljöpåverkan, dels effektivisera och automatisera tillverkningen med stöd av avancerad simulering. Påen allt mer konkurensutsatt global marknad är det avgörande för svensk gjuteriindustri att man i samverkan med sina kunder kan fortsätta att utveckla komponenter med högt kunskapsinnehåll och låg priskänslighet. En annan viktig faktor är förmåga att utveckla resurseffektiva och hållbara processer.

Effektivitet, flexibilitet och kundanpassning blir allt viktigare strategiska framgångsfaktorer, men även produktutvecklingskedjan måste effektiviseras och bidra till komponenter som är kostnadseffektiva att tillverka. Exempel på nya metoder som kan tillämpas är Fuzzy-Front och Lean produktutveckling.

Minskning av allt slöseri och sänkta kvalitetsbristkostnader är avgörande för lönsamheten, liksom förmågan att göra riktiga för- och efterkalkyler som visar både kostnader och klimatpåverkan för olika tekniska lösningar hos komponenterna och för olika metoder under tillverkningen.

Ovan redovisade utvecklingstrender ställer allt högre krav på medarbetarnas kompetens. Mycket tyder på att just tillgången till rätt kompetens på alla nivåer hos såväl gjuterierna som hos deras kunder blir av avgörande betydelse för gjutningens framtida utveckling som tillverkningsmetod. 

Det är därför viktigt att framtidens utbildningar utgår från kundernas krav och företagens behov och förutsättningar, och därför baseras på en pedagogik som utnyttjar de möjligheter som ligger i modern multimedia, till exempel att de utvecklas för och genomförs i flexibla utbildningsformer. I framtiden kommer vi se alltmer av Open Educational Resources (OER). För Sverige, som en relativt liten gjuterination, är det av yttersta vikt att möjligheterna med OER tas tillvara då vi kan hämta mycket ny kunskap från internationella lärosäten och institut.

 

Nya material och nya processer

Svenska gjuterier och deras kunder måste långsiktigt och uthålligt satsa på utveckling av såväl nya avancerade och höghållfasta gjutna material, som på effektivare processer. Förbättrad processtyrning syftar till att få komponenter med förbättrade, homogena och predikterbara egenskaper och slutmålet är ett helt defektfritt gjutgods från första detalj. Dessutom måste gjuterierna öka produktiviteten för att pressa kostnaderna, samtidigt som den specifika energikostnaden och miljöbelastningen måste minskas. Simulering och modellering tillämpas därför alltmer och utvecklingen går idag från fysiska till digitala prototyper och sekventiell simulering av hela tillverkningskedjan inklusive efterbehandling.

Krav på prestanda och förmåga att fungera i allt tuffare miljöer ställer allt högre krav på de gjutna komponenterna. Lätta strukturer blir allt viktigare inom de flesta sektorer och gjutning erbjuder stora möjligheter att konstruera och tillverka lätta komponenter. Exempelvis kan man i samma komponent använda olika material för att optimera produktens egenskaper och funktion, vilket ställer krav på utveckling av hela processkedjan från design via tillverkning och slutligen återvinning. Användning av smarta efterbehandlingsmetoder såsom varmisostatpressning (Hot Isostatic Pressing på engelska eller förkortat HIP) och gjutsmide ökar komponenternas prestanda ytterligare.

Allt tyder på att råmaterialpriserna kommer att öka. Satsningar på återvinning och återanvändning av metalliska material kommer därför bli allt viktigare. Processer som säkerställer att återvunnet material erbjuder samma egenskaper som primärmaterial måste utvecklas och implementeras. Nya material ställer också krav på ökad kunskap kring sambanden mellan den mikrostruktur och de defekter man får vid tillverkningen, och de gjutna komponenternas prestanda, till exempel förmågan att motstå utmattning. För att klarlägga egenskaperna krävs i vissa fall även utveckling av nya provningsmetoder för att verifiera materialdata, exempelvis högtemperaturdata eller egenskaperna i extremt tunna detaljer, som i en flygmotor, eller i tjockväggiga detaljer som i vindkraftverk. Några intressanta utvecklingsområden kring material och processer är:

  • Utveckling av partikelförstärkt aluminium och magnesium

  • Utveckling av höghållfasta gjutjärn, exempelvis ADI, kisellegerat segjärn, CGI

  • Utveckling av material med förbättrade egenskaper vid höga temperaturer

  • Utveckling av nya gjutmetoder och produktionsprocesser, exempelvis Volvos FPC-metod

  • Utveckling av virituella metoder för egenskapsprediktering samt produkt- och processutveckling med stöd av simulering

  • Modellering/prediktering/verifiering av statiska och dynamiska egenskaper, restspänningar och deformationer

  • Utveckling av 3D-teknik, så kallad additiv tillverkning, både för prototyper/komponenter i metall och för formar/kärnor i sand

 

Hållbar tillverkning

Stora globala samhällsutmaningar ligger framför oss. Som exempel kan nämnas att konsumtionen av råvaror ökar i en värld av ändliga resurser samt vår påverkan på klimatet. Aktuella och framtida miljökrav måste tas på största allvar vilket kommer kräva stora resurser både på kort och på lång sikt. Stora nationella satsningar har redan gjorts och Sverige tillverkar därför redan idag gjutna komponenter med betydligt lägre klimatpåverkan än flertalet konkurrentländer, vilket innebär att vi har en unik konkurrensfördel.

Trots detta måste branschen fortsätta satsa på att reducera sin energianvändning och minska klimatpåverkan för att behålla sin tätposition ur ett klimatperspektiv. Konkret innebär detta att branschen måste bli ännu mer resurseffektiv. Effektivare processer med högt utbyte, ökad återanvändning samt återvinning av gjuteriernas restprodukter kommer bli avgörande faktorer för att svenska gjuterier skall vara fortsatt konkurrenskraftiga och kunna svara upp mot såväl ökande kundkrav som EU:s framtida miljölagstiftning. Satsningar på att utveckla nya oorganiska bindemedel inom sandgjutning är ett exempel på miljödriven processutveckling.

Hållbar tillverkning handlar inte bara om inre och yttre miljöfrågor och resurseffektiv tillverkning. Hållbarhetsperspektivet handlar också om att vi måste utveckla och vårda ”Det goda gjuteriet”. Med detta menas att våra framtida arbetsplatser skall vara attraktiva och tillgängliga för alla arbetstagare samtidigt som den fysiska och psykiska arbetsmiljön skall bidra till att inga medarbetare i förtid av hälsoskäl tvingas lämna arbetsmarknaden. Gjuteribranschen måste också kunna erbjuda så intressanta och utvecklande arbetsuppgifter att den förmår attrahera alla typer av medarbetare.  

 

Framtida utmaningar

Gjutning som tillverkningsmetod och gjutna komponenter kommer att vara av fortsatt stor strategisk betydelse för att kunna nå de långsiktiga miljömål som finns för fordonsindustrin. Nya material och materialkombinationer kommer att revolutionera gjuteritekniken och möjliggöra nya tillämpningar i såväl befintliga som nya industrisektorer. Att arbeta med lättviktslösningar kommer därför vara både en framgångsstrategi och nödvändighet för att behålla konkurrensfördelar för svensk gjuteriindustri. En utmaning ligger i att såväl materialet, komponentens utformning som processen måste styras och optimeras för att i slutändan få kostnadseffektiva komponenter.

Resurseffektiv produktutveckling är också identifierat som ett strategiskt viktigt område. Även om många gjutgodsköpande kunder idag har starka fästen inom landet så är tendensen att en allt större andel av tillverkningen förläggs nära marknaden. Samtidigt ser man också att det finns nära kopplingar och synergier mellan produktutveckling och tillverkning. Genom att satsa på en innovativ och effektiv produktutveckling i Sverige så skapas också incitament för en bibehållen tillverkning inom landet. Ökad användning av nya material kommer också ställa mycket högre krav på gedigen processkunskap och anpassade processer vilket kommer att kräva stora satsningar på kompetensutveckling på alla nivåer i företagen.

Bland de framtida processutmaningar som svensk gjuteriindustri står inför brukar idag (2014) nämnas:

  • Förbättrad processtyrning för ökad och stabil kvalitetsnivå hos komponenterna.

  • Utveckling av processer för tillverkning av lättviktsdetaljer, till exempel i mixmaterial

    (aluminium-stål-gjutjärn-komposit).

  • Utveckling av processer för värmebehandling, efterbearbetning och återvinning av mixmaterial.

  • Utveckling av simuleringsverktyg för att stödja effektiv produkt- och processutveckling.

För att stärka svensk gjuteriindustrin och befästa en robust konkurrensförmåga finns ett antal framgångsfaktorer som måste beaktas/levereras, exempelvis:  

Time to market :Ledtiden från ide till färdig produkt måste vara kort. 

Flexibel produktion: Snabbt kunna gå från prototyp till volymproduktion och därefter kunna möta såväl ökad som minskad efterfrågan med bibehållen lönsamhet.

Ökat förädlingsvärde: Ökad integration i förädlingskedjan stärker kundrelationen och ger strategiska konkurrensfördelar.  

Högt teknikinnehåll: Smarta lösningar som svarar mot kundens behov ökar kundvärdet och stärker konkurrenskraften.

Specialistkompetens:  Kunder söker ofta specialisthjälp inom områden som man inte själv behärskar – att ge konstruktiv feedback kring komponenter skapar ömsesidigt värde och trogna kunder.

Near net shape: Att designa komponenter så att efterbehandling i form av gradning och slipning elimineras är lönsamt, både för gjuteriet och för kunden.

Rätt från början: Simulering av formfyllnad, stelning, restspänningar etcetera, ger stora tids- och kostnadsbesparingar och eliminerar behovet av provgjutningar.

Nätverk och kluster: Att ingå i nätverk och affärsdrivande kluster med akademin, institut och exempelvis OEM-företag underlättar såväl rekrytering som möjliggör större volymaffärer. 

Automatisering: Den enda kostnadspost som är till vår nackdel jämfört med omvärlden är direktlöneandelen som måste pressas ned via hög automatisering.

Hållbar utveckling: Klimatsmarta komponenter och resurseffektiv tillverkning och  återvinning/återanvändning måste genomsyra alla aktiviteter.

Kompetensförsörjning: Tillgången till välutbildade och engagerade medarbetare på alla nivåer och positioner i företagen blir en helt avgörande konkurrensfaktor.

Innovativa miljöer: Framtidens företag måste engagera sig i olika forskningsaktiviteter och bedriva en internationell omvärldsbevakning.

 

Sammanfattning

Sverige är per capita en av världens största användare av gjutna komponenter, främst tack vare vår tunga fordonsindustri. Men vi har också flera andra starka industrisektorer såsom vindkraft, flyg, telekom- och verkstadssektorn, där vi är internationellt konkurrenskraftiga. Flera av våra multinationella företag har egna interna gjuterier beroende på att man ser gjutna komponenter som strategiskt viktiga för sin kärnverksamhet. Företagens konkurrensförmåga grundläggs i en gedigen kompetens kring produktutveckling med stöd av simulering, modellering och metallurgisk utveckling.

Kompetenskraven inom gjuteribranschen kommer stadigt att öka i takt med implementeringen av ny teknik och ökad efterfrågan på smarta komplexa komponenter. Även kraven på hur ny kunskap skall förmedlas kommer att förändras. Ett livslångt lärande i kombination med ordinarie yrkesutövning ökar efterfrågan på flexibla utbildningsformer och distansutbildning. I kombination med validering, som snabbt och objektivt identifierar individens utbildningsbehov, skapas stora tids- och kostnadsfördelar, och OER kommer bli något som används av alla yrkeskategorier, från operatörer till doktorander.

Sveriges gjuterier måste ta plats i starka internationella nätverk. Förutsättningarna är mycket goda via den europeiska gjuteriorganisationen CAEF, där flera undergrupper kring exempelvis fordonsindustri, vindkraft, segjärn, stål är verksamma. Genom den globala gjuteriorganisationen WFO finns även möjligheter att bilda strategiska samarbeten och partnerskap med stora gjuterinationer som Kina, Japan, Indien, Brasilien och USA.

Framtidsutsikterna för svensk gjuteriindustri är goda och potentialen för tillväxt är stor. Gjuterier som förmår hitta och behålla rätt personal och förmår utvecklas i takt med sina kunders behov kan därför se framtiden an med tillförsikt.