Effectiveness of digital image correlation method in design evaluation of 3D-printed plastic tools for sheet metal forming
Contributing to the development of sheet metal forming by 3D-printed plastic tools Yohei Abe
This method clarifies the deformation of the plastic tools during thin sheet metal bending, opening possibilities for design of plastic tools for stamping sheet metal products, particularly in small-lot production. Researchers at Toyohashi University of Technology, in collaboration with the National Institute of Technology, Nagano College, and the Rajamangala University of Technology Isan, have visualized and evaluated the deformation behavior of tools and sheet using a digital image correlation method in V-bending of sheet metals with plastic tools manufactured by a 3D printer. This method clarifies the deformation of the plastic tools during thin sheet metal bending, opening possibilities for design of plastic tools for stamping sheet metal products, particularly in small-lot production. The team, led by Associate Professor Yohei Abe, combined the digital image correlation method with the observation by a digital camera. The effects of the tool dimension on the deformation behaviors of a 3D-printed PLA punch, die, and metallic sheet were evaluated. The study successfully measured the deformation behaviors of plastic tools in stamping. These findings suggest potential advancements in the design of plastic tools for industry. The results of this research were published online in Materials on January 29, 2025.
Researchers at Toyohashi University of Technology, in collaboration with the National Institute of Technology, Nagano College, and the Rajamangala University of Technology Isan, have evaluated the deformation behavior of tools and sheets using a digital image correlation method in V-bending of sheet metals with plastic tools manufactured by a 3D printer.
This method clarifies the deformation of the plastic tools during thin sheet metal bending, opening possibilities for the design of plastic tools used in stamping sheet metal products, particularly in small-lot production.
The team, led by Associate Professor Yohei Abe, combined the digital image correlation method with observation by a digital camera, proposed by Assistant Professor Naotaka Nakamura. Two different dimensions, designed with the same tool geometry, were evaluated for their effects on the deformation behaviors of a 3D-printed PLA punch, die, and sheet. The measurements revealed the presence of large compressive strain at the center of the punch tip and on the corners of the die.
The study successfully measured the deformation behaviors of plastic tools in stamping. These findings suggest potential advancements in the design of plastic tools for industry. The team plans to combine this method with finite element simulation to accelerate smart tool design.
Reference
Naotaka Nakamura, Yuri Hata, Witthaya Daodon, Daiki Ikeda, Nozomu Adachi, Yoshikazu Todaka, and Yohei Abe, "Design of Tool Shape and Evaluation of Deformation Behavior by Digital Image Correlation Method in V-Bending of Sheet Metal Using Plastic Tools Manufactured by 3D Printer", Materials, 2025, Vol. 18, No. 3, 608. https://doi.org/10.3390/ma18030608
板材プレス成形中の3Dプリンター製樹脂型の変形挙動をデジタル画像相関法により可視化
3Dプリンター製樹脂型による板材プレス成形法の開発の発展に貢献 安部 洋平豊橋技術科学大学機械工学系材料機能制御研究室において、長野工業高等専門学校、ラジャマンガラ工科大学イサン校（タイ）と共同して3Dプリンターで製造したプラスチック型による金属板のV曲げ加工においてデジタル画像相関法を用いて可視化し、工具と板金の変形挙動が評価されました。本手法は、金属薄板の曲げ加工の際のプラスチック型の変形を明らかにし、特に小ロット生産における金属薄板プレス製品加工用プラスチック型の設計の可能性を広げます。安部洋平准教授率いる研究チームは、デジタルカメラによる観察とデジタル画像相関法を組み合わせて3DプリントされたPLA樹脂パンチとダイ、金属板の変形挙動に及ぼす金型形状の影響を評価しました。本研究では、板材プレス成形におけるプラスチック型の変形挙動を測定することに成功しました。これらの知見は、産業用プラスチック型設計における潜在的な進歩を示唆しています。本研究成果は、Materialsに2025年1月29日付けでオンライン公開されました。
金属成形は、金属材料の塑性を利用した加工技術です。材料損失が少なく、材質を改善でき、生産速度も高いことから多くの部品の製造に利用されています。金属の板成形に利用される金型は一般的に高強度な工具鋼です。成分が調整された工具鋼を切削加工して熱処理して仕上げます。高強度な工具鋼ですから、多く種類に対応でき、多くの製品を製造でき、大量生産によって製品価格を抑えることができます。金型のスクラップは、再び鋼の材料になれ、リサイクルの仕組みもできています。
PLA（ポリ乳酸）樹脂は、トウモロコシやジャガイモのような天然資源から作ることができます。加熱しながら押し出し、積層することで複雑な立体形状を素早く作ることができます。また、PLA樹脂は生分解性プラスチックなので廃棄時の問題はない可能性があります。さらに、金属板の成形における製造コストを下げることができます。しかしながら、金属成形に利用するには、工具鋼よりも1/100程度低い強度と弾性率によって、使用できる金属板材に制限があり、製品精度の低下が起きやすく、そのために製造できる個数は少なり工具鋼のような大量生産はできません。一方、少量生産に適する型材になれる可能性があります。
これまでに本チームによって、代表的な金属の板成形である曲げ加工、深絞り加工への３DプリンティングされたPLA工具の適用範囲の調査を行ってきました（https://doi.org/10.1007/s00170-019-04590-5）。今回は、曲げ加工における樹脂型の変形について画像相関法を用いて計測して可視化しました。金属成形における工具の変形挙動を計測することは簡単でなく、有限要素解析のような予測が一般的です。今後、実験結果、有限要素解析の予測を利用しながら、PLA工具の利用範囲を拡大できる工具設計法、加工法を提案していきます。
Researcher Profile
| Name | Yohei Abe |
|---|---|
| Affiliation | Department of Mechanical Engineering |
| Title | Associate Professor |
| Fields of Research | Manufacturing Processes / Forming Processes |
