Ontwerptechniek van op maat gemaakte preforms

Er zijn recentelijk veel nieuwe technologieën ontwikkeld om de cyclustijd en kosten van composieten te verminderen, met als doel het gebruik van composieten in automobiel-, industriële en consumptiegoederentoepassingen te vergroten. Een van de meest veelbelovende ontwikkelingsgebieden is in geautomatiseerde productielijnen die thermoplastische prepreg-tape snijden en plaatsen om op maat gemaakte blanco's te vormen, en deze vervolgens omzetten in onderdelen met behulp van compressiegieten en spuitgieten. Bedrijven die actief zijn in deze ontwikkeling zijn onder meer Airborne (Den Haag, Nederland), Van Wees UD en Crossply Technology (Tilburg, Nederland) en de Franse engineering en geavanceerde productie R&T-organisatie Cetim (Nantes, Frankrijk). Deze laatste onthulde in 2015 zijn Quilted Stratum Process (QSP). QSP kan onderdelen met een complexe vorm produceren met een pulstijd van de productielijn van 40-90 seconden. Bijvoorbeeld, met behulp van QSP, integreert een omega-vormig profiel gegoten in een L-vormige balk 13 patches van 1,5-, 2- en 3 millimeter dikke organosheet (geweven stof thermoplastische prepreg) en UD-tape tot een 6 millimeter dik onderdeel met een cyclustijd van minder dan 77 seconden per onderdeel.

Om echter te profiteren van automatiseringstechnologie zoals QSP, moeten ingenieurs ontwerp- en optimalisatiemethoden ontwikkelen die vele theoretische combinaties van deellagen en de bijbehorende variatie in het aantal, dikte, positie en samenstelling van lagen (bijvoorbeeld wapeningstype en vezeloriëntatie). Met dit in gedachten heeft Cetim zijn ervaring in structurele analyse van composieten, niet-destructieve testen (NDT) en productie gecombineerd met de expertise van ONERA (The French Aerospace Lab) in geavanceerde optimalisatiemethoden die al jaren worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Het resultaat is QSD, een tool die nu beschikbaar is in de HyperWorks computer-aided engineering (CAE)-software van Altair Engineering (Troy, Mich., VS). Het is in feite een optimalisatie-add-on die helpt bij het ontwerpen van composietonderdelen die zijn gemaakt met behulp van op tape en organovel gebaseerde processen en om de kosten ervan te beheersen, inclusief het hergebruik van productieschroot voor afvalvrije, gesloten productie.

Proces in vier stappen

De QSD-methodologie omvat vier stappen:structurele optimalisatie, vormanalyse, layup-identificatie en ontwerp-naar-kostenanalyse (Fig. 1). Elk van deze helpt de ontwerper om snel te testen wat er met de inputmaterialen kan worden gedaan en om de juiste beslissingen te nemen met betrekking tot mechanische en productiebeperkingen om de onderdeelkosten te beheersen. De QSD-add-on is ontwikkeld met Altair om deze direct bruikbaar te maken voor alle HyperWorks OptiStruct-gebruikers in een bekende omgeving. Deze gebruikers kunnen profiteren van QSD zonder nieuwe eindige-elementenmodellen te ontwikkelen, gebruikmakend van hun reeds ontwikkelde interne knowhow met de Altair-software.

Structurele optimalisatie

In de eerste stap van het QSD-proces worden thermoplastische tapematerialen geselecteerd en hun eigenschappen - inclusief sterkte, modulus en andere standaardparameters - worden ingevoerd uit de door de ontwerper geselecteerde database of door Altair's Multiscale Designer-database van anisotrope thermoplastische composietmaterialen en hun micromechanische modellen. QSD gebruikt deze database en HyperWorks Optistruct om een ​​"stijfheidsaanpassing"-optimalisatie te voltooien. Omdat sommige resultaten van deze analyse niet gemakkelijk voor te stellen zijn (bijvoorbeeld anisotrope stijfheid), biedt QSD een verscheidenheid aan manieren om te interageren met de complexe maar rijke gegevens, inclusief directe variabele velden of geïnterpreteerde resultaten zoals de belangrijkste stijfheidsrichtingen of een stijfheid polaire plot (Fig. 1). Al deze displays definiëren dezelfde mechanische respons, maar bieden op maat gemaakte weergaven volgens de door de gebruiker geselecteerde voorkeuren. Het doel is om ontwerpers te helpen het pad voorwaarts te begrijpen en te visualiseren voor het bereiken van de gewenste onderdeelprestaties. In deze stap kunnen dikte en massa worden geoptimaliseerd, waarbij de laatste doorgaans tot 50 procent wordt verminderd in vergelijking met metalen onderdelen.

Shaping analyse

De volgende stap helpt ontwerpers essentiële compromissen te sluiten door eerst het onderdeel af te vlakken — van 3D-vorm naar 2D-plaat te converteren — met de Drape Estimator-tool en vervolgens een automatische partitie van dit vel uit te voeren met behulp van een clusteralgoritme. Het doel is om de evaluatie van het verband tussen platte voorvorm en het uiteindelijke onderdeel eenvoudiger en sneller te maken. De automotive wishbone getoond in Fig. 2 was oorspronkelijk opgesplitst in 300 zones, gebaseerd op de eindige elementen mesh en resultaten van OptiStruct, maar dat aantal werd door QSD teruggebracht tot vijf zones.

De ontwerper kan vervolgens de randen van elke zone rechttrekken en gladmaken om verspilling in de overeenkomstige gesneden lagen te minimaliseren. Dit is een belangrijke stap, het verbeteren van de productiemogelijkheden om de kosten te beheersen. Deze stap is ook interessant omdat de ontwerper de invloed van laag- en vormvereenvoudiging op de mechanische prestaties van het onderdeel kan evalueren. Als er compromissen moeten worden gesloten tussen mechanische prestaties en maakbaarheid/schroot/kosten van onderdelen, levert deze stap de gegevens voor die evaluatie.

Layup-identificatie

Het doel van deze stap is om de beste lokale lay-out voor elke zone te bepalen door te kiezen uit een QSD-stapeldatabase of ply-bibliotheek, die kan worden verrijkt met gebruikersspecifieke gegevens. De QSD-tool helpt de ontwerper om de lagen van het onderdeel te schetsen en vervolgens te testen om de beste lay-upstrategie te vinden door de reactie van het onderdeel te evalueren aan de hand van mechanische criteria (bijvoorbeeld lokale verplaatsing, knikfactor of eigenfrequentie).

Analyse van ontwerp tot kosten

In deze laatste stap kunnen ontwerpers de materiaalkosten van het onderdeel evalueren, inclusief afvalafval, en de fabricagekosten als gevolg van het snijden en assembleren van lagen. Het aantal lagen en de materiaalverspilling per laag zijn inderdaad de belangrijkste kostenfactoren. Een snelle evaluatie van afval zal binnenkort beschikbaar zijn in QSD, waardoor geschatte waarden mogelijk zijn tijdens vroege ontwerpiteraties. Voor de laatste iteraties kan elke laag worden geëxporteerd om een ​​gedetailleerde nesting-analyse uit te voeren op de software die de gebruiker verkiest. Parameters voor de kostenevaluatieformule van het onderdeel kunnen indien nodig ook door de ontwerper worden aangepast. Zo kan de ontwerper verschillende lay-upstrategieën evalueren en hun afval, produceerbaarheid, kosten en mechanische prestaties vergelijken.

Merk op dat QSD evaluatie van het gebruik van allerlei halfproducten mogelijk maakt, zoals tape en geweven of kruislaagse organoplaten. Het kan ook gerecyclede materialen evalueren, zoals niet-geweven matten gemaakt van gerecyclede koolstofvezel door Carbon Conversions, ELG Carbon Fiber en anderen, of thermovormbare platen gemaakt van thermoplastisch afval met behulp van Cetim's Thermosaïc-technologie of andere soortgelijke processen. Natuurlijk zijn de mechanische eigenschappen van dergelijke materialen nodig, maar als ze eenmaal zijn bepaald, kunnen ze eenvoudig worden ingevoerd in de QSD-modules, inclusief de uiteindelijke laagbibliotheek/stapeldatabase. Op deze manier wordt het schroot van dit onderdeel terug gebruikt in dit onderdeel voor afvalvrije, gesloten productie - een ideaal doel voor alle composietproductie met betrekking tot duurzaamheid.

Tool voor meer gebruik van composieten

QSD is geschikt voor de eerste stappen van het ontwerpproces omdat het niet alleen past bij het QSP-proces van Cetim, maar bij alle processen die worden gebruikt om op maat gemaakte preforms te maken, ongeacht de mate van automatisering (bijvoorbeeld geautomatiseerde tape-plaatsing, geautomatiseerd snijden en handlayup ). Het is ontworpen om technici te helpen hun onderdelen te optimaliseren en slechte ontwerpkeuzes vroeg in de ontwerpworkflow te voorkomen.

Referentie:

[1] "Een nieuwe ontwerpmethode voor de snelle en kosteneffectieve vervaardiging van composietonderdelen met behulp van het Quilted Stratum-proces" François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

Over de auteur

Denis Espinassou is werktuigbouwkundig ingenieur en projectleider op QSD. Hij trad in 2010 in dienst bij Cetim, het Franse mechanische instituut, als specialist in ontwerp en optimalisatie van thermoplastische composietstructuren met lange vezels. Hij is ook verantwoordelijk voor productontwikkeling door middel van prototypefabricage en mechanische validatie.