Engineering Tailored Preforms: Snijpunt automatisering in thermoplastische composietproductie

Veel nieuwe technologieën zijn onlangs ontwikkeld om de cyclus tijd en kosten van composieten te verlagen, met als doel het gebruik van composieten in auto-, industriële en consumentengoederentoepassingen te vergroten. Een van de meest veelbelovende ontwikkelingsgebieden is geautomatiseerde productielijnen die thermoplastische prepreg-band snijden en plaatsen om afgestemde blanks te vormen, en deze vervolgens omzetten in onderdelen met compressievorming en spuitgiet-overmolden. Actieve bedrijven in deze ontwikkeling zijn 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). De onthulde zijn Quilted Stratum Process (QSP) in 2015. QSP kan complexe gevormde onderdelen produceren met een productielijn puls-tijd van 40-90 seconden. Bijvoorbeeld, met QSP, een omega-gevormd profiel gevormd in een L-vormige balk integreert 13 patches van 1,5-, 2- en 3-millimeter dikke organovelen (geweven stof thermoplastische prepreg) en UD-band in een 6-millimeter dik onderdeel met een cyclus tijd van minder dan 77 seconden per onderdeel.

Echter, om voordeel te halen uit automatiseringstechnologie zoals QSP, moeten ingenieurs ontwerp- en optimalisatiemethoden ontwikkelen die veel theoretische combinaties van gedeeltelijke lagen en de overeenkomstige variatie in het aantal, dikte, positie en samenstelling van lagen (bijv. versterkingstype en vezeloriëntatie) kunnen evalueren. Met dit in gedachten, heeft Cetim zijn ervaring in composietstructuuraanalyse, non-destructieve testing (NDT) en productie gecombineerd met de expertise van ONERA (Het Franse Luchtvaartlab) in geavanceerde optimalisatiemethoden die al jaren in de luchtvaartindustrie gebruikt worden. Het resultaat is QSD, een tool nu beschikbaar in Altair Engineering's (Troy, Mich., VS) HyperWorks computer-aided engineering (CAE) software. Het is eigenlijk een optimalisatie-add-on dat helpt bij het ontwerpen van composietonderdelen gemaakt met band- en organoveel-gebaseerde processen en hun kosten te controleren, inclusief hoe productie-afval hergebruikt kan worden voor nul-afval, gesloten-lus productie.

Vier-stapsproces

De QSD-methodologie bestaat uit vier stappen: structurele optimalisatie, vormanalyse, oplaagidentificatie en design-to-kostenanalyse (Fig. 1). Elke van deze stappen helpt de ontwerper om snel te testen wat er met de invoermaterialen gedaan kan worden en de juiste beslissingen te nemen met betrekking tot mechanische en productiebeperkingen om de onderdeelskosten te controleren. De QSD add-on is ontwikkeld met Altair om het direct bruikbaar te maken voor alle HyperWorks OptiStruct-gebruikers in een bekende omgeving. Deze gebruikers kunnen profiteren van QSD zonder nieuwe elementenmodellen te ontwikkelen, gebruikmakend van hun al ontwikkelde interne know-how met de Altair-software.

Structurele optimalisatie

In de eerste stap van QSD's proces worden thermoplastische bandmaterialen geselecteerd en hun eigenschappen - inclusief sterkte, modulus en andere standaardparameters - ingevoerd vanuit de geselecteerde database van de ontwerper of door Altair's Multiscale Designer database van anisotrope thermoplastische composietmaterialen en hun micromechanische modellen. QSD gebruikt deze database en HyperWorks Optistruct om een "stijfheidsmatching" optimalisatie te voltooien. Omdat sommige resultaten van deze analyse niet gemakkelijk te verbeelding zijn (bijv. anisotrope stijfheid), biedt QSD een verscheidenheid aan manieren om te interageren met de complexe maar rijke data, inclusief directe variabele velden of geïnterpreteerde resultaten zoals de hoofdstijfheidsrichtingen of een stijfheidspolaire plot (Fig. 1). Al deze weergaven definiëren dezelfde mechanische respons, maar bieden afgestemde 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. Deze stap is waar dikte en massa geoptimaliseerd kunnen worden, de laatste typisch met tot 50 procent verminderd versus metalen onderdelen.

Vormanalyse

De volgende stap helpt ontwerpers essentiële compromissen te maken door eerst het onderdeel te vervlakken - omzetten van 3D-vorm naar 2D-vel - met het Drape Estimator-tool en dan een automatische partitie van dit vel uit te voeren met een clusteralgoritme. Het doel is om de evaluatie van de link tussen vlakke prevorm en eindonderdeel eenvoudiger en sneller te maken. De auto-wensbeen getoond in Fig. 2 was oorspronkelijk opgesplitst in 300 zones, gebaseerd op het elementenmesh en resultaten van OptiStruct, maar dat aantal werd verminderd tot vijf zones door QSD.

De ontwerper kan dan de randen van elke zone recht trekken en gladstrijken om afval in de bijbehorende gesneden lagen te minimaliseren. Dit is een cruciale stap, het verbeteren van productiehaarbaarheid om kosten te controleren. Deze stap is ook interessant omdat de ontwerper de invloed van laag- en vormvereenvoudiging op de mechanische prestaties van het onderdeel kan evalueren. Als compromissen gemaakt moeten worden tussen mechanische prestaties en onderdeelfabriceerbaarheid/afval/kosten, biedt deze stap de data voor die evaluatie.

Oplaagidentificatie

Het doel in deze stap is om de beste lokale oplaag voor elke zone te bepalen door te selecteren uit een QSD-stapeldatabase, of laagbibliotheek, die verrijkt kan worden met gebruiker-specifieke data. De QSD-tool helpt de ontwerper de lagen van het onderdeel te schetsen en te testen om de beste oplaagstrategie te vinden door de reactie van het onderdeel te evalueren via mechanische criteria (bijv. lokale verplaatsing, knikfactor of eigenfrequentie).

Design-to-kostenanalyse

In deze laatste stap kunnen ontwerpers de materiaalkosten van het onderdeel evalueren, inclusief afval, en de productiekosten door snijden en assemblage van lagen. Integendeed, het aantal lagen en het materiaalafval per laag zijn primaire kostendrijvers. Een snelle evaluatie van afval zal binnenkort beschikbaar zijn in QSD, wat geschatte waarden tijdens vroege ontwerpiteraties mogelijk maakt. Voor finale iteraties kan elke laag geëxporteerd worden om een gedetailleerde nesting-analyse uit te voeren op welke software de gebruiker ook kiest. Parameters voor de kosten-evaluatieformule van het onderdeel kunnen ook door de ontwerper aangepast worden indien nodig. Zo kan de ontwerper verschillende oplaagstrategieën evalueren en hun afval, fabricageerbaarheid, kosten en mechanische prestaties vergelijken.

Let op dat QSD evaluatie van alle soorten half-fabrikaten mogelijk maakt zoals band en geweven of cross-ply organoveel. Het kan ook gerecyclde materialen evalueren, zoals non-woven matten gemaakt van gerecyclde koolstofvezel door Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre en anderen, of thermovormbare vellen gemaakt van thermoplastisch afval met Cetims Thermosaïc-technologie of andere vergelijkbare processen. Natuurlijk zouden de mechanische eigenschappen van dergelijke materialen nodig zijn, maar eenmaal bepaald, kunnen ze gemakkelijk in de QSD-modules ingevoerd worden, inclusief de finale laagbibliotheek/stapeldatabase. Op deze manier wordt afval van dit onderdeel terug in dit onderdeel gebruikt voor nul-afval, gesloten-lus productie – een ideaal doel voor alle composietproductie met betrekking tot duurzaamheid.

Tool voor verhoogd gebruik van composieten

QSD is geschikt voor de eerste stappen van het ontwerpproces omdat het niet alleen past bij Cetims QSP-proces, maar met alle processen die gebruikt worden om afgestemde prevormen te creëren, ongeacht de graad van automatisering (bijv. geautomatiseerde bandplaatsing, geautomatiseerd snijden en handmatig leggen). Het is ontworpen om ingenieurs te helpen hun onderdelen te optimaliseren en slechte ontwerpkeuzes vroeg in de ontwerpfase te vermijden.

Referentie:

[1] "A novel design method for the fast and cost-effective manufacture of composite parts employing the Quilted Stratum Process" François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

Over de auteur

Denis Espinassou is een werktuigbouwkundig ingenieur en projectleider op QSD. Hij trad toe tot Cetim, het Franse mechanische instituut, in 2010 als specialist in ontwerp en optimalisatie van lange vezel thermoplastische composietstructuren. Hij is ook verantwoordelijk voor productontwikkeling door middel van prototypenproductie en mechanische validatie.