Engineering maßgeschneiderter Preforms: Spitzenautomatisierung in thermoplastischer Composite-Fertigung

Viele neue Technologien wurden kürzlich entwickelt, um Zykluszeit und Kosten von Composites zu reduzieren, mit dem Ziel, den Composites-Einsatz in Automobil-, Industrie- und Konsumgüteanwendungen zu erhöhen. Einer der vielversprechendsten Entwicklungsbereiche liegt in automatisierten Produktionslinien, die thermoplastisches Prepreg-Band schneiden und platzieren, um maßgeschneiderte Blanks zu formen, und diese dann mittels Pressformen und Spritz-Overmolding in Teile umwandeln. In dieser Entwicklung aktive Unternehmen sind Airborne (Den Haag, Niederlande), Van Wees UD und Crossply Technology (Tilburg, Niederlande) und die französische Ingenieur- und fortschrittliche Fertigungs-F&E-Organisation Cetim (Nantes, Frankreich). Letztere enthüllte 2015 ihren Quilted Stratum Process (QSP). QSP kann komplex geformte Teile mit einer Produktionslinien-Taktzeit von 40–90 Sekunden produzieren. Beispielsweise kann QSP ein Omega-Profil, das in einen L-förmigen Träger geformt wird, 13 Patches von 1,5-, 2- und 3-Millimeter-dicken Organoblechen (gewebtes Thermoplast-Prepreg) und UD-Band in ein 6-Millimeter-dickes Teil mit einer Zykluszeit von weniger als 77 Sekunden pro Teil integrieren.

Um jedoch Automatisierungstechnologie wie QSP zu nutzen, müssen Ingenieure Design- und Optimierungsmethoden entwickeln, die viele theoretische Kombinationen von Teillagen und die entsprechende Variation in Anzahl, Dicke, Position und Zusammensetzung der Lagen (z. B. Verstärkungstyp und Faserorientierung) bewerten können. Mit diesem Gedanken hat Cetim seine Erfahrung in Composite-Strukturanalyse, zerstörungsfreier Prüfung (ZfP) und Fertigung mit der Expertise von ONERA (The French Aerospace Lab) in fortgeschrittenen Optimierungsmethoden kombiniert, die seit Jahren in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. Das Ergebnis ist QSD, ein Tool, das jetzt in Altair Engineerings (Troy, MI, USA) HyperWorks Computer-Aided Engineering (CAE) Software verfügbar ist. Es ist im Grunde ein Optimierungs-Add-on, das hilft, Composite-Teile zu designen, die mit Band- und Organoblech-basierten Prozessen hergestellt werden, und deren Kosten zu kontrollieren, einschließlich der Wiederverwendung von Produktionsabfall für Zero-Waste, Closed-Loop-Fertigung.

Vier-Schritt-Prozess

Die QSD-Methodik umfasst vier Schritte: strukturelle Optimierung, Formanalyse, Lagenidentifikation und Design-to-Cost-Analyse (Abb. 1). Jeder dieser Schritte hilft dem Designer, schnell zu testen, was mit den Eingabematerialien möglich ist, und die richtigen Entscheidungen bezüglich mechanischer und fertigungstechnischer Constraints zur Kostenkontrolle zu treffen. Das QSD-Add-on wurde mit Altair entwickelt, um es direkt von allen HyperWorks OptiStruct-Nutzern in einer bekannten Umgebung nutzbar zu machen. Diese Nutzer können QSD nutzen, ohne neue Finite-Elemente-Modelle zu entwickeln, indem sie ihr bereits entwickeltes internes Know-how mit der Altair-Software verwenden.

Strukturelle Optimierung

Im ersten Schritt von QSDs Prozess werden thermoplastische Bandmaterialien ausgewählt und ihre Eigenschaften – einschließlich Festigkeit, Modul und andere Standardparameter – aus der vom Designer gewählten Datenbank oder von Altairs Multiscale Designer Datenbank anisotroper thermoplastischer Composite-Materialien und ihrer mikromechanischen Modelle eingelesen. QSD nutzt diese Datenbank und HyperWorks OptiStruct, um eine „Steifigkeitsanpassungs“-Optimierung durchzuführen. Da einige Ergebnisse dieser Analyse nicht leicht vorstellbar sind (z. B. anisotrope Steifigkeit), bietet QSD verschiedene Möglichkeiten, mit den komplexen, aber reichen Daten zu interagieren, einschließlich direkter Variablenfelder oder interpretierter Ergebnisse wie Hauptsteifigkeitsrichtungen oder Steifigkeitspolardiagramm (Abb. 1). Alle diese Darstellungen definieren dieselbe mechanische Antwort, bieten aber maßgeschneiderte Ansichten gemäß den benutzergewählten Präferenzen. Das Ziel ist, Designern zu helfen, den Weg vorwärts für die gewünschte Teileperformance zu verstehen und zu visualisieren. In diesem Schritt können Dicke und Masse optimiert werden, letztere typischerweise um bis zu 50 Prozent gegenüber Metallteilen reduziert.

Formanalyse

Der nächste Schritt hilft Designern, wesentliche Kompromisse einzugehen, indem zunächst das Teil abgeflacht wird – Konvertierung von 3D-Form zu 2D-Blatt – mit dem Drape Estimator Tool und dann eine automatische Partitionierung dieses Blatts durch Verwendung eines Clustering-Algorithmus durchgeführt wird. Das Ziel ist, die Bewertung der Verbindung zwischen flachem Preform und finalem Teil simpler und schneller zu machen. Der im Bild 2 gezeigte Automobil-Querlenker wurde ursprünglich basierend auf dem Finite-Elemente-Netz und Ergebnissen aus OptiStruct in 300 Zonen aufgeteilt, aber diese Zahl wurde durch QSD auf fünf Zonen reduziert.

Der Designer kann dann die Kanten jeder Zone begradigen und glätten, um Abfall in den entsprechenden Zuschnittlagen zu minimieren. Dies ist ein Schlüsselschritt, der die Fertigbarkeit verbessert, um Kosten zu kontrollieren. Dieser Schritt ist auch interessant, weil der Designer den Einfluss von Lagen- und Formvereinfachung auf die mechanische Performance des Teils bewerten kann. Wenn Kompromisse zwischen mechanischer Performance und Teilefertigbarkeit/Abfall/Kosten gemacht werden müssen, liefert dieser Schritt die Daten für diese Bewertung.

Lagenidentifikation

Ziel in diesem Schritt ist es, den besten lokalen Lagenaufbau für jede Zone durch Auswahl aus einer QSD-Stapeldatenbank oder Ply-Library zu bestimmen, die durch benutzerspezifische Daten angereichert werden kann. Das QSD-Tool hilft dem Designer, die Lagen des Teils zu skizzieren und dann die beste Lagenstrategie durch Bewertung der Teileantwort über mechanische Kriterien (z. B. lokale Verschiebung, Knickfaktor oder Eigenfrequenz) zu testen.

Design-to-Cost-Analyse

In diesem finalen Schritt können Designer die Materialkosten des Teils bewerten, einschließlich Verschnittabfall, und seine Fertigungskosten durch Zuschnitt und Montage der Lagen. Tatsächlich sind die Anzahl der Lagen und der Materialabfall pro Lage die primären Kostentreiber. Eine schnelle Abfallbewertung wird bald in QSD verfügbar sein, was geschätzte Werte während früher Designiterationen ermöglicht. Für finale Iterationen kann jede Lage exportiert werden, um eine detaillierte Nested-Analyse auf der vom Nutzer bevorzugten Software durchzuführen. Parameter für die Teilekostenbewertungsformel können bei Bedarf auch vom Designer angepasst werden. So kann der Designer verschiedene Lagenstrategien bewerten und deren Abfall, Fertigbarkeit, Kosten und mechanische Performance vergleichen.

Beachten Sie, dass QSD die Bewertung aller Arten von Halbzeugen wie Band und gewebtem oder Cross-Ply-Organoblech ermöglicht. Es kann auch recycelte Materialien bewerten, wie Vliesmatten aus recycelter Carbonfaser von Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre und anderen, oder thermoformbare Platten aus thermoplastischem Abfall mittels Cetims Thermosaïc-Technologie oder ähnlicher Prozesse. Natürlich wären die mechanischen Eigenschaften solcher Materialien nötig, aber einmal bestimmt, könnten sie einfach in die QSD-Module, einschließlich der finalen Ply-Library/Stapeldatenbank, eingegeben werden. Auf diese Weise wird Abfall von diesem Teil zurück in dieses Teil für Zero-Waste, Closed-Loop-Fertigung verwendet – ein ideales Ziel für alle Composites-Fertigung in Bezug auf Nachhaltigkeit.

Tool für erhöhten Composites-Einsatz

QSD ist für die ersten Schritte des Designprozesses geeignet, da es nicht nur mit Cetims QSP-Prozess passt, sondern mit allen Prozessen, die maßgeschneiderte Preforms erstellen, unabhängig vom Automatisierungsgrad (z. B. Automated Tape Placement, automatisiertes Schneiden und Handlage). Es ist darauf ausgelegt, Ingenieure zu helfen, ihre Teile zu optimieren und schlechte Designentscheidungen früh im Design-Workflow zu vermeiden.

Referenz:

[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.

Über den Autor

Denis Espinassou ist Maschinenbauingenieur und Projektleiter bei QSD. Er trat Cetim, dem französischen mechanischen Institut, 2010 als Spezialist für Design und Optimierung von Langfaser-thermoplastischen Composite-Strukturen bei. Er ist auch verantwortlich für Produktentwicklung durch Prototypenfertigung und mechanische Validierung.