Konstruktion von maßgeschneiderten Preforms

In letzter Zeit wurden viele neue Technologien entwickelt, um die Zykluszeit und die Kosten von Verbundwerkstoffen zu reduzieren, mit dem Ziel, den Einsatz von Verbundwerkstoffen in Automobil-, Industrie- und Konsumgüteranwendungen zu erhöhen. Einer der vielversprechendsten Entwicklungsbereiche sind automatisierte Fertigungslinien, die thermoplastische Prepreg-Tapes zu Tailored Blanks schneiden und platzieren und diese anschließend mittels Press- und Spritzgussverfahren in Teile umwandeln. Zu den Unternehmen, die an dieser Entwicklung beteiligt sind, gehören Airborne (Den Haag, Niederlande), Van Wees UD und Crossply Technology (Tilburg, Niederlande) sowie die französische Engineering- und Advanced Manufacturing-F&T-Organisation Cetim (Nantes, Frankreich). Letzterer stellte 2015 seinen Quilted Stratum Process (QSP) vor. QSP kann komplex geformte Teile mit einer Taktzeit von 40-90 Sekunden in der Produktionslinie herstellen. Mit QSP beispielsweise integriert ein zu einem L-förmigen Träger geformtes Omega-förmiges Profil 13 Patches aus 1,5, 2 und 3 Millimeter dickem Organoblech (thermoplastisches Gewebe-Prepreg) und UD-Band zu einem 6 Millimeter dicken Teil mit einer Zykluszeit von weniger als 77 Sekunden pro Teil.

Um jedoch Automatisierungstechnologien wie QSP nutzen zu können, müssen Ingenieure Konstruktions- und Optimierungsmethoden entwickeln, die viele theoretische Kombinationen von Teillagen und die entsprechenden Variationen in Anzahl, Dicke, Position und Zusammensetzung der Lagen (z Faserorientierung). Vor diesem Hintergrund hat Cetim seine Erfahrung in der Strukturanalyse von Verbundwerkstoffen, der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) und der Herstellung mit der Expertise von ONERA (The French Aerospace Lab) in fortschrittlichen Optimierungsmethoden kombiniert, die seit Jahren in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden. Das Ergebnis ist QSD, ein Tool, das jetzt in der Computer-Aided Engineering (CAE)-Software HyperWorks von Altair Engineering (Troy, Michigan, USA) verfügbar ist. Es ist im Grunde ein Optimierungs-Add-on, das hilft, Verbundteile zu konstruieren, die mit Band- und Organoblech-basierten Prozessen hergestellt werden, und ihre Kosten zu kontrollieren, einschließlich der Wiederverwendung von Produktionsabfällen für eine abfallfreie Produktion mit geschlossenem Kreislauf.

Vier-Schritte-Prozess

Die QSD-Methodik umfasst vier Schritte:Strukturoptimierung, Formungsanalyse, Layup-Identifikation und Design-to-Cost-Analyse (Abb. 1). Jede dieser Funktionen hilft dem Konstrukteur, schnell zu testen, was mit den Eingangsmaterialien getan werden kann, und die richtigen Entscheidungen in Bezug auf mechanische und fertigungstechnische Einschränkungen zu treffen, um die Teilekosten zu kontrollieren. Das QSD-Add-On wurde mit Altair entwickelt, um es von allen HyperWorks OptiStruct-Benutzern in einer bekannten Umgebung direkt nutzbar zu machen. Diese Benutzer können QSD nutzen, ohne neue Finite-Elemente-Modelle zu entwickeln, indem sie ihr bereits entwickeltes internes Know-how mit der Altair-Software nutzen.

Strukturoptimierung

Im ersten Schritt des QSD-Prozesses werden thermoplastische Bandmaterialien ausgewählt und ihre Eigenschaften – einschließlich Festigkeit, Modul und andere Standardparameter – werden aus der Datenbank des Designers ausgewählt oder aus der Multiscale Designer-Datenbank von Altair mit anisotropen thermoplastischen Verbundmaterialien und ihren mikromechanischen Modellen eingegeben. QSD verwendet diese Datenbank und HyperWorks Optistruct, um eine „Steifness Matching“-Optimierung durchzuführen. Da einige der Ergebnisse dieser Analyse nicht leicht vorstellbar sind (z. B. anisotrope Steifigkeit), bietet QSD eine Vielzahl von Möglichkeiten, mit den komplexen, aber reichhaltigen Daten zu interagieren, einschließlich direkter Variablenfelder oder interpretierter Ergebnisse wie der Hauptsteifigkeitsrichtungen oder a Polardiagramm der Steifigkeit (Abb. 1). Alle diese Displays definieren die gleiche mechanische Reaktion, bieten jedoch maßgeschneiderte Ansichten gemäß den vom Benutzer ausgewählten Präferenzen. Das Ziel besteht darin, den Konstrukteuren zu helfen, den Weg zum Erreichen der gewünschten Teileleistung zu verstehen und zu visualisieren. In diesem Schritt können Dicke und Masse optimiert werden, wobei letztere in der Regel um bis zu 50 Prozent gegenüber Metallteilen reduziert werden.

Gestaltungsanalyse

Der nächste Schritt hilft den Konstrukteuren, wesentliche Kompromisse einzugehen, indem sie das Teil zunächst mit dem Werkzeug Drape Estimator abflachen – von einer 3D-Form in ein 2D-Blatt konvertieren – und dann eine automatische Partitionierung dieses Blatts mithilfe eines Clustering-Algorithmus durchführen. Ziel ist es, die Auswertung der Verbindung zwischen flacher Preform und Endteil einfacher und schneller zu machen. Der in Abb. 2 gezeigte Querlenker des Automobils wurde ursprünglich in 300 Zonen aufgeteilt, basierend auf dem Finite-Elemente-Netz und den Ergebnissen von OptiStruct, aber diese Zahl wurde durch QSD auf fünf Zonen reduziert.

Der Designer kann dann die Kanten jeder Zone begradigen und glätten, um den Abfall in den entsprechenden Schnittlagen zu minimieren. Dies ist ein wichtiger Schritt, der die Durchführbarkeit der Herstellung verbessert, um die Kosten zu kontrollieren. Dieser Schritt ist auch deshalb interessant, weil der Konstrukteur den Einfluss der Lagen- und Formvereinfachung auf die mechanische Leistung des Teils bewerten kann. Wenn Kompromisse zwischen mechanischer Leistung und Herstellbarkeit/Ausschuss/Kosten des Teils eingegangen werden sollen, liefert dieser Schritt die Daten für diese Bewertung.

Layup-Identifikation

Das Ziel in diesem Schritt besteht darin, das beste lokale Layup für jede Zone zu bestimmen, indem aus einer QSD-Stacking-Datenbank oder einer Lagenbibliothek ausgewählt wird, die mit benutzerspezifischen Daten angereichert werden kann. Das QSD-Tool hilft dem Konstrukteur, die Lagen des Teils zu skizzieren und dann zu testen, um die beste Layup-Strategie zu finden, indem die Reaktion des Teils anhand mechanischer Kriterien (z. B. lokale Verschiebung, Knickfaktor oder Eigenfrequenz) bewertet wird.

Design-to-Cost-Analyse

In diesem letzten Schritt können Konstrukteure die Materialkosten des Teils, einschließlich Ausschuss, und seine Herstellungskosten aufgrund des Zuschneidens und Zusammenbauens der Lagen bewerten. Tatsächlich sind die Anzahl der Lagen und der Materialabfall pro Lage die Hauptkostentreiber. Eine schnelle Abfallbewertung wird in Kürze in QSD verfügbar sein, die Schätzwerte während früher Designiterationen ermöglicht. Für letzte Iterationen kann jede Lage exportiert werden, um eine detaillierte Verschachtelungsanalyse mit jeder beliebigen Software durchzuführen, die der Benutzer bevorzugt. Parameter für die Kostenbewertungsformel des Teils können bei Bedarf auch vom Konstrukteur angepasst werden. Somit kann der Designer verschiedene Layup-Strategien bewerten und deren Abfall, Herstellbarkeit, Kosten und mechanische Leistung vergleichen.

Beachten Sie, dass QSD die Bewertung der Verwendung aller Arten von Halbzeugen wie Bändern und gewebten oder kreuzlagenförmigen Organoblechen ermöglicht. Es kann auch recycelte Materialien wie Vliesmatten aus recycelten Carbonfasern von Carbon Conversions, ELG Carbon Fiber und andere oder thermoformbare Platten aus thermoplastischen Abfällen mit der Thermosaïc-Technologie von Cetim oder anderen ähnlichen Verfahren bewerten. Natürlich wären die mechanischen Eigenschaften solcher Materialien erforderlich, aber sobald sie bestimmt waren, könnten sie leicht in die QSD-Module eingegeben werden, einschließlich der endgültigen Lagenbibliothek/Stapeldatenbank. Auf diese Weise wird der Schrott aus diesem Teil wieder in diesem Teil für eine abfallfreie Produktion im geschlossenen Kreislauf verwendet – ein ideales Ziel für alle Verbundwerkstoffherstellung im Hinblick auf Nachhaltigkeit.

Tool zur verstärkten Verwendung von Verbundwerkstoffen

QSD eignet sich für die ersten Schritte des Designprozesses, da es nicht nur zum QSP-Prozess von Cetim passt, sondern zu allen Prozessen, die zur Erstellung maßgeschneiderter Preforms verwendet werden, unabhängig vom Automatisierungsgrad (z ). Es wurde entwickelt, um Ingenieuren dabei zu helfen, ihre Teile zu optimieren und frühzeitig im Design-Workflow schlechte Designentscheidungen zu vermeiden.

Referenz:

[1] „Eine neuartige Konstruktionsmethode für die schnelle und kostengünstige Herstellung von Verbundteilen mit dem 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 2010 dem französischen mechanischen Institut Cetim bei, als Spezialist für Design und Optimierung von langfaserigen thermoplastischen Verbundstrukturen. Er ist auch für die Produktentwicklung durch Prototypenfertigung und mechanische Validierung verantwortlich.