Pré-formas Personalizadas Projetadas: Automação de Ponta na Fabricação de Compostos Termoplásticos

Muitas novas tecnologias foram desenvolvidas recentemente para reduzir o tempo de ciclo e custo de compostos, com o objetivo de aumentar o uso de compostos em aplicações automotivas, industriais e de bens de consumo. Uma das áreas mais promissoras de desenvolvimento é em linhas de produção automatizadas que cortam e colocam fita de pré-impregnado termoplástico para formar blanks personalizados, e então convertem estes em peças usando moldagem por compressão e sobremoldagem por injeção. Empresas ativas neste desenvolvimento incluem Airborne (Haia, Holanda), Van Wees UD e Crossply Technology (Tilburg, Holanda) e a organização francesa de engenharia e P&D de manufatura avançada Cetim (Nantes, França). Esta última revelou seu Processo Quilted Stratum (QSP) em 2015. QSP pode produzir peças de formato complexo com um tempo de pulso de linha de produção de 40-90 segundos. Por exemplo, usando QSP, um perfil ômega moldado em uma viga em L integra 13 remendos de organofolha (pré-impregnado de tecido termoplástico tecido) de 1,5-, 2- e 3-mm de espessura e fita UD em uma peça de 6 mm de espessura com tempo de ciclo de menos de 77 segundos por peça.

No entanto, para aproveitar tecnologia de automação como QSP, engenheiros devem desenvolver métodos de design e otimização que possam avaliar muitas combinações teóricas de plies parciais e a variação correspondente no número, espessura, posição e composição de plies (por exemplo, tipo de reforço e orientação de fibra). Com isso em mente, a Cetim combinou sua experiência em análise estrutural de compostos, testes não destrutivos (END) e fabricação com a expertise da ONERA (O Laboratório Aeroespacial Francês) em métodos avançados de otimização usados por anos na indústria aeroespacial. O resultado é QSD, uma ferramenta agora disponível no software de engenharia assistida por computador (CAE) HyperWorks da Altair Engineering (Troy, Mich., EUA). É basicamente um add-on de otimização que ajuda a projetar peças compostas feitas usando processos baseados em fita e organofolha e a controlar seu custo, incluindo como reutilizar sucata de produção para fabricação de ciclo fechado, zero desperdício.

Processo de Quatro Etapas

A metodologia QSD compreende quatro etapas: otimização estrutural, análise de conformação, identificação de layup e análise design-para-custo (Fig. 1). Cada uma destas ajuda o designer a testar rapidamente o que pode ser feito com os materiais de entrada e a tomar as decisões certas sobre restrições mecânicas e de fabricação para controlar custo da peça. O add-on QSD foi desenvolvido com a Altair para torná-lo diretamente utilizável por todos usuários do HyperWorks OptiStruct em um ambiente bem conhecido. Estes usuários podem aproveitar o QSD sem desenvolver novos modelos de elementos finitos, usando seu know-how interno já desenvolvido com o software Altair.

Otimização Estrutural

Na primeira etapa do processo QSD, materiais de fita termoplástica são selecionados e suas propriedades — incluindo resistência, módulo e outros parâmetros padrão — são inseridas do banco de dados selecionado pelo designer ou pelo banco de dados Multiscale Designer da Altair de materiais compostos termoplásticos anisotrópicos e seus modelos micromecânicos. QSD usa este banco de dados e HyperWorks Optistruct para completar uma otimização de "correspondência de rigidez". Como alguns dos resultados desta análise não são facilmente visualizados (por exemplo, rigidez anisotrópica), QSD fornece uma variedade de maneiras de interagir com os dados complexos mas ricos, incluindo campos de variáveis diretas ou resultados interpretados como as direções principais de rigidez ou um gráfico polar de rigidez (Fig. 1). Todos estes displays definem a mesma resposta mecânica, mas oferecem visualizações adaptadas de acordo com preferências selecionadas pelo usuário. O objetivo é ajudar designers a entender e visualizar o caminho a seguir para alcançar o desempenho de peça desejado. Esta etapa é onde espessura e massa podem ser otimizadas, a última tipicamente reduzida em até 50% versus peças metálicas.

Análise de Conformação

A próxima etapa ajuda designers a fazer compromissos essenciais ao primeiro achatar a peça — converter de forma 3D para chapa 2D — com a ferramenta Drape Estimator e então realizar uma partição automática desta chapa usando um algoritmo de clustering. O objetivo é tornar a avaliação do link entre pré-forma plana e peça final mais simples e rápida. A biela automotiva mostrada na Fig. 2 foi originalmente dividida em 300 zonas, baseada na malha de elementos finitos e resultados do OptiStruct, mas esse número foi reduzido a cinco zonas pelo QSD.

O designer pode então endireitar e suavizar as bordas de cada zona para minimizar desperdício nos plies correspondentes. Este é um passo chave, melhorando a viabilidade de fabricação para controlar custo. Esta etapa também é interessante porque o designer pode avaliar a influência da simplificação de ply e forma no desempenho mecânico da peça. Se compromissos devem ser feitos entre desempenho mecânico e fabricabilidade/desperdício/custo da peça, esta etapa fornece os dados para essa avaliação.

Identificação de Layup

O objetivo nesta etapa é determinar o melhor layup local para cada zona selecionando de um banco de dados de empilhamento QSD, ou biblioteca de plies, que pode ser enriquecido por dados específicos do usuário. A ferramenta QSD ajuda o designer a esboçar os plies da peça e então testar para encontrar a melhor estratégia de layup avaliando a resposta da peça via critérios mecânicos (por exemplo, deslocamento local, fator de flambagem ou autofrequência).

Análise Design-para-Custo

Nesta etapa final, designers podem avaliar o custo de material da peça, incluindo desperdício de sucata, e seu custo de fabricação devido a corte e montagem de plies. De fato, o número de plies e o desperdício de material por ply são os principais impulsionadores de custo. Uma avaliação rápida de desperdício estará disponível em breve no QSD, permitindo valores estimados durante iterações de design iniciais. Para iterações finais, cada ply pode ser exportado para realizar uma análise de nesting detalhada em qualquer software que o usuário prefira. Parâmetros para a fórmula de avaliação de custo da peça também podem ser personalizados pelo designer se necessário. Assim, o designer pode avaliar várias estratégias de layup e comparar seu desperdício, fabricabilidade, custo e desempenho mecânico.

Note que QSD permite avaliação de uso de todo tipo de semi-produtos como fita e organofolha tecida ou cross-ply. Também pode avaliar materiais reciclados, como esteiras não-tecidas feitas de fibra de carbono reciclada por Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre e outros, ou chapa termoformável feita de sucata termoplástica usando tecnologia Thermosaïc da Cetim ou outros processos similares. Claro, as propriedades mecânicas de tais materiais seriam necessárias, mas uma vez determinadas, poderiam ser facilmente inseridas nos módulos QSD, incluindo a biblioteca final de empilhamento/stacking database. Dessa forma, sucata desta peça é usada de volta nesta peça para fabricação de ciclo fechado, zero desperdício — uma meta ideal para toda fabricação de compostos com relação à sustentabilidade.

Ferramenta para Aumento do Uso de Compostos

QSD é adequado para os primeiros passos do processo de design porque se encaixa não apenas com o processo QSP da Cetim, mas com todos os processos usados para criar pré-formas personalizadas, independentemente do grau de automação (por exemplo, colocação automatizada de fita, corte automatizado e layup manual). É projetado para ajudar engenheiros a otimizar suas peças e evitar más escolhas de design no início do fluxo de trabalho de design.

Referência:

[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.

Sobre o autor

Denis Espinassou é engenheiro mecânico e líder de projeto no QSD. Ele juntou-se à Cetim, o instituto mecânico francês, em 2010 como especialista em design e otimização de estruturas compostas termoplásticas de fibra longa. Ele também é responsável por desenvolvimento de produto através de fabricação de protótipo e validação mecânica.