Engenharia de projeto de pré-formas personalizadas

Muitas novas tecnologias foram desenvolvidas recentemente para reduzir o tempo de ciclo e o custo dos compósitos, com o objetivo de aumentar o uso dos compósitos em aplicações automotivas, industriais e de bens de consumo. Uma das áreas de desenvolvimento mais promissoras é em linhas de produção automatizadas que cortam e colocam fitas termoplásticas pré-impregnadas para formar espaços sob medida, e então os convertem em peças usando moldagem por compressão e sobremoldagem por injeção. As empresas ativas neste desenvolvimento incluem a Airborne (Haia, Holanda), Van Wees UD e Crossply Technology (Tilburg, Holanda) e a organização francesa de engenharia e produção avançada de R&T Cetim (Nantes, França). A 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 em forma de ômega moldado em um feixe em forma de L integra 13 remendos de folha orgânica de 1,5, 2 e 3 mm de espessura (tecido termoplástico pré-impregnado) e fita UD em uma parte de 6 mm de espessura com um tempo de ciclo de menos de 77 segundos por peça.

No entanto, para tirar vantagem da tecnologia de automação, como QSP, os engenheiros devem desenvolver métodos de projeto e otimização que possam avaliar muitas combinações teóricas de camadas parciais e a variação correspondente no número, espessura, posição e composição das camadas (por exemplo, tipo de reforço e orientação da fibra). Com isso em mente, a Cetim combinou sua experiência em análise estrutural de compósitos, testes não destrutivos (NDT) e fabricação com a expertise do ONERA (The French Aerospace Lab) 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, Michigan, EUA). É basicamente um add-on de otimização que ajuda a projetar peças compostas feitas usando processos baseados em fita e organosheet e controlar seus custos, incluindo como reutilizar sucata de produção para fabricação de ciclo fechado sem desperdício.

Processo de quatro etapas

A metodologia QSD compreende quatro etapas:otimização estrutural, análise de modelagem, identificação de layup e análise de projeto para custo (Fig. 1). Cada um deles ajuda o projetista a testar rapidamente o que pode ser feito com os materiais de entrada e a tomar as decisões corretas em relação às restrições mecânicas e de fabricação para controlar o custo das peças. O add-on QSD foi desenvolvido com Altair para torná-lo diretamente utilizável por todos os usuários HyperWorks OptiStruct em um ambiente bem conhecido. Esses usuários podem tirar proveito do 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 do QSD, os materiais de fita termoplástica são selecionados e suas propriedades - incluindo resistência, módulo e outros parâmetros padrão - são inseridos no banco de dados selecionado do designer ou pelo banco de dados do Designer Multiscale da Altair de materiais compostos termoplásticos anisotrópicos e seus modelos micromecânicos. O QSD usa esse banco de dados e o HyperWorks Optistruct para concluir uma otimização de “correspondência de rigidez”. Como alguns dos resultados desta análise não são facilmente visualizados (por exemplo, rigidez anisotrópica), o QSD fornece uma variedade de maneiras de interagir com os dados complexos, mas ricos, incluindo campos de variáveis ​​diretas ou resultados interpretados, como as principais direções de rigidez ou um gráfico polar de rigidez (Fig. 1). Todos esses visores definem a mesma resposta mecânica, mas oferecem visualizações personalizadas de acordo com as preferências selecionadas pelo usuário. O objetivo é ajudar os projetistas a compreender e visualizar o caminho a seguir para alcançar o desempenho de peça desejado. Esta etapa é onde a espessura e a massa podem ser otimizadas, a última geralmente reduzida em até 50 por cento em relação às peças de metal.

Análise de modelagem

A próxima etapa ajuda os designers a fazerem compromissos essenciais, primeiro achatando a peça - convertendo de forma 3D em folha 2D - com a ferramenta Drape Estimator e, em seguida, executando uma partição automática dessa folha usando um algoritmo de agrupamento. O objetivo é tornar a avaliação da ligação entre a pré-forma plana e a peça final mais simples e rápida. O braço da suspensão automotivo mostrado na Fig. 2 foi originalmente dividido em 300 zonas, com base na malha de elementos finitos e resultados do OptiStruct, mas esse número foi reduzido para cinco zonas pelo QSD.

O projetista pode então endireitar e alisar as bordas de cada zona para minimizar o desperdício nas camadas de corte correspondentes. Essa é uma etapa fundamental, melhorando a viabilidade de fabricação para controlar custos. Esta etapa também é interessante porque o projetista pode avaliar a influência da simplificação da camada e da forma no desempenho mecânico da peça. Se houver compromissos entre o desempenho mecânico e a fabricação / refugo / custo da peça, esta etapa fornece os dados para essa avaliação.

Identificação de layup

O objetivo nesta etapa é determinar a melhor configuração local para cada zona, selecionando em um banco de dados de empilhamento QSD, ou biblioteca de camadas, que pode ser enriquecida por dados específicos do usuário. A ferramenta QSD ajuda o projetista a esboçar as camadas da peça e, em seguida, testar para encontrar a melhor estratégia de layup avaliando a resposta da peça por meio de critérios mecânicos (por exemplo, deslocamento local, fator de flambagem ou frequência própria).

Design para análise de custos

Nesta etapa final, os projetistas podem avaliar o custo do material da peça, incluindo resíduos de sucata, e seu custo de fabricação devido ao corte e montagem das camadas. Na verdade, o número de camadas e o desperdício de material por camada são os principais direcionadores de custos. Uma avaliação rápida de desperdício estará disponível em breve no QSD, permitindo valores estimados durante as iterações iniciais do projeto. Para as iterações finais, cada camada pode ser exportada para realizar uma análise detalhada de aninhamento em qualquer software que o usuário preferir. Os parâmetros para a fórmula de avaliação de custo da peça também podem ser personalizados pelo projetista, se necessário. Assim, o projetista pode avaliar várias estratégias de layup e comparar o desperdício, a capacidade de fabricação, o custo e o desempenho mecânico.

Observe que o QSD permite a avaliação do uso de todos os tipos de semi-produtos, como fita adesiva e tecido ou folha orgânica de camadas cruzadas. Também pode avaliar materiais reciclados, como tapetes não tecidos feitos de fibra de carbono reciclada por Conversões de Carbono, Fibra de Carbono ELG e outros, ou folha termoformável feita de resíduos termoplásticos usando a tecnologia Thermosaïc da Cetim ou outros processos semelhantes. Claro, as propriedades mecânicas de tais materiais seriam necessárias, mas uma vez determinadas, elas poderiam ser facilmente inseridas nos módulos QSD, incluindo a biblioteca de camadas final / banco de dados de empilhamento. Desta forma, o refugo dessa peça é usado de volta nesta peça para a fabricação de ciclo fechado sem desperdício - uma meta ideal para toda a fabricação de compósitos no que diz respeito à sustentabilidade.

Ferramenta para aumentar o uso de compostos

O QSD é adequado para as primeiras etapas do processo de design porque se ajusta não apenas ao processo QSP da Cetim, mas a todos os processos usados ​​para criar pré-formas personalizadas, independentemente do grau de automação (por exemplo, colocação automática de fita, corte automatizado e layup manual ) Ele é projetado para ajudar os engenheiros a otimizar suas peças e evitar escolhas erradas de projeto no início do fluxo de trabalho do projeto.

Referência:

[1] “Um novo método de projeto para a fabricação rápida e econômica de peças compostas empregando o Processo de Estrato Acolchoado” François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

Sobre o autor

Denis Espinassou é engenheiro mecânico e líder de projeto em QSD. Ele ingressou no Cetim, o instituto mecânico francês, em 2010 como especialista em projeto e otimização de estruturas compostas termoplásticas de fibra longa. Ele também é responsável pelo desenvolvimento de produtos por meio da fabricação de protótipos e validação mecânica.