Ingeniería de diseño de preformas a medida

Recientemente se han desarrollado muchas tecnologías nuevas para reducir el tiempo de ciclo y el costo de los compuestos, con el objetivo de aumentar el uso de los compuestos en aplicaciones de bienes de consumo, industriales y de automoción. Una de las áreas de desarrollo más prometedoras son las líneas de producción automatizadas que cortan y colocan cinta preimpregnada termoplástica para formar espacios en blanco a medida, y luego los convierten en piezas mediante moldeo por compresión y sobremoldeo por inyección. Las empresas activas en este desarrollo incluyen Airborne (La Haya, Países Bajos), Van Wees UD y Crossply Technology (Tilburg, Países Bajos) y la organización francesa de ingeniería y fabricación avanzada de I + T Cetim (Nantes, Francia). Este último dio a conocer su Quilted Stratum Process (QSP) en 2015. QSP puede producir piezas de formas complejas con una línea de producción de tiempo de pulso de 40-90 segundos. Por ejemplo, al usar QSP, un perfil en forma de omega moldeado en una viga en forma de L integra 13 parches de hoja orgánica de 1,5, 2 y 3 milímetros de espesor (preimpregnado termoplástico de tela tejida) y cinta UD en una pieza de 6 milímetros de grosor. con un tiempo de ciclo de menos de 77 segundos por pieza.

Sin embargo, para aprovechar la tecnología de automatización como QSP, los ingenieros deben desarrollar métodos de diseño y optimización que puedan evaluar muchas combinaciones teóricas de capas parciales y la correspondiente variación en el número, espesor, posición y composición de las capas (por ejemplo, tipo de refuerzo y orientación de la fibra). Con esto en mente, Cetim ha combinado su experiencia en análisis estructural de compuestos, ensayos no destructivos (NDT) y fabricación con la experiencia de ONERA (el laboratorio aeroespacial francés) en métodos de optimización avanzados utilizados durante años en la industria aeroespacial. El resultado es QSD, una herramienta ahora disponible en el software de ingeniería asistida por computadora (CAE) HyperWorks de Altair Engineering (Troy, Michigan, EE. UU.). Básicamente es un complemento de optimización que ayuda a diseñar piezas compuestas fabricadas mediante procesos basados ​​en cintas y láminas orgánicas y a controlar su costo, incluida la forma de reutilizar los desechos de producción para la fabricación de ciclo cerrado sin desperdicio.

Proceso de cuatro pasos

La metodología QSD comprende cuatro pasos:optimización estructural, análisis de conformación, identificación de capas y análisis de diseño a costo (Fig. 1). Cada uno de estos ayuda al diseñador a probar rápidamente lo que se puede hacer con los materiales de entrada y a tomar las decisiones correctas con respecto a las limitaciones mecánicas y de fabricación para controlar el costo de las piezas. El complemento QSD se desarrolló con Altair para que todos los usuarios de HyperWorks OptiStruct puedan utilizarlo directamente en un entorno conocido. Estos usuarios pueden aprovechar QSD sin desarrollar nuevos modelos de elementos finitos, utilizando su conocimiento interno ya desarrollado con el software Altair.

Optimización estructural

En el primer paso del proceso de QSD, se seleccionan los materiales de cinta termoplástica y sus propiedades, incluida la resistencia, el módulo y otros parámetros estándar, se ingresan desde la base de datos seleccionada por el diseñador o por la base de datos del diseñador multiescala de Altair de materiales compuestos termoplásticos anisotrópicos y sus modelos micromecánicos. QSD utiliza esta base de datos y HyperWorks Optistruct para completar una optimización de "coincidencia de rigidez". Debido a que algunos de los resultados de este análisis no se visualizan fácilmente (por ejemplo, rigidez anisotrópica), QSD proporciona una variedad de formas de interactuar con los datos complejos pero ricos, incluidos los campos de variables directas o los resultados interpretados como las direcciones principales de rigidez o una gráfico polar de rigidez (Fig. 1). Todas estas pantallas definen la misma respuesta mecánica, pero ofrecen vistas personalizadas de acuerdo con las preferencias seleccionadas por el usuario. El objetivo es ayudar a los diseñadores a comprender y visualizar el camino a seguir para lograr el rendimiento deseado de la pieza. En este paso es donde se puede optimizar el espesor y la masa, esta última normalmente se reduce hasta en un 50 por ciento en comparación con las piezas metálicas.

Análisis de modelado

El siguiente paso ayuda a los diseñadores a hacer compromisos esenciales al aplanar primero la pieza (convirtiéndola de forma 3D a hoja 2D) con la herramienta Drape Estimator y luego realizando una partición automática de esta hoja mediante el uso de un algoritmo de agrupamiento. El objetivo es hacer que la evaluación del vínculo entre la preforma plana y la pieza final sea más sencilla y rápida. La horquilla automotriz que se muestra en la Fig.2 originalmente se dividió en 300 zonas, según la malla de elementos finitos y los resultados de OptiStruct, pero QSD redujo ese número a cinco zonas.

Luego, el diseñador puede enderezar y suavizar los bordes de cada zona para minimizar el desperdicio en las capas cortadas correspondientes. Este es un paso clave que mejora la viabilidad de fabricación para controlar los costos. Este paso también es interesante porque el diseñador puede evaluar la influencia de la simplificación de la capa y la forma en el rendimiento mecánico de la pieza. Si se van a hacer concesiones entre el rendimiento mecánico y la capacidad de fabricación / desperdicio / costo de la pieza, este paso proporciona los datos para esa evaluación.

Identificación de la bandeja

El objetivo de este paso es determinar la mejor disposición local para cada zona mediante la selección de una base de datos de apilamiento QSD o biblioteca de capas, que puede enriquecerse con datos específicos del usuario. La herramienta QSD ayuda al diseñador a esbozar las capas de la pieza y luego probar para encontrar la mejor estrategia de laminado evaluando la respuesta de la pieza a través de criterios mecánicos (por ejemplo, desplazamiento local, factor de pandeo o frecuencia propia).

Diseño de análisis de costos

En este paso final, los diseñadores pueden evaluar el costo del material de la pieza, incluidos los desechos, y su costo de fabricación debido al corte y ensamblaje de las capas. De hecho, el número de capas y el desperdicio de material por capa son los principales factores de costo. Pronto estará disponible una evaluación rápida de los desechos en QSD, lo que permitirá valores estimados durante las primeras iteraciones del diseño. Para las iteraciones finales, cada capa se puede exportar para realizar un análisis de anidamiento detallado en cualquier software que prefiera el usuario. El diseñador también puede personalizar los parámetros de la fórmula de evaluación de costos de la pieza si es necesario. Por lo tanto, el diseñador puede evaluar varias estrategias de laminado y comparar su desperdicio, capacidad de fabricación, costo y desempeño mecánico.

Tenga en cuenta que QSD permite la evaluación del uso de todo tipo de semiproductos, como cintas y láminas orgánicas tejidas o de capas cruzadas. También puede evaluar materiales reciclados, como alfombras no tejidas hechas de fibra de carbono reciclada por conversiones de carbono, fibra de carbono ELG y otros, o láminas termoformables hechas de desechos termoplásticos utilizando la tecnología Thermosaïc de Cetim u otros procesos similares. Por supuesto, las propiedades mecánicas de tales materiales serían necesarias, pero una vez determinadas, podrían ingresarse fácilmente en los módulos QSD, incluida la biblioteca de capas final / base de datos de apilamiento. De esta manera, la chatarra de esta parte se utiliza nuevamente en esta parte para la fabricación de ciclo cerrado sin desperdicio, un objetivo ideal para toda la fabricación de compuestos con respecto a la sostenibilidad.

Herramienta para aumentar el uso de compuestos

QSD es adecuado para los primeros pasos del proceso de diseño porque encaja no solo con el proceso QSP de Cetim, sino con todos los procesos utilizados para crear preformas personalizadas, independientemente del grado de automatización (por ejemplo, colocación de cinta automatizada, corte automatizado y colocación manual ). Está diseñado para ayudar a los ingenieros a optimizar sus piezas y evitar malas elecciones de diseño al principio del flujo de trabajo de diseño.

Referencia:

[1] “Un método de diseño novedoso para la fabricación rápida y rentable de piezas compuestas empleando el proceso Quilted Stratum” François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

Acerca del autor

Denis Espinassou es ingeniero mecánico y líder de proyectos en QSD. Se incorporó a Cetim, el instituto mecánico francés, en 2010 como especialista en diseño y optimización de estructuras compuestas termoplásticas de fibra larga. También está a cargo del desarrollo de productos a través de la fabricación de prototipos y la validación mecánica.