Ingeniería de preformas a medida: Automatización de vanguardia en fabricación de compuestos termoplásticos

Muchas nuevas tecnologías se han desarrollado recientemente para reducir el tiempo de ciclo y coste de compuestos, con el objetivo de aumentar el uso de compuestos en aplicaciones automotrices, industriales y de bienes de consumo. Una de las áreas de desarrollo más prometedoras está en líneas de producción automatizadas que cortan y colocan cinta preimpregnada termoplástica para formar blanks a medida, y luego los convierten en piezas usando moldeo por compresión y sobremoldeo por inyección. Compañías 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 e I+D avanzada de fabricación Cetim (Nantes, Francia). Esta última presentó su Proceso Estrato Acolchado (QSP) en 2015. QSP puede producir piezas de forma compleja con un tiempo de pulso de línea de producción de 40-90 segundos. Por ejemplo, usando QSP, un perfil omega moldeado en una viga en L integra 13 parches de organohoja (preimpregnado tejido termoplástico) y cinta UD de 1,5-, 2- y 3-milímetros de espesor en una pieza de 6 milímetros de espesor con un tiempo de ciclo de menos de 77 segundos por pieza.

Sin embargo, para aprovechar 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 variación correspondiente en el número, espesor, posición y composición de capas (por ejemplo, tipo de refuerzo y orientación de fibra). Con esto en mente, Cetim ha combinado su experiencia en análisis estructural de compuestos, pruebas no destructivas (END) y fabricación con la experiencia de ONERA (El Laboratorio Aeroespacial Francés) en métodos avanzados de optimización usados 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, Míchigan, EE. UU.). Es básicamente un add-on de optimización que ayuda a diseñar piezas compuestas hechas usando procesos basados en cinta y organohoja y a controlar su coste, incluyendo cómo reutilizar residuos de producción para fabricación de circuito cerrado cero residuos.

Proceso de cuatro pasos

La metodología QSD comprende cuatro pasos: optimización estructural, análisis de conformado, identificación de estratificado y análisis de diseño a coste (Fig. 1). Cada uno de estos ayuda al diseñador a probar rápidamente lo que se puede hacer con los materiales de entrada y tomar las decisiones correctas respecto a restricciones mecánicas y de fabricación para controlar el coste de la pieza. El add-on QSD fue desarrollado con Altair para hacerlo directamente usable por todos los usuarios de HyperWorks OptiStruct en un entorno bien conocido. Estos usuarios pueden aprovechar QSD sin desarrollar nuevos modelos de elementos finitos, usando su ya desarrollado know-how interno con el software Altair.

Optimización estructural

En el primer paso del proceso de QSD, se seleccionan materiales de cinta termoplástica y sus propiedades —incluyendo resistencia, módulo y otros parámetros estándar— se introducen desde la base de datos seleccionada por el diseñador o por la base de datos Multiscale Designer de Altair de materiales compuestos termoplásticos anisotrópicos y sus modelos micromecánicos. QSD usa esta base de datos y HyperWorks OptiStruct para completar una optimización de "igualdad de rigidez". Como 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, incluyendo campos de variables directas o resultados interpretados como las direcciones principales de rigidez o un gráfico polar de rigidez (Fig. 1). Todas estas pantallas definen la misma respuesta mecánica, pero ofrecen vistas adaptadas según las preferencias seleccionadas por el usuario. El objetivo es ayudar a los diseñadores a entender y visualizar el camino a seguir para lograr el rendimiento de pieza deseado. Este paso es donde el espesor y la masa pueden optimizarse, esta última típicamente reducida hasta un 50 % versus piezas metálicas.

Análisis de conformado

El siguiente paso ayuda a los diseñadores a hacer compromisos esenciales al primero aplanar la pieza —convirtiendo de forma 3D a lámina 2D— con la herramienta Estimador de Drapeo y luego realizando una partición automática de esta lámina usando un algoritmo de clustering. El objetivo es hacer la evaluación del vínculo entre preforma plana y pieza final más simple y rápida. La horquilla automotriz mostrada en Fig. 2 fue originalmente dividida en 300 zonas, basadas en la malla de elementos finitos y resultados de OptiStruct, pero ese número se redujo a cinco zonas por QSD.

El diseñador puede luego enderezar y suavizar los bordes de cada zona para minimizar residuos en las capas cortadas correspondientes. Este es un paso clave, mejorando la factibilidad de fabricación para controlar coste. Este paso también es interesante porque el diseñador puede evaluar la influencia de la simplificación de capa y forma en el rendimiento mecánico de la pieza. Si se deben hacer compromisos entre rendimiento mecánico y fabricabilidad/desperdicio/coste de la pieza, este paso proporciona los datos para esa evaluación.

Identificación de estratificado

El objetivo en este paso es determinar el mejor estratificado local para cada zona seleccionando 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 estratificado evaluando la respuesta de la pieza vía criterios mecánicos (por ejemplo, desplazamiento local, factor de pandeo o auto-frecuencia).

Análisis de diseño a coste

En este paso final, los diseñadores pueden evaluar el coste de material de la pieza, incluyendo desperdicio de residuos, y su coste de fabricación debido a corte y ensamblaje de capas. De hecho, el número de capas y el desperdicio de material por capa son los principales impulsores de coste. Una evaluación rápida de desperdicio estará pronto disponible en QSD, permitiendo valores estimados durante iteraciones de diseño tempranas. Para iteraciones finales, cada capa puede exportarse para realizar un análisis de anidamiento detallado en el software que el usuario prefiera. Los parámetros para la fórmula de evaluación de coste de la pieza también pueden personalizarse por el diseñador si es necesario. Así, el diseñador puede evaluar varias estrategias de estratificado y comparar su desperdicio, fabricabilidad, coste y rendimiento mecánico.

Nótese que QSD permite evaluar el uso de todo tipo de semi-productos como cinta y organohoja tejida o cruzada. También puede evaluar materiales reciclados, como esteras no tejidas hechas de fibra de carbono reciclada por Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre y otros, o lámina termoformable hecha de residuos termoplásticos usando la tecnología Thermosaïc de Cetim u otros procesos similares. Por supuesto, las propiedades mecánicas de tales materiales serían necesarias, pero una vez determinadas, podrían introducirse fácilmente en los módulos QSD, incluyendo la biblioteca final de apilamiento/estrato. De esta manera, el residuo de esta pieza se usa de nuevo en esta pieza para fabricación de circuito cerrado cero residuos —una meta ideal para toda fabricación de compuestos con respecto a sostenibilidad.

Herramienta para mayor 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 usados para crear preformas a medida, independientemente del grado de automatización (por ejemplo, colocación automática de cinta, corte automático y estratificado manual). Está diseñado para ayudar a ingenieros a optimizar sus piezas y evitar malas elecciones de diseño temprano en el flujo de trabajo de diseño.

Referencia:

[1] "Un método de diseño novedoso para la fabricación rápida y rentable de piezas compuestas empleando el Proceso Estrato Acolchado" François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

Sobre el autor

Denis Espinassou es ingeniero mecánico y líder de proyecto en QSD. Se unió 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 de desarrollo de producto a través de fabricación de prototipos y validación mecánica.