Engineering Preform yang Disesuaikan: Otomatisasi Canggih dalam Manufaktur Komposit Termoplastik

Banyak teknologi baru telah dikembangkan akhir-akhir ini untuk mengurangi waktu siklus dan biaya komposit, dengan tujuan meningkatkan penggunaan komposit dalam aplikasi otomotif, industri dan barang konsumen. Salah satu area pengembangan yang paling menjanjikan adalah lini produksi otomatis yang memotong dan menempatkan pita prepreg termoplastik untuk membentuk blank yang disesuaikan, lalu mengonversinya menjadi bagian menggunakan kompresi molding dan injeksi overmolding. Perusahaan yang aktif dalam pengembangan ini meliputi Airborne (The Hague, Belanda), Van Wees UD dan Crossply Technology (Tilburg, Belanda) serta organisasi R&T teknik dan manufaktur canggih Prancis Cetim (Nantes, Prancis). Terakhir memperkenalkan Quilted Stratum Process (QSP) pada 2015. QSP dapat menghasilkan bagian berbentuk kompleks dengan waktu pulsa lini produksi 40-90 detik. Misalnya, menggunakan QSP, profil omega yang dicetak menjadi balok L mengintegrasikan 13 patch organosheet tebal 1,5, 2 dan 3 milimeter (kain terpaku prepreg termoplastik) dan pita UD menjadi bagian tebal 6 milimeter dengan waktu siklus kurang dari 77 detik per bagian.

Namun, untuk mengambil manfaat dari teknologi otomatisasi seperti QSP, insinyur harus mengembangkan metode desain dan optimasi yang dapat mengevaluasi banyak kombinasi teoretis dari ply parsial dan variasi yang sesuai dalam jumlah, ketebalan, posisi dan komposisi ply (misalnya, jenis penguat dan orientasi serat). Dengan ini dalam pikiran, Cetim telah menggabungkan pengalamannya dalam analisis struktural komposit, pengujian non-destruktif (NDT) dan manufaktur dengan keahlian ONERA (The French Aerospace Lab) dalam metode optimasi canggih yang digunakan selama bertahun-tahun di industri penerbangan. Hasilnya adalah QSD, alat yang kini tersedia di perangkat lunak engineering berbantu komputer (CAE) HyperWorks Altair Engineering (Troy, Mich., AS). Ini pada dasarnya adalah add-on optimasi yang membantu merancang bagian komposit yang dibuat menggunakan proses berbasis pita dan organosheet dan mengontrol biayanya, termasuk cara menggunakan sisa produksi untuk manufaktur loop tertutup tanpa limbah.

Proses empat tahap

Metodologi QSD terdiri dari empat langkah: optimasi struktural, analisis pembentukan, identifikasi layup dan analisis desain-ke-biaya (Fig. 1). Setiap ini membantu desainer untuk segera menguji apa yang dapat dilakukan dengan material masukan dan membuat keputusan yang tepat tentang keterbatasan mekanis dan manufaktur untuk mengontrol biaya bagian. Add-on QSD dikembangkan dengan Altair untuk membuatnya langsung dapat digunakan oleh semua pengguna HyperWorks OptiStruct dalam lingkungan yang dikenal. Pengguna ini dapat mengambil manfaat QSD tanpa mengembangkan model elemen hingga baru, menggunakan know-how internal yang telah dikembangkan dengan perangkat lunak Altair.

Optimasi struktural

Dalam langkah pertama proses QSD, material pita termoplastik dipilih dan propertinya — termasuk kekuatan, modulus dan parameter standar lainnya — diinput dari basis data yang dipilih desainer atau dari basis data Multiscale Designer Altair dari material komposit termoplastik anistropik dan model mikromekaniknya. QSD menggunakan basis data ini dan HyperWorks Optistruct untuk menyelesaikan optimasi “stiffness matching”. Karena beberapa hasil dari analisis ini tidak mudah dipikirkan (misalnya, kekakuan anistropik), QSD menyediakan berbagai cara untuk berinteraksi dengan data yang kompleks namun kaya, termasuk bidang variabel langsung atau hasil yang ditafsirkan seperti arah kekakuan utama atau plot polar kekakuan (Fig. 1). Semua tampilan ini mendefinisikan respons mekanis yang sama, tetapi menawarkan tampilan yang disesuaikan sesuai preferensi yang dipilih pengguna. Tujuannya adalah untuk membantu desainer memahami dan memvisualisasikan jalur menuju depan untuk mencapai kinerja bagian yang diinginkan. Langkah ini adalah di mana ketebalan dan massa dapat dioptimalkan, yang terakhir biasanya dikurangi hingga 50 persen dibandingkan bagian logam.

Analisis pembentukan

Langkah berikutnya membantu desainer membuat kompromi yang penting dengan pertama meratakan bagian — mengonversi dari bentuk 3D menjadi lembar 2D — dengan alat Drape Estimator dan kemudian melakukan partisi otomatis dari lembar ini menggunakan algoritma clustering. Tujuannya adalah untuk membuat evaluasi hubungan antara preform datar dan bagian akhir lebih sederhana dan lebih cepat. Wishbone otomotif yang ditampilkan di Fig. 2 awalnya dibagi menjadi 300 zona, berdasarkan mesh elemen hingga dan hasil dari OptiStruct, tetapi jumlah itu dikurangi menjadi lima zona oleh QSD.

Desainer kemudian dapat meluruskan dan meratakan tepi setiap zona untuk meminimalkan limbah dalam ply yang dipotong yang sesuai. Ini adalah langkah kunci, meningkatkan kelayakan manufaktur untuk mengontrol biaya. Langkah ini juga menarik karena desainer dapat mengevaluasi pengaruh penyederhanaan ply dan bentuk terhadap kinerja mekanis bagian. Jika kompromi harus dibuat antara kinerja mekanis dan kelayakan manufaktur/sisa/biaya bagian, langkah ini menyediakan data untuk evaluasi tersebut.

Identifikasi layup

Tujuan dalam langkah ini adalah untuk menentukan layup lokal terbaik untuk setiap zona dengan memilih dari basis data stacking QSD, atau perpustakaan ply, yang dapat diperkaya oleh data spesifik pengguna. Alat QSD membantu desainer untuk menggambar ply bagian dan kemudian menguji untuk menemukan strategi layup terbaik dengan mengevaluasi respons bagian melalui kriteria mekanis (misalnya, perpindahan lokal, faktor geserling atau eigenfrekuensi).

Analisis desain ke biaya

Dalam langkah akhir ini, desainer dapat mengevaluasi biaya material bagian, termasuk limbah sisa, dan biaya manufaktur karena pemotongan dan montase ply. Memang, jumlah ply dan limbah material per ply adalah pengemudi biaya utama. Evaluasi cepat limbah akan segera tersedia di QSD, mengaktifkan nilai estimasi selama iterasi desain awal. Untuk iterasi akhir, setiap ply dapat diekspor untuk melakukan analisis nesting rinci pada perangkat lunak apa pun yang dipilih pengguna. Parameter untuk rumus evaluasi biaya bagian juga dapat disesuaikan oleh desainer jika diperlukan. Dengan cara ini, desainer dapat mengevaluasi berbagai strategi layup dan membandingkan limbah, kelayakan manufaktur, biaya dan kinerja mekanisnya.

Perhatikan bahwa QSD memungkinkan evaluasi penggunaan semua jenis produk setengah seperti pita dan kain terpaku atau cross-ply organosheet. Ini juga dapat mengevaluasi material daur ulang, seperti mat nonwoven yang terbuat dari serat karbon daur ulang oleh Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre dan lainnya, atau lembar termoformable yang terbuat dari scrap termoplastik menggunakan teknologi Thermosaï‡c Cetim atau proses serupa lainnya. Tentu, properti mekanis material tersebut akan diperlukan, tetapi setelah ditentukan, mereka dapat dengan mudah diinput ke dalam modul QSD, termasuk perpustakaan ply akhir/basis data stacking. Dengan cara ini, sisa dari bagian ini digunakan kembali dalam bagian ini untuk manufaktur loop tertutup tanpa limbah — tujuan ideal untuk semua manufaktur komposit dengan respecto keberlanjutan.

Alat untuk meningkatkan penggunaan komposit

QSD cocok untuk langkah awal proses desain karena cocok tidak hanya dengan proses QSP Cetim, tetapi dengan semua proses yang digunakan untuk membuat preform yang disesuaikan, terlepas dari tingkat otomatisasi (misalnya, penempatan pita otomatis, pemotongan otomatis dan layup tangan). Ini dirancang untuk membantu insinyur mengoptimalkan bagian mereka dan menghindari pilihan desain yang buruk di awal alur kerja desain.

Referensi:

[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.

Tentang penulis

Denis Espinassou adalah insinyur mekanik dan pemimpin proyek QSD. Dia bergabung dengan Cetim, institusi mekanik Prancis, pada 2010 sebagai spesialis desain dan optimasi struktur komposit termoplastik serat panjang. Dia juga bertanggung jawab atas pengembangan produk melalui pembuatan prototipe dan validasi mekanis.