Rekayasa desain bentuk awal yang disesuaikan
Banyak teknologi baru telah dikembangkan baru-baru ini untuk mengurangi waktu siklus dan biaya komposit, dengan tujuan meningkatkan penggunaan komposit dalam aplikasi otomotif, industri, dan barang konsumsi. Salah satu bidang pengembangan yang paling menjanjikan adalah dalam jalur produksi otomatis yang memotong dan menempatkan pita prepreg termoplastik untuk membentuk blanko yang disesuaikan, dan kemudian mengubahnya menjadi bagian-bagian menggunakan cetakan kompresi dan cetakan injeksi. Perusahaan yang aktif dalam pengembangan ini termasuk Airborne (Den Haag, Belanda), Van Wees UD dan Crossply Technology (Tilburg, Belanda) dan organisasi R&T manufaktur maju dan rekayasa Prancis, Cetim (Nantes, Prancis). Yang terakhir ini meluncurkan Quilted Stratum Process (QSP) pada tahun 2015. QSP dapat memproduksi bagian-bagian berbentuk kompleks dengan waktu-pulsa lini produksi 40-90 detik. Misalnya, menggunakan QSP, profil berbentuk omega yang dicetak menjadi balok berbentuk L mengintegrasikan 13 patch organosheet setebal 1,5, 2, dan 3 milimeter (prepreg termoplastik kain tenun) dan pita UD ke dalam bagian setebal 6 milimeter dengan waktu siklus kurang dari 77 detik per bagian.
Namun, untuk memanfaatkan teknologi otomatisasi seperti QSP, insinyur harus mengembangkan metode desain dan optimasi yang dapat mengevaluasi banyak kombinasi teoritis dari lapisan parsial dan variasi yang sesuai dalam jumlah, ketebalan, posisi dan komposisi lapisan (misalnya, jenis tulangan dan orientasi serat). Dengan pemikiran ini, Cetim telah menggabungkan pengalamannya dalam analisis struktural komposit, pengujian tak rusak (NDT) dan manufaktur dengan keahlian ONERA (The French Aerospace Lab) dalam metode optimasi canggih yang digunakan selama bertahun-tahun di industri kedirgantaraan. Hasilnya adalah QSD, sebuah alat yang sekarang tersedia di perangkat lunak HyperWorks computer-aided engineering (CAE) Altair Engineering (Troy, Mich., A.S.). Ini pada dasarnya adalah add-on pengoptimalan yang membantu merancang suku cadang komposit yang dibuat menggunakan proses berbasis pita dan organosheet serta untuk mengontrol biayanya, termasuk cara menggunakan kembali sisa produksi untuk pembuatan loop tertutup tanpa limbah.
Proses empat langkah
Metodologi QSD terdiri dari empat langkah:optimasi struktural, analisis pembentukan, identifikasi layup dan analisis desain-untuk-biaya (Gbr. 1). Masing-masing membantu perancang dengan cepat menguji apa yang dapat dilakukan dengan bahan masukan dan membuat keputusan yang tepat mengenai kendala mekanis dan manufaktur untuk mengendalikan biaya suku cadang. Add-on QSD dikembangkan dengan Altair untuk membuatnya dapat langsung digunakan oleh semua pengguna HyperWorks OptiStruct di lingkungan yang terkenal. Pengguna ini dapat memanfaatkan QSD tanpa mengembangkan model elemen hingga baru, menggunakan pengetahuan internal mereka yang sudah dikembangkan dengan perangkat lunak Altair.
Optimasi struktural
Pada langkah pertama proses QSD, bahan pita termoplastik dipilih dan propertinya — termasuk kekuatan, modulus, dan parameter standar lainnya — dimasukkan dari basis data pilihan perancang atau oleh basis data Multiscale Designer Altair tentang bahan komposit termoplastik anisotropik dan model mikromekanisnya. QSD menggunakan database ini dan HyperWorks Optistruct untuk menyelesaikan pengoptimalan "pencocokan kekakuan". Karena beberapa hasil dari analisis ini tidak mudah dibayangkan (misalnya, kekakuan anisotropik), QSD menyediakan berbagai cara untuk berinteraksi dengan data yang kompleks tetapi kaya, termasuk bidang variabel langsung atau hasil yang ditafsirkan seperti arah kekakuan utama atau plot kutub kekakuan (Gbr. 1). Semua tampilan ini menentukan respons mekanis yang sama, tetapi menawarkan tampilan yang disesuaikan menurut preferensi yang dipilih pengguna. Tujuannya adalah untuk membantu desainer memahami dan memvisualisasikan jalan ke depan untuk mencapai kinerja bagian yang diinginkan. Langkah ini adalah saat ketebalan dan massa dapat dioptimalkan, yang terakhir biasanya dikurangi hingga 50 persen dibandingkan bagian logam.
Analisis pembentukan
Langkah berikutnya membantu desainer membuat kompromi penting dengan terlebih dahulu meratakan bagian — mengonversi dari bentuk 3D ke lembar 2D — dengan alat Pengukur Drape dan kemudian melakukan partisi otomatis lembar ini dengan menggunakan algoritme pengelompokan. Tujuannya adalah untuk membuat evaluasi hubungan antara bentuk awal datar dan bagian akhir menjadi lebih sederhana dan lebih cepat. Tulang harapan otomotif ditunjukkan pada Gambar. 2 awalnya dibagi menjadi 300 zona, berdasarkan mesh elemen hingga dan hasil dari OptiStruct, tetapi jumlah itu dikurangi menjadi lima zona oleh QSD.
Perancang kemudian dapat meluruskan dan menghaluskan tepi setiap zona untuk meminimalkan pemborosan pada lapisan potong yang sesuai. Ini adalah langkah kunci, meningkatkan kelayakan manufaktur untuk mengendalikan biaya. Langkah ini juga menarik karena desainer dapat mengevaluasi pengaruh penyederhanaan ply dan bentuk pada kinerja mekanik bagian. Jika kompromi harus dibuat antara kinerja mekanis dan kemampuan manufaktur/memo/biaya bagian, langkah ini menyediakan data untuk evaluasi tersebut.
Identifikasi tata letak
Tujuan dalam langkah ini adalah untuk menentukan layup lokal terbaik untuk setiap zona dengan memilih dari database susun QSD, atau perpustakaan ply, yang dapat diperkaya dengan data khusus pengguna. Alat QSD membantu perancang untuk membuat sketsa lapisan bagian dan kemudian menguji untuk menemukan strategi layup terbaik dengan mengevaluasi respons bagian melalui kriteria mekanis (misalnya, perpindahan lokal, faktor tekuk, atau frekuensi eigen).
Desain hingga analisis biaya
Pada langkah terakhir ini, desainer dapat mengevaluasi biaya material suku cadang, termasuk limbah sisa, dan biaya produksinya karena pemotongan dan perakitan lapisan. Memang, jumlah lapisan dan limbah material per lapisan adalah pemicu biaya utama. Evaluasi pemborosan yang cepat akan segera tersedia di QSD, memungkinkan nilai estimasi selama iterasi desain awal. Untuk iterasi akhir, setiap lapisan dapat diekspor untuk melakukan analisis bersarang terperinci pada perangkat lunak apa pun yang disukai pengguna. Parameter untuk formula evaluasi biaya suku cadang juga dapat disesuaikan oleh perancang jika diperlukan. Dengan demikian, perancang dapat mengevaluasi berbagai strategi tata letak dan membandingkan pemborosan, kemampuan manufaktur, biaya, dan kinerja mekanisnya.
Perhatikan bahwa QSD memungkinkan evaluasi penggunaan semua jenis semi-produk seperti pita dan organosheet anyaman atau lapis silang. Itu juga dapat mengevaluasi bahan daur ulang, seperti tikar bukan tenunan yang terbuat dari serat karbon daur ulang dengan Konversi Karbon, Serat Karbon ELG dan lainnya, atau lembaran termoformable yang terbuat dari potongan termoplastik menggunakan teknologi Termos Cetim atau proses serupa lainnya. Tentu saja, sifat mekanik dari bahan tersebut akan dibutuhkan, tetapi setelah ditentukan, bahan tersebut dapat dengan mudah dimasukkan ke dalam modul QSD, termasuk perpustakaan lapis akhir/database susun. Dengan cara ini, skrap dari bagian ini digunakan kembali di bagian ini untuk pembuatan loop tertutup tanpa limbah — tujuan ideal untuk semua manufaktur komposit yang berkaitan dengan keberlanjutan.
Alat untuk meningkatkan penggunaan komposit
QSD cocok untuk langkah pertama proses desain karena tidak hanya cocok dengan proses QSP Cetim, tetapi dengan semua proses yang digunakan untuk membuat bentuk awal yang disesuaikan, terlepas dari tingkat otomatisasi (misalnya, penempatan pita otomatis, pemotongan otomatis, dan tata letak tangan ). Ini dirancang untuk membantu para insinyur mengoptimalkan bagian mereka dan menghindari pilihan desain yang buruk di awal alur kerja desain.
Referensi:
[1] “Metode desain baru untuk pembuatan komponen komposit yang cepat dan hemat biaya menggunakan Proses Lapisan Berlapis” François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.
Tentang penulis
Denis Espinassou adalah seorang insinyur mesin dan pemimpin proyek di QSD. Ia bergabung dengan Cetim, institut mekanik Prancis, pada 2010 sebagai spesialis desain dan optimalisasi struktur komposit termoplastik serat panjang. Dia juga bertanggung jawab atas pengembangan produk melalui pembuatan prototipe dan validasi mekanis.
