맞춤형 프리폼의 설계 엔지니어링

최근 자동차, 산업 및 소비재 응용 분야에서 복합 재료의 사용을 늘리는 것을 목표로 복합 재료의 사이클 시간과 비용을 줄이기 위해 많은 신기술이 개발되었습니다. 가장 유망한 개발 영역 중 하나는 열가소성 프리프레그 테이프를 절단 및 배치하여 맞춤형 블랭크를 형성한 다음 압축 성형 및 사출 오버몰딩을 사용하여 부품으로 변환하는 자동화 생산 라인입니다. 이 개발에 참여하는 회사에는 Airborne(네덜란드 헤이그), Van Wees UD 및 Crossply Technology(네덜란드 틸부르크), 프랑스 엔지니어링 및 첨단 제조 R&T 조직인 Cetim(프랑스 낭트)이 있습니다. 후자는 2015년에 Quilted Stratum Process(QSP)를 공개했습니다. QSP는 40-90초의 생산 라인 펄스 시간으로 복잡한 모양의 부품을 생산할 수 있습니다. 예를 들어, QSP를 사용하여 L자형 빔으로 성형된 오메가형 프로파일은 1.5mm, 2mm 및 3mm 두께의 오가노시트(직물 열가소성 프리프레그)와 UD 테이프의 13개 패치를 6mm 두께의 부품으로 통합합니다. 부품당 사이클 시간이 77초 미만입니다.

그러나 QSP와 같은 자동화 기술을 활용하려면 엔지니어는 부분 플라이의 많은 이론적 조합과 플라이의 수, 두께, 위치 및 구성(예:보강 유형 및 섬유 방향). 이를 염두에 두고 Cetim은 항공우주 산업에서 수년간 사용된 고급 최적화 방법에 대한 ONERA(프랑스 항공우주 연구소)의 전문 지식과 복합 재료 구조 분석, 비파괴 테스트(NDT) 및 제조 경험을 결합했습니다. 그 결과 Altair Engineering(미국 미시간주 트로이)의 HyperWorks CAE(컴퓨터 지원 엔지니어링) 소프트웨어에서 사용할 수 있는 도구인 QSD가 탄생했습니다. 기본적으로 테이프 및 유기 시트 기반 프로세스를 사용하여 만든 복합 부품을 설계하고 폐기물이 없는 폐쇄 루프 제조를 위해 생산 스크랩을 재사용하는 방법을 포함하여 비용을 관리하는 데 도움이 되는 최적화 추가 기능입니다.

4단계 프로세스

QSD 방법론은 구조 최적화, 형상 분석, 레이업 식별 및 설계 대 비용 분석의 4단계로 구성됩니다(그림 1). 이들 각각은 설계자가 입력 재료로 수행할 수 있는 작업을 신속하게 테스트하고 부품 비용을 제어하기 위해 기계 및 제조 제약 조건과 관련하여 올바른 결정을 내리는 데 도움이 됩니다. QSD 애드온은 잘 알려진 환경에서 모든 HyperWorks OptiStruct 사용자가 직접 사용할 수 있도록 Altair와 함께 개발되었습니다. 이러한 사용자는 Altair 소프트웨어로 이미 개발된 내부 노하우를 사용하여 새로운 유한 요소 모델을 개발하지 않고도 QSD를 활용할 수 있습니다.

구조 최적화

QSD 프로세스의 첫 번째 단계에서 열가소성 테이프 재료가 선택되고 강도, 모듈러스 및 기타 표준 매개변수를 포함한 해당 속성이 디자이너가 선택한 데이터베이스 또는 알테어의 이방성 열가소성 복합 재료 및 미세 기계 모델의 멀티스케일 디자이너 데이터베이스에서 입력됩니다. QSD는 이 데이터베이스와 HyperWorks Optistruct를 사용하여 "강성 일치" 최적화를 완료합니다. 이 분석의 결과 중 일부는 쉽게 상상할 수 없기 때문에(예:이방성 강성) QSD는 직접 변수 필드 또는 주요 강성 방향 또는 강성 극좌표(그림 1). 이러한 모든 디스플레이는 동일한 기계적 응답을 정의하지만 사용자가 선택한 기본 설정에 따라 맞춤형 보기를 제공합니다. 목표는 설계자가 원하는 부품 성능을 달성하기 위한 경로를 이해하고 시각화하도록 돕는 것입니다. 이 단계에서 두께와 질량을 최적화할 수 있으며, 후자는 일반적으로 금속 부품에 비해 최대 50%까지 감소됩니다.

형상 분석

다음 단계에서는 설계자가 드레이프 추정 도구를 사용하여 먼저 부품을 평평하게 하고(3D 모양에서 2D 시트로 변환) 클러스터링 알고리즘을 사용하여 이 시트의 자동 분할을 수행하여 본질적인 절충안을 만드는 데 도움이 됩니다. 목표는 플랫 프리폼과 최종 부품 간의 연결 평가를 더 간단하고 빠르게 만드는 것입니다. 그림 2에 표시된 자동차 위시본 유한 요소 메쉬와 OptiStruct의 결과를 기반으로 원래 300개 영역으로 분할되었지만 QSD에 의해 그 숫자가 5개 영역으로 줄었습니다.

그런 다음 설계자는 해당 절단 플라이의 낭비를 최소화하기 위해 각 구역의 가장자리를 곧게 펴고 매끄럽게 할 수 있습니다. 이것은 비용을 통제하기 위해 제조 가능성을 개선하는 핵심 단계입니다. 이 단계는 설계자가 부품의 기계적 성능에 대한 플라이 및 형상 단순화의 영향을 평가할 수 있기 때문에 흥미롭습니다. 기계적 성능과 부품 제조 가능성/폐기물/비용 간에 타협이 이루어지면 이 단계에서 해당 평가를 위한 데이터를 제공합니다.

레이업 식별

이 단계의 목표는 사용자별 데이터로 보강할 수 있는 QSD 스태킹 데이터베이스 또는 플라이 라이브러리에서 선택하여 각 영역에 대한 최상의 로컬 레이업을 결정하는 것입니다. QSD 도구는 설계자가 부품 플라이를 스케치한 다음 기계적 기준(예:국부 변위, 좌굴 계수 또는 고유진동수)을 통해 부품 응답을 평가하여 최상의 레이업 전략을 찾기 위해 테스트하는 데 도움이 됩니다.

설계 비용 분석

이 마지막 단계에서 설계자는 스크랩 폐기물을 포함한 부품의 재료 비용과 플라이 절단 및 조립으로 인한 제조 비용을 평가할 수 있습니다. 실제로 플라이 수와 플라이당 재료 낭비가 주요 비용 동인입니다. 폐기물에 대한 빠른 평가는 QSD에서 곧 제공되어 초기 설계 반복 중에 추정된 값을 가능하게 합니다. 최종 반복의 경우 각 플라이를 내보내 사용자가 선호하는 소프트웨어에 대한 자세한 중첩 분석을 수행할 수 있습니다. 부품의 비용 평가 공식에 대한 매개변수는 필요한 경우 설계자가 사용자 정의할 수도 있습니다. 따라서 설계자는 다양한 적층 전략을 평가하고 폐기물, 제조 가능성, 비용 및 기계적 성능을 비교할 수 있습니다.

QSD를 사용하면 테이프 및 직조 또는 크로스 플라이 오가노시트와 같은 모든 종류의 반제품 사용을 평가할 수 있습니다. 또한 Carbon Conversions, ELG Carbon Fiber 등의 재활용 탄소 섬유로 만든 부직포 매트 또는 Cetim의 Thermosaïc 기술 또는 기타 유사한 공정을 사용하여 열가소성 스크랩으로 만든 열성형 시트와 같은 재활용 재료를 평가할 수 있습니다. 물론 이러한 재료의 기계적 특성이 필요하지만 일단 결정되면 최종 플라이 라이브러리/스태킹 데이터베이스를 포함하여 QSD 모듈에 쉽게 입력할 수 있습니다. 이러한 방식으로 이 부품의 스크랩은 폐기물이 없는 폐쇄 루프 제조를 위해 이 부품에 다시 사용됩니다. 이는 지속 가능성과 관련하여 모든 복합 재료 제조에 이상적인 목표입니다.

복합체 사용 증가를 위한 도구

QSD는 Cetim의 QSP 공정뿐 아니라 자동화 정도에 관계없이 맞춤형 프리폼을 만드는 데 사용되는 모든 공정(예:자동 테이프 배치, 자동 절단 및 수동 레이업)에 적합하기 때문에 설계 공정의 첫 번째 단계에 적합합니다. ). 엔지니어가 부품을 최적화하고 설계 워크플로 초기에 잘못된 설계 선택을 방지할 수 있도록 설계되었습니다.

참조:

[1] "Quilted Stratum Process를 사용하는 복합 부품의 빠르고 비용 효율적인 제조를 위한 새로운 설계 방법" François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

저자 소개

Denis Espinassou는 QSD의 기계 엔지니어이자 프로젝트 리더입니다. 그는 2010년에 프랑스 기계 연구소인 Cetim에 장섬유 열가소성 복합 구조의 설계 및 최적화 전문가로 합류했습니다. 그는 또한 프로토타입 제조 및 기계적 검증을 통한 제품 개발을 담당하고 있습니다.