調整されたプリフォームの設計エンジニアリング

自動車、工業、消費財の用途での複合材料の使用を増やすことを目的として、複合材料のサイクルタイムとコストを削減するために、最近多くの新しい技術が開発されました。開発の最も有望な分野の1つは、熱可塑性プリプレグテープを切断して配置し、テーラードブランクを形成し、圧縮成形と射出オーバーモールドを使用してこれらを部品に変換する自動生産ラインです。この開発に積極的な企業には、Airborne（オランダ、ハーグ）、Van WeesUDおよびCrossplyTechnology（オランダ、ティルブルグ）、フランスのエンジニアリングおよび高度な製造R＆T組織であるCetim（フランス、ナント）が含まれます。後者は2015年にQuiltedStratum Process（QSP）を発表しました。QSPは、40〜90秒の生産ラインパルス時間で複雑な形状の部品を生産できます。たとえば、QSPを使用して、L字型のビームに成形されたオメガ型のプロファイルは、1.5、2、3ミリメートルの厚さの有機シート（織物の熱可塑性プリプレグ）とUDテープの13個のパッチを6ミリメートルの厚さの部品に統合しますパーツあたり77秒未満のサイクルタイムで。

ただし、QSPなどの自動化技術を利用するには、エンジニアは、部分的な層の多くの理論的な組み合わせと、それに対応する層の数、厚さ、位置、構成の変化（たとえば、補強タイプや繊維配向）。このことを念頭に置いて、Cetimは、複合材料構造解析、非破壊検査（NDT）、製造の経験と、航空宇宙産業で長年使用されてきた高度な最適化手法におけるONERA（フランス航空宇宙研究所）の専門知識を組み合わせました。その結果がQSDです。これは、Altair Engineering（米国ミシガン州トロイ）のHyperWorksコンピュータ支援エンジニアリング（CAE）ソフトウェアで利用できるようになったツールです。これは基本的に最適化アドオンであり、テープベースおよびオルガノシートベースのプロセスを使用して作成された複合部品を設計し、ゼロウェイストの閉ループ製造に生産スクラップを再利用する方法など、コストを管理するのに役立ちます。

4ステップのプロセス

QSD手法は、構造最適化、成形分析、レイアップ識別、および設計からコストへの分析の4つのステップで構成されます（図1）。これらはそれぞれ、設計者が入力材料で何ができるかをすばやくテストし、部品コストを制御するための機械的および製造上の制約に関して正しい決定を下すのに役立ちます。 QSDアドオンはAltairを使用して開発され、よく知られた環境ですべてのHyperWorksOptiStructユーザーが直接使用できるようになっています。これらのユーザーは、Altairソフトウェアですでに開発された内部ノウハウを使用して、新しい有限要素モデルを開発することなくQSDを利用できます。

構造最適化

QSDのプロセスの最初のステップでは、熱可塑性テープ材料が選択され、強度、弾性率、その他の標準パラメータなどのプロパティが、設計者が選択したデータベースから、または異方性熱可塑性複合材料とそのマイクロメカニカルモデルのAltairのMultiscaleDesignerデータベースから入力されます。 QSDは、このデータベースとHyperWorks Optistructを使用して、「剛性マッチング」の最適化を完了します。この解析の結果の一部（異方性剛性など）は容易に想定できないため、QSDは、直接変数フィールドや主剛性方向などの解釈結果など、複雑で豊富なデータと対話するためのさまざまな方法を提供します。剛性極座標プロット（図1）。これらのディスプレイはすべて同じ機械的応答を定義しますが、ユーザーが選択した設定に応じて調整されたビューを提供します。目標は、設計者が目的の部品性能を達成するための道筋を理解し、視覚化できるようにすることです。このステップでは、厚さと質量を最適化できます。後者は通常、金属部品と比較して最大50％削減されます。

形状分析

次のステップは、最初にDrape Estimatorツールを使用してパーツを平坦化し（3D形状から2Dシートに変換）、次にクラスタリングアルゴリズムを使用してこのシートの自動パーティションを実行することにより、設計者が本質的な妥協点を見つけるのに役立ちます。目標は、フラットプリフォームと最終部品の間のリンクの評価をより簡単かつ迅速にすることです。図2に示す自動車用ウィッシュボーン 有限要素メッシュとOptiStructの結果に基づいて、元々300のゾーンに分割されていましたが、QSDによってその数は5つのゾーンに削減されました。

次に、設計者は各ゾーンのエッジをまっすぐにして滑らかにし、対応するカットプライの無駄を最小限に抑えることができます。これは重要なステップであり、コストを管理するために製造の実現可能性を向上させます。このステップは、設計者が部品の機械的性能に対する層と形状の単純化の影響を評価できるため、興味深いものです。機械的性能と部品の製造可能性/スクラップ/コストの間で妥協する必要がある場合、このステップはその評価のためのデータを提供します。

レイアップの識別

このステップの目的は、QSDスタッキングデータベースまたはプライライブラリから選択することにより、各ゾーンに最適なローカルレイアップを決定することです。これは、ユーザー固有のデータで強化できます。 QSDツールは、設計者が部品の層をスケッチし、機械的基準（たとえば、局所変位、座屈係数、固有周波数）を介して部品の応答を評価することにより、最適なレイアップ戦略を見つけるためにテストするのに役立ちます。

デザインツーコスト分析

この最後のステップで、設計者は、スクラップ廃棄物を含む部品の材料費と、プライの切断と組み立てによる製造コストを評価できます。実際、プライの数とプライあたりの材料廃棄物が主なコスト要因です。廃棄物の迅速な評価がQSDでまもなく利用可能になり、初期の設計反復中に推定値が可能になります。最終的な反復では、各プライをエクスポートして、ユーザーが好むソフトウェアで詳細なネスティング分析を実行できます。部品のコスト評価式のパラメータは、必要に応じて設計者がカスタマイズすることもできます。したがって、設計者はさまざまなレイアップ戦略を評価し、それらの廃棄物、製造可能性、コスト、および機械的性能を比較できます。

QSDを使用すると、テープや織物またはクロスプライの有機シートなど、あらゆる種類の半製品の使用を評価できます。また、Carbon Conversions、ELG Carbon Fiberなどによってリサイクルされた炭素繊維から作られた不織布マットや、CetimのThermosaïcテクノロジーまたは他の同様のプロセスを使用して熱可塑性スクラップから作られた熱成形可能なシートなどのリサイクル材料を評価することもできます。もちろん、そのような材料の機械的特性が必要になりますが、一度決定されると、最終的なプライライブラリ/スタッキングデータベースを含むQSDモジュールに簡単に入力できます。このように、この部品からのスクラップは、ゼロウェイストの閉ループ製造のためにこの部品に戻されます。これは、持続可能性に関するすべての複合材料製造の理想的な目標です。

コンポジットの使用を増やすためのツール

QSDは、CetimのQSPプロセスだけでなく、自動化の程度に関係なく、カスタマイズされたプリフォームを作成するために使用されるすべてのプロセス（たとえば、自動テープ配置、自動切断、ハンドレイアップ）に適合するため、設計プロセスの最初のステップに適しています。 ）。これは、エンジニアが部品を最適化し、設計ワークフローの早い段階で不適切な設計選択を回避できるように設計されています。

参照：

[1]「キルティング層プロセスを使用した複合部品の迅速で費用効果の高い製造のための新しい設計方法」François-XavierIrisarri、Terence Macquart、CédricJulien、DenisEspinassou。

作者について

Denis Espinassouは、QSDの機械エンジニアおよびプロジェクトリーダーです。彼は、長繊維熱可塑性複合構造の設計と最適化のスペシャリストとして、2010年にフランスの機械研究所であるCetimに加わりました。彼はまた、プロトタイプの製造と機械的検証を通じて製品開発を担当しています。