Ingénierie de conception de préformes sur mesure

De nombreuses nouvelles technologies ont été développées récemment pour réduire le temps de cycle et le coût des composites, dans le but d'augmenter l'utilisation des composites dans les applications automobiles, industrielles et de biens de consommation. L'un des domaines de développement les plus prometteurs concerne les lignes de production automatisées qui coupent et placent du ruban thermoplastique préimprégné pour former des ébauches sur mesure, puis les convertissent en pièces à l'aide de moulage par compression et de surmoulage par injection. Les entreprises actives dans ce développement incluent Airborne (La Haye, Pays-Bas), Van Wees UD et Crossply Technology (Tilburg, Pays-Bas) et l'organisation française de R&T d'ingénierie et de fabrication de pointe Cetim (Nantes, France). Ce dernier a dévoilé son Quilted Stratum Process (QSP) en 2015. QSP peut produire des pièces de forme complexe avec un temps d'impulsion de la ligne de production de 40 à 90 secondes. Par exemple, en utilisant QSP, un profilé en forme d'oméga moulé dans une poutre en forme de L intègre 13 patchs de feuille organique de 1,5, 2 et 3 millimètres d'épaisseur (tissu thermoplastique préimprégné) et du ruban UD dans une pièce de 6 millimètres d'épaisseur avec un temps de cycle inférieur à 77 secondes par pièce.

Cependant, pour tirer parti des technologies d'automatisation telles que QSP, les ingénieurs doivent développer des méthodes de conception et d'optimisation capables d'évaluer de nombreuses combinaisons théoriques de plis partiels et la variation correspondante du nombre, de l'épaisseur, de la position et de la composition des plis (par exemple, le type de renfort et orientation des fibres). Dans cette optique, le Cetim a combiné son expérience dans l'analyse structurale des composites, les contrôles non destructifs (CND) et la fabrication avec l'expertise de l'ONERA (The French Aerospace Lab) dans les méthodes d'optimisation avancées utilisées depuis des années dans l'industrie aérospatiale. Le résultat est QSD, un outil désormais disponible dans le logiciel d'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) HyperWorks d'Altair Engineering (Troy, Michigan, États-Unis). Il s'agit essentiellement d'un module complémentaire d'optimisation qui aide à concevoir des pièces composites fabriquées à l'aide de processus basés sur des bandes et des feuilles organiques et à contrôler leur coût, y compris la façon de réutiliser les déchets de production pour une fabrication en boucle fermée zéro déchet.

Processus en quatre étapes

La méthodologie QSD comprend quatre étapes :l'optimisation structurelle, l'analyse de mise en forme, l'identification du drapage et l'analyse de la conception au coût (Fig. 1). Chacun d'eux aide le concepteur à tester rapidement ce qui peut être fait avec les matériaux d'entrée et à prendre les bonnes décisions concernant les contraintes mécaniques et de fabrication pour contrôler le coût des pièces. Le module complémentaire QSD a été développé avec Altair pour le rendre directement utilisable par tous les utilisateurs HyperWorks OptiStruct dans un environnement bien connu. Ces utilisateurs peuvent tirer parti de QSD sans développer de nouveaux modèles d'éléments finis, en utilisant leur savoir-faire interne déjà développé avec le logiciel Altair.

Optimisation structurelle

Dans la première étape du processus de QSD, les matériaux de bande thermoplastique sont sélectionnés et leurs propriétés - y compris la résistance, le module et d'autres paramètres standard - sont entrées à partir de la base de données sélectionnée par le concepteur ou par la base de données Multiscale Designer d'Altair sur les matériaux composites thermoplastiques anisotropes et leurs modèles micromécaniques. QSD utilise cette base de données et HyperWorks Optistruct pour effectuer une optimisation de « correspondance de rigidité ». Étant donné que certains des résultats de cette analyse ne sont pas facilement envisageables (par exemple, la rigidité anisotrope), QSD offre une variété de façons d'interagir avec les données complexes mais riches, y compris des champs de variables directes ou des résultats interprétés tels que les directions principales de rigidité ou un tracé polaire de rigidité (Fig. 1). Tous ces écrans définissent la même réponse mécanique, mais offrent des vues personnalisées en fonction des préférences sélectionnées par l'utilisateur. L'objectif est d'aider les concepteurs à comprendre et à visualiser la voie à suivre pour atteindre les performances de pièce souhaitées. C'est à cette étape que l'épaisseur et la masse peuvent être optimisées, ces dernières étant généralement réduites jusqu'à 50 % par rapport aux pièces métalliques.

Analyse de mise en forme

L'étape suivante aide les concepteurs à faire des compromis essentiels en aplatissant d'abord la pièce - en passant d'une forme 3D à une feuille 2D - avec l'outil Drape Estimator, puis en effectuant une partition automatique de cette feuille à l'aide d'un algorithme de clustering. L'objectif est de rendre l'évaluation du lien entre préforme plane et pièce finale plus simple et plus rapide. Le triangle de suspension automobile illustré à la Fig. 2 était à l'origine divisé en 300 zones, sur la base du maillage des éléments finis et des résultats d'OptiStruct, mais ce nombre a été réduit à cinq zones par QSD.

Le concepteur peut alors redresser et lisser les bords de chaque zone pour minimiser les déchets dans les plis coupés correspondants. Il s'agit d'une étape clé pour améliorer la faisabilité de fabrication afin de maîtriser les coûts. Cette étape est également intéressante car le concepteur peut évaluer l'influence de la simplification du pli et de la forme sur les performances mécaniques de la pièce. Si des compromis doivent être faits entre les performances mécaniques et la fabricabilité/la mise au rebut/le coût des pièces, cette étape fournit les données pour cette évaluation.

Identification de la superposition

L'objectif de cette étape est de déterminer le meilleur layup local pour chaque zone en sélectionnant dans une base de données d'empilement QSD, ou bibliothèque de plis, qui peut être enrichie par des données spécifiques à l'utilisateur. L'outil QSD aide le concepteur à esquisser les plis de la pièce, puis à tester pour trouver la meilleure stratégie de drapage en évaluant la réponse de la pièce via des critères mécaniques (par exemple, déplacement local, facteur de flambement ou fréquence propre).

Analyse de la conception au coût

Dans cette dernière étape, les concepteurs peuvent évaluer le coût matière de la pièce, y compris les déchets de rebut, et son coût de fabrication dû à la découpe et à l'assemblage des plis. En effet, le nombre de plis et les déchets de matière par pli sont les principaux inducteurs de coûts. Une évaluation rapide des déchets sera bientôt disponible dans QSD, permettant d'estimer les valeurs lors des premières itérations de conception. Pour les itérations finales, chaque pli peut être exporté pour effectuer une analyse détaillée de l'imbrication sur le logiciel préféré de l'utilisateur. Les paramètres de la formule d'évaluation des coûts de la pièce peuvent également être personnalisés par le concepteur si nécessaire. Ainsi, le concepteur peut évaluer diverses stratégies de drapage et comparer leurs déchets, leur aptitude à la fabrication, leur coût et leurs performances mécaniques.

A noter que QSD permet d'évaluer l'utilisation de toutes sortes de semi-produits tels que les rubans et les organosheet tissés ou croisés. Il peut également évaluer des matériaux recyclés, tels que des tapis non tissés fabriqués à partir de fibre de carbone recyclée par Carbon Conversions, ELG Carbon Fiber et autres, ou des feuilles thermoformables fabriquées à partir de chutes thermoplastiques utilisant la technologie Thermosaïc du Cetim ou d'autres procédés similaires. Bien sûr, les propriétés mécaniques de ces matériaux seraient nécessaires, mais une fois déterminées, elles pourraient être facilement entrées dans les modules QSD, y compris la bibliothèque de plis/base de données d'empilement finale. De cette façon, les déchets de cette pièce sont réutilisés dans cette pièce pour une fabrication en boucle fermée zéro déchet - un objectif idéal pour toute fabrication de composites en ce qui concerne la durabilité.

Outil pour une utilisation accrue des composites

QSD est adapté aux premières étapes du processus de conception car il s'adapte non seulement au processus QSP du Cetim, mais à tous les processus utilisés pour créer des préformes sur mesure, quel que soit le degré d'automatisation (par exemple, placement de ruban automatisé, découpe automatisée et drapage manuel ). Il est conçu pour aider les ingénieurs à optimiser leurs pièces et à éviter les mauvais choix de conception au début du flux de travail de conception.

Référence :

[1] « Une nouvelle méthode de conception pour la fabrication rapide et rentable de pièces composites utilisant le procédé de strate matelassée » François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

À propos de l'auteur

Denis Espinassou est ingénieur en mécanique et chef de projet sur QSD. Il rejoint le Cetim, l'institut français de mécanique, en 2010 en tant que spécialiste de la conception et de l'optimisation des structures composites thermoplastiques à fibres longues. Il est également en charge du développement produit via la fabrication de prototypes et la validation mécanique.