Préformes sur mesure : Automatisation de pointe dans la fabrication de composites thermoplastiques

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 biens de consommation. L'un des domaines de développement les plus prometteurs est dans les lignes de production automatisées qui coupent et placent des bandes de préimprégné thermoplastique pour former des blancs sur mesure, et les convertissent ensuite en pièces en utilisant le moulage par compression et le surmoulage par injection. Les entreprises actives dans ce développement incluent Airborne (La Haye, Pays-Bas), Van Wees UD et Crossply Technology (Tilbourg, Pays-Bas) et l'organisation française d'ingénierie et R&T de fabrication avancée Cetim (Nantes, France). Cette dernière a dévoilé son Quilted Stratum Process (QSP) en 2015. Le QSP peut produire des pièces de forme complexe avec un temps de pulsation de ligne de production de 40-90 secondes. Par exemple, en utilisant QSP, un profilé oméga moulé dans une poutre en L intègre 13 patches d'organosheet (préimprégné tissu tissé thermoplastique) et bande UD de 1,5-, 2- et 3-millimètres d'épaisseur dans une pièce de 6 millimètres d'épaisseur avec un temps de cycle de moins de 77 secondes par pièce.

Cependant, pour tirer parti de la technologie d'automatisation telle que QSP, les ingénieurs doivent développer des méthodes de design et d'optimisation qui peuvent évaluer de nombreuses combinaisons théoriques de plis partiels et la variation correspondante dans le nombre, l'épaisseur, la position et la composition des plis (par exemple, type de renforcement et orientation de fibres). Avec cela à l'esprit, Cetim a combiné son expérience en analyse structurelle composites, essais non destructifs (END) et fabrication avec l'expertise d'ONERA (Le Laboratoire Aérospatial Français) en méthodes d'optimisation avancées utilisées depuis des années dans l'industrie aérospatiale. Le résultat est QSD, un outil maintenant disponible dans le logiciel de CAO HyperWorks d'Altair Engineering (Troy, Mich., États-Unis). C'est essentiellement un add-on d'optimisation qui aide à concevoir des pièces composites faites en utilisant des procédés basés sur bandes et organosheets et à contrôler leur coût, incluant comment réutiliser les rebuts de production pour une fabrication en boucle fermée zéro déchet.

Processus en quatre étapes

La méthodologie QSD comprend quatre étapes : optimisation structurelle, analyse de formage, identification du drapage et analyse design-to-cost (Fig. 1). Chacune de ces étapes 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 de la pièce. L'add-on 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 QSD, les matériaux de bandes thermoplastiques sont sélectionnés et leurs propriétés — incluant résistance, module et autres paramètres standards — sont entrées depuis la base de données sélectionnée par le concepteur ou par la base de données Multiscale Designer d'Altair de matériaux composites thermoplastiques anisotropes et leurs modèles micromécaniques. QSD utilise cette base de données et HyperWorks Optistruct pour compléter une optimisation de « correspondance de rigidité ». Parce que certains des résultats de cette analyse ne sont pas facilement envisageables (par exemple, rigidité anisotrope), QSD fournit une variété de façons d'interagir avec les données complexes mais riches, incluant champs de variables directs ou résultats interprétés tels que les directions principales de rigidité ou un diagramme polaire de rigidité (Fig. 1). Tous ces affichages définissent la même réponse mécanique, mais offrent des vues adaptées selon les préférences sélectionnées par l'utilisateur. L'objectif est d'aider les concepteurs à comprendre et visualiser la voie à suivre pour atteindre la performance de pièce désirée. Cette étape est où l'épaisseur et la masse peuvent être optimisées, cette dernière typiquement réduite jusqu'à 50 pour cent versus pièces métalliques.

Analyse de formage

L'étape suivante aide les concepteurs à faire des compromis essentiels en aplatissant d'abord la pièce — conversion de forme 3D à feuille 2D — avec l'outil Drape Estimator et puis en effectuant une partition automatique de cette feuille en utilisant un algorithme de clustering. L'objectif est de rendre l'évaluation du lien entre préforme plate et pièce finale plus simple et plus rapide. Le bras de suspension automobile montré dans Fig. 2 était originellement divisé en 300 zones, basé sur le maillage éléments finis et 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 le gaspillage dans les plis correspondants découpés. C'est une étape clé, améliorant la faisabilité de fabrication afin de contrôler le coût. Cette étape est aussi intéressante parce que le concepteur peut évaluer l'influence de la simplification du pli et de la forme sur la performance mécanique de la pièce. Si des compromis doivent être faits entre performance mécanique et fabricabilité/gaspillage/coût de la pièce, cette étape fournit les données pour cette évaluation.

Identification du drapage

Le but dans cette étape est de déterminer le meilleur drapage local pour chaque zone en sélectionnant depuis 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 et puis 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 flambage ou fréquence propre).

Analyse design-to-cost

Dans cette étape finale, les concepteurs peuvent évaluer le coût matériel de la pièce, incluant le gaspillage de rebut, et son coût de fabrication dû à la découpe et l'assemblage des plis. En effet, le nombre de plis et le gaspillage matériel par pli sont les principaux moteurs de coût. Une évaluation rapide du gaspillage sera bientôt disponible dans QSD, permettant des valeurs estimées pendant les itérations de design initiales. Pour les itérations finales, chaque pli peut être exporté pour effectuer une analyse de nesting détaillée sur le logiciel que l'utilisateur préfère. Les paramètres pour la formule d'évaluation de coût de la pièce peuvent aussi être personnalisés par le concepteur si nécessaire. Ainsi, le concepteur peut évaluer diverses stratégies de drapage et comparer leur gaspillage, fabricabilité, coût et performance mécanique.

Notez que QSD permet l'évaluation de l'utilisation de toutes sortes de semi-produits tels que bande et organosheet tissé ou croisé. Il peut aussi évaluer des matériaux recyclés, tels que nattes non-tissées faites de fibre de carbone recyclée par Carbon Conversions, ELG Carbon Fibre et autres, ou feuille thermoformable faite de rebuts thermoplastiques en utilisant la technologie Thermosaïc de Cetim ou autres processus similaires. Bien sûr, les propriétés mécaniques de tels matériaux seraient nécessaires, mais une fois déterminées, elles pourraient être facilement entrées dans les modules QSD, incluant la bibliothèque de plis/final stacking database. De cette façon, le rebut de cette pièce est réutilisé dans cette pièce pour une fabrication en boucle fermée zéro déchet — un objectif idéal pour toute fabrication de composites en matière de durabilité.

Outil pour une utilisation accrue des composites

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

Référence :

[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.

À propos de l'auteur

Denis Espinassou est un ingénieur mécanique et chef de projet sur QSD. Il a rejoint Cetim, l'institut mécanique français, en 2010 comme spécialiste du design et optimisation de structures composites thermoplastiques à fibres longues. Il est aussi en charge du développement produit par fabrication de prototypes et validation mécanique.