CAD dla wyrobów kompozytowych

Konstrukcje kompozytowe od lat zajmują ważne miejsce w wielu gałęziach przemysłu – elementy samolotów, jachtów, samochodów, zbiorniki… Długo można wymieniać zastosowania laminatów. O wiele krótsza jest lista wyspecjalizowanych aplikacji wspomagających pracę inżynierów-projektantów, zajmujących się wyrobami z laminatów. Jednym z rozwiązań, które uwzględniają tę specyficzną branżę, jest system CATIA produkowany przez Dassault Systemes

DEFINICJA stref (liczba warstw), możliwe kształty arkuszy i układy – definicje reguł składania

Specyfika projektowania wyrobów kompozytowych obejmuje kilka zagadnień. Zaprojektowanie bryły przedmiotu i umieszczenie na rysunkach opisów dotyczących laminowania to najczęściej obecnie spotykana metodologia pracy – warstwy nakładane są do osiągnięcia zadanej grubości w odpowiednich miejscach, z uwzględnieniem kierunku włókien – jednak najczęściej po prostu respektuje się zasadę, że (pomijając wyroby o „kierunkowym” charakterze) włókna mają się w kolejnych warstwach krzyżować.

Filozofia przygotowania projektu i dokumentacji wyrobu kompozytowego zakłada podział procesu na dwa etapy: projektowanie (Engineering) i przygotowanie produkcji (Manufacturing).

Przygotowanie projektu – CPE, CPD (Composites Engineering, Composites Design)

Etap ten obejmuje definicję tzw. stref, czyli obszarów, które między sobą różnią się sposobem zbrojenia. Obejmuje ona ilość warstw, rodzaj zbrojenia i kierunek układania. Strefy oparte są na powierzchni, która odpowiada powierzchni projektowanego przedmiotu – np. kadłubowi łodzi. Użytkownik ma możliwość ustalenia tzw. reguł składania (definicja stref pozwala na różne układy arkuszy zbrojenia), z których wynikają kształty, liczba arkuszy i układ warstw. Ustalane są przenikania między strefami, a także ich wpływ na kształt poszczególnych arkuszy.

System wykrywa granice stref, których przenikania nie określono, i zwraca uwagę na możliwość wystąpienia zjawiska delaminacji. Informacje te pozwalają na automatyczne stworzenie dokumentacji procesu, obejmującej wykaz i opis poszczególnych arkuszy, przypisanie ich do odpowiedniej warstwy (poziomu) w produkcie i określenie kolejności układania arkuszy w formie. System na tym etapie tworzy kompletną dokumentację arkuszy, uwzględniającą tzw. pełne płaty (te, które nie wychodzą poza granicę strefy), linie przenikania, kształty wykrojów (z uwzględnieniem stopniowania arkuszy w miejscach przenikania stref).

Warto zaznaczyć, że projekt jest asocjatywny z makietą 3D, w kontekście której powstał – modyfikacja pierwotnej powierzchni pociąga za sobą zmianę dokumentacji arkuszy. Możliwa jest wizualizacja poszczególnych elementów zbrojenia w środowisku 3D, jak i wykonanie, które opiera się na dokumentacji rysunkowej. System pozwala też na wykonanie raportu i zestawienia wszystkich arkuszy w produkcie, a także uwzględnić instalację różnego rodzaju wkładek.

Przygotowanie produkcji – CPM (Composites Design for Manufacturing)

Oczywiście, podstawą dla dokumentacji produkcyjnej jest model przygotowany w modułach CPE i CPD. Rozróżnienie dwóch środowisk wynika ze specyfiki produktów laminatowych – efekt skurczu, częsta konieczność używania naddatków. Zjawiska te każą rozdzielić proces projektowy od produkcyjnego – o ile pierwszy skupia się na wyrobie gotowym, finalnym, o tyle drugi analizuje proces „wstecz” – pozwalajac określić parametry początkowe. W efekcie mamy do czynienia z powierzchniami i krawędziami dwojakiego rodzaju: projektowymi (które odpowiadają produktowi gotowemu) i produkcyjnymi (reprezentującymi stan wyjściowy, a więc krawędzie wycinanych arkuszy i powierzchnię rzeczywistą formy).

Ważnym krokiem w procesie jest kontrola wykonalności. Trzeba zwrócić uwagę na możliwość ułożenia maty lub tkaniny na powierzchniach innych niż płaskie – materiały zbrojenia mają pewną odkształcalność, ma ona jednak swoje granice. Dzięki analizie można przed rozpoczęciem fizycznej realizacji projektu wskazać miejsca, którym należy poświęcić więcej uwagi bądź wręcz je zmodyfikować, w celu uniknięcia lokalnych „zakładek”.

Kolejny krok to wykonanie ostatecznych rozkrojów arkuszy poszycia. Dodatkowe możliwości w tym względzie to np. transfer geometrii (linii, punktów) z 2D na 3D i odwrotnie, dzięki czemu można umieścić na arkuszu, np.: linie połączeń, punkty kontrolne itp.

Cały czas funkcjonuje synchronizacja między danymi projektowymi (Engineering) a wykonawczymi (Manufacturing). Gotowe kształty arkuszy można eksportować do formatów zewnętrznych (DXF, IGES 2D lub 3D) oraz wykonać z nich dokumentację rysunkową.

Analiza struktur kompozytowych (MES) i prace towarzyszące

Dzięki precyzyjnemu określeniu struktury kompozytu – obejmującemu: ilość warstw, kierunek ich układania, właściwości włókien i żywicy – CATIA dysponuje możliwością wykonania siatki do analiz wytrzymałościowych (MES). Pozwala to na analizę i optymalizację projektowanych wyrobów, np. pod kątem oszczędności materiałowych, przy zachowaniu odpowiednich parametrów mechanicznych. Rozwiązanie to jest w praktyce stosowane np. przy projektowaniu jachtów regatowych, w których nie można sobie pozwolić na kompromis w kwestii wytrzymałości i bezpieczeństwa, a z drugiej strony – każdy kilogram mniej to istotna oszczędność. O ile jednak w jachcie chodzi o dopłynięcie do mety w jak najkrótszym czasie, o tyle w przeciętnym przedsiębiorstwie istotną kwestią będą oszczędności materiałowe. Poza kosztami istnieje aspekt zdrowotny i ekologiczny – warto zwrócić uwagę na każdy niepotrzebnie emitowany do atmosfery i wdychany przez pracowników kilogram styrenu.

Nie należy zapominać, że z reguły wyroby kompozytowe produkowane są z wykorzystaniem form. Przy wyrobach o wysokim stopniu komplikacji konstrukcja formy to wyzwanie samo w sobie. Opisywane rozwiązanie oparte zostało na wysokiej jakości systemie CAD/CAM, dzięki czemu w jednym środowisku możliwe jest określenie zarówno kształtu przedmiotu, jak i struktury kompozytu, wykonanie analiz MES wyrobu oraz przygotowanie konstrukcji i dokumentacji formy – łącznie z przygotowaniem np. frezowania formy na obrabiarce numerycznej.

Michał Murawski

IPL Solutions

Murawski@iplsolutions.pl

Autor: TEKST: CAD MICHAŁ MURAWSKI