1. Introducere în designul cu materiale compozite

1.1. De ce materialele compozite sunt viitorul în proiectare

Diferite materiale compozite au devenit esențiale în industrie datorită raportului excelent între greutate și rezistență, permițând dezvoltarea de structuri mai ușoare și mai durabile decât materialele convenționale. În aeronautică, automobile electrice sau construcții navale, utilizarea CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) și a altor materiale avansate contribuie semnificativ la eficiența energetică și reducerea emisiilor de CO₂. 

Structură realizată din materiale compozite

Adoptarea materialelor compozite vine, însă, cu provocări specifice. Spre deosebire de metale, care au proprietăți omogene, compozitele sunt anisotrope, iar comportamentul lor depinde de orientarea și distribuția fibrelor. Acest lucru face ca proiectarea să fie mai complexă, necesitând instrumente software avansate pentru gestionarea straturilor, analiza deformărilor și optimizarea fabricației. În plus, producția pieselor compozite implică procese diferite față de prelucrarea metalelor, iar orice eroare în proiectare poate duce la defecte structurale greu de detectat.

1.2. Cum abordează NX Composites provocările din industrie

Siemens NX oferă un ecosistem complet pentru proiectarea și analiza compozitelor, integrând într-un singur mediu toate etapele – de la definirea straturilor și simularea comportamentului mecanic până la generarea documentației pentru fabricație. Modulul NX Composites include funcționalități specializate precum Composite Navigator, care oferă o interfață intuitivă pentru gestionarea layup-urilor, și simularea producibilității, ce permite detectarea problemelor înainte de fabricare. În plus, instrumentele de Flat Pattern Generation și Rosette Mapping ajută la optimizarea orientării fibrelor, asigurând conformitatea cu cerințele de producție.

Integrarea modelării materialelor compozite în NX

Un avantaj major al NX este integrarea nativă cu Simcenter 3D și FEMAP, permițând inginerilor să efectueze analize structurale avansate direct pe modelul compozit, fără a fi necesare conversii de date. De asemenea, NX automatizează generarea documentației de producție, reducând erorile umane și accelerând procesul de fabricație. Prin această abordare unificată, NX nu doar simplifică proiectarea compozitelor, ci și îmbunătățește calitatea și eficiența procesului, oferind un flux de lucru optimizat pentru inginerii din industria compozitelor.

2. Automatizarea și optimizarea designului pentru fabricație

Proiectarea compozitelor nu se rezumă doar la modelarea geometrică, ci trebuie să ia în considerare și limitările tehnologice ale procesului de fabricație. De exemplu, în producția pieselor stratificate, orientarea incorectă a fibrelor sau apariția defectelor precum wrinkles, gaps și bridging pot compromite performanța finală. Din acest motiv, utilizarea instrumentelor de automatizare și optimizare devine esențială pentru a asigura un design eficient și fabricabil.

Direcția fibrelor materialului

NX Composites integrează funcționalități avansate pentru optimizarea designului, precum Composite Layup Definition, care permite definirea și modificarea rapidă a straturilor, și Simularea Producibilității, care analizează în timp real eventualele probleme de fabricație. În plus, utilizarea algoritmilor de generare automată a modelelor plane (Flat Patterns) reduce timpul necesar pregătirii pentru fabricație și minimizează erorile umane.

3. Fluxul de lucru eficient în NX Composites

3.1. Interfața intuitivă și utilizarea Composite Navigator

Unul dintre cele mai mari avantaje ale NX Composites este interfața sa optimizată pentru gestionarea layup-urilor, oferită prin Composite Navigator. Acest instrument permite vizualizarea, organizarea și modificarea straturilor într-un mod intuitiv, facilitând iterarea rapidă asupra designului. În loc să lucreze cu un model static, inginerii pot ajusta secvența de stratificare, orientarea fibrelor și zonele de întărire, având o imagine clară asupra impactului fiecărei modificări asupra comportamentului piesei.

Composite Navigator

Pe lângă navigarea stratificării, NX oferă și vizualizări interactive, care permit evidențierea regiunilor critice și analiza distribuției materialului. Inginerii pot folosi colormap-uri pentru verificarea unghiurilor fibrelor, identificând rapid eventualele probleme de aliniere. Aceste funcționalități nu doar îmbunătățesc eficiența procesului de proiectare, ci și reduc riscul de erori, oferind un control mai mare asupra fiecărui detaliu al layup-ului.

3.2. Simularea producibilității și validarea ply-urilor în timpul proiectării

Una dintre cele mai mari provocări în proiectarea pieselor compozite este asigurarea fabricabilității încă din faza de design. Deși un model poate părea optim la nivel CAD, realitatea procesului de fabricație poate introduce distorsiuni, zone cu exces de material sau variații ale grosimii. NX Composites adresează aceste probleme prin funcționalități de simulare a procesului de fabricație, care permit inginerilor să evalueze comportamentul layup-ului înainte de a trece la producție.

Estimarea productibilității componentei

Prin analiza deformărilor și a posibilelor defecte, NX ajută la prevenirea problemelor precum wrinkles (pliuri), gaps (spații între straturi) și bridging (ridicarea fibrelor în colțuri și margini). De asemenea, utilizarea simulărilor avansate permite optimizarea secvenței de depunere a straturilor, reducând tensiunile interne și asigurând o distribuție uniformă a materialului. Un alt avantaj al acestui proces este posibilitatea de a integra datele de simulare direct în documentația de fabricație, oferind operatorilor informații precise despre așezarea straturilor și ajustările necesare.

4. De la proiectare la fabricație: optimizare cu NX

4.1. Generarea automată a modelelor plane (Flat Patterns)

Un aspect esențial în fabricarea pieselor compozite este transformarea designului 3D într-un format utilizabil pentru producție. Procesul de generare a modelelor plane (Flat Patterns) este esențial pentru a determina dimensiunile reale ale fiecărui strat înainte de decupare și așezare, reducând astfel riscurile de eroare și pierderile de material. NX Composites automatizează acest proces, convertind layup-ul 3D într-o reprezentare bidimensională precisă a fiecărui strat.

Transformarea modelului 3D în 2D

Prin această funcționalitate, inginerii pot vizualiza și ajusta modul în care fibrele se desfășoară pe suprafețele curbate, evitând probleme precum tensiuni excesive, întinderi neuniforme sau suprapuneri incorecte. NX permite și optimizarea tăierii materialului, asigurând un consum eficient și o potrivire exactă în timpul laminării. De asemenea, modelele plane pot fi exportate în formate compatibile cu mașinile de tăiere automată, integrându-se perfect în fluxurile de fabricație avansate.

4.2. Instrumente pentru rosette mapping și controlul comportamentului fibrelor

Pentru a obține proprietăți mecanice optime, orientarea fibrelor trebuie să fie controlată cu precizie. NX Composites include instrumente dedicate pentru Rosette Mapping, care ajută la definirea și ajustarea orientării fibrelor în funcție de geometria piesei.

Previzualizarea orientării fibrelor

Prin utilizarea sistemelor de referință rosette, NX permite inginerilor să definească și să aplice orientări specifice pentru fiecare zonă a piesei, evitând distorsiunile și asigurând o distribuție uniformă a sarcinilor mecanice. În plus, software-ul oferă vizualizări interactive și colormap-uri, ajutând la detectarea rapidă a erorilor de orientare și optimizarea performanței structurale.

5. Integrarea cu analiza structurală și documentația automată

5.1. Export HDF5 pentru analiza structurală a compozitelor în Simcenter 3D și FEMAP

Pentru a garanta performanța și siguranța pieselor compozite, analiza structurală trebuie să fie o etapă integrată în procesul de proiectare. NX facilitează acest lucru prin exportul în format HDF5, permițând o tranziție fluidă a datelor către software-uri avansate precum Simcenter 3D și FEMAP. Acest format stochează toate informațiile esențiale despre layup-ul compozitului, inclusiv orientarea straturilor, grosimile și proprietățile materialelor, asigurând o simulare precisă.

Export HDF5

5.2. Generarea automată de tabele PMI pentru plies și materiale compozite

Un alt aspect critic în procesul de fabricație este documentarea precisă a layup-ului, pentru a asigura conformitatea cu specificațiile tehnice. NX simplifică acest proces prin generarea automată a tabelelor PMI (Product and Manufacturing Information), care conțin informații detaliate despre fiecare strat, precum materialul utilizat, unghiurile de orientare și secvența de depunere.

Crearea de tabele și informații PMI

Aceste tabele pot fi incluse direct în modelul CAD, eliminând necesitatea fișelor separate și reducând riscul de erori în transferul de informații către fabricație. În plus, NX suportă integrarea PMI cu procesele de fabricație asistată (CAM) și sistemele PLM, facilitând un flux de lucru digitalizat și eficient. Această automatizare îmbunătățește trasabilitatea și asigură că toate părțile implicate în proces – de la ingineri la operatorii din producție – lucrează cu aceleași date actualizate.

6. Colaborare și integrare enterprise

6.1. Publicarea automată a datelor compozite în Teamcenter

Într-un mediu de proiectare colaborativ, gestionarea eficientă a datelor este esențială pentru a menține consistența și accesibilitatea informațiilor. NX Composites se integrează nativ cu Teamcenter, oferind posibilitatea de publicare automată a modelelor, layup-urilor și datelor de fabricație într-un sistem centralizat. Aceasta asigură că toți membrii echipei – de la proiectanți la analiști și operatori – au acces la cea mai recentă versiune a modelului, evitând confuziile și erorile cauzate de documentație depășită.

Integrare Teamcenter

6.2. Gestionarea eficientă a proceselor și fluxurilor de lucru

NX și Teamcenter permit configurarea unor fluxuri de lucru personalizate, care optimizează colaborarea între departamente. De exemplu, o modificare a layup-ului poate declanșa automat o notificare către echipa de analiză structurală sau către fabricație, asigurând comunicare rapidă și eficientă între echipe.

Un alt beneficiu major este integrarea cu sistemele Manufacturing Execution System (MES), care facilitează transmiterea automată a datelor către linii de producție inteligente. Această conexiune permite monitorizarea în timp real a fabricației pieselor compozite, reducând pierderile de material și optimizând utilizarea resurselor.

7. Planuri de viitor în direcția materialelor compozite

Pe termen lung, Siemens își propune să extindă capacitățile NX Composites prin tehnologii emergente precum inteligența artificială și machine learning, pentru a automatiza și mai mult procesul de proiectare. Algoritmii AI vor putea sugera automat layup-uri optimizate, pe baza analizelor anterioare și a cerințelor structurale, reducând timpul de proiectare și riscul de erori.

O altă direcție de dezvoltare este integrarea completă a Digital Twin cu procesele de fabricație, permițând ajustări în timp real pe baza datelor din producție. Acest lucru va duce la o îmbunătățire continuă a calității pieselor compozite și la o eficientizare a proceselor de fabricație.

În concluzie, NX continuă să evolueze ca o soluție de top pentru proiectarea și analiza compozitelor, oferind inginerilor instrumente din ce în ce mai performante pentru un proces de dezvoltare rapid, precis și eficient.

Procesul de producție integrat cu digital twin

Interesat de tehnologiile pentru materiale compozite în NX?

Dacă vreți să descoperiți cum integrează Siemens NX soluții avansate pentru materiale compozite, echipa de experți Digital Twin este gata să vă ajute. Contactați-ne pentru o demonstrație sau mai multe detalii tehnice!

Contactează-ne!