工程定制预制件：热塑性复合材料制造前沿自动化

近期开发许多新技术降低复合材料周期成本，旨在增加复合材料在汽车、工业、消费品应用中应用。最有前景发展领域之一是自动化生产线切割铺放热塑性预浸带形成定制坯料，再经压缩模塑和注塑包覆成型转化为部件。活跃企业含Airborne（荷兰海牙）、Van Wees UD与Crossply Technology（荷兰蒂尔堡）、法国工程先进制造研发机构Cetim（南特）。后者2015年发布Quilted Stratum Process（QSP）。QSP可生产复杂形状部件，生产线脉冲周期40-90秒。例：用QSP，模塑成L型梁的Ω型截面集成13块1.5、2、3毫米厚有机片（织物热塑性预浸料）和UD带，成6毫米厚部件，单件周期<77秒。

但要利用QSP等自动化技术，工程师须开发设计优化方法评估理论上众多局部铺层组合及对应铺层数、厚度、位置、成分变化（如增强类型、纤维取向）。为此，Cetim结合其复合结构分析、无损检测（NDT）、制造经验，与ONERA（法国航空航天实验室）多年航空航天应用的先进优化方法专长融合。成果为QSD，现集成于Altair Engineering（美国密歇根特洛伊）HyperWorks计算机辅助工程（CAE）软件。基本为优化插件，助设计基于带材和有机片工艺的复合部件并控制成本，含如何再利用生产废料实现零废料闭环制造。

四步法流程

QSD方法论含四步：结构优化、成型分析、铺层识别、设计成本分析（图1）。每步帮助设计师快速测试输入材料可能、根据力学制造约束做正确决策控制部件成本。QSD插件与Altair合作开发，使所有HyperWorks OptiStruct用户在熟悉环境直接可用。用户可利用现有Altair软件内部专长，无需开发新有限元模型即用QSD。

结构优化

QSD流程第一步，选热塑性带材材料，从设计师选定数据库或Altair Multiscale Designer各向异性热塑性复合材料及其微观力学模型数据库输入其属性——含强度、模量等标准参数。QSD用此数据库和HyperWorks OptiStruct完成“刚度匹配”优化。因部分分析结果不易直观（如各向异性刚度），QSD提供多种与复杂丰富数据交互方式，含直接变量场或解释性结果如主刚度方向或刚度极坐标图（图1）。所有显示定义同一力学响应，但按用户偏好提供定制视图。目标助设计师理解可视化实现目标部件性能路径。此步可优化厚度质量，后者通常较金属件减少达50%。

成型分析

第二步帮助设计师做关键妥协：先用Drape Estimator工具将部件展平——从3D形状转2D片材——再用聚类算法自动分区此片材。目标简化加速评估平面预制件与最终部件关联。图2所示汽车横向控制臂原按有限元网格和OptiStruct结果分300区，QSD减至五区。

设计师可随即拉直平滑各区边缘以最小化对应裁剪铺层废料。这是控制成本提升制造可行性关键步。此步也有趣，因设计师可评估铺层形状简化对部件力学性能影响。若力学性能与制造可行性/废料/成本间需妥协，此步提供评估数据。

铺层识别

此步旨在通过从QSD叠层数据库或铺层库选择，确定各区最佳局部铺层，库可用用户特定数据丰富。QSD工具帮设计师草绘部件铺层，再通过力学准则（如局部位移、屈曲因子、固有频率）评估部件响应测试最佳铺层策略。

设计成本分析

终步，设计师可评估部件材料成本含废料、因铺层裁剪装配的制造成本。确实，铺层数和单层材料废料是主要成本驱动。废料快速评估将很快在QSD可用，使早期设计迭代估值。终迭代，每层可导出在用户首选软件详细套料分析。部件成本评估公式参数亦可设计师自定义。从而设计师可评估各种铺层策略对比废料、可制造性、成本、力学性能。

注QSD支持评估各类半成品如带材、织物或正交有机片。也可评估再生材料，如Carbon Conversions、ELG Carbon Fibre等再生碳纤维制无纺毡，或Cetim Thermosaïc技术或类似工艺由热塑性废料制热成型片。当然需此类材料力学性能，但一旦确定可轻松输入QSD模块含终极铺层库/叠层数据库。这样此部件废料回用于此部件，实现零废料闭环制造——所有复合材料制造关于可持续性的理想目标。

促进复合材料广泛应用工具

QSD适用设计流程早期步骤，因不仅契合Cetim QSP工艺，也适配所有创建定制预制件工艺，无论自动化程度（如自动化带材铺放、自动化裁剪手工铺层）。旨在助工程师优化部件、早期规避糟糕设计选择。

参考：

[1] “基于Quilted Stratum Process的复合部件快速成本效益制造新设计方法” François-Xavier Irisarri, Terence Macquart, Cédric Julien, Denis Espinassou.

作者简介

Denis Espinassou为机械工程师、QSD项目负责人。2010年加入法国机械研究院Cetim，任长纤维热塑性复合结构设计优化专家。亦负责原型制造机械验证产品开发。