FIBERSIM: курс на автоматизацию проектирования и подготовки производства из композитов

Как известно, все новое – это хорошо забытое старое, но на новом этапе развития. Не являются исключением набирающие сегодня популярность композиционные материалы (КМ), которые на самом деле известны человечеству с древних времен.
 
По сути композиционный материал представляет собой материал, структура которого состоит из нескольких компонентов, раз-личных по своей природе и физико-механическим свойствам. Их сочетание придает композиционному материалу новые, порой уникальные свойства. Природным композитом по праву может считаться древесина, – в ней высокопрочные волокна целлюлозы связаны податливым лигнином. Другим примером наиболее известного и широко применяемого композиционного материала является глина с наполнителями растительного и животного происхождения. Созданный уже не природой, а человеком, этот композит, с одной стороны не уступает глине по прочности, с другой – за счет наполнителей становится не таким хрупким. Его современный аналог – железобетон.
Изделия из композитных материалов окружают нас повсюду. Мы используем их в своей повседневной жизни – передвигаясь с помощью разнообразных транспортных средств, занимаясь спортом и активным отдыхом, заботясь о своем здоровье. Окружающие нас здания, мосты, туннели не были бы построены без применения композитных материалов.
Сегодня материалы с уникальными качествами особенно востребованы в машиностроении. В первую очередь, это относится к производителям аэрокосмической техники, к предприятиям энергетического машиностроения, к автомобиле- и судостроению. Требования, предъявляемые к изделиям из таких материалов – малый вес, высокая жесткость и прочность, большой ресурс эксплуатации в экстремальных условиях. Без преувеличения можно утверждать, что сочетанием подобных качеств обладают только изделия из композиционных материалов. В настоящее время КМ широко представлены стеклопластиками, углепластиками, органопластиками и др. Существует мнение, что XXI век станет расцветом КМ. Их доля в современных изделиях растет впечатляющими темпами. Это подтверждают конкретные цифры, касающиеся авиастроения, которые приведены в таблице. В России доля применения КМ в конструкциях ныне производимых самолетов пока не столь высока как у мировых лидеров этой отрасли, но опыт их использования достаточно давний.
Существует несколько технологий изготовления деталей из КМ, включая ручные и автоматизированные методы. В авиастроении мировая тенденция применения композиционных материалов в конструкциях воздушных судов направлена на увеличение количества деталей, изготовленных с помощью автоматической выкладки ленты или волокна. Широкое распространение у нас и за рубежом получила технология изготовления деталей с использованием препрегов (полуфабрикатов, представляющих собой материал основы, пропитанный связующим составом), которые после их выкладки подвергаются термостатированию в автоклаве. В большинстве случаев основа препрегов по своей структуре представляет собой однонаправленный материал в виде набора волокон или двунаправленный материал в виде тканевой основы. Связующий компаунд состоит из смеси смол и полимеров. Кроме того, применяются и безпрепреговые технологии. Их суть заключается в выкладке «сухой» основы с последующей пропиткой связующим составом (технология RTM – Resin Transfer Molding) или с поочередной выкладкой «сухой» основы с пленочным клеем (технология RFI – Resin Film Infusion).
Отечественные авиастроители, как уже отмечалось, достаточно давно занимаются изготовлением изделий из композитных материалов. Но из-за мелкосерийности производства до последнего времени ими применялись только ручные методы раскроя и укладки композитов. В то же время без увеличения доли КМ в конструкциях воздушных судов, без использования современных автоматизированных средств проектирования и производства изделий из КМ сегодня просто невозможно развивать отечественное самолетостроение и тем более конкурировать на мировом рынке авиатехники.
Инженерно-консалтинговая компания «Солвер» принимает активное участие в техническом перевооружении отечественных машиностроительных предприятий, внедряя наиболее эффективные технологии, программное обеспечение и металлообрабатывающее оборудование. Компания не могла остаться в стороне от передовых технологий, использующих композитные материала, – тем более что автоматизированное проектирование, подготовка и производство изделий из КМ востребованы, но по ряду причин недостаточно широко применяются российскими производителями авиатехники. «Солвер» приобрела компетенции, касающиеся знаний и прав на продажу и внедрение продуктов ведущих разработчиков программного обеспечения и производителей оборудования, являющихся признанными лидерами в этой области. Это американские компании Vistagy, предлагающая программный пакет FiberSim для проектирования и подготовки производства деталей из композитов, и MAG, производящая станки для изготовления и обработки деталей из КМ.
Этой статьей мы хотели бы начать знакомство читателей с ПО FiberSim компании Vistagy – комплексным программным решением для проектирования и производства деталей из композиционных материалов. О том, что Vistagy по праву считается лидером в разработке программного обеспечения для работы с композитами, наглядно говорит факт, что девять из десяти ведущих мировых авиастроительных компаний используют именно ее программные продукты Компания была основана в 1991 году, а уже в 1993 году лицензии на использование FiberSIM были приобретены компанией Sikorsky Aircraft , где эта система стала успешно использоваться в качестве базового программного средства при производстве деталей из КМ. Эффективность ПО FiberSIM в проектировании, подготовке и производстве изделий из композитов по достоинству оценили и на других авиастроительных предприятиях.
В чем заключаются ключевые особенности ПО FiberSIM? Во-первых, это интеграция с системами СAD высокого уровня – Creo Elements/Pro, Siemens NX, CATIA. Во-вторых, являясь комплексным решением, FiberSIM охватывает большинство задач, связанных с проектированием и производством изделий из КМ. FiberSIM не создает своих файлов, сохраняя свои данные в файлах CAD-систем. В целом, схема работы с FiberSIM выглядит следующим образом. Сначала выбирается материал слоев, из которого будет формироваться изделие. Затем определяются общие параметры пакета слоев – ламината. При этом изделие может состоять из нескольких ламинатов. В зависимости от сложности изделия определяется метод формирования слоев. Послойный метод применяется для производства несложных деталей (в авиастроении это закрылки, элероны и др.). Для этого задействуется модуль FiberSIM CEE (Composite Engineering Environment – среда проектирования изделий из КМ). Для сложных изделий (например, отсеков фюзеляжа или панелей крыльев) применяются методы зонного или структурного проектирования с помощью модуля FiberSIM ACEE (Advanced Composite Engineering Environment – расширенная среда проектирования изделий из КМ). При проектировании подобных изделий часто используют заполнители – сотовые, пенные и др. В FiberSIM формирование таких элементов осуществляется с помощью удобного диалогового окна назначением геометрических параметров. В процессе выкладки слоев задается их последовательность для получения сбалансированного по характеристикам изделия. В зависимости от метода производства изделия (ручная выкладка, формование, выкладка ленты, выкладка волокна) осуществляется послойный анализ материала на возможные деформации. А по его результатам определяются технологические способы устранения проблем. Если обнаружены излишки материала (гофр), то применяется команда «Надрез», если недопустимый натяг – «Вырез» с формированием слоя с заплатой. Состав слоев приводится в соответствие с шириной используемого материала. В зависимости от производственных условий могут быть введены технологические припуски.
Особое внимание хотелось бы уделить широким возможностям визуализации и анализа работы, осуществляемой в FiberSIM. Так можно выполнять разнообразные сечения, проводить анализ пакета слоев в любых плоскостях. Это позволяет избежать возможных ошибок при проектировании и обеспечить необходимое качество изделия.
После завершения формирования слоев пользователь получает исчерпывающие, ассоциативно связанные с исходной геометрией трехмерные данные об изделии из КМ – набор автоматически формируемых послойных разверток материала. Развитый интерфейс позволяет использовать их для различных целей, например:
– вывести в виде конструкторской документации, например, послойного альбома эскизов слоев;
– отправить в файле формата *.dxf в виде исходных данных для раскроя материала на раскройных станках с ЧПУ;
– указав реперные точки, отправить информацию на лазерный проектор для точного обозначения контуров мест укладки выкроек и т.д.
Кроме того, могут быть сформированы данные для анализа «проливаемости» слоев связующим составом и для проведения прочностных расчетов. Более того, благодаря возможности вывода данных в формате *.xml, их можно использовать для работы с другими программными пакетами.
Все описанные работы в настоящее время успешно выполняются специалистами компании «Солвер» в рамках первого этапа пилотного проекта для ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество (ВАСО)». В одном из следующих номеров журнала мы познакомим читателей с технологией передачи исходных данных из FiberSIM в ПО для создания управляющих программ для станков автоматической выкладки КМ. Их эффективная передача осуществляется с помощью модуля FiberSIM ADD (Automated Deposition Design – проектирование автоматической выкладки). Применение этого модуля в процессе проектирования позволяет учитывать все нюансы специфической работы на станках автоматической выкладки, такие как формирование технологических сбегов по слоям выкладываемого материала, учет минимально-возможной длины прямолинейных участков формируемых станком и др. В результате создание управляющей программы для станка автоматической выкладки становится совсем нетрудным делом. Поставка подобного оборудования в ОАО «ВАСО» состоится в ближайшее время.
Опыт, приобретенный специалистами «Солвер» в работе с FiberSIM, позволяет сделать несколько выводов о преимуществах использования этого ПО. Так переход на эту современную технологию проектирования и подготовки производства изделий из КМ позволяет:
– сократить расход композитных материалов за счет использования точных разверток и раскройных станков;
– увеличить скорость и повысить качество ручной выкладки материала за счет использования точных заготовок и лазерных проекций мест их выкладки;
– добиться высокого уровня повторяемости изделий;
– сокращение влияния человеческого фактора на качество производимых изделий;
– снижение требований к квалификации персонала, занятого укладкой КМ.

Версия для печати
Авторы: Юрий КОСМАЧЕВ, инженерно-консалтинговая компания «Солвер»
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: