FiberSIM: курс на автоматизацию проектирования и подготовки производства из композитов

Юрий Космачев
Ведущий консультант подразделения «Системы автоматизированного проектирования и подготовки производства» компании «Солвер»

Как известно, всё 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. Ведь что, по сути, представляет собой композиционный материал? Это материал, в структуру которого входит несколько компонентов, различных по своей природе и физико­механическим 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, а с другой — за счет наполнителей становится не таким хрупким. Его современным аналогом является  железобетон.

Доля композитных материалов в конструкциях самолетов Airbus и Boeing

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,  предприятиям энергетического машиностроения, 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 сочетание подобных качеств характерно только для изделий 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 (рис. 1). Это подтверждают показатели, 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.

Рис. 1. Конструкция Boeing-787 Dreamliner более чем на 50% состоит из композитных материалов

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 выкладки подвергаются  термостатированию в автоклаве. В большинстве случаев основа препрегов по 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, используются 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 и пленочного клея (технология Resin Film Infusion, RFI).

Отечественные авиастроители, как уже отмечалось, довольно давно занимаются изготовлением изделий из композитных материалов. Но из­за 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, а тем более конкурировать на мировом рынке авиатехники.

Рис. 2. ПО FiberSIM является комплексным решением для проектирования и производства деталей из композитов

Инженерно­консалтинговая 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, применяющих композитные материалы, тем более что автоматизированное проектирование, подготовка и производство изделий из КМ востребованы, но по ряду причин недостаточно широко применяются российскими производителями авиатехники. Компания «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 две 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.

Настоящей статьей мы хотели бы начать знакомство читателей с ПО FiberSim компании Vistagy — комплексным программным решением для проектирования и производства деталей из композиционных материалов (рис. 2). 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 1991 году, а уже 1993­м лицензии на применение 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 (рис. 3).

Рис. 3. Эффективность ПО FiberSIM оценена ведущими мировыми авиастроительными предприятиями

В чем заключаются ключевые особенности ПО FiberSIM? Во­первых, это интеграция с системами СAD высокого уровня — Creo Elements/Pro, Siemens NX и CATIA. Во­вторых, 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 CAD­систем. 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 чего задействуется модуль FiberSIM под названием CEE (Composite Engineering Environment — среда проектирования изделий из КМ). Для сложных изделий (например, отсеков фюзеляжа или панелей крыльев) используются 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 применяют 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.

Рис. 4. Визуализация сформированного изделия в FiberSIM

Особое внимание хотелось бы уделить широким возможностям визуализации и анализа работы, осуществляемой в FiberSIM (рис. 4). Так, можно выполнять разнообразные сечения, проводить анализ пакета слоев в любых плоскостях. Это позволяет избежать возможных ошибок при проектировании и обеспечить необходимое качество изделия.

Рис. 5. Примеры листов альбома эскизов слоев, автоматически сформированных в FiberSIM

По завершении 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 применять их для различных целей, например:

• вывести в виде конструкторской документации, например послойного альбома эскиза слоев (рис. 5);
• отправить в файле формата DXF в виде исходных данных для раскроя материала на раскройных станках с ЧПУ (рис. 6);
• указав реперные точки, отправить информацию на лазерный проектор для точного обозначения контуров мест укладки выкроек (рис. 7) 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 применять для работы с другими программными пакетами.

Рис. 6. По данным, подготовленным в FiberSIM, осуществляется крой материала препрега на раскройном станке с ЧПУ

Рис. 7. Для лазерных проекций мест выкладки КМ также используются данные, подготовленные в FiberSIM

Все описанные работы в настоящее время успешно выполняются специалистами компании «Солвер» в рамках первого этапа пилотного проекта для ОАО «Воронежского акционерного самолетостроительного общества (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 минимально­возможной длины прямолинейных участков, формируемых станком, и др. В результате создание управляющей программы для станка автоматической выкладки оказывается совсем не трудным 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. Переход на эту современную технологию проектирования и подготовки производства изделий из КМ позволяет:

• сократить расход композитных материалов за счет применения 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;
• сократить влияние человеческого фактора на качество производимых изделий;
• снизить требования к квалификации персонала, занятого укладкой КМ.

САПР и графика 9`2011