Conception de composites - A229

Conception de composites
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Marché

Étant des matériaux relativement nouveaux, la maturité de fabrication des composites n'est pas aussi élevée que celle des matériaux traditionnels tels que les métaux ou les céramiques. Afin de réduire la risque associés à la fabrication de composites, une approche structurée doit être adoptée pour le développement des meilleurs pratique. La pratique de fabrication est motivée par la nécessité d'atteindre une qualité de fabrication souhaitée. L'obtention de cette qualité est idéalement guidée par la science de fabrication pertinente, du moins là où elle existe. Ainsi, d'un côté, il existe la base de connaissances (science) qui définit « pourquoi » la qualité est telle qu'elle est. D'un autre côté, il y a la pratique de «comment» mettre en œuvre au mieux les processus de fabrication pour affecter la qualité d'une manière donnée. L'interconnexion et la compréhension de ces deux éléments sont importantes et constituent la base de spécialisées-réflexion pratique.

Pratique actuelle et future

Pratique typique actuelle dans le développement de l'aérospatiale pierre composite produits structuraux est d'augmenter la taille et la complexité de la conception du produit. Lors de l'évaluation des performances, un certain nombre de tests et d'analyses de plus en plus vastes et complexes sont entrepris. Celles-ci se produisent d'abord sur des spécimens à l'échelle du laboratoire, appelés coupons, et se poursuivent jusqu'aux sous-composants, puis aux composants, jusqu'à la structure complète. Chaque couche successive représente une configuration plus complexe et s'appuie sur les connaissances acquises à l'échelle précédente. C'est ce qu'on appelle l'approche Building Block. L'approche est utilisée pour s'assurer que les exigences/spécifications sont respectées tout en réduisant les risques en démontrant équivalence matérielle entre couches successives. Autrement dit, à chaque échelle, le comportement de la pièce peut être décrit ou prédit à partir de l'échelle inférieure. En termes simples, les matériaux et les structures de l'avion se comportent comme prévu lors des tests en laboratoire. Cela peut être subdivisé en perspectives chimiques, physiques et mécaniques : par exemple, est-ce que la degré de guérison le même, est le fraction volumique la même, la résistance à la compression est la même. Les tests à grande échelle étant particulièrement coûteux, l'idée est de minimiser le nombre de tests à grande échelle en augmentant le nombre de tests moins chers au niveau des coupons. Si l'équivalence des matériaux peut être démontrée, les tests de coupons sont inestimables pour représenter la réponse des structures à plus grande échelle.

Bien que les industries moins réglementées n'aient pas besoin d'une telle approche, l'approche Building Block est un cadre très précieux pour aider à guider les décisions de fabrication.

Approche modulaire couramment appliquée à la fabrication de composites dans l'aérospatiale.

L'équivalence des matériaux doit être démontrée pour l'approbation de la certification dans l'industrie aérospatiale.

Alors que l'approche Building Block peut être complexe et impliquée, la simulation accélère et améliore le processus. Du point de vue de la fabrication, à mesure que les simulations s'améliorent, elles peuvent être utilisées pour représenter avec précision la physique des processus de fabrication. Ce faisant, des tests plus efficaces peuvent être conçus et moins de tests peuvent être nécessaires pour démontrer l'équivalence des matériaux. Bien sûr, les modèles ne sont aussi bons que leurs entrées. En tant que tel, il est important que le développement rigoureux de tels modèles soit entrepris et validé par rapport à des données expérimentales. Le développement de simulations basées sur la physique pour le traitement des composites polymères est un domaine de recherche important; les modèles sont actuellement mis en œuvre dans de nombreuses usines de fabrication de composites de pointe aujourd'hui. De plus, la numérisation des usines, dans le but de collecter de grands ensembles de données, est en augmentation.

De nombreux experts estiment que la numérisation, l'IA, le big data, simulation, et d'autres avancées informatiques révolutionneront les connaissances et les pratiques de fabrication. Leur prévalence deviendra de plus en plus courante dans le domaine de l'ingénierie des composites à mesure que le monde passera à l'Industrie 4.0.

Savoir-faire vs savoir pourquoi

Historiquement, la fabrication de composites a suivi une approche par essais et erreurs, dans laquelle les meilleures pratiques étaient basées sur l'expérience et l'opinion d'experts. Ceci est représentatif du savoir-faire. Les praticiens sauraient comment mettre en œuvre un processus de fabrication ou même les résultats de ce processus, mais ils ne comprendraient pas nécessairement la science derrière le processus ou la réponse du matériau. Bien que la prise de décision basée sur l'expérience soit précieuse, elle est également moins efficace et présente des risques, car de petites modifications du processus peuvent avoir un impact inattendu et significatif sur la qualité de la pièce. L'extrémité opposée du spectre est une approche entièrement basée sur la science, dans laquelle la physique de l'ensemble du processus est capturée et comprise. Ceci est représentatif de la connaissance du « savoir-pourquoi ».

Intuitivement, il est logique de progresser vers une approche « savoir-pourquoi ». Cependant, cela n'est pas sans ses propres inefficacités et risques. L'exécution de modèles de traitement approfondis peut être coûteuse en calculs et les petites entreprises n'ont peut-être pas les moyens de le faire. De plus, les entreprises produisant des composants non structuraux à faible risque peuvent ne pas avoir besoin ou vouloir comprendre les détails de chaque processus. De plus, de nombreux mécanismes de traitement des composites ne sont pas encore bien compris et nécessitent les connaissances de praticiens expérimentés pour mettre en œuvre de bons choix de conception/fabrication. Par conséquent, c'est une combinaison de « savoir-faire » et de « savoir-pourquoi » qui représente la meilleure option.

Il est important de comprendre comment la mise en œuvre des connaissances « savoir-faire » et « savoir-pourquoi » est liée aux meilleures pratiques actuelles et futures. Il est pertinent de capturer et de protéger les connaissances acquises grâce à l'expérience afin de comprendre les pratiques actuelles de prise de décision de fabrication et de gestion des risques. Ce n'est qu'alors que des progrès pourront être réalisés pour définir de meilleures pratiques futures en utilisant une approche «savoir pourquoi». Ce faisant, il est nécessaire que des perturbations des pratiques actuelles se produisent soit en ouvrant, en réévaluant et en modifiant les spécifications de fabrication actuelles, soit en les appliquant sur la base de la science de la fabrication. Cette perturbation définit les meilleures pratiques futures. Le flux de travail protéger-avancer-perturber démontre les étapes de transformation nécessaires pour faire passer la fabrication de composites d'une technologie à faible modularité et à faible maturité à une technologie à haute modularité et à haute maturité.

Connaissances pratiques. De

Conception pour la fabrication

L'un des aspects les plus importants de l'ingénierie est la gestion et la réduction des risques et incertitudes. Le lien entre la conception technique et l'ingénierie de fabrication peut présenter un risque élevé s'il n'est pas pris en compte tôt dans le processus de conception. À la fin de la phase de conception conceptuelle, il arrive souvent que si peu du coût réel du programme ait été dépensé, jusqu'à 70 % ont été engagés. Cela peut entraîner des dépassements de coûts massifs plus tard si la productivité n'a pas été prise en compte dès le début, ce qui a pour conséquence que la pièce ne répond pas aux spécifications. Les outils de modélisation et de simulation peuvent aider à réduire ce risque, en effectuant des analyses conceptuelles de fabrication pour déterminer la productibilité.

Engagement du coût du cycle de vie du programme (LCC) dans les systèmes d'ingénierie complexes. Adapté de

Évolutivité

Un autre risque associé à la fabrication de composites est l'évolutivité. Alors qu'un ingénieur peut considérer la question de la mise à l'échelle de la taille - c'est-à-dire que les propriétés de la pièce peuvent varier en fonction de la taille de la structure - la mise à l'échelle de la production est moins intuitive. L'usine doit être en mesure de gérer le débit requis pour la fabrication. Cela implique une mise en œuvre correcte des cellules de l'usine et le maintien de l'efficacité et de la sécurité (sécurité des pièces et des personnes) entre chaque cellule. De plus, alors que l'analyse de la mise à l'échelle de la taille est davantage fondée sur la science, les tests et les essais de processus au fil du temps, la mise à l'échelle de la production n'est pas validée tant qu'une pièce n'a pas terminé son cycle de vie complet en usine. À ce stade, le succès ou l'échec de la pièce répondant aux exigences de fabrication se traduit soit par un profit, soit par une perte.. En tant que tel, la taille et la mise à l'échelle de la production doivent être considérées ensemble, dès le début.

Références

À propos	Aide

En ce qui concerne la fabrication, le risque est la combinaison de la probabilité et des conséquences de résultats de fabrication indésirables. Le risque de fabrication peut entraîner des problèmes techniques, des retards de programme/calendrier et des dépassements de coûts.

Toute activité de fabrication et/ou de prise de décision qui se produit à n'importe quelle étape du cycle de conception de développement (par exemple, de la conception à la production).

Dans le contexte des connaissances en pratique, la pratique fait référence à l'utilisation systématique des connaissances scientifiques pour réduire les risques, les coûts et le temps de développement des composites.

Dans le contexte des connaissances dans la pratique, les connaissances font référence à l'utilisation systématique des connaissances scientifiques dans la pratique de la fabrication de composites.

Il existe une distinction entre les connaissances fondées sur l'expérience et les connaissances fondées sur la science :

• Les connaissances basées sur l'expérience ("savoir-faire") sont une compréhension des résultats potentiels et de leurs relations qui est fondée sur le pragmatisme et l'expérience accumulée au fil du temps dans des programmes individuels, des entreprises et plus largement dans l'industrie.
• La connaissance basée sur la science (« savoir-pourquoi ») est une compréhension des résultats potentiels et de leurs relations, basée sur l'importante physique du traitement, qui est suffisamment mature pour être codifiée à l'aide des lois gouvernantes et des équations constitutives appropriées.

Matériaux d'ingénierie (conçus pour avoir des propriétés spécifiques) fabriqués à partir de deux ou plusieurs matériaux constitutifs ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Les constituants restent séparés et distincts au niveau macroscopique au sein de la structure finie.

Le caractère commun des propriétés au niveau du matériau à toutes les échelles du « bloc de construction » (du niveau du coupon aux structures à l'échelle de la production) en termes d'états chimiques-physiques-mécaniques tels que le degré de durcissement/degré de cristallisation, la fraction volumique des fibres, les contraintes résiduelles, etc. .

Le degré de durcissement (DOC) est une indication de l'avancement de la réaction de durcissement chimique (processus de réticulation) dans une résine thermodurcissable.

DOC est défini par un nombre entre 0 et 1 (ou 0% et 100%) où 100% est une résine entièrement durcie. Il n'est pas nécessaire qu'il atteigne 100 % à fond pour que la résine devienne solide ou la pièce à utiliser. Dans certaines applications aérospatiales, les résines ne sont durcies qu'à environ 90 %. Plus le degré de durcissement est élevé, plus les propriétés mécaniques sont élevées.

Fraction volumique de la matrice ou des fibres par rapport au volume total du composite (matrice + fibre).

L'utilisation de modèles multiphysiques pour prédire le résultat de scénarios réels. Peut être analytique (forme fermée, « calculs manuels ») ou informatique (la mise en œuvre sur ordinateur est requise en raison du grand nombre de calculs impliqués. Par exemple, méthode des éléments finis, méthode des différences finies)

Le plus souvent dans l'ingénierie des matériaux composites, la simulation désigne soit :

• Simulation de processus (prédire les résultats de fabrication ou le problème inverse de la prédiction des paramètres de fabrication pour obtenir un résultat souhaité), ou
• Simulation de performance (prédire la rigidité/résistance/adéquation d'une structure, ou le problème inverse des propriétés des matériaux et des exigences dimensionnelles pour obtenir une rigidité/résistance/adéquation souhaitée d'une structure)

(identique à "Modélisation")

Terme général désignant la variabilité qui affecte la précision d'une métrique, d'un énoncé ou d'une pensée.

Modélisation & simulation En modélisation et simulation, une distinction est faite entre l'incertitude et l'erreur :

• Incertitude
  • Incertitude aléatoire: associé à la variabilité inhérente. Les exigences de processus, telles que les spécifications de matériaux et de processus, sont généralement utilisées pour gérer incertitude aléatoire.
  • Incertitude épistémique: inconnues dues à un manque de connaissances, ou à des connaissances imparfaites. Généralement géré en améliorant la compréhension des résultats de fabrication et de leurs interactions (par exemple propriété de structure de processus des relations)
• Erreur
  • Erreurs reconnues: hypothèses et/ou simplifications explicites (par exemple, pratiques de modélisation)
  • Erreurs non acquittées: Erreurs et/ou maladresses (par exemple, utiliser le mauvais modèle de matériau)

Gestion de l'innovation Tel que défini en termes d'opportunités/risques de commercialisation :

• Incertitude technologique: Se rapporte à la faisabilité d'une idée d'innovation et/ou à la viabilité économique de la mise à l'échelle (par exemple, de la recherche primaire à la production).
• Incertitude du marché: Existe si l'idée d'innovation ne peut pas répondre suffisamment aux besoins du marché, lorsque l'opportunité de marché n'est pas évidente/ne peut être garantie, ou lorsque les concurrents travaillent sur des solutions alternatives.

La capacité du processus de fabrication à produire des pièces de qualité acceptable (par exemple, répondre aux exigences d'ingénierie, de fabrication, réglementaires), de manière répétitive et robuste.