Βελτιστοποίηση διεργασιών μορφοποίησης θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών

Abstract

In the framework of the current PhD thesis, a generic concept for the optimization of manufacturing processes of composite material components with regard to product’s quality and cost is introduced. In the proposed concept the configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. For processes offering flexibility in selecting process features and parameters, the concept can be applied straight forward. The proposed concept relies on the consideration of the processes thermal cycle as essential for both the quality and cost of the produced part. It involves a quality sensitivity analysis based on experimental data, which relates the values of the thermal cycle parameters to predefined quality characteristics (e.g. critical mechanical properties) as well as a cost analysis by relating the parameters of the thermal cycle to cost data using the Activity Based Costing (ABC) methodology. Outcome of the above analyses is the derivation of the material dependent Quality Functions (QFs) along with the derivation of the process dependent Cost Estimation Relationships (CERs). The configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. To achieve this, the heating process has been simulated by developing a parametric Finite Element model, so as to virtually conceive heating units and calculate the corresponding thermal cycles. The latter are exploited to calculate quality and cost values using the derived QFs and CERs. The optimal thermal cycle which leads to minimum cost that satisfies the design and quality requirements, along with the allowable thermal cycle windows, is derived, by involving an iterative optimization procedure. To carry out the optimization procedure a suitable software tool, the LTSM-OPT tool, is developed and introduced. The proposed concept has been applied to optimize the ‘cold’ Diaphragm Forming (CDF) process, as well as, the Laser Transmission Welding process (LTW). The thermal sub-process involved in the processes under consideration is numerically simulated such as to allow for the virtual application of the respective thermal cycle on the material. Using the developed software the features of the CDF heating system and the LTW system configuration along with the optimal thermal cycle for producing a helicopter canopy as well as for welding stiffeners on the aircraft fuselage skin, respectively, were obtained. The results of the first study were successfully exploited by EUROCOPTER to install a new flexible CDF facility and produce helicopter canopies by applying the derived optimal thermal cycle. As well, the results of the latter analysis were successfully exploited by AIRBUS to configure and adapt a laser diode source device to weld stiffeners and riblets to the aircraft fuselage skin, and thus produce integral aeronautic structures, by applying the optimized solution derived from the present study.

Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μία γενικευμένη μεθοδολογία βελτιστοποίησης των διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, μορφοποίηση και συνένωση κατασκευαστικών στοιχείων από σύνθετο υλικό, με κριτήριο την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος. Στην μεθοδολογία που προτείνεται, η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της μονάδας παραγωγής, μορφοποίησης ή συγκόλλησης των κατασκευαστικών στοιχείων θεωρούνται μεταβλητές. Επομένως, για την βελτιστοποίηση της αντίστοιχης διεργασίας με κριτήρια την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος θεωρούνται ως μεταβλητά μεγέθη τόσο οι τιμές των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. πίεση, θερμοκρασία, χρόνος κλπ.) όσο και η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της σχετικής μονάδας για την εφαρμογή της διεργασίας (π.χ. διάταξη και τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας θέρμανσης). Η μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί στο σύνολο των διεργασιών που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά και ευκολότερα σε διεργασίες στις οποίες είναι δυνατή η άμεση επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας και η μεταβολή των διατάξεων της χρησιμοποιούμενης συσκευής? βασίζεται στην θεώρηση ότι σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος καθώς και την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος είναι ο κύκλος θέρμανσης που θα επιλεγεί. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει την πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας και ειδικότερα του κύκλου θέρμανσης στα προκαθορισμένα χαρακτηριστικά ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος (π.χ. κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες) καθώς και συσχέτιση των παραπάνω παραμέτρων με το τελικό κόστος παραγωγής, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της εκτίμησης κόστους με βάση τη δραστηριότητα (Activity Based Costing method). Από την παραπάνω διερεύνηση προκύπτουν οι συναρτήσεις ποιότητας, οι οποίες κυρίως από το υλικό που χρησιμοποιείται, και οι συναρτήσεις εκτίμησης κόστους, οι οποίες εξαρτώνται κυρίως από την διεργασία. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα πειραματικά δεδομένα που απαιτούνται για τον προσδιορισμό των παραπάνω συναρτήσεων είναι διαθέσιμα, κυρίως από την βιομηχανία. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας στις περιπτώσεις που δεν είναι διαθέσιμα επαρκή πειραματικά δεδομένα, γίνεται προσομοίωση του κύκλου θέρμανσης με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με την βοήθεια της οποίας κατασκευάζονται παραμετρικά μοντέλα, όπου εφαρμόζεται ‘εικονικά’ ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών κύκλων θέρμανσης και υπολογίζονται τα θερμικά μεγέθη που αντιστοιχούν στον καθένα (χρόνος και ρυθμός θέρμανσης, θερμοκρασία υλικού και κατανομή αυτής κλπ.). Τα μεγέθη αυτά αξιοποιούνται στην συνέχεια για τον υπολογισμό των μεγεθών ποιότητας και του κόστους κάνοντας χρήση των Συναρτήσεων Ποιότητας και των Συναρτήσεων Εκτίμησης Κόστους αντίστοιχα. Ο βέλτιστος συνδυασμός των παραμέτρων της διεργασίας και του κύκλου θέρμανσης καθώς και των ορίων που μπορούν να κυμαίνονται αυτά ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για την εξασφάλιση των προκαθορισμένων χαρακτηριστικών ποιότητας με το μικρότερο δυνατό κόστος, προκύπτει μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας βελτιστοποίησης. Για την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας βελτιστοποίησης αναπτύχθηκε και προτείνεται ένα υπολογιστικό εργαλείο-λογισμικό, το LTSM-OPT (Laboratory of Technology and Strength of Materials Process Optimization Tool). Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο νέες διεργασίες που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, την διεργασία ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα (‘cold’ diaphragm forming) και την διεργασία συγκόλλησης με λέιζερ (laser transmission welding). Στο πλαίσιο αυτό, ο κύκλος θέρμανσης, που περιλαμβάνεται και στις δύο υπό εξέταση διεργασίες, προσομοιώθηκε με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την ‘εικονική’ εφαρμογή των αντίστοιχων κύκλων θέρμανσης στο υλικό που εξετάστηκε. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό LTSM-OPT, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι των παραπάνω διεργασιών και οι αντίστοιχοι κύκλοι θέρμανσης για την παραγωγή του θόλου ελικοπτέρου καθώς και για την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στο εσωτερικό μέρος της ατράκτου αεροσκαφών, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας αξιολογήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν από την εταιρεία κατασκευής ελικοπτέρων EUROCOPTER και την εταιρεία κατασκευής αεροσκαφών AIRBUS για την εγκατάσταση μίας νέας μονάδας ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα και την παραγωγή πρωτοτύπων θόλων ελικοπτέρου, καθώς και για την ρύθμιση της διάταξης του υπάρχοντος συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ διόδου και την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στην άτρακτο αεροσκαφών, αντίστοιχα.