Praktische CAD-technieken voor het ontwerpen van samengestelde patronen en matrijzen

In deze tutorial worden twee onderdelen behandeld - een enkele motorkap en een complexere UAV romp. Met de motorkap kunnen we de basiskenmerken beschrijven die nodig zijn voor een composiet patroon/mal en hoe we die kunnen maken met CAD. De UAV romp bouwt voort op deze basisvaardigheden en past ze toe op een gedeelde mal inclusief de extra overwegingen die dat met zich meebrengt - inclusief overwegingen over het maken van de gedeelde mal en ook het gebruik van inserts en andere features.

Op dit eerste onderdeel hebben we het in de mal geplaatst om de kenmerken van de mal te benadrukken die u niet op het onderdeel kunt zien. Ten eerste zijn dit open gebieden die zijn weggelaten, dan ziet u een kleine verlenging op het onderdeel genaamd de "Trim Allowance" - waarmee het onderdeel iets overmaats kan worden gemaakt zodat het precies kan worden bijgesneden. Het grootste verschil is de toevoeging van de matrijsflenzen die zowel helpen om het onderdeel vrij te maken als om de matrijs stijver te maken - vooral als er een retour wordt toegevoegd.

Het tweede deel, de romp, maakt gebruik van een complexere splitmal met een vloeiende splitlijn. Er worden inzetstukken gebruikt om de twee malhelften nauwkeurig uit te lijnen en aan elkaar te bouten. De aard van het vleugelwortelgebied maakt het gebruik van verticale flenzen noodzakelijk en vandaar de noodzaak voor de losse bekisting vanwege het gebrek aan trekhoek.

De matrijzen zelf zijn gemaakt met onze XT135 Tooling Pre-pregs en de uiteindelijke onderdelen met onze XC110 Out of Autoclave Pre-pregs.

Dit is geen CAD tutorial en is meer gericht op het gebruik van composieten, dus enige CAD basiskennis is een vereiste. Voor de meeste pakketten zijn er tutorialvideo's en gidsen over het gebruik ervan, die nuttig kunnen zijn als u vanaf nul begint om de basis te leren. Voor deze tutorial gebruiken we het Fusion 360 pakket, maar zelfs als je andere pakketten gebruikt, zijn er vaak vergelijkbare tools beschikbaar, zodat je dezelfde workflow en eindresultaten kunt genereren.

Het is de moeite waard om op te merken dat veel CAD pakketten extra functies en gereedschappen hebben voor het maken van matrijzen en het maken van deellijnen. De meeste van deze gereedschappen zijn echter ontworpen en georiënteerd op spuitgietgereedschap, wat betekent dat hun bruikbaarheid beperkt is voor composiettoepassingen. Als je echter de beschikking hebt over deze tools, kan het de moeite waard zijn om ermee te experimenteren om inzichten te krijgen en mogelijke shortcuts die kunnen werken voor jouw toepassing.

Om er zeker van te zijn dat er geen loslaatproblemen zijn, is het belangrijk om te kijken of er een juiste ontwerphoek is op het gereedschap. Om dit in CAD te controleren, gebruiken we een gereedschap voor ontwerpevaluatie dat het model analyseert en gebieden weergeeft die problemen kunnen opleveren. Het gereedschap wordt gebruikt in de richting waarin het werkstuk uit de mal komt, in dit geval meestal de Z-as.

Idealiter werkt voor de meeste composiettoepassingen een trekhoek van meer dan 3 graden goed. Voor dit onderdeel zijn de instellingen ingesteld op 0,5 graden met een tolerantie van 2,5 graden. De tool markeert probleemgebieden in rood, minder dan ideale gebieden in geel en veilige gebieden in groen.

In dit geval is de vorm van het model zodanig dat er geen problemen zijn met de trekhoek, omdat de trekhoek rondom royaal is. Het is de moeite waard om op te merken dat de oriëntatie van het werkstuk niet waterpas is, dus het is de moeite waard om dat in dit stadium te corrigeren omdat het helpt om materiaalverspilling en bewerkingstijd te verminderen als de patronen moeten worden bewerkt.

Het eerste kenmerk dat gemaakt moet worden is een siertoeslag. Het model heeft de exacte afmetingen van het afgewerkte onderdeel. Door een afsnijtoevoeging toe te voegen, kan de vezel verder reiken dan de rand van het onderdeel, zodat bij het bijsnijden de koolstof nauwkeurig kan worden afgesneden tot de ontworpen rand. Dit wordt normaal gedaan met dezelfde hoek als het onderdeel, zodat de stof niet over krappe hoeken hoeft te buigen.

Om deze uitsnede te maken, wordt de rand van het werkstuk geselecteerd en vervolgens een afgetekend oppervlak gemaakt door het type in te stellen op richting en de Z-as voor de richting van de uitsnede. In dit geval wordt 5 mm ingesteld als verkleinmaat. Normaal gesproken is 5-10 mm voldoende voor de meeste pre-preg toepassingen. Voor harsinfusie heb je misschien een grotere overmaat nodig. Aan de vorm wordt vervolgens een terugslag van 5 graden toegevoegd om te helpen bij het losmaken van het onderdeel uit de mal en om een zichtbare lijn achter te laten op het onderdeel.

Op een bijna vlak onderdeel als dit zou je de siertoeslag naar beneden kunnen trekken tot een plat vlak om flenzen te maken. Dit is echter niet ideaal voor alle situaties, dus de volgende werkwijze kan worden gebruikt.

Om de flenzen te maken, worden de randen aan één kant geselecteerd en wordt een regeloppervlak gemaakt dat naar buiten loopt. De richting en het vlak moeten worden geselecteerd om de vorm te definiëren. Vervolgens worden de afzonderlijke randen geselecteerd. Omdat dit onderdeel symmetrisch is, hoeft maar één kant geselecteerd te worden omdat de flenzen later gespiegeld kunnen worden.

Dit wordt herhaald voor de achterkant en de zijkant en dan worden de hoeken gesloten. Dit gebeurt met een veeg van dit randprofiel langs de loodrechte rand. De flenzen kunnen dan worden gespiegeld aan de andere kant van het gereedschap.

Om het patroon af te maken, zijn er nog maar een paar stappen nodig. Eerst kunnen eventuele gaten in het oppervlak van het onderdeel worden opgevuld met het patchgereedschap. Daarna kunnen de verschillende elementen aan elkaar worden gehecht om één body te maken. Vervolgens wordt een schets gebruikt om de terugloop op de flens te maken en wordt het gereedschap voor het splitsen van de body gebruikt om het overschot te verwijderen. Er wordt nu een afgetekende rand gemaakt met behulp van deze omtrek om de terugloop te maken en er wordt een hoek van 5 graden gebruikt. Zodra dit is gemaakt, zijn alle elementen compleet en kunnen de oppervlakken weer aan elkaar worden gehecht.

Het materiaal wordt vervolgens naar binnen getrokken en krijgt een afmeting van minstens 10 mm groter aan de zijkanten en 5 mm aan de onderkant. Het materiaal wordt dan gesplitst met behulp van de oppervlakken die hierboven zijn gemaakt. De ongewenste kant kan worden verborgen en vervolgens worden er enkele royale vullingen gemaakt in de hoeken en wordt de terugloopkant verlengd voor een betere toegang tot de bewerking. Het werk aan dit patroon is nu klaar en de freesbanen kunnen worden gegenereerd en het patroon kan CNC worden bewerkt.

De complexiteit van dit rompmodel betekent dat we een gedeelde mal nodig hebben om het effectief te maken. Het eerste dat we moeten maken is de openingsflens waar de motor op wordt gemonteerd. Dit moet eerst worden gedaan omdat het op de deellijn van de gedeelde mal komt. Eerst wordt een vlak gemaakt met behulp van 3 punten in het diafragma, daarna kan een cirkel worden geschetst, geselecteerd en gebruikt om de vorm te extruderen.

Vervolgens wordt het model georiënteerd zodat de deellijn kan worden geanalyseerd en gecreëerd. Vervolgens kan het gereedschap voor ontwerpanalyse worden gebruikt en kan het model worden geïnspecteerd om de beste deellijn voor het gereedschap te vinden. Als er een krap gebied op de deellijn is, kan de hoek van het model worden aangepast om te zien of dat de situatie verbetert. In dit geval wordt het probleem opgelost door het model 3,75 graden te draaien, zodat de deellijn kan worden gemaakt zonder risico op ondersnijdingen die later problemen veroorzaken.

De volgende functie die moet worden gemaakt is de openingsflens rond het sponningvormige luikgebied. Eerst wordt het schetsgereedschap gebruikt om de rand van het diafragma te markeren en vervolgens wordt een offset gebruikt om de sponning en wat overmaat te creëren. De rand van deze offset kan dan verticaal geëxtrudeerd worden met een trekhoek van 5 graden om de openingsflens af te werken.

We raden aan om de deellijn handmatig te tekenen. Sommige CAD-pakketten kunnen de lijn voor je tekenen, maar vaak moet de gemaakte lijn aangepast worden, dus vaak is handmatig tekenen de snelste optie door de deellijn van de ontwerpanalyse nauwkeurig te volgen. Uit dit getekende profiel van de deellijn wordt vervolgens een oppervlak geëxtrudeerd om de deellijnen te maken.

Nu willen we het materiaal dat we willen snijden modelleren. Eerst schetsen we een rechthoek rond het model die gelijk is aan de twee zijkanten (vanwege de bekisting) en een vaste afstand aan de andere zijkanten. Zodra die rechthoek is getekend, kunnen we hem gebruiken om te extruderen en de materiaalvoorraad te maken, net groot genoeg om het model volledig in te sluiten.

Het materiaal moet nu in de twee helften worden gesplitst. Dit wordt gedaan met het split body-gereedschap en met het flensoppervlak als snijgereedschap. Om de holtes van het gereedschap te maken, wordt het combinatiegereedschap gebruikt, waarbij het te snijden model en een van de voorraadstukken worden geselecteerd. Dit wordt herhaald voor de andere voorraad en zodra dit voltooid is, wordt de volledige matrijsholte gemodelleerd op het voorraadmateriaal.

Om ervoor te zorgen dat beide helften van het gereedschap goed uitgelijnd blijven tijdens het gebruik, worden matrijsklembussen gebruikt. Deze bestaan uit een metalen bus en een uitlijnpen. Deze worden precies op de mal geplaatst met behulp van een boorgat. Na uitharding kan de paspen eruit worden gehaald, zodat er een perfect uitgelijnde en slijtvaste boutlocatie overblijft voor het uitlijnen van het gereedschap.

Omdat we een 3-assige CNC machine gebruiken, worden de uitlijningsgaten verticaal geboord. Dit betekent dat er een vlak loodrecht vlak onder de bus zit voor een goede uitlijning. Dit ziet eruit als vlakke plateaus op de schuine delen van de mal. Perfect vlakke gebieden hebben geen extra werk nodig

Om de positioneerpads te tekenen, wordt eerst een schets gemaakt om de gaten voor de positioneerpennen te tekenen. In dit geval moeten de gaten een diameter van 6,1 mm hebben. Dit is om een goede passing op de paspennen mogelijk te maken wanneer ze in het patroon worden gestoken. Afhankelijk van de deuvels die je gebruikt, de bewerkingsstrategie en het materiaal, kun je experimenteren met wat afvalmateriaal om de optimale gatgrootte te vinden voor de beste passing. In dit geval is 6,1 mm de ideale maat gebleken. Vervolgens wordt een extra cirkel van 18 mm getekend die wordt gebruikt voor het vlakke positioneerplateau zelf.

De plaatsing van de bussen hoeft niet zo precies te zijn en kan met de hand getekend worden. Meestal wil je ze tussen 20 en 25 mm van de rand van het matrijsoppervlak om ervoor te zorgen dat het oppervlak goed wordt vastgeklemd. Bij een onderdeel als dit is een tussenafstand van 75 en 100 mm prima. Deze worden nu slechts aan één kant getekend omdat ze later gespiegeld kunnen worden.

Met behulp van de schets kunnen de pads geëxtrudeerd worden. De offset en hoogte kunnen worden aangepast om de totale grootte van de pad te minimaliseren, aangezien deze alleen groot genoeg hoeft te zijn voor het vlakke oppervlak. Er wordt een ontwerphoek van 30 graden gebruikt om er zeker van te zijn dat ze niet vastklikken in de mallen. De join functie wordt gebruikt om er één geheel van te maken. Dit wordt herhaald voor de andere positioneerkussens. Het werk wordt dan gespiegeld om de andere pads aan de andere kant van dit gereedschap te maken. De opvulplaatjes worden op de andere mal gemaakt door met het snijgereedschap de opvulplaatjes in de andere malhelft te snijden.

Nadat de pads op beide gereedschapshelften zijn gemaakt, zijn ze op maat, wat interferentieproblemen kan veroorzaken afhankelijk van de bewerkingstoleranties. Daarom wordt het trekduwgereedschap gebruikt om een offset van 0,5 mm te maken aan de vrouwelijke kant, zodat er genoeg speling is.

Tot nu toe is het model dat we hebben gemaakt van de mal zelf, dus het moet omgekeerd worden om de echte patronen te maken. Dit maakt gebruik van een soortgelijk proces voor het maken van de mal. We kunnen door het model extruderen door de basis te selecteren en naar boven te extruderen. Het combinatiegereedschap wordt dan gebruikt om het patroon uit de voorraad te snijden met de mal als snijgereedschap. Dit proces kan herhaald worden om de andere helft van het patroon te maken.

De laatste stap is het maken van de gaten voor de paspennen voor de mallen. Dit wordt gemaakt door de vorige schets te gebruiken om de gaten in beide patroonhelften te extruderen. Dat zijn de patronen die nu zijn gemaakt. Het is belangrijk om op te merken dat deze specifieke patronen gebruik maken van bekisting aan de rand om de retourflenzen van de mal te maken. Deze elementen kunnen in het patroon worden gefreesd, maar zonder een trekhoek zou de mal erg moeilijk te ontvormen zijn. De bekisting is gewoon een vlak stuk koolstofvezel dat aan de zijkant van het patroon is vastgeschroefd en kan eenvoudig worden losgeschroefd om het ontvormen van de mal te vergemakkelijken.

Het ontwerp van de patronen is nu klaar en deze patroonmodellen kunnen worden gebruikt om de benodigde freesbanen te maken voor het CNC snijden uit gereedschapspanelen. Het voorraadblok kan dan worden voorbereid door de blokken te snijden en aan elkaar te lijmen voordat ze worden bewerkt. Een patroon van deze grootte kan in meerdere stappen gesneden worden met verschillende gereedschappen. Het CNC-bewerkte patroon kan dan met de hand worden afgewerkt en verzegeld voordat het wordt gebruikt om de mal te maken. In dit geval gebruiken we de XT135 Tooling pre-preg die op het patroon wordt gelegd, uitgehard, afgewerkt en vervolgens voorzien van een afdeklaag zodat de matrijzen klaar zijn voor gebruik.