תכנון חומרים מרוכבים: כשהשכבות מסתבכות – הפתרון מתבהר
קלים במיוחד, חזקים ואמידים מאד – חומרים מרוכבים הינם אידיאלים לתכנון וייצור מבנים קלים עם יכולות ביצועיות חזקות בעיקר בתעשיות התעופה והחלל, הרכב, האנרגיה והביטחון.
עם זאת, תכנון וייצור המוני של מוצרים מורכבים באמצעות חומרים מרוכבים עלולים להיות מאתגרים ויקרים מאד.
מה הופך את תכנון ה- COMPOSITE לכל כך מסובך?
במבט ראשון, תכנון של חלק עשוי COMPOSITE עשוי להיראות פשוט: שרטוט גיאומטריה, הגדרת שכבות, סיום, בעוד בפועל מדובר בפאזל הנדסי מורכב בהרבה.
הנה חלק מהאתגרים המרכזיים שמתכננים נתקלים בהם:
- שונות בעובי ובמספר השכבות לאורך החלק, לפי דרישות חוזק משתנות
- שכבות חופפות שדורשות חישוב מדויק של גבולות ו־drop-off
- יישור סיבים בכיוונים ספציפיים, בהתאם למאמץ
- קשרים עם חלקים סמוכים ומגבלות הרכבה
- מגבלות ייצור כגון רדיוס כיפוף מינימלי, כיווני סלילה ועוד
ובנוסף – כל שינוי קטן באחד מהפרמטרים האלו יכול לגרור שינוי בכל מבנה השכבות, בכל גבול ובכל אזור.
ומה לגבי פתרון תוכנתי שמנהל את כל המורכבות?
הפתרונות המסורתיים הקיימים בשוק מציעים פתרונות נפרדים לתכנון, בדיקה וייצור.
מערכת CATIA 3DEXPERIENCE כוללת סביבת עבודה ייעודית לתכנון מבני קומפוזיט – Composite Design. הסביבה כוללת אפליקציות מתקדמות לניהול מלא של מבנה השכבות, בתיאום עם מודל החוזק, תכנון תעשייתי (manufacturing preparation) והתאמה להרכבות.
האפליקציה המרכזית לתכנון הינה Composites Design, אשר נמצאת תחת רול ה־Composites Designer ומאפשרת להגדיר שכבות לפי אזורים, רשתות, או חתכים נפחיים, ולבנות את המבנה בצורה חכמה, כולל חוקים פנימיים, ירושה מהגיאומטריה, ושמירה על חוקי עובי ומעברי שכבות.
הפתרון אינו דורש יצירת גיאומטריה נפרדת לכל שכבה, אלא מנהל את כולן בתוך ממשק אחד אינטואיטיבי – עם אפשרות לעבור בקלות בין תכנון, בדיקת אחידות, חישוב משקל, הפקת דוחות, ויצירת מידע לייצור. התוצאה: תכנון מדויק, קל לתחזוקה, ומוכן להרצה בתהליכי סימולציה וייצור מתקדמים.
אז איך היא עושה זאת? ישנן מספר שיטות:
תכנון ידני? אולי בחלקים פשוטים
במקרים פשוטים, כמו חלקים אוטומוטיביים קטנים עם מעט שכבות, אפשר לנהל את התכנון בגישה ידנית – שכבה אחר שכבה, עם שרטוט עצמאי של כל אזור. אבל ככל שהמורכבות עולה – השיטה הזו כבר לא מספיקה. התכנון הופך לאיטי, רווי שגיאות, וקשה לעדכון או התאמה.
פתרונות מתקדמים לניהול המורכבות
למול האתגרים האלה, פותחו בשנים האחרונות גישות מתקדמות לתכנון חלקי COMPOSITE – שמאפשרות למתכננים לנהל מבנה שכבות מורכב בצורה חכמה, מהירה ומדויקת יותר. הנה כמה מהן:
- גישה מבוססת אזורים (Zones) – מחלקת את פני החלק לאזורים בעלי חוק עובי שונה, ומתכננת את השכבות והמעברים ביניהם באופן אוטומטי.
- גישה מבוססת רשת (Grid) – דומה לגישת האזורים, אך במקום לחלק לפי גבולות חופשיים, משתמשת ברשת הנדסית המובנית בתוך החלק (למשל, מבנה מחוזק פנימי), וכך מאפשרת שליטה מדויקת על סידור השכבות.
- גישה מבוססת נפח (Solid Slicing) – תכנון לפי נפח מוצק שנחתך לשכבות לפי חוק העובי – שימושי במיוחד לחלקים מונוליטיים (יציקת קומפוזיט אחידה).
- ייבוא נתונים מאקסל – פתרון שמתאים למקרים שבהם מבנה השכבות כבר מוגדר מראש בקובץ חיצוני, לדוגמה בלהבים של טורבינות רוח או מדחפים – וניתן פשוט להזין את הנתונים ולהפוך אותם לשכבות בפועל.
אז מה הדרך הנכונה?
אין גישה אחת שנכונה תמיד – הבחירה תלויה באופי החלק, בתעשייה, בתהליך הייצור ובתוכנה שעומדת לרשותכם. אבל יש כלל אחד שכן תמיד נכון:
ככל שהמורכבות עולה, כך עולה הצורך בתכנון חכם ומבוסס-מערכת, ולא בתכנון ידני.
תכנון חלקי COMPOSITE לא חייב להיות מורכב, עם הכלים הנכונים, והבנה נכונה של הגישות השונות – הוא יכול להפוך לתהליך מדויק, מהיר, ויעיל. כזה שמאפשר למתכננים להתמקד במה שחשוב באמת – הנדסה חכמה, מותאמת לדרישות, ומוכנה לייצור.
לסיכום, עולם תכן המבנים המרוכבים נמצא בתנופה מתמדת, ודורש כלים מתקדמים המשלבים גמישות, דיוק ויכולת התאמה למורכבויות ההנדסיות של היום. המעבר מהתבססות על תכנון ידני לגישות אוטומטיות ומודרניות מאפשר למהנדסים ולמתכננים לא רק לחסוך בזמן, אלא גם לשפר את איכות המוצר וההתאמה לדרישות הייצור. אימוץ כלים אלו מהווה צעד משמעותי עבור כל מי שמעוניין להוביל תהליכי תכן מדויקים ויעילים בעולמות הקומפוזיט.
