A new process for modeling fuel tanks is delivering greater design accuracy and saving automotive supplier VITEC up to 40 percent in product development time.

VITEC fabrique des systèmes de stockage et de distribution de carburant en plastique pour des constructeurs automobiles, notamment General Motors, Daimler Chrysler et Harley-Davidson. Comme la plupart des équipementiers, VITEC a recours aux études en volume et en fil de fer pour évaluer les possibilités de fabrication et les performances fonctionnelles de ses modèles avant leur mise en production.

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A 3D comparison analysis is performed in Geomagic Control to compute the negative and positive tank wall deformations that occur during the blow molding process.

he studies require variable thickness information that is not available without the manufactured part. In the past, VITEC has conducted simulations based on an average thickness value assigned throughout the tank shell. But such estimates leave room for errors that can add to production time and lead to retooling costs.

La nouvelle procédure de VITEC compare des simulations provenant des données de CAO aux modèles issus de la numérisation des pièces physiques pour assurer une mesure précise de l'épaisseur. La procédure commence par la simulation de la procédure de moulage par soufflage utilisée pour la production des réservoirs de carburant.

Le moulage par soufflage et extrusion s'effectue à partir d'un tube plastique (appelé paraison) chauffé jusqu'à l'état pâteux, puis poussé à travers une filière. Le déplacement synchronisé du noyau de filière détermine les valeurs d'épaisseur de la paraison.

« Le soufflage de la paraison pousse le plastique contre les parois du moule pour arriver à la forme définitive du réservoir », explique le Dr Karim Amellal, responsable du développement des produits chez VITEC. Après refroidissement, l'épaisseur variable de la pièce fabriquée peut être mesurée à différents emplacements.

Tout en simulant la totalité du processus de soufflage, la nouvelle méthodologie de VITEC calcule automatiquement les épaisseurs et compare le modèle CAO à la pièce fabriquée.

« L'arrivée de la technique de simulation de soufflage permet d'anticiper les problèmes de processus et de modélisation, puis d'évaluer les épaisseurs variables des parois du réservoir avant même de lancer la fabrication », reprend M. Amellal.

Meilleure précision en moins de temps

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Les fichiers STL binaires sont importés vers le logiciel BlowView où ils sont convertis en fichiers Patran utilisés par le solveur d'analyse BlowSim. Ci-dessus, BlowSim simule le processus de soufflage par extrusion pour deux réservoirs de carburant.

VITEC commence par faire préciser par le client les enveloppes limites entre lesquelles le réservoir devra se situer dans le véhicule. Ces limites définissent la forme du réservoir. VITEC charge ces données de limites dans les fichiers de CAO Unigraphics ou Catia de la coque du réservoir.

Les fichiers sont exportés depuis le système de CAO sous la forme de fichiers de stéréolithographie (STL). Certains de ces fichiers sont importés dans le logiciel Patran de MSC.Software, qui va générer un maillage à éléments finis de la surface extérieure du réservoir. D'autres sont importés dans le logiciel de simulation BlowView, où ils sont convertis en fichiers Patran utilisés par le solveur d'analyse BlowSim pour calculer les valeurs d'épaisseur de la paraison soufflée. Les résultats d'épaisseur de la paraison sont ensuite appliqués sur la surface externe maillée du réservoir.

Predicted results of the extrusion blow molding process for a tank design are obtained from BlowSim and then processed within Patran. The inner solid is generated within Patran by offsetting the thickness values from the outer surface.

« L'analyse de simulation de soufflage offre les meilleures conditions pour obtenir une distribution uniforme de l'épaisseur du réservoir », explique M. Amellal. « Les résultats conduisent à des économies sur les outillages et le matériau en évaluant tous les problèmes de processus et de modélisation dès les premiers stades de développement du produit, en vue de réduire le nombre d'étapes nécessaires ».

The Patran STL files for the inner and outer surfaces are imported into Geomagic Design X (formerly Studio) software, which is used by manufacturers for mass production of customized devices, build-to-order manufacturing, and automatic re-creation of physical parts and molds.

Un pont entre le physique et le numérique

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Outside surfaces of tank shell samples obtained from the manufacturing floor are scanned and the resulting model imported into Geomagic Design X for surface enhancement and modeling.

VITEC uses an optical scanning system to digitize the outside surfaces of a fuel tank shell taken from the manufacturing floor. The point-cloud data from the scanner is brought into Geomagic Design X for surface enhancement and modeling. Surface repairs and hole filling are done automatically within Geomagic Design X to create a closed-volume polygon.

The shell sample is then cut in half and the inside surfaces scanned. The outer surfaces on the shell halves are also scanned to obtain datum plane references. After scanning, the two half-tank point clouds are imported into Geomagic Design X. The software automatically merges the two halves using a best-fit alignment tool.

Geomagic Studio enables VITEC to do a 3D comparison between the BlowSim-derived Patran models and the models generated from the scans of the actual fuel tank. This enables VITEC to validate the theoretical predictions of wall thickness obtained from BlowSim.

The effects of warpage can also be modeled in Geomagic Design X. When cutting the tank shell, the plastic walls warp as a result of frozen-in residual stresses during the cooling stage of the blow molding process. Geomagic Design X performs a 3D comparison to compute the negative and positive tank wall deformations resulting from the warping.

Validation par comparaison graphique

In addition to the visual comparisons of thickness and warpage made within Geomagic Design X, VITEC compares measurement values obtained from the physical part to those from the simulated model. This is done by VITEC’s quality assurance group using Geomagic Control computer-aided inspection software. Geomagic Control automatically aligns and compares measurement data from cross-sections of the physical part with the BlowSim model.

« Cette procédure de validation permet de vérifier la précision des résultats de simulation et d'améliorer notre confiance dans les prédictions à venir sur des pièces virtuelles », explique M. Amellal.

Computer-aided inspection replaces a process that involved measuring the wall thickness levels using an ultrasound technique. The technique requires that a grid be applied to the tank surfaces; thickness values are measured at the grid cell corners. A coordinate measurement machine (CMM) is also used to measure and verify dimensional integrity of the fuel tank.

Amellal says the combination of the scanner and Geomagic Control provide greater speed and accuracy than the ultrasound technique, and could potentially replace the CMM machine as well.

“We think we can use optical scanning and Geomagic Control to potentially reduce product quality inspection time by at least 20 to 30 percent,” Amellal says.

Identification des problèmes avant production

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Geomagic Control is used to obtain measurement values on both the actual and theoretical models. Accuracy levels obtained during the comparison between predicted and actual thickness values are also reported.

After quality assurance, the model is sent back to VITEC’s product development team, which uses Geomagic Design X for a final 3D comparison between the captured physical part and the BlowSim model. STEP files are exported from Geomagic Design X back to the CAD system, where designs are modified as needed.

La procédure fournit à VITEC non seulement les informations d'épaisseur variable nécessaires pour effectuer des études précises de volume et de résistance, mais aussi un modèle réaliste pour les simulations de collision.

“Customers don't have to wait anymore for physical tests to evaluate whether a fuel tank will perform in a vehicle environment,” Amellal says. “That is the main reason why these computer simulation technologies are used by VITEC. We can anticipate issues relating to manufacturing, structure or refueling prior to actual production. Cost savings are achieved and customers benefit.”

VITEC performed two studies to verify accuracy of the fuel tank simulation. First, volume studies compared theoretical volumes from the simulation process with the actual volumes of two different gas tanks. Results showed accuracy levels of 99.5 for a small car gas tank and 97.7 percent for a truck tank.

De même, les études de hauteur en fonction du volume pendant le remplissage ont montré une courbe de remplissage théorique très voisine de la courbe réelle issue des laboratoires d'essais.

“This suggests that computer-aided analyses used at VITEC can reduce the cost and time consumed with physical tests tremendously,” Amellal says. “Initial estimates suggest significant cost savings and a reduced product development time of up to 40 percent.”

Définition des références à l'aide d'un outil automatisé

Eventually, VITEC hopes to develop an automated simulation tool that can address all customer requirements in terms of fuel tank manufacturability, structural integrity and refueling performance. Relying on commercially available software packages – BlowView, Patran, Geomagic Design X and Control — for internal simulation capabilities is only the first step.

“VITEC plans to develop a methodology to automatically transfer data from one software package to another, and to build an interface that will link all of the internal simulation capabilities,” Amellal says. “The result will be a fully automated simulation tool (FAST) that CAD design engineers can use on a daily basis during the product development stage. That's VITEC’s vision.”