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ADVANCED COMPOSITE MATERIALS FOR INDUSTRIAL USE: MODELLING CHALLENGES AND TRANSLATION EXPERIENCE
Ronan Le Goff, PhDR&D Programme Manager
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IPC AT A GLANCE
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INNOVATION PLASTURGIE COMPOSITES
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IPC, established December 1st 2015, is theFrench Technical Centre for Innovation andExpertise in support of Industry.
Opened to industrials, IPC takes part in thesetup of partnerships and helps to createsynergies between actors of the plastics andcomposites branches.
OUR OBJECTIVESImproving the competitiveness of the industrythrough innovationGiving access to latest technological means forindustrials.
EXPERTISERESEARCH &DEVELOPMENT
Our activities
■ R&D■ Services■ Collective actions■ Training
Our competencies
■ Materials■ Design & simulation■ Processes & tools■ Smart Hybrids■ Recycling
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120 employees (researchers, engineers, technicians): multi-competencies teams
Annual sales
INNOVATION PLASTURGIE COMPOSITES
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Our certifications
CIRAgréé CréditImpôt Recherche (CIR)
SGSCertifié ISO 9001v2008
COFRACISO 17025
Research & Development(private R&D or collaborative projects )
Services for companies
40 % 60 %
20162010 2011 2012 2013 2014 2015 2017
5.9M€
6.3M€
6.7M€
8.2M€
8.2M€
9M€
10M€
12M€
Collective actions setting-up
22%VARIOUS
5%ELECTRONICS
8%PACKAGING
25%AUTOMOTIVE
25%AEROSPACEDEFENSE
15%MEDICAL
Market share
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ADVANCED COMPOSITES CHALLENGES
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Product & Technology Evolution
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From high-performance
Structural ApplicationTo Smart Systems
From single polymer
composite
To multi-material product and hybrid manufacturing
To high production rates
applications
Functionalization
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Applications and target markets
• Lightweight
• Structure health monitoring
• Active aerodynamics
• Interface – sensors integration
• Optical properties
• Touch feel
• Traceability
• Integration of functions
• Prostheses
• Antimicrobial systems
• Medicine packaging
• Multifunctional
• Smart windows
• Lightweight and smart structures
• Lightweight packaging
• Smart packaging
• Actives and antimicrobial packaging
• Biobased packaging
• Solar
• H2 Storage/ Fuel cell
• Batteries packaging
• Wind
• Interfaces
Market needs for advanced functionalities
Energy
Buildings and Infrastructures
Medical and Health
Packaging
Transport
Consumer goods
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TRANSLATION EXPERIENCE1-HYBRID OVERMOULDING
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Hybrid Overmoulding
Project description The objective is to improve and validate a modelling workflow for
manufacturing of a structural composite thermoplastic product
By improving modelling accuracy
By comparison with a demonstration tools
The product is made by hybrid overmoulding. It is a combination of :
Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic composite (CFRTP)
Short Fiber Reinforced Thermoplastic (SFRTP)
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Continuous FRTP
Short FRTP
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Hybrid Overmoulding
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StampingHeating
Modelling
Material output• Fiber orientation• Warpage• Polymer Flow• Internal stresses
Material input• CFRTP• SFRTP
Overmoulding
1-Picking 2-Heating 3-Stamping 4-Overmoulding 5-Ejection
Continuous FRTPShort FRTP
Several steps Many material parameters into account (number of plies, thicknesses, woven structure…)
Process Workflow
Dedicated Commercial Software
Link to chain models
Modelling Workflow
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Hybrid Overmoulding
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Translation challenges Identify the steps of the modelling where we can increase
simulation accuracy
To keep thermal history of material on the whole workflow
To take into account anisotropy on mechanical results
To handle with commercial software
SpecificationDefinition Implementation Final Restitution
Project Manager (Modelling expert with scripting skills)
Sales
Heat Transfer Expert
Validation
Process Engineer
Software Editor
ClientClient
Translation Strategy
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Hybrid Overmoulding
Validation
Tightening area
Fiber orientation
wrinkle
Compression area
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Hybrid Overmoulding
Economic impact Investment :
Technical cost of invest (Material + equipment) : €5,000
IPC Modelling cost of invest:
Staff cost : €8,000
Software cost : Hyperworks +Moldflow = €80,000 (Cost of the software licences)
Computing cost : €2,000
Client ROI
A better definition of the process sequence
Shorten the cycle time
Increase robustness
Reduce trial and experiments
A improvement in product design Crash engineers
• To get fiber directions due to forming history
Product engineers
• To study formability
• To optimize the initial flat ply shape to avoid wrinkles
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TRANSLATION EXPERIENCE2-COOLING CIRCUIT MOLD DESIGN
With the agreement of
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Cooling circuit mold design
Project description and general outcome The objective is to improve manufacturing performance of a Body actuator
plastic product
By re-designing the production tool
By improving quality
by increasing productivity
Modelling outcome Modelling helps in
designing a new cooling system in injection molding mold
identifying the best location for cooling channels
understanding heat transfer in metal during in-service behavior
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The product is made by injection molding and the actual mold lifetime is over
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Cooling circuit mold design
Global Product Development workflow
Modelling worflow
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Heat transfercalculation
Best coolingtime
estimation
Heat transferoptimization
Coolingchanneldesign
Modelling
Validation
QuotationProduct and
Process Design
Manufacturingtools
building
TuningDiagnostics
Manufacturing
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Cooling circuit mold design
Modelling results Model 1 : 1D energy equation
Model 2 : 3D heat transfer + optimization engine
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Conformal Cooling Channels design
Heat and mass transfer modeling
Isotherms for cooling channel design
Temperature
distribution on cooling
surface
Isotherm and heat flux
Heat transfer calculation App for cooling time estimation in injection molding
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Cooling circuit mold design
Numerical and Experimental Validation
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Drilled cooling channelsConformal cooling
channelsOutcome
Production Numerical Production Numerical Production
Productivity
Cycle time[s] 66 64 42 42 -36%
Cooling time [s] (Packing
included)
50 50 32 32 -35%
Quality[mm] 0.48 0.13 0.25 0.13 - 48%
[mm] 0.30 0.32 0.18 0.29 - 40%
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Cooling circuit mold design
Economic impact Investment :
Client Technical cost of invest (mold overcost+staff) : €10,000
IPC Modelling cost of invest:
Staff cost : €1,500 (weighted on the project)
Software cost : €25,000 (Cost of the software licence)
Computing cost : €2,000
Client ROI
Total (actual or expected) value of financial returns : €60,000
Better productivity -36% on cycle time : €48000
Accelerated production preparation and tuning : €12000
ROI = (60,000-10,000)/10,000 = 500 %
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Efficient Translation
1. Well understanding of the need
2. Definition of a modelling strategy according :
• Deadlines and Budget
• Result Accuracy
• Different scenario in mind
3. Explain the approach in the “client’s language”
4. Availability of material data
5. Right expert facing the right problem
6. Interpretation of results with the benefit of hindsight
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DefinitionSpecification
Implementation
Restitution