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 は、プラスチック製燃料タンク補給システムを生産し、ジェネラルモーター社、ダイムラークライスラー社、およびハーレー・ダビッドソン社を含む自動車製造会社にその製品を提供しています。 他のサプライヤーと同様に、VITEC は、生産段階に入る前に、容量とグレードラインの調査を行い、デザインの製造可能性および性能について評価をしています。

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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.

VITEC の新しいプロセスの原理は、スキャンした物理的部品由来のモデルと CAD データからのシミュレーションを比較して正確な厚さの計測値の取得を実現しようとするものです。 このプロセスは燃料タンクを生産するために使用するブロー成形プロセスをシミュレートすることから始まります。

抽出ブロー成形はパリソンと呼ばれる円管状のプラスチック性樹脂を溶けるまで熱し、金型を挟んで成形します。 この金型のコアの同調動作によってパリソンの厚みの数値が決定します。

VITEC の製品開発部長のカリム・アメラル博士は、「パリソンの膨張によってプラスチック樹脂を空洞の型壁まで押し付け、タンクの最終形状が得られます」と説明します。 冷却すると、製造部品のさまざまな厚みがそれぞれの位置で計測できるようになります。

VITEC のこの新しいプロセスは、ブロー成形プロセス全体をシミュレートし、自動的に厚みを計測し、実際の製造部品と CAD モデルを調整します。

アメラル博士は、「ブロー成形のシミュレーション テクノロジーを導入することにより、いかなるプロセスや設計に関わる問題をも把握でき、実際の製造を行う前に、それぞれ異なるタンク壁の厚みを予想することができます」と語ります。

僅かな時間で高い精密度

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バイナリ STL ファイルを BlowView ソフトウェアに読み込み、BlowSim 解析ソルバーで計算するために Patran ファイルへ変換します。 上は、BlowSim が 2 つの燃料タンクの抽出ブロー成形プロセスをシミュレートしている様子を示します。

VITEC のプロセスはお客様に燃料タンクが車体内で置かれた位置の包囲境界線を提供してもらうことから始まります。 この境界線によって、タンクの形状が決まります。 VITEC では、この境界データを燃料タンクシェルの Unigraphics または Catia CAD ファイルに読み込みます。

部品ファイルを光造形 (STL) ファイルとして CAD システムからエクスポートします。 ファイルのうち数種類を MSC.Software 社の Patran ソフトウェアで読み込み、燃料タンクの外表面の有限要素メッシュを生成します。 その他のファイルを BlowView シミュレーション ソフトウェアで読み込み、Patran ファイルへ変換し、膨張したパリソンの厚さを解析ソルバーの BlowSim で計算します。 計算で得られたパリソンの厚さは、燃料タンクの外表面メッシュにマッピングされます。

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.

アメラル博士は、「ブロー成形シミュレーション解析によって、プロセス環境の最適化が図られ、均一なタンクの厚み分布が得られます。 その結果、すべてのプロセスや設計事項を製品開発の最初の段階で評価でき、製造工程の繰り返しを最小限に抑え、工具の作成や材料費を削減できます」と述べています。

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.

実際の製品とデジタル仮想製品の架け橋

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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.

グラフィック比較を行った検証

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.

アメラル博士は、「シミュレーションの結果の精密度を検証し、仮想部品の予想値に対し信頼を確証するためにこのプロセスを実施しています」と述べます。

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.

製造工程に入る前に問題点を特定

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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.

このプロセスは、VITEC が正確な容量とグレードラインの調査を行うために必要なさまざまな厚さの情報だけではなく、車のクラッシュ模擬テストに使用する実際のモデルも提供します。

“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.

同様に燃料補給時の高さと容量の調査では、理論的な補給曲線は試験場で得られた実際の曲線と非常に近似していることが示されました。

“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.”

自動化ツールの標準を設定

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.”