Tools for future composite products
- Reference number
- ID15-0042
- Start and end dates
- 160101-220331
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The aim of the suggested project is to develop a novel mould design methodology that enables designing mould systems for the advanced and integrated composite structures that will be demanded in the future. By integrating models describing the state of the composite material during processing into the mould design, the functions required by a mould system of a given geometry will be determined. A typical function can be how and when pressures and temperatures should be increased and how the thermal expansion of the mould material should be balanced with the coefficient of thermal expansion of the composite component to avoid unexpected residual stresses and shape distortions. In the workplan, a selection of important mould systems with increasing complexity is considered. For each complexity increase, different manufacturing sub-processes or physical phenomena will play dominating roles, which forces the development of the modelling methodology towards, finally, integrated components. The numerical methodology suggested enables scaling in component size from smaller demonstrators to full scale products, as well as changing into more robust material systems when going into full scale production. The novel methodology will demonstrate why some fairly simple geometries are difficult to produce and thereby open up for problem solving and novel design concepts. Further, it will significantly reduce time to market for future products.
Popular science description
Framtiden fordon och farkoster måste bli mer miljövänliga och dra mindre bränsle under framfart. Ett effektivt sätt att uppnå detta är att minska vikten hos farkosten, genom att exempelvis använda kompositmaterial istället för metall i den bärande strukturen. Detta är inget nytt för flygindustrin och vi har på senare år sett en allt större andel kompositmaterial i varje ny flygplansmodell som släppts. För att fullt ut kunna reducera vikt krävs dock även nya konstruktionslösning och trenden inom flygindustrin går idag därför mot större och mer integrerade kompositdesigner för att reducera antalet tunga fogar och fästelement. Dessa nya konstruktionslösningar är dock utmanande att tillverka, då de innebär att flera olika delstrukturer ska formas på olika verktygsdelar för att sedan sättas samman i vått tillstånd och härdas. Vid tillverkning av en kompositdel för flygplansindustrin lägges tunna, plana ark av för-impregnerad kolfiber samman i olika fiberriktningar på den form som utgör komponentgeometrin. Därefter värms komponenten upp till strax under 200°C och matrisen härdar. Vid formning, sammanpressning och slutligen härdning förändras kompositens egenskaper och materialet går från flytande till fast tillstånd. Formverktyget, som vanligtvis utgörs av metall, utvidgas på ett annat sätt än kompositmaterialet, vilket ofta leder till stora problem. Den slutgiltiga komponenten får en annan form än den önskade. Samspelet mellan de olika delprocesserna en kompositstruktur genomgår när det går från vått och plant, till format och solitt tillstånd påverkas av och samverkar med formverktygets beskaffenhet, dess material, geometri och det tryck den lägger på komponenten under olika delar av tillverkningsprocessen. I detta projekt föreslås en ny metodik för design av formverktyg. Den nya metodiken, baserad på material- och processmodellering, tar hänsyn till samverkan mellan formverktyget och kompositmaterialet under tillverkningen och tar fram krav på hur verktyget ska fungera vid olika delar av tillverkningsprocessen beroende på vilken geometri som ska tillverkas. Metodiken kommer att förenkla framtagningen av nya produkter och därmed förkorta tiden till en ny kompositprodukt kommer ut på marknaden. Det kommer även kunna belysa tillvekningsproblem på ett bättre sätt, vilket förenklar produktutveckling, samt möjliggöra förenklad uppskalning i tillverkningsserier och därmed byte av formmaterial.