Press-forming of multi-layer composites
- Reference number
- SM16-0019
- Start and end dates
- 170101-181231
- Amount granted
- 1 500 000 SEK
- Administrative organization
- Saab AB
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The aim of the proposed project is to investigate whether press-forming could be used for multi-layer forming of aircraft composite parts. Specific objectives are: 1)"Consolidation mechanisms during the press forming process 2)"Forming multi-stacked Unidirectional pre-impregnated fibre mats into female moulds 3)"Divergency from low pressure forming mechanisms 4)"Evaluation of process limitations Complex composite designs often suffer from lack of pressure during curing, affecting the void formation and transportation of entrapped air. These designs therefore benefit from increased consolidation either in the lay-up or in the forming process. The expected result of pressforming are decreased void level after forming. Traditionally a composite assembly contains a shimming operation. The shimming operation itself can contribute as much as 30% to the part cost. One way to minimize the shimming operation is well controlled mould surfaces, which the project expect to achieve by developing a method to form into a female mould. The proposed project will also use the knowledge of forming mechanisms, gained by the research on low pressure forming, to experimentally evaluate press-forming as a method for multi-stack forming of curved geometries. The Project expect to find if the forming mechanism will change when both forming speed and forming pressure increase.
Popular science description
De viktigaste drivkrafterna för civil flygplansutveckling idag är flygsäkerhet och minskning av bränsleförbrukningen. Flygplans strukturen kan bidra till en minskad bränsleförbrukning genom användning av lättviktsmaterial så som kolfiberkomposit och ytor som ger minskat luftmotstånd. Komposittrenden har varit stark och den senaste generationens civila flygplan är därför byggda av tunna lager av kolfiber förimpregnerad med epoxiplast, s.k. prepreg. Prepeg kan antingen vara i form av väv eller enkelriktad tape och av flygsäkerhetsskäl kontrolleras dessa material alltid mot en bestämd specifikation. Prepreg skikten kan läggas upp i stackar så att olika lager får olika fiberriktning så att den färdiga produkten får önskade egenskaper i olika riktningar. Den upplagda stacken härdas sedan vid 180 ⁰C en trycksatt ugn en s.k. Autoklav. Traditionellt sker uppläggning av prepreg-skikten för hand och detta tar förstås tid och är därmed kostsamt. Uppläggning av enkelriktad tape prepreg kan idag automatiseras genom användning av 5-axliga maskiner antingen i form av s.k. ”Automated Tape-lay Machines”,ATL eller ”Automated Fibre Placement”, AFP. AFP använder smalare prepreg-remsor än ATL och kan därför styra remsorna vid uppläggning på dubbelkrökta former. Hastigheten för att göra detta är dock mycket långsammare än automatiserad plan uppläggning. En kostnadseffektivmetod är därför planuppläggning följd av en formningsoperation. En vanlig metod i flygindustrin är vakuumformning med eller utan värme. Ett vanligt problem med kolfiber komposit är luftinneslutningar och porer som potentiellt sänker kompositens prestanda. För att transportera ut luften ur den upplagda prepreg stacken krävs en yttre tryckpåläggning. Eftersom vakuumformning ger en begränsad tryckpåläggning krävs det att en del av lufttransporten sker under härdning i Autoklaven. Om formningen istället sker i en pressoperation skulle det pålagda trycket bli avsevärt större än vid vakuumformning. Detta skulle kunna möjliggöra härdning utan att behöva använda en autoklav. Eftersom pressning även sker mellan två stela verktygshalvor skulle den färdiga kompositartikeln också kunna få finare toleranser. Detta skulle ge en stor tidsbesparing vid ihop montering av kompositartiklarna. Pressformningsprocessen för enkelriktad prepreg tape måste dock kartläggas så att inte veckbilning sker under formningen. Veck kan i värsta fall ge upphov till så mycket som 40 % reduktion av hållfastheten.