Multiphysics simulation: dielectric composite manufacturing
- Reference number
- IPD23-0021
- Project leader
- Florisson, Sara
- Start and end dates
- 240119-260119
- Amount granted
- 1 500 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Epoxy based polymers are used in lightweight applications for their low weight and high mechanical stiffness properties. Their thermal and electrical properties may be tuned for specific applications by incorporating additives into the epoxy. The consortium partner Hitachi Energy uses an epoxy-based polymer as a dielectric with a high-flame-retardant grade for bushings in transformers as an insulator. Large amount of mass flow is used for filling the meters wide bushings with an epoxy-based resin, where this process takes several hours up to a few days. Epoxy-based resin is a mixture with hardeners such that this thermosetting polymer cures under specific conditions by an exothermal chemical reaction. Curing builds a network of polymer chains hardening the underlying material. This project aims at modeling and simulating of resin (viscous fluid) flow and chemical curing for estimating the mechanical stresses. In this way, production related problems of cavities and fracture formations may be prevented by an optimization scheme using this computational model. The project covers 12 months and is divided into 5 work packages: (1 and 2) the development of a coupled fluid flow and curing simulation, (3) determination of flow parameters through calorimeter measurements, (4) benchmark case to test the model, and (5) incorporation of a digital twin for situation specific simulations to optimise the process.
Popular science description
Epoxibaserade polymerer används i lättviktstillämpningar på grund av deras låga vikt och höga mekaniska styvhetsegenskaper. Deras termiska och elektriska egenskaper kan för specifika tillämpningar genom att tillsätta tillsatser i epoxin. Konsor konsortiepartner Hitachi Energy använder en epoxibaserad polymer som dielektrikum med en hög flamskyddsgrad för bussningar i transformatorer som en isolator. Stor mängd massflöde används för att fylla de meterbreda bussningarna med ett epoxibaserat harts, där denna process tar flera timmar upp till några dagar. Epoxibaserat harts är en blandning med härdare så att denna värmehärdande polymer härdar under specifika förhållanden genom en exoterm kemisk reaktion. Härdningen bildar ett nätverk av polymer kedjor som härdar det underliggande materialet. För en stor struktur är denna process rums- och och tidsberoende direkt relaterad till de omgivande förhållandena. Detta projekt syftar till att modellering och simulering av hartsflöde (viskös vätska) och kemisk härdning för uppskatta de mekaniska spänningarna. På detta sätt kan produktionsrelaterade problem med kaviteter och sprickbildningar förebyggas genom ett optimeringsschema som använder denna beräkningsmodell. Detta projekt är planerat att genomföras under 12 månader uppdelat i 5 arbetspaket. Första, strömninsmeakanik simulering med härdningskoppling realiseras som modellerar, för det andra, strömsegenskaper under härdning. För det tredje bestäms dessa fluidsparametrar genom kalorimetermätningar. För det fjärde, den kompletta flerfysikmodellen utförs mot ett referensfall. För det femte, som ett viktigt digitala tvilling av tillverkningsprocessen som ska användas för att optimera själva processen.