Verktyg för framtidens kompositprodukter

Diarienummer: ID15-0042
Start- och slutdatum: 160101-220331
Beviljat belopp: 2 500 000 kr
Förvaltande organisation: KTH - Royal Institute of Technology
Forskningsområde: Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

I detta projekt föreslås en ny metodik för design av formverktyg för kompositframställning. Metodiken tar hänsyn till samverkan mellan komposit och verktyg under tillverkningsprocessen, vilket krävs för att kunna designa och tillverka de stora, lätta och integrerade kompositstrukturer som behövs i framtidens flygplansstrukturer. Genom att integrera modeller som beskriver de fenomen som uppstår i kompositmaterialet i sig självt och i samverkan mellan material och formverktyg, tas en kravbild fram som beskriver vilka funktioner under processen. Exempel på sådana funktioner kan vara när och hur trycket ska läggas på. I arbetsplanen föreslås att en selektion av speciellt intressant formverktyg studeras. Dessa har ökande komplexitet och olika fysikaliska processer förväntas därför spela olika stor roll för de olika fallen. På så sätt byggs den numeriska metoden upp för att tillslut kunna användas för design av ett större integrerat formverktyg. Den föreslagna metodiken förenklar uppskalning i komponentstorlek från mindre demonstratorer till fullskaliga produkter, samt möjliggör byte av materialsystem då större tillverkningsserier kräver slitstarkare formmaterial. Vidare kommer den nya metodiken demonstrera varför svårigheter uppstår vid tillverkning av en viss typ av geometrier, vilket öppnar upp för problemlösning och nya designkoncept. Framförallt kommer dock metodiken förkorta ledtiden för utvecklingsarbetet och därmed tiden för att få ut en ny produkt på marknaden.

Populärvetenskaplig beskrivning

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.