Tesis:
Mechanical Behaviour and Numerical Modelling of Uncured Prepreg Composites for Thermoforming Processes
- Autor: AVEIGA GARCÍA, Jorge David
- Título: Mechanical Behaviour and Numerical Modelling of Uncured Prepreg Composites for Thermoforming Processes
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81299/
- Director/a 1º: GONZÁLEZ MARTÍNEZ, Carlos Daniel
- Resumen: The progress in aircraft structures is influenced not only by the search for novel materials but also by the development and improvement of manufacturing techniques. Considerable focus has been placed on the revolutionary advantages of composite materials in improving the effectiveness and weight-bearing capabilities of aerospace structures. However, it is crucial to emphasise the changes in production techniques that accompany these innovative materials. These changes have also triggered a revolution in aerospace workshops. A valuable use of these composite materials is in the form of pre-impregnated sheets, which consist of fibres embedded in resin, each possessing distinctive compositions. This material, also referred to as "prepreg", optimises the fibre/matrix ratio while speeding the layering procedure for laminates. This improvement results in greater mechanical performance and less waste compared to alternative solutions.
The process of manufacturing an aircraft component from prepreg entails several sequential steps: layering, heating, moulding, consolidation, curing, and demoulding. Every stage possesses its own distinct array of technologies. This thesis explores the thermoforming manufacturing method, which is widely adopted in the modern aerospace industry. Thermoforming is a process that entails using heat to shape a pre-laminated, uncured prepreg onto a mould and then using pressure to consolidate it. This approach effectively covers the heating, moulding, and consolidation stages, resulting in structurally complex single components, minimising the requirement for mechanical joints. Yet, for all its adaptability, thermoforming with uncured prepregs has certain constraints. Imperfections such as wrinkles, folds, and uneven thickness might degrade the effectiveness of the component, presenting a difficulty in guaranteeing constant quality.
In this research, we provide a comprehensive mechanical analysis of the uncured AS4/8552 prepreg, an area not extensively documented in the scientific literature. Addressing the challenges encountered during mechanical testing of these laminates, we introduce novel modifications to standard experimental methods. These modifications involve incorporating new processing phases into the manufacture of test samples. The findings are substantial and provide a basis for an initial attempt to create a mathematical material model that can be used for computational simulations. A novel viscoelastic material model is introduced, implementing the equations that describe a generalised Maxwell element. The study concludes that the interaction between the laminate layers and the degree of movement freedom they possess while not cured is responsible for a sizable fraction of the imperfections in the laminate.
RESUMEN
El progreso en las estructuras aeronáuticas no solo es influenciado por la búsqueda de nuevos materiales, sino también por el desarrollo y mejora de técnicas de fabricación. Se ha puesto considerable énfasis en las ventajas revolucionarias de los materiales compuestos para mejorar la eficacia y la capacidad de carga de las estructuras aeroespaciales. Sin embargo, es esencial resaltar los cambios en las técnicas de producción que acompañan a estos materiales innovadores. Estos cambios también han desencadenado una revolución en los talleres aeroespaciales. Un valioso uso de estos materiales compuestos se encuentra en la forma de láminas pre-impregnadas, que consisten en fibras embebidas en resina, ambos con composiciones distintas. Este material, también referido como "prepreg", optimiza la relación fibra/matriz y acelera el procedimiento de apilamiento de láminas. Esta mejora resulta en un elevado rendimiento mecánico y menos residuos en comparación con otras técnicas de fabricación.
El proceso de fabricación de un componente aeronáutico a partir de prepreg implica varios pasos secuenciales: apilamiento, calentamiento, moldeo, consolidación, curado y desmoldeo.Cada etapa posee su propio conjunto distinto de tecnologías. Esta tesis explora el método de fabricación de termoformado, que es ampliamente adoptado en la industria aeroespacial moderna. El termoformado es un proceso que implica usar calor para dar forma a un prepreg pre-laminado y no curado sobre un molde, y luego usar presión para consolidarlo. Este enfoque cubre eficazmente las etapas de calentamiento, moldeo y consolidación, resultando en componentes estructuralmente complejos, minimizando la necesidad de juntas mecánicas. Sin embargo, a pesar de toda su adaptabilidad, el termoformado con prepregs no curados tiene ciertas limitaciones. Imperfecciones como arrugas, pliegues y espesores desiguales pueden degradar la eficacia del componente, presentando un desafío para garantizar una calidad constante.
En esta investigación, proporcionamos un análisis mecánico exhaustivo del prepreg no curado AS4/8552, un área no ampliamente documentada en la literatura científica. Abordando los desafíos encontrados durante las pruebas mecánicas de estos laminados, introducimos modificaciones novedosas a los métodos experimentales estándar. Estas modificaciones involucran la incorporación de nuevas fases de procesamiento en la fabricación de muestras de prueba. Los hallazgos son sustanciales y proporcionan una base para un primer intento de crear un modelo matemático de material que pueda usarse para simulaciones computacionales. Se introduce un nuevo modelo material viscoelástico, implementando las ecuaciones que describen un elemento Maxwell generalizado. El estudio concluye que la interacción entre las capas del laminado y el grado de libertad de movimiento que poseen cuando no están curados es responsable de una fracción significativa de las imperfecciones en el laminado.