A study of the factors influencing air removal in Out-of-Autoclave processing of composites

Torres López, Juan José (2019). A study of the factors influencing air removal in Out-of-Autoclave processing of composites. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56274.

Description

Title: A study of the factors influencing air removal in Out-of-Autoclave processing of composites
Author/s:
  • Torres López, Juan José
Contributor/s:
  • González Martínez, Carlos Daniel
  • Sket, Federico
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

[img] PDF - Users in campus UPM only until 7 May 2020 - Requires a PDF viewer, such as GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
Download (9MB)

Abstract

Hoy en día, la fabricación de piezas de material compuesto mediante procesos que no requieren autoclave está ganando importancia, debido a la reducción de grandes inversiones iniciales y costes recurrentes. Entre estas tecnologías, se encuentra la consolidación de preimpregnados diseñados para fuera de autoclave (OoA) mediante bolsa de vacío (VBO) y un horno industrial, lo que permite la fabricación de piezas estructurales de alta calidad sin la necesidad de autoclaves. Estos preimpregnados no están completamente impregnados, creando unos canales dentro de los mazos de fibras, los cuales permiten evacuar el aire del interior o los volátiles generados durante el ciclo de curado. El objetivo de esta tesis se enfoca en entender y explicar la distribución espacial, los mecanismos de formación y de transporte de poros durante la consolidación de preimpregnados OoA mediante el método de VBO. Este trabajo incluye estudios paralelos llevados a cabo mediante tomografía de rayos X (XCT) en 3D, para determinar los factores más relevantes en el proceso de extracción de aire en laminados de material compuesto producidos manualmente (HLU) y mediante un sistema de posicionamiento automático de fibras (AFP). La validez de la tomografía para clasificar fuentes de porosidad, dentro de las láminas de preimpregnados (intraply) y entre láminas (interply), así como su evolución durante el ciclo de curado, es demostrada en este trabajo. El material de partida del proyecto corresponde a laminados de preimpregnados M56 suministrados por Hexcel, los cuales se comercializan como producto de material compuesto estructural para aviones, con la característica específica para ser consolidado fuera de autoclave. La resina M56 está diseñada para tener un bajo contenido de poros siguiendo las condiciones establecidas de curado para VBO. Además, también se estudiaron unas nuevas configuraciones de preimpregnados reforzados con partículas y velos de termoplástico. La intención de utilizar laminados reforzados en la estructura primaria de aviones se debe a los altos requerimientos de tolerancia al daño. Como se explicará más adelante en esta tesis, tanto los laminados reforzados con partículas o velos presentaron unas dificultades adicionales en la extracción de aire durante el proceso de curado, ya que los mecanismos de evacuación se vieron obstaculizados, conduciendo a la obtención de piezas de material compuesto con alta fracción volumétrica de poros. Un punto importante a destacar en la fabricación de laminados HLU está relacionado con los métodos de debulking, los cuales se conocen como preconsolidación del laminado fresco, mediante la aplicación de ciclos de vacío para mejorar la adhesión entre láminas de preimpregnados. La aplicación de un debulking incorrecto producirá un exceso de aire atrapado entre las capas en el estado fresco, porosidad interply, lo que conducirá a una cantidad importante de poros una vez el material esté curado. En los laminados HLU, la mayoría de los poros interply se transportan adecuadamente a los canales de evacuación, sin embargo, parte de esta porosidad permanece atrapada. Para evitar el alto contenido de porosidad detectado en éstos laminados, la mejor alternativa es usar métodos de laminación automatizados y, en particular, el AFP. En este caso, unos rodillos con temperatura son utilizados para colocar los mazos de fibras ejerciendo la presión necesaria para eliminar la mayor cantidad posible de aire atrapado entre capas, produciendo piezas de más alta calidad una vez curadas. Sin embargo, los laminados reforzados con partículas o velos preparados mediante AFP mostraron algunas ineficiencias en los mecanismos de extracción de poros en comparación con el estándar. Muchos de los estudios presentados en esta tesis se llevaron a cabo mediante un procedimiento de inspección secuencial. Con este fin, los paneles se curaron parcialmente deteniendo el ciclo en diferentes puntos. Dichos paneles semicurados fueron inspeccionados para evaluar la evolución de la porosidad en términos de cantidad y distribución espacial. Sin embargo, estos estudios carecieron de información sobre la dinámica del proceso, por lo que se procedió a efectuar un gran desafío, que consistió en monitorear de manera precisa la evolución de la porosidad durante el curado del material, algo que no se ha hecho hasta ahora y mucho menos mediante una técnica visual en 3D. Esta combinación de monitoreo de la dinámica de la evolución de los poros mediante XCT en laboratorio y tomografía sincrotrón (SXCT) a diferentes resoluciones durante el proceso de curado, proporcionó una comprensión profunda del proceso de evacuación de poros, creando una estrategia para el posterior desarrollo de materiales OoA. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, manufacturing of composite parts using out-of-Autoclave (OoA) processes is gaining importance because it allows a reduction of initial investments and recurring costs. Among these technologies, the consolidation of out-of-autoclave prepregs using vacuum bag only technologies (VBO) is proven to provide high-quality composite structural parts without the need of autoclaves. OoA prepregs are designed to be semi-impregnated creating engineered channels within the tows to evacuate internal air or volatiles generated during the cure cycle. The aim of this thesis is to understand and explain the void formation mechanisms, their spatial distribution and transport mechanisms during the consolidation of OoA prepregs using vacuum bag only methods. This thesis will include parallel studies carried out using X-ray computed tomography (XCT) to determine the most important factors for air removal process in laminated composites produced by hand lay-up (HLU) and automated fiber placement (AFP). The ability of XCT to classify porosity sources, inside of the plies (intraply) and within adjacent plies (interply), and its evolution during the cure cycle was demonstrated in this work. This project is focuses on the commercial M56 prepreg, a Hexcel product marketed for OoA curing of composite aircraft structures. M56 resin is designed for low void content following vacuum bag only conditions. In addition, new interleaved prepreg configurations containing thermoplastic particles and veils are studied. The interleave technologies are intended for use in aircraft primary structures, where damage tolerance is mandatory. As it will be described in the thesis, the interleaved laminates (particles or veils) presented additional difficulties for air removal during curing, since they hamper the air removal mechanisms and might lead to large volume fraction of voids in the composite parts. A major point in HLU laminates is related with debulking methods. Debulking is known as a preconsolidation of the fresh laminate by means of the application of vacuum cycles to enhance the adhesion between the plies. An incorrect debulking will produce an excess of air entrapped between the plies in the fresh state, interply porosity, that lead to an important number of voids after curing. In HLU laminates, most of the interply voids are adequately transported to the evacuation channels, but many of them remained arrested. To avoid the high void content detected in HLU, the best alternative is to use automated layup methods, and in particular, automated fiber placement (AFP). In this case, the heated rollers used to lay the fiber tows exert the required pressure to eliminate, or almost, air entrapped between the plies producing the highest quality after curing. However, laminates prepared by AFP containing interleaves by either particles or veils showed some inefficiencies in the voids extraction mechanisms as compared with the standard one. A lot of the studies presented in this thesis were carried out using a sequential inspection procedure. To this end, panels were partially cured stopping the cycle at different points. Such semicured panels were then inspected to address the evolution of the void content in terms of contents and spatial distribution. However, these studies lack on information of the dynamics of the process and a big challenge is the accurate monitoring of the evolution of porosity during composite curing, which has not been done so far and even less with a 3D visual technique. This combination of monitoring the dynamics of pore evolution by laboratory XCT and synchrotron tomography (SXCT) at different resolutions during a cure process will provide a profound understanding of the pore evacuation process which is strategic for the further development of OoA materials.

More information

Item ID: 56274
DC Identifier: http://oa.upm.es/56274/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56274
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56274
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 Nov 2019 06:15
Last Modified: 07 Nov 2019 06:15
  • Logo InvestigaM (UPM)
  • Logo GEOUP4
  • Logo Open Access
  • Open Access
  • Logo Sherpa/Romeo
    Check whether the anglo-saxon journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo Dulcinea
    Check whether the spanish journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo de Recolecta
  • Logo del Observatorio I+D+i UPM
  • Logo de OpenCourseWare UPM