Characterization and real-time process monitoring of thermoplastic composites manufacturing processes

Sáenz del Castillo Gutiérrez, Diego (2020). Characterization and real-time process monitoring of thermoplastic composites manufacturing processes. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65451.

Description

Title: Characterization and real-time process monitoring of thermoplastic composites manufacturing processes
Author/s:
  • Sáenz del Castillo Gutiérrez, Diego
Contributor/s:
  • Güemes Gordo, Jesús Alfredo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Department: Materiales y Producción Aeroespacial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

There is a renewed interest on thermoplastic composites by the aerospace industry. This is mainly due to the main advantages that thermoplastic composites may offer, along with the recent development of promising manufacturing techniques, which are very close to reach the maturity and the production rates that the industry demands. The main advantages that thermoplastic may offer mainly consist of high strength and impact resistance, unlimited shelf life, low water absorption, short processing times and the opportunity of alternative out-of-autoclave (ooA) processing technologies. Some examples of the mentioned promising technologies that are nowadays being improved are compression moulding, induction welding, over-moulding or automated fibre placement (AFP) with in-situ consolidation system (AFP-ISC). AFP-ISC process consists on the automated lamination of thermoplastic tapes which are melted by a heat source and consolidated by a compaction unit over a previously consolidated substrate. The part is quickly cooled down and solidified. In this way, melting and consolidation of the part can be performed in a single step This study aimed to characterize and compare different OoA manufacturing methods with a particular emphasis on laser-assisted AFP-ISC. In addition to that, the present investigation also aimed to develop a real-time process monitoring methodology by means of optical fibre Bragg grating sensors (FBG). The characterization of thermoplastic manufacturing processes was focused on two main issues. The first issue was to investigate the existing gap of mechanical properties observed in the laminates produced by AFP-ISC technology in comparison with other techniques. With this aim, an approach based on the porosity was adopted, since it is considered the main defect responsible of a drop of properties in composites. Thus, void distribution, size and content within laminates manufactured by vacuum bag-only in oven (VBO), hot-press and AFP-ISC were characterized. The characterization campaign included other tests which evaluated other key aspects, including ultrasonic non-destructive testing (NDT), degree of crystallinity by means of differential scanning calorimetry (DSC) and mechanical testing. The second issue was to investigate the impact of void content on the final mechanical behaviour of the composites; in order to establish interrelations between ultrasonic NDT, void content and mechanical properties. For this purpose, several methodologies for manufacturing defect-induced laminates were investigated. One of them was selected for manufacturing a set of laminates in a wide range of porosity. The laminates were characterized by means of ultrasonic response, void content and mechanical testing; and the interrelation was performed. Regarding the process monitoring with FBG sensors, it was detected that thermal history is the parameter governing the key phenomena taking place in laser-assisted AFP-ISC. Thus, only infrared (IR) thermographic cameras are typically employed for temperature control during lamination, which are very limited to surface measurements. Thus, different strategies for FBG sensors embedment were investigated. After the optimization of the strategy, different FBG sensors were embedded with real time process-monitoring purposes. The analysis of the monitored data allowed identifying the main stages of the process, such as heating-up, consolidation and cooling down; and several key findings were made. Also, a set of FBG sensors was encapsulated, which acted as a temperature probe allowing the thermal history monitoring. The results provided by the performed characterization showed that some properties of AFP-ISC laminates can be up to a 30% lower than VBO or hot-press laminates. The analysis of voids size and distribution revealed that bigger voids can be found in AFP-ISC laminates, which, moreover, are accumulated in interlaminar regions. These findings were related to the drop of mechanical properties. Interrelation of porosity, ultrasonic attenuation and mechanical properties was performed after characterizing the set of laminates manufactured within a wide range of porosity. These correlations allowed obtaining critical void content values, where the mechanical properties of the laminates start decreasing. The results suggested that each processing technology should have its own quality control criteria. The performed characterization is useful for engineering applications of thermoplastic composites and the creation of NDT acceptance criteria. On the other hand, the application of FBG sensors for process monitoring of laser-assisted AFP-ISC was validated. The main phenomena occurring during the process were identified after analysing the monitored data. Also, thermal history was successfully monitored applying the sensor encapsulation approach. First steps were taken toward strain monitoring during the process, but further work is required. Post-consolidation residual stains remained in the part were assessed by the embedded sensors after demoulding. ----------RESUMEN---------- Durante los últimos años, hemos presenciado un interés renovado en los materiales compuestos de matriz termoplástica por parte del sector aeronáutico. Esto se debe principalmente a las numerosas ventajas que dichos materiales pueden ofrecer, pero también a los recientes avances en el desarrollo de prometedores procesos de fabricación, que estás más cerca que nunca de alcanzar el nivel de madurez y las tasas de productividad que demanda la industria. Entre las principales ventajas que ofrecen los materiales termoplásticos se encuentran una alta resistencia, la no necesidad de almacenamiento en frío, baja absorción de humedad, cortos tiempos de procesado y la oportunidad de usar métodos alternativos de fabricación fuera de autoclave (OoA, out of autoclave). Entre esas tecnologías que se encuentran en desarrollo a día de hoy, se pueden encontrar el moldeo por compresión, soldadura por inducción, over-moulding o el encintado automático de fibra (AFP) con consolidación in-situ (AFP-ISC). Este último proceso de fabricación consiste en encintar y consolidar material de manera automática sobre un sustrato que ha sido previamente consolidado. Para ello, un cabezal realiza el aporte de material mientras que una fuente de calor calienta la resina para que posteriormente una unidad compactadora realice la consolidación con el sustrato y se prosiga con el enfriamiento y la solidificación. Este proceso permite la fabricación de una pieza de material compuesto en un solo paso, sin la necesidad de ciclos de consolidación posteriores en estufas u autoclaves. El presente proyecto de investigación ha pretendido caracterizar y comparar diferentes métodos de fabricación OoA, con especial énfasis en el proceso AFP-ISC con un sistema láser como fuente de calor. Además de la caracterización, el otro objetivo principal del proyecto se basó en desarrollar un sistema de monitorización a tiempo real del proceso con sensores de fibra óptica de redes de Bragg (FBG), que son principalmente sensibles a variaciones de temperatura y deformación. La caracterización de los procesos de fabricación estuvo centrada principalmente en dos factores. El primero fue investigar acerca de la brecha existente entre las prestaciones mecánicas de laminados de material compuesto termoplástico fabricados por AFP-ISC en comparación con otros métodos. Esta problemática se abordó desde la perspectiva de que la porosidad y los huecos son los principales defectos que pueden causar una caída de propiedades mecánicas en el material compuesto. De este modo, se realizó un estudio de la distribución tamaño y la forma de la porosidad en laminados fabricados bajo tres métodos OoA, incluyendo bolsa de vacío en estufa (VBO), prensa de platos calientes y AFP-ISC. La campaña de caracterización también incluyó otro tipo de ensayos, como ensayos-no destructivos (END) por ultrasonidos, el grado de cristalinidad por calorimetría de barrido y una serie de ensayos mecánicos. El segundo de los factores que se investigó fue el efecto del volumen de huecos en el comportamiento mecánico final de laminados termoplásticos, para poder establecer correlaciones entre la atenuación de los END por ultrasónicos, la porosidad y las propiedades mecánicas. Con este objetivo se investigaron diferentes estrategias de fabricación que permitieran obtener laminados con diferentes valores de porosidad. Los laminados fabricados se caracterizaron por medio de END por ultrasonidos, contenido en huecos y propiedades mecánicas. Dicha caracterización permitió realizar la correlación previamente mencionada. La monitorización del proceso con sensores FBG vino motivada porque se detectó que la historia térmica del proceso es probablemente el parámetro que gobierna todos los fenómenos que ocurren durante el proceso AFP-ISC; y, que a día de hoy solo se monitoriza la temperatura mediante el uso de cámaras termográficas infrarrojas (IR). El uso de dichas cámaras termográficas está muy limitado a medidas superficiales, que no permiten conocer el comportamiento térmico dentro del laminado. En este proyecto de tesis se investigaron diferentes estrategias de embebido de sensores FBG en laminados fabricados por AFP-ISC, lo que supuso un reto debido al agresivo entorno de fabricación por las altas temperaturas y presiones alcanzadas. Una vez que se encontró una estrategia favorable, se investigó el uso de diferentes sensores FBG para monitorizar el proceso a tiempo real. El análisis de los datos monitorizados permitió identificar las principales fases del proceso a las que se ve sometido el material, tal como calentamiento, fundición, consolidación y enfriamiento. Los resultados obtenidos permitieron ampliar el conocimiento acerca del proceso de fabricación y de las diferentes etapas. Para poder monitorizar la historia térmica del proceso, un conjunto de sensores FBG fueron adecuadamente encapsulados para que actuaran como sensores únicamente de temperatura. Los resultados de la campaña de caracterización revelaron que algunas propiedades de laminados fabricados por AFP-ISC pueden caer hasta un 30 % en comparación con los otros métodos OoA bajo estudio. El análisis de la porosidad sugirió que en los laminados fabricados por AFP-ISC hay huecos de un mayor tamaño; y que además, se concentran en localizaciones específicas, como en las regiones interlaminares, lo cual está relacionado con la caída de propiedades mecánicas. La fabricación y caracterización de los laminados fabricados en un amplio rango de valores de porosidad permitió realizar la correlación entre valores de porosidad, atenuación de la señal ultrasónica y las propiedades finales. Dicha correlación permitió establecer valores críticos de volumen de huecos, a partir de los cuales las propiedades mecánicas empiezan a decrecer. Debido a la diferente morfología, los resultados sugirieron que los laminados fabricados por métodos distintos deberían de tener criterios de aceptación diferentes. Los resultados pueden ser de gran utilidad para aplicaciones en ingeniería y certificación de materiales compuestos de matriz termoplástica, así como para elaborar criterios de aceptación. Por otro lado, la aplicación de sensores FBG para monitorizar a tiempo real el proceso AFP-ISC con fuente láser ha sido validada durante la presente tesis doctoral. Los sensores se mostraron capaces de identificar los principales fenómenos del proceso (calentamiento, consolidación, enfriamiento). Del mismo modo, la historia térmica del proceso fue monitorizada con éxito a partir de la estrategia previamente descrita del encapsulado de sensores FBG. Por último, se dieron los primeros pasos acerca de monitorizar la evolución de las deformaciones durante el proceso de fabricación, aunque se trató de un estudio muy preliminar que requiere de futuras investigaciones. Por últimos, se demostró la viabilidad de medir las tensiones residuales acumuladas en el material tras la fabricación mediante los sensores FBG integrados en la pieza.

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Item ID: 65451
DC Identifier: http://oa.upm.es/65451/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65451
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65451
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 17 Nov 2020 11:07
Last Modified: 17 Nov 2020 11:07
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