A dissertation submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering. Johannesburg, October 2017 / This research looks into the manufacturing process of complex geometries using continuous fibre reinforced thermoplastics (CFRTP). The purpose of this work was to develop methods that will enable the production of defect free complex components. This was achieved by investigating the key process parameters in the CFRTP manufacturing process, and optimizing them in order to improve the quality of components. The investi- gations were performed with the aid of software making use of the finite element method, and this was found to be instrumental in predicting the formability of geometries. The re- search showed that the formability of complex geometry is largely determined by the ability of the laminate to be draped into the required geometry. The forming mechanisms that take place during the draping process can be linked to the formation of defects where draping is unsuccessful. The study also showed that the quality of the drape can be influenced by blank and tool design factors. It was also shown that the blank can be manipulated using a restraint mechanism to improve the formability of geometries. The effect of processing parameters such as forming speed, forming pressure and tool temperature were also investigated. The research resulted in the formulation of guidelines to follow when manufacturing CFRTP components. The developments that were made were successfully implemented to improve the formability of a complex component that had previously been difficult to form without defects. / MT2018

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Published Article / This paper looks at the development of composite materials in layered manufacturing. It is known that Rapid Prototyping (RP) using a single material compares poorly with other conventional manufacturing processes when making parts from similar materials. For example, injection moulded parts are over 30% stronger than RP fabricated parts of the same material. The incorporation of secondary materials can result in a composite that can improve this situation. This paper will discuss different composites that are commercially available as well as some into which research is being conducted. An advantage of RP is that composites do not have to be manufactured in a homogeneous manner. Functionally graded parts may be fabricated where reinforcing material can be added in appropriate locations and in required orientations.

Ce mémoire, scindé tout au long de ses chapitres entre deux projets distincts de caractérisation de matériaux, présente les aspects expérimentaux d'une étude sur les joints d'aluminium collés d'une part et les matériaux composites à fibres courtes orientées aléatoirement d'autre part.Ce travail s'est effectué au sein d'une entreprise ; ceci explique l'importance accordée à une approche industrielle des sujets de recherche. La revue de littérature sur ces secteurs innovants a permis d'influencer les choix techniques et d'orienter les étapes pratiques. Les propriétés de base, notamment en termes de rigidité et de résistance, ont été caractérisées à l'aide de tests mécaniques normalisés. D'autres mesures ont aussi été faites par des méthodes plus variées comme la microscopie, les ultrasons, l'analyse thermomécanique. Finalement, les résultats ont permis de mieux connaître ces matériaux et les technologies associées (pour le collage notamment) et de procurer des données expérimentales fiables et concrètes en vue d'une optimisation des structures faisant appel à ces techniques. Dans le cas du collage, l'importance du traitement de surface a été prouvée, et plusieurs paramètres intervenant dans ce procédé d'assemblage ont pu être étudiés (température, épaisseur du joint, géométrie). La résistance importante du collage a aussi été démontrée, tant en statique (21 MPa) qu'en limite d'endurance. Pour l'étude des composites, les points faibles d'une coque de bateau ont pu être identifiés et une classification des propriétés dans la structure proposée (trois zones de résistances comprises entre 21 et 36 MPa). L'impact de la densité de la résine et de la quantité de fibres, de même que l'influence de l'orientation des fibres ont été abordés dans ce problème. Enfin, une étude en flexion a permis de chiffrer un écart de 35,4 % entre la déformation relevée à la fissure du revêtement gel-coat, en surface donc uniquement esthétique, et celle du composite lors de son bris structural.

Bien que les matériaux composites soient déjà très largement utilisés dans de nombreux domaines il n’en demeure pas moins qu’ils présentent toujours des pistes de développement et d’améliorations. Cela vise principalement à accroitre leurs performances et leur légèreté. La recherche sur l’utilisation de fibres naturelles et résines bio-sourcées dans la fabrication de composites s’est intensifiée avec le désir des entreprises de réduire les coûts de production, de recycler leurs produits et d’afficher une image « verte ».Ce projet s’inscrit dans ce cadre puisqu’il a pour but de caractériser l’effet d’un traitement de fibres naturelles sur les performances de matériaux composites. Le traitement réalisé sera le revêtement de fibres de lin par une couche mince de dioxyde de titane. Bien que de nombreux traitements sur les fibres visant à les rendre plus performantes existent déjà ce traitement permet de conserver le caractère biocompatible des fibres naturelles, d’améliorer leur résistance thermique et de diminuer leur capacité d’absorption d’humidité. De plus la nature de la matrice de ces composites sera amenée à varier pour étudier l’influence de ce traitement de surface sur l’adhésion interfaciale fibre/matrice. Le but de ce projet est d’étudier l’effet d’un traitement au dioxyde de titane réalisé par un procédé sol gel sur les performances mécaniques de composites. Cette caractérisation se fera à travers divers tests comme ceux de tension, cisaillement ou encore absorption d’humidité afin d’évaluer sur quels paramètres le traitement à une influence.

À l'heure actuelle, il existe de nombreuses machines de la vie quotidienne instrumentées avec des capteurs responsables de récolter des données. Plusieurs de ces capteurs sont installés dans le but d'exploiter les données à des fins de diagnostic. Dans la plupart des cas, les données abondantes et complexes ne peuvent être analysées facilement par un être humain. Ces données ne sont souvent que très partiellement exploitées. Ceci est également le cas dans le domaine de l'aéronautique. Le fonctionnement moderne des avions commerciaux génère de vastes quantités de données issues non seulement des capteurs à bord de l'avion, mais aussi des données obtenues à partir des procédures de maintenance. Comme pour des machines de la vie quotidienne, ces données ne sont pas exploitées de manière suffisamment efficace. Le pronostic par exploitation de données, basé sur des algorithmes d'apprentissage, est depuis peu envisagé dans le traitement des données. Ce projet présente son application dans le domaine de l'aéronautique pour la prédiction de la durée de vie résiduelle des structures en composite faisant partie d'un avion suite à un endommagement par impact. Ce mémoire par articles est divisé en cinq parties. Les principaux sujets traités concernent les matériaux composites, la propagation d'ondes, la surveillance embarquée des structures ainsi que la méthode de pronostic. La première partie expose l'état de l'art. La seconde partie présente une étude de la propagation des ondes guidées dans une structure transparente et isotrope contenant un ou plusieurs défauts. Cette étude est menée à l'aide d'un système de surveillance piézocéramique qui peut lui aussi être affecté d'un défaut. Les résultats obtenus démontrent que la couche adhésive sous les capteurs piézocéramiques se dégrade avec la présence d'impact. Des courbes de calibration expérimentales peuvent être construites pour compenser la dégradation de la couche adhésive suite à un impact. En détectant et en compensant une dégradation du système de surveillance piezocéramique ceci permet une amélioration de la robustesse du pronostic. Le troisième chapitre présente une étude des ondes guidées dans une structure isotrope et opaque. Plutôt que d'utiliser des courbes de calibration expérimentales, un modèle numérique est développé. Ce modèle rend possible la compensation de défauts dans les systèmes de surveillance piézocéramiques installés sur des métaux et sur des matériaux composites. Les quatrième et cinquième parties dérivent l'étape de pronostic. Dans un premier temps le traitement des données d'un système de surveillance piézocéramique monté sur des échantillons en composite est présenté. Suit la transformation des informations brutes mesurées par les transducteurs en paramètres permettant d'identifier des tendances lors d'un dommage important sur l'échantillon. Ces paramètres sont alors entrés dans les modèles basés sur des algorithmes d'apprentissage génériques. La cinquième partie détaille la méthode de compensation d'une dégradation du système de surveillance piézocéramique en exploitant les données récoltées identifiées dans les deux premières études (chapitre deux et trois).

The automotive industry is facing a great challenge - reducing the weight of their vehicles. Carbon fibre composites are regarded by many as the only real option as traditional engineering materials are now running out of potential for further weight reduction. In this doctoral thesis a framework is presented which will provide guidelines for the conceptual phase of the development of an automotive composite body structure. The framework is initiated by defining ideal material diversity, as well as initial partition of the body structure based on process and material selection. Then, a further analysis of the structures is made in order to evaluate whether a more cost efficient solution can be found by further dividing the structure. Such a differential design approach is analysed in the third part of the work, studying both the financial and structural effects of such partitioning. In order to increase the understanding of the intimate relationship between design, material and manufacturing process, balancing manufacturing and structural optimization is addressed. Finally, drape simulation tools are used to assess the geometric complexity of composite structures in order to further quantify suitable split lines in cases of differential design approach. Different carbon fibre composite material systems and processes are compared and evaluated in the work. The results show that a high-performance material system with continuous fibres is both more cost and performance effective as compared to industrialised, discontinuous fibre composites. Further analysis shows the importance of balancing the design for manufacturing and the structural weight optimization of the structures in order to reach a cost and weight effective design. When restricting composite design freedom with manufacturing constraints, the great benefits of structural composites disappear and with this both weight and cost effectiveness. / <p>QC 20160418</p>

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