Steering of prepreg tows in an automated fibre placement (AFP) process allows geodesic layup trajectory over a doubly-curved surface, as well as the potential to improve the efficiency of composite structures by tailoring their stiffness. However, defects (such as out-of-plane buckling and tow pull off) are commonly generated when the steering radius exceeds a critical limit, which impact the mechanical properties of the finished product. The in- and out-of-plane material properties of the prepreg tows have been shown to significantly influence the quality of the layup. In this thesis, in-plane shear behaviour of uncured IMA-M21 unidirectional (UD) prepreg was characterised using an off-axis tensile test to derive material parameters for process models to predict steering limits and defects. Test parameters, such as shear strain rates and temperatures, that were investigated were consistent to the actual AFP process. The results demonstrates the expected strain-rate and temperature dependencies related to the resins viscoelastic behaviour. Subsequently, a novel micro-mechanical finite element (FE) simulation of a 3-dimensional UD prepreg unit cell in pure shear was conducted to gain qualitative insights into the complex rheological behaviour at play. It effectively demonstrates how fibre friction, resin viscosity and shear strain rates influence the load transfer between fibres and melt, as well as the movement of fibres during the shearing process. These were reflected in the shear stress-strain curves generated in the simulation and elastic micro-buckling observed in the fibre elements. The results pave a way for future development of a robust material model for predicting the critical process parameters to achieve quality layups from AFP steering process. / Automated Fibre Placement (AFP) är en automatiserad metod för tillverkning av högpresterande fiberkompositkomponenter inom främst flygindustrin. AFP gör det möjligt att styra fiberupplägget genom att följa den geodetiska vägen ¨over dubbelkrökta ytor. Detta ger effektiva kompositstrukturer där fibrerna tillåts ligga i precis de rätta, skräddarsydda riktningarna för bästa möjliga mekaniska prestanda. Det finns dock begränsningar, speciellt när det gäller kritiska styrradier där defekter som fiberbuckling och fiber-släpp lätt uppstår. Dessa defekter påverkar den färdiga produktens mekaniska egenskaper. Skjuvegenskaperna i planet hos de ohärdade prepregens fiberbuntar och buckling ut ur planet har visat sig ha stor inverkan på kvalitén hos fiberuppläggen. I denna avhandling undersöks skjuvegenskaperna hos ohärdad IMA-M21 enkelriktad (UD) prepreg med hjälp av ett icke-axiellt dragprov. Syftet ¨ar att ta fram materialdata för simulering av fiberuppläggets begränsningar, för att kunna bestämma hur AFPn bör styras. Modellerna ska ¨aven prediktera de defekter som uppstår. Testparametrar så som skjuvhastigheter och temperaturer undersöks för att efterlikna den verkliga AFP-processen. Resultaten fångar det förväntade skjuvhastighet- och temperaturberoende som ges av matrisens viskoelastiska egenskaper. Baserat på dessa modeller tas en nya mikromekanisk modell fram som implementerad i Finita Element (FE) ger kvalitativ inblick i den komplexa reologin som inverkar. Modellen påvisar tydligt hur fiberfriktion, matrisens viskositet- och skjuvhastighet påverkar kraftföreningen mellan fiber och matris, så väl som förflyttningen av fibrer under skjuvprocessen. Resultaten banar väg för framtida utveckling av robusta materialmodeller för att kunna prediktera kritiska parametrar för att åstadkomma högkvalitativa
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-262011 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Chea, Ming Kai |
| Publisher | KTH, Lättkonstruktioner |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2019:300 |
Page generated in 0.0018 seconds