Banner

Formation of defects in flat laminates during Automatic Tape Laying

Tim Steensels & Alexander Jordaens Alexander Jordaens
Koolstofvezels, en hun gewichtsbesparende design-mogelijkheden, zijn een ‘hot topic’ voor de industrie sedert het begin van de 21e eeuw. Voornamelijk in de luchtvaartindustrie hebben ze een revolutie ontketend waarbij elk onderdeel van een vliegtuig lichter, sterker, duurzamer en  vooral brandstofbesparend moet zijn.

Formation of defects in flat laminates during Automatic Tape Laying

Koolstofvezels, en hun gewichtsbesparende design-mogelijkheden, zijn een ‘hot topic’ voor de industrie sedert het begin van de 21e eeuw. Voornamelijk in de luchtvaartindustrie hebben ze een revolutie ontketend waarbij elk onderdeel van een vliegtuig lichter, sterker, duurzamer en  vooral brandstofbesparend moet zijn. Gezien een vliegtuig gedurende zijn levensduur enkele miljoenen passagiers veilig naar hun bestemmingen moet brengen, worden hun onderdelen aan de strengste en hoogste kwaliteitseisen onderworpen.

Bij Sabca Limburg, een Belgisch bedrijf actief in de lucht- en ruimtevaart, was de efficiëntie van de productie van bepaalde composieten vliegtuigonderdelen niet optimaal. 10 tot 60% van de productie vertoonde rimpelvorming, wat ervoor zorgde dat het de strenge kwaliteitscontrole niet doorstond. Gezien de afgekeurde koolstofvezel laminaten niet gerecycleerd kunnen worden, worden deze bij het afval gezet. Reken hierbij een kostprijs van om en bij de 9000 euro per laminaat en het wordt al snel duidelijk dat er nood was aan dit productieproces efficiënter, duurzamer en ecologischer te maken. Om deze reden vroeg Sabca Limburg ons een onderzoek te voeren naar de oorzaken van deze rimpelvorming.

De productie van deze laminaten gebeurt met een Automatic Tape Layer machine (ATL), waarvan er slechts een 50-tal bestaan ter wereld. Deze complexe machine legt stroken composiet tape, bestaande uit koolstofvezels en hars, in een procedé vergelijkbaar met een correctie roller. Vele stroken vormen een laag, en vele lagen samen vormen een laminaat. Deze stroken worden onder +45° en -45° aangebracht op een vlakke werktafel waar een beschermende folie (releasefolie) is op aangebracht. Nadat het laminaat is voltooid wordt het versneden in kleinere laminaten. Deze worden gebakken in de autoclaaf en verder verwerkt tot het desbetreffende vliegtuigonderdeel. Bij het onderzochte probleemproject wordt er door specificatie van de klant gewerkt met een van de dunste koolstoftapes ter wereld. Deze is slechts 0,125 millimeter dik, zo dik als 2 vellen papier op elkaar. Deze tape heeft echter een slechtere oppervlaktekwaliteit dan de andere, dikkere tapes die men bij Sabca Limburg gebruikt voor andere projecten.

Om de rimpelvorming te onderzoeken hebben we voor het eerst het complexe Automatic Tape Laying proces volledig geanalyseerd door middel van alle machine-, proces-, en materiaalparameters, alsook hun invloeden op elkaar, in kaart te brengen. Om de human factors te bepalen, alsook de interrelaties tussen de verschillende parameters, zijn productie toezichten gebeurd. Het is tijdens deze toezichten dat er werd vastgesteld dat er niet enkel rimpelvorming zich voordoet, maar ook andere defecten meespelen in de kwaliteit van het eindproduct. Om deze reden hebben wij, in samenspraak met Sabca Limburg, de probleemstelling uitgebreid naar het onderzoek naar defecten in vlakke laminaten tijdens het Automatic Tape Laying proces. Omdat het gebruik van de slechtere kwaliteit composiet tape niet veranderd kan worden werd er van ons een oplossing verwacht zodanig dat efficiënte en duurzame productie met deze tape mogelijk wordt.

Het ‘leggen’ van een strook composiet tape kan gebeuren in 2 verschillende modussen: de M84 en de M85 modus. In de M84 modus wordt de tape aan dezelfde snelheid van de rol afgerold als dat de machine voortbeweegt. Bij de M85 modus komt er een voorspanning op de tape te staan door een tegenwerkend moment op de rollen aan te brengen, en wordt de tape afgerold door de wrijving van de tape onder de voet waarmee deze gelegd wordt. Het M85 tape laying proces is goed te vergelijken met de werking van een correctie roller.

Om de krachten die de tape ondervindt tijdens het productieproces te bepalen werd een voettrekproef uitgevoerd. Hierbij bleek dat het gebruik van de M84 modus resulteerde in 4 keer lagere krachten in de tape dan de M85 modus. Ook bleek dat het gebruik van een rolvoet in plaats van een vaste voet de trekspanning in de tape met een factor 2 verlaagde. Vanuit deze bevindingen is een nieuw tape laying programma ontwikkeld met Sabca Limburg, sterk gebruik makende van deze M84 modus.

Ook werd een nieuwe laagoriëntatie geïntroduceerd, waarbij niet enkel +45° en -45° lagen worden gelegd, maar ook +135° en -135° lagen. Hierbij is een -135° laag identiek aan een +45° laag, maar wordt deze vanuit de tegengestelde zin gelegd. Dit voorkomt spanningsopbouw in de lagen doordat een potentiële spanningsopbouw of rek in een bepaalde laag wordt gecompenseerd door hierover in de tegengestelde zin te gaan lamineren in een volgende laag. Het is onder andere deze spanningsopbouw dat in het verleden leidde tot het bewegen van het gehele laminaat over de tafel, en resulteerde in rimpelvorming.

Verder bleek het leggen van de eerste 2 lagen cruciaal, indien deze niet goed kleven aan de releasefolie geeft dit problemen in de volgende lagen. Wanneer de tape licht wordt verwarmd zal de kleefkracht toenemen en zo de aanhechting aan de folie verbeteren. Om deze reden werd er een nieuw schema voor het gebruik van de tafelverwarming geïntroduceerd, waarbij deze enkel geactiveerd wordt bij het leggen van deze eerste 2 cruciale lagen. Om dit kleven van de eerste laag nog verder te bevorderen wordt er gebruik gemaakt van een dubbelzijdige kleefband die rond de contour van het laminaat wordt aangebracht in het zogenaamde ‘bruto gelegd’ gedeelte. Dit bruto gelegd gedeelte is het gedeelte van het laminaat dat er af wordt gesneden en niet verder gebruikt wordt. Dit zorgt ervoor dat de start van een strook zonder problemen verloopt, zonder het gebruik van dure ‘grippers’ die bovendien niet compatibel zijn met de strenge kwaliteitseisen voor de luchtvaart.

Zo ziet u dat er met goedkope, doch innovatieve oplossingen toch grote vooruitgangen geboekt kunnen worden. Door middel van bovenstaande optimalisaties te implementeren bij Sabca Limburg werden er geen rimpels meer waargenomen. Sterker nog: er werd zelfs geen enkel laminaat meer afgekeurd. Prima voor Sabca Limburg, maar ook prima voor het milieu. En gezien ook andere defecten werden opgelost die wél de kwaliteitscontrole passeerden wordt bovendien verwacht dat de levensduur van het vliegtuigonderdeel verlengd zal worden. Nu moet u zich geen zorgen gaan maken dat dit vroeger niet veilig was, maar een extra veiligheidsfactor is mooi meegenomen. Vanwege de positieve resultaten van ons thesisonderzoek zijn de nieuwe programma’s en methoden ook geimplementeerd voor de andere tapelayer productieprocessen bij Sabca Limburg.

Bibliografie

[1] J. Bal, “Prepreg wrinkling on ATL,” Sabca Limburg, Internal R&D Report, Sep. 2012.

[2] R. J. Crossley, P. J. Schubel, and N. A. Warrior, “The experimental characterisation of prepreg tack,” Polymer Composites Group Division of Materials, Mechanics and Structures. Faculty of Engineering of The University of Nottingham, 2009.

[3] K. D. Potter, “Understanding the Origins of Defects and Variability in Composites Manufacture,” in International Conference on Composite Materials, Edinburgh, UK, 2009.

[4] T. Raible, K. Tegeler, S. Löhnert, and P. Wriggers, “Development of a wrinkling algorithm for orthotropic membrane materials,” Computer methods in applied mechanics and engineering, vol. 194, pp. 2550–2568, Jul. 2004.

[5] D. Hoff, “Waviness of preplied stacks,” Sabca Limburg, 22-Aug-2000.

[6] Y. Larberg, “Forming of stacked unidirectional prepreg materials,” Doctoral thesis, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2012.

[7] J. Sun, M. Li, Y. Gu, D. Zhang, Y. Li, and Z. Zhang, “Interply friction of carbon fiber/epoxy prepreg stacks under different processing conditions,” Journal of Composite Materials, vol. 48, no. 5, pp. 515–526, Mar. 2014.

[8] P. Hallander, M. Akermo, C. Mattei, M. Petersson, and T. Nyman, “An experimental study of mechanisms behind wrinkle development during forming of composite laminates,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 50, pp. 54–64, Jul. 2013.

[9] Manufacturer A, “ATL wrinkling issues at Sabca,” Reply to work request, Mar. 2012.

[10] R. Das, P. Roozbehjavan, R. Joven, A. Ahmed, and B. Minaie, “Stress relaxation of thermosetting prepreg composites during cure.”

[11] Y. R. Larberg and M. Åkermo, “On the interply friction of different generations of carbon/epoxy prepreg systems,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 42, no. 9, pp. 1067–1074, Sep. 2011.

[12] M. T. Abadi, “Micromechanical analysis of stress relaxation response of fiber-reinforced polymers,” Composites Science and Technology, vol. 69, no. 7–8, pp. 1286–1292, Jun. 2009.

[13] R. J. Crossley, P. J. Schubel, and N. A. Warrior, “The experimental determination of prepreg tack and dynamic stiffness,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 43, no. 3, pp. 423–434, Mar. 2012.

[14] “Operating manual for Cincinnati multi axis low rail tape laying machine with CM100 CNC control.” Cincinnati.

[15] J. Bal, “Delaminations,” Sabca Limburg, Internal R&D Report, Aug. 2012.

[16] J. C. Guzman, D. McCarville, D. M. Rotter, T. J. Washburn, K. S. Willden, and D. C. Darrow, “Wrinkle reduction in uncured composite laminates,” US 2010/0078845 A1, 04-Jan-2010.

[17] K. Potter, “In-plane and out-of-plane deformation properties of unidirectional preimpregnated reinforcement,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 33, no. 11, pp. 1469–1477, 2002.

[18] K. Croft, L. Lessard, D. Pasini, M. Hojjati, J. Chen, and A. Yousefpour, “Experimental study of the effect of automated fiber placement induced defects on performance of composite laminates,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 42, no. 5, pp. 484–491, May 2011.

[19] “Com&Sense bvba.” Available: http://www.com-sens.eu.

Universiteit of Hogeschool
Master in de Industriële Ingenieurswetenschappen: Elektromechanica
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden