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Título: Material - processing - quality relationships during the consolidation of out-of autoclave prepregs
Autores: Centea, Timotei
Fecha: 2013
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Mechanical
Descripción: Out-of-autoclave (OOA) prepreg processing is a new manufacturing method for high performance composites that seeks to reduce costs and increase production flexibility relative to traditional autoclave processing. OOA prepregs may be vacuum bag-only cured in conventional ovens to produce autoclave-quality parts with low void contents. To achieve such quality under vacuum consolidation, OOA prepregs feature dry areas that allow gas evacuation during the early stages of processing but must be subsequently infiltrated with resin. The present thesis describes a four-part investigation into the consolidation of such OOA prepregs, with particular emphasis on flow phenomena and flow-induced defects. First, a novel X-ray computed microtomography approach was successfully used to determine the microstructure of a representative OOA prepreg and track its evolution during processing. The results showed that, initially, the prepreg consisted of dry, micro-porous fibre tow cores surrounded by resin-rich areas and macro-pores, and that two phenomena occurred during processing: the progressive collapse of these macro-pores due to air evacuation at room temperature, and the impregnation of the dry tows at elevated temperature. Second, an analytical model for tow impregnation was developed for three OOA prepregs, and used in a parametric study to evaluate the effect of various material properties and process parameters. The results showed that towimpregnation can successfully occur in a wide variety of cases, but that deviations from ideal situations may lead to incomplete tow impregnation and flow-induced micro-porosity. Third, the effects of cure cycle and out-time on OOA prepreg consolidation were studied experimentally through material characterization, laminate manufacture and microstructural quality analysis. The results demonstrated that out-time had a detrimental effect on resin properties, process phenomena and tow micro-porosity, but that certain cure cycles mitigated or even eliminated such defects. These results were also compared to model predictions, which showed agreement with the observed trends and part quality at low out-times but under-predicted micro-void sizes at very high out-times. Finally, the effects of four deficient consolidation cases (repeated debulks, reduced ambient pressure, reduced vacuum and restricted air evacuation) were studied experimentally by laminate manufacture and final quality evaluation. The results established that reduced ambient pressure, reduced vacuum and restricted air evacuation had specific detrimental effects on consolidation phenomena and on macro- and micro-porosity within the final part, and clarified the allowable extent of such deviations for successful part manufacture. Overall, the thesis contributed to the knowledge on OOA prepreg processing in several ways. First, the key consolidation phenomena that occur during OOA prepreg consolidation were identified. Second, the effect of several material properties, process parameters and deviations from ideal conditions were evaluated to aid process optimization and define the allowable process windows for successful part manufacture. Finally, a new set of experimental and modelling tools were proposed to aid material characterization, process analysis and quality prediction.
La mise-en-forme de pré-imprégnés hors-de-l'autoclave est une nouvelle méthode de fabrication de composites haute-performance qui cherche à réduire les coûts et à augmenter la flexibilité par rapport à la fabrication traditionnelle par l'autoclave. Les pré-imprégnés hors-de-l'autoclave peuvent être mis en forme sous un sac à vide, dans un four conventionnel. Pour limiter la porosité, ils comportent des zones sèches qui permettent l'évacuation de gaz au début de la mise-en-forme et qui doivent ensuite être infiltrées par la résine. Cette thèse présente une investigation en quatre parties de la consolidation de tels pré-imprégnés, avec une emphase particulière sur le phénomène et les défauts induits par d'écoulement.En premier lieu, une nouvelle approche basée sur la microtomographie par rayons X a été utilisée avec succès pour déterminer la microstructure initiale d'un pré-imprégné hors-de-l'autoclave typique et pour suivre son évolution pendant la mise-en-forme. Les résultats ont démontré que, initialement, le pré-imprégné était constitué de noyaux de faisceaux de fibres entourés de zones riches en résine et de macro-pores, et que deux phénomènes ont prit place pendant la mise-en-forme: la disparition progressive des macro-pores due à l'évacuation des gaz à température ambiante, et l'imprégnation des faisceaux à températures élevées. En deuxième lieu, un modèle analytique décrivant l'imprégnation des faisceaux à été développé pour trois pré-imprégnés hors-de-l'autoclave, et utilisé pour une étude paramétrique afin d'évaluer l'effet de plusieurs propriétés des matériaux et paramètres de mise-en-forme. Les résultats ont démontré que l'imprégnation des faisceaux peut avoir lieu dans la majorité des cas, mais que des déviations des situations idéales peuvent causer une imprégnation incomplète et de la microporosité induite par l'écoulement. Ensuite, les effets du cycle de température et du temps d'exposition aux conditions ambiantes ont été étudiés par la caractérisation des matériaux, la fabrication de laminés et l'analyse de leur microstructure. Les résultats ont démontré que le temps d'exposition aux conditions ambiantes a un effet néfaste sur les propriétés de la résine, sur les phénomènes prenant lieu durant la mise-en-forme et sur la micro-porosité dans les faisceaux des pièces fabriquées; toutefois, ils ont aussi démontré que certains cycles de température ont mitigé ou même éliminé ces défauts. Ces résultats ont aussi été comparés aux prédictions du modèle, démontrant que ce dernier a capturé les tendances observées, mais qu'il a sous-prédit la taille des micro-porosités pour les cas d'exposition élevée aux conditions ambiantes. Finalement, les effets de quatre cas de consolidation déficiente (l'application de vide répétée, la pression ambiante réduite, le vide réduit et l'évacuation d'air restreinte) ont été étudiés expérimentalement par la mise-en-forme de laminés et l'évaluation de leur qualité. Les résultats ont établi que la pression ambiante réduite, le vide réduit et l'évacuation d'air restreinte ont des effets néfastes spécifiques sur les phénomènes de consolidation et sur la macro- et micro-porosité dans les pièces fabriquées, et clarifié l'ampleur permissible de telles déficiences pour des laminés d'une qualité acceptable. Globalement, cette thèse a contribué à des plus amples connaissances et une meilleure compréhension de la mise-en-forme de pré-imprégnés hors-de-l'autoclave. Premièrement, les principaux phénomènes prenant lieu pendant ce procédé ont été identifiés. Deuxièmement, les effets de plusieurs propriétés des matériaux, paramètres de mise-en-forme et déviations des conditions idéales ont été évalués afin d'aider à l'optimisation et de définir les fenêtres permissibles de variation pour une mise-en-forme réussie. Finalement, de nouvelles méthodes expérimentales et de modélisation ont été proposées pour aider la caractérisation des matériaux, l'analyse de procédés et la prédiction de qualité.
Idioma: en