co-cured manufacturing of advanced composite materials using vacuum assisted resin transfer

223 Pages·2017·3.07 MB·English

by  Mert Akın

CO-CURED MANUFACTURING OF ADVANCED COMPOSITE MATERIALS USING
VACUUM ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

MERT AKIN

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN
MECHANICAL ENGINEERING

MAY 2018

Approval of the thesis:

CO-CURED MANUFACTURING OF ADVANCED COMPOSITE MATERIALS
USING VACUUM ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING

submitted by MERT AKIN in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Science in Mechanical Engineering Department, Middle East
Technical University by,

Prof. Dr. Halil Kalıpçılar .
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences

Prof. Dr. M. A. Sahir Arıkan .
Head of Department, Mechanical Engineering

Assoc. Prof. Dr. Almıla Güvenç Yazıcıoğlu .
Supervisor, Mechanical Engineering Dept., METU

Examining Committee Members:

Prof. Dr. Fevzi Suat Kadıoğlu .
Mechanical Eng. Dept., METU

Assoc. Prof. Dr. Almıla Güvenç Yazıcıoğlu .
Mechanical Eng. Dept., METU

Assoc. Prof. Dr. Merve Erdal .
Mechanical Eng. Dept., METU

Prof. Dr. Altan Kayran .
Aerospace Eng. Dept., METU

Prof. Dr. Can Çoğun .
Mechatronics Eng. Dept., Çankaya Uni.

Date: 10.05.2018
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all
material and results that are not original to this work.

Name, Last Name: MERT AKIN

Signature:
IV
ABSTRACT

CO-CURED MANUFACTURING OF ADVANCED COMPOSITE MATERIALS
USING VACUUM ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING

Akın, Mert
M.S., Department of Mechanical Engineering
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Almıla Güvenç Yazıcıoğlu

May 2018, 191 pages

Sub-structures of aircraft structures mainly consist of stiffened shells such as fuselage
frames, ribs, and multi-cell box beams. Conventionally, these stiffened shells are
manufactured through a process wherein shells and stiffeners are fabricated separately
and then are integrated either through mechanical fastening or adhesive bonding. Co-
curing is an integral molding technique that can greatly reduce the part count and the
final assembly costs for composite materials. In this study, a low-cost co-curing
manufacturing technique for stiffened shells of aircraft structures, particularly multi-
cell box beams, is developed. Foam material, foam strength, curing operation and foam
coating are considered to be the process parameters and the process is improved by
optimizing these parameters. The study also has a wider goal of aiding the simulation
tools of composite material processing by providing a material data, including preform
permeability, porosity, and resin viscosity model. For this purpose, the three-fold
approach is followed. First, an extensive characterization of the preform and the resin
properties is performed.

V
Then, resin impregnation simulations of the co-cured three-cell box beam are
performed. In the final part, the co-curing manufacturing technique is developed and
the co-curing process is compared with the conventional method, secondary bonding,
from part bending strength, manufacturing and energy consumption perspectives. The
four-point bending test results show that the co-cured part withstands 95% higher load
and fails at 99% higher load compared to the secondary-bonded part. Additionally, it
is found that almost 57% energy and 25% labor time savings can be achieved by using
the co-curing technique.

Keywords: Co-curing, Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), Resin
Flow, Analytical Modeling, Numerical Analysis

VI
ÖZ

İLERİ KOMPOZİT MALZEMELERİN VAKUM DESTEKLİ REÇİNE
KALIPLAMA KULLANILARAK EŞ ZAMANLI KÜRLENDİRME YÖNTEMİYLE
ÜRETİMİ

Akın, Mert
Yüksek Lisans, Makina Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Almıla Güvenç Yazıcıoğlu

Mayıs 2018, 191 sayfa

Ana uçak yapıları çoğunlukla uçak gövdesi kaburgaları, ribler ve kutu kirişler gibi
güçlendirilmiş kabuk yapılarından meydana gelmektedir. Geleneksel olarak bu
güçlendirilmiş kabuk yapılar, kabuğun ve destek plakasının ayrı ayrı üretilip
sonrasında mekanik bağlantı veya yapıştırıcı kullanılarak birleştirilmesi yöntemiyle
üretilmektedir. Eş zamanlı kürlendirme yöntemi kompozit malzemelerde kullanılacak
parça sayısının ve final montaj maliyetlerinin büyük oranda azaltılmasını sağlayan
bütünleşik bir kalıplama tekniğidir. Bu çalışmada, özellikle çok gözlü kutu profiller
gibi güçlendirilmiş kabuk yapıları için düşük maliyetli bir eş zamanlı kürlendirme
yöntemi geliştirilmektedir. Köpük malzemesi, köpük dayanımı, kürlendirme ve köpük
kaplama operasyonları proses parametreleri olarak belirlenmiş ve bu parametreler
eniyileyerek proses geliştirilmiştir. Bu çalışma aynı zamanda simülasyon
programlarına destek olması amacıyla preform geçirgenlik ve boşluk değerlerini ve
reçine viskozite modellerini sağlayarak daha geniş bir hedefe sahip olmaktadır. Bu
amaçla çalışma, üç bölümde oluşmaktadır.

VII
İlk olarak, preform ve reçine malzemelerinin karakterizasyonu kapsamlı bir şekilde
gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, eş zamanlı kürlendirilmiş üç gözlü kutu profilin reçine
akış simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Son bölümde, yöntem geliştirilmiş ve eş
zamanlı kürlendirme yöntemi ve geleneksel teknik kullanılarak üç gözlü kutu profiller
üretilmiştir. Eş zamanlı kürlendirme yöntemi parça eğme dayanımı, üretim ve enerji
tüketimleri açısından geleneksel teknik ile karşılaştırılmıştır. Dört nokta eğme
sonuçları, eş zamanlı kürlendime ile üretilen parçanın %95 daha fazla yüke
dayanabildiği ve %99 daha fazla yük altında kırıldığını göstermektedir. İlaveten, eş
zamanlı kürlendirme yöntemi kullanılarak %57 enerji ve %25 işçilik zamanı tasarrufu
elde edilebilmektedir.

Anahtar Kelimeler: Eş zamanlı kürlendirme, Vakum Destekli Reçine Transfer
Kalıplama, Reçine Akışı, Analitik Modelleme, Numerik Analiz

VIII
To my family

IX
ACKNOWLEDGEMENTS

Many people and institutions made contributions to this thesis study and I owe thanks
to all. Firstly, I am heartily thankful to my supervisor Assoc. Prof. Dr. Merve Erdal for
her guidance and support throughout of my graduate education.

Besides my supervisor, I would like to offer my special thanks to Assoc. Prof. Dr.
Almıla Güvenç Yazıcıoğlu for her guidance and encouragement during my thesis
study. I would like to express my sincere gratitude to Prof. Dr. Altan Kayran for his
meaningful support on this study. I also want to thank the rest of my thesis committee:
Prof. Dr. Can Çoğun and Prof. Dr. Fevzi Suat Kadıoğlu for their insightful and
encouragement comments.

I would like to thank İZOREEL Composites for its assistance and help in the
experimental study. Also, I wish to thank Prof. Dr. Metin Tanoğlu for his support in
the mechanical tests.

Finally, I owe my deepest gratitude to my loving and supportive family: my grand
mom Ayşe DEĞİRMENCİ, my mom Rukiye AKIN, my father Rahmi AKIN and my
sister Beril AKIN.

X