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215 Pages·2016·7.84 MB·English

ETH Library
Combined experimental-
numerical methods to monitor
liquid composite molding and
characterize textile permeability
Doctoral Thesis
Author(s):
Di Fratta, Claudio
Publication date:
2015
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010596123
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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DISS ETH NO. 22839

COMBINED EXPERIMENTAL–NUMERICAL
METHODS TO MONITOR LIQUID COMPOSITE
MOLDING AND CHARACTERIZE TEXTILE
PERMEABILITY

A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES OF ETH ZURICH
(Dr. Sc. ETH Zurich)

presented by
CLAUDIO DI FRATTA
Laurea Specialistica in Ingegneria dei Materiali
Università degli Studi di Napoli “Federico II”
born on 8th September 1985
citizen of Italy

accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Paolo Ermanni, examiner
Prof. Dr. Christophe Binetruy, co-examiner
Dr. Florian Klunker, co-examiner

2015
ISBN 978-3-906327-27-3
A zio Gabriele

con eterno affetto

ABSTRACT
Liquid Composite Molding (LCM) technologies are manufacturing process-
es for fiber-reinforced plastics, characterized by resin injection or infusion
through a fibrous preform into a mold cavity. Although LCM processes allow
the fabrication of high-performance parts at relatively low costs and fast cycle
times, the final product quality is sensitive to slight changes of the material
parameters and the manufacturing conditions during the preform impregna-
tion. In particular, the inherent variability of textiles and the preforming oper-
ations affect the permeability of the fibrous reinforcements, resulting in possi-
ble unexpected or unwanted resin flow patterns.
In this context, the present dissertation investigates novel methods for flow
monitoring and permeability evaluation. The methodologies are based on the
use of pressure transducers, which can be easily embedded in a mold and are
generally compatible with the typical LCM manufacturing conditions and
materials. The sensor data are combined with numerical algorithms or models,
relying upon basic equations that govern the flow through porous media. The
idea is to exploit flow modeling in order to estimate flow fronts and permeabil-
ity values using only a small number of transducers strategically positioned in
the mold cavity.
Following this combined experimental–numerical approach, three methods
were developed for tracking the flow front and, if possible, reconstructing the
actual permeability distribution in real time during the impregnation. The
investigation of such methods, which focus on two-dimensional injections into
closed rigid molds, was carried out through virtual and real injection tests,
considering different cavity geometries, sensor arrangements and process
variables. The results show that accurate flow front estimations were achieva-
ble employing only three cavity sensors in mold shapes with areas up to
500 x 250 mm. Moreover, under certain circumstances, the preform permeabil-
ity could be mapped concurrently with the flow front detection, using the
pressure signals output by the same sensors. Additionally, the study proved
the feasibility of potential procedures of on-line quality assessment and injec-
tion control.
Besides the methods for process monitoring, this dissertation introduces
two new methodologies for in-plane characterization of the textile permeabil-
ity by unidirectional injection experiments. The first methodology allows de-
termining the effective permeability as a function of fiber volume content in
one shot; the second one enables the full evaluation of the in-plane permeabil-
v
ABSTRACT
ity tensor through injections along only one or two textile directions, while
the established characterization procedures require injections along three
different directions. A comparison between the results of new and convention-
al approaches demonstrates that the permeability could be characterized more
efficiently by the proposed methodologies, leading to a considerable reduction
of time, material sample and costs.
vi
ZUSAMMENFASSUNG
„Liquid Composite Molding“-Technologien (LCM-Prozesse) sind Herstel-
lungsprozesse für faserverstärkte Kunststoffe. Sie basieren auf dem Prinzip
einer Harzinjektion oder -infusion durch ein poröses Medium in einem
Formnest. Obwohl LCM-Prozesse die Herstellung von Hochleistungsbauteilen
unter der Voraussetzung von niedrigen Kosten und schnellen Zykluszeiten
ermöglichen, ist die Produktqualität von kleinen Unterschieden in den Materi-
al- und Prozessparametern während der Imprägnierung abhängig. Insbesonde-
re die inhärente Variabilität der Textileigenschaften sowie die Verformung der
Textilien beim Einlegen in die Form beeinflussen deren Permeabilität und
können zu unerwarteten und unerwünschten Harzflussverläufen führen.
In diesem Zusammenhang untersucht die vorliegende Dissertation neue
Methoden, um die Imprägnierung zu überwachen und die Permeabilität zu
bestimmen. Die Methoden basieren auf der Verwendung von Druckmessfüh-
lern, welche einfach in einer Form eingebettet werden können und mit typi-
schen LCM-Prozessbedingungen und -materialen verträglich sind. Die Sensor-
daten werden mit numerischen Algorithmen oder Modellen kombiniert, wel-
che sich auf die allgemeinen Gleichungen der Strömungslehre von Fluiden
durch poröse Medien abstützen. Es wird der Gedanke verfolgt, die Modellie-
rung der Strömung zur Bestimmung der Fliessfront und der Permeabilität mit
möglichst wenigen Sensoren zu nutzen, welche strategisch günstig in der
Form platziert werden.
Mit diesem kombinierten experimentellen und numerischen Ansatz wur-
den drei Methoden, zur Überwachung der Fliessfront und gegebenfalls zur
Rekonstruktion der tatsächlichen Permeabilität in Echtzeit während der Im-
prägnierung, entwickelt. Diese Methoden mit Fokus auf zweidimensionale
Injektionen in geschlossenen starren Formen wurden mittels virtuellen und
realen Injektionen untersucht unter Berücksichtigung der Geometrie des
Formnest, der Sensoranordnung und der Prozessvariablen. Die Resultate zei-
gen, dass in einer Form von einer Grösse bis zu 500 x 250 mm eine genaue
Fliessfrontbestimmung mit lediglich drei Sensoren möglich ist. Zudem konnte
die Permeabilität unter gewissen Umständen gleichzeitig mit der Fliessfrontbe-
rechnung bestimmt werden, wobei dabei nur die Ausgangssignale der Druck-
sensoren benötigt wurden. Des Weiteren hat die Untersuchung gezeigt, dass
eine Qualitätsüberwachung in Echtzeit und eine gezielte Injektionsregelung
möglich ist.
Neben den Methoden zur Prozessüberwachung werden in dieser Disserta-
vii
ZUSAMMENFASSUNG
tion zwei neue Methoden zur Charakterisierung der Permeabilität von Texti-
len in der Ebene während unidirektionalen Imprägnierungsexperimenten vor-
gestellt. Die erste Methode ermöglicht die Bestimmung der effektiven Permea-
bilität als Funktion des Faservolumengehalts; die zweite Methode erlaubt die
Bestimmung des Permeabilitätstensors in der Ebene mittels Injektion in nur
eine oder zwei Richtungen des Textils während andere etablierte Verfahren
Injektionen in drei Richtungen benötigen. Ein Vergleich der Resultate der
neuen mit konventionellen Methoden zeigt, dass die Permeabilität mithilfe der
vorgeschlagenen Methode effizienter charakterisiert werden kann, was zu
einer signifikanten Reduktion der Zeit, der Materialproben und der Kosten
führt.
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SOMMARIO
La denominazione “Liquid Composite Molding” (LCM) indica l’insieme del-
le tecnologie produttive per plastiche fibrorinforzate caratterizzate da iniezio-
ne o infusione di resina all’interno di uno stampo contenente una preforma
fibrosa. Sebbene i processi LCM permettano la fabbricazione di strutture ad
alte prestazioni a fronte di costi relativamente bassi e veloci tempi di ciclo, la
qualità finale dei prodotti è influenzata da piccole variazioni dei parametri
materiali e delle condizioni alle quali avviene l’impregnazione. In particolare la
variabilità intrinseca dei tessuti da impregnare e le operazioni di formatura dei
rinforzi fibrosi hanno ripercussioni sulla permeabilità delle preforme stesse e
possono portare a flussi di resina che si sviluppano in modo inatteso o indesi-
derato.
Il presente lavoro di ricerca ha come oggetto nuovi metodi per monitorare
l’impregnazione e determinare la permeabilità dei tessuti. Le metodologie
proposte si basano sull’uso combinato di trasduttori di pressione e di algoritmi
o modelli numerici, a loro volta basati sulle equazioni fondamentali che gover-
nano il flusso attraverso mezzi porosi. La tesi dimostra come tale approccio
combinato si possa sfruttare per seguire l’avanzamento del fronte di resina e
stimare i valori di permeabilità utilizzando un numero esiguo di sensori, stra-
tegicamente disposti nella cavità dello stampo.
Lo studio si concentra su casi d’iniezione bidimensionali in stampi rigidi,
considerando diverse geometrie, configurazioni dei sensori e variabili di pro-
cesso sia in esperimenti reali sia in test in ambiente virtuale. I risultati mostra-
no che accurate stime del fronte di flusso sono ottenibili per mezzo di soli tre
sensori in cavità con un’area fino a 500 x 250 mm. Inoltre, sotto determinate
circostanze, si è rivelato possibile mappare la permeabilità simultaneamente al
monitoraggio del flusso usando i dati degli stessi sensori di pressione. Il lavoro
sperimentale ha anche confermato la fattibilità di potenziali procedure di assi-
curazione qualità e controllo d’iniezione in tempo reale durante
l’impregnazione.
Oltre a tre metodi per monitorare il flusso di resina e ricostruire dove pos-
sibile la distribuzione di permeabilità, questa tesi di dottorato introduce due
nuove metodologie per caratterizzare la permeabilità in piano attraverso inie-
zioni unidirezionali. La prima metodologia consente di misurare la permeabili-
tà effettiva in funzione del contenuto in volume di fibre in una singola iniezio-
ne; la seconda permette di determinare il tensore di permeabilità in piano at-
traverso test lungo solo una o due direzioni, mentre i tradizionali metodi di
ix