Process modelling of a powder epoxy based automated towpregging line
Toz epoksi tabanli otomatik towpreg üretim hattinin süreç modellemesi
- Tez No: 937172
- Danışmanlar: PROF. DR. CONCHUR O BRADAIGH
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The Unıversıty Of Edınburgh
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel kompozit endüstrisinin sürekli büyümesiyle birlikte, imalat verimliliğini artırırken maliyetleri eşzamanlı olarak azaltma gereksinimi de artmaktadır. Son yıllarda, Otomatik Fiber Yerleştirme (AFP) gibi fiber takviyeli polimerlerin (FRP) otomatik üretim teknikleri, yüksek doğruluk, minimum hata ve azaltılmış atık miktarı nedeniyle önemli ölçüde ilgi görmüştür. Bu otomatik yöntemlerin benimsenmesini daha da artırmak için, AFP ve filament sarma (FW) uygulamaları için uygun maliyetli ve yüksek kaliteli ara malzemelerin belirlenmesi önemlidir. Toz epoksiler genellikle kaplama endüstrisinde kullanılmakta olup, FRP kompozitlerinde matris malzemeleri olarak birçok avantaj sunmaktadır. Bu malzemeler, birlikte kürleme imkanı sunar, uygun derecede düşük viskoziteye sahiptir, düşük kürleme ekzotermleri ve 120°C'nin altında düşük kürleme hızları sergiler. Ayrıca, toz epoksi bazlı prepregler ve towpregler soğuk saklama koşullarına ihtiyaç duymaz, bu da nakliye ve depolama maliyetlerinde önemli azalmalar sağlar. Toz epoksinin AFP veya benzer otomatik üretim tekniklerinde kullanılması, tatmin edici işlenebilirliği korurken maliyetlerin düşürülmesine katkıda bulunabilir. Bu çalışma, toz epoksi bazlı karbon fiber towpreg hattına odaklanmaktadır. Bu hattın performansı, deneysel araştırmalar ve modelleme çalışmaları kombinasyonu ile kapsamlı bir şekilde değerlendirildi. Hattın performansını değerlendirmek için, farklı proses parametreleri kullanılarak üretilen towpreglerden elle üretilen tek yönlü kompozit plakalar imal edildi. Sonrasında, hat parametrelerinin kompozit plakaların mekanik performansı üzerindeki etkisi, mekanik testler aracılığıyla belirlendi. Optik yöntemler, kompozit plakaların ara yüzey ve yığın porozitesini değerlendirmek için kullanıldı. Bu teknikler, karbon fiberler ve epoksi matrisi arasındaki ara yüzeylerin kalitesi ile kompozit yapının genel porozitesi hakkında bilgiler sağladı. Hattın ısıtma bölümü, başlangıçta Joule ısıtma sistemi kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelendi. Isıtma sürecinin infrared görüntülemesi, temas dirençlerinin, towpreglerin sıcaklık dağılımı üzerinde önemli bir etkisi olduğunu ortaya koydu. Farklı proses parametreleri için sistemdeki temas dirençleri deneysel olarak belirlendi. Isıtma bölümündeki sıcaklık dağılımını farklı proses parametrelerinde anlamak ve tahmin etmek için sonlu elemanlar analizi (FEA) modeli geliştirildi. Ayrıca, model toz epoksinin erime ve sinterleme davranışını analiz etmek için kullanıldı. Sonuçlar, Joule ısıtma sisteminin verimli ve hızlı ısıtma sağladığını, ancak pratik zorlukların temas tabanlı doğası nedeniyle bulunduğunu gösterdi. Joule ısıtma sistemine ek olarak, infrared (IR) lamba kullanan alternatif bir ısıtma sistemi detaylı bir şekilde incelendi. IR ısıtma sisteminin hedef sıcaklıklara ulaşma performansını değerlendirmek için termal karakterizasyon yapıldı. Tasarımını optimize etmek ve güç tüketimini azaltmak için IR ısıtma sisteminin bir FEA modeli geliştirildi. Isıtma bölümünde dağılmış radyasyonu dikkate alarak, toz epoksinin potansiyel kürlenmesi bir kürlenme modeli kullanılarak araştırıldı. Sonuçlar, çoğu proses koşulunda hattaki kürlenme seviyesinin minimal olduğunu ortaya koydu. Hattaki toz epoksi emdirme, birkaç deneysel yöntemle nicelendirildi. Farklı proses parametrelerinde towpreglerin fiber hacim fraksiyonunu (FVF) ve boşluk içeriğini belirlemek için yoğunluk ve ağırlık ölçümleri yapıldı. Ayrıca, fiber hacim fraksiyonunu (FVF) ve boşluk içeriğini nicelendirmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleme kullanıldı. Towpreglerin iç yapısının kapsamlı bir şekilde anlaşılması için X-Işını bilgisayarlı tomografi (XCT) kullanıldı. Bu tahribatsız görüntüleme tekniği, fiberlerin iç düzenlemesi ve toz epoksinin dağılımı hakkında değerli bilgiler sağladı. Hattaki emdirme davranışını daha fazla araştırmak için bir boyutlu analitik bir emdirme modeli geliştirildi. Isı transfer modeli, ısıtma bölümündeki belirli bir konumda viskozite değerlerini tahmin etmek için kullanıldı ve bu değerler emdirme modeli için girdi olarak kullanıldı. Emdirme modelinin sonuçları, kapiler basıncın toz epoksinin emdirilmesinde önemli bir rol oynadığını ve prosesin etkinliğini vurguladığını gösterdi. Hem deneysel hem de modelleme çalışmalarından elde edilen bulgular, genel towpreg üretim süreci hakkında değerli bilgiler sağladı. Elde edilen bilgiler doğrultusunda, üretim hızı ve verimliliği açısından hattın performansını artırmak için belirli önerilerde bulunuldu. Hattın yeteneklerini genişletmek ve geri dönüştürülebilir termoplastik malzemeleri dahil etmek için önerilerde bulunuldu.
Özet (Çeviri)
With the continuous growth of the global composite industry, there is a growing need to improve manufacturing efficiency, while simultaneously reducing costs. In recent years, automated manufacturing techniques of fibre-reinforced polymers (FRP) such as Automated Fibre Placement (AFP) have gained significant attention due to their high accuracy, minimal errors, and reduced waste. To further enhance the adoption of these automated methods, it is essential to identify intermediate materials that are cost-effective and of high quality for AFP and filament winding (FW) applications. Powder epoxies are often used in the coating industry, but they offer numerous advantages as matrix materials in FRP composites. These materials allow for cocuring, possess suitably low viscosity, exhibit low curing exotherms and low curing rates below 120°C. Additionally, powder epoxy-based prepregs and towpregs do not require refrigerated storage conditions, leading to substantial reductions in transportation and storage costs. The use of powder epoxy in AFP or similar automated manufacturing techniques can contribute to cost reduction while maintaining satisfactory processability. This study focuses on a powder epoxy based carbon fibre towpregging line. The performance of this line was thoroughly assessed through a combination of experimental investigations and modelling studies. To assess the line performance, unidirectional composite plates were manufactured manually from towpregs produced using different process parameters. Subsequently, the influence of line parameters on the mechanical performance of the composite plates was determined through mechanical tests. Optical methods were used to evaluate the interfacial and bulk porosity of the composite plates. These techniques provided insights into the quality of the interfaces between the carbon fibres and the epoxy matrix, as well as the overall porosity within the composite structure. The heating section of the line was thoroughly investigated, which utilised a Joule heating system initially. Infrared imaging of the heating process revealed that the presence of contact resistances had a significant impact on the temperature distribution of the tows. Contact resistances in the system were experimentally determined for different process parameters. To further understand and predict the iii temperature distribution in the heating section at different process parameters, a finite element analysis (FEA) model was developed. Moreover, the model was used to analyse the melting and sintering behaviour of the powder epoxy. The results indicated that the Joule heating system provides efficient and rapid heating, despite the practical challenges due to its contact-based nature. In addition to the Joule heating system, an alternative heating system utilising an infrared (IR) lamp was explored in detail. Thermal characterisation of the IR heating system was conducted to assess its performance in reaching the target temperatures. To optimise its design and reduce power consumption, an FEA model of the IR heating system was developed. Considering the scattered radiation within the heating section, the potential curing of the powder epoxy was investigated using a curing model. The results revealed that under most process conditions, the level of curing in the line was minimal. Powder epoxy impregnation in the line was quantified by several experimental methods. Density and weight measurements were conducted to determine the fibre volume fraction (FVF) and void content of the towpregs at different process parameters. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) imaging was utilised for image processing to quantify the FVF and void content. For a comprehensive understanding of the internal structure of the towpregs, X-Ray computational tomography (XCT) was employed. This non-destructive imaging technique provided valuable information on the internal arrangement of the fibres and the distribution of the powder epoxy. To further investigate the impregnation behaviour along the line, a one-dimensional analytical impregnation model was developed. The heat transfer model was used to predict viscosity values at a given location in the heating section which were used as inputs for the impregnation model. The results of the impregnation model indicated that capillary pressure played a significant role in the impregnation of the powder epoxy, highlighting its effectiveness in the process. The findings from both experimental and modelling studies provided valuable information on the overall towpregging process. Based on the knowledge gained, specific suggestions were made to enhance the line's performance in terms of production speed and efficiency. In order to expand the capabilities of the line and incorporate recyclable thermoplastic materials, recommendations were made.
Benzer Tezler
- Radar uygulamalarında vivaldi anten tasarımı ve optimizasyonu
Vivaldi antenna design and optimization in radar applications
ERDEM BARLİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEBAHATTİN EKER
- Hızlı prototip üretim teknolojileri
Başlık çevirisi yok
LEVENT YAĞMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN
- Fused filament fabrication of PETG: Investigation of the mechanical properties through the parameter optimization
PETG'nin ergiyik yığma modellemesi: Mekanik özelliklerinin parametre optimizasyonu ile incelenmesi
BUKET PARLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter
Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi
MERVE GÜLLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
- Mikrodalga görüntüleme ve tedavi sistemleri için anten tasarımı
Antenna design for microwave imaging and therapy systems
ANIL ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA YILMAZ ABDOLSAHEB