Numerical optimisation of thermoset composites manufacturing processes: A review

The impetus for higher performance, robustness and efficiency in the aerospace, automotive and energy industries has been reflected in more stringent requirements which the composite manufacturing industry needs to comply with. The process design challenges associated with this are significant and can be only partially met by integration of simulation in the design loop. The implementation of numerical optimisation tools is therefore necessary. The development of methodologies linking predictive simulation tools with numerical optimisation techniques is pivotal to identify and therefore develop optimal design conditions that allow full exploitation of the efficiency opportunities in composite manufacturing. Numerical and experimental results concerning the optimisation techniques and methodologies implemented in literature to address the optimisation of thermoset composite manufacturing processes are presented and analysed in this study

Numerical analysis of the influence of empty channels design on performance of resin flow in a porous plate

This numerical study aims to investigate the influence of I and T-shaped empty channels’ geometry on the filling time of resin in a rectangular porous enclosed mold, mimicking the main operating principle of a liquid resin infusion (LRI) process. Geometrical optimization was conducted with the constructal design (CD) and exhaustive search (ES) methods. The problem was subjected to two constraints (areas of porous mold and empty channels). In addition, the I and T-shaped channels were subjected to one and three degrees of freedom (DOF), respectively. Conservation equations of mass and momentum for modeling of resin/air mixture flow were numerically solved with the finite volume method (FVM). Interaction between the phases was considered with the volume of fluid method (VOF), and the effect of porous medium resistance in the resin flow was calculated with Darcy’s law. For the studied conditions, the best T-shaped configuration resulted in a filling time nearly three times lower than that for optimal I-shaped geometry, showing that the complexity of the channels benefited the performance. Moreover, the best T-shaped configurations were achieved for long single and bifurcated branches, except for configurations with skinny channels, which saw the generation of permanent voids

Simulation pour l'aide à l'optimisation et fabrication intelligente des composites par injections sous renfort

Injection sous renfort -- Moulage par transfert de résine -- Composites -- Modéliser l'injection sous renfort -- Outils de caractérisation -- Instrumentation de moule -- Délimiter l'espace de faisabilité -- Méthodes d'optimisation -- Exemples d'optimisation -- Review of numerical filling algorithms used in resin transfer molding simulations and new hybrid formulation -- Guiding selection for reduced process development time in RTM -- Processing parameters -- Moldability diagram -- General mathematical models -- Mathematical models simplification -- Test case -- Building the moldability diagram -- Méthodology -- Développement d'un outil de caratésisation de résine thermodurcissable pour les besoins industriels -- Concept de mini-moule thermique et sommaire du travail réalisé -- Détail du travail réalisé

Contribution à la modélisation de l'écoulement de résine dans les procédés de moulage des composites par voie liquide

Les procédés de moulage des composites par voie liquide représentent des solutions très attractives sur le plan industriel, car ils permettent de réaliser des pièces complexes et de grandes dimensions à bas coûts. Néanmoins, ces procédés demandent une bonne maîtrise des mécanismes d'imprégnation qui restent relativement difficiles à anticiper. Le travail s'articule autour d'une étude expérimentale et numérique, visant à modéliser l'écoulement de la résine liquide dans le renfort fibreux pendant l'étape de remplissage. Le moyen d'essai développé est destiné à la mesure de la perméabilité, à la fois dans le plan et dans la direction transverse au renfort. L'étude numérique porte sur la simulation des écoulements macroscopique et microscopique. À l'échelle macroscopique, l'originalité du modèle proposé réside dans le couplage des méthodes BEM et Level Set, en 2D et 3D. À l'échelle microscopique, un solveur stationnaire BEM a été développé pour évaluer la perméabilité d'une microstructure fibreuse en 2D.Liquid Composite Molding (LCM) is more and more used in industry for its ability to produce complex and large parts at low cost. However, this process needs a special care to anticipate properly the impregnation of the fibrous reinforcement, which remains a challenging task important to achieve. This work is divided into an experimental and a numerical study. It aims to model the resin flow through the fibrous reinforcement occurring during the mold filling stage. An experimental setup has been designed to measure both plane and transverse permeabilities of the reinforcement. The numerical study is focused on the simulation of the flow at macroscopic and microscopic scales. At macro scale, our main contribution is the coupling between BEM and Level Set methods, which has been achieved for both 2D and 3D problems. At micro scale, a stationary BEM solver has been developed to evaluate the transverse permeability of a 2D fibrous microstructure

Contrôle de la fabrication des composites par injection sur renforts

RÉSUMÉ: Les procédés de mise en forme des composites par injection sur renforts (LCM) sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des composites à haute performance. Lors d’une mise en oeuvre par les procédés LCM, le renfort fibreux sec est tout d'abord drapé à l’intérieur d’un moule. Après la fermeture du moule ou le recouvrement du renfort par une membrane, une résine polymère est injectée ou infusée sous vide à travers le renfort. Les renforts fibreux couramment utilisés dans les procédés LCM possèdent généralement une structure à porosité bimodale: des pores microscopiques existent entre les filaments dans les mèches de fibres, tandis que des pores macroscopiques sont créés entre les mèches suite à la couture ou au tissage du tissu. À l’échelle microscopique, les forces capillaires à l’intérieur des mèches fibreuses jouent un rôle majeur sur la qualité des composites fabriqués par injection de résine. En effet, les forces capillaires régissent l’apparition de défauts d’imprégnation du renfort par emprisonnement d’air. Ces défauts sont critiques car ils ont un impact négatif sur les performances mécaniques des pièces composites au cours de leur vie en service. Toutefois, très peu de données expérimentales sont disponibles sur la formation de ces défauts microscopiques et macroscopiques. De telles données seraient utiles pour les ingénieurs qui veulent accroître l’efficacité, la productivité et la robustesse des procédés d’injection sur renforts. Par conséquent, une approche expérimentale multi-échelle est présentée dans cette thèse afin de mieux comprendre la physique fondamentale des phénomènes d’imprégnation et d’emprisonnement d’air dans les renforts fibreux à porosité bimodale et ainsi proposer des solutions pratiques pour les ingénieurs en contrôle de procédé. Dans un premier temps, un montage est développé pour étudier la saturation des renforts fibreux à l’échelle macroscopique, durant le moulage des composites par transfert de résine (RTM). Ce montage permet de déterminer les paramètres qui gouvernent la qualité de l’imprégnation des renforts fibreux lors de l’étape du remplissage et pendant les stratégies industrielles de post-remplissage (purge du moule et consolidation). Ces paramètres sont identifiés à l’aide de trois plans d’expérience. Il s’agit de la vitesse d’avancée du front de résine, de la pression appliquée aux ports d’injection et du débit d’écoulement de la résine lors de la purge du moule. L’analyse effectuée dans ces plans d’expérience s’appuie sur une procédure ASTM standard de détermination de la teneur en vides dans les pièces composites par carbonisation.----------ABSTRACT: Liquid Composite Molding (LCM) is an increasingly used class of processes to manufacture high performance composites. In LCM, the fibrous reinforcement is first laid in a mold cavity. After closure of the mold or covering of reinforcement with a plastic bag, a polymer resin is either injected or infused under vacuum through the fiber bed. The engineering fabrics commonly used in LCM possess generally dual scale architecture in terms of porosity: microscopic pores exist between the filaments in the fiber tows, while macroscopic pores appear between the tows as a result of the stitching/weaving fabrication process. On a microscopic scale, capillary flows in fiber tows play a major role on the impregnation quality of composites made by resin injection through fibrous reinforcements. Indeed, the capillary forces control the formation of impregnation defects in the fibrous reinforcement as a result of mechanical air entrapment. These defects are critical because they have a negative impact on the mechanical performance of composite parts during their operating life. However, very little experimental data are available in the literature on the formation of these microscopic and macroscopic impregnation defects. Such data would be useful for process engineers that want to increase efficiency, productivity and robustness of LCM processes. Therefore, a multiscale study is presented in this thesis in order to better understand the fundamental physics of impregnation and air entrapment phenomena in dual scale fibrous reinforcements and thus propose practical solutions for process control engineers. First of all, an experimental setup is developed to study the saturation of fibrous reinforcements, at the macroscopic scale, during the Resin Transfer Molding (RTM).This setup is used to determine some key parameters of the part filling step and industrial post-filling strategies (mold bleeding and consolidation) that control the impregnation quality of fibrous reinforcements. These key parameters are identified using three series of experiments. These parameters are the flow front velocity, the inlet mold pressure and the bleeding flow rate. The analyses in these three series of experiments are based on an ASTM standard procedure for void content determination in the composite parts by carbonization (also called loss on ignition (LOI))