Parçacık Dolgulu, Kesintisiz Elyaf Destekli İleri Kompozit Malzeme Üretiminde Reçine Emdirimi Sırasında Oluşan Parçacık Dağılımının Ölçülmesi.

KAPSAM VE YÖNTEM: Bu projede , reçine transfer kalıplama (Resin Transfer Molding – RTM) ve baskılı reçine transfer kalıplama yöntemi (Compression Resin Transfer Molding – CRTM) gibi sıvı kalıplama (liquid molding) içeren kompozit üretim yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen parçacık dolgulu, ileri kompozit malzeme üretimi sırasında, kompozit içinde parçacık dolgunun reçineyle elyaf aralarına dağılımının, emdirim parametreleriyle ilişkisi deneysel olarak incelenecektir. Proje yürütücüsü, RTM ve CRTM yöntemleriyle parçacık dolgulu ileri kompozit malzeme üretimi sırasında, reçine emdirimi ve ilgili parçacık filtrasyonu için benzetim modelleri geliştirmiş; yakın zamanda bir yüksek lisans öğrencisiyle beraber bu modelleri hazır bir program platformuna uygulayarak (Comsol Multiphysics), parçacık dolgulu ileri kompoziter için RTM ve CRTM yöntemi karşılaştırmaları yapmıştır. Yapılan benzetimler, bu yöntemlerin dolgu parçacıklı ileri kompozit üretiminde kullanımıyla ilgili önemli veriler vermesine rağmen, kullanılan modelin, içerdiği ampirik katsayılar nedeniyle, doğruluğu konusunda belirleyici değildir. Bu eksikliği gidermek amacıyla projede , bu modellerin – özellikle parçacık filtrasyon modelinin - doğrulanması/geliştirilmesi için aşağıdaki deneysel çalışmalar hedeflenmiştir. 1.) Reçine emdirimiyle parçacık dolgulu ileri kompozit numunelerin üretimi için, RTM test düzeneği kurulacaktır. 2.) Üretim sırasında kullanılacak elyaf konfigürasyonunun geçirgenlik (permeability) özellikleri, kurulan RTM düzeneğinde deneylerle bulunacaktır. 3.) Üretilecek kompozit numunelerde parçacık dolgunun dağılımı ölçülecek ve proje yürütücüsü tarafından önceden geliştirilmiş reçine emdirim modeli deney sonuçlarına göre doğrulanacak/düzeltilecektir. ELDE EDİLMESİ BEKLENEN BULGULAR: Parçacık dolgulu reçinenin elyafa emdirimi sürecinde bilinmeyen süreç parametreleri, kalıp içinde reçine hız dağılımı, akış basıncı dağılımı ve parçacık dağılımıdır (reçine içinde taşınan ve elyafta filtrelenen). Geliştirilen model, bu bilinmeyenleri tespit etmeye yönelik olarak kütle korunum, Darcy denklemi ve filtrasyon kinetik denklemini içermektedir. Bu denklemlerde çeşitli empirik sabitler bulunmaktadır. Yapılacak üretim deneyleriyle bu sabitlerin bulunarak/(gerekirse) geliştirilerek, üretim sırasında parçacık filtrasyon dinamiğinin belirlenmesi ve üretim benzetim modelinin güvenilirliğinin arttırılarak üretim tasarımında kullanılabilir bir araç haline getirilmesi hedeflenmiştir

Bakılı Reçine Transfer Kalıplama Yöntemiyle Parçacık Dolgulu İleri Kompozit Malzeme Üretiminin Modellenmesi

Bu projede, ileri kompozit malzeme üretim tekniklerinden baskılı reçine transfer kalıplama (Compression Resin Transfer Molding – CRTM) yöntemi sırasında parçacık dolgulu reçine akışı ve kalıp dolumunun modellenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, reçine transfer kalıplama (Resin Transfer Molding – RTM) yöntemi için önceden geliştirilmiş, birleşik parçacık filtrasyonu- gözenekli akış modeli, CRTM yöntemi için geliştirimiş ve bu üretim metoduna uygulanmıştır. İleri kompozit malzeme üretiminde RTM ve CRTM gibi yöntemler, kullanılan hammadde, kalıp ve ekipman nedeniyle pahalı yöntemlerdir. Deneme- yanılma yoluyla yapılan kalıp ve üretim süreci tasarımları, tasarımdan üretime geçişi geciktirmekte, üretimin maliyetini arttıtmaktadır. Bu nedenle, bu tip üretim yöntemlerinin tasarımında, kalıp içi akış modellemeleri ve çeşitli üretim senaryolarının benzetimleri yapılmaktadır. Önerilen projede, proje yürütücüsü tarafından RTM yöntemi için önceden geliştirilen 2-boyutlu parçacık dolgulu reçine akışı ve filtrasyon modeli, CRTM için geliştirilmiştir. CRTM'in baskı aşamasında elyafın sıkıştırılması ve bunu sonucu oluşan reçine akışı ve parçacık filtrasyonu modellenmiştir. Sayısal çözüm için, proje kapsamında edinilen Comsol Multiphysics bilgisayar yazılımı kullanılmıştır. Geliştirilen modelle, enjeksiyon ve baskı sırasında akış cephesinin ilerlemesi, kompozit içinde parçacık dağılımı, kalıp içindeki zamana bağlı basınç dağılımı ve dolum zamanı gibi üretim/kalıp tasarımı için önemli parametreler elde edilebilmektedtir

Development of strain monitoring system for glass fiber reinforced composites via embedded electrically conductive pathways

Among numerous types of health-monitoring and damage-sensing sensors that can be integrated into composites, electrically conductive sensors offer a simple, cost-effective, and durable option for structural health monitoring in fiber reinforced composites. In this study, a novel approach is introduced to create electrical conductive networks in glass fiber reinforced composites. For this purpose, hollow micro-channels are generated using vaporization of sacrificial components (VaSCs) which are subsequently filled with CNT-epoxy conductive fillers to induce conductive pathways within the composite. The presence of vascular conductive pathways was not found to hinder the structural integrity of the composites. The use of such conductive pathways for in situ strain monitoring of composites was investigated. The strain sensitivity of the prepared conductive pathways in the composite were found more than twice that of conventional strain sensors, rendering such conductive pathways a promising alternative for in-situ strain monitoring of continuous fiber-reinforced composites

Modeling of particle-resin suspension impregnation in compression resin transfer molding of particle-filled, continuous fiber reinforced composites

A particle-resin suspension impregnation model is used for analyzing the mold filling process in compression resin transfer molding (CRTM) of particle-filled, continuous fiber composites. The model is based on Darcy flow coupled with particle filtration and is applicable to two-dimensional impregnation through isotropic/anisotropic fiber preforms. Comparisons with simple analytical solutions and experimental results from the literature were made to validate the numerical solution. Simulations showed that CRTM was advantageous over resin transfer molding (RTM) for smaller non-homogeneity in composite microstructure, when particle filtration was high. Limits on certain process parameters were observed beyond which molding pressures in CRTM became comparable with those in RTM. The preform anisotropy was effective in the particle distribution profile. The choice of inlet gate configuration in CRTM was found influential in the particle distribution homogeneity and molding pressures. The developed modeling tool can be extended to analyze any composite liquid molding process involving particle fillers

Experimental Investigation of Particle-Filler Distribution in Continuous Fiber-Reinforced Composites Produced via Liquid Molding

This paper presents the preliminary results of an experimental study undertaken to investigate the particle distribution in particle-filled, continuous fiber-reinforced composites produced via two liquid molding methods: Resin Transfer Molding (RTM) and Compression Resin Transfer Molding (CRTM). Composite specimens are produced and characterized to compare composite microstructures (particle filler distributions) obtained in each method, as well as to study the effect of a processing parameter (injection speed) in RTM. For 20 % by vol particle concentration in injected resin and fiber volume fractions around 20 %, RTM process is found to yield little variation in particle distribution, resulting in nearly homogenous composite parts. CRTM process yields a clear non-homogeneity of particle volume fraction distribution in the composite, indicating presence of particle filtration. Due to experimental difficulties, the effect of injection speed on particle distribution for RTM process could not be assessed. Further experimental work is planned to assess repeatability of production. The experimental analysis will be expanded to study the effect of various processing parameters on the resulting particle distribution for the two liquid molding methods

Accurate equivalent models of sandwich laminates with honeycomb core and composite face sheets via optimization involving modal behavior

An approach is introduced for determining accurate two-dimensional equivalent laminated models of sandwich laminates with honeycomb core and composite facesheets by optimization involving modal behavior. The approach relies on minimizing the objective function which is defined as the sum of the square of the differences between the natural frequencies of the honeycomb sandwich laminate estimated by the finite element analysis of the 3D detailed model with the actual honeycomb core geometry and by the 2D equivalent laminated model with the honeycomb core replaced by the equivalent 2D orthotropic material model. Equivalent elastic constants of the 2D orthotropic model of the honeycomb core are defined as the design variables of the optimization problem, and a finite element solver and genetic algorithm-based optimizer are coupled to perform the optimization task. Results show that with the optimization-based approach, very accurate 2D equivalent models of honeycomb sandwich laminates are obtained compared to equivalent models obtained by replacing the honeycomb core with elastic constants of the 2D orthotropic material model obtained utilizing analytical models available in the literature

Proposal and evaluation of a KBE-RM selection system

Purpose - The purpose of this paper is to propose and evaluate a novel tool for the assessment and selection of rapid prototyping (RP)/manufacturing (RM) systems as alternative processes for low-volume production in the machinery and equipment design sector. By analysing previous RP/RM selectors, this research addresses the necessary factors that a knowledge-based engineering (KBE) system must include for the analysis, comparison and ranking of candidate technologies

Impregnation molding of particle-filled preceramic polymers: Process modeling

A process model is presented for the analysis and simulation of impregnation molding of particle-filled, continuous-fiber ceramic composites. A multidimensional, transient particle filtration formulation is coupled with isothermal, anisotropic Darcy flow to predict filler-concentration profiles during molding. The particle filtration is insensitive to the injection flow rate; however, in irregularly shaped molds, the geometry of the mold greatly influences the local velocities, which results in local variations in the rate of filtration. Although the preform volume fraction and inlet particle concentration influence the particle accumulation quantitatively, the filtration coefficient and the permeability have a dominant role in setting the filtration trend

Experimental and numerical study of process-induced total spring-in of corner-shaped composite parts

Process-induced total spring-in of corner-shaped composite parts manufactured via autoclave-forming technique using unidirectional prepreg is studied both numerically and experimentally. In the numerical study, a three-dimensional finite element model which takes into account the cure shrinkage of the resin, anisotropic material properties of the composite part and the tool-part interaction is developed. The outcome of the numerical model is verified experimentally. For this purpose, U-shaped composite parts are manufactured via autoclave-forming technique. Process-induced total spring-in, due to the combined effect of material anisotropy and tool-part interaction, at different sections of the U-shaped parts are measured with use of the combination of the three-dimensional optical scanning technique and the generative shape design. Total spring-in determined by the numerical model is found to be in good agreement with the average total spring-in measured experimentally. The effect of tool-part interaction mechanism on the total spring-in is studied separately to ascertain its effect on the total spring-in behavior clearly. It is shown that with the proper modeling of the tool-part interaction, numerically determined total spring-in approaches the experimentally determined total spring-in