Thermoplastic composite sandwiches for structural helicopter applications

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Grünewald, Jonas:
Thermoplastic composite sandwiches for structural helicopter applications.
Bayreuth , 2018 . - VIII, 168 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Composite sandwich structures offer excellent lightweight properties for the aviation industry. Replacing thermoset based materials and honeycomb structures with thermoplastic composite (TPC) materials and foam cores seems promising for lowering manufacturing and in-service costs and thereby the direct operating costs of aviation vehicles.
Consequently, this thesis deals with the development of sandwich structures based on carbon fibre (CF) reinforced Polyetheretherketone (PEEK) skins and Polyetherimide (PEI) foam cores for structural sandwich applications in helicopters. Skins and core are joined cohesively by fusion bonding, a technique which leads to high bond strengths while being realisable in short cycle times. However, CF/PEEK skins and PEI foam cannot be readily joined due to their incompatible processing requirements, therefore the ‘Thermabond’ principle, which is based on enriching thermoplastic composite laminates with a second polymer to simplify the fusion bonding process, is adapted to the sandwich manufacturing process. To understand the process governing mechanisms, and to define a process window which enables high bond strengths while preventing skin de-consolidation and core collapse, a theoretical model based on ‘intimate contact’ and ‘healing’ is deduced for the manufacturing process. This model enables the prediction of the skin-to-core bond depending on varying skin and core temperatures. In the following, experimental trials are conducted according to the parameters resulting from the model for verification. The comparison shows a reasonably good agreement between predicted and experimentally obtained skin-to-core bond strengths with skin temperatures in the range of 290 °C – 320 °C. However, while the model predicts that core heating leads to an improvement of the bond strength, experiments show that core heating often leads to core collapse, which is not considered in the model. Therefore, it is proposed that the modelling approach is complemented with an analysis of the heat flow into core. Based on the defined skin temperatures and further process parameters, such as core compaction distance and PEI film thickness, a complementary characterisation of the sandwich structures is performed. The sandwich structures are tested according to several testing standards to characterise the skin-to-core bond, the core structure as well as the sandwich as a whole. The characterisation reveals that the proposed process parameters enable a strong fusion bond. Nevertheless, temperature and core compaction distance are observed to influence the core cell structure, which often leads to a weakening of the core performance. Based on the characterisation, it is proposed to manufacture the sandwich structures at a skin temperature of 300 °C, a compaction distance of 2 mm and to enrich the CF/PEEK skins with a 125 μm thick PEI film. Subsequently, the developed sandwich structures are compared to thermoset based state-of-the-art sandwich structures, namely prepreg-Nomex® (® = registered trademark) and Polymethacrylimide (PMI) foam based structures, and defined requirements. In general, the assessment shows lesser performance of the developed TPC sandwich structures, though reveals promising short manufacturing cycle times which can be half that of cycle times for state-of the-art aviation sandwiches. To improve the performance and be able to fulfil the requirements, concepts based on pin integration into the foam core are proposed and the potential of strengthening the core is illustrated. Finally, a formed panel is realised to show the performance of thermoplastic sandwich structures for formed parts. Thereby, it is shown that skins and core need to be formed prior to the fusion bonding process.

Abstract in weiterer Sprache

Faserverstärkte Sandwichstrukturen bieten großes Leichtbaupotential für die Luftfahrt. Der Austausch duroplastischer Materialien durch faserverstärkte thermoplastische Materialien, sowie der Ersatz von Nomex®-Waben (® = registered trademark) durch Schaumkern-strukturen ist vielversprechend für die Senkung der Herstellungs- sowie Wartungskosten von Luftfahrzeugen.
Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der Entwicklung von luftfahrttauglichen Sandwichstrukturen aus karbonfaserverstärkten (CF) Polyetheretherketon (PEEK) Deckhäuten und einem Polyetherimid (PEI) Schaumkern sowie deren Herstellungsprozess. Ziel dabei ist es, die Deckhäute und den Schaumkern über eine Schmelzverbindung, welche hohe Verbindungsfestigkeiten in kurzen Zykluszeiten ermöglicht, zu fügen. Vorversuche zeigen jedoch, dass sich die CF/PEEK-Deckhäute und der PEI-Schaumkern aufgrund ihrer divergierenden Verarbeitungsfenster im Hinblick auf Temperatur und Druck nicht ohne Weiteres über eine Schmelzverbindung fügen lassen. Aus diesem Grund wird der Herstellprozess an den “Thermabond“-Prozess, welcher auf der Anreicherung einer Deckhaut-Seite mit einem zweiten Polymersystem (in diesem Fall mit einer PEI-Schicht) basiert, angepasst und ein konvergentes Prozessfenster geschaffen. Um Verständnis für die Prozess-dominierenden Mechanismen zu gewinnen sowie ein geeignetes Prozessfenster zu identifizieren, wird ein theoretisches Modell für den Herstellprozess abgeleitet. Dieses Modell ermöglicht die Vorhersage der Deckhaut-Kern-Verbindungsfestigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Deckhaut- und Kerntemperaturen. Experimentelle Untersuchungen verifizieren in den meisten Fällen die vorhergesagten Verbindungsfestigkeiten und zeigen, dass Deckhauttemperaturen im Bereich von 290 °C bis 320 °C zu den erwünschten Verbindungsfestigkeiten führen. Jedoch zeigen die Experimente, dass neben der Verbindungfestigkeit auch die Formstabilität des Kernes betrachten werden muss, da es im Falle von erhöhten Kerntemperaturen zu einem Kollabieren des Kernes und somit zu Abweichungen zu den vorhergesagten Festigkeiten kommt. In einer ergänzenden Studie wird der Einfluss der Deckhauttemperatur, des Kernkompaktierungswegs und der Dicke der PEI-Oberflächenschicht auf die Verbindungsfestigkeit, die Kernstruktur sowie auf die gesamte Sandwichstruktur tiefergehend untersucht. Die Ergebnisse der ergänzenden Studie untermauern die hohen Deckhaut-Kern-Verbindungsfestigkeiten der Sandwichstrukturen, zeigen jedoch, dass bei erhöhten Deckhautemperaturen und hohen Kernkompaktierungswegen die Kernstruktur im Randbereich beeinflusst und somit die Kernstruktur geschwächt wird. Resultierend aus den Untersuchungen wird eine Deckhauttemperatur von 300 °C, 2 mm Kernkompaktierungsweg und 125 μm PEI-Deckhautbeschichtung für die Herstellung empfohlen. Die experimentell nachgewiesenen Eigenschaften im Vergleich mit duroplastischen Referenz-Sandwichstrukturen verdeutlichen das Potential der thermoplastischen Sandwichstrukturen im Hinblick auf die hohen Verbindungsfestigkeiten und die wesentlich kürzeren Herstellungszykluszeiten, heben jedoch auch den PEI-Schaumkern als Schwachstelle der Strukturen hervor. Daraufhin wird eine Methode zur Verstärkung der Schaumkerne vorgestellt, welche es ermöglicht, die Kerneigenschaften bzw. die Eigenschaften der gesamten Sandwichstruktur zu verbessern.
Im letzten Kapitel wird die Prozesstauglichkeit der thermoplastischen Sandwichstrukturen am Beispiel eines geformten, dreidimensionalen Schubpaneels nachgewiesen.