UNIVERSITY OF THE AEGEAN DEPARTMENT OF FINANCIAL AND MANAGEMENT ENGINEERING

Transcript

1 UNIVERSITY OF THE AEGEAN DEPARTMENT OF FINANCIAL AND MANAGEMENT ENGINEERING DIPLOMA THESIS TECHNO-ECONOMICAL EVALUATION OF HYBRID COMPOSITE MATERIALS FOR THE AEROSPACE INDUSTRY Tapeinos Ilias Supervisor: Dr Alexopoulos Nikolaos

2 ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my gratitude and sincere thanks to Dr. Nikolaos Alexopoulos, of the Department of Financial and Management Engineering of the University of the Aegean, whose supervision, guidance and encouragement led to the completion of the on hand. I would like to thank Prof. Dr. Mitzang for the opportunity to conduct the 3 month internship in the laboratories of Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) of the Technische Universität Kaiserslautern, Germany. I would also like to thank Prof. Dr. Ralf Schledjewski for his guidance throughout the internship. In particular, I would like to cordially thank Dipl. Ing. Angelos Miaris for his firm support during my internship, where experimental tests were performed on the winding of pressure vessels. Finally, I would like to thank Dr. Zaira Marioli-Riga -the director Composite Laboratory of the Research and Development Department of the HAI for the opportunity to conduct research in the Department. In specific, I would also like to thank Dipl.Ing. Athanasios Meletis for the fruitful discussions and information that he provided me throughout the composite materials manufacturing and the experimental measurements. 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα ιπλωµατική Εργασία επικεντρώνεται κυρίως στην περιγραφή των καινοτόµων συνθέτων υλικών, την παρουσίαση διαφορετικών διεργασιών παραγωγής, αλλά και την εξέταση συγκεκριµένων εφαρµογών τους. Στην αεροναυπηγική βιοµηχανία κύριος στόχος είναι η περιγραφή επιλεγµένων µεθόδων κατασκευής προηγµένων συνθέτων υλικών καθώς και η αξιολόγηση τους µε τεχνο-οικονοµικά κριτήρια. Η κατασκευή/παρασκευή συνθέτων υλικών απαιτεί ως πρώτες ύλες (α) το ύφασµα, κατα-σκευασµένου άλλωτε µε ίνες άνθρακα και άλλωτε µε ίνες υάλου και (β) τη µήτρα που στη συγκεκριµένη περίπτωση είναι εποξειδική ρητίνη η οποία εµποτίζει τις ίνες µε σκοπό τη συνένωση των στρωµάτων υφάσµατος σε ένα υλικό. Στην παρούσα ιπλωµατική εργασία το παραγώµενο υλικό ήταν µια πλάκα µε δοµικό συστατικό τις ίνες υάλου και µήτρα από εποξειδική ρητίνη, πού στη συνέχεια θα καλείται ως GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic). Οι παραγωγικές διαδικασίες της GFRP πλάκας που θα αναλυθούν διαφέρουν ως πρός τον τρόπο εµποτισµού του υφάσµατος καθώς και το καλούπι παραγωγής (κλειστό, ανοιχτό). Η πρώτη παραγωγική διαδικασία που περιγράφεται είναι η εναπόθεση µε το χέρι όπου ο εµποτισµός του υφάσµατος γίνεται χειρονακτικά. Η δεύτερη παραγωγική διαδικασία που περιγράφεται είναι η έγχυση ρητίνης υπό συνθήκες υποπίεσης (LRI), ενώ η τρίτη παραγωγική διαδικασία είναι η µεταφορά ρητίνης σε κλειστό καλούπι (Resin Transfer Molding - RTM) όπου η παροχή ρητίνης µέσα στο καλούπι γίνεται µέσω πίεσης ειδικού µηχανήµατος. Η καινοτοµική παρέµβαση για τη δηµιουργία καινοτόµων σύνθετων υλικών είναι η ανάδευση στο διάλυµα της ρητίνης και κατά συνέπεια εξασφάλιση της διασποράς CNTs-νανοσωλήνων άνθρακα και το µείγµα αργότερα να εµποτίσει το ύφασµα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα προσδίδουν ηλεκτρική αγωγιµότητα στο µη αγώγιµο σύνθετο υλικό ενισχυµένο µε ίνες υάλλου, µειώνοντας ωστόσο σε πολύ µικρό βαθµό τις µηχανικές ιδιότητες του υλικού. Ο λόγος που η ύπαρξη των CNTs παίζει τόσο σηµαντικό ρόλο στα GFRPs είναι ότι µέσω της ταυτόχρονης παρακολούθησης της ηλεκτρικής 3

4 αντίστασης του υλικού κατά τη µηχανική λειτουργία του, µπορεί να καταγράφεται βλάβη πού αναπτύσσεται στο εσωτερικό του υλικού. Κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά στο Εργαστήριο Σύνθετων Υλικών του τµήµατος Έρευνας και Ανάπτυξης της Ελληνικής Αεροπορικής Βιοµηχανίας (ΕΑΒ). Αναπτύχθηκε µοντέλο για τον υπολογισµό του κόστους των παραχθέντων υλικών µε διαφορετικές µεθόδους παραγωγής. Πραγµατοποιήθηκαν µηχανικές δοκιµές για την αξιολόγηση των εν λόγω σύνθετων υλικών. Η σύγκριση µεταξύ τους και η αξιολόγηση µε τεχνο-οικονοµικά κριτήρια θα µας οδηγήσει στην επιλογή της βέλτιστης λύσης για βιοµηχανική εφαρµογή µε βάση το κόστος, σε συνδυασµό µε την επιλογή των ιδανικών διαστάσεων της παραγώµενης πλάκας και την επιθυµητή συγκέντρωση των CNTs. Θα καθοριστούν επίσης, οι βέλτιστες συνθήκες εµποτισµού και θερµοκρασίας για την παραγωγή των GFRP µε χαµηλό κόστος και µε προϋπόθεση την διατήρηση των µηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Κατά τη διάρκεια της τρίµηνης (3) παραµονής στο Ινστιτούτο Σύνθετων Υλικών- Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW), που υπάγεται στο Technische Universität Kaiserslautern της Γερµανίας, αναπτύχθηκε µοντέλο για τον υπολογισµό του κόστους παραγωγής για σύνθετα υλικά κλειστού καλουπιού, για βιοµηχανικές εφαρµογές. Το Institut für Verbundwerkstoffe έχει αναπτύξει την τεχνολογία δακτυλίου µε κεφαλές για διέλευση εµποτισµένου νήµατος πλέξης. Ειδικότερα εξετάστηκε η ενίσχυση µεταλλικών πιεστικών δοχείων για αποθήκευση συµπιεσµένου υδρογόνου, µέσω εξωτερικής πλέξης µε νήµατα εµποτισµένα µε ρητίνη. Πραγµατοποιήθηκε σύγκριση αυτής της µεθόδου µε την εφαρµοζόµενη στις βιοµηχανίες συµβατική µέθοδο µε δυο κριτήρια: την παραγωγικότητα δοχείων πίεσης στη µονάδα του χρόνου και το κόστος επεξεργασίας ανά παραγώµενη µονάδα. οµή της ιπλωµατικής Εργασίας Η ιπλωµατική Εργασία χωρίζεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται µια εισαγωγή στα σύνθετα υλικά, τους νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), τα FRPs, τις διάφορες µέθοδους παρασκευής GFRP και την περιέλιξης των πιεστικών δοχείων για την αποθήκευση υδρογόνου. 4

5 Το δεύτερο κεφάλαιο δίνει εν συντοµία µια βιβλιογραφική ανασκόπηση των διαφόρων δηµοσιευµένων µελετών για την µοντέλα κόστους για την παρασκευή συνθέτων υλικών, καθώς και τη µέθοδο κοστολόγησης ABC, πάνω στην οποία βασίστηκε η τεχνο-οικονοµική αξιολόγηση. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναλύονται οι διάφορες παραγωγικές διεργασίες GFRP καθώς και οι βασικές διεργασίες για την περιέλιξη των δοχείων πίεσης και κάθε µια από αυτές υποδιαιρείται σε υπο-διαδικασίες για την αποτελεσµατικότερη παρακολούθηση από τον αναγνώστη. Το τέταρτο κεφάλαιο περιλαµβάνει τα τεχνο-οικονοµικά µοντέλα, όπως επίσης και τη σύγκριση των διαφορετικών διαδικασιών παρασκευής GFRP αλλά και τών διεργασιών περιέλιξης πιεστικών δοχειών. Στο πέµπτο κεφάλαιο, πραγµατοποιείται η σύγκριση των διαφόρων διεργασιών παραγωγής GFRP µε βάση το τεχνο-οικονοµικά µοντέλο του 4 ου κεφαλαίου, για τον καθορισµό µιας βέλτιστης λύσης για την επεξεργασία των παραµέτρων κατασκευής µιας πλάκας GFRP. Επιπρόσθετα συγκρίνονται οι διάφορες διεργασίες περιέλιξης πιεστικών δοχείων µε βάση την παραγωγικότητα και το κόστος κατασκευής κατά περίπτωση. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα γενικά συµπεράσµατα της παρούσας ιπλωµατικής Εργασίας. 5

6 1. Εισαγωγή στα Σύνθετα Υλικά Σύνθετα Υλικά Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, υπήρξε µια έντονη αύξηση της ζήτησης για σύνθετα υλικά στην αεροναυπηγική βιοµηχανία. Τα καινότοµα αυτά υλικά κρατούν ζωτικό ρόλο στην τοµέα της αεροναυπηγικής, λόγω των υψηλών ειδικών χαρακτηριστικών τους τους και τις προηγµένες µηχανικές τους ιδιότητες. Ειδικότερα, η χρήση τους ως κύρια δοµικά υλικά τα τελευταία χρόνια σε πολλά τεχνολογικά έργα αεροδιαστηµικής τεχνολογίας αιχµής σε παγκόσµια κλίµακα τα έχει καταστήσει πρωταρχικά υλικά για τα οχήµατα αεροδιαστηµικής. Τα σύνθετα υλικά κατασκευάζονται από δύο ή περισσότερα συστατικά µε πολύ διαφορετικές φυσικές ή χηµικές ιδιότητες, που παραµένουν ξεχωριστές και διακριτές σε µακροσκοπική κλίµακα. Χαρακτηρίζονται από υψηλές επιδόσεις, όπως π.χ. ειδική αντοχή και ακαµψία και έχουν καταστεί ως τα σηµαντικότερα υλικά της αεροναυπηγικής. Τα περισσότερα σύνθετα υλικά συντίθενται από ίνες σε µορφή πλέξης, της οποίας η δοµή είναι σαφώς ασθενέστερη και λιγότερο συνεκτική από το τελικό προϊόν και αποτελούνται συνήθως από ίνες υάλου ή άνθρακα µε το τελικό υλικό να προκύπτει από την προσθήκη θερµοσκληρυνόµενων πολυµερών, όπως είναι ή εποξεικές ρητίνες, ή οι ρητίνες πολυεστέρα. Ως επί το πλείστον, τα υλικά αυτά βρίσκονται ακόµα σε στάδιο ανάπτυξης, µε προβλήµατα υψηλού κόστους παραγωγής, που πρόκειται βέβαια να ξεπεραστούν. Τα σύνθετα υλικά έχουν ιδιότητες, οι οποίες δεν θα µπορούσαν να συγκριθούν µε οποιοδήποτε από τα επί µέρους συστατικά τους. Μπορούµε να διαπιστώσουµε ότι η χρήση τους γίνεται ολοένα και πιο απαραίτητη, καθώς µπορεί να συµβάλει στη βελτίωση της ποιότητας της ζωής µας. Τα σύνθετα υλικά χρησιµοποιούνται σε αεροπλάνα, αυτοκίνητα, πλοία, αγωγούς, κτίρια, δρόµους, γέφυρες, καθώς και δεκάδες άλλους τοµείς. Οι ερευνητές βρίσκουν τρόπους για να βελτιώσουν άλλες ιδιότητες των συνθέτων υλικών, ώστε να µπορούν να είναι ισχυρότερα, ελαφρότερα, µε µεγαλύτερη διάρκεια ζωής και να παράγονται µε χαµηλώτερο κόστος. 6

7 Υβριδικά Σύνθετα Υλικά Οι Νανοσωλήνες Άνθρακα (CNTs) είναι ελαφρά, ανισόµετρα και είναι αγώγιµα σωµατίδια. Αυτός ο συνδυασµός των ιδιοτήτων τους τα καθιστά ιδανικά για την δηµιουργία ελαφρών και αγώγιµων συνθέτων πολυµερών τα οποία µπορεί να είναι χρήσιµα για την µηχανές ηλεκτροµαγνητικής θωράκισης, για αντιστατικά πλαστικά κ.λ.π. Αυτά τα σύνθετα πολυµερή καλούνται υβριδικά σύνθετα υλικά. Η θερµική και ηλεκτρική αγωγιµότητα των CNTs που συνίστανται σε µεγαλύτερη πυκνότητα ηλεκτρικής ενέργειας από τις άλλες ίνες αποτελεί το κύριο πλεονέκτηµά τους. Οι νανοσωλήνες άνθρακα χρησιµοποιούνται για να προσθέσουν τη δυνατότητα πολλαπλών χρήσεων στο υλικό στο οποίο τοποθετούνται. Ως αποτέλεσµα, τα CNTs θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν σε µη αγώγιµα υλικά, όπως τα GFRP - πολυµερή µε ενισχυµένες ίνες υάλου - µε σκοπό την ενίσχυση των δυνατοτήτων παρακολούθησης της καταπόνησης τους (µέσω µέτρησης των ξαφνικών αλλαγών στην ηλεκτρική αντίσταση κατά τη λειτουργίας τους), της δοµικής ασφάλειας και τη παρακολούθηση της ζηµίας που θα είναι ανάλογη µε θραύση ινών. Μεταξύ όλων των τύπων των νανοσωλήνων άνθρακα, οι πολλαπλών τοιχωµάτων multi-walled νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNTs) εµφανίζουν την υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιµότητα µεταξύ των συνθέτων υλικών που έχουν βάση τα πολυµερή, λόγω των ισορροπηµένων ιδιοτήτων τους και της οµοιογενούς και εύκολης διασποράς τους µέσα στο διάλυµα της εποξειδικής ρητίνης. Παραγωγικές ιαδικασίες Συνθέτων Υλικών Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, υπήρξε µια έντονη αύξηση της ζήτησης για σύνθετα υλικά στην αεροναυπηγική βιοµηχανία, λόγω των υψηλών ειδικών χαρακτηριστικών τους και των προηγµένων µηχανικών τους ιδιοτήτων. Πιό συγκεκριµένα, τα GFRPs χρησιµοποιούνται ευρέως σε ελαφριές κατασκευές, αλλά εξαιτίας της έλλειψης ηλεκτρικών ιδιοτήτων (επειδή το δοµικό τους συστατικό είναι το µη ηλεκτρικά αγώγιµο γυαλί) δεν παρέχεται η δυνατότητα ανίχνευσης ζηµιών και ρηγµάτωσης της πλέξης µέσα στο υλικό. 7

8 Η κατασκευή συνθέτων υλικών είναι αρκετά διαφορετική από τις παραδοσιακές µεθόδους παραγωγής άλλων προϊόντων. Στα σύνθετα υλικά, οι υφασµένες ίνες συσσωρεύονται σε στρώµατα για να δηµιουργηθεί και να διαµορφωθεί το τελικό προϊόν. Οι διαδικασίες παραγωγής των συνθέτων υλικών ανήκουν σε µια από τις δύο ακόλουθες λογικές: τη µέθοδο ανοιχτού καλουπιού και τη µέθοδο κλειστού καλουπιού. 8

9 ΠΛΑΚΕΣ GFRP Μέθοδος Κλειστού Καλουπιού Παρακάτω παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο εναλλακτικών διαδικασιών παραγωγής GFRP πλακών, που στο τρίτο κεφάλαιο θα αξιολογηθούν και θα συγκριθούν µε τεχνο-οικονοµικά κριτήρια για να προκύψει η βέλτιστη λύση για βιοµηχανική εφαρµογή. Μέθοδος Εναπόθεσης Ρητίνης µε το Χέρι - (Hand Lay-up) Η Hand lay-up είναι η απλούστερη και παλαιότερη µέθοδος ανοικτού καλουπιού των διαδικασιών παραγωγής των συνθέτων υλικών. Πρόκειται για µια µέθοδο υψηλής έντασης εργασίας κατάλληλη ειδικά για τα µεγάλες κατασκευές, όπως τα ύφαλων µέρη πλοίων. Φύλλο από ίνες υάλου ή φύλλο µε άλλο συστατικό στοιχείο τοποθετείται στο ανοιχτό καλούπι και κάποιος µε το χέρι αδειάζει και απλώνει ρητίνη πάνω στο φύλλο. Ο παγιδευµένος αέρας αφαιρείται µε rollers για να ολοκληρωθεί η κατασκευή του φύλλου. Ο πολυµερισµός της ρητίνης πραγµατοποιείται χωρίς εξωτερική θερµότητα. Μέθοδος Έγχυσης Ρητίνης - Liquid Resin Infusion (LRI) Η διαδικασία έγχυσης ρητίνης (LRI) υπό συνθήκες κενού είναι µια διαδικασία που χρησιµοποιείται για την παρασκευή υλικών FRPs (Fiber Reinforced Polymers-Πολυµερή µε Ενισχυµένες Ίνες). Τα φύλλα κόβονται µε συγκεκριµένη γεωµετρία (στην περίπτωση µας τετράγωνη) και τοποθετούνται σε επίπεδα στρώµατα το ένα επάνω στο άλλο, στο τέλος εφαρµόζεται επάνω τους πλαστικό φιλµ, και στη περίµετρο των καλυµµένων από το φιλµ φύλλων εφαρµόζονται αυτοκόλλητες ταινίες, ολοκληρώνοντας έτσι τη κατασκευή του καλουπιού. Η αντλία κενού χρησιµοποιείται για την εκκένωση του αέρα και την εφαρµογή υποπίεσης µέσα στο καλούπι. Στη συνέχεια, ρητίνη εγχέεται στο καλούπι µέσω στρατηγικά τοποθετηµένων γραµµών πρόσβασης µε προκαθορισµένο µέσο εισόδου από το κέντρο, έτσι ώστε το καλούπι να είναι τετράγωνης γεωµετρίας και η απόσταση από το κέντρο να είναι ίδια πρός όλες τις πλευρές. Η διαφορά πίεσης µεταξύ της κοιλότητας και της εξωτερικής ατµοσφαιρικής πίεσης ωθεί τη ρητίνη διαµέσου της δοµής του πλέγµατος των 9

10 ινών έως ότου κάθε φύλλο του καλουπιού να είναι πλήρως εµποτισµένο. Το κενό αέρα διατηρείται τόσο χρόνο όσο απαιτείται ενοποίησης. για την εξασφάλιση της Ως εκ τούτου και θεωρητικά, για τη βέλτιστη διαδικασία έγχυσης, η ρητίνη πρέπει να έχει χαµηλό ιξώδες, τα υλικά πρέπει να είναι ιδιαίτερα διαπερατά και η διαφορά πίεσης πρέπει να είναι όσο πιο υψηλή γίνεται. Μέθοδος Μεταφοράς Ρητίνης µε Πίεση Resin Transfer Moulding (RTM) Η RTM είναι αυτοµατοποιηµένη διεργασία, που συνδυάζει κενό αέρος, λόγω κλειστού καλουπιού και µεταφορά ρητίνης µε µηχανική εφαρµογή πίεσης. Τα υλικά του καλουπιού προθερµαίνονται και τοποθετούνται σε ένα θάλαµο γνωστό ως pot. Τα τοιχώµατα του καλουπιού επίσης θερµαίνονται σε θερµοκρασία πάνω από το σηµείο τήξης της ρητίνης και αυτό επιτρέπει την ταχύτερη ροή της εν µέσω των κοιλοτήτων. Στη συνέχεια, η ρητίνη εγχέεται µέσα στο καλούπι, το οποίο περιέχει τις ίνες, µε χαµηλή πίεση. Η πητίνη µεταφέρεται προς το καλούπι µε πίεση ψεκασµού, πίεση κενού ή και τα δύο. Ο πολυµερισµός της ρητίνης πραγµατοποιείται µέσα σε φούρνο και η θερµοκρασία πολυµερισµού εξαρτάται από τον τύπο της χρησιµοποιουµένης ρητίνης (πολυεστέρα, βινυλεστέρα, φαινολική ή εποξεική). Ανάγκη για Τεχνο-οικονοµική αξιολόγηση των διαδικασιών παραγωγής GFRP Στην παρούσα εργασία, επιχειρείται η αξιολόγηση της παραγωγής των ενισχυµένων µε CNTs πλακών GFRP, από τεχνο-οικονοµική άποψη. Επίσης, αναλύονται οι διαδικασίες παραγωγής LRI, RTM και Hand Lay-up προκειµένου να προσδιοριστούν όλες οι παράµετροι επεξεργασίας. Ως αποτέλεσµα, θα προκύψει η βέλτιστη λύση, µε βάση το συνολικό κόστος κατασκευής, συσχετιζόµενο µε την επιφάνεια της παραγώµενης πλάκας GFRP, τη συγκέντρωση των CNTs και τη θερµοκρασία κατά την οποία εγχέεται η ρητίνη στο καλούπι, 10

11 στηριζόµενοι σε πειραµατικά και θεωρητικά δεδοµένα. Επίσης πραγµατοποιείται έλεγχος ποιότητας των παραγόµενων δοκιµίων προερχοµένων από πλάκες GFRP µε διαφορετικές διασπορές CNTs, βασισµένοι στις µηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του δοκιµίου. Τέλος, χτίζεται ένα µοντέλο το οποίο προσοµοιώνει τη συµπεριφορά του κόστους για την παραγωγή πλάκας GFRP µε ενσωµατοµένα CNTs στη δοµή του. 11

12 ΠΙΕΣΤΙΚΑ ΟΧΕΙΑ Περιέλιξη Νήµατος επί Πιεστικών οχείων Η Περιέλιξη Νήµατος επί Πιεστικών οχείων είναι µια τεχνική για τη δηµιουργία κατασκευών µε τη χρήση συνθέτων υλικών. Στη διάρκεια των τελευταίων χρόνων ολοένα και µεγαλύτερο ενδιαφέρον έχει επιδειχθεί στην κατασκευή ελαφρών πιεστικών δοχείων για την αποθήκευση π.χ. φυσικού αερίου, H 2, LPG και LNG, που απαιτείται να αποθηκευτούν λόγω υψηλής πίεσης σε πιεστικά δοχεία τύπου III. Το κόστος κατασκευής παίζει κυρίαρχο ρόλο στην κατασκευή πιεστικών δοχείων τύπου III. Πρέπει να δοθεί µεγάλη έµφαση στην ανάλυση του κόστους κατασκευής των πιεστικών δοχείων και τις δραστηριότητες που έχουν αποτέλεσµα τη δηµιουργία κόστους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του προϊόντος, προκειµένου να ενισχυθεί η παραγωγή και η διάδοση τους στην αυτοκινητοβιοµηχανία και τον κλάδο των κατασκευών. Η πρώτη µέθοδος είναι η συµβατική, όπου πλεκτική µηχανή τραβά στεγνά νήµατα από µια ανέµη, µέσω µιας ανοικτής µονάδας εµποτισµού ρητίνης. Η δεύτερη, είναι η µέθο-δος περιέλιξης µε κεφαλές διάταξης ακτυλίου σε κλειστή Μονάδα Εµποτισµού µε Σιφονισµό. Συµβατική Περιέλιξη µέσω Ανοικτής Μονάδας Εµποτισµού Ρητίνης Μια καινοτόµος µέθοδος κατασκευής χρησιµοποιείται για την παραγωγή υβριδικών, ενισχυµένων νανο-συνθέτων υλικών, χαµηλού κόστους και υψηλής ταχύτητας παραγωγής. Η µέθοδος αυτή στηρίζεται στον εξαιρετικά γρήγορο εµποτισµό των ινών µέσω ειδικού µπάνιου ρητίνης. Οι ίνες από σύνθετο υλικό εµποτίζονται σε ρητίνη κατά τη διαδικασία. Περιέλιξη µε κεφαλές διάταξης ακτυλίου σε κλειστή Μονάδα Εµποτισµού µε Σιφονισµό Μια εναλλακτική διαδικασία κατασκευής εξετάζεται, όπου το σύστηµα εµποτισµού ρητίνης είναι κλειστό για αυξηµένη οικονοµία σε ρητίνη και για πιο αποτελεσµατικό εµποτισµό. Ένα σύστηµα έχει αναπτυχθεί Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) όπου η περιέλιξη των ινών γίνεται από πολλαπλούς βραχίονες εγκατεστηµένους σε ένα δακτύλιο. Ο εµποτισµός της ρητίνης γίνεται όταν οι ίνες περνούν από µια κλειστές µόναδες εµποτισµού πού 12

13 είναι εγκατεστηµένες στους βραχίονες της διάταξης και εσωτερικά ακολουθούν µια γεωµετρία σιφονισµού. Οι ίνες κατά την ίδια ώρα υπόκεινται σε συγκεκριµένη τάση για αποτελεσµατικότερο εµποτισµό. Η διάταξη αυτή αποτελεί ένα κλειστό σύστηµα που ελαχιστοποιεί την απώλεια της ρητίνης, επιτρέπει την πλήρη απορρόφηση και οµοιογενή κατανοµή της ρητίνης στο εσωτερικό των ινών και χαµηλότερο χρόνο επεξεργασίας από το συµβατικό σύστηµα µε ανοικτά δοχεία ρητίνης. 13

14 2. Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Οι περισσότερες πραγµατοποιηθήσες µελέτες πάνω στις διαδικασίες κατασκευής ενισχυµένων µε CNTs πλακών GFRP έχουν επικεντρωθεί στην εξέταση της ενίσχυσης της µηχανικής απόδοσης, αλλά και τις µετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης και το συσχετισµό τους µε διαφορετικές τιµές τάσεων εφελκυσµού. Πολύ λίγα πράγµατα έχουν ερευνηθεί σχετικά µε την οικονοµικότητα της κάθε παραγωγικής διαδικασίας και την επίδραση των CNTs και της θερµοκρασίας στο ιξώδες της ρητίνης και κατά συνέπεια στο χρόνο πλήρωσης του καλουπιού µε ρητίνη. εν έχει ακόµη πραγµατοποιηθεί µια πλήρης µελέτη για όλα τα οφέλη που συνεπάγεται η προσθήκη των CNTs από κάθε άποψη στα σύνθετα υλικά. Το µειονέκτηµα για την κατασκευή πλακών GFRP είναι το αυξηµένο κόστος παραγωγής και η έλλειψη ηλεκτρικής αγωγιµότητας του παραγόµενου υλικού. Σε αυτό το µήκος κύµατος, ο Kaufmann προτείνει ότι το κόστος κατασκευής θα πρέπει να συµπεριληφθεί στη διαδικασία σχεδιασµού της παραγωγικής διεργασίας [22]. Συγκεκριµένα, ο ερευνητής εντόπισε ότι οι κατασκευαστές αεροσκαφών θα πρέπει να έχουν στόχο να σχεδιάσουν αεροσκάφη µε το χαµηλότερο δυνατό άµεσο κόστος λειτουργίας (DOC) και αυτό το άµεσο κόστος λειτουργίας περιλαµβάνει το κόστος αποσβέσεων, τις ασφάλειες, τα τέλη προσγείωσης και αν µη τι άλλο τη κατανάλωση καυσίµων. Ο ίδιος συγγραφέας παρουσίασε µια µέθοδο συνδυασµού κόστους / βελτιστοποίησης του βάρους των αεροσκαφών, εισάγοντας την παράµετρο ποινής βάρους που θα καθορίζει την ισορροπία µεταξύ του κόστους κατασκευής και του τελικού βάρους [23]. Αυτή η ισορροπία επίσης επισηµάνθηκε σε διάφορες µελέτες περιπτώσεων, όπως στα σύνθετα πάνελ για τον σχεδιασµό της ατράκτου και τις πτέρυγες αεροσκαφών της πολιτικής αεροπορείας [24-26]. ιαφορετικές µεταβλητές σχεδιασµού και µεθοδολογίες εξετάστηκαν προκειµένου να ελαχιστοποιηθεί το κόστος και το βάρος. Η εστίαση στο µέγεθος ενός ελαττώµατος και κατά συνέπεια στη σάρωση ενός ελάσµατος σύνθετου υλικού µπορεί να επηρεάσει την επιλογή της βέλτιστης λύσης από πλευράς κόστους και 14

15 βάρους [27]. Εξάλλου, οι Manson και Bernet αναφέρουν ότι το µοντέλο που ανέπτυξαν πάνω στη διαδικασία παραγωγής και εκτίµησης του κόστους, εφαρµόζεται σε µια ευρεία ποικιλία τεχνικών παραγωγής συνθέτων υλικών [28]. Η αλληλεπίδραση µεταξύ του κόστους και των µοντέλων παραγωγής καθορίζει τις απαραίτητες προϋποθέσεις για να επιτευχθεί η επιθυµητή ποιότητα στο χαµηλότερο κόστος παραγωγής. Πέραν αυτού, επισηµάνθηκε ότι η βελτιστοποίηση των µεθόδων παραγωγής των υλικών που συνθέτουν ένα σύνθετο υλικό µπορεί να έχει αποτέλεσµα στην ποιότητα των προϊόντων και στο τελικό κόστος [29] όπως π.χ. στη ροή των διαδικασιών για την παρασκευή ενός δαπέδου αυτοκινήτου [30]. Υπάρχουν στοιχεία µελέτης εκτίµησης του κόστος παραγωγής ενός απλού στοιχείου που συµµετέχει σε έναν αριθµό διαφορετικών συνθέτων υλικών, ακολουθώντας διαφορετικές µεθόδους παραγωγής [32-33]. Ο Chung Hae Park στη προσπάθεια του για βελτιστοποίηση του κόστους παραγωγής, τροποποίησε την αλληλουχία στοίβαξης των στρωµάτων, καθώς επίσης και τις πύλες εισαγωγής της ρητίνης στην περίπτωση της RTM [34]. Αυτές οι δύο παράµετροι εξετάζονται προκειµένου να ελαχιστοποιηθεί ο χρόνος πλήρωσης του καλουπιού για συγκεκριµένες διαστάσεις κατασκευής, ιδιότητες υλικών και κατάσταση εισαγωγής της ρητίνης. Η τρέχουσα εκτίµηση του κόστους βασίζεται στη µέθοδο ABC (Activity Based Costing). Η ABC αποτελείται από τα ακόλουθα βήµατα [35]: a) Αναγνώριση των δραστηριοτήτων πού συνεπάγονται την εµφάνιση κόστους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του προϊόντος. b) Επιµερισµό της διαδικασίας σε υπο-διαδικασίες και προσδιορισµό των σχέσεων κόστους που συνδέονται µε κάθε επιµέρους υπο-διεργασία. c) Συσχέτιση του των σχέσεων κόστους µε κάθε επιµέρους υπο-διεργασία. d) Άθροισµα του κόστους όλων των υπο-διεργασιών που συµβάλλουν στη δηµιουργία της GFRP πλάκας. e) Οι εξισώσεις χρόνου υποστηρίζονται από την ABC, καθώς ο χρόνος έχει επιπτώσεις στην παραγωγή και επηρεάζει το κόστος εργασίας, της ενέργειας, το κόστος της κατανάλωσης και της απόσβεσης. 15

16 3. Μέθοδοι Παραγωγής GFRP Πλακών και Τεχνοοικονοµική Αξιολόγηση τους Η διαδικασία κατασκευής χωρίζεται σε τέσσερα βήµατα, ως εξής: I. Βήµα προετοιµασίας των CNTs και δηµιουργίας διασποράς µέσα στη ρητίνης II. Στάδιο 1, η προετοιµασία, όπου γίνεται η τοποθέτηση των υφασµάτων µέσα στο καλούπι. III. Στάδιο 2, όπου το µείγµα ρητίνης δηµιουργείται και τα υφάσµατα εµποτίζονται µε διαφορετικό τρόπο ανάλογα την παραγωγική διαδικασία IV. Στάδιο 3 όπου ο πολυµερισµός της ρητίνης λαµβάνει χώρα µέσω θέρµανσης των εµποτισµένων, µε ρητίνη, υφασµάτων σε φούρνο. Κάθε βήµα χωρίζεται σε πολλές επιµέρους διαδικασίες για καλύτερη παρακολούθηση, ενώ δηµιουργούνται σχέσεις κόστους και συνδέονται µε την κάθε επιµέρους υπο-διεργασία. Έτσι δηµιουργείται ένα µοντέλο για να περιγράψει αποτελεσµατικά κάθε µέθοδο παραγωγής GFRP. Μέθοδος Παραγωγής µε το Χέρι - Hand Layup Η µέθοδος παραγωγής µε το χέρι είναι ακριβώς η πλέον ενδεδειγµένη για µικρής κλίµακας παραγωγή. Θερµοκρασία δωµατίου, πολυεστερικά υφάσµατα και εποξειδικές ρητίνες διαµορφώνουν την εικόνα συνδυασµών που χρησιµοποιούνται πιο συχνά µε πολυµεριζόµενες ρητίνες. Ο πολυµερισµός της ρητίνης επιτυγχάνεται µε την παρουσία καταλύτη, επιτυγχάνοντας σκλήρυνση της σύνθεσης ρητίνης- πολυεστερικών ινών, ελλείψει µιας εξωτερικής πηγής θερµότητας. Η διαδικασία ξεκινά µε εφαρµογή ρητίνης µε το χέρι επάνω σε στρώµατα πολυεστερικού υφάσµατος. Το τελικό αποτέλεσµα είναι η παραγωγή µιας πλάκας GFRP. ιακρίνουµε τέσσερα βήµατα για την παραγωγή µιας πλάκας συνθέτου υλικού GFRP, που περιγράφουµε στην αναλυτική εργασία µαζί µε το αντίστοιχο κόστος και τις µετρήσεις του διατεθέντος χρόνου, ως ακολούθως: Βήµα I: Προετοιµασία ιαλύµατος Νανοσωλήνων Άνθρακα - CNTs, Βήµα II: Προετοιµασία Υφασµάτων και Ρητινών, 16

17 Βήµα III: Βήµα IV: Παραγωγή Πλάκας GFRP, και Μετά την Παραγωγή. Βήµα I: Προετοιµασία ιαλύµατος Νανοσωλήνων Άνθρακα - CNTs Πριν την έναρξη, CNTs διατηρούνται ασφαλείς σε ειδικό κάνιστρο. Το περιβάλλον εργασίας CNTs είναι επικίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία, ως εκ τούτου ο χώρο εργασίας περιβάνεται από διαφανή µεµβράνη. Μόλις αποφασιστεί η συγκέντρωση των CNTs, ένας τεχνικός αναµειγνύει µέσα στο προστατευόµενο χώρο εργασίας ένα φλιτζάνι ακετόνης µε CNTs του οποίου το βάρος έχει ήδη µετρηθεί και το αδειάζει µαζί µε τα CNTs και τη βάση της ρητίνης µέσα στο κάδο του Ηλεκτρικού Αναδευτήρα. Ο Ηλεκτρικός Αναδευτήρας λειτουργεί µε υψηλή ταχύτητα περιστροφής του δίσκου ανάδευσης. Η ανάµειξη λαµβάνει χώρα για 24 ώρες. Βήµα II: Προετοιµασία Υφασµάτων και Ρητινών Κοπή Υφασµάτινων Φύλλων Η διαδικασία ξεκινά µε την κοπή δέκα (10) υφασµάτινων φύλλων επιφάνειας 300Χ300 χιλιοστά. Αυτά τα δέκα στρώµατα χρησιµοποιούνται για µία και µόνη πλάκα GFRP. Είναι πολύ σηµαντικό να εξασφαλιστεί ότι τα υφάσµατα είναι όλα κοµµένα µε τις ίνες ευθυγραµµισµένα στην σωστή γωνία. ηµιουργία µείγµατος ρητίνης και προθέρµανση Μετά από τη µέτρηση του βάρους δειγµάτων ρητίνης και καταλύτη, η αναλογία υπολογίζεται και δικαιολογείται µε βάση το λόγο 35:100. Στη συνέχεια, η ρητίνη προθερµαίνεται για τη µείωση του ιξώδους του µίγµατος και εξασφάλιση καλύτερου εµποτισµού των ινών των υφασµάτων. Βήµα III: Παραγωγή Πλάκας GFRP Εµποτισµός των υφασµάτινων φύλλων και πολυµερισµός Το ύφασµα τοποθετείται µε το χέρι σε µια επίπεδη επιφάνεια, και η ρητίνη χύνεται, απλώνεται µε βούρτσα, ή ψεκάζεται επάνω του. Ο παγιδευµένος αέρας αφαιρείται µε το χέρι µε µάκτρα ή κυλίνδρους για να ολοκληρωθεί η δοµή του ελάσµατος. Εάν υπάρχει ένα µη διαποτισµένο σηµείο εποξειδική ρητίνη πρέπει να προστεθεί µε προσοχή στο σηµείο αυτό. 17

18 Μόλις τα φύλλα είναι πλήρως εµπορισµένα, το πλεονάζον υλικό πρέπει να συγκεντρωθεί για να µειωθεί το βάρος και να βελτιωθεί η ποιότητα του τελικού προϊόντος. Οι οδηγίες του κατασκευαστή ακολουθούνται για πολυµερισµό της ρητίνης µέσα σε ένα φούρνο. Η αρχική θερµοκρασία σκλήρυνσης αυξάνεται αυτοµάτως σταδιακά από 25 ο C έως 80 o C για µέγιστο χρονικό διάστηµα δύο ωρών. Βήµα IV: Μετά την Παραγωγή Το µετά τον Πολυµερισµό στάδιο Σε αυτό το βήµα το προϊόν τοποθετείται σε ηλεκτρικό φούρνο για εφαρµογή διαφορετικών θερµοκρασιών. Αρχικά, η θερµοκρασία ρυθµίζεται στους 140 ο C και βαθµιαία ελαττώνεται στους 25 C (θερµοκρασία περιβάλλοντος). Η όλη διαδικασία διαρκεί περίπου τρεις (3) ώρες. Μέθοδος Παραγωγής µε Έγχυση Υγρής Ρητίνης-LRI Στη µέθοδο παραγωγής µε Έγχυση Υγρής Ρητίνης διακρίνουµε επίσης τα ίδια τέσσερα βήµατα της Μεθόδου Παραγωγής µε το Χέρι - Hand Layup, για την παραγωγή µιας πλάκας συνθέτου υλικού GFRP, που περιγράφεται µε λεπτοµέρεια στην αναλυτική εργασία. Οι διαφορές της όµως µε την Μέθοδο Παραγωγής µε το Χέρι - Hand Layup, είναι ότι η LRI: Είναι Κλειστού Καλουπιού, Χρησιµοποιεί Bagging Films, προκειµένου να καλύψει τον χώρο δηµιουργίας µιας GFRP πλάκας και Εµποτίζει στα φύλλα του υφάσµατος µε ρητίνη µέσα στα Bagging Films, µε τη χρήση υποπίεσης που δηµιουργεί µια αντλία κενού. Μέθοδος Παραγωγής Μεταφοράς Ρητίνης µε Πίεση - Resin Transfer Moulding - RTM Η RTM είναι αυτοµατοποιηµένη µέθοδος παραγωγής, που συνδυάζει κενό αέρος, λόγω χρήσης κλειστού καλουπιού και προώθησης της ρητίνης στο καλούπι µε µηχανική εφαρµογή πίεσης. Και σε αυτή τη µέθοδο παραγωγής διακρίνονται επίσης τα ίδια τέσσερα βήµατα όπως και στις δυο προηγούµενες 18

19 µεθόδους, για την παραγωγή µιας πλάκας συνθέτου υλικού GFRP, που επίσης περιγράφονται µε λεπτοµέρεια στην αναλυτική εργασία. Η διαφορές της αντίστοιχα µε την Μέθοδο Παραγωγής µε το Χέρι - Hand Layup, είναι ότι αυτή η RTM: Είναι κλειστού και µάλιστα ειδικού καλουπιού και Ενσωµατώνει τη ρητίνη στα φύλλα του υφάσµατος µε τη χρήση πεπιεσµένου αέρα. 19

20 Συµπεράσµατα Τεχνοοικονοµικής Αξιολόγησης Μεθόδων Παραγωγής GFRP Πλακών Με την ταυτοποίηση των τριών παραπάνω διεργασιών σε υποδιεργασίες αναπτύχθηκε ένα µοντέλο τεχνο-οικονοµικής αξιολόγησης ανά µονάδα παραγωµένου προϊόντος. Αυτή η τεχνο-οικονοµική αξιολόγηση πραγµατοποιήθηκε µε σκοπό τον καθορισµό των ιδανικών συνθηκών παρασκευής GFRP πλακών µε βάση το κόστος του παραγωµένου προϊόντος. Οι παράµετροι παραγωγής στις οποίες βασίστηκε η αξιολόγηση ήταν η µέθοδος εµποτισµού µε ρητίνη, η επιφάνεια της παραγώµενης πλάκας GFRP και το ιξώδες της ρητίνης που επηρεάζεται από τη θερµοκρασία έγχυσης. Αρχικά δεν προκρίθηκε η µέθοδος Hand Layup λόγω χαµηλής διαστατικής ακρίβειας του παραγωµένου προϊόντος, παρότι είναι η διαδικασία µε το χαµηλώτερο κόστος. Η RTM είναι πιό ακριβή και χρονοβόρα από τις άλλες διαδικασίες παραγωγής GFRP πλακών, εξαιτίας του ότι πρέπει να προετοιµαστεί και να στηθεί το καλούπι και έπειτα να γίνει η σύνδεση µε πιεστικό µηχάνηµα για τη µετέπειτα τροφοδοσία της ρητίνης υπό πίεση. Η σύγκριση που πραγµατοποιήθηκε σαν αποτέλεσµα µετρήσεων πειραµατικών δεδοµένων στην Ελλάδα (Εγκαταστάσεις ΕΑΒ) κατέληξε στην επιλογή της βέλτιστης λύσης που είναι η µε χρήση της Μεθόδου LRI παραγωγή πλάκας επιφάνειας 1,000 X 1,000 mm συγκέντρωσης σε νανοσωλήνες άνθρακα 0,75%, λόγω µεγαλύτερης διαστατικής ακρίβειας, σε συνδυασµό µε το κόστος, την δηµιουργία δοκιµίων (coupons) και του µεγαλύτερου αριθµού παραγωµένων τη µεγαλύτερη δυνατή µείωση των µηχανικών ιδιοτήτων της πλάκας. 20

21 4. Μέθοδοι Παραγωγής Πιεστικών οχείων και Τεχνοοικονοµική Αξιολόγηση τους Μέθοδος Συµβατικής Περιέλιξης µέσω Ανοικτής Μονάδας Εµποτισµού Ρητίνης Βήµα I: Βήµα II: Βήµα III: Προετοιµασία Ινών, Περιέλιξη Πιεστικού οχείου, και Μετά την Παραγωγή. Βήµα I: Προετοιµασία Ινών Αρχικά τοποθετούνται στη σωστή θέση τα τόπια µε τις ίνες και σύνδεονται µε την ανοικτή µονάδα εµποτσµού. Βήµα II: Περιέλιξη Πιεστικού οχείου Σε αυτό το στάδιο πραγµατοποιείται η περιέλιξη του πιεστικού δοχείου από τις ίνες αλλά και ο ταυτόχρονος εµποτισµός των ινών µε εποξειδική ρητίνη από µια ανοιχτή µονάδα εµποτισµού. Παράµετροι αόπως η ασκούµενη τάση στις ίνες αλλά και η ταχύτητα περιέλιξης επηρεάζουν τη διαδικασία περιέλιξης Βήµα III: Μετά την Παραγωγή Το µετά τον Πολυµερισµό στάδιο Σε αυτό το βήµα το προϊόν τοποθετείται σε ηλεκτρικό φούρνο για εφαρµογή διαφορετικών θερµοκρασιών. Αρχικά, η θερµοκρασία ρυθµίζεται στους 140 ο C και βαθµιαία ελαττώνεται στους 25 C (θερµοκρασία περιβάλλοντος). Η όλη διαδικασία διαρκεί περίπου τρεις (3) ώρες. Μέθοδος Περιέλιξης µε κεφαλές διάταξης ακτυλίου Μονάδα Εµποτισµού µε Σιφονισµό σε κλειστή Βήµα I: Βήµα II: Προετοιµασία Ινών και ακτυλίου, Περιέλιξη Πιεστικού οχείου, και 21

22 Βήµα III: Μετά την Παραγωγή. Τα βήµατα είναι τα ίδια µε τη Συµβατική Περιέλιξη µέσω Ανοικτής Μονάδας Εµποτισµού Ρητίνης αλλά δαπανάται πολύς χρόνος στην προετοιµασία της διεργασίας για την εγκατάσταση, σύνδεση και απεγκατάσταση των µερών του ακτυλίου. Χρησιµοποιεί έναν δακτύλιο πάνω στον οποίο είναι εγκαστηµένοι πολλαπλοί βραχίονες. Κάθε ένας βραχίονας έχει εγκατεστηµένη µια κλειστή µονάδα εµποτισµού, από την οποία περνάνε οι ίνες και εµποτίζονται µε τη µέθοδο του σιφονισµού. Με αυτό τον τρόπο µπορεί να πραγµατοποιηθεί περιέλιξη περισσότερων ινών και πιό αποτελεσµατικός εµποτισµός των ινών µε ρητίνη εξαιτίας των πολλών βραχίονων αλλά και της γεωµετρίας του σιφονισµού µέσα στην κλειστές µονάδες εµποτισµού. 22

23 Συµπεράσµατα Τεχνοοικονοµικής Αξιολόγησης Μεθόδων Παραγωγής Πιεστικών οχείων Οι δύο µέθοδοι περιέλιξης αναλύονται και συγκρίνονται µε βάση δύο κριτήρια: Παραγωγικότητα Κόστος Παραγωγής Προκειµένου να προσδιορισθούν τα κριτήρια ανάλυσης και σύγκρισης των δυο µεθόδων επιχειρούνται τα ακόλουθα: Εντοπισµός των παραµέτρων παραγωγής Εφαρµογή των βασικών παραµέτρων βιοµηχανικής κλίµακας Ανάλυση κάθε µεθόδου σε ηµερήσια βάση παραγωγής Τεχνοοικονοµική αξιολόγηση Παρά το γεγονός ότι το ποσοστό παραγωγικότητας επιταχύνεται σηµαντικά, η µέθοδος Συµβατικής Περιέλιξης µέσω Ανοικτής Μονάδας Εµποτισµού Ρητίνης έχει σηµαντικά προβλήµατα, όπως: Το ιξώδες της ρητίνης µε την πάροδο του χρόνου και τη µεταβολή της θερµοκρασίας, υσκολία βαθµονόµησης του λόγου των ινών-µήτρας στο ύφασµα, Το σύστηµα δεν µπορεί να ανταποκριθεί σε αλλαγές ταχυτήτων στη διάρκεια της διαδικασίας, Η ρητίνη είναι εκτεθειµένη στον αέρα. Η καινοτόµος Μέθοδος Περιέλιξης µε κεφαλές διάταξης ακτυλίου σε κλειστή Μονάδα Εµποτισµού µε Σιφονισµό θα µπορούσε να επιταχύνει την παραγωγή των υλικών και τη µείωση των υλικών ζηµιών, µειώνοντας σηµαντικά το κόστος παραγωγής. 23

24 Synopsis This investigates the fundamental principles of three different manufacturing procedures of hybrid, advanced composite materials for aeronautical applications. The main target is to describe and evaluate different highly innovative composite materials, on a techno-economical basis and compare them against the different manufacturing processes. Three manufacturing processes will be described hereafter; the first is the Hand Lay-up Method, where the resin is applied manually on the fibers. The second is the Liquid Resin Infusion Method (LRI), where GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) plate is being manufactured with the infusion of the resin in the composite material. The third manufacturing process is the Resin Transfer Molding (RTM), where the composite material is being produced in closed filled moulds. A techno-economical evaluation model of different manufacturing processes was developed in order to identify the optimum parameters for the production of GFRP plates, with enhanced mechanical properties and low cost, produced through the most efficient impregnation method known so far. Composite materials were fabricated at the Laboratory of Research and Development of Hellenic Aerospace Industry (HAI). An efficient cost model has been developed and finally costing of each individual setup has been recorded. Mechanical evaluation of composite material GFRP plates was made on GFRP specimens with (a) neat epoxy resin and (b) doped resin with CNTs. A further research topic of composite materials examined is the Filament Winding Technology for Hydrogen storage pressure vessels, with the use of impregnation units. Filament winding is one of the most competitive technologies for the production of high end pressure vessels made of composite materials. The Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) - based in TU Kaiserslautern, Germany- has developed a ring winding head for filament winding. The head is capable of winding 32 rovings simultaneously, thus increasing the payout efficiency of the filament winding process by a factor of 3,2. Parallel to the head, an innovative impregnation system for the wet out of the fiber rovings has been developed. 24

25 A period of a three months internship was spent in IVW in Kaiserslautern in order to analyze the ring winding technology on a techno-economical basis through development of a cost model. This innovative process will be compared against the conventional winding technique, on two criteria: the productivity rate of pressure vessels and the processing cost of each winding method. For doing so, the two main winding methods will be analyzed on a daily basis production, while all processing parameters for the main two winding technologies will be identified. Structure The on hand is divided into six chapters. The first chapter is an introduction on composite materials, the carbon nanotubes (CNTs), the FRPs, the various GFRP manufacturing processes and the Filament Winding of pressure vessels for hydrogen storage. Second chapter briefly provides a literature review of several published studies on cost modeling and parameters for manufacturing composites as well as the ABC (Activity Base Costing) method that the techno-economical evaluation models were based on. In the third chapter, an insight on the GFRP manufacturing processes is given, as well as the Filament Winding of pressure vessels, while each of them is divided into sub-processes for more efficient monitoring and analysis. Fourth chapter outlines the techno-economic assessment and comparisons are deployed for different GFRP manufacturing processes and the two main filament winding techniques based on experimental investigation. In the fifth chapter, GFRP manufacturing techniques are analyzed and compared on techno-economic criteria, to obtain an optimum solution for processing parameters of GFRP plate manufacturing. Also, filament winding techniques are compared on the basis of productivity and processing cost. Finally in the sixth chapter, generic conclusions of the present Diploma Thesis are briefly described. 25

26 LIST OF CONTENTS 1. INTRODUCTION TO COMPOSITE MATERIALS COMPOSITE MATERIALS HYBRID COMPOSITES MANUFACTURING PROCESSES i) Hand Lay-up Method ii) Liquid Resin Infusion Method iii) Resin Transfer Moulding Method iv) Filament Winding TECHNO-ECONOMICAL ASSESSMENT ON COMPOSITE MATERIALS MANUFACTURING INTRODUCTION ABC METHOD THE ACCURATE TOOL FOR COMPOSITES MANUFACTURING ECONOMICAL EVALUATION AND TIME COMPOSITE MATERIALS MANUFACTURING HAND LAYUP LIQUID RESIN INFUSION METHOD-LRI RESIN TRANSFER MOULDING-RTM MATERIAL TESTING FILAMENT WINDING TECHNO-ECONOMICAL ANALYSIS IN THE PRESENT CHAPTER THE MODELS FOR COST ESTIMATION OF GFRP PLATES AND PRODUCTIVITY RATE MODEL OF PRESSURE VESSELS MANUFACTURING ARE THOROUGHLY DESCRIBED METHODOLOGY FOR THE COST ESTIMATION OF MANUFACTURED COMPOSITES MOULD FILLING TIME ESTIMATION

27 4.3. MECHANICAL TEST RESULTS FILAMENT WINDING MODEL RESULTS AND DISCUSSION MANUFACTURING PROCESSES OF HYBRID COMPOSITES COMPARISON COMPARISON OF RING WINDING HEAD VS THE CONVENTIONAL WINDING METHOD WINDING CALCULATION FORMULAS CONCLUSIONS TABLE OF FIGURES LIST OF TABLES NOMENCLATURE REFERENCES

28 1. Introduction to Composite Materials 1.1. Composite Materials During the last decades, there has been a strong demand increase for composite materials in the civil aerospace industry. Composites are of critical performance to aerospace manufacturing sector mainly due to their high specific strength and their advanced mechanical properties. Recently they are being used in primary structures in several technology-demonstrator front-line aerospace projects world-wide, that has provided confidence leading to their acceptance as prime materials for aerospace vehicles [1]. Military aircraft have utilized fiber reinforced composites for more than twenty years. Mainly carbon and glass fiber reinforced plastics are used, that both provide improved structural efficiency and lower cost. Recently, the advent of high modulus composites has led to its use in highly loaded, stiffness critical wings and control surfaces, as well as other structures [2]. Advanced composites have been established as a viable primary structural material for aerospace production applications. Current American military aircraft, such as the F-14, F-15, and F-16, utilize composites for empennage components [3]. Composite materials are engineering materials manufactured from two or more constituent materials with significantly different physical or chemical properties that remain separate and distinct on a macroscopic level within the finished structure [WS1]. They can be tailored accordingly to the demanding mechanical properties and most of them have high specific mechanical performance such as specific strength and stiffness. Most composites consist out of high strength reinforcing fibers in a soft matrix. The main objective is to manufacture a component according to the aeronautical demands, e.g. low density material of high stiffness and strength. Commercial composite materials are being produced with glass or carbon fibres in matrices based on thermosetting polymers, such as epoxy or polyester resins. Sometimes, thermoplastic polymers may be preferred as matrices, since they are mouldable after initial production [WS2]. Some other classification of composites can be made whether the matrix is metallic or ceramic. 28

29 Figure 1-1: Application of different composite materials on the aircraft Boeing 777 [WS3]. Figure 1-2: Typical samples of composite materials: a prepreg material and a composite blade fan [WS4,WS5]. Physical properties of composite materials are generally not isotropic (independent of direction of applied force) in nature which means that their properties are not dependent on the direction along which they are measured [WS6], but rather are typically orthotropic. This means that their mechanical properties are, in general, different along the directions of each of the axes. Orthotropic materials are thus anisotropic and their properties depend on the direction in which they are measured [WS7]. Figure 1-3 depicts that for an orthotropic laminate, in the ψ and z directions the laminate is considered to have the same properties. 29

30 Figure 1-3: Example of an orthotropic material which has the same mechanical properties in the ψ and z direction [WS8]. Three factors must be considered when choosing reinforcements: fiber (most commonly fiberglass, but also aramid and carbon); form (roving strands, mat and fabrics); and orientation (fiber direction in the part). Fibers can run parallel (uni/longitudinal, 0º), circumferential (bi-axial, 90º) or helical (biased, ±33º to 45º) along the length of the part. Fiber volume (glass to resin ratio) must also be considered for the manufacturing of the composite. Resin is heavier than glass so having higher fiber content will result in a lighter, stronger but brittle material [WS9]. Resin (polyester, vinyl ester, and epoxy) and form (wet lay-up or prepreg, a reinforcement saturated with resin) must be carefully chosen to ensure a successful design. Formulators can modify resin with chemicals and fillers to help meet product performance requirements. The resin viscosity, which is usually expressed in Pascal-second (Pa*s) units, is important in achieving optimum flow rates for specific manufacturing processes Hybrid Composites Carbon nanotubes or CNTs are cylindrical molecules composed of carbon with a diameter of around 1 nanometer and lengths up to a few micrometers. Single-walled nanotubes (SWNTs) use a single sheath of graphite one atom thick, called "graphene." Multiwalled nanotubes (MWNTs) are either wrapped into multiple layers like a parchment scroll or are constructed of multiple 30

31 cylinders, one inside the other [WS10]. Figure 1-4 shows the difference between a single walled and a multiwalled nanotube. Figure 1-4: Layout of single-walled nanotubes (SWNTs) and multiwalled nanotubes (MWNTs) [WS11]. Production of a hybrid (poly-functional) composite material consists of two distinct stages. The first stage is the integration (mixing) of carbon nanotubes into the epoxy resin to achieve electrical conductivity. Different mixing methods were used in the literature as candidates; shear mixing (shear dispersion) (Figure 1-5) and mixing with rollers (calandering) (Figure 1-6) show the best results in terms of dispersion of carbon nanotubes the resin [19, 20]. Figure 1-5: Layout of the dispersion process of carbon nanoparticles mixed shear (shear dispersion) and the torus mill-dissolver used [WS12]. 31

32 Figure 1-6: Layout of the dispersion process of nanoparticles coal mills (calandering) [39]. An optimal process for the homogeneous dispersion of carbon nanotubes will have to overcome strong attractive forces between the primary particle clusters (agglomerates) of raw material and should impose a good dispersion and homogeneous distribution of nanoparticles. It should be noted that it is extremely difficult to make a homogeneous dispersion of nanotubes produced by the method of chemical vapor deposition (CVD) using a catalyst, as the primary material is already formed into pellets that nanotubes are among the mess. The dispersion and distribution of carbon nanotubes in the resin is shown in Figure 1-7. If the forces involved in the aggregates of carbon nanotubes are not capable to overcome the attractive forces between carbon nanotubes, then made good but uneven distribution of dispersion, as shown in Figure 1-7 (b). It should be noted that the optimum microstructure for electrical monitoring is to create a structure / proximity (network) carbon nanotube dispersion comprising good, but uneven distribution of particles, as shown at the bottom of Figure 1-7 (d). If the hybrid nano materials are to be used with good electrical properties, then additional shear forces should be imposed on the material after the main process of spreading aggregates of carbon nanotubes. 32

33 Figure 1-7: Layout of (a) poor dispersion and inhomogeneous distribution, (b) poor dispersion, but inhomogeneous distribution, (c) Good dispersion and homogeneous distribution and (d) Good dispersion but inhomogeneous distribution [40]. In recent years the use of carbon nanotubes (CNT) in polymer composites has attracted great attention due to their excellent mechanical, thermal and electrical properties [4 7]. According to researchers, the embedding of CNTs offers to the GFRPs the potential for sensing capabilities through changes in electrical resistance on the onset of damage e.g. [8-9]. Among all types of carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) exhibit the highest potential for an electrical modification of polymers because of their balanced properties and good process ability in terms of easy dispersion [10]. MWCNTs (multiwall carbon nanotubes) provide enhanced fracture properties and also improved sensing properties at the epoxy resin polymers e.t.c. [11-15]. Carbon nanotubes (CNTs) are light, anisometric and conducting particles. This combination of properties make them ideal fillers to achieve light and conductive polymer composites which can be useful for electromagnetic shielding devices, antistatic plastics, packaging, etc. Typical image of several CNTs can be seen in Fig.1-8. The conductivity of the composites is usually dominated by the intertube contacts which are more resistive than the CNTs. This is why it is expected that the conductivity of nanotubes composites should strongly depend on the surface properties of CNTs and on the polymer confinement at the CNT interfaces [3]. 33

34 Figure 1-8: Scanning electron microscope (SEM) on multiwalled CNTs (MWCNTs) [WS13]. The fact that CNTs are highly thermally and electrically conducting is regarded as their main advantage. Also they consist of higher electricity density than other fibers. Carbon nanotubes are used to add the multifunction ability to the material. As a result CNTs could be used to non-conductive materials -such as GFRP- in order to enhance their monitoring capabilities and structural safety and monitor damage which would be related to fiber breakage. CNTs can be added for material damage monitoring via electrical resistance change measurements Manufacturing Processes During the last few years, there has been a strong demand increase for composite materials in the aerospace industry. Composites have been a vital part in the aerospace manufacturing sector due to their high specific strength and advanced mechanical properties. Most specifically GFRPs (glass fiber reinforced polymers) are extensively used at lightweight constructions but no guaranties are provided for sensing the onset of damage and matrix cracking inside the material. Manufacturing composite products is quite different from traditional production processes. With composites, materials are built up in layers to create and shape the end product. Rather, it is important to design specifically for composite materials and to consider which type of process is being used as they present different advantages and disadvantages. A few methodologies will be presented briefly underneath. 34

35 The laminate design, size and complexity, as well as cost, volume, production speed and market conditions, determine whether the part will be built through Open or Closed Mould Processes. To produce a strong and durable laminate by any process, the resin must thoroughly saturate the reinforcements, and the wet laminate must be compacted to remove excess resin and entrapped air. i) Hand Lay-up Method The first method is almost exclusively a method of small-scale production. The production of large components has not been applied for the aerospace components, mainly due to the existence of structural imperfections within the material and the heterogeneity of the thickness of the produced material, due to the deposition of different quantity of resin in various regions of the composite material. Hand lay-up is the simplest and oldest open moulding method of the composite fabrication processes. It is a low volume, labour intensive method suited especially for large components, such as boat hulls. Glass or other reinforcing mat or woven fabric or roving is positioned manually in the open mould, and resin is poured, brushed, or sprayed over and into the glass plies. Entrapped air is removed manually with squeegees or rollers to complete the laminates structure. Room temperature curing polyesters and epoxies are the most commonly used matrix resins. Curing is initiated by a catalyst in the resin system, which hardens the fiber reinforced resin composite without external heat. For a high quality part surface, a pigmented gel coat is first applied to the mould surface [WS14]. In Figure 1-9 the concept of Hand Lay-up is demonstrated. 35

36 Figure 1-9: The concept of the Hand Lay-up Method, where the resin is impregnated to the fibers manually [41]. ii) Liquid Resin Infusion Method The second method, the Method of Resin Infusion under vacuum is a method that manufacturing experience of the craftsman is not as critical as in the previous process in order to manufacture the composite material. Liquid Resin Infusion Process (LRI) under vacuum is a process used to manufacture fiberreinforced polymer (FRP) parts in which disposable films are applied over the laminate. Dry materials are stacked onto a male or female mould surface and a thin plastic vacuum bag or semi rigid counter mould is sealed around the part perimeter. A vacuum pump is used to evacuate the air and apply atmospheric pressure to consolidate the dry materials and create a vacuum cavity. Resin is then introduced into the cavity via strategically placed resin feeder lines. The method of resin infusion is shown in Figure Note that the quality of the produced material is directly related to the ability / experience of the working personnel in composite material s manufacturing. In addition, largescale production units become impossible due to high manufacturing costs. The pressure differential between the cavity and the outside atmospheric pressure pushes the resin through the porous materials until the part is completely saturated. The vacuum is maintained until the part the part cures to ensure consolidation. To theoretically optimize an infusion process, the resin needs to be very thin (low viscosity), the materials need to be very permeable, and the pressure differential needs to be as high as possible. Main drawback of this method is the produced material s incomplete homogenization in thickness and generally in the geometric dimensions. This is 36