Fabrication induced residual strains in thin composite laminates

The broad scope of this research is aimed at understanding experimentally and theoretically the factors that affect the formation of residual strains that are found to occur during the curing of carbon fiber composite plates. The phenomenon of residual strains that develop during the production of carbon fiber composites is one of the most significant problems in the industry. The necessity of high quality, large volume production lines for advanced applications demands that manufacturing processes be subject to norms of ever increasing precision and monitoring in an attempt to improve material performance and suitability. Responding to these challenges has driven the development of theoretical process modeling for use in predicting the associated residual strain history during the curing of such laminate structures. The chosen objective of this work is the investigation of residual strains in woven fabrics taking into account the modified kinetics of cure, the revised balance of internal forces, the viscoelastic behavior and the cure temperature profile specifically adapted to the practical case of a woven fabric composite like the 5 harness satin weave sheet. In this study we took into account the natural requirements of the manufacturing process by integrating specific models for the thermo-kinetics, thermos-mechanics, temperature and viscoelastic properties of the resin and the carbon fabric weave. The results from theoretical simulations are studied together with the results obtained from an experimental study for the 5 harness satin sheet weave material, the experiments involved the measurement of residual strain inside a sample panel with the aid of optical fibers positioned within the laminate during manufacture. The correspondence between the predicted and experimental values of strain shows an accurate physical understanding of the origins of the measured data for the entire thermal curing cycle used in the experiment.

La presente ricerca è finalizzata a comprendere sperimentalmente e teoricamente i fattori che influenzano la formazione degli strain residui. Tali strain si verificano durante il processo di cura di lastre composite in fibra di carbonio. Il fenomeno degli strain residui che si sviluppano durante la produzione di materiali compositi in fibra di carbonio è uno dei problemi più significativi dell’Industria. La necessità di componenti di alta qualità per applicazioni avanzate richiede che i processi di produzione siano soggetti a gradi di precisione e monitoraggio sempre crescenti nel tentativo di migliorare le prestazioni e la qualità dei materiali. Da qui nasce la necessità di comprendere l’evoluzione degli strain residui durante il processo di cura di piastre in carbonio. La modellizzazione del processo di formazione degli strain residui all’interno di compositi realizzati in 5 harness woven fabric ha tenuto conto della cinetica di polimerizzazione, dell'equilibrio delle forze interne, del comportamento viscoelastico e del profilo del ciclo di cura, ovvero della temperatura di polimerizzazione. I risultati delle simulazioni teoriche sono stati studiati insieme ai risultati ottenuti da studi sperimentali realizzati su piastre composite in 5 harness satin. La misurazione degli strain residui all'interno dei pannelli compositi in fase sperimentale è avvenuta attraverso fibre ottiche posizionate all'interno dei laminati. La corrispondenza tra i valori predetti di strain e quelli sperimentali mostra un'accurata comprensione fisica del processo di formazione degli strain residui durante l'intero ciclo di polimerizzazione considerato.