Optimization of resin infusion processing for composite materials : simulation and characterization strategies

Composite materials, especially those made with carbon fiber, have better specific properties than many traditional materials. But despite their promised advantages, industry has been slow to apply composites as they wait to see if an automatable composites manufacturing solution with high properties will become available. Resin infusion processing is being developed in many laboratories in an attempt to find this suitable process. Qualification of an optimized resin infusion process will require significant performance data and accurate manufacturing simulation tools. This is currently hindered by a lack of standardized methods for part characterization, and a lack of understanding of the different flow phenomena that are involved in the simulation of flow processing. This work aims to help meet these needs, so as to allow further implementation of fiber-reinforced composite materials in industry. To improve simulation capabilities, individual modeling systems for each of the following flow phenomena are developed: permeability, compressibility, dynamic viscosity, and dual-scale flow. These models were developed based on relationships previously proposed in the literature, as well as characterization experiments with modern carbon fabrics in this study. A new numerical model is presented in which all the above-mentioned individual models are coupled. This new coupled model is limited to predicting 1-dimensional flow. But it is the first model known to couple all of these phenomena into one solution. The coupled model works well at describing the independent effects and interactions of each of the separate flow phenomenon models. The effects of dual scale flow, as modeled by incorporation of a modeled capillary pressure, proved to be more significant to flow velocity than the viscosity or compressibility for the infusion conditions studied here. The coupled model was compared to benchmark experimental VARI infusions of a variety of modern carbon preforming materials. The change in flow velocity due to fabric selection, relative to a baseline material, exhibited fairly good consistency between experiment and prediction. Further applicability of the coupled model was demonstrated with 3-dimensional point infusion experiments. The permeability in each of the three component directions for 3D flow can be determined from a single point-infusion experiment, independent of any dual scale flow or viscosity effects as they are modeled in the coupled solution. Nevertheless, both in-plane flow and 3-dimensional flow exhibit slower flow velocity then predicted by the model when compared on an absolute basis. It is suspected that this is due to some unknown shear effect. The accurate simulation of resin infusion will require characterization of the permeability for each liquid-fiber combination until these differences, whether from shear or something else, can be explained and modeled. This study also contributes towards the needs of industry by reviewing and optimizing the available measurement methods for fiber content and void content. A demonstration of using the optimized tools for these measurements is made by qualifying different membranes for VAP manufacturing – a promising variant of resin infusion. A demonstration is also made of the correlation between these measurements and resultant shear properties. Verbundwerkstoffe, vor allem diejenigen die mit Carbonfasern gefertigt sind, haben bessere Eigenschaften als viele herkommliche Materialien. Trotz ihrer viel versprechenden Vorteile hat die Industrie nur langsam die Verwendung von Verbundwerkstoffen angenommen, um auf eine automatisierbare Herstellungslosung von Verbundwerkstoffen mit hohen Eigenschaften zu warten. In vielen Laboren wird versucht ein geeignetes Verfahren mittels”Resin Infusion” (Harzinfusion) zu entwickeln. Die Qualifizierung eines optimierten Harzinfusionsprozesses erfordert hohe Verfahrensgute und prazise Fertigungssimulationswerkzeuge. Dies gestaltet sich, derzeit durch den Mangel an standardisierten Methoden zur Teilcharakterisierung und dem Mangel an Verstandnis fur die unterschiedlichen Flussphanomene, die in der Simulation von Flussverarbeitung beteiligt sind, schwierig. Diese Arbeit soll dazu beitragen, die weitere Umsetzung der faserverstarkten Werkstoffe in der Industrie zu ermoglichen. Um die Simulationsfahigkeit zu verbessern, werden individuelle Systeme fur die Modellierung der folgenden Flussphanomenen entwickelt: Permeabilitat, Kompressibilitat, dynamische Viskositat und”dual-scale flow”. Diese Systeme wurden aus Modellen von Literatur adoptiert, und in dieser Studie bei Charakterisierungsversuche mit modernem Kohlenstoff-Gewebe entwickelt. Ein neues numerisches Modell, bei dem alle oben genannten einzelnen Modelle gekoppelt sind wurde dargestellt. Dieses neue Modell ist voraussichtlich auf den eindimensionalen Fluss begrenzt, aber es ist das erste Modell, welches all diese Phanomene in einer Losung beinhaltet. Das gekoppelte Modell funktioniert gut beim Beschreiben unabhangiger Effekte und Wechselwirkungen der einzelnen Flussphanomene. Die Auswirkungen des”dual-scale flow”, basierend auf dem Modell des Kapilardrucks, erweisen sich bei den hier untersuchten Infusionsbedingungen als bedeutenderer Faktor auf die Fliesgeschwindigkeit, als die Viskositat oder die Kompressibilitat. Die Resultate von VARI(vacuum assisted resin infusion)-Experimenten und einer Vielzahl von modernen Kohlenstoffmaterialien wurden mit dem neuen Modell verglichen. Die Veranderung der Fliesgeschwindigkeit durch die Gewebeauswahl, bezogen auf ein Basismaterial, zeigten recht gute Ubereinstimmung zwischen Experiment und Vorhersage. Weitere Anwendungsmoglichkeiten der gekoppelten Modelle wurden experimentell mit der dreidimensionale Punkt-Infusionen bewiesen. Die Permeabilitat lasst sich von einem einzigen Punkt-Infusionexperiment in alle drei Komponentenrichtungen (fur 3D) bestimmen, unabhangig von ”dual-scale flow effects” oder Viskositatseffekten, da sie in der Losung beinhaltet sind. Dennoch wurden, wenn auf absoluter Basis verglichen, sowohl im ebenen Fluss sowie im dreidimensionalen Fluss langsamere Fliesgeschwindigkeiten gemessen als im Modell vorausgesagt. Es wird vermutet, dass dies auf einen unbekannten Schereffekt zuruckzufuhren ist. Die genaue Simulation der Harz-Infusion benotigt eine Charakterisierung der Permeabilitat fur jede liquide-Faser-Kombination, bis die Unterschiede zwischen den Messungen und dem Modell, sei es durch Scherung oder anderes, erklart und modelliert werden konnen. Diese Studie hat durch die Uberprufung und Optimierung, der verfugbaren Messmethoden von Fasergehalt und Porenanteil, auch Antworten auf die Bedurfnisse der Industrie. Mit der Verwendung der optimierten Werkzeuge, konnten zum Beispiel die unterschiedlichen Qualitaten verschiedener Membranen fur die VAP (Vacuum Assisted Process)-Fertigung gemessen werden. Dies ist eine viel versprechende Variante der Harzinfusion. Ein anderes Beispiel zeigt die Korrelation zwischen diesen Messungen und den daraus resultierenden Scher-Eigenschaften.