Development of a laser shock-based disassembly process for adhesively bonded composite aeronautical parts
Authors: Κόρμπος Παναγιώτης 
Published: November 2024

Τα νέα πτερύγια κινητήρων αεροσκαφών χρησιμοποιούν μια δομή πολλαπλών υλικών που αποτελείται από έναν πυρήνα τρισδιάστατου υφαντού συνθέτου υλικού που καλύπτεται εν μέρει από ένα συγκολλημένο λεπτό μεταλλικό στρώμα. Η διαχείριση του τέλους του κύκλου ζωής μιας τέτοιας διάταξης περιλαμβάνει πολλές προκλήσεις, με μία από τις οποίες να είναι η αποσυναρμολόγηση των συγκολλημένων εξαρτημάτων. Πολυάριθμες μεθοδολογίες έχουν διερευνηθεί για την αντιμετώπιση της πρόκλησης της αποκόλλησης, που περιλαμβάνει ποικίλα φυσικοχημικά φαινόμενα. Ωστόσο, πολλές από αυτές τις μεθόδους έχουν αποδειχθεί μη κατάλληλες σε σενάρια που αφορούν σύνθετα υλικά, ιδίως όταν η διατήρηση της δομικής ακεραιότητας των υλικών είναι απαραίτητη. Πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνική του κρουστικού κύματος προερχόμενου από λέιζερ ανέδειξαν τις δυνατότητες της μεθόδου να χρησιμοποιηθεί για την αποσυναρμολόγηση συγκολλημένων συνθέτων και μεταλλικών εξαρτημάτων. Η τεχνική παραγωγής κρουστικού κύματος με λέιζερ βασίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ μιας δέσμης λέιζερ και ένα στερεό σώμα. Συγκεκριμένα όταν μια δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος εστιάζεται στην επιφάνεια ενός στερεού σώματος (που συχνά μπορεί να αποτελείται από μια θυσιαζόμενη επικάλυψη) δημιουργείται πλάσμα, μέσω της επιφανειακής αφαίρεσης υλικού, που διογκώνεται με υψηλή ταχύτητα και ασκεί πίεση στην επιφάνεια του υλικού. Η διόγκωση του πλάσματος δύναται να περιοριστεί από ένα διηλεκτρικό υλικό, διάφανο ως προς τη δέσμη του λέιζερ (π.χ. νερό), με σκοπό να αυξήσει σημαντικά την ασκούμενη πίεση. Η απότομη αύξηση της πίεσης δημιουργεί ένα θλιπτικό κρουστικό κύμα που διαδίδεται στο εσωτερικό του υλικού, σύμφωνα με τις μηχανικές του ιδιότητες, και ανακλάται στην αντίθετη επιφάνεια ως ένα εφελκυστικό κύμα, γνωστό στη βιβλιογραφία και ως κύμα απελευθέρωσης. Η συμβολή των δύο κυμάτων απελευθέρωσης προκαλεί τοπικά υψηλές εφελκυστικές τάσεις. Η τοποθεσία της συμβολής αυτών των κυμάτων είναι δύσκολο να ελεγχθεί, καθώς εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του υλικού και του παλμού του λέιζερ. Για αυτόν τον λόγο, είναι απαραίτητη η χρήση διαφορετικών διατάξεων, όπως αυτή του συμμετρικού ή του διπλού παλμού λέιζερ. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζεται η χρήση της τεχνικής κρούσης με λέιζερ ως μέθοδος αποσυναρμολόγησης για αεροναυπηγικές κατασκευές αποτελούμενες από πολλαπλά υλικά συνδεδεμένα με κόλλα. Η διαδικασία εφαρμόζεται σε ένα πάνελ βλάβης από ξένο αντικείμενο (Foreign Object Damage - FOD), το οποίο αποτελείται από έναν πυρήνα τρισδιάστατου υφαντού σύνθετου υλικού, συνδεδεμένου με συγκολλητική ταινία σε ένα λεπτό προστατευτικό στρώμα τιτανίου. Αυτό το πάνελ χρησιμεύει ως αντιπροσωπευτικό δείγμα μιας χορδής πτερυγίου ανεμιστήρα κινητήρα από πολλαπλά υλικά και λειτουργεί ως επιδεικτικό στοιχείο για το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα «MORPHO» (H2020, 101006854), το οποίο αποτελεί τη βάση για μεγάλο μέρος της παρούσας διατριβής. Η μελέτη και αξιοποίηση των πολύπλοκων φαινομένων που εμπλέκονται στην τεχνική κρούσης με λέιζερ απαιτούν σχολαστική αριθμητική προσομοίωση, η οποία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του κώδικα ρητών πεπερασμένων στοιχείων LSDyna. Η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου χωρίστηκε σε δύο τμήματα. Πρώτα, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο σε κλίμακα δοκιμίου του συγκροτήματος πολλαπλών υλικών, το οποίο επικυρώθηκε με πειραματικά δεδομένα. Στη συνέχεια, μοντελοποιήθηκε μια λωρίδα του πάνελ FOD, με στόχο την εφαρμογή της διαδικασίας σε ένα πραγματικό εξάρτημα. Δεδομένης της πολυπλοκότητας του σύνθετου υποστρώματος, κρίθηκε απαραίτητη η περαιτέρω διερεύνηση τεχνικών προσομοίωσης. Το σύνθετο υλικό που εξετάστηκε είναι μια τρισδιάστατη υφαντή δομή CFRP , γεγονός που οδήγησε στον αρχικό σχεδιασμό ενός λεπτομερούς μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων με τη χρήση του λογισμικού TexGEN. Η πολυπλοκότητα της δομής απαιτεί τη χρήση του προγραμματιστικού πακέτου του λογισμικού για τον σχεδιασμό του μοντέλου. Οι δέσμες ινών προσομοιώθηκαν με ένα προηγμένο μοντέλο σύνθετου υλικού, ικανό να παρέχει ενδείξεις προοδευτικής βλάβης και να προσομοιώνει φαινόμενα υψηλού ρυθμού παραμόρφωσης, γνωστό στο εγχειρίδιο του LS-Dyna ως MAT_162. Οι ιδιότητες του υλικού αποκτήθηκαν μέσω μιας διαδικασίας ομογενοποίησης χρησιμοποιώντας τις μικρομηχανικές εξισώσεις του Chamis. Η μήτρα του τρισδιάστατου υφαντού σύνθετου υλικού προσομοιώθηκε με ένα ελαστοπλαστικό μοντέλο, με ιδιότητες προσαρμοσμένες για τον υψηλό ρυθμό παραμόρφωσης της διαδικασίας κρούσης με λέιζερ. Το λεπτομερές μοντέλο συγκρίθηκε στη συνέχεια με ένα ομογενοποιημένο μοντέλο, το οποίο προσομοιώθηκε αποκλειστικά με το μοντέλο σύνθετου υλικού προοδευτικής βλάβης (MAT_162). Η σύγκριση της διάδοσης του κρουστικού κύματος αποκάλυψε ελάχιστες διαφορές μεταξύ των δύο μοντέλων. Ωστόσο, κατά τη σύγκριση της πρόβλεψης βλάβης, οι διαφορές ήταν πιο εμφανείς, με το λεπτομερές μοντέλο να αποδεικνύεται ακριβέστερο στην πρόβλεψη της ρηγμάτωση της μήτρας. Παρά την ελαφρώς αυξημένη ευαισθησία στη βλάβη που επέδειξε το λεπτομερές μοντέλο, το ομογενοποιημένο μοντέλο κρίθηκε καταλληλότερο για την προσομοίωση της διαδικασίας λόγω της αυξημένης αποδοτικότητας του. Οι ιδιότητες των υλικών για το ομογενοποιημένο μοντέλο προσδιορίστηκαν μέσω χαρακτηρισμού του σύνθετου υλικού σε υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης. Συγκεκριμένα, δοκίμια που κόπηκαν από ένα φύλλο του σύνθετου υλικού χαρακτηρίστηκαν σε υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB). Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εφελκυσμού τόσο στη διεύθυνση "warp" όσο και στη διεύθυνση "weft" του υλικού. Η αυξημένη αντοχή του υλικού στη διεύθυνση "warp" ξεπέρασε τις δυνατότητες της συσκευής δοκιμών εφελκυσμού, παρέχοντας έτσι μόνο τις ελαστικές ιδιότητες του υλικού. Αντίθετα, οι δοκιμές στη διεύθυνση "weft" καθώς και οι δοκιμές διάτμησης διεξήχθησαν επιτυχώς και απέδωσαν πλήρως τις αντίστοιχες καμπύλες αντοχής του υλικού. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα κρούσης με λέιζερ χρησιμοποιώντας ένα δοκίμιο πολλαπλών υλικών. Τα πειράματα χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές διατάξεις. Αρχικά, εφαρμόστηκε μια μονόπλευρη, μονού παλμού διάταξη, ενώ ένα συμβολόμετρο λέιζερ (VISAR) χρησιμοποιήθηκε στην αντίθετη πλευρά του δοκιμίου, μετρώντας την ταχύτητα των σωματιδίων. Παρά τη χρήση του συμβολόμετρου, η διαμόρφωση απέτυχε να δημιουργήσει το επιθυμητό πεδίο τάσεων για την αποκόλληση του στρώματος τιτανίου, αλλά παρείχε πολύτιμες μετρήσεις της ταχύτητας της αντίθετης επιφάνειας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε μια συμμετρική διάταξη, όπου δύο δέσμες λέιζερ κατευθύνονται μέσω οπτικών διατάξεων σε κάθε πλευρά του δοκιμίου, με χρονική καθυστέρηση μεταξύ τους. Αυτό επέτρεψε τη δημιουργία ενός πιο ακριβούς πεδίου τάσεων και ήταν σε θέση να αποκολλήσει το στρώμα τιτανίου. Μετά από εκτεταμένη πειραματική έρευνα, το δοκίμιο μοντελοποιήθηκε και η διαδικασία κρούσης με λέιζερ προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας τον κώδικα LS-Dyna. Το μοντέλο, όπως και το δοκίμιο, περιλαμβάνει το σύνθετο υπόστρωμα που μοντελοποιήθηκε με τη χρήση του MAT_162 συνδεδεμένο με το προστατευτικό στρώμα τιτανίου που προσομοιώνεται με τη χρήση του μοντέλου πλαστικότητας Johnson Cook σε συνδυασμό με την καταστατική εξίσωση Grüneissen. Για το τμήμα τιτανίου χρησιμοποιήθηκαν ιδιότητες υλικού που προέκυψαν από τη βιβλιογραφία, καθώς πρόκειται για ένα εκτενώς μελετημένο υλικό για εφαρμογές υψηλών ρυθμών παραμόρφωσης. Για τη σύνδεση μεταξύ των δύο τμημάτων του δοκιμίου χρησιμοποιείται η μέθοδος της ζώνης συνοχής (Cohesive zone method-CZM). Πειραματικές μετρήσεις ταχύτητας της αντίθετης όψης χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση του αριθμητικού μοντέλου όσον αφορά τη διάδοση των κρουστικών κυμάτων, ενώ οι ιδιότητες για τη ζώνη συνοχής προέκυψαν από τη σύγκριση της προβλεπόμενης περιοχής βλάβης του μοντέλου με φωτογραφίες μικροσκοπίου από τα συμμετρικά πειράματα που κατάφεραν να αποκολλήσουν το εξάρτημα. Η διαδικασία αποσυναρμολόγησης με λέιζερ απαιτεί πολλαπλά διαδοχικά χτυπήματα. Η προσομοίωση αυτής της διαδικασίας πραγματοποιείται με την ανάπτυξη ενός αυτοματοποιημένου προγράμματος χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού Python για διαδοχικές προσομοιώσεις. Αρχικά, μια προκαταρκτική μελέτη συνέκρινε αυτή την προσέγγιση με μια παραδοσιακή μεθοδολογία που χρησιμοποιεί μια ενιαία προσομοίωση για μικρό αριθμό διαδοχικών χτυπημάτων. Τα αποτελέσματα ήταν πανομοιότυπα και η διαδικασία πολλαπλών βημάτων κρίθηκε πιο πρακτική. Για την εφαρμογή της, διεξάγεται μια παραδοσιακή προσομοίωση LS-Dyna και τα αποτελέσματα της χρησιμοποιούνται, στη συνέχεια, ως αρχική κατάσταση για την επόμενη προσομοίωση. ΄Ολες οι απαραίτητες φορτίσεις περιεγράφηκαν παραμετρικά, ώστε να είναι δυνατός ο εξωτερικός έλεγχος μέσω του προγράμματος που αναπτύχθηκε σε Python. Το εν λόγω σενάριο χρησιμοποιεί μια βιβλιοθήκη χειρισμού αρχείων LS-Dyna (keyword files) για την τροποποίηση των παραμέτρων κάθε διαδοχικής ανάλυσης. Οι είσοδοι φορτίσεων μπορούν να παρέχονται με διάφορους τρόπους ανάλογα με την πολυπλοκότητα του προβλήματος, με την πιο ευέλικτη μέθοδο να είναι η εισαγωγή ενός αρχείου CSV που περιέχει τις θέσεις των χτυπημάτων και άλλες χρήσιμες πληροφορίες, όπως η χρονική καθυστέρηση για ένα συμμετρικό χτύπημα. Μετά την καθιέρωση της μεθοδολογίας με ένα επικυρωμένο αριθμητικό μοντέλο, είναι δυνατή η επέκταση της διαδικασίας για την αποσυναρμολόγηση μιας λωρίδας του FOD πάνελ. Για να επιτευχθεί αυτό, μια προκαταρκτική προσομοίωση εξέτασε την επίδραση της κλίσης της επιφάνειας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η διαδικασία επηρεάζεται μόνο σε ακραίες κλίσεις, κάτι που δεν ισχύει για το πάνελ FOD. Το μοντέλο προέκυψε από ένα αρχείο CAD που παρείχαν οι συνεργάτες του έργου "MORPHO". Τα μοντέλα των υλικών ήταν πανομοιότυπα με εκείνα του μοντέλου σε κλίμακα δοκιμίου και ως εκ τούτου θεωρούνται επικυρωμένα. Η διαδικασία χρησιμοποιεί μια διάταξη διπλής δέσμης μονής όψης με χρονική καθυστέρηση, όπου δύο δέσμες λέιζερ ακτινοβολούν το ίδιο σημείο του εξαρτήματος με χρονική καθυστέρηση μεταξύ τους. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει τον έλεγχο του πεδίου τάσεων, παρόμοια με τη συμμετρική διάταξη, με το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι στοχεύει μόνο τη μία επιφάνεια του εξαρτήματος. Η διαδικασία προσομοίωσης περιλαμβάνει δύο στάδια, τον ορισμό της διαδικασίας και την προσομοίωση της διαδικασίας αποσυναρμολόγησης. Το πρώτο στάδιο περιλάμβανε προσομοιώσεις για τον ορισμό της διαδικασίας, με στόχο τον προσδιορισμό των χρόνων καθυστέρησης που παιτούνται για την αποκόλληση των άνω και κάτω διεπιφανειών του πάνελ. Αυτές οι προσομοιώσεις παρείχαν έναν χρόνο καθυστέρησης για την αποκόλληση της άνω διεπιφάνειας μεταξύ του Ti/CFRP, καθώς και μια δευτεροβάθμια πολυωνυμική εξίσωση για τον υπολογισμό του χρόνου καθυστέρησης για την αποκόλληση της κάτω διεπιφάνειας της σύνδεσης Ti/CFRP με βάση τη θέση του σημείου λέιζερ. Στο δεύτερο στάδιο, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διαδικασίας για την πλήρη αποσυναρμολόγηση της λωρίδας του πάνελ FOD. Αυτή η προσομοίωση χρησιμοποίησε το αυτοματοποιημένο πρόγραμμα Python για τη διεξαγωγή 29 διαδοχικών προσομοιώσεων χτυπημάτων λέιζερ σε 14 προκαθορισμένες θέσεις, με αποτέλεσμα την πλήρη αποκόλληση της ακμής τιτανίου. Η κατάσταση βλάβης του σύνθετου υλικού επιθεωρήθηκε μέσω των μεταβλητών ιστορικού που παρέχονται από το MAT_162. ΄Οπως αναμενόταν, το σύνθετο υλικό ανέπτυξε ρηγμάτωση στη μήτρα σε διάφορες περιοχές, ενώ αντιθέτως δεν παρουσιάστηκε βλάβη των ινών. Το συμπέρασμα αυτό είναι χρήσιμο για την αξιολόγηση του τέλους χρόνου λειτουργίας, καθώς το εξάρτημα μπορεί να ανακυκλωθεί, παρέχοντας υψηλής αξίας ανακυκλωμένες ίνες άνθρακα.