Development of innovative tooling based on high modulus pitch fibres for structural aeronautical components

Aim of this work is the development of an innovative tool for three different aspects: the high-modulus pitch-based carbon fibres, the induction heating technology and a fibre optic monitoring system, in order to investigate its feasibility for an industrial final application. An extensive experimental campaign was therefore performed to assess both mechanical and thermal properties of both the pitch-based carbon fibre (CF) and of the more conventional PAN one, used as the reference material for the comparison of the resulting values; the latter demonstrated the greater properties of the pitch-based CF in both aspects, such as the pitch elastic modulus up to a 300% increment with respect to the PAN one. The manufacturing of the tools showed the good drapability and handling of the pitch, and no particular problem was encountered; thermal autoclave tests presented good results yet not the expected one, due to the type of heating system – i.e. forced convection – that did not allow the best exploiting of the intrinsic characteristic of the pitch fibre; thus, an induction heating test campaign was adopted, which allowed to demonstrate the greater thermal behaviour of them through a comparison between the two tools. Finally, a technological demonstrator based on the embedment of a system of fibre optic sensors has been realized to allow the thermal monitoring of the final tubular component, and its advantages and possible problems have been analysed, such as the exiting from the edge of the laminate and the protection of the fibre. The whole work demonstrated the feasibility of the adoption for an industrial use of this kind of innovative tool, which combines the mechanical and thermal advantages of the pitch-based carbon fibres with the induction heating.

Obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di uno stampo innovativo per tre diversi aspetti: le fibre di carbonio ad alto modulo da precursore in pece (pitch), la tecnologia del riscaldamento ad induzione ed un sistema di monitoraggio inglobato basato su sensori a fibra ottica, al fine di studiarne la possibile applicazione industriale. È stata quindi condotta un'ampia campagna sperimentale per valutare le proprietà meccaniche e termiche sia della fibra di carbonio da pitch che di quella più classica da PAN, utilizzata come materiale di riferimento per il confronto dei risultati trovati; questi hanno dimostrato le maggiori qualità della prima in entrambi gli aspetti, come per esempio il modulo elastico che ha raggiunto un incremento del 300% rispetto a quella da PAN. La realizzazione degli stampi ha poi evidenziato la buona drappabilità e maneggevolezza della stessa, senza incorrere in particolari problemi; i test termici in autoclave hanno dato buoni risultati, anche se non esattamente quelli sperati, a causa della tipologia di riscaldamento presente nell’autoclave, cioè la convezione forzata, che non ha permesso di sfruttare al meglio le caratteristiche intrinseche della fibra da pitch; per questo motivo, è stata quindi portata avanti una campagna di test tramite riscaldamento ad induzione, che ha permesso di dimostrare in maniera evidente il miglior comportamento termico dello stampo in pitch, attraverso un confronto con quello in PAN. Infine, è stato realizzato un dimostratore tecnologico basato sull'inglobamento di un sistema di sensori a fibra ottica per consentire il monitoraggio termico del componente tubolare finale e ne sono stati analizzati sia i vantaggi che le possibili problematiche, quali l'uscita dal bordo del laminato e la protezione della fibra, intrinsecamente fragile. L'intero lavoro ha dimostrato quindi la possibilità di un’introduzione a livello industriale di uno stampo innovativo di questo tipo, che combina i vantaggi meccanici e termici delle fibre di carbonio da pitch con il riscaldamento ad induzione.