Application of tailored fibre placement to sandwich panels structures: design and manufacturing workflows

This thesis investigates the application of Tailored Fibre Placement (TFP) for manufacturing aerospace sandwich panels, aiming to develop a method to design and optimize such panels. TFP allows precise fiber placement along stress paths, minimizing material waste compared to conventional methods like pre-preg and filament winding. The ZeroWasteLIFE project, which seeks to reduce composite waste, is a European project exploring this new technology. Initial experiments focused on two carbon fibres, high-modulus and medium-modulus, to assess their compatibility with TFP. However, high-modulus fibre proved unsuitable due to fiber breakage from tension inconsistency during deposition, shifting the study focus to medium-modulus one. Mechanical and physical tests, including tensile, shear, DSC, and DMA, were conducted to validate the fibre's properties, which were close to those obtained from traditional pre-preg materials but showed differences in fracture patterns due to TFP-induced defects. To design a part which fully exploits the TFP advantages is necessary to implement a FEM based optimization. This method allows to remove the unnecessary material and orient the fiber along the stress paths. A sandwich panel replicating a traditional aerospace panel with composite skins and an aluminium honeycomb core, commonly used in satellite structures, was chosen as case study. The FEM-based optimization sequence included shell, core, and composite optimization, addressing geometry, thickness, and ply orientation to create a fully composite panel with a lightweight core filler, Koridion. Results indicated that the high-modulus fiber could theoretically meet aerospace requirements, while the medium-modulus was more suitable for automotive applications, where lower stress levels are typical. Future developments include testing other materials, improving high-modulus fiber deposition, and exploring other TFP applications, such as reinforcements. TFP offers significant flexibility in composite manufacturing, enabling the creation of lightweight, complex geometries with minimal material waste, thus presenting a promising solution for advanced composite structures.

Questa tesi tratta l’utilizzo della tecnologia Tailored Fibre Placement (TFP) nella realizzazione di pannelli sandwich per l’industria aerospaziale, con l’obiettivo di sviluppare un metodo di progettazione di queste strutture da produrre tramite essa. Il TFP permette di posizionare le fibre lungo le direzioni di stress maggiore, riducendo lo spreco di materiale rispetto ai metodi tradizionali, come il pre-preg e l’avvolgimento a filamento. Il progetto europeo ZeroWasteLIFE, volto alla riduzione degli scarti, sta esplorando questa tecnologia innovativa. I test iniziali si sono focalizzati su due tipi di fibra di carbonio, una ad alto-modulo ed una a medio-modulo, per verificarne la compatibilità con il TFP. Tuttavia, la fibra ad alto modulo si è dimostrata inadatta a causa della rottura del filamento durante la deposizione. Lo studio si è quindi concentrato sulla fibra a medio modulo. Test meccanici e fisici, tra cui trazione, taglio, DSC e DMA, sono stati eseguiti per validare le proprietà della fibra a modulo medio. Test meccanici e fisici, tra cui prove di trazione, taglio, DSC e DMA, sono stati eseguiti per validare le proprietà della fibra, simili a quelle dei materiali pre-preg tradizionali, ma con differenze nei meccanismi di rottura dovute ai difetti introdotti dal TFP. La progettazione di un componente che sfrutti appieno i vantaggi del TFP richiede un’ottimizzazione basata su FEM, che permette di rimuovere il materiale superfluo e orientare le fibre lungo lo stress principale. Come caso di studio, è stato selezionato un pannello sandwich comunemente usato nelle strutture satellitari costituito da pelli in composito (fibra di carbonio e resina epossidica) e un core in honeycomb di alluminio. La sequenza di ottimizzazione ha incluso la shell optimization, che definisce la geometria generale del pannello, la core optimization, che ne determina la struttura interna, e la composite optimization, che gestisce la forma, lo spessore e l’orientamento dei ply del laminato. Il risultato finale è un pannello interamente in materiale composito con un riempitivo ultraleggero ed espandente, il Koridion. I risultati indicano che una fibra ad alto modulo potrebbe soddisfare teoricamente i requisiti aerospaziali, mentre la fibra a modulo medio si è dimostrata più adatta per applicazioni automobilistiche, in cui i livelli di stress sono inferiori. Gli sviluppi futuri prevedono ulteriori test su materiali diversi, il perfezionamento della deposizione di fibre ad alto modulo e l’esplorazione di nuove applicazioni della tecnologia. Il TFP dimostra una notevole flessibilità nella produzione di compositi, consentendo la creazione di geometrie complesse e leggere con scarti minimi, rendendosi una soluzione promettente per la produzione di strutture composite.