Modeling of 3D printing processes for composite tooling and transfer molding of grid structures

L.P. Shabalin, E.A. Puzyretsky, V.I. Khaliulin, V.V. Batrakov

Author details

L.P. Shabalin
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, Kazan, Russian Federation
E.A. Puzyretsky
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, Kazan, Russian Federation
V.I. Khaliulin
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, Kazan, Russian Federation
V.V. Batrakov
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, Kazan, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.1.15

The paper discusses the method of obtaining a digital passport of the material and the development of a digital twin of the product at various stages of its manufacture. The object of research is a conical mesh structure. The subject of research is the processes occurring in the product at the manufacturing stages. The following main stages of creating a mesh structure were considered in the work: 3D printing of a workpiece tooling, laying out a carbon unidirectional material, heating and impregnation of the preform with a binder, polymerization of the binder, and warpage of the product geometry. An algorithm for determining the properties of materials and their calibration using modern software and hardware and universal equipment was described. Modeling of the tooling 3D printing process was carried out in the Ansys software package. Step-by-step technological modeling of the transfer molding process was carried out using the ESI PAM-COMPOSITE software package. The result of the simulation is the optimal technological manufacturing parameters and the geometry of the shaping tooling with anticipation of warping.

Keywords

additive technologiescomposite materialdigital material passportdigital twin of the producttransfer moldinggrid structurewarpage

Моделирование процессов 3D-печати композитной оснастки и трансферного формования сетчатых конструкций

Рассматривается методика получения цифрового паспорта материала и разработки цифрового двойника изделия на различных этапах его изготовления. Объектом исследования является коническая сетчатая структура. Предмет исследования – процессы, происходящие в изделии на этапах изготовления. В работе были рассмотрены следующие основные этапы создания сетчатой конструкции: 3D-печать заготовки оснастки изделия, выкладка углеродного однонаправленного материала, нагрев и пропитка преформы связующим, полимеризация связующего и коробление геометрии изделия. Описан алгоритм определения свойств материалов и их калибровки с использованием современных программно-аппаратных средств и универсальных оснасток. Моделирование процесса 3D-печати оснастки производилось в программном комплексе Ansys. Поэтапное технологическое моделирование процесса трансферного формования производилось в программном комплексе ESI PAM-COMPOSITE. Результатом моделирования являются технологические параметры изготовления и геометрия формообразующей оснастки с упреждением на коробление.

Ключевые слова

аддитивные технологиикомпозиционный материалцифровой паспорт материалацифровой двойник изделиятрансферное формованиесетчатая конструкциякоробление

Bibliography

1.Закиров И.М., Алексеев Н.К., Алексеев К.А. К вопросу об упрощении методики моделирования складчатых структур // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2020. – No 2. – С. 143–146. Scholar
2.Разработка методики расчёта напряжённо-деформированного состояния, оптимизации и экспериментального исследования гибридной конструкции композит-металлической лопасти тягового винта / Л.П. Шабалин, Д.В. Савинов, Е.А. Пузырецкий, И.В. Марескин // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2022. – No 2. – С. 35–42. Scholar
3.Numerical simulation on void formation and migration using Stokes-Brinkman coupling with effective dual-scale fibrous porous media / J. Lu, S.B. Lee, T.S. Lundstrom, W.R. Hwang // Composites Part A Applied Science and Manufacturing. – 2022. – Vol. 152 (12). Scholar
4.Wilkinson Simon L. Optimisation of the stamp forming process for thermoplastic composites: A dissertation submitted to the University of Bristol in accordance with the requirements for award of the degree of Doctor of Engineering in the Faculty of Aerospace Engineering. – 2021. Scholar
5.Effect of processing conditions on the bonding quality of FDM polymer filaments / Q. Sun, G.M. Rizvi, C.T. Bellehumeur, P. Gu // Rapid Prototyping. – 2008. – Vol. 14(2). – P. 72–80. DOI: 10.1108/13552540810862028 Scholar
6.Characterizing the effect of additives to ABS on the mechanical property anisotropy of specimens fabricated by material extrusion 3D printing / A.R. Torrado, C.M. Shemelya, J.D. English, Y. Lin, R.B. Wicker, D.A. Roberson // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 6. – P. 16–29. DOI: 10.1016/j.addma.2015.02.001 Scholar
7.Goh G.D., Yap Y.L., Yeong W.Y. Recent progress in additive manufacturing of fiber-reinforced polymer composite // Advanced Materials Technologies. – 2019. – Vol. 4, iss. 1. – P. 22. DOI: 10.1002/admt.201800271 Scholar
8.3D printing of polymer matrix composites: a review and prospective / X. Wang [et al.] // Composites Part B Engineering. – 2017. – P. 442–458. DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.11.034 Scholar
9.3D printing for continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance / C. Yang [et al.] // Rapid Prototyping. – 2017. – Vol. 23, iss. 1. – P. 209–215. Scholar
10.Kabir S.M.F., Mathur K., Seyam A-F.M. A critical review on 3D printed continuous fiber-reinforced composites: History, mechanism, materials and properties // Composite Structures. – 2020. – Vol. 232. – P. 24. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111476 Scholar
11.Patent No 20160318248 A1 (US). Int. Cl. B25J 5/04. Additive manufacturing apparatus / Kenneth J. Susnjara, Brian Scott SMIDDY; Thermwood Corp. – Appl. No.: 14/701,631; Filed: May 16, 2015; Date of Patent: Jul. 25, 2017. Scholar
12.Mechanical analysis of parameter variations in large-scale extrusion additive manufacturing of thermoplastic composites [Электронный документ] / N. Tagscherer, A. Marcel Bar, S. Zaremba, K. Drechsler // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2022. – Vol. 6 (2), no. 36. – URL: https://www.mdpi.com/2504-4494/6/2/36. (дата обращения: 29.11.2022). Scholar
13.Халиулин В.И., Шапаев И.И. Технология производства композитных изделий: учебное пособие. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. – 328 с. Scholar
14.Totaro G., De Nicola F. Recent advance on design and manufacturing of composite anisogrid structures for space launchers // Acta Astronautica. – 2012. – Vol. 81, no. 2. – P. 570–571. DOI: 10.1016/j.actaastro.2012.07.012 Scholar
15.Vasiliev V.V., Razin A.F. Optimal design of filament-wound anisogrid composite lattice structures // Proceedings of the 16th annual technical conference of American society for composites. – Blacksburg USA. – 2001. Scholar
16.Vasiliev V.V., Barynin V.A., Razin A.F. Anisogrid composite lattice structures – Development and aerospace applications // Composite Structures. – 2012. – Vol. 94, no. 3. – P. 1117–1127. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.10.023 Scholar
17.Manufacture of high performance isogrid structure by Robotic Filament Winding / L. Sorrentino, M. Marchetti, C. Bellini, A. Delfini, F. Del Sette // Composite Structures. – 2017. – Vol. 164. – P. 43–50. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.12.061 Scholar
18.Hide details. Composite grid structure technology for space applications / G. Giusto, G. Totaro, P. Spena, F. De Nicola, F. Di Caprio, A. Zallo, A. Grilli, V. Mancini, S. Kiryenko, S. Das, S. Mespoulet // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 34. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.05.754 Scholar
19.Highly efficient CFRP anisogrid lattice structures for central tubes of medium-class satellites: Design, manufacturing, and performance / G. Totaro, P. Spena, G. Giusto, F. De Nicola, S. Kiryenko, S. Das // Composite Structures. – 2021. – Vol. 258. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113368 Scholar
20.Totaro G., Gurdal Z. Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications // Aerospace Science and Technology. – 2009. – Vol. 13, iss. 4–5. DOI: 10.1016/j.ast.2008.09.001 Scholar
21.Totaro G. Flexural, torsional, and axial global stiffness properties of anisogrid lattice conical shells in composite material // Composite Structures. – 2016. – Vol. 153. – P. 738–745. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.06.072 Scholar
22.Totaro G. Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with triangular cells // Composite Structures. – 2012. – Vol. 94, iss. 2. – P. 446–452. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.08.002 Scholar
23.Totaro G., De Nicola F., Caramuta P. Local buckling modelling of anisogrid lattice structures with hexagonal cells: An experimental verification // Composite Structures. – 2013. – Vol. 106. – P. 734–741. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.07.031 Scholar
24.Totaro G. Optimal design concepts for flat isogrid and anisogrid lattice panels longitudinally compressed // Composite Structures. – 2015. – Vol. 129. – P. 101–110. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.03.067 Scholar
25.Васильев В.В. Оптимальное проектирование композитной сетчатой цилиндрической оболочки, нагруженной внешним давлением // Изв. РАН. Механика твердого тела. – 2020. – No 3. – С. 5–11. DOI: 10.31857/S0572329920030162 Scholar
26.Расчетно-экспериментальное исследование прочности сетчатых композитных конструкций фюзеляжа / В.В. Васильев [и др.] // Прочность конструкций летательных аппаратов: сборник статей научно-технической конференции. – 2017. – Вып. 2764. – С. 75–82. Scholar
27.Исследование сопротивления композитных сетчатых конструкций ударному повреждению / А.А. Бабичев [и др.] // Конструкции из композиционных материалов. – 2021. – No 3 (163). – С. 3–6. DOI: 10.52190/2073-2562_2021_3_3 Scholar
28.Continuous measurement of fiber reinforcement permeability in the thickness direction: Experimental technique and validation / P. Ouagne, T. Ouahbi, C.H. Park, J. Breard, S. Abdelghani // Composites: Part B. – 2013. – Vol. 45. – Р. 609–618. DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.06.007 Scholar
29.ГОСТ Р 56754-2015. Пластмассы. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Часть 4. Определение удельной теплоемкости. – М., 2015. Scholar
30.Официальный сайт ESI Visual Environment: [Электронный ресурс]. – URL: https://www.esi.com.au/ Scholar
31.Анализ параметров трещиностойкости на свободной границе вслоистых композитах / Д.А. Бондарчук, Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко, Е.В. Ломакин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – No 4. – С. 49–59. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.05 Scholar
32.Анализ остаточных напряжений в слоистых композитах на примере симметричной схемы армирования [0°/90°] / Д.А. Бондарчук, Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко, Е.В. Ломакин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – No 3. – С. 17–26. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.3.02 Scholar

Article information

Published: 29 May 2023
Issue date: 29 May 2023
Issue: No. 1 (2023)