Analysis and Optimization of a New Method for Creating Sandwich Composites Using Polyurethane Foam.

Les matériaux composites polymériques sont largement utilisés dans l'industrie moderne. Un composite sandwich est un matériau composite qui intègre un noyau de faible densité avec deux peaux opposées renforcée de fibres. Dans l'industrie aérospatiale les composites « sandwich » sont couramment utilisés pour une large gamme d'applications, dans le fuselage, les ailes ainsi que dans les panneaux décoratifs de l'intérieur. En général, pour les applications structurelles, les renforts d'aramide ou d'aluminium sous forme de nid d'abeille sont utilisés. Ces structures de haute technicité ont d'excellentes propriétés mécaniques. Cependant, les équipements et les procédés utilisés sont dispendieux et laborieux, ce qui entraîne des temps de cycle long, limitant ainsi le volume de production. Les composites «sandwich» sont aussi largement utilisés dans d'autres domaines come l'industrie automobile, l'industrie navale ou les industries des produits récréatifs. Pour ces applications à haut volume de productions, des procédés couteux sont utilisés. Cependant, ces procédés sont limités en termes de propriétés mécaniques ou en volume de production. Il en résulte donc, un besoin grandissant de trouver une technologie capable de produire des composites « sandwich » en grand volume, avec de bonne propriété mécanique. Ce projet de recherche vise l'étude d'un nouveau procédé de fabrication de composite « sandwich » en utilisant une mousse polyuréthane comme matériau de base, des fibres de verre comme renforcement et des peaux thermoplastique. Ce procédé de fabrication est une convergence de plusieurs procédés come le thermoformage, le préformage utilisant des adhésifs sensibles aux rayons ultraviolet, et l'injection de mousse polyuréthane. Le procédé développé dans ce travail a été tentée dans le passé. Cependant, pour des raisons économiques, son développement a été arrêté. À cette époque, le procédé n'était pas optimisé. Les pièces fabriquées étaient de mauvaise qualité dimensionnelle avec de faible propriété mécanique. L'objectif scientifique de ce projet, était le développement d'outils de caractérisation du procédé, afin d'étudier et mieux comprendre les mécanismes de moussage sous pression et d'imprégnation des tissues. L'approche scientifique utilisé a consisté à établir quatre plans d'expériences dans le but de: a) Caractériser le moussage du polyuréthane à l'aire libre ; b) Caractériser le moussage sous pression dans une cavité fermée ; c) étudier la formation de la mousse dans une cavité

Abstract

Polymer composite materials are widely used in modern industry. A sandwich composite is a composite material that integrates a low density core with two opposing reinforced skins. In the aerospace industry sandwich composites are commonly used for a wide range of applications, from fuselage and wing skins to interior decorative panels. However, most technologies for manufacturing sandwich structures are either rapid, resulting in reduced piece costs but with poor mechanical properties or the technologies are time-consuming resulting in high piece costs. There is need for cost effective, rapid processing that can produce sandwich composites with engineered properties. This research project focuses on analysis and optimization of a new process for manufacturing sandwich composites using polyurethane foam as the core material, engineered fibreglass and engineered thermoplastic skins. This process is a convergence of several processes including thermoforming, preforming using ultraviolet binders and polyurethane foam injection. The scientific goal was to develop characterizing tools for the process in order to fully understand the foaming and fibre impregnation mechanisms in a closed mould. In the scientific study, four plans of experiments were carried out: a) characterize the free rise foaming, b) characterize the foaming under pressure, c) understand the foaming behaviour in a three dimensional mould, and d) study the fabrication of a sandwich composite assembly. In this work, the production cell was conceived and capital was procured in order to complete the research. The total cost of the installation exceeded $300,000. The project launched in the spring of 2008 and was ready for moulding trials by the fall of 2009. This project was introduced (Oct. 2008) at the Canadian Plastics Industry Association Conference in Montreal. Also, (July 2010) a technical paper on the fibre wetting phenomena was presented at the FPCM10 Conference in Ascona Switzerland. Two additional papers will be submitted for publication in the fall of 2010.