Additive Manufacturing of Low and High Temperature Resistant Thermoplastic Composites and Sandwich Panels for Sound Absorption

Les moteurs d'avion de nouvelle génération ont besoin d'être plus légers et silencieux pour répondre aux règlements sur les émissions de dioxyde de carbone et de pollution acoustique. Comme approche prometteuse, l'industrie aérospatiale a commencé à investiguer la technologie de fabrication additive (FA) par déposition de filament fondu (FDM, de l'anglais Fused Deposition Modeling) des polymères et composites. La possibilité de fabriquer des pièces légères et avec des géométrie complexes représente un de plus grands avantages. La FA des thermoplastiques résistant aux températures élevées (HTRT, de l'anglais high temperature resistant thermoplastic) présente un intérêt particulier en raison des températures de service relativement hautes (> 100°C) et leurs propriétés mécaniques. La flexibilité de fabrication offerte par la FA permet la fabrication de revêtements acoustiques innovants et aussi une conception plus efficace des géométries acoustiques. Le projet a pour objectif de couvrir le traitement et la fabrication des matériaux ainsi que la fabrication de panneaux sandwich pour des applications acoustiques. En premier lieu, des composites HTRT présentant des propriétés thermiques et mécaniques améliorées ont été développés. Du Polyétheréthercétone (PEEK) et de la Polyétherimide (PEI) et des alliages PEKK / PEI ont été utilisés comme matrices polymères et ont été mélangés avec des fibres de carbone (CF, de l'anglais Carbon fiber) découpées avec deux stratégies de mélange différentes. Les composites mélangés ont été traités avec une machine FDM pour obtenir des filaments avec le diamètre souhaité et des éprouvettes d'essais de traction. Des caractérisations thermiques, morphologiques et mécaniques ont été effectuées. Les matériaux composites développés présentent un excellent comportement à haute température. Grâce à la température de transition vitreuse (Tg) plus élevée du PEI, les alliages PEEK/PEI ont montré une augmentation de la température de transition vitreuse jusqu'à 35°C, augmentant ainsi la température de service du matériau. La microscopie électronique à balayage et la micro-tomodensitométrie ont montré une répartition homogène des fibres et une bonne mouillabilité entre les fibres et les matrices polymères. La présence de porosité, probablement des bulles d'air incorporé au cours du processus de mélange, a été également détectée. Le module d'Young des composites HTRT développés a été évalué à l'aide d'essais de traction sur des filaments et sur des éprouvettes imprimées en 3D.

Abstract

New generation aircraft engines need to be lighter and quieter to meet the international regulations on the reduction of both carbon dioxide and noise emissions. As a promising approach, aerospace industry has begun to investigate the utilization of Additive Manufacturing (AM) of polymers and composites for the manufacturing of lightweight structures featuring complex shapes. The AM of High Temperature Resistant Thermoplastic (HTRT) has been of particular interest due to their relative high service temperatures (>100°C) and their relatively high mechanical performance. Manufacturing flexibility offered by AM enables the fabrication of innovative acoustic liners and also a more efficient design for acoustic concepts. This project aims to cover materials processing, manufacturing and the fabrication of sandwich panels for acoustic applications. First, HTRT composites with improved thermal and mechanical properties were developed. Polyether Ether Ketone (PEEK) and Polyetherimide (PEI) and PEEK/PEI blends were used as polymer matrices and are processed with chopped Carbon Fibers (CFs) with two different mixing strategies. The mixed composites were fed into a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer to obtain 3D printed filaments having a desired diameter and also tensile test specimens. The developed composite materials were then characterized for their thermal, morphological and mechanical behavior. The materials showed excellent behavior at high temperatures. Thanks to the higher glass transition temperature (Tg) of PEI, PEEK/PEI blends showed a maximum increase in the Tg of 35°C with respect to PEEK, thus increasing the maximum service temperature of the materials. Scanning electron microscopy (SEM) and micro-computed tomography (μ-CT) scans revealed a homogeneous distribution of the fibers and a good wetting between CFs and polymer matrices. The presence of voids, probably air bubbles incorporated during the mixing process, was also detected. The Young's modulus of the developed HTRT composites was evaluated with the aid of tensile test on 3D printed filaments and tensile test specimens.