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Multiscale Numerical Simulation of Biaxial Braids with Discrete Fibers for Manufacturing Thermoplastic Composite Rods Using Braid-trusion

Mohammad Ghaedsharaf

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Few fully automated and continuous techniques are available to manufacture fiber-reinforced polymers. One of these techniques is thermoplastic braid-trusion, combining two high-automated techniques of braiding and pultrusion. In the thermoplastic braid-trusion forming process, a mixture of thermoplastic and reinforcement fibers is pulled into a heated die directly after braiding to melt the thermoplastic fibers and is consecutively solidified in a cooling die. The thermoplastic braid- trusion process is still under development and has not yet become a mass production process in the market. A major hurdle in the path toward that goal is that there is no simulation process readily available to understand the complex deformation of the braid during the braid-trusion process as well as to predict final textile architecture. Simulation of the braid-trusion process is a challenging task due to the complex forming process, intricate braid architecture, multiscale inherent, discrete nature of yarns and fibers, and complicated frictional interactions between discrete fibers. Here, we introduce a numerical simulation methodology for the thermoplastic braid-trusion process using a multiscale finite element model with experimental validations. Three objectives are outlined to accomplish this research. The first objective is to propose a simple geometry-based design methodology for biaxial braids to manufacture a thermoplastic braid-truded rod using a multi-die pultrusion line. To design the process, three parameters of the overfilling ratio (the excessive resin backflow ratio), nominal braid angle, and fiber volume fraction are calculated at each die exit. The braid diameter and pitch length inside the dies are estimated through a simplified geometry relation of the braid. The proposed design is successfully used to manufacture a biaxial braid-truded rod using commingled carbon and PEI fibers. The microscopic characterization of the rod's cross-sections shows a fully impregnated braided fibers bed, void-free area, and proper fiber distribution. To explore the spool tension impacts, three experiments with low (2.5 N), moderately high (40 N), and high (80 N) spool tension are examined. The processing speed is evaluated by carrying out two experiments with moderately low (50 mm/min) and moderately high (150 mm/min) processing speeds. The cooling die temperature is also scrutinized by varying three temperatures of Tg (glass transition temperature of PEI), Tg/2 , and Tg/4. Perfect impregnation, void-free content, and excellent surface finish are achieved by the experiment with a spool tension of 2.5 N, a processing speed of 50 mm/min, and cooling die temperatures of Tg/2 and Tg/4.

Résumé

Peu de techniques entièrement automatisées sont disponibles pour fabriquer des polymères renforcés de fibres. L'une de ces techniques est la braid-trusion thermoplastique, qui combine deux techniques hautement automatisées : le tressage et la pultrusion. Dans le procédé de braid-trusion thermoplastique, un mélange tressé de fibres thermoplastiques et de renfort est tiré dans un moule chauffé pour faire fondre les fibres thermoplastiques. Ce mélange est par la suite solidifié par un moule de refroidissement. Le procédé de braid-trusion thermoplastique est encore en cours de développement et n'est pas largement employé sur le marché. Un obstacle majeur est le manque de simulation permettant de prédire la déformation de la tresse pendant le procédé ainsi que de prédire l'architecture finale du textile. La simulation du procédé braid-trusion est une tâche difficile en raison du processus de formation complexe, de l'architecture complexe de la tresse, de la nature discrète inhérente à plusieurs échelles des fils et des interactions de friction entre les fibres. Ici, nous introduisons une méthodologie de simulation numérique pour le processus de braid-trusion thermoplastique en utilisant un modèle multiéchelle par éléments finis validé expérimentalement. Trois objectifs sont définis pour mener à bien cette recherche. Le premier objectif est de développer une méthodologie de conception simple basée sur la géométrie des tresses biaxiales pour fabriquer une tige thermoplastique tressée en utilisant une ligne de pultrusion à plusieurs moules chauffants. Pour concevoir le procédé, trois paramètres du taux de sur remplissage (taux de reflux excessif de la résine), l'angle nominal de la tresse et la fraction volumique des fibres sont calculés à chaque sortie de moule. Le diamètre de la tresse et la longueur du pas à l'intérieur des moules sont estimés grâce à une relation géométrique de tresse simplifiée. La conception proposée est utilisée avec succès pour fabriquer une tige tressée biaxiale en utilisant des fibres de carbone mélangées à du PEI. La caractérisation microscopique des sections transversales de la tige montre un lit de fibres tressées entièrement imprégné, une zone sans vide et une bonne répartition des fibres. Pour explorer les impacts de la tension de la bobine de fibres, trois expériences avec différente tension de bobine, soit une faible (2.5 N), une modérément élevée (40 N) et une élevée (80 N) sont examinées. La vitesse de procédé est évaluée en réalisant deux expériences avec des vitesses de traitement modérément faibles (50 mm/min) et modérément élevées (150 mm/min). La température du moule de refroidissement est également scrutée en faisant varier trois températures : Tg (température de transition vitreuse du PEI), Tg/2 et Tg/4. Une imprégnation parfaite, une teneur sans vide et un excellent fini de surface sont obtenues avec une tension de bobine de 2.5 N, une vitesse de procédé de 50 mm/min et des températures de refroidissement de Tg/2 et Tg/4.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Louis Laberge Lebel, Jean-Évrard Brunel
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9187/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Nov 2021 15:41
Last Modified: 13 Jan 2023 11:48
Cite in APA 7: Ghaedsharaf, M. (2021). Multiscale Numerical Simulation of Biaxial Braids with Discrete Fibers for Manufacturing Thermoplastic Composite Rods Using Braid-trusion [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9187/

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