Manufacturing gearbox housing case made of carbon fiber reinforced polymer composite by autoclave method

• Autorzy: Jucha Barbara , Kozioł Mateusz

Warianty tytułu

PL

Wytworzenie elementu obudowy przekładni z kompozytu polimerowego wzmocnionego włóknem węglowym metodą autoklawową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the study was to verify the possibility of reproducing a steel, welded gear body element, using an epoxy-carbon composite, as an adaptation project. The content includes a description of the design and manufacturing process along with an indication of the problems occurring at various stages. The design procedure included product optimization, mold design, and composite structure design. The molded element was to be a composite monolithic structure and was intended for vibroacoustic studies. The wall thickness of the element was to be 6÷10 mm. Pre-impregnated fabric (so-called prepreg) with an areal mass of 240 g/m2 (outer layers) and 800 g/m2 (structural layers) was used as the material. The matrix was epoxy resin. The technological procedure included producing the mold and molding the product using the produced mold. The mold was made by milling with a 5-axis milling center (CNC), based on a block assembled of epoxy panels. The molding of the product was started by manually lining the mold with a layup of prepregs. During laying, consolidation was carried out several times using a vacuum bag. A full vacuum packet (vacuum foils, breather, delamination fabric) was applied to the layup. The preformed layup was cured in an autoclave at 120°C, at the pressure of 4 bar and a set -1 bar vacuum inside the packet. The total process time was 4 hours. It was found that the obtained product very accurately reproduces the steel housing and meets the assumptions of the comparative element for vibroacoustic testing. The use of the composite allowed the weight of the element compared to the original to be reduced by over 80% without taking into account the weight of additional steel elements necessary for installation and by over 60% including the weight of those elements. The performed procedures and their effect confirm that polymer matrix composite materials are very well suited for reproducing products and creating prototypes.

PL

Celem pracy była ocena możliwości odtworzenia stalowego, spawanego elementu korpusu przekładni zębatej z kompozytu epoksydowo-węglowego, na zasadach projektu adaptacyjnego. Opisano proces projektowania oraz wytwarzania wraz ze wskazaniem problemów występujących na różnych etapach. Procedura projektowania obejmowała optymalizację wyrobu, projektowanie formy oraz projektowanie struktury kompozytu. Formowany element miał stanowić kompozytową strukturę monolityczną i był przeznaczony do badań wibroaktywności. Grubość ścianek elementu miała wynosić 6÷10 mm. Jako materiał zastosowano tkaninę preimpregnowaną (tzw. prepreg) o gramaturze 240 g/m2 (warstwy zewnętrzne) oraz 800 g/m2 (warstwy konstrukcyjne). Osnowę stanowiła żywica eposksydowa. Procedura technologiczna obejmowała wykonanie formy oraz formowanie wyrobu z jej użyciem. Formę wykonano metodą frezowania z użyciem 5-osiowego centrum frezerskiego (CNC) na bazie półfabrykatu z płyty epoksydowych. Formowanie wyrobu rozpoczęto od ręcznego wyłożenia formy stosem prepregów. Podczas układania kilkukrotnie przeprowadzano konsolidację z użyciem worka próżniowego. Na ułożonym stosie zastosowano pełny pakiet próżniowy (folie uszczelniające, breather, delaminaż). Wstępnie uformowany stos utwardzano w autoklawie, w temperaturze 120°C, przy ciśnieniu o wartości 4 bar i zadanym podciśnieniu wewnątrz pakietu -1 bar. Całkowity czas procesu wyniósł 4 h. Stwierdzono, że uzyskany wyrób stanowi bardzo dokładne odwzorowanie obudowy stalowej oraz spełnia założenia elementu porównawczego do badań. Zastosowanie kompozytu pozwoliło na obniżenie masy odtwarzanego elementu w porównaniu z pierwowzorem: o ponad 80% bez uwzględnienia masy dodatkowych elementów stalowych, koniecznych do domontowania i o ponad 60% z uwzględnieniem masy tychże elementów. Wykonane działania i ich efekt potwierdzają, że polimerowe materiały kompozytowe bardzo dobrze nadają się do odtwarzania wyrobów w wymiarze jednostkowym oraz tworzenia prototypów.

Słowa kluczowe

EN

polymer matrix composite; carbon fiber; autoclave molding; adaptation project

PL

kompozyt polimerowy; włókno węglowe; formowanie w autoklawie; projekt adaptacyjny

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 4
• Strony: 135--142
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Jucha Barbara

• Silesian Science and Technology Centre of Aviation Industry Ltd., ul. Nad Białką 25, 43-502 Czechowice-Dziedzice, Poland
• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering, ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Kozioł Mateusz

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering, ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Królikowski W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, WN PWN, Warszawa 2012.
• [2] Boczkowska A., Krzesiński G., Kompozyty i techniki ich wytwarzania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2016.
• [3] Chatys R., Kleinhofs M., Panich A., Miskow G., Compositelaminates for automotive bumpers and lightweight support structures, Book Series: Engineering Mechanics 24(2018), Eds. C. Fischer, J. Naprstek, 145-148, DOI: 10.21495/91-8-145.
• [4] Hyla I., Śleziona J., Kompozyty. Elementy mechaniki i projektowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.
• [5] Kozioł M., Nasycanie ciśnieniowo-próżniowe zszywanych oraz tkanych trójwymiarowo preform z włókna szklanego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2016.
• [6] Śleziona J., Podstawy technologii kompozytów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998.
• [7] Sorrentino L., Anamateros E., Bellini C., Carrino L., Corcione G., Leone A., Paris G., Robotic filament winding: An innovative technology to manufacture complex shape structural parts, Composite Structures 2019, 220, 699-707, DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.04.055.
• [8] Lesiuk G., Katkowski M., Correia J., de Jesus A.M.P., Blazejewski W., Fatigue crack growth rate in CFRP reinforced constructional old steel, International Journal of Structural Integrity 2018, 9(3), 381-395, DOI: 10.1108/IJSI-08-2017-0050.
• [9] Bellini C., Sorrentino L., Characterization of isogrid structure in GFRP, Frattura Ed Integrita Strutturale 2018, 46, 319-331, DOI: 10.3221/IGF-ESIS.46.29.
• [10] Kozioł M., Bogdan-Wlodek A., Myalski J., Wieczorek J., Influence of wet chemistry treatment on the mechanical performance of natural fibres, Polish Journal of Chemical Technology 2011, 13, 4, 21-27.
• [11] Olesik P., Kozioł M., Toroń B., Szperlich P., Preliminary evaluation of producing polymer cladding on glass fiber designated for fiber lasers, Composites Theory and Practice (Kompozyty) 2018, 18(3), 140-144.
• [12] Meier R., Kahraman I., Seyhan A.T., Zaremba S., Drechsler K., Evaluating vibration assisted vacuum infusion processing of hexagonal boron nitride sheet modified carbonfabric/epoxy composites in terms of interlaminar shear strength and void content, Composites Science and Technology 2016, 128, 94-103, DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.03.022.
• [13] Jesione M., Nowak M., Szperlich P., Kepinska M., Mistewicz K., Toron B., Stroz D., Szala J., Rzychon T., Properties of sonochemically prepared CuInxGa1-xS2 and Cu-InxGa1-xSe2, Acta Physica Polonica A 2014, 126, 5, 1107-1109, DOI: 10.12693/APhysPolA.126.1107.
• [14] Dydek K., Latko-Duralek P., Boczkowska A., Salacinski M., Kozera R., Carbon fiber reinforced polymers modified with thermoplastic nonwovens containing multi-walled car-bon nanotubes, Composites Science and Technology 2019, 173, 110-117, DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.02.007.
• [15] Figlus T., Kozioł M., Diagnosis of early-stage damage to polymer-glass fibre composites using non-contact measurement of vibration signals, Journal of Mechanical Science and Technology 2016, 30, 8, 3567-3576, DOI: 10.1007/s12206-016-0717-1.
• [16] Koziol M., Figlus T., Evaluation of the failure progress in the static bending of GFRP laminates reinforced with a classic plain-woven fabric and a 3D fabric, by means of the vibrations analysis, Polymer Composites 2017, 38, 6, 1070-1085.
• [17] Kozioł M., Evaluation of classic and 3D glass fiber rein-forced polymer laminates through circular support drop weight tests, Composites Part B, 2019, 168, 561-571, DOI:10.1016/j.compositesb.2019.03.078.
• [18] Jakubczak P., Bienias J., Surowska B., Interlaminar shear strength of fibre metal laminates after thermal cycles, Composite Structures 2018, 206, 876-887, DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.09.001.
• [19] Dadej K., Bienias J., Surowska B., On the effect of glass and carbon fiber hybridization in fiber metal laminates: Analytical, numerical and experimental investigation, Composite Structures 2019, 220, 250-260, DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.03.051.
• [20] Skoć A., Świtoński E., Przekładnie zębate. Zasady działania. Obliczenia geometryczne i wytrzymałościowe, WN PWN, Warszawa 2016.
• [21] Figlus T., Kozioł M., Kuczyński Ł., Impact of application of selected composite materials on the weight and vibroactivity of the upper gearbox housing, Materials 2019, 12, 2517, DOI: 10.3390/ma12162517.
• [22] Figlus T., Kozioł M., Kuczyński Ł., The effect of selected operational factors on the vibroactivity of upper gearbox housings made of composite materials, Sensors 2019, 19, 4240, DOI: 10.3390/s19194240.
• [23] Smoleń J., Cyganek A., Kozioł M., Manufacture of transmission housing by contact layer technique using vacuumbag, Composites Theory and Practice 2019, 19, 1, 18-22.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).