Making Advanced Molds for Composite Production

Abstract

A typical advanced composite material for aerospace application is made of carbonfiber reinforcement embedded in epoxy or BMI matrix that is cured under a pressure temperature cycle in an autoclave. A critical problem for the manufacture of composite parts is the geometrical and dimensional stability during the curing process. It is therefore important to choose the right tooling materials for the mold in order to maintain tight tolerances after several cycles in the autoclave. The mold itself is usually made of composite material for low temperature curing and metal for high temperature curing.

Carbon foam is being investigated for use as a composite tooling material since it canbe tailored to be a low cost, durable, light-weight material with low coefficient of thermal expansion, and has cure process compatibility with aerospace composites. These foamshave received increased attention in this industry because they can now be producedwith a wider range of thermo-mechanical properties and higher service temperatures than polymer foams. However, the dramatic differences in properties between traditional tooling materials and carbon foam make it difficult to fully predict the performance of this novel material as a tooling alternative.

This thesis evaluates two types of carbon foam: CFOAM manufactured by Touchstone and GRAFOAM manufactured by GrafTech. The experimental work performed includes drying, venting, layup, machining of both foam and laminate as well as thermal cycling. After doing the experiments there are no signs indicating that carbon foam is not a suitable solution for composite tooling.

Et vanlig komposittprodukt laget for fly- og romkonstruksjoner er laget av karbonfiber med enten BMI- eller epoksymatrise som herdes under trykk og temperatur i en autoklave.Geometrisk stabilitet under herdeprosessen er et kritisk moment ved produksjon av komposittdeler. Det er derfor viktig å velge riktige materialer til støpeformen for å beholde de små toleransene etter flere herdesyklus er i autoklaven. Formen er ofte laget av komposittmaterialer dersom herdetemperaturen er lav og metalliske materialer ved høyere temperaturer.

Karbonskum er et aktuelt materiale å bruke som støpeverktøy i komposittindustrien siden det har lav pris og vekt, er slitesterkt i tillegg til at den termiske utvidelseskoeffisienten er lav. Det har også herdeegenskaper som passer komposittmaterialer som brukesi fly- og romfart. Disse skummene har i den siste tiden fått økt oppmerksomhet på grunnav at de nå produseres med gunstige mekaniske og termiske egenskaper i tillegg til atde tåler høyere temperaturer enn polymerskum. Utfordringen med karbonskum er at materialegenskapene deres er veldig forskjellige fra de tradisjonelle verktøymaterialene.Dette gjør det vanskelig å forutsi om det er et godt verktøyalternativ.

Denne rapporten evaluerer to typer karbonskum: CFOAM produsert av Touchstone og GRAFOAM laget av GrafTech. Det praktiske arbeidet inkluderer tørking, ventilering,layup, maskinering av skum og prepreg i tillegg til termiske analyser. Etter å ha utført disse testene er det foreløpig ingen tegn til at karbonskum ikke kan passe som et verktøyalternativ.