Investigation of manufacturability of grid structures of the structural part of Flying V using additive manufacturing

Abstract

Bevisstheten om klimaendringer øker blant alle sektorer – inkludert luftfart. For å redusere den globale påvirkningen av luftfart, bør drivstoffbruken reduseres drastisk. TU Delft designet en ny konfigurasjon for et fly der flykroppen og vingen består av én del. Dette nye designet er beregnet å redusere drivstofforbruket med 20%. Ingeniørene planlegger å bruke komposittmateriale til produksjonen på grunn av deres utmerkede spesifikke egenskaper. For tiden brukes gitter- eller gitterstrukturer for å gi styrke til en del laget av kompositter. Gitterstrukturer består av en "rib" og "skin" og brukes til å øke den mekaniske ytelsen til flystrukturer samtidig som vekten holdes lav. Imidlertid har tradisjonelle produksjonsmetoder for gitterstrukturer én ulempe til felles - den overflødige fiberen bygges opp ved noden der ribbene møtes.

Denne masteroppgaven fant sted i lokalene til ASEMLab - Laboratory for Advanced and Sustainable Engineering Materials Research - og bruker en ny teknologi for additiv produksjon av kompositter. Den prøvde å studere gjennomførbarheten av denne metoden for produksjon av rutenettstrukturer. Denne produksjonsteknikken er fokusert på et dobbeltdysesystem hvor fiberen og termoplasten ekstruderes fra to forskjellige dyser. Videre kan dysen endre trykket på fiberen under utskrift, noe som gjør det mulig å ha gitterstrukturer med kontinuerlige fibre gjennom alle noder.

I dette prosjektet ble det produsert forskjellige prøver som representerer en gitterstruktur - både med karbonfiberarmering og uten (ren plast). Disse prøvene ble utsatt for testing og ulike analyser for å evaluere utskrifts- og strukturkvaliteten. Resultatene fra testene ble brukt til å diskutere om armeringen ga en betydelig fordel. Begrensninger og utfordringer ble diskutert samt fordelene fremfor tradisjonelle metoder for kompositter og alternative additive produksjonsmetoder for kompositter. For å konkludere, tilbyr den foreslåtte metoden et stort potensial i forhold til konvensjonelle metoder, og hvis den er utviklet godt, kan den brukes til produksjon av nettstrukturer.

The awareness of climate change is raising among all sectors - including aviation. In order to reduce the global impact of aviation, fuel usage should be reduced drastically. TU Delft designed a new configuration for an aircraft where the fuselage and the wing consists of one part. This new design is estimated to decrease fuel usage by 20%. The engineers plan to use composite material for the manufacturing due to their excellent specific properties. Currently, grid or lattice structures are used to give strength to a part made of composites. Grid structures consist of a rib and skin and are used to increase mechanical performance of aircraft structures while keeping the weight low. However, traditional manufacturing methods of grid structures have one disadvantage in common - the excessive fiber build up at the node where the ribs meet.

This master thesis took place at the premises of ASEMLab - Laboratory for Advanced and Sustainable Engineering Materials Research - and employs a new technology for additive manufacturing of composites. It tried to study the feasibility of this method for the production of grid structures. This manufacturing technique is focused on a dual-nozzle system where the fiber and thermoplastic are extruded from two different nozzles. Furthermore, the nozzle can alter pressure on the fiber during printing making it possible to have grid structures with continuous fibers through all nodes.

In this project different specimens were manufactured representing a grid structure - both with carbon fibre reinforcement and without (pure plastic). These samples were exposed to testing and different analyses to evaluate the printing and structural quality. Results of the tests were used to discuss if the reinforcement offered a significant advantage. Limitations and challenges were discussed as well as the advantages over traditional methods for composites and alternative additive manufacturing methods for composites. To conclude, the proposed method offers great potential over conventional methods and if developed well it can be used for the manufacturing of grid structures.