Optimisation of fibre reinforced 3D printed wing ribs

Afonso Costa Oliveira

Key information

Authors:

Afonso Costa Oliveira (Afonso Costa Oliveira)

Supervisors:

Marco Alexandre De Oliveira Leite (Marco Leite)

Published in

July 10, 2023

Abstract

Avanços recentes em reforços de fibras curtas e contínuas no processo de Fabricação com Filamento Fundido têm possibilitado a manufatura de peças estruturais mais leves e resistentes. Esta tese visa a realização de uma comparação entre ambos os métodos de reforço a nível de propriedades, processabilidade e sinergia com métodos de otimização estrutural. Ademais, explora-se a aplicação de manufatura aditiva de compósitos e otimização topológica no fabrico de nervuras de uma asa de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT). Testes de tração uniaxial permitem estudar o impacto dos parâmetros de impressão nas propriedades de resistência à tração de provetes reforçados com fibras curtas e contínuas, permitindo a sua maximização. Apesar de ter um conteúdo de fibras muito mais baixo, os provetes reforçados com fibras contínuas suportam cargas comparáveis aos reforçados com fibras curtas, destacando as melhores propriedades de tração das fibras contínuas. É desenvolvido um modelo de otimização topológica para uma nervura com um perfil alar NACA 2412. Duas geometrias finais são impressas e testadas aplicando duas forças pontuais, que simulam a distribuição de tensões em voo, até à fratura das nervuras. Embora apresente propriedades de tração superiores, o reforço com fibras contínuas é prejudicado pela complexidade do seu método de processamento, o que leva a um baixo desempenho das nervuras reforçadas com fibras contínuas, devido ao encurvamento em algumas áreas não reforçadas, As nervuras reforçadas com fibras curtas apresentam bom desempenho e melhores relações entre propriedade e peso, sendo adequadas para casos que requerem cargas mais elevadas. Recent advances in short and continuous fibre filament reinforcements in the Fused Filament Fabrication (FFF) process enable the production of lighter, stronger structural parts. This thesis aims to offer a comparison between both these reinforcement methods regarding properties, processability and synergy with structural optimisation methods. The further usage of composite additive manufacturing and topology optimisation to design Unmanned Aerial Vehicle (UAV) wing ribs is explored. Tensile tests examine the impact of parameters on the tensile properties of short and continuous fibre reinforced printed specimens and allow their maximisation. Despite having a much lower fibre content, the continuous fibre specimens bear comparable loads to the short fibre ones, highlighting the better tensile properties of the continuous fibres. A topology optimisation model is developed for a rib with a NACA 2412 airfoil, and two final designs are printed and tested using a jig that simulates the in flight stress distribution by applying two point forces to the ribs until fracture. While it offers superior tensile properties, the continuous fibre reinforcement is hindered by its challenging processing methods. This leads to a poor performance of the continuous fibre reinforced ribs, as some non reinforced areas buckled. The short fibre reinforced ribs perform well and have better property to weight ratios, being suitable for cases requiring higher loads.