Micro-Pins - the next step in composite to composite and metal to composite joining

Abstract

This PhD research was focused on the development of a more reliable metal-to-compositeand composite-to-composite connection, utilizing the micro-pinning technology. Thistechnology implements small pin-like structures at the micro-scale which penetrate acomposite laminate prior to curing, and create a hybrid mechanical-chemical bondingbetween two connecting structures. The research performed in this study was primarily oriented in a more technical thanacademic manner, focusing on a specific industrial application scenario rather thangeneral research – following the ESA/NPI programme requirements. In this study, themicro-pinning technology was focused to be implemented in a space structures joiningapplication scenario. The primary guideline was to find an implementation of the micro-pinning technology, without being intrusive to the state-of-the-art design andmanufacturing procedures used in industry. In the next step, a feasibility study toredesign and deviate from the current manufacturing procedures was implemented,which combined and utilized advanced numerical optimization tools, AM procedures anda complete redesign of the application scenario’s reference joint case to accommodate themicro-pinning concept from the start. To reach the goals of this research, a three-phase research plan was envisioned andfollowed, which followed the building blocks approach. Starting from the micro-scalelevel of a single pin connection, continuing in the meso-scale with a lap-joint pinnedconfiguration, and finishing on the macro-scale in the full-scale implementation of thepinning concept in a bracket-insert-sandwich panel connection. In every phase, threesubdivisions of research were performed. Initially, a numerical optimization study wasperformed, followed by a manufacture and experimental testing of the designedspecimens, and concluding with a numerical testing procedure to validate the correlationand ability to predict the mechanical response using numerical non-linear FEM tools. In the final results of this study, it was shown that performing a redesign of a componentto adapt the micro-pinning technology would bear a significantly greater mechanicalresponse compared to the reference case. However, even keeping the initial componentand applying the micro-pinning technology would have also an increase in the mechanicalresponse. Plus, using modern numerical optimization tools and advanced manufacturingprocedures could help further gain a response of greater strength with a notable systemmass reduction.

Αυτή η διδακτορική έρευνα επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός πιο αξιόπιστου συνδέσμου, μετάλλων με σύνθετα υλικά και σύνθετων υλικών προς σύνθετα, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία Micro-Pinning. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί μικρές δομές (pins) που διεισδύουν στο σύνθετο πολύστρωτο υλικό πριν από τον πολυμερισμό της μήτρας και δημιουργούν έναν υβριδικό μηχανικό-χημικό δεσμό μεταξύ των δομών. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη ήταν κυρίως προσανατολισμένη σε μία κατεύθυνση περισσότερο τεχνική από ακαδημαϊκού χαρακτήρα, εστιάζοντας σε ένα συγκεκριμένο σενάριο βιομηχανικής εφαρμογής και όχι σε γενική έρευνα - σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προγράμματος ESA / NPI που υπάγεται η παρούσα έρευνα. Σε αυτή τη μελέτη, η τεχνολογία του Micro-Pinning επικεντρώθηκε στην εφαρμογή της σε διαστημικές συνδετικές δομές. Η κύρια κατευθυντήρια γραμμή ήταν να βρεθεί μια εφαρμογή των Micro-Pins, χωρίς να απαιτούνται πολλές αλλαγές στην φιλοσοφία σχεδιασμού και στις διαδικασίες κατασκευής που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Σε επόμενο βήμα, εφαρμόστηκε μια μελέτη σκοπιμότητας για τον επανασχεδιασμό ενός συνδέσμου με Micro-Pins και την απόκλιση της σχεδιαστικής φιλοσοφίας από τις τρέχουσες κατασκευαστικές διαδικασίες, στην οποία συνδυάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν προηγμένα εργαλεία αριθμητικής βελτιστοποίησης, διαδικασίες Additive Manufacturing και πλήρης επανασχεδιασμός του αρχικού συνδέσμου για τη βέλτιστη εφαρμογή της τεχνολογίας Micro-Pinning από την αρχή. Για την επίτευξη των στόχων αυτής της έρευνας, σχεδιάστηκε ένα ερευνητικό σχέδιο σε τρεις φάσεις, το οποίο ακολούθησε την μέθοδο building blocks. Το σχέδιο άρχιζε από τη μικρο-κλίμακα σε επίπεδο σύνδεσης ενός Micro-Pins, συνεχιζόταν στη μεσο-κλίμακα με σύνδεσμο πολλαπλών Micro-Pins και ολοκληρώθηκε σε μακρο-κλίμακα με την πλήρη εφαρμογή της τεχνολογίας Micro-Pinning σε σύνδεση bracket-insert-sandwich panel. Σε κάθε φάση, τρεις υποδιαιρέσεις έρευνας πραγματοποιήθηκαν. Αρχικά, εκτελέστηκε μια αριθμητική μελέτη βελτιστοποίησης, η οποία ακολουθήθηκε από κατασκευή και πειραματική δοκιμή των βελτιστοποιημένων συνδέσμων, και τελειώσε με μια αριθμητική διαδικασία δοκιμής για την επικύρωση των αποτελεσμάτων και της ικανότητας πρόβλεψης της μηχανικής απόκρισης του συνδέσμου, χρησιμοποιώντας αριθμητικά μη γραμμικά εργαλεία Finite Element Method. Στα τελικά αποτελέσματα αυτής της μελέτης, αποδείχθηκε ότι η επανασχεδιασμός ενός συνδετικού στοιχείου και η προσαρμογή της τεχνολογίας Micro-Pinning μπορεί να επιφέρει σημαντικά μεγαλύτερη μηχανική απόκριση σε σύγκριση με τον σύνδεσμο αναφοράς με κόλλα. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι ακόμη και να διατηρηθεί η γεωμετρία του αρχικού συνδέσμου αναφοράς και να εφαρμοστεί η τεχνολογία Micro-Pinning, μπορεί να υπάρξει μια επίσης αύξηση της μηχανικής απόκρισης του συνδέσμου. Επιπλέον, η εφαρμογή σύγχρονων εργαλείων αριθμητικής βελτιστοποίησης και προηγμένων κατασκευαστικών τεχνολογιών (Additive Manufacturing), μπορεί να οδηγήσει στην περαιτέρω βελτιστοποίηση της μηχανικής απόκρισης με μία σημαντική μείωση μάζας του συνδέσμου.