مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

ساخت دستگاه رشته پیچی با چهار درجه آزادی برای تولید ساختارهای مشبک کامپوزیتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، واحد ارس، دانشگاه آزاد اسلامی، هادی‌شهر، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آتاتورک، ارزروم، ترکیه
3 گروه مهندسی مکانیک، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران
چکیده
سازه‌های کامپوزیتی به دلیل وزن کم، استحکام بالا و دلایل اقتصادی در صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته‌اند. این مطالعه به توسعه یک دستگاه پیشرفته رشته پیچی فیلامنتی با چهار درجه آزادی برای تولید نمونه‌های آزمایشی می‌پردازد. این دستگاه برای ساخت ساختارهای مشبک روی سطوح استوانه‌ای، مخروطی و سطوح پیچیده طراحی شده است. نرم‌افزار کنترل سفارشی که با ابزارهای مدل‌سازی سه‌بعدی یکپارچه شده، امکان قرارگیری خودکار و کارآمد فیبرها را فراهم کرده است. نمونه‌های آزمایشی با استفاده از فیبرهای کربنی آغشته به رزین اپوکسی و پیچیده شده بر روی قالب‌های سیلیکونی سفارشی تولید شده‌اند. روش رشته پیچی به دلیل توانایی دستیابی به حجم بالای فیبر، کاهش حفره‌ها و کارایی هزینه انتخاب شده است. برای تأیید نتایج بهینه‌سازی، ساختارهای مشبک با الگوی ورونای تحت آزمایش‌های تجربی قرار گرفتند. آزمایش‌های کمانش که با استفاده از یک دستگاه آزمون یونیورسال انجام شد، بارهای بحرانی کمانش و خواص مکانیکی نمونه‌های بهینه‌سازی شده را ارزیابی کردند. با توجه به داده‌های آزمون کمانش فشاری نسبت بار بحرانی کمانش به وزن سازه معادل 24000 نیوتن بر کیلوگرم می‌باشد. همچنین، استفاده از دستگاه رشته پیچی توسعه‌یافته موجب دستیابی به کاهش قابل‌توجهی در هزینه‌های تولید نسبت به روش‌های مرسوم شده است. به‌علاوه، امکان تولید ساختارهایی با هندسه‌ پیچیده و پروفیل‌های غیر دورانی مانند بال‌ هواپیما و هیدروفویل‌ها فراهم گردیده است. این قابلیت‌ها موجب افزایش انعطاف‌پذیری در طراحی و استفاده از مواد کامپوزیتی پیشرفته در پروژه‌های مهندسی گردیده است.  نتایج نشان دهنده قابلیت دستگاه و روش‌های توسعه‌یافته در تولید ساختارهای کامپوزیتی با عملکرد بالا در عین کاهش هزینه‌های تولید است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Development of a four-degree-of-freedom filament winding machine for manufacturing composite grid structures

نویسندگان English

Reza Mohammadzadeh Gheshlaghi 1 2
Saeid Ghaffarzadeh 3
1 Department of Mechanical Engineering, Ara.C., Islamic Azad University, Hadishahr, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Atatürk University, Erzurum, Turkey
3 Department of Mechanical Engineering, Ta.C., Islamic Azad University, Tabriz, Iran
چکیده English

Composite grid structures have garnered significant attention across various industries due to their low weight, high strength, and economic advantages. This study focuses on developing of an advanced filament winding machine with four degrees of freedom to produce experimental specimens. The machine is designed to fabricate grid structures on cylindrical, conical, and complex surface. Integrated with three-dimensional modeling tools, custom control software enables the automated and efficient placement of fibers. Experimental specimens were manufactured using carbon fibers impregnated with epoxy resin and wound onto custom silicone molds. The filament winding technique was selected for its ability to achieve high fiber volume fractions, minimize voids, and enhance cost-efficiency. To validate the optimization results, grid structures featuring a Voronoi pattern were subjected to experimental testing. Buckling tests, conducted using a universal testing machine, evaluated the critical buckling loads and mechanical properties of the optimized specimens. According to the compressive buckling test data, the ratio of the critical buckling load to the weight of the structure is equal to 24,000 N/kg. Furthermore, the developed filament winding machine significantly reduced production costs compared to conventional methods. It also enabled the fabrication of structures with complex geometries and non-circular profiles, such as aircraft wings and hydrofoils. These capabilities enhance design flexibility and the application of advanced composite materials in engineering projects. The results demonstrate the efficacy of the developed machine and methodologies in producing high-performance composite grid structures while lowering manufacturing costs.

کلیدواژه‌ها English

Composite Grid Structures
Filament Winding
Computer-Controlled Machine
Lightweight Structures
Composite Design
[1]   Mangas C, Vilanova J, Diaz V, Samartin CR, Kiryenko S, Katajisto H, Perez-Alvarez J. Anisogrid payload adaptor structure for Vega launcher. InProceedings of the 14th European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing (ECSSMET) 2016.
[2]   Totaro G, Spena P, Giusto G, De Nicola F, Kiryenko S, Das S. Highly efficient CFRP anisogrid lattice structures for central tubes of medium-class satellites: Design, manufacturing, and performance. Composite Structures. 2021 Feb 15;258:113368. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.113368
[3]   Fadavian A, Davar A, Heydari Beni M, Eskandari Jam J. Statistical-experimental analysis of the effect of fabrication parameters on the strength of composite grid-stiffened cylinders under compressive axial load. Journal of Science and Technology of Composites. 2021 Aug 23;8(2):1543-55. doi: 10.22068/JSTC.2021.531397.1729
[4]   Mathew T, Chacko V, Thomas T. Parametric study of lattice conical adaptor. International Journal of Scientific and Engineering Research. 2013;4(8).
[5]   Bellini C, Di Cocco V, Iacoviello F, Sorrentino L. Performance index of isogrid structures: Robotic filament winding carbon fiber reinforced polymer vs. titanium alloy. Materials and Manufacturing Processes. 2022 Apr 4;37(5):559-67. doi: 10.1080/10426914.2021.1926489
[6]   Farhadi M, Davar A, Heydari Beni M, Eskandari Jam J. Experimental study and statistical optimization of fabrication parameters affecting the flexural strength of composite grid-stiffened panels. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022 Jan 21;8(11):1-5. [In Persian]
[7]   Ataei A, Ahmadi H, Farrokhabadi A. Experimental investigation of Buckling after impact strength of grid stiffened composite panels. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2021 Jan 20;7(11):34-41. [In Persian]
[8]   Rojas EV, Chapelle D, Perreux D, Delobelle B, Thiebaud F. Unified approach of filament winding applied to complex shape mandrels. Composite structures. 2014 Sep 1;116:805-13. doi: 10.1016/j.compstruct.2014.06.00
[9] Zhang P, Han Z, Gu J, Sun S, Fu H. A strategy of parallel winding of circumferential ribs and helical ribs for composite cylindrical grid structures. Composite Structures. 2021 Nov 1;275:114351. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114351
[10] Gibson RF. Principles of composite material mechanics. CRC press; 2007 May 30.