High-volume manufacturing of advanced composite parts: reducing waste and curing time while maintaining high performance

Abstract

Historically, the manufacture of advanced composite parts has been characterised by low-volume production, but is increasingly moving towards mass production. This new scenario, where competitiveness is on the rise, requires more agile manufacturing of composite parts, which means shorter processes while maintaining the highest quality standards. At the same time, the industry is currently faced with the enormous challenge of minimising composite waste, while the high cost of raw materials threatens its economic stability if this issue is not properly addressed. An analysis of the relevant literature shows that there is no consensus on the definition of a systematic method of continuous improvement aimed at minimising composite waste in the manufacture of high-volume composite parts. Therefore, this thesis begins with the development and implementation of a systematic approach capable of minimising material waste and scrap rates while increasing process efficiency throughout the production of composite products. The Six Sigma DMAIC (Define, Measure, Analyse, Improve, Control) methodology has been used with the synergistic support of Value Stream Map (VSM) and Material Flow Analysis (MFA), both adapted to the specificities of composite manufacturing. After implementation on a real production line, the effectiveness of the proposed process is remarkable, as composite waste has been reduced by 21% in 22 weeks, reaching a waste rate below 25%, which is unprecedented in the industry. This has resulted in a cost saving of 18.5% while increasing the throughput of the process on the line by 15%.

Meanwhile, the industry is particularly interested in efficiently predicting the curing progress to reduce curing times. Most existing prediction methods can be accurate with certain thermal histories but usually limited to isothermal or constant heating rates. Furthermore, they are restricted to the applied temperature program, establishing then a particular temperature-time dependency that leads to predefining analytical functions adapted to a particular thermal history. This process of adapting the methods to the target temperature program takes massive time and resources. So, the end-user requires more versatile, agile, and simple prediction methods, while keeping acceptable reliability. Accordingly, the second part of this thesis focuses on investigating, applying, and assessing unexplored kinetic methods to flexibly predict epoxy-based composite curing under arbitrary thermal histories. Two specific isoconversional kinetic-based methods have been proposed to predict the course of the reaction for temperature programs composed of nonlinear evolutions such as that of real resin curing cycles. The validity of the prediction methods used to shorten cure cycles in an industrial environment was demonstrated through a thermo-mechanical test campaign. The results showed the feasibility of kinetic models to reduce the resulting cure time in shortened cycles by 72% while maintaining the high-performance properties of the material. The prediction methods involved not only allow designing cure cycles to maximize the degree of cure in the shortest time, but also to reduce heat flow from the exothermic reaction. However, the kinetic models do not consider the heat transfer and thermal conductivity throughout the composite part. Therefore, the accuracy of the predictions might be compromised for thick laminates. Consequently, the last part of the present thesis focuses on implementing complementary methods that consider heat transfer in their formulation to anticipate detrimental thermal effects such as overheating during the curing of composite materials

Històricament, la fabricació de peces de material compost avançat s'ha emmarcat en una producció de baix volum, però progressivament s'està avançant cap a la fabricació en massa. Aquest nou escenari, on la competitivitat és cada vegada major, requereix una fabricació més àgil de peces de compòsit, el que comporta processos més curts tot mantenint els estàndards de qualitat més alts. Paral·lelament, el sector es troba actualment davant l'enorme repte de minimitzar els residus de material compost, mentre que l'elevat cost de les matèries primeres posa en perill la seva estabilitat econòmica si no s'aborda aquesta problemàtica adequadament. Una anàlisi de la literatura específica mostra que no hi ha consens sobre la determinació d'un mètode sistemàtic de millora contínua dirigit a minimitzar els residus (waste) de compostos en la fabricació de grans volums de peces de compòsit. Per tant, aquesta tesi comença desenvolupant i implementant un enfocament sistemàtic capaç de minimitzar el malbaratament de material i la taxa de rebuig (scrap) alhora que augmenta l'eficiència del procés al llarg de la producció de productes de material compost. S'ha utilitzat la metodologia Six-Sigma DMAIC (Define, Measure, Analyse, Improve, Control) amb el suport sinèrgic de Value Stream Mapping (VSM) i Material Flow Analysis (MFA), tots dos adaptats a les particularitats de la fabricació de peces de material compost. Després de la implementació en una línia de fabricació real, l'eficàcia del procediment proposat és destacable ja que els residus de material compost s'han reduït un 21% en 22 setmanes, assolint una taxa de waste per sota del 25%, essent una xifra sense precedents en la industria. Això ha suposat un estalvi de costos del 18.5% mentre que el rendiment del procés en la línia de producció també ha augmentat un 15%.

Mentrestant, la indústria està especialment interessada en predir de manera eficient el progrés del curat, procés que aplica a qualsevol peça de material compost, per reduir-ne els temps. La majoria dels mètodes de predicció existents poden ser precisos amb determinades històries tèrmiques concretes, però generalment es limiten al programa de temperatura aplicat, establint llavors una dependència temperatura-temps particular que condueix a la predefinició de funcions analítiques adaptades a una història tèrmica específica. Aquest procés d'adaptació dels mètodes al programa de temperatura objectiu requereix massa temps i recursos per part dels fabricants, requerint així mètodes de predicció més flexibles, àgils i senzills, tot mantenint una fiabilitat acceptable. En conseqüència, la segona part d'aquesta tesi se centra en investigar, aplicar i avaluar mètodes cinètics inexplorats amb la finalitat de àgilment predir el curat de compostos base epoxi sota històries tèrmiques arbitràries. S'han proposat dos mètodes específics basats en la cinètica isoconversional per predir el curs de la reacció per a programes de temperatura que disposen d'evolucions no lineals, com els dels cicles reals de curat de materials compostos. La validesa dels mètodes de predicció utilitzats per escurçar els cicles de curat en l'entorn industrial s'ha demostrat mitjançant una campanya de proves termomecàniques. Com a resultat, s’ha mostrat la viabilitat dels models cinètics per a reduir el temps de curat resultant en cicles escurçats en un 72%, tot mantenint les propietats d’alt rendiment del material. Els mètodes de predicció implicats no només permeten dissenyar cicles de curat maximitzant el grau del curat en el menor temps, sinó també reduir el flux de calor de la reacció exotèrmica. En aquesta tesi també s'han abordat les prediccions de sobreescalfament implementant mètodes tèrmics complementaris que consideren la transferència de calor en la seva formulació, per tant, essent capaços de predir efectes tèrmics negatius com el sobreescalfament durant el curat de material compostos