Development of a laser shock-based disassembly process for adhesively bonded composite aeronautical parts

Abstract

Novel aircraft engine fan blades utilize a multi-material structure composed of a 3D woven composite core partially covered by an adhesively bonded thin metallic layer. The end-of-life (EoL) management of such a configuration involves many challenges, with one of them being the disassembly of the bonded components. Numerous methodologies have been explored to address the debonding challenge, encompassing various physical and chemical phenomena. However, many of these methods have been proven less suitable in scenarios involving composite materials, especially when the preservation of the integrity of the materials is essential. Recent developments on the laser shock technique have revealed the potential of the method to be used for the disassembly of adhesively bonded CFRP and metallic parts. The laser shock technique involves the interaction between a high-power laser beam and a target material, initiating a plasma expansion process. The recoil momentum of the ablated material generates a high pulsed pressure, creating a shock wave that propagates within the material. This shock wave propagation induces localized high tensile stress, which can be used to effectively debond a bonded structure. Various laser configurations can be utilized to focus said tensile stress area to a location of interest, thus creating a versatile process. In this thesis, the laser shock technique is investigated as a disassembly method for adhesively bonded multi-material aeronautical structures. The process is specifically applied to a Foreign Object Damage (FOD) panel, which consists of a 3D woven composite core bonded by an adhesive film to a thin titanium protective layer. The FOD panel serves as a representative structure of a chord of a multi-material engine fan blade, acting as a demonstrator platform for the European research program "MORPHO" (H2020, 101006854), which provides much of the framework for this thesis. The study and utilization of the complex phenomena involved in the laser shock technique necessitate meticulous numerical simulation, which was conducted using the LS-Dyna explicit finite element code. The development of the numerical model can be split into two sections. Initially, a coupon-scale model of the multi-material assembly was designed, so that it can be validated utilizing experimental data. Subsequently, a strip of the FOD panel was modeled, in an attempt to upscale the process to a real component. Given the complexity of the composite substrate, further investigation into simulation techniques was deemed necessary. The composite in question is a 3D woven CFRP structure, prompting the initial design of a detailed finite element model using the TexGEN software. Given the intricacy of the structure, the software’s scripting capabilities were utilized for model design. Fiber bundles were simulated using an advanced composite material model capable of providing progressive damage indicators and simulating high strain rate phenomena described in the LS-Dyna manual as MAT_162. Material properties were obtained through a homogenization process employing the Chamis micro-mechanical formulations. The matrix of the 3D woven composite was simulated using an elastoplastic material model, with literature properties adjusted for the high strain rate of the laser shock process. The detailed model was subsequently compared to a homogenized one, simulated solely by the progressive damage composite model (MAT_162). The comparison of shockwave propagation revealed minimal difference between the two models. However, when comparing damage prediction, differences between the two simulation techniques became evident, with the detailed model proving more accurate in predicting small matrix cracking. Despite the slightly increased sensitivity to damage demonstrated by the detailed model, the homogenized model was deemed more suitable for simulating the process due to its enhanced efficiency. Material properties for the homogenized model were obtained by high strain rate characterization of the composite substrate. Specifically, coupons that were cut from a single sheet of the composite were tested using the split Hopkinson pressure bars (SHPB) apparatus. Both tension and punch shear tests in the weft and warp orientation were conducted. Notably, the increased strength of the material in the warp orientation exceeded the capabilities of the tension testing apparatus, thus providing only elastic material properties. The weft orientation specimens, as well as the punch shear experiments, were conducted successfully and were able to provide the required data. Additionally, laser shock experiments were conducted using a multi-material coupon that incorporates a 3D woven composite substrate bonded to a titanium layer. Experiments utilized two distinct configurations. Initially, a single-sided, single-pulse configuration was used, while a laser interferometer (VISAR) was used on the opposite face of the specimen, measuring the particle velocity. The process failed to generate the desired stress field for the debonding of the titanium layer but provided valuable back face velocity measurements. Subsequently, a symmetric configuration was employed, where two laser beams are directed through optics on each side of the specimen, with a time delay between them. This allows for a more precise stress field generation and was able to debond the titanium layer. After the extensive experimental campaign, the coupon was modeled and the laser shock process was simulated using the LS-Dyna explicit code. The model, like the coupon, includes the composite substrate that was modeled using MAT_162, bonded to a titanium protective layer that is modeled using the Johnson-Cook plasticity model in combination with the Grüneissen equation of state. Material properties derived from the literature were used for the titanium component, as it is a very well-studied material for high strain rate applications. The bondline between the two components utilizes the cohesive zone method (CZM). Experimental back face velocity measurements were used to validate the numerical model in terms of shock wave propagation, while the properties for the CZM were obtained by comparing the predicted damaged area of the model to microscope photographs of the symmetric experiments that managed to debond the assembly. The laser shock disassembly process necessitates multiple consecutive shots. The simulation of this process is carried out by developing an automated Python script for sequential simulations. Initially, a preliminary study compared this approach to a traditional methodology that uses a single simulation for a small number of consecutive shots. The results were identical, and the multi-step process was deemed more practical. To implement this, a traditional LS-Dyna simulation is conducted, and the results are used as input for the subsequent simulation. All necessary loadings were described parametrically to enable external control via a Python script. This script uses an LS-Dyna keyword manipulation library to adjust the parameters of each consecutive analysis. Loading inputs can be provided in various ways depending on the problem’s complexity, with the most versatile method being the input of a CSV file containing shot locations and other useful information, such as the delay for a symmetric shot. After establishing the methodology with a validated numerical model, it is possible to upscale the process for the disassembly of a strip of the FOD panel. To achieve this, a preliminary simulation examined the effect of surface inclination, concluding that the process is only affected at extreme inclinations, which is not the case for the FOD panel. The model was derived from a CAD file provided by partners of the "MORPHO" project. Material models were identical to those in the coupon-scale model and are thus considered validated. The process employs a single-sided double-beam configuration with a time delay, where two laser beams irradiate the same spot on the component with a time delay between them. This configuration allows control of the stress field, similar to the symmetric configuration, with the added advantage of only targeting one surface of the component. The simulation procedure comprises two stages: the process definition and the disassembly process simulation. Initially, process definition simulations were conducted to determine the delay times necessary for debonding the top and bottom interfaces of the panel. These simulations provided a delay time for debonding the top interface between the Ti/CFRP and a second-order polynomial equation to calculate the delay time for debonding the bottom interface of the Ti/CFRP assembly based on the laser spot location. The second stage involves process simulation for the full disassembly of the strip of the FOD panel. This simulation uses the automated Python script to conduct 29 consecutive simulations at 14 predefined spot locations, resulting in the complete separation of the titanium edge. The damage state of the CFRP was inspected via the history variables provided by MAT_162. As expected, the composite developed matrix cracking in different areas but notably no fiber damage. This conclusion is useful for EoL assessment, as the component can be recycled, providing high-value recycled carbon fibers.

Τα νέα πτερύγια κινητήρων αεροσκαφών χρησιμοποιούν μια δομή πολλαπλών υλικών που αποτελείται από έναν πυρήνα τρισδιάστατου υφαντού συνθέτου υλικού που καλύπτεται εν μέρει από ένα συγκολλημένο λεπτό μεταλλικό στρώμα. Η διαχείριση του τέλους του κύκλου ζωής μιας τέτοιας διάταξης περιλαμβάνει πολλές προκλήσεις, με μία από τις οποίες να είναι η αποσυναρμολόγηση των συγκολλημένων εξαρτημάτων. Πολυάριθμες μεθοδολογίες έχουν διερευνηθεί για την αντιμετώπιση της πρόκλησης της αποκόλλησης, που περιλαμβάνει ποικίλα φυσικοχημικά φαινόμενα. Ωστόσο, πολλές από αυτές τις μεθόδους έχουν αποδειχθεί μη κατάλληλες σε σενάρια που αφορούν σύνθετα υλικά, ιδίως όταν η διατήρηση της δομικής ακεραιότητας των υλικών είναι απαραίτητη. Πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνική του κρουστικού κύματος προερχόμενου από λέιζερ ανέδειξαν τις δυνατότητες της μεθόδου να χρησιμοποιηθεί για την αποσυναρμολόγηση συγκολλημένων συνθέτων και μεταλλικών εξαρτημάτων. Η τεχνική παραγωγής κρουστικού κύματος με λέιζερ βασίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ μιας δέσμης λέιζερ και ένα στερεό σώμα. Συγκεκριμένα όταν μια δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος εστιάζεται στην επιφάνεια ενός στερεού σώματος (που συχνά μπορεί να αποτελείται από μια θυσιαζόμενη επικάλυψη) δημιουργείται πλάσμα, μέσω της επιφανειακής αφαίρεσης υλικού, που διογκώνεται με υψηλή ταχύτητα και ασκεί πίεση στην επιφάνεια του υλικού. Η διόγκωση του πλάσματος δύναται να περιοριστεί από ένα διηλεκτρικό υλικό, διάφανο ως προς τη δέσμη του λέιζερ (π.χ. νερό), με σκοπό να αυξήσει σημαντικά την ασκούμενη πίεση. Η απότομη αύξηση της πίεσης δημιουργεί ένα θλιπτικό κρουστικό κύμα που διαδίδεται στο εσωτερικό του υλικού, σύμφωνα με τις μηχανικές του ιδιότητες, και ανακλάται στην αντίθετη επιφάνεια ως ένα εφελκυστικό κύμα, γνωστό στη βιβλιογραφία και ως κύμα απελευθέρωσης. Η συμβολή των δύο κυμάτων απελευθέρωσης προκαλεί τοπικά υψηλές εφελκυστικές τάσεις. Η τοποθεσία της συμβολής αυτών των κυμάτων είναι δύσκολο να ελεγχθεί, καθώς εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του υλικού και του παλμού του λέιζερ. Για αυτόν τον λόγο, είναι απαραίτητη η χρήση διαφορετικών διατάξεων, όπως αυτή του συμμετρικού ή του διπλού παλμού λέιζερ. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζεται η χρήση της τεχνικής κρούσης με λέιζερ ως μέθοδος αποσυναρμολόγησης για αεροναυπηγικές κατασκευές αποτελούμενες από πολλαπλά υλικά συνδεδεμένα με κόλλα. Η διαδικασία εφαρμόζεται σε ένα πάνελ βλάβης από ξένο αντικείμενο (Foreign Object Damage - FOD), το οποίο αποτελείται από έναν πυρήνα τρισδιάστατου υφαντού σύνθετου υλικού, συνδεδεμένου με συγκολλητική ταινία σε ένα λεπτό προστατευτικό στρώμα τιτανίου. Αυτό το πάνελ χρησιμεύει ως αντιπροσωπευτικό δείγμα μιας χορδής πτερυγίου ανεμιστήρα κινητήρα από πολλαπλά υλικά και λειτουργεί ως επιδεικτικό στοιχείο για το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα «MORPHO» (H2020, 101006854), το οποίο αποτελεί τη βάση για μεγάλο μέρος της παρούσας διατριβής. Η μελέτη και αξιοποίηση των πολύπλοκων φαινομένων που εμπλέκονται στην τεχνική κρούσης με λέιζερ απαιτούν σχολαστική αριθμητική προσομοίωση, η οποία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του κώδικα ρητών πεπερασμένων στοιχείων LSDyna. Η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου χωρίστηκε σε δύο τμήματα. Πρώτα, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο σε κλίμακα δοκιμίου του συγκροτήματος πολλαπλών υλικών, το οποίο επικυρώθηκε με πειραματικά δεδομένα. Στη συνέχεια, μοντελοποιήθηκε μια λωρίδα του πάνελ FOD, με στόχο την εφαρμογή της διαδικασίας σε ένα πραγματικό εξάρτημα. Δεδομένης της πολυπλοκότητας του σύνθετου υποστρώματος, κρίθηκε απαραίτητη η περαιτέρω διερεύνηση τεχνικών προσομοίωσης. Το σύνθετο υλικό που εξετάστηκε είναι μια τρισδιάστατη υφαντή δομή CFRP , γεγονός που οδήγησε στον αρχικό σχεδιασμό ενός λεπτομερούς μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων με τη χρήση του λογισμικού TexGEN. Η πολυπλοκότητα της δομής απαιτεί τη χρήση του προγραμματιστικού πακέτου του λογισμικού για τον σχεδιασμό του μοντέλου. Οι δέσμες ινών προσομοιώθηκαν με ένα προηγμένο μοντέλο σύνθετου υλικού, ικανό να παρέχει ενδείξεις προοδευτικής βλάβης και να προσομοιώνει φαινόμενα υψηλού ρυθμού παραμόρφωσης, γνωστό στο εγχειρίδιο του LS-Dyna ως MAT_162. Οι ιδιότητες του υλικού αποκτήθηκαν μέσω μιας διαδικασίας ομογενοποίησης χρησιμοποιώντας τις μικρομηχανικές εξισώσεις του Chamis. Η μήτρα του τρισδιάστατου υφαντού σύνθετου υλικού προσομοιώθηκε με ένα ελαστοπλαστικό μοντέλο, με ιδιότητες προσαρμοσμένες για τον υψηλό ρυθμό παραμόρφωσης της διαδικασίας κρούσης με λέιζερ. Το λεπτομερές μοντέλο συγκρίθηκε στη συνέχεια με ένα ομογενοποιημένο μοντέλο, το οποίο προσομοιώθηκε αποκλειστικά με το μοντέλο σύνθετου υλικού προοδευτικής βλάβης (MAT_162). Η σύγκριση της διάδοσης του κρουστικού κύματος αποκάλυψε ελάχιστες διαφορές μεταξύ των δύο μοντέλων. Ωστόσο, κατά τη σύγκριση της πρόβλεψης βλάβης, οι διαφορές ήταν πιο εμφανείς, με το λεπτομερές μοντέλο να αποδεικνύεται ακριβέστερο στην πρόβλεψη της ρηγμάτωση της μήτρας. Παρά την ελαφρώς αυξημένη ευαισθησία στη βλάβη που επέδειξε το λεπτομερές μοντέλο, το ομογενοποιημένο μοντέλο κρίθηκε καταλληλότερο για την προσομοίωση της διαδικασίας λόγω της αυξημένης αποδοτικότητας του. Οι ιδιότητες των υλικών για το ομογενοποιημένο μοντέλο προσδιορίστηκαν μέσω χαρακτηρισμού του σύνθετου υλικού σε υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης. Συγκεκριμένα, δοκίμια που κόπηκαν από ένα φύλλο του σύνθετου υλικού χαρακτηρίστηκαν σε υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB). Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εφελκυσμού τόσο στη διεύθυνση "warp" όσο και στη διεύθυνση "weft" του υλικού. Η αυξημένη αντοχή του υλικού στη διεύθυνση "warp" ξεπέρασε τις δυνατότητες της συσκευής δοκιμών εφελκυσμού, παρέχοντας έτσι μόνο τις ελαστικές ιδιότητες του υλικού. Αντίθετα, οι δοκιμές στη διεύθυνση "weft" καθώς και οι δοκιμές διάτμησης διεξήχθησαν επιτυχώς και απέδωσαν πλήρως τις αντίστοιχες καμπύλες αντοχής του υλικού. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν πειράματα κρούσης με λέιζερ χρησιμοποιώντας ένα δοκίμιο πολλαπλών υλικών. Τα πειράματα χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές διατάξεις. Αρχικά, εφαρμόστηκε μια μονόπλευρη, μονού παλμού διάταξη, ενώ ένα συμβολόμετρο λέιζερ (VISAR) χρησιμοποιήθηκε στην αντίθετη πλευρά του δοκιμίου, μετρώντας την ταχύτητα των σωματιδίων. Παρά τη χρήση του συμβολόμετρου, η διαμόρφωση απέτυχε να δημιουργήσει το επιθυμητό πεδίο τάσεων για την αποκόλληση του στρώματος τιτανίου, αλλά παρείχε πολύτιμες μετρήσεις της ταχύτητας της αντίθετης επιφάνειας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε μια συμμετρική διάταξη, όπου δύο δέσμες λέιζερ κατευθύνονται μέσω οπτικών διατάξεων σε κάθε πλευρά του δοκιμίου, με χρονική καθυστέρηση μεταξύ τους. Αυτό επέτρεψε τη δημιουργία ενός πιο ακριβούς πεδίου τάσεων και ήταν σε θέση να αποκολλήσει το στρώμα τιτανίου. Μετά από εκτεταμένη πειραματική έρευνα, το δοκίμιο μοντελοποιήθηκε και η διαδικασία κρούσης με λέιζερ προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας τον κώδικα LS-Dyna. Το μοντέλο, όπως και το δοκίμιο, περιλαμβάνει το σύνθετο υπόστρωμα που μοντελοποιήθηκε με τη χρήση του MAT_162 συνδεδεμένο με το προστατευτικό στρώμα τιτανίου που προσομοιώνεται με τη χρήση του μοντέλου πλαστικότητας Johnson Cook σε συνδυασμό με την καταστατική εξίσωση Grüneissen. Για το τμήμα τιτανίου χρησιμοποιήθηκαν ιδιότητες υλικού που προέκυψαν από τη βιβλιογραφία, καθώς πρόκειται για ένα εκτενώς μελετημένο υλικό για εφαρμογές υψηλών ρυθμών παραμόρφωσης. Για τη σύνδεση μεταξύ των δύο τμημάτων του δοκιμίου χρησιμοποιείται η μέθοδος της ζώνης συνοχής (Cohesive zone method-CZM). Πειραματικές μετρήσεις ταχύτητας της αντίθετης όψης χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση του αριθμητικού μοντέλου όσον αφορά τη διάδοση των κρουστικών κυμάτων, ενώ οι ιδιότητες για τη ζώνη συνοχής προέκυψαν από τη σύγκριση της προβλεπόμενης περιοχής βλάβης του μοντέλου με φωτογραφίες μικροσκοπίου από τα συμμετρικά πειράματα που κατάφεραν να αποκολλήσουν το εξάρτημα. Η διαδικασία αποσυναρμολόγησης με λέιζερ απαιτεί πολλαπλά διαδοχικά χτυπήματα. Η προσομοίωση αυτής της διαδικασίας πραγματοποιείται με την ανάπτυξη ενός αυτοματοποιημένου προγράμματος χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού Python για διαδοχικές προσομοιώσεις. Αρχικά, μια προκαταρκτική μελέτη συνέκρινε αυτή την προσέγγιση με μια παραδοσιακή μεθοδολογία που χρησιμοποιεί μια ενιαία προσομοίωση για μικρό αριθμό διαδοχικών χτυπημάτων. Τα αποτελέσματα ήταν πανομοιότυπα και η διαδικασία πολλαπλών βημάτων κρίθηκε πιο πρακτική. Για την εφαρμογή της, διεξάγεται μια παραδοσιακή προσομοίωση LS-Dyna και τα αποτελέσματα της χρησιμοποιούνται, στη συνέχεια, ως αρχική κατάσταση για την επόμενη προσομοίωση. ΄Ολες οι απαραίτητες φορτίσεις περιεγράφηκαν παραμετρικά, ώστε να είναι δυνατός ο εξωτερικός έλεγχος μέσω του προγράμματος που αναπτύχθηκε σε Python. Το εν λόγω σενάριο χρησιμοποιεί μια βιβλιοθήκη χειρισμού αρχείων LS-Dyna (keyword files) για την τροποποίηση των παραμέτρων κάθε διαδοχικής ανάλυσης. Οι είσοδοι φορτίσεων μπορούν να παρέχονται με διάφορους τρόπους ανάλογα με την πολυπλοκότητα του προβλήματος, με την πιο ευέλικτη μέθοδο να είναι η εισαγωγή ενός αρχείου CSV που περιέχει τις θέσεις των χτυπημάτων και άλλες χρήσιμες πληροφορίες, όπως η χρονική καθυστέρηση για ένα συμμετρικό χτύπημα. Μετά την καθιέρωση της μεθοδολογίας με ένα επικυρωμένο αριθμητικό μοντέλο, είναι δυνατή η επέκταση της διαδικασίας για την αποσυναρμολόγηση μιας λωρίδας του FOD πάνελ. Για να επιτευχθεί αυτό, μια προκαταρκτική προσομοίωση εξέτασε την επίδραση της κλίσης της επιφάνειας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η διαδικασία επηρεάζεται μόνο σε ακραίες κλίσεις, κάτι που δεν ισχύει για το πάνελ FOD. Το μοντέλο προέκυψε από ένα αρχείο CAD που παρείχαν οι συνεργάτες του έργου "MORPHO". Τα μοντέλα των υλικών ήταν πανομοιότυπα με εκείνα του μοντέλου σε κλίμακα δοκιμίου και ως εκ τούτου θεωρούνται επικυρωμένα. Η διαδικασία χρησιμοποιεί μια διάταξη διπλής δέσμης μονής όψης με χρονική καθυστέρηση, όπου δύο δέσμες λέιζερ ακτινοβολούν το ίδιο σημείο του εξαρτήματος με χρονική καθυστέρηση μεταξύ τους. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει τον έλεγχο του πεδίου τάσεων, παρόμοια με τη συμμετρική διάταξη, με το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι στοχεύει μόνο τη μία επιφάνεια του εξαρτήματος. Η διαδικασία προσομοίωσης περιλαμβάνει δύο στάδια, τον ορισμό της διαδικασίας και την προσομοίωση της διαδικασίας αποσυναρμολόγησης. Το πρώτο στάδιο περιλάμβανε προσομοιώσεις για τον ορισμό της διαδικασίας, με στόχο τον προσδιορισμό των χρόνων καθυστέρησης που παιτούνται για την αποκόλληση των άνω και κάτω διεπιφανειών του πάνελ. Αυτές οι προσομοιώσεις παρείχαν έναν χρόνο καθυστέρησης για την αποκόλληση της άνω διεπιφάνειας μεταξύ του Ti/CFRP, καθώς και μια δευτεροβάθμια πολυωνυμική εξίσωση για τον υπολογισμό του χρόνου καθυστέρησης για την αποκόλληση της κάτω διεπιφάνειας της σύνδεσης Ti/CFRP με βάση τη θέση του σημείου λέιζερ. Στο δεύτερο στάδιο, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διαδικασίας για την πλήρη αποσυναρμολόγηση της λωρίδας του πάνελ FOD. Αυτή η προσομοίωση χρησιμοποίησε το αυτοματοποιημένο πρόγραμμα Python για τη διεξαγωγή 29 διαδοχικών προσομοιώσεων χτυπημάτων λέιζερ σε 14 προκαθορισμένες θέσεις, με αποτέλεσμα την πλήρη αποκόλληση της ακμής τιτανίου. Η κατάσταση βλάβης του σύνθετου υλικού επιθεωρήθηκε μέσω των μεταβλητών ιστορικού που παρέχονται από το MAT_162. ΄Οπως αναμενόταν, το σύνθετο υλικό ανέπτυξε ρηγμάτωση στη μήτρα σε διάφορες περιοχές, ενώ αντιθέτως δεν παρουσιάστηκε βλάβη των ινών. Το συμπέρασμα αυτό είναι χρήσιμο για την αξιολόγηση του τέλους χρόνου λειτουργίας, καθώς το εξάρτημα μπορεί να ανακυκλωθεί, παρέχοντας υψηλής αξίας ανακυκλωμένες ίνες άνθρακα.