Development of cost estimating tool for thermoplastic composite aerospace parts manufactured by compression moulding process

El Wazziki, Mohamed (2016). Development of cost estimating tool for thermoplastic composite aerospace parts manufactured by compression moulding process. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In order to exploit more benefits of the advanced composites materials in different industrial sectors especially aerospace industry and to ensure competitiveness and economic viability, it is important to integrate cost estimation into the design process, right at the start of product development. However, the cost models for estimating composite material parts are almost nonexistent. A multidisciplinary research team comprised of many universities was formed to carry out a project aimed at developing compression moulded processes for thermoplastic composites used to produce structural aerospace parts made by two different compression moulding processes. The first one aimed to make three categories of parts from discontinuous prepreg randomly oriented strands (ROS) whereas the second produces a concave part from unidirectional continuous fibre prepeg sheet (UD).

The objective of this thesis was to develop a parametric cost estimation model based on physical laws. From academic and industrial data, different cost equations were integrated in Microsoft Excel spreadsheet for calculating costs elements such as material, labor, energy, tooling, machinery, building costs, and costs of working capital, overheads and then the total cost per part. This research study focuses, on one hand, at estimating the heating energy and the tooling costs for experimental and virtual parts by changing the volume and keeping the same process cycle times. The heating power was determined by simulating numerically the process thermal diagram using finite elements COMSOL software and validated by experimental data. On the other hand, the study aims also at estimating the tooling costs by DFMA software for experimental and virtual moulds by changing the projected area. Then, the heating energy and tooling costs sizing scaling laws were established under linear equations forms limited to the size of platens areas. These linear equations were imputed in Excel program in order to calculate the cost of new parts which have not been made.

For ROS parts, it was found that the calculated heating energy costs of the three experimental part forms were different due to different geometries of the heating platens and the moulds used. However, for tooling, the estimated costs were close to the real costs. It was concluded the more complex the mould is the higher the cost. It was also demonstrated that the manufacturing cost of a L-bracket part was higher than that of a flat plate and one T-shape part due to higher process cycle time.

For UD parts, the calculated heating energy costs for different part forms do not depend on the volume of the part. For tooling, there was no significant difference between the total estimated costs and the commercial costs for concave mould. It was also found that there was no significant difference between the parts manufacturing costs.

From comparisons results between composite thermoplastic parts costs manufactured by compression moulding process and those in composite thermoset manufactured by autoclave
process, it was concluded that the compression moulding process is more economic with respect to autoclave process due to long cure cycle and autoclave investment costs.

Titre traduit

Développement d'un outil d'estimation de coût pour des pièces aérospatiales en composites thermoplastiques fabriquées au moyen de procédé de moulage par compression

Résumé traduit

Afin d’exploiter d’avantage les matériaux composites avancés dans différents secteurs industriels en particulier l’industrie aérospatial tout en assurant la compétitivité et la viabilité économique, il est important d’intégrer l’estimation des coûts dans le processus de conception dès le début de développement du produit. Cependant, les modèles d’estimation de coûts des pièces en matériaux composites thermoplastiques sont presque inexistants. Une équipe de recherche multidisciplinaire composée de nombreuses universités a été formé pour réaliser un projet industriel visant à développer des procédés de moulage par compression des pièces structurales aérospatiales en matériaux composites à matrice thermoplastique fabriquées par deux différents procédés de moulage par compression. Le premier vise à fabriquer trois sortes de pièces avec des imprégnés de fibres discontinus d’orientations aléatoires (ROS), tandis que le deuxième produit une pièce concave faite à partir des feuilles imprégnés des fibres continus unidirectionnels(UD).

L’objectif de cette thèse est de développer un modèle paramétrique d’estimation des coûts manufacturiers des pièces basé sur les lois physiques de procédé. À partir des données académiques et industrielles, différentes équations de coûts ont été intégrées dans le tableur Microsoft Excel pour calculer les éléments de coûts tels que les coûts de matériaux, les coûts de main d’œuvre, les coûts d’outillage, les coûts d’équipements, les coûts immobiliers, les coûts de fond de roulement et les frais généraux, puis calculer le coût total par pièce. Cette étude de recherche se concentre d’une part, sur l’estimation des coûts d’énergie de chauffage pour des pièces expérimentales et virtuelles en changeant le volume tout en considérant le même temps du cycle des procédés. La puissance thermique a été déterminée en simulant numériquement le diagramme thermique du procédé par le logiciel d’éléments finis COMSOL et validés avec les données expérimentales. D’autre part, l’étude vise également l’estimation des coûts d’outillage par le logiciel DFMA pour des moules expérimentales et virtuelles en changeant la surface projetée. Ensuite, les lois de dimensionnement d’échelle en termes de coûts d’énergie et d’outillage ont été établies sous forme d’équations linéaires limitées par la superficie des plateaux chauffants. Ces équations linéaires ont été intégrées dans le tableur Microsoft Excel pour calculer les coûts des nouvelles pièces qui n’ont pas été fabriquées.

En ce qui concerne les pièces en ROS, il a été trouvé que les coûts d’énergie de chauffage calculés pour les trois formes de pièces sont différents en raison des différents plateaux chauffantes et différents moules utilisés. Par contre pour l’outillage, les coûts estimés ont été comparables aux coûts réels. En général, plus le moule est complexe plus son coût est élevé. Il a été également démontré que le coût de fabrication par pièce en forme L est plus élevé que celui d’une plaque plane et d’une pièce en forme T en raison du cycle de procédé qui est un inducteur de coût élevé.

Quant aux pièces en UD, les coûts d’énergie de chauffage calculés pour des pièces à différents tailles ont été indépendants des volumes des pièces correspondants. Pour l’outillage, il n’y a pas de différence significative entre le coût estimé et celui commercial du moule concave. Il été trouvé aussi qu’il n’y a pas de différence significative entre les coûts de fabrication des pièces.

D’après les résultats de comparaison entre les coûts des pièces en composites thermoplastiques fabriquées par le procédé de moulage par compression et celles en composites thermodurcissables fabriquées par le procédé autoclave, il a été conclu que le procédé de moulage par compression est plus économique par rapport au procédé autoclave en raison de long cycle de cuisson et des coûts d’investissement autoclave.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 301-306).
Mots-clés libres:	moulage par compression, estimation de coût, conception pour la fabrication et l’assemblage, temps de cycle de procédé, lamelles d’orientations aléatoires
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ngô, Anh Dung
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 mai 2018 13:37
Dernière modification:	15 janv. 2021 20:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1687

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