Induction welding of 3D-printed core to composite facesheets with new electromagnetic susceptor

Martin, Romain Georges (2024). Induction welding of 3D-printed core to composite facesheets with new electromagnetic susceptor. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The survival of a rover on the Moon depends on various factors, especially its ability to resist the cold lunar night, during which the surface temperature drops to -200°C for 14 days. To ensure a sufficient temperature inside the rover, it must be made of a structure offering high thermal insulation. For that purpose, the PEEKbot project proposes to use thermoplastic composites sandwich panels, which provides high structural integrity and the required thermal properties. These suggested structures are composed of a 3D-printed honeycomb core and two high-performance thermoplastic composite facesheets, which are assembled using thermoplastic welding techniques.

In the present work, induction welding is selected. This method relies on the application of a magnetic field to generate directly at the joining interface thanks to a susceptor material. Magnetic susceptors, in which heat is dissipated by hysteresis losses, are selected for the assembly of the sandwich panels. They are made of dispersed ferromagnetic particles in a thermoplastic polymer. The first step is to determine the crucial properties of the material and define a material selection methodology to select ferromagnetic particles based on the thermoplastic polymer and the available induction welding setup. Then, using the proposed methodology, Nickel particles are selected to prepare susceptor with poly-ether-ether-imide, a high-performance thermoplastic polymer. Characterization of the susceptors shows their satisfying heating properties and confirms that they can be used for induction welding.

The induction welding experimental setup is then adapted to the assembly of sandwich panels. The addition of a vacuum bag in which the sample is placed allows for the application of a constant and homogeneous pressure throughout the process. Samples are welded with this updated method, using the previously developed magnetic susceptor films. The welds conducted with optimal process parameters exhibit a skin/core strength larger than the tensile strength of the 3D-printed core. Then, susceptor films are replaced with a layer of susceptor directly printed on the honeycomb core, localizing the heat dissipation on the top of the cell walls. A complete characterization, from the 3D-printing filament of susceptor to the sandwich panels welded using this material concludes that this induction welding method is feasible, which is promising for future applications.

Finally, the vacuum induction welding method is transferred to the assembly of sandwich panels made of carbon fibres reinforced sandwich facesheets, which do not require the use of a susceptor as heat can be generated directly in the material. Modelling of the induction heating of the laminates is confirmed by experimental measurements, and sandwich panels are welded by induction. Once again, maximum skin/core strength is higher than the 3Dprinted core strength, which confirms that the vacuum induction welding method works correctly, and that it can be adapted to different materials and heating mechanisms.

Titre traduit

Soudage par induction d’un coeur imprimé en 3D à des peaux en composites à l’aide d’un suscepteur électro-magnétique innovant

Résumé traduit

La survie d’un astromobile – ou rover – sur la Lune dépend de nombreux facteurs, en particulier de sa capacité à résister à la froide nuit lunaire, durant laquelle la température chute à -200°C pendant 14 jours. Afin de garantir une température suffisante à l’intérieure du rover, ce dernier doit être composé d’une structure offrant une grande isolation thermique. Pour cela, le projet PEEKbot propose d’utiliser des panneaux sandwich à base de matériaux composites thermoplastiques qui offrent une grande intégrité structurelle ainsi que les propriétés thermiques recherchées. Les structures suggérées sont composées de coeurs en nid d’abeilles produits par impression 3D et de deux peaux en composites thermoplastiques haute performance, assemblés par soudage thermoplastique.

Dans le présent projet, le soudage par induction est choisi, lequel utilise l’application d’un champ magnétique pour générer de la chaleur directement à l’interface de soudage grâce à un suscepteur. Les suscepteurs magnétiques, dans lesquels la dissipation de chaleur se produit grâce au phénomène des pertes par hystérèse, sont sélectionnés pour l’assemblage des panneaux sandwich. Ils sont composés des particules ferromagnétiques dispersées dans un polymère thermoplastique. La première étape consiste à déterminer les propriétés essentielles du matériau et établir une méthodologie de sélection des particules ferromagnétiques en fonction du polymère choisi et du dispositif de soudage par induction utilisé. Ensuite, grâce à cette méthodologie, les particules de Nickel sont choisies pour fabriquer des suscepteurs à base de poly-ether-ether-imide, un thermoplastique haute-performance. La caractérisation des ces suscepteurs révèle leurs bonnes propriétés de chauffe et confirme qu’ils peuvent être utilisé pour le soudage par induction.

Le montage expérimental de soudage par induction est adapté aux panneaux sandwich, et l’ajout d’un sac sous vide dans lequel sont placés les échantillons permet une application constante et uniforme de la pression durant le procédé. Grâce à cela, des échantillons sont ensuite assemblés par soudage par induction à l’aide de films de suscepteurs magnétiques précédemment développés. Les soudures réalisées avec les paramètres de procédé optimaux révèlent une résistance supérieure à celle du coeur imprimé en 3D. Par la suite, les films de suscepteur sont remplacés par une couche de suscepteur imprimé en 3D directement sur le coeur en nid d’abeilles, localisant ainsi la chauffe. Une caractérisation complète, du filament de suscepteur jusqu’au panneaux sandwich soudés à l’aide de ce matériau conclut que cette méthode de soudage fonctionne, ce qui est prometteur pour de futures utilisations.

Finalement, la méthode d’assemblage par induction sous vide est transférée à des panneaux sandwich à peaux en fibres de carbones, pour lesquels l’utilisation d’une suscepteur n’est pas nécessaire. La modélisation de la chauffe par induction des laminés est confirmée par des mesures expérimentale, et des panneaux sandwich sont soudés par induction. Une nouvelle fois, la résistance maximale des soudures se révèle supérieure à celle du coeur imprimé, confirmant le bon fonctionnement de la méthode de soudage par induction sous vide et sa capacité à être adaptée à différents matériaux et mécanismes de chauffe.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 217-246).
Mots-clés libres:	composites thermoplastiques, soudage par induction, structures sandwich
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Tavares, Jason Robert Johansson, Christer
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	06 janv. 2025 14:11
Dernière modification:	06 janv. 2025 14:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3524

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