DemAComp — Filament wound composite products for demanding applications

Prosjektet "DemAComp ?Filamentviklede komposittprodukter for krevende anvendelser"; er et innovasjonsprosjekt der to av de viktigste norske bedriftene som lager produkter i det som kalles filamentviklet plastkompositt deltar; Hexagon Ragasco og Nammo. SINTEF Industri og SINTEF Manufacturing bidrar med FoU-aktivitet nødvendig for å realisere prosjektets målsetting. Hovedmålsettingen er å utvikle nye lettvektsprodukter i plastkompositt for (i) bærbare trykktanker for lagring av ulike miljøvennlige gasser som hydrogen, kjølegasser, CO2 og ulike sveisegasser og (ii) struktur i kompositt til hybride rakettmotorer for sivile anvendelser som sonder og satellitter samt en tennsats for bruk i boostermotorer til neste generasjon Vega og Ariane 6 bæreraketter. I bruk vil både produktene og materialene bli utsatt for svært tøffe og krevende påkjenninger. Noen av driverne bak utviklingen av disse produktene er det sterke miljøfokuset på å redusere utslipp av drivhusgasser i alle sektorer: (i) ved overgang til miljøvennlige gasser og beholdere for disse som krever lite energi i produksjon og (ii) plastkompositt brukt i strukturer for fremdriftssystemer til bæreraketter vil reduserer vekt og er derfor et bidrag i utviklingen av mere miljøvennlige fremdriftssystemer for sivil romfart. For å realisere prosjektets mål trengs FoU-aktivitet for å kunne designe, produsere, kvalifisere og verifisere nye innovative viklede komposittprodukter for bruk i disse anvendelsesområdene. Forskningsaktiviteten fokuserer i hovedsak på tre områder: (i) forbedrede produksjonsprosesser og materialløsninger, (ii) avanserte numeriske verktøy til hjelp i produktutvikling og (iii) støtte for produkt-verifikasjon og dokumentasjon I starten av prosjektet har vi hatt fokus på utfordringer knytet til optimering av material og produksjonsprosessen (vikleprosessen). Blant annet har vi studert hvordan dette påvirker restspenninger i kompositten. En reduksjon av disse spenningene vil kunne forbedre komposittlaminatets ytelse mot slag. Vi har også jobbet med å utvikle avanserte numeriske verktøy til hjelp i produktutviklingen. Dette verktøyet vil inkludere materialbeskrivelse for håndtering av restspenninger og skadeutvikling. I tillegg til å være et verktøy i produktutviklingen, så vil en slik numerisk modell være nyttig for produkt-verifikasjon og dokumentasjon. Det har blitt tatt frem metode som nyttiggjør en parametrisert modell for raskere fremstilling av analysemodell for effektivisering av produktutviklingsprosessen. Vi har også jobbet med designregler for boltede komposittstrukturer og andre geometriske spenningskonsentrasjoner. I arbeidet med å utvikle prototypen for nye komposittstruturter til rakettmotorer, så går det numeriske modelleringen hånd-i-hånde med avanserte mekaniske materialtester for å skaffe tilveie nødvendige materialdata. Demonstrator basert på nye kompositt løsninger har blitt testfyrt med gode resultater. Kompositt brukt i strukturer for fremdriftssystemer til bæreraketter basert på hydrogenperoksid teknologi, som vil reduserer vekt og utslipp sammenlignet med faststoff raketter i metall. Beholdere for oppbevaring av gasser under høyt trykk trenger et innvendig lag, en såkalte liner, for å hindre gasslekkasje. Vi har hatt stort fokus på materialvalg til lineren. Vi har gjennomført et stort testprogram for å studere kompatibilitet mellom materialer og en rekke relevante gasser, bl.a. effekten på mekaniske egenskaper, samt permeabiliteten til disse gassene gjennom materialene.

Oppbygging av material-, modellering- og simulerings kompetanse for avanserte viklede kompositt produkter i instituttsektoren og ute i industrien er forventet å ha vesentlig betydning for enkelte andre etablerte virksomheter i tillegg til fremtidige nyetableringer. Kunnskap og erfaring rundt kompatibilitet av plast/kompositt mot ulike gasser er også forventet å ha stor interesse innen flere ulike bransjer i Norge, både i dag og i fremtiden.

DemAComp project is an industrial innovation project involving the main Norwegian players in the field of filament wound composite structures: Hexagon Ragasco and Nammo. The industrial innovation will be directly supported by specific R&D activity provided by SINTEF Industry and SINTEF Raufoss Manufacturing. The project goal is to design and develop optimized production processes, as well as numerical and analytical methodologies, required for the production, qualification and verification of innovative filament wound composite structures for future and more demanding application areas. Different R&D activities will be performed focusing mainly on three areas: (i) Improvements in production processes and related materials, (ii) advanced numerical product development tools and (iii) Verification and documentation support. The innovations listed are motivated by the ambition to develop completely new products in light weight composite materials for (i) portable gas pressure vessels for storage of different environmental friendly gases, such as hydro-gen, refrigerant gases, CO2 or various industry gases, and (ii) composite structures for rocket motors for civilian applications, such as a carbon composite motor case for sounding rockets or satellite launchers and the structure for the P120C Solid Rocket Motor Igniter to be used in booster rocket motors in the next generation of Vega and Ariane 6 space launch vehicles. As a spin-off, these innovations will also be used for improvement of current products and production processes as well as for the development of the next generation of existing products. The main driving force behind developing these new products is the strong environmental focus on reducing greenhouse gas emissions in all sectors: (i) by a transition to environmentally friendly gases and containers for these with redused energy consumtion in production and (ii) composite structure which leads to reduced weight in propulsion systems is one contribution in developing green propulsion systems for space launch vehicles.