Formning av honeycomb-skiva till hemisfäroid - med fokus på formningsmetoder
(2021) MMTM01 20211Production and Materials Engineering
- Abstract
- This Master thesis is about forming a hemispheroid out of a flat honeycomb while retaining the honeycomb structure through an even spread of deformation.
The honeycomb structure is a hexagonal structure which can be made out of hexagons, circles or triangles. In cartography the surface of the earth, a spheroid, must be distorted or cut up in order to create a flat map. In the same way forming of a flat honeycomb will always cause distortion/deformation of the original honeycomb structure and thicker honeycombs even more so.
The use of the honeycomb structure is widespread in society from light weight airplane structures to the inside of IKEA furniture. Three main reasons for the honeycomb structure’s wide spread prevalence is:
1.... (More) - This Master thesis is about forming a hemispheroid out of a flat honeycomb while retaining the honeycomb structure through an even spread of deformation.
The honeycomb structure is a hexagonal structure which can be made out of hexagons, circles or triangles. In cartography the surface of the earth, a spheroid, must be distorted or cut up in order to create a flat map. In the same way forming of a flat honeycomb will always cause distortion/deformation of the original honeycomb structure and thicker honeycombs even more so.
The use of the honeycomb structure is widespread in society from light weight airplane structures to the inside of IKEA furniture. Three main reasons for the honeycomb structure’s wide spread prevalence is:
1. The honeycomb structure (made with hexagons) is the most efficient way to enclose a flat area with the least amount of circumference.
2. The honeycomb’s high stiffness to weight ratio.
3. The honeycomb’s relative ease of manufacturing.
The honeycomb structure is a stable loading structure where the loads on each cell is distributed among the nearby cells, evening out the use of the material. A downside of this is that if one cell collapse or crack, this will quickly lead to a cascade collapse which can lead to an uneven forming of the honeycomb.
The highest stress is where cascade collapse is most likely in forming a honeycomb. The high stress areas were located to be the honeycomb’s outer circumference and in its center by using Finite Element Analysis (FEA) and practical tests. The circumference stress made the honeycomb wrinkle at its edges which proved difficult to control. No tested solution was found for constraining the honeycomb to avoid wrinkling while at the same time avoiding to induce cracks in the honeycomb. Solving this is probably critical.
Aluminium and polycarbonate were looked at as honeycomb materials, with the main focus turned to polycarbonate due to its higher stiffness at room temperature and its closer to isotropic properties in-a-plane.
For heating polycarbonate, single-sided IR-heating gave better temperature control than a conventional closed-off oven. Temperature control is deemed critical for the forming process, together with constraining the polycarbonate honeycomb, which are the two critical parameters.
The best forming result was from sand filling the honeycomb, and afterward vacuum sealing it inside a vacuum bag. Then heating it up to 140°C by IR-heating and then formed between two opposing dies until it cooled down. (Less) - Abstract (Swedish)
- Detta examensarbetet handlar om att forma en hemisfäroid från en platt honeycomb-skiva samtidigt som honeycomb-strukturen bibehålls.
Honeycomb-strukturen är ett hexagonalt mönster som kan vara gjord av hexagoner, cirklar eller trianglar. Inom kartografi görs jordens sfäriska yta om till en platt representation i form av en karta. Omvandlingen är omöjlig utan förvrängning eller uppdelning i mindre skurna bitar. På samma sätt kommer en formning av en platt honeycomb-skiva direkt råka ut för deformation enbart utifrån geometri, och tjocka honeycomb-skivor påverkas mest.
Honeycomb-strukturen används flitigt överallt i samhället från lättvikts-strukturer i flygplan till insidan av IKEA möbler. Tre huvudanledningar för... (More) - Detta examensarbetet handlar om att forma en hemisfäroid från en platt honeycomb-skiva samtidigt som honeycomb-strukturen bibehålls.
Honeycomb-strukturen är ett hexagonalt mönster som kan vara gjord av hexagoner, cirklar eller trianglar. Inom kartografi görs jordens sfäriska yta om till en platt representation i form av en karta. Omvandlingen är omöjlig utan förvrängning eller uppdelning i mindre skurna bitar. På samma sätt kommer en formning av en platt honeycomb-skiva direkt råka ut för deformation enbart utifrån geometri, och tjocka honeycomb-skivor påverkas mest.
Honeycomb-strukturen används flitigt överallt i samhället från lättvikts-strukturer i flygplan till insidan av IKEA möbler. Tre huvudanledningar för honeycomb-strukturens vitt spridda användning är:
1. Honeycomb-strukturen (uppbyggd av hexagoner) är det mest effektiva sättet att täcka in en platt yta med minimal omkrets.
2. Honeycomb-strukturens höga styvhet/vikt-förhållande.
3. Honeycomb strukturens relativt enkla tillverkningsprocess.
Honeycomb-strukturen är en stabil struktur eftersom en last i planet på en cell kommer att delas med dess närliggande celler vilket belastar materialet jämnare. En nackdel på grund av det är att om en cell kollapsar kommer det fort att leda till en kaskadkollaps, vilket fort kan ge en ojämn honeycomb-formning.
Störst sannolikhet för kaskadkollaps vid honeycomb-formning är vid de högsta spänningarna i materialet; vilka lokaliserades i detta arbete till omkretsen och till mitten på honeycomb-skivan genom Finita Element Metoden (FEM) och genom experiment. Omkretsens höga spänning gjorde att honeycomb-skivan veckade sig och detta var svårt att kontrollera under formningen. Ingen testad lösning upptäcktes för inspänning av honeycomb-skivan som samtidigt hindrar sprickbildning. Att lösa detta anses kritiskt för en lyckad formning.
Aluminium och polykarbonat var kandidater för honeycomb-material med fokus på polykarbonat på grund av dess högre styvhet vid rumstemperatur och att den är nästan isotropisk i planet.
Honeycomb-skiva av polykarbonat hettades upp inför formning med ensidig IR-strålning vilket gav bättre temperaturkontroll jämfört med en konventionell ugn. Temperaturkontroll är funnet att vara kritiskt för honeycomb-formning, tillsammans med inspänning av honeycomb-skivan.
Bästa formningsresultatet var polykarbonat-honeycomb fylld med sand fasthållet i en vakuumpåse. Därefter jämnt uppvärmd till 140°C med IR-strålning och sedan formad mellan två formningsverktyg tills nerkyld (20°C). (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Honeycomb-skivor används i allt från avancerade flygplan till IKEA-bord. En stor fördel med en honeycomb-skivor är dess låga vikt tillsammans med dess höga styvhet. Men vad krävs för att forma en honeycomb-skiva till en halvsfär?
En honeycomb-skiva är formad enligt honeycomb-mönstret, som fått sitt namn från det två-dimensionella mönstret i honungsbinas bikakor. Bina lagrar all sin honung i de sexkantiga hålrummen som syns i Figur 1, uppbyggda av bivax, vilket är ett plats- effektivt sätt att lagra på honung på. Varje hålrum, med dess väggar, kallas för en cell.
Kommersiella honeycomb-skivor säljs vanligtvis platta och därför finnas det ett behov av att forma den platta skivan till en mer komplicerad form, exempelvis en halvsfär,... (More) - Honeycomb-skivor används i allt från avancerade flygplan till IKEA-bord. En stor fördel med en honeycomb-skivor är dess låga vikt tillsammans med dess höga styvhet. Men vad krävs för att forma en honeycomb-skiva till en halvsfär?
En honeycomb-skiva är formad enligt honeycomb-mönstret, som fått sitt namn från det två-dimensionella mönstret i honungsbinas bikakor. Bina lagrar all sin honung i de sexkantiga hålrummen som syns i Figur 1, uppbyggda av bivax, vilket är ett plats- effektivt sätt att lagra på honung på. Varje hålrum, med dess väggar, kallas för en cell.
Kommersiella honeycomb-skivor säljs vanligtvis platta och därför finnas det ett behov av att forma den platta skivan till en mer komplicerad form, exempelvis en halvsfär, vilket har varit målet och som är illustrerat i Figur 1.
Det kan liknas med att avbilda jordens runda yta till en platt karta fast omvänt. En karta kommer alltid att bli något felaktigt representerad, till exempel ser Arktis och Antarktis mycket större ut än vad de är i förhållande till allting som är närmare ekvatorn, exempelvis Indien.
Anpassat till formningen av en platt honeycomb-skiva innebär det att vissa delar av skivan måste sträckas medan andra delar måste tryckas ihop för att skivan ska kunna bli en halvsfär.
Ett tillverkningsalternativ kan jämföras med hur en fotboll tillverkas från platta tygbitar formade som hexagoner och pentagoner. Formnings-spänningarna skulle då kunna minskas ifall den platta honeycomb-skivan först delas upp i ett liknande mönster som en fotboll innan den sys ihop. Problemet blir hur delarna ska fixeras ihop på ett praktiskt sätt, och samtidigt som det blir styvt, starkt och hållbart över tid.
Därför undersöktes kartformningstekniken vidare med två kommersiella honeycomb-material, aluminium och polykarbonat (PC). Fokus på PC på grund av dess högre styvhet vid rumstemperatur.
Det som var viktigast vid formningen av en PC-honeycomb vara att noga kontrollera formnings-temperaturen eftersom egenskaperna drastiskt förändras vid 140- 150°C, glasomvandlingstemperaturen för PC.
Uppvärmningen av PC-honeycomb kontrollerades lättast med IR-värme, optimalt skulle vara med dubbelsidig IR-uppvärmning på en färgad PC-honeycomb eftersom genomskinlig PC absorberar mindre värme.
Det var med IR-uppvärmning i en ugn som det jämnaste formningsresultatet uppnåddes. Förutom det användes en sandfylld PC-honeycomb (10 mm tjock) där allt var nerpackat i en sluten vakuum-påse. Vid rätt temperatur formades skivan mellan en positiv och negativ formhalva, ända tills skivan svalnade.
Genom att fylla honeycomb-skivan med ett passande fyllnadsmaterial, som sand, minskades antalet krossade celler samtidigt som temperaturen utjämnades. Det förenklade formningen och gjorde den mer lik djupdragning av plåt fastän att det saknades en passande fasthållningsmetod av honeycomb-skivan vid formningen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9055392
- author
- Hagersten, David LU
- supervisor
-
- Mike Olsson LU
- organization
- course
- MMTM01 20211
- year
- 2021
- type
- H3 - Professional qualifications (4 Years - )
- subject
- keywords
- Honeycomb, hexagonal structure, light weight structure, aluminium, polycarbonate, vacuum forming, thermoforming, IR-heating, bikakemönster, hönsnätsstruktur, hemisfäroid, hexagonalstruktur, lättviktsstruktur, polykarbonat, vakuumformning, termoformning, IR-uppvärmning.
- report number
- LUTMDN/(TMMV-5330)/1-117/2021
- language
- Swedish
- id
- 9055392
- date added to LUP
- 2021-06-17 09:41:49
- date last changed
- 2021-06-17 09:41:49
@misc{9055392,
abstract = {{This Master thesis is about forming a hemispheroid out of a flat honeycomb while retaining the honeycomb structure through an even spread of deformation.
The honeycomb structure is a hexagonal structure which can be made out of hexagons, circles or triangles. In cartography the surface of the earth, a spheroid, must be distorted or cut up in order to create a flat map. In the same way forming of a flat honeycomb will always cause distortion/deformation of the original honeycomb structure and thicker honeycombs even more so.
The use of the honeycomb structure is widespread in society from light weight airplane structures to the inside of IKEA furniture. Three main reasons for the honeycomb structure’s wide spread prevalence is:
1. The honeycomb structure (made with hexagons) is the most efficient way to enclose a flat area with the least amount of circumference.
2. The honeycomb’s high stiffness to weight ratio.
3. The honeycomb’s relative ease of manufacturing.
The honeycomb structure is a stable loading structure where the loads on each cell is distributed among the nearby cells, evening out the use of the material. A downside of this is that if one cell collapse or crack, this will quickly lead to a cascade collapse which can lead to an uneven forming of the honeycomb.
The highest stress is where cascade collapse is most likely in forming a honeycomb. The high stress areas were located to be the honeycomb’s outer circumference and in its center by using Finite Element Analysis (FEA) and practical tests. The circumference stress made the honeycomb wrinkle at its edges which proved difficult to control. No tested solution was found for constraining the honeycomb to avoid wrinkling while at the same time avoiding to induce cracks in the honeycomb. Solving this is probably critical.
Aluminium and polycarbonate were looked at as honeycomb materials, with the main focus turned to polycarbonate due to its higher stiffness at room temperature and its closer to isotropic properties in-a-plane.
For heating polycarbonate, single-sided IR-heating gave better temperature control than a conventional closed-off oven. Temperature control is deemed critical for the forming process, together with constraining the polycarbonate honeycomb, which are the two critical parameters.
The best forming result was from sand filling the honeycomb, and afterward vacuum sealing it inside a vacuum bag. Then heating it up to 140°C by IR-heating and then formed between two opposing dies until it cooled down.}},
author = {{Hagersten, David}},
language = {{swe}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Formning av honeycomb-skiva till hemisfäroid - med fokus på formningsmetoder}},
year = {{2021}},
}