Mechanically interlocked hybrid joints between aluminium and carbon fibre reinforced polymers for automotive lightweighting

Abstract

ENG- Multi-Material Design (MMD) of structural components is an effective strategy to reduce weight in the transportation industry, ultimately aiming to lower environmental impact. The joints between different lightweight materials play thus an important role, as they often represent the weakest part of the structure and influence overall structural efficiency. Nevertheless, conventional technologies for mechanically fastening metals and Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRP) either involve the drilling of holes in the composite material, which can lead to significant damage, or adding fasteners that increase the part’s weight. Alternative fastening methodologies have been proposed to overcome these drawbacks; however, their high cost, complexity, and long cycle time hinder their adoption in real production environments. Aiming at addressing the previous shortcomings, this thesis presents the development of a new type of joining technology, Single-Step Punch Interlocking (SSPI). The proposed methodology combines aluminium and CFRP in a hybrid joint through a single-step punching process. Uncured layers of CFRP prepreg are laid on top of an aluminium sheet, and the entire assembly is punched with the CFRP side facing the punch. The punching process is stopped when the aluminium sheet is completely cut through, but the carbon fibres are not. Instead, the fibres are pushed through the aluminium hole, creating a mechanical interlock between both counterparts. The composite material is then co-cured on top of the metallic sheet. SSPI joints combine adhesive bonding with mechanical interlocking in a fast, simple and cost-effective way, making it suitable for applications in the automotive industry. Moreover, it minimizes damage to the composite material by avoiding drilling and by forming the joint in an uncured state. Additionally, it eliminates the need for fasteners and removes part of the metallic material, reducing the overall weight of the part

CAT- El Disseny Multi-Material (MMD) de components estructurals es postula com a una estratègia efectiva per tal de reduir pes en la industria del transport, amb l’objectiu final de disminuir l’impacte ambiental d’aquesta indústria. És aquí on les unions entre materials lleugers dissimilars juguen un paper important, ja que son sovint la part més feble de l’estructura i en determinen, per tant, l’eficiència estructural. No obstant això, les estratègies convencionals per unir mecànicament metalls i Polímers Reforçats amb Fibra de Carboni (CFRP) requereixen o bé de la perforació del material compòsit, fet que pot causar danys significatius a l’estructura, o bé de la incorporació d’elements de fixació que augmenten el pes de l’estructura. Per tal de solventar aquests inconvenients, s’han proposat metodologies d’unió mecànica alternatives, però els seus alt cost, nivell de complexitat i llargs temps de cicle dificulten la seva implementació en entorns de producció reals. Amb l’objectiu d’abordar les mancances anteriors, aquesta tesi presenta el desenvolupament d’un nou tipus de tecnologia d’unió, anomenada Single-Step Punch Interlocking (SSPI). Es tracta d’una metodologia d’unió híbrida entre alumini i CFRP que consisteix en un procés de punxonat d’un sol pas. Capes no curades de preimpregats de fibra de carboni es col·loquen sobre una làmina d’alumini, i el conjunt complert és punxonat amb la cara de CFRP encarada al punxó. El procés de punxonat s’atura quan la làmina d’alumini ha estat completament tallada, però les fibres de carboni no. Enlloc d’això, les fibres son pressionades a través del forat a l’alumini, generant un entrellaçament mecànic entre les dues contraparts. El material compòsit és llavors co-curat sobre la làmina metàl·lica. Aquesta metodologia combina la unió adhesiva amb l’entrellaçament mecànic de manera senzilla, ràpida i econòmica, fent possible la seva aplicació a una indústria tant exigent com l’automotriu. A més a més, minimitza els danys exercits sobre el material compòsit evitant la seva perforació i realitzant la unió en estat cru del preimpregnat. Addicionalment, la metodologia elimina la necessitat d’incorporar elements de subjecció i retira part del material metàl·lic, reduint així encara més el pes total de l’estructura