Methods of Manufacture for Composite Materials in Infrastructure

Filament Winding and Pultrusion

CST Composites is a world leading filament winding and pultrusion technology company.The company was founded in 1995, manufacturing some of the world’s first high performance sailing masts.

CST Composites

CST Composites’ constant pursuit of innovative product solutions and adoption of new composite manufacturing and design technology, has seen the business successfully diversify into new markets including industrial, mining, infrastructure, transport, and aerospace.

CST Composites

CST Key Facts

• 3 facilities in Sydney Australia• 25+ employees• 6 filament winding machines, 3 pultrusion lines.• Manufactured >60,000 tubes.• 70% export• Multiple awards, including Premiers NSW Export & Endeavour Awards 2009.

• Largest user of carbon tow in Australia.• Main markets including Marine, Mining, Aerospace, Industrial, Automotive

Filament winding

• Laminating fibres over a rotating mandrel– Fibre angles anywhere from 90 degrees (hoop) to near 0 degrees (longitudinal)

Filament winding

Filament winding

• Straight or tapered along the length

Filament winding

• Any convex cross section, ie round, elliptical, square

Filament winding

Can be wet winding (through a resin bath) or towpreg –pre‐impregnated tow.

Similarly, slit tapes can be used

Filament winding – tape laying

Filament winding

Composite usually needs to be cured in an oven or autoclave.

Often the expansion of the tool is used to help release the part.

It can also helps consolidate and can straighten 90 degree windings by removing wrinkling.

Filament winding

Filament winding ‐ advantages

Advantages include;• Easily design for specific strength or stiffness• Repeatable products

Filament winding ‐ advantages

• No weak plane around the circumference (as with fabric wrapping)

• Generally better consolidation than fabric wrapping• Batch process, setup cost is not high

Filament winding ‐ disadvantages

Disadvantages include:• Rate of production limited by number of fibres in production at one time.

• Batch process, batch sizes limited by tooling availability.

• Preparation and secondary processing can be time consuming

Filament winding ‐ disadvantages

Outside surface finish much wider tolerance on dimension and roughness than pultruded part. (surface finish comparison)

Powerpoles

• E‐glass and epoxy powerpoles, designed for Australian market (picture)– Wet winding is favourable in this instance, as high volume, low margin product.

– Stiffness / strength requirement easily achieved with FRP.– UV stable resin– Tough, scratch‐resistant / vandalism proof– Colour matched to concrete

UOW FRP Tubing

Screen furlers

Industrial Rollers

Industrial Rollers

Pump Housings

Underground Ventilation Ducts

Housings for Geotechnical Equipment

Housings for Geotechnical Equipment

Aerospace – Canadarm (MDA + CSA)

Aerospace – Canadarm (MDA + CSA)

Aerospace – Canadarm (MDA + CSA)

Weather balloon research

Weather balloon research

Tibetan Trumpet Prop – Cirque du Soleil (Las Vegas)

Automotive

Filament winding ‐ design

FMEA – Failure mode and effects analysisStiffness driven – A, B, D stiffnes matrices (classical laminate theory)

Strength driven – need to use known maximum strain and raw material test data.

Filament winding ‐ design

Two composite parts the same size may have a completely different ultimate strength in any given direction. 

Reasons for this include:• Fibre direction / ply layup (ordering of layers)• Fibre or resin strength or stiffness• Fibre / resin interaction (affecting ILSS)• Winding parameters – speed (ie voids introduced), bath 

and ambient temperature (affecting final fibre volume), tension

• Cure parameters

Pulling fibre and resin through a heated die, to form a cured part in the profile of the die cross‐section.

Image courtesy of www.creativepultrusions.com

Pultrusion

Pultrusion

Wet bath or injection

Pultrusion

Pultrusion – advantages

Dimensionally accurate and repeatableLow cost for higher volumesHigh production rateNo secondary processing (usually)

Pultrusion ‐ disadvantages

High set up cost – tooling and infeedLess scope for error in productionPart size is limited due to the amount of fibre required and the force required to pull.

Structural Carbon Fibre Strip

Structural Carbon Fibre Strip

Structural Strip Testing

Fibreglass strip with Fireshield

NSM Bar

Bar for near surface mount (NSM) reinforcement

Marine Sail Battens

Pultruded Glass / Carbon I Beam

Mangrove boardwalk – Maroochy Shire – QLD

Composite I Beam

Louvres

Grating  / decking

Image courtesy of www.creativepultrusions.com

Pulwinding

Spoolable Pipeline

Conclusions

FRP products are becoming more prevalent across all industries – a result of more cost effective materials and processes.Understanding of the material properties and how they can be used to make products is key to the growth of the industry.

Questions