Predicting effect of fiber orientation on chosen strength properties of wood-polymer composites

• Autorzy: Frącz Wiesław , Janowski Grzegorz

Warianty tytułu

PL

Prognozowanie wpływu orientacji włókien na wybrane właściwości wytrzymałościowe kompozytów typu drewno-polimer

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an assessment of the effect of fiber orientation on the strength properties of products made from wood-polymer composites by the injection molding process based on micromechanical analysis. For this purpose numerical analysis was carried out for the product model with geometry of the sample intended for the uniaxial tensile test. To determine the actual fiber orientation after the manufacturing process, the orientation tensor values were calculated using Autodesk Moldflow Insight 2016 software. The micromechanical calculations were performed using Digimat FE commercial code. The results (stress-strain characteristics) of the numerical simulations taking into account the calculated fiber orientation tensor were compared to the experiment. To produce the wood-polymer composite, the polypropylene polymer matrix was Moplen HP 648T. As the filler Lignocel C120 wood fibers made by Rettenmeier & Sohns company were applied. A composite with a 10 vol.% content of wood fibers in the polymer was manufactured in the extrusion process by means of a Zamak EHP 25 extruder. For specimen manufacturing a Dr. Boy 55E injection molding machine equipped with a two cavity injection mold was used. Before the numerical simulations the uniaxial tensile test was performed using a Zwick Roell Z030 testing machine. The specimens were tested at the speed of 50 mm/min according to the PN-EN ISO 527 standard. The obtained stress-strain characteristics were used as a verification criterion for further numerical analysis. Moreover, the mechanical properties of the same composite products were predicted for hypothetical fiber orientation types. It was noted that the selection of fiber orientation has a significant impact on the quality of the obtained results compared to the experiment.

PL

Przedstawiono ocenę wpływu orientacji włókien na właściwości wytrzymałościowe wyrobów kompozytowych na przykładzie wyrobów z kompozytu typu drewno-polimer formowanych w technologii wtryskiwania. Przeprowadzono analizę numeryczną dla modelu wyrobu o geometrii próbki przeznaczonej do próby jednoosiowego rozciągania. W celu uzyskania danych o powtryskowej orientacji włókien w matrycy polimerowej przeprowadzono analizę numeryczną procesu wtryskiwania za pomocą oprogramowania Autodesk Moldflow Insigth 2016. Uzyskano w ten sposób wartości tensora orientacji włókien dla zadanych parametrów technologicznych procesu wytwarzania wyrobu. Obliczenia mikromechaniczne (analizy właściwości struktury kompozytu) przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania Digimat FE. Wyniki analizy numerycznej dla obliczonej wartości tensora orientacji włókien porównano z eksperymentem. Ponadto, w celu ułatwienia definiowania w systemach CAE właściwości kompozytu wykonano prognozowanie jego właściwości mechanicznych dla hipotetycznych, uproszczonych przypadków orientacji włókien. Potwierdzono, iż dobór orientacji napełniacza (włókien) ma znaczący wpływ na zgodność prognozowanych właściwości kompozytu z wynikami badań eksperymentalnych.

Słowa kluczowe

EN

wood-polymer composites; numerical homogenization; micromechanical analysis; fiber orientation; injection molding process

PL

kompozyty polimerowo-drzewne; WPC; homogenizacja numeryczna; analiza mikromechaniczna; orientacja włókien; formowanie wtryskowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 2
• Strony: 56--63
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Frącz Wiesław

• Rzeszow University of Technology, Faculty of Mechanics and Technology, Department of Integrated Design and Tribology Systems al. Kwiatkowskiego 4, 37-450 Stalowa Wola, Poland

autor

Janowski Grzegorz

• Rzeszow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Department of Materials Forming and Processing al. Powstańców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, Poland

Bibliografia

• [1] Advani S.G., Tucker III C.L., The use of tensors to describe and predict fiber orientation in short fiber composites nal of Rheology 1987, 31, 8, 751-784.
• [2] Tucker III C.L., Liang E., Stiffness prediction for unidire tional short-fiber composites: Review and evaluation, Composites Science and Technology 1999, 59, 5, 655-671.
• [3] Halpin J.C., Kardos J.L., The Halpin-Tsai equations: A review, Polymer Engineering & Science 1976, 16(5), 345-352.
• [4] Rosen B.W., Hashin Z., Effective thermal expansion coefficients and specific heats of composite materials, International Journal of Engineering Science 1970, 8, 2, 157-161.
• [5] Bendsøe M.P., Kikuchi N., Generating optimal topolgies in structural design using a homogenization method, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 1988, 71, 2, 197-224.
• [6] Abdulle A., Numerical homogenization methods, 2013, 1-18 (No. EPFL-ARTICLE-184958).
• [7] Bouchart V., Brieu M., Kondo D., Abdelaziz M.N. Macroscopic behavior of a reinforced elastomer: micromechanical modelling and validation, Mechanics & Industry 2007, 8, 3, 199-205.
• [8] Doghri I., Tinel L., Micromechanics of inelastic composites with numerical treatment of orientation, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 2006, 195, 13, 1387-1406.
• [9] Hine P.J., Duckett R.A., Davidson N., Clarke A.R., Modelling of the elastic properties of fibre reinforced composites. I: Orientation measurement, Composites Science and Technology 1993, 47, 1, 65-73.
• [10] Chin W.K., Liu H.T., Lee Y.D., Effects of fiber length and orientation distribution on the elastic modulus of short fiber reinforced thermoplastics, Polymer Composites 1988, 9, 1, 27-35.
• [11] Gupta M., Wang K.K., Fiber orientation and mechanical properties of short fiber reinforced injection molded composites: Simulated and experimental results, Polymer Composites 1993, 14, 5, 367-382.
• [12] Zhu Y.T., Blumenthal W.R., Lowe T.C., Determination of non-symmetric 3-D fiber-orientation distribution and average fiber length in short-fiber composites, Journal of Composite Materials 1993, 31, 13, 1287-1301.
• [13] DIGIMAT software documentation, e-Xstream engineering, 2016.
• [14] Frącz W., Janowski G., Strength analysis of molded pieces produced from wood-polymer composites (WPC) including their complex structures, Composites Theory and Practice 2016, 16, 4, 260-265.
• [15] Frącz W., Janowski G., Influence of homogenization methods in prediction of strength properties for WPC composites, Applied Computer Science 2017, 13, 3, 77-89.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).