Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Endodontic instruments made of fibre-reinforced polymer composites : preliminary FEM and experimental investigations

Modler N., Hufenbach W. A., Gäbler S., Gottwald R., Schubert F., Dannemann M.

Composites Theory and Practice

|

2015

|

R. 15, nr 2

95--100

EN

Conventional needle-shaped instrument tips under ultrasonic excitation for root canal treatment made of nickel titanium (NiTi) alloys achieve a high cleaning performance, especially when inducing the cavitation phenomenon. Nevertheless, their tendency to spontaneous material failure is disadvantageous. Monolithic polymers, e.g. polyamide (PA) significantly reduce this risk, however, instrument tips made of this material are characterised by low cleaning performance. Fibre-reinforced polymers (FRP) exhibit the possibility to bear dynamic loads at higher life cycles than conventional metallic materials. The use of endless fibre-reinforced polymers allows the realisation of instrument tips offering good damage tolerance and cost-efficiency as well as a high cleaning performance. This paper focusses on preliminary numerical and experimental investigations necessary to prove the suitability of fibre-reinforced materials for endodontic instrument tips. The numerical investigations conducted using a standard FE-Method contain simulations of the eigenfrequencies. The accompanying experiments were done for optical detection of the cavitation effects induced by conventional and fibre-reinforced instrument tips. The calculations and tests of the novel instruments made of PA6 reinforced with carbon fibres (CF-PA6) demonstrate a significantly higher cleaning efficiency and a clear failure tolerant structural behaviour compared to conventional polymer and nickel titanium instruments. The investigations show a large number of influencing factors on the operation of fibre-reinforced instruments under ultrasonic excitation. In this context, further tests have to be done to qualify a potential clinical relevance.

PL

Konwencjonalne igłowe końcówki do leczenia kanałowego wzbudzane ultradźwiękami wykonane ze stopów niklu i tytanu osiągają wysoką wydajność czyszczenia, szczególnie poprzez wykorzystanie zjawiska kawitacji. Niekorzysta jest ich skłonność do samoistnego uszkadzania materiału. Polimery monolityczne, jak np. poliamid, znacząco zmiejszają to ryzyko, jednak narzędzia wykonane z tego materiału charakteryzują się niską wydajnością samoczyszczenia. Kompozyty włókniste umożliwiają przenoszenie obciążeń dynamicznych i osiąganie wyższej liczby ich cykli niż w przypadku typowych stopów metali. Zastosowanie kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami ciągłymi umożliwia ekonomiczną realizacje końcówek narzędzi o dobrej tolerancji na uszkodzenia oraz dużej skuteczności czyszczenia. Artykuł skupia się na wstępnych badaniach numerycznych i eksperymentalnych koniecznych do ustalenia przydatności komozytów włóknistych do endodontycznych końcówek narzędzi. Badania numeryczne wykonane przy użyciu typowych metod elementów skończonych zawierają symulacje częstotliwości własnych. Towarzyszące badania eksperymentalne zostały wykonane w celu optycznej detekcji zjawiska kawitacji wywołanego zarówno przez konwencjonalne, jak i wzmacniane włóknami końcówki narzędzia. Obliczenia i testy końcówek nowego typu narzędzi wykonanych z poliamidu 6 wzmacnianego włóknami węglowymi (CF-PA6) wykazują wyraźnie wyższą wydajność czyszczenia oraz odporność na uszkodzenia od typowych końcówek z tworzyw sztucznych i stopów niklu i tytanu. Badania wykazały znaczną liczbę czynników wpływających na działanie końcówek wykonanych z kompozytów włóknistych wzbudzanymi ultradźwiękami. W tym kontekście wymagane są dalsze badania w celu potwierdzenia ich przydatności klinicznej.

2

Quasi-static and dynamic tensile properties of Ti-6Al-4V alloy

Wojtaszek M., Śleboda T., Czulak A., Weber G., Hufenbach W. A.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2013

|

Vol. 58, iss. 4

1261--1265

EN

Ti-6Al-4V alloy is widely used, mainly in aircraft industry, due to its low density, excellent corrosion/oxidation resistance and attractive mechanical properties. This alloy has relatively low formability, so forming parts of complex geometries out of this alloy requires precisely controlled thermomechanical processing parameters. In industrial conditions Ti-6Al-4V alloy is usually processed by forging or extrusion. Ti-6Al-4V alloy is applied for structural parts of aircrafts, which are often exposed to variable loads and high or cyclically changing strain rates. Moreover, Ti-6Al-4V alloy is often used for structural parts providing good ballistic performance. That is why the knowledge of the mechanical behaviour of this alloy under dynamic conditions is important. This work is aimed at the analysis of Ti-6Al-4V alloy behaviour under quasi-static and dynamic deformation conditions. Both dynamic and quasi-static tensile tests were performed in this research. Moreover, ARAMIS system, a non-contact and material independent measuring system providing accurate 2D displacements, surface strain values and strain rates, was applied. The influence of tensile test strain rate on chosen mechanical properties of the investigated alloy was also discussed. The investigations showed a significant influence of processing strain rate on the mechanical behaviour of Ti-6Al-4V alloy.

PL

Stop Ti-6A1-4V jest szeroko stosowany głównie w przemyśle lotniczym ze względu na niski ciężar właściwy, dużą odporność na korozję oraz wysokie własności mechaniczne. Ze względu na stosunkowo małą podatność do odkształceń plastycznych stopu Ti-6A1-4V. kształtowanie części o skomplikowanej geometrii z tego stopu wymaga bardzo dokładnego doboru warunków przeróbki cieplno-mechanicznej. W warunkach przemysłowych stop ten jest najczęściej kształtowany w procesach kucia lub wyciskania, które charakteryzują się różnymi zakresami prędkości odkształcania wsadu. Zastosowanie stopu Ti-6A1-4V obejmuje w dużej mierze wytwarzanie odpowiedzialnych elementów konstrukcji lotniczych, które są eksponowane na zmienne obciążenia w warunkach wysokich lub cyklicznie zmiennych prędkości, oraz które często muszą charakteryzować się doskonałymi parametrami balistycznymi. Dlatego istotna w przypadku przedmiotowego materiału jest znajomość charakterystyk jego zachowania w warunkach obciążeń dynamicznych. Zauważyć można, że w odróżnieniu od danych otrzymanych w statycznych warunkach, ilość publikowanych informacji na ten temat jest niewielka. W pracy przeprowadzono próby jednoosiowego roz- ciągania próbek ze stopu Ti-6A1-4V, które prowadzono przy dużych prędkościach odkształcenia oraz, celem porównania, w warunkach quasi-statycznych. Do analizy wykorzystano system do bezkontaktowych trójwymiarowych pomiarów odkształceń ARAMIS. Badano wpływ prędkości odkształcenia na wybrane własności mechaniczne stopu, obserwacji i analizie poddano także powstałe podczas realizacji próby rozciągania powierzchnie zniszczenia.

3

Static and dynamic testing of textile-reinforced composite compliant structures under shear-force-free bending load

Modler N., Modler K. H., Hufenbach W. A., Jaschinski J., Zichner M., Heber T., Winkler A.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 4

352-356

EN

High-performance applications in mechanical engineering and vehicle construction increasingly have to fulfil high demands concerning passenger comfort and the conservation of natural resources. Therefore, lightweight structures made of textile-reinforced composites exhibit a considerable application potential due to their inherently wide-ranging ability for function integration and design freedom. Additionally, the use of so-called compliant elements with specifically adjustable compliances offers the possibility to transmit motions simply by means of structural deformations. For the investigation of the deformation behaviour of such composite compliant hinge mechanisms as well as for the analysis of anisotropism-related coupling effects of multilayered composites, bending free of shear force can be used advantageously. This paper makes a contribution to the efficient cyclic testing of textile-reinforced compliant structures. Thus, a novel kinematic test rig has been developed, which can be utilized for the static and dynamic bending tests of composite (strip shaped) beam specimens. The main unit is a multifunctional six-membered linkage that allows a moment's application free of shear force by providing a pure bending load. The design studies mainly focus on the mechanical adaptation of an appropriate mathematical characterized mechanism to the trajectory of the movable restraint point. Furthermore, basic test results in consideration of the moment, force, and deformation of textile-reinforced compliant hinges are shown and evaluated with the help of computer tomography.

PL

Obecnie zaawansowane technologicznie aplikacje w budowie maszyn i pojazdów w coraz większym stopniu muszą spełniać wysokie wymagania dotyczące komfortu i ochrony zasobów naturalnych. W związku z tym konstrukcje lekkie z kompozytów włóknistych dzięki zdolności do integracji funkcji oraz dużej swobody projektowania posiadają znaczny potencjał aplikacyjny. Dodatkowo, zastosowanie tzw. "compliant elements" - elastycznych elementów ze specjalnie regulowaną podatnością oferuje możliwość generowania ruchu tylko przez odkształcenie strukturalne. Do badania zachowania odkształcenia tych elastycznych, kompozytowych zawiasów złączowych, a także do analizy anizotropii związanych z efektami sprzężenia wielowarstwowych kompozytów może być z powodzeniem stosowane zginanie bez sił ścinających. Przedstawiona praca wnosi wkład w rozwój badań zmęczeniowych elastycznych struktur kompozytowych wzmocnionych włóknami. W celu przeprowadzenia statycznych i dynamicznych badań zginania kompozytowych próbek płaskich opracowano nowe kinematyczne stanowisko badawcze. Jednostka główna jest wielofunkcyjnym, sześcioczłonowym mechanizmem, który zapewnia czyste zginanie bez występowania sił pochodzących od ścinania. Przedstawione prace projektowe koncentrują się głównie na mechanicznym dostosowaniu opisu matematycznego mechanizmu w odniesienu do trajektorii ruchomego punktu utwierdzenia. Ponadto, wyniki pierwszych badań z uwzględnieniem momentu, siły oraz odkształcenia wzmocnionych włóknami elastycznych zawiasów złączowych zostały zaprezentowane i zweryfikowane za pomocą tomografii komputerowej.

4

Simulation of infiltration process of carbon fibres by aluminium alloy in modified GPI method

Hufenbach W. A., Gude M., Czulak A., Bodniewicz D.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 4

324-330

EN

The constantly rising demands for lightweight structures, particularly in traffic engineering as well as in machine building and plant engineering, increasingly require the use of continuous fibre-reinforced composite materials. These materials, due to their selectively adaptable characteristic profiles, are clearly superior to conventional monolithic materials. Especially composites with textile reinforcement offer the highest flexibility for the adaptation of the reinforcing structure with regard to complex loading conditions. This paper presents the procedure and evaluation of a gas pressure infiltration process (GPI) for the manufacture of carbon fibre-reinforced aluminium metal matrix composites (CF/Al-MMC). Furthermore, the development of a new furnace for a modified GPI method is presented. In order to verify the new design, numerical simulations of the heating in the furnace chambers were prepared, which finally formed the basis for the improvement of the furnace as well as the GPI process.

PL

Stale rosnące zapotrzebowanie na lekkie konstrukcje, szczególnie w zakresie inżynierii ruchu, a także w budowie maszyn i urządzeń oraz w przemyśle energetycznym, w coraz większym stopniu wymaga stosowania materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem ciągłym. Materiały te, dzięki możliwości selektywnego dopasowania charakterystyk materiałowych, wydają się być lepsze od zwykłych materiałów monolitycznych. Kompozyty wzmacniane materiałami z włókien oferują obecnie najlepszą elastyczność dostosowania struktury wzmocnienia do założonych warunków obciążenia. W niniejszym artykule przedstawiono przebieg oraz ocenę procesu infiltracji gazowej (GPI - ang. Gas Pressure Infiltration), zastosowanego do wytwarzania kompozytów aluminiowych z włóknami węglowymi (CF/Al-MMC). Ponadto zaprezentowano model autorskiego pieca do produkcji zmodyfikowaną metodą GPI. W celu weryfikacji nowej konstrukcji sporządzono numeryczne symulacje nagrzewania w poszczególnych komorach pieca, które w rezultacie pozwoliły na modyfikację pieca oraz procesu.

5

Simulation of branched biological structures for bionic inspired fibre-reinforced components

Hufenbach W. A., Gude M., Cichy F., Danczak M., Neinhuis Ch., Schwager H.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 4

304-309

EN

The load adapted design of complex lightweight bar frame works with nodes and branched profiles is a significant challenge from both the structural mechanical and the manufacturing point of view. The search for novel material efficient solutions increasingly leads to the use of fibre-reinforced composites as they exhibit good specific material properties and a high degree of design flexibility. In order to achieve an optimum design of thin-walled, branched, hollow composite structures, a bionic approach following the top-down principal is pursued and simulations of various Y- and T-shaped models are carried out. The typical characteristics of the ramification areas of selected plant structures are analysed using micro-mirror fringe projection and micro-computed tomography. The scientific findings of plant morphology gained by these analyses are transferred into FE-models for structural analyses and parameter studies. The anisotropy of fibre material, the morphological characteristics of the examined cacti and the technological restrictions of the braiding process are considered in the design process of simulation models. The results show a significant increase of stiffness of thin walled branched models with bioinspired design features compared to models constructed according to the state-of-the-art technologies.

PL

Bardzo duże wyzwanie, zarówno z perspektywy strukturalno-mechanicznej, jak również produkcyjnej stanowi projektowanie dostosowanych do obciążenia, złożonych, a zarazem lekkich konstukcji prętowych (ramowych) wraz z więzami i rozgałęzieniami z lekkich profili. Poszukiwanie wydajnych rozwiązań materiałowych prowadzi do wykorzystania materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami, gdyż oferują dobre właściwości materiałowe oraz dużą swobodę projektowania. W celu uzyskania optymalnej konstrukcji cienkościennych rozgałęzień kompozytowych zostały przeprowadzone symulacje numeryczne profili w kształcie litery T oraz Y z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W pierwszej kolejności przeprowadzono optyczną digitalizację 3D charakterystycznych obszarów rozgałęzień wybranych roślin oraz analizę przy pomocy tomografii komputerowej. Na opracowanie modeli numerycznych z uwzględnieniem anizotropii zastosowanego materiału pozwoliły otrzymane wyniki analiz morfologii roślin, a także uwzględnienie specyfiki wykorzystanej metody wytwarzania, czyli wyplatania. Wyniki pierwszych symulacji pokazują znaczącą poprawę sztywności cienkościennych modeli rozgałęzień bazujących na konstrukcjach inspirowanych naturą w porównaniu z wynikami symulacji konstrukcji tradycyjnych.

6

Experimental investigation of composite-based compliant structures

Hufenbach W. A., Gude M., Adam F., Modler N., Heber T., Renner O., Körner I., Weck D.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 3

187-191

EN

Composite materials with their adjustable, high specific mechanical properties offer the possibility to realise loadadapted, locally functionalised lightweight structures. Here, compliant structures characterised by individually adaptable deformation behaviour are promising applications. Notwithstanding the substantial degree of function integration, competitive serial production of such components can be achieved by the use of composites based on thermoplastic matrix systems in close combination with efficient manufacturing technologies. This paper contributes to the development of composite compliant structures, specifically designed for use in bending dominated applications. The experimental studies including different fibrereinforcements make allowance for the composite adapted design of a beam structure and the associated load transfer elements. For this purpose, an adapted testing device was designed and installed, and various composite bending structures are compared. The experimental results show the suitability of fibre-reinforced composites with large elastic deformability for compliant structures. Different designs of the load transfer element were tested. Compared to the basic design, an increase of the load bearing capacity of the compliant structure by up to 100 % was achieved. This is facilitated by the aligned design of the composite beam and its associated load transfer elements.

PL

Materiały kompozytowe z dopasowanymi do założonych wymagań własnościami mechanicznymi oferują możliwość realizacji dostosowanych do obciążenia miejscowo funkcjonalizowanych struktur lekkich. W tym przypadku obiecującymi rozwiązaniami są "compliant structures" - tzw. struktury podatne, charakteryzujące się możliwością indywidualnie dostosowanego przebiegu deformacji. Pomimo znacznego stopnia integracji funkcji, konkurencyjność seryjnej produkcji tych elementów można osiągnąć poprzez zastosowanie materiałów kompozytowych z osnową termoplastyczną, w ścisłym połączeniu z wydajnymi technologiami wytwarzania. Przedstawiona praca wnosi wkład w rozwój tzw. struktur podatnych wykonanych z materiałów kompozytowych i wykorzystanych w układach z elementami zginanymi. Badania eksperymentalne, w których uwzględniono różne rodzaje włókien wzmacniających, pozwoliły na opracowanie struktury belki oraz powiązanych z nią elementów przenoszących obciążenie. W tym celu zaprojektowano i wykonano odpowiednie stanowisko badawcze służące do porównania różnych struktur z materiałów kompozytowych. Wyniki badań potwierdziły predyspozycje wykorzystania w strukturach podatnych kompozytów włóknistych zdolnych do dużych odkształceń sprężystych. Przetestowano różne warianty kształtu elementów przenoszących obciążenie, a wyniki badań potwierdziły poprawę nośności, w porównaniu z konstrukcją wyjściową, aż do 100%. Było to możliwe dzięki dopasowaniu konstrukcji belki kompozytowej oraz współpracujących z nią elementów przenoszących obciążenie.

7

Experimental and numerical analysis of strain rate dependent on material behaviour of glass fibre reinforced polypropylene

Hufenbach W. A., Ebert Ch., Langkamp A., Hornig A.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 3

264-267

EN

This paper describes the research work to characterise the strain rate dependent on the deformation and failure behaviour of glass fibre reinforced polypropylene. The experimental and theoretical analysis of the mechanical behaviour under highly dynamic loading is performed within the German DFG research project "Textile reinforced composite components for function integrating multi material design in complex lightweight applications". The investigations are used for the development of novel material models for the strain rate dependent on material behaviour under in-plane and out-off-plane loads. Therefore, highly dynamic tensile and compression tests on textile reinforced composites with a thermoplastic matrix and woven or knitted fabric reinforcement are performed for determination of the strain rate, orientation dependent stiffness, strength characteristics, as well as for identification of the material specific failure and damage behaviour. Within the research work, novel testing methods and devices were developed, which enable a defined loading and accurate strain and damage analysis. Based on the experimental results, approaches for extended material models were developed, which include the strain rate dependent deformation behaviour on the one hand and the fracture mode specific failure behaviour on the other hand.

PL

W artykule przedstawiono badania określające rozmiar deformacji oraz powstałych uszkodzeń od szybkości odkształcenia polipropylenu wzmacnianego włóknem szklanym. Analiza zarówno eksperymentalna, jak i teoretyczna zachowań mechanicznych badanych materiałów, w zależności od przyłożonego obciążenia dynamicznego, została przeprowadzona w ramach projektu badawczego DFG "Textile-reinforced composite components for function-integrating multi-material design in complex lightweight applications". Badania te mają posłużyć opracowaniu nowych modeli materiałowych opisujących zachowanie materiału obciążonego w płaszczyźnie wzmocnienia, a także w kierunku prostopadłym do ułożenia wzmocnienia w zależności od szybkości jego odkształcenia. Przeprowadzone badania (dynamiczne rozciąganie i ściskanie) termoplastów wzmocnionych tkaninami lub dzianinami zostały wykonywane w celu określenia charakterystyk sztywności i wytrzymałości w zależności od szybkości odkształcenia i orientacji włókien oraz identyfikacji powstałych uszkodzeń w zależności od wykorzystanego rodzaju materiału. W ramach pracy opracowano nowe metody oraz urządzenia badawcze pozwalające na dokładne zdefiniowanie obciążenia oraz analizę odkształceń i uszkodzeń. Na podstawie wyników eksperymentalnych w opracowywanych modelach materiałowych należało uwzględniać nie tylko rozmiar deformacji w zależności od szybkości odkształcenia, ale również rodzaje powstałych przełomów. Opracowane modele zostały następnie wykorzystane w symulacjach numerycznych zjawiska zderzenia w płaszczyźnie wzmocnienia.

8

Detection of material integrated conductors for connective riveting of function-integrative textile-reinforced thermoplastic composites

Hufenbach W. A., Adam F., Gude M., Korner I., Heber T., Winkler A.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 2

152-156

EN

Due to their highly-specific mechanical properties as well as ease of design combined with economic and reproducible manufacturing processes, textile-reinforced composites based on thermoplastic matrix systems exhibit great potential for application in lightweight structures ready for mass production. Moreover, the integration of additional functional networks composed of sensors, actuators, and electric components in thermoplastic lightweight structures enables operationaldependent control and adaptation of the structural behaviour with regard to health monitoring or active vibration and noise control. For the creation of complex structures, the use of material-adapted joining techniques is necessary. This publication is a contribution to the development of material- and application-adapted rivetting technology for the joining and electrical contacting of textile-reinforced composite parts with integrated conductors. In particular, different materials and methods for the generation of conductive paths are assessed. For accurate placement of a contacting rivet, various methods for the detection and localization of the conductors after integration, are investigated. Especially X-ray technology demonstrates good performance with regard to a high volume process chain. Furthermore, the studies show the ability to use printed conductors and carbon fibres as well as conventional wires for integration in textile-reinforced composites, suitable for mass production.

PL

Ze względu na bardzo dobre własności mechaniczne oraz swobodę projektowania w połączeniu z ekonomicznymi i powtarzalnymi procesami wytwórczymi kompozyty włókniste o osnowie termoplastycznej posiadają ogromny potencjał, szczególnie do wykorzystania w produkcji seryjnej konstrukcji lekkich. Ponadto, integracja dodatkowych funkcji w postaci czujników, wzbudników i elementów elektrycznych w termoplastycznych konstrukcjach lekkich pozwala na kontrolę oraz adaptację zachowań projektowanych struktur. Przykładem mogą być urządzenia do monitorowania funkcji życiowych, aktywnego tłumienia drgań oraz kontroli natężenia hałasu. Do wykonania takich złożonych struktur kompozytowych niezbędne jest jednak użycie odpowiednio zaadaptowanych technik łączenia. Niniejsza publikacja wnosi wkład w rozwój technik nitowania i połączeń elektrycznych dostosowanych do elementów z kompozytów włóknistych ze zintegrowanymi przewodnikami. W szczególności, ocenie poddane zostały różne materiały i metody przeznaczone do wytwarzania ścieżek przewodzących, przetestowano ponadto dokładne pozycjonowanie nitów oraz metody lokalizacji przewodników po procesie integracji. W tym przypadku bardzo dobre wyniki pokazała technologia rentgenowska X-ray, szczególnie w wysoko wydajnych liniach produkcyjnych. Ponadto przedstawiono perspektywy integracji przewodników drukowanych, włókien węglowych oraz tradycyjnych przewodów elektrycznych w strukturach kompozytów włóknistych wytwarzanych seryjnie.