Wyniki wyszukiwania - Biblioteka Nauki

1

Novel function-integrated lightweight solutions based on textile-reinforced thermoplastic composites and material-adapted piezoceramic actuator modules

100%

Gude M. , Hufenbach W. , Modler N. , Kirvel C.

Inżynieria Materiałowa

|

2007

|

tom Vol. 28, nr 3-4

254-260

EN

Due to the high specific mechanical properties as well as the high design freedom combined with economic and reproducible manufacture processes, fibre-reinforced composites with thermoplastic matrix systems exhibit a high application potential for lightweight structures in large-scale use. Moreover, the integration of additional functional components such as piezoceramic actuators in thermoplastic lightweight structures enables a purposeful manipulation of the static, dynamic and vibroacoustic structural behaviour. For the large-scale capable utilisation of such active structural parts, novel piezoceramic modules, which are specifically tailored to the structural material, and adapted manufacturing methods are developed. The piezoceramic modules with the highly regarded compatibility to thermoplastic composites permit their substantially coherent and homogeneous integration in the fibre composite structure without intricate adhesive assembly efforts. The paper presents latest research results on the field of textile reinforced thermoplastics regarding efficient manufacturing technologies using hybrid yarns, function integration and structural applications as for example in morphing structures and compliant mechanisms.

PL

Ze względu na specyficzne właściwości materiałowe, swobodę projektowania, w połączeniu z wydajnymi i powtarzalnymi procesami produkcji kompozyty włókniste bazujące na osnowie termoplastycznej, posiadają ogromne możliwości wykorzystania w wielkoseryjnej produkcji struktur lekkich. Ponadto, łatwa integracja dodatkowych komponentów, takich jak elementów piezoceramicznych w lekkich strukturach termoplastycznych pozwala na kontrolę statycznych, dynamicznych oraz wibroakustycznych stanów materiału. W celu zastosowania wyżej wymienionych elementów piezoelektrycznych na większą skalę, prowadzone są ciągle badania nad opracowaniem nowoczesnych, dopasowanych do struktur materiałowych piezoelektrycznych modułów, jak również nad odpowiednimi metodami ich wytwarzania. Dzięki dobrej kompatybilności elementów piezoelektrycznym ze strukturą kompozytów termoplastycznych możliwa jest jednolita, homogeniczna integracja tych elementów w strukturach kompozytów włóknistym bea skomplikowanych zabiegów klejenia. Praca ta przedstawia ostatnie wyniki badań dotyczących, wydajnej technologii produkcji, integracji, jak rownież aplikacji np. w strukturach morficznych, tekstylnie wzmocnionych materiałów termoplastycznych, z włókien hybrydowych.

2

Development of novel piezoceramic actuator modules for the embedding in intelligent lightweight structures

100%

Hufenbach W. , Gude M. , Modler N. , Kirvel C.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2007

|

tom Vol. 24, nr 1

390-396

EN

Purpose: Piezoceramic actuators in lightweight structures enable a purposeful manipulation of the dynamic and vibroacoustic structural behaviour. Above it, further studies focus on the application of thin and flexible piezoceramic modules as power sources in morphing structures aiming at a shape adaptation. Design/methodology/approach: A specific example of novel morphing structures is introduced, which rely on multistable deformation phenomena of fibre-reinforced composites with an unsymmetric lay-up. For the large-scale capable utilisation of such active structural parts made of fibre-reinforced thermoplastic composites, novel piezoceramic modules, which are specifically tailored to the structural material, and required manufacturing methods are developed. Findings: The piezoceramic modules with the highly regarded compatibility to thermoplastic composites permit their substantially coherent and homogeneous integration in the fibre composite structure without intricate adhesive assembly effort. Furthermore, thermally induced residual compressive stresses during the manufacturing process serve for purposefully prestressing the piezoceramic components to reduce the module's sensitivity to tensile loading. Research limitations/implications: For the manufacture of those novel piezoceramic modules, a continuously operating fabrication method has been developed. By the process-related integration of a hot press, residual compression stresses are thermally induced into the modules that considerably contribute to the decrease of the piezoceramic module's sensitivity to tension. Originality/value: The successful development of the novel TPM offers a significant advancement in the efficiency within the large scale production of novel intelligent lightweight structures.

3

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

75%

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

Kompozyty

|

2011

|

tom 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

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

75%

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

Composites Theory and Practice

|

2015

|

tom 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.

5

Processing studies for the development of a robust manufacture process for active composite structures with matrix adapted piezoceramic modules

75%

Hufenbach W. , Gude M. , Modler N. , Heber T. , Winkler A. , Friedrich J.

Kompozyty

|

2009

|

tom R. 9, nr 2

133-137

EN

Active composite structures based on thermoplastic matrix systems exhibit a high application potential for lightweight structures ready for series production, due to the high specific mechanical properties as well as the high design freedom combined with economic and reproducible manufacture processes. Moreover, the integration of additional functional components like material-embedded piezoceramic actuators or sensors in thermoplastic lightweight structures enables a purposeful manipulation of the dynamic and vibroacoustic structural behaviour. Among function integration like quality monitoring or active vibration and noise control, also structural applications for example in morphing structures and compliant mechanisms are possible. Thus fibre-reinforced thermoplastic composites with embedded material adapted piezoceramic modules offer a wide area of new applications. Actually the lack of efficient manufacture processes impeded the spread of these new material systems. The use of adaptive composite structures in series applications requires novel actuators and sensors with related manufacture processes capable for series production. This publication gives a contribution for the development of a robust and efficient manufacture process for such new active composites, which bases on a material and actuator adapted hot pressing technique for the realization of short cycle times. Therefore the main focus is put on experimental and theoretical studies for the integration of piezoceramic elements into fibre-reinforced structures. Besides the evaluation of design and process parameters, the influences of the processing parameters on the ceramic elements are investigated to create an adaptive composite structure without damaging of the brittle ceramic. Basic elements of these studies are new thermoplastic composite compatible piezoceramic modules (TPM), which are predestined for a material homogeneous actuator integration in fibre-reinforced thermoplastic composites by use of a welding process. The investigations show a successful manufacture and embedding of these novel piezoceramic modules into fibre-reinforced structures.

PL

Aktywne struktury kompozytowe bazujące na osnowie termoplastycznej, dzięki swym specyficznym właściwościom mechanicznym oraz łatwości projektowania wraz z ekonomicznym i powtarzalnym procesem wytwórczym, posiadają ogromny potencjał aplikacyjny w seryjnej produkcji struktur lekkich. Ponadto, integracja dodatkowych komponentów, jak wzbudniki piezoceramiczne bądź sensory w lekkiej strukturze termoplastycznej, pozwala na celową ingerencję w jej właściwości dynamiczne oraz wibroakustyczne. Oprócz tego umożliwia monitorowanie zużycia elementów, tłumienie wibracji i kontrolę szumu, ale również może zostać wykorzystana jako aplikacja w strukturach morficznych oraz układach podatnych. Kompozyty z osnową termoplastyczną wzmocnione włóknami ciągłymi wraz z umieszczonymi wewnątrz materiałowo dopasowanymi modułami piezoceramicznymi posiadają ogromny potencjał w zastosowaniach w dziedzinie aktywnych drgań oraz kontroli hałasu. Obecnie brak wydajnego procesu wytwarzania skutecznie hamuje popularyzację tych nowych systemów. Prezentowana publikacja przyczynia się do rozwoju stabilnego i wydajnego procesu wytwarzania tych nowych kompozytów aktywnych, opierającego się na dopasowanej metodzie prasowania na gorąco, pozwalającej na skrócenie czasu cyklu produkcyjnego. Z tego względu główny nacisk położono na badania eksperymentalne i rozważania teoretyczne dotyczące integracji układów piezoceramicznych w strukturach włóknistych. Podstawowym elementem tych badań są nowe moduły piezoceramiczne, kompatybilne z kompozytami termoplastycznymi (TPM), predestynowane do integracji jednorodnych wzbudników w termoplastycznych kompozytach włóknistych. Badania przedstawiają udane próby wytwarzania i wprowadzania tych nowoczesnych modułów piezoceramicznych do struktur wzmacnianych włóknami ciągłymi.

6

Influence of heat pretreatment on cross-linking behavior and thermal properties of thermoset semi-finished products with powder resin systems

75%

Stanik R. , Lucas P. , Langkamp A. , Modler N. , Gude M. , Pilawka R.

Composites Theory and Practice

|

2017

|

tom R. 17, nr 2

114--118

EN

The aim of this work was to determine the influence of thermal pretreatment of thermoset semi-finished products on the thermal properties as well as the subsequent processing parameters. For this purpose, the curing behavior in the pretreatment of thermoset fiber reinforced semi-finished products was analyzed. A semi-finished product with glass fiber reinforcement and powder resin system A.S.SET 1010 was investigated. During processing of the rigid semi-finished products, melting-up of the matrix system is necessary before shaping. To determine the influence of this process, samples were pretreated and tested at different heating temperatures and times. The change in the glass transition temperature and the degree of cross-linking was determined using thermogravimetry analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). Thanks to this, the curing behavior and thermal properties of the semi-finished products were evaluated during their pretreatment depending on the heating temperature and time. It was confirmed that the pretreatment has a major influence on the degree of cross-linking, glass transition temperature as well as the later processing parameters.

PL

Celem pracy było wyznaczenie wpływu wstępnej obróbki cieplnej na właściwości termiczne włóknistych półproduktów na bazie termoutwardzalnych polimerów, a także na późniejsze parametry przetwórcze. W tym celu wyznaczona została charakterystyka sieciowania półproduktów w trakcie wstępnej obróbki termicznej. Analizowane półprodukty składały się z tekstylnego wzmocnienia z włókna szklanego oraz sproszkowanej żywicy epoksydowej A.S.SET 1010. Proces przetwórczy włóknistych półproduktów na bazie sproszkowanej żywicy epoksydowej wymaga stopienia materiału osnowy w celu umożliwienia formowania struktur trójwymiarowych. W celu wyznaczenia wpływu tego procesu przygotowane próbki zostały wstępnie poddane obróbce termicznej z różnymi charakterystykami procesu nagrzewania. Zmiany w temperaturze zeszklenia, jak również stopniu usieciowania zostały wyznaczone za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA) i różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Dzięki temu została wyznaczona zarówno charakterystyka procesu sieciowania, jak i zmiana własności termicznych półproduktów na bazie sproszkowanej żywicy epoksydowej w trakcie wstępnej obróbki cieplnej w zależności od temperatury i czasu nagrzewania. Potwierdzono również znaczący wpływ obróbki cieplnej na stopień usieciowania, temperaturę zeszklenia i parametry procesu przetwórczego.

7

Thermoplastic fibre metal laminates: Stiffness properties and forming behaviour by means of deep drawing

63%

Wollmann T. , Hahn M. , Wiedemann S. , Zeiser A. , Jaschinski J. , Modler N. , Ben Khalifa N. , Meißen F. , Paul C.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2018

|

tom Vol. 18, no. 2

442--450

EN

Hybrid materials provide a high potential for lighter structures and an improved crash performance. The investigated hybrid sandwich laminate consists of steel cover sheets and a carbon fibre-reinforced thermoplastic core. The first part of this investigation is focusing on an analytical prediction as well as on a comparison of numerical and experimental results for the evaluation of the laminate properties to get a general understanding for the material. Within the second part the forming behaviour of this material is investigated experimentally, analytically and numerically by means of cup deep drawing. These results indicate that cup deep drawing of thermoplastic fibre metal laminates is possible but limited. The limits in terms of achievable drawing depths are found to be defined by cracking and wrinkling of the cover sheets as well as fibre failure in the composite material.

8

Development of active composite aerofoil for assessment of novel flow control concepts

63%

Koschichow R. , Holeczek K. , Koschichow D. , Rüdiger F. , Kostka P. , Langkamp A. , Fröhlich J. , Modler N.

Composites Theory and Practice

|

2015

|

tom R. 15, nr 3

146--151

EN

In this paper, an investigation of the dynamic effects of the low-amplitude, high-frequency excitation of a composite aerofoil by means of integrated actuators on the flow is presented. For this purpose, a well-established elastic NACA 64-418 profile was manufactured from a glass fibre reinforced epoxy resin with integrated active elements. The modal properties of the profile were optimized during the design process in such a way that the spatial distribution of nodes and antinodes of the profile is potentially advantageous for the influence of the flow behaviour around the profile. Additionally, the respective eigenfrequency of the profile should be high enough to efficiently influence the flow. The first numerical and experimental results confirm that the aimed modal properties could be obtained. The optimized profile design has been implemented in the resin transfer moulding manufacturing process and selected low-profile actuating elements were applied after fibre-reinforced plastics consolidation on the inner surface of the NACA profile. The applicability of the proposed flow control approach will be evaluated in detail in a specially developed flow channel in further investigations.

PL

W pracy przedstawiono badania dynamicznego wpływu niskoamplitudowego, wysokoczęstotliwościowego pobudzenia za pomocą zintegrowanych w kompozytowy profil lotniczy elementów wykonawczych na opływające profil medium. W tym celu dobrze poznane profile typu NACA 64-418 zostały wytworzone z materiału kompozytowego na bazie żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknami szklanych i wyposażone w zintegrowane elementy wykonawcze. Parametry modalne profili zoptymalizowano w procesie projektowania w taki sposób, iż przestrzenne rozmieszczenie węzłów i strzałek profilu ma potencjalnie korzystny wpływ na opływające go medium. Dodatkowo, odpowiadająca tej postaci częstotliwość własna profilu musi być wystarczająco wysoka, aby efektywnie wpływać na przepływ. Pierwsze numeryczne i eksperymentalne wyniki potwierdzają możliwość uzyskania zamierzonych parametrów modalnych. Do wytworzenia zoptymalizowanej konstrukcji profilu wykorzystano technologię RTM (ang. Resin Transfer Moulding). Po skonsolidowaniu profilu wybrane cienkie elementy wykonawcze zostały zaaplikowane na wewnętrznej powierzchni profilu NACA. Możliwość zastosowania proponowanego podejścia do kontroli przepływu medium będzie określana szczegółowo w dalszych badaniach w specjalnie skonstruowanym kanale przepływowym.

9

Experimental investigation of composite-based compliant structures

63%

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

Kompozyty

|

2011

|

tom 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.