Pattantyús Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola

BME Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék

Témavezető: Dr. Halász Marianna

 

Szőtt kompozit erősítőszerkezetek 3D-s deformációjának elemzése

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Korábban a kelmékből elsősorban hagyományos ruházati és lakástextil termékeket készítettek, napjainkra azonban a könnyű és ugyanakkor erős kompozitok erősítőanyagaként is teret nyertek. Erősítőanyagként főként a szőtt szerkezetek terjedtek el. Ennek oka többek között az, hogy ez esetben ismert a szálorientáció, így a belőle készült termék deformációja jobban tervezhető, mint más kelmeszerkezetek esetében. A szöveterősítésű kompozit termékek mechanikai és deformációs tulajdonságait elsősorban magának a szövetnek a tulajdonságai határozzák meg. A szövetek sajátos viselkedése miatt azonban minden felhasználási területen továbbra is jelentős nehézségekbe ütközik térbeli deformációjuk modellezése.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásommal a Polimertechnika Tanszék textiles profilját viszem tovább. A felsőoktatási tanszékek közül az országban elsőként itt vezették be az MSZ EN ISO 9001:2009 szabvány szerinti Minőségirányítási Rendszert. Majd a korszerű technológiai gépekkel és mérőműszerekkel felszerelt tanszéki vizsgáló laboratóriumot a NAT akkreditálta. A tanszék havi megjelenésű, angol nyelvű folyóirata az eXPRESS Polymer Letters.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az utóbbi évtizedekben a szövetek kompozitok erősítőanyagaként való alkalmazása kapcsán előtérbe kerültek a deformációs képességükre irányuló vizsgálatok. Az első szöveterősítésű kompozit termékeket, egy repülőgép-alkatrészt, az 50-es években készítették. Miután felismerték, hogy a szöveterősítésű kompozit anyagok nagy hajlékonysággal, szilárdsággal és szívósággal rendelkeznek kis fajlagos tömeg mellett, hamarosan széles körben elterjedtek. Az erősítőanyagok először főként üveg- és szénszálból készültek, később az aramid, bazalt és a természetes szálak is megjelentek.

A kompozit anyagok szerkezeti anyagként való alkalmazásával egyre bonyolultabb geometriájú darabok létrehozására is igény volt. Ezzel párhuzamosan nagyobb figyelem fordult az erősítőanyagok teherviselésének tervezésére, amit a szövetszerkezet sokfélesége is nehezített. E kutatásoknak célja a szövetek feldolgozás során kialakuló deformációjának megismerése, továbbá annak becslése, hogy megfelelően fognak-e illeszkedni a kívánt formára, ami nem csak esztétikai szempontból fontos, hanem jelentős szerepe van a késztermék mechanikai tulajdonságaiban is [1-5].

A kelmék térbeli deformációját globálisan jellemző, egyszerűen mérhető anyagtulajdonság a redőződés [6-7]. A kezdetben manuális meghatározással működő redőződésvizsgálati módszer korszerűsítésére a Polimertechnika Tanszék és a Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék közösen kifejlesztette a Sylvie 3D Drape Tester berendezést. A mérési eredményeket számítógépes képfeldolgozással értékelik ki, ami légyegesen gyorsabb és pontosabb méréseket, és a szokásos paraméteren túl számos további jellemző meghatározását is lehetővé teszi[8]. A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések Kutatásom célja a szőtt szerkezetek térbeli deformációját befolyásoló szerkezeti és mechanikai tulajdonságok megismerése és a közöttük lévő összefüggések elemzése. A deformációt alapvetőn befolyásoló paraméterek megismerésével lehetővé válik deformáció mértékének becslése, feldolgozásának megfelelő szimulációja, végeselemes modellezése és virtuális megjelenítése. Ehhez kapcsolódó részletesebb céljaim a következők:

Sylvie 3D Drape Tester

1. Mivel a szövetet alkotó fonalak sodratiránya jelentősen befolyásolhatja a redőződés alakulását, és ezt eddig még senki nem vizsgálta, ezért ennek elemzése.

2. Korábbi mérési tapasztalataim és irodalmi utalások alapján is egyértelmű, hogy a redőződési tényező széles tartományban változik, ezért a redőződésmérés továbbfejlesztése a jelenség okainak feltárására.

3. Mivel a szövetek térbeli deformációs képességét döntő mértékben a hajlítási és nyírási tulajdonságok befolyásolják, ezért ezek vizsgálata, és az ehhez szükséges mérési módszerek továbbfejlesztése.  

4. Mivel mind a hajlítást, mind a nyírást jelentősen befolyásolhatja a szövetet alkotó fonalak közötti súrlódás, ezért a súrlódási tulajdonságok vizsgálata és redőződésre gyakorolt hatásának elemzése.

Vizsgálataim elvégzéséhez a klasszikus kompozit erősítőszövetek területéről 2 üveg-, 1 szén- és 1 kevlárszövetet, míg a hagyományos, de újabban erősítőanyagként is egyre inkább használatos szövetek területéről 3 pamut és 1 poliészter szövetet választottam.

 

   

Erősítőszövetek SEM felvételei

 

 

Kiemelendő, hogy a hagyományos textíliákhoz sorolható, speciálisan a sodratirány hatásának vizsgálatához készíttetett, 3 pamut kelme tulajdonságai csak a kelméket alkotó fonalak sodratirányában különböznek.

Fonalak sodratiránya és kapcsolódásuk

  

Pamutszövetek fénymikroszkópos felvételei,

P lánc- és vetülékirányban  azonos (S-S), F váltakozó (S-S/Z), P különböző sodratirányú fonalakból készült

 

Módszerek

Redőződésmérés

A redőződés jellemzésére legáltalánosabban használt paraméter a redőződési tényező, amely a kiterített köralakú minta és a redőződött minta síkvetülete területének aránya.

A redőződés mérését a Sylvie 3D Drape Tester-en végeztem.  A számítógép vezérlésű berendezés először optikai szkenneléssel beolvassa a redőződő minta 3 dimenziós alakját, majd a berendezéshez tartozó program a kapott képeket feldolgozva felépíti a 3D s felületet és ennek alapján meghatározza a redőződési paramétereket.

 

Új redőződésmérési módszer

A kelmék redőződött alakja már kismértékű külső igénybevétel hatására is megváltozik és új stabil állapotba kerül. Azért, hogy ezek a hatások egyértelműek és reprodukálhatóak legyenek, a Sylvie 3D Drape Tester-t kiegészítettem a redők kialakulását befolyásoló körgyűrűvel. A berendezés a körgyűrű segítségével azáltal gyakorol dinamikus hatást a redők kialakulására, hogy a mérések előtt a mintatartó asztal a vizsgálati mintát áttolja a körgyűrűn, aminek következtében a minta redőződése új stabil állapotba kerülve megváltozik. Ennek során a körgyűrű a kelmével érintkezve egy jól meghatározott igénybevétellel befolyásolja a kelme alakjának a változását, csökkentve a redők kialakulását befolyásoló hatások véletlenszerűségét.

Körgyűrűvel kiegészített Sylvie 3D Drape Tester

Átlós irányú húzóvizsgálat

Az erősítőszövetek nyíródeformációja húzással vizsgálható, ha a vizsgálati minták a szövetből átlósan, azaz a vetülékirányhoz képest 45°-os szögben vannak kivágva. A nyíródeformáció meghatározását a minta közepén kell elvégezni, mivel csak itt alakul ki tiszta nyírás. A nyíródeformációt a γ nyírási szög jellemzi, amely a mérés során a szöveteket alkotó lánc- és vetülékirányú szálkötegek egymással bezárt szögének megváltozását adja meg.

A nyíródeformáció vizsgálatához egy új, saját fejlesztésű módszert alkalmaztam. Ennek során a γ nyírási szög meghatározásához a szövet kétirányú deformációja videoextenzométerrel regisztrálható. A vizsgálat előkészítése során, a mintára hosszirányban és arra merőlegesen 2-2 vonalat kell felrajzolni úgy, hogy a vonalak által közrezárt négyzet oldalainak középpontjai egy szálkötegekből álló szabályos rombuszt határozzanak meg. A rombusz szemközti csúcsai közötti távolságok változását, azaz a minta szélességcsökkenését és hosszirányú nyúlását a videoextenzométer a teljes mérési folyamat alatt automatikusan meghatározza. Ezen távolságok ismeretében a γ nyírási szög és a nyíróerő egy egyszerű összefüggéssel meghatározható.

Az γ meghatározásához jelölt vizsgálati minta terheletlen és terhelt állapotban. 2ai keresztirányú szélességcsökkenés 2bi hosszirányú nyúlás 2Θ a fonalak által közrezárt szög

Fényképfelvétel-sorozat a szövetminta átlós irányú húzás közbeni alakváltozásáról

 

Fonalkihúzó vizsgálat

A fonalak közötti súrlódási tényező meghatározása a fonalak alakja, szerkezete és hajlékonysága miatt meglehetősen összetett feladat. Szövetek fonalai közötti súrlódási tényező meghatározásának egy lehetséges megoldása a fonalkihúzó vizsgálaton alapuló módszer [9]. A fonalkihúzó vizsgálat során a két szélén és alul befogott szövetmintából egy alulról nem befogott fonalat fölfelé húzunk ki, miközben a fonal elmozdulása függvényében mérjük a kihúzáshoz szükséges erőt. A minta speciális befogását újszerű módszerrel, a képen látható módon laminált részek kialakításával oldottam meg.

A fonalkihúzó vizsgálat elrendezése

 

A lánc- és a vetülékfonal érintkezési íve középponti szögének meghatározása erősítőszöveteknél

Mivel a szövet lánc- és vetülékfonalai egymást keresztezve görbült formát vesznek fel, ezt a görbületet és a fonalkihúzó vizsgálattal kapott erőket felhasználva a kötélsúrlódás elve alapján meghatározható a szövetben lévő fonalak közötti súrlódási tényező értéke. A görbülethez tartozó középponti szög mikroszkópi felvételről meghatározható, amelyhez a keresztmetszeti csiszolatot szintén laminálási technika alkalmazásával készítettem el.

 

Eddigi eredmények

Körgyűrűk hatása

Megállapítottam, hogy a körgyűrűvel kiegészített redőződésmérés a valós használati körülményeket jobban közelíti, mint a gyűrű nélküli mérés, továbbá megnöveli a vizsgálati minta redőződését, azaz csökkenti a redőződési tényezőt és csökkenti annak szórását. A vizsgált pamutszövetek redőződési tényezője a gyűrűátmérő csökkenésével csökken, és ez a változás egy úgynevezett logisztikus görbével írható le. Az új redőződésmérési módszerrel való mérés során a körgyűrűk átmérőjének csökkenésével a vizsgálati minták redőződési egyenlőtlensége is csökken.

Görbeillesztés általános alakja pamutszövet esetén

 

D210	D240	D270	D300

Kelme redőződése különböző átmérőjű körgyűrűvel

 

Fonalsodratirány hatása

A szövetet alkotó fonalak sodratirányának a fonalak közötti súrlódási tényezőre gyakorolt hatása miatt az azonos sodratirányú fonalakból készült szövet esetén a redőződési tényező és a nyíró ellenállás nagyobb, valamint a vastagság kisebb, mint az ellentétes sodratirányú fonalakból készült szövet esetén.

Redőződési tényező szövettípus szerint, gyűrűátmérő szerint

 

Átlós irányú húzóvizsgálat

Az ismertetett saját fejlesztésű módszer alkalmas az erősítőszövetek átlós irányú nyíróvizsgálatának kiértékelésére, a nyírási szög meghatározására szolgáló összefüggéssel. A módszer a nyírási szög meghatározására alkalmas más módszerekhez képest pontosabb, továbbá egyszerűen alkalmazható univerzális szakítógép és videoextenzométer használatával, egyéb kiegészítő eszközök nélkül.

 

 

 

Súrlódási tényező hatása

Kutatásom során megállapítottam, hogy az erősítőszövetek esetén a fonalak közötti súrlódás és a fajlagos nyíróerő közötti kapcsolat a vizsgált tartományban exponenciális összefüggéssel közelíthető.	Fajlagos nyíróerő és a súrlódási tényező közötti korreláció meghatározása az erősítőszövetek esetén
Redőződésitényező-különbség súrlódási tényezőtől való függése erősítőszövetek esetén	A fonalak közötti súrlódás és a redőződésitényező-különbség, azaz a gyűrű nélkül és a 210 mm-es gyűrűvel mért redőződési tényezők különbsége közötti összefüggést elemezve megállapítottam, hogy az erősítőszövetek redőződésitényező-különbsége a fonalak közötti súrlódási tényező növekedésével a vizsgált súrlódási tényező tartományban exponenciálisan nő.

Várható impakt, további kutatás

A szövetek 3D-deformációs tulajdonságainak elemzése területén számos további lehetőséget látok, amelyekkel kapcsolatban már tettem lépéseket.

Így például a szövetek térbeli deformációját befolyásoló tulajdonságok tovább vizsgálhatók kéttengelyű húzóvizsgálattal.

Vagy például az erősítőszövetek hajlítási tulajdonságainak vizsgálatára képfeldolgozást alkalmazó mérőeszköz fejlesztése, mivel az ismert berendezések inkább a hagyományos kelmék vizsgálatára alkalmasak.

Az átlagosnál nagyobb hajlítómerevséggel rendelkező erősítőszövetek redőződésvizsgálatához a szokásos 300 mm-nél nagyobb átmérőjű vizsgálati minták alkalmazása a jobb redőződés érdekében. A jobb redőződéssel az adott vizsgálati anyagra jobban jellemző értékek határozhatók meg, és ehhez megfelelő mérőberendezés fejlesztése szükséges.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

 

1. Al-Gaadi B., Göktepe F., Halász M.: New method in drape measurement and application of results in modeling of fabric behavior. Textile Reserch Journal, 82, 502-512 (2012). (IF: 1,102)
2. Al-Gaadi B., Halász M.: Analysis of shear behaviours of woven fabrics with image processing. "International Joint Conference on Environmental and Light Industry Technologies, Magyarország, Budapest" 2010 11. 18-19. 6 oldal (Előadás és CD kiadvány).
3. Göktepe F., Halász, M., Tamás P., Göktepe Ö., Gersak J., Al-Gaadi B., Özdemir D.: Twist direction and yarn type effect on draping properties. "International Symposium on Novelties in Textiles, Szlovénia, Ljubljana", 2010. 05. 27-29. 171-177 (Előadás és CD kiadvány).
4. Al-Gaadi B., Göktepe F., Halász M., Tamás P.:  Examination the drapability of textiles using ring-controlled equipment. "International Technical Textile Congress, Törökország, Isztanbul", 2010. 05. 16-18. 8 oldal (Poszter előadás és CD kiadvány).
5. Al-Gaadi B.: 3D-s szkennelés alkalmazása a redőződés mérésére. Magyar Textiltechnika, 2, 56-59 (2010).
6. Al-Gaadi B., Halász M., Tamás P.: Textiles dynamically influenced drapability. Materials Science Forum, 659, 361-366 (2010).
7. Al-Gaadi B., Halász M., Tamás P.: Textíliák dinamikusan befolyásolt redőződése. "Országos Anyagtudományi Konferencia, Balatonkenese", 2009. 10. 11-13. (Poszter előadás).
8. Tamás P., Göktepe F., Halász M. and Al-Gaadi B.: New method for dynamic drape measurement of fabrics. "AUTEX 2009 Konferencia, Törökország, Izmir", 2009. 05. 25-28. 579-587 (Szóbeli előadás és CD kiadvány).

 

Linkgyűjtemény

 

Polimertechnika Tanszék

Pattantyús Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola

eXPRESS Polmer Letters folyóirat

Szövet leírása

Kompozit leírása

Videoextezométer leírása

Hivatkozások listája

 

1. Lomov S. V., Boisse P., Deluycker E., Morestin F., Vanclooster K., Vandepitte D., Verpoest I., Willems A.: Full-field strain measurements in textile deformability studies. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39, 1232-1244 (2008).
2. Potluri P., Parlak I., Ramgulam R., Sagar T. V.: Analysis of tow deformations in textile preforms subjected to forming forces. Composites Science and Technology, 66, 297-305 (2006).
3. Galliot C., Luchsinger R. H.: The shear ramp: A new test method for the investigation of coated fabric shear behaviour - Part I: Theory. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41, 1743-1749 (2010).
4. Mohammed U., Lekakou C., Bader M. G.: Experimental studies and analysis of the draping of woven fabrics. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 31, 1409-1420 (2000).
5. Galliot C., Luchsinger R. H.: The shear ramp: A new test method for the investigation of coated fabric shear behaviour - Part I: Theory. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41, 1743-1749 (2010).
6. Cusick G. E.: The dependence of fabric drape on bending and shear stifness. Journal of the Textile Institute, 56, 596-606 (1965).
7. Jevšnik S., Geršak J.: Modelling the fused panel for a numerical simulation of drape. Fibres and Textiles in Eastern Europe, 12, 47-52 (2004).
8. Tamás P., Geršak J., Halász M.: Sylvie 3D drape tester - New system for measuring fabric drape. Tekstil, 10, 497-502 (2006).
9. Prodromou A. G., Chen J.: On the relationship between shear angle and wrinkling of textile composite preforms. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 28, 491-503 (1997).