Citation for published version (APA):
Schreurs, P. J. G. (1988). Vezelversterkte kunststoffen en composieten. (DCT rapporten; Vol. 1988.009). Technische Universiteit Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1988
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
januari 1988
W F W 88.009
Inhoud 1. 2 , 3 . 4 . 5, ES, 7. 8 . 9 . Inleiding
Indeling van de onderzoekprojecten Beschrijving van de onderzoekprojecten Stage- en afstudeeropdrachten
Toekomstige ontwikkelingen Het onderwijs
Literatuur
Relatie met formele onderzsegprograiYt.ma's Figuren
1. Inleiding
In dit rapport wordt een overzicht gegeven van de onderzoekprojeeten die in het onderzoekgebied "vezelversterkte kunststoffen en composieten"
worden uitgeaoerd binnen de vakgroepen YPR, idOC en TCK
Universiteit Eindhoven. Bij het beschrijven van de verschillende projectea
en deelprojecten zal de meeste aandacht uitgaan naar de bijdrage van de vak-
groep WFX,
*
van de Technische
In hoofdstuk 2 wordt een globale indeling ;-an de onderzoekprojecten gegeven. Bij deze rubricering is de mate van detaillering (de afmetingen van
de bestudeerde configuratie) als criteriuin genmen. In hoofdstuk 3 worden de
verschillende projecten in detail besproken,
In de verschillende onderzoekprojecten bestaan vaak een aantal deei-
onderzoeken, die onderwerp kunnen zijn van stage- of afstudeerwerk. In
hoofdstuk 4 worden enkele opdrachten geformuleerd, die in de vakgroep WFW
kunnen worden uitgevoerd,
De ontwikkelingen op het gebied van kunststoffen en composieten gaan
snel, In hoofdstuk 5 gorden een aantal van deze ontwikkelingen in onderzoek
en toepassing op een rijtje gezet, Tevens wordt aangegeven aan welke van
deze ontwikkelingen ~ovengenoe~de vakgroepen een bijdrage zouden kunnen en
xioeten leveren.
Be onderzoekinspanningen die nu a l enkele jaren plaatsvinden aan de
TUE, hebben invloed op de inhoud van het onderwijsprogram~a~ In hoofdstuk 6
w r d t hieraan enige aandacht besteed.
De in dit rapport genoemde literatuur i s opgesomd in hoofdstuk 7 , De
personele bezetting van de onderzoekprojecten en de beschikbare raiddelen
komen in hoofdstuk 8 aan de orde. De figuren zijn opgenomen ie hoofdstuk 8 .
*
W V Vakgr. Fundamentele Yerktuigkunde, Pace der Werktuigbouwkunde;ROC Vakgr. Ontwerpen en Construeren, Fac. der Xerktuigbouwkunde:
2. Indeling van de onderzoekprojecten
Het onderzoek naar composieten kan op vele niveau‘s plaatsvinden,
waarmee bedoeld is dat de aandacht gericht kan zijn op structuren met grote
verschillen in afinetingen.
Als we op het kleinste niveau beginnen, kunnen WE onderzoek doen naar
de eigenschappen van de kunststoffen die als basismateriaal dienen,
Dergelijke kunststoffen worden polymeren genoemd. Ze bestaan uit zeer lange macromoleculen, die verkregen zijn door bouwsteen-moleculen (monomeren) “aan elkaar te knopen”. De chemische processen waarmee dit kan gebeuren zijn polymerisatie, polycondensatie en polyadditie.
Als wordt uitgegaan van monomeren, die slechts tvee
erbin binding spun ten" hebben (bi-functionele 2!onomeren), zullen lange macro- moleculen ontstaan. De kunststof is op t e vatten als een kluwen van deze
lange macronoleculen, zoais in figuur I is geschetst. Dergelijke kunxtstof-
fen worden thermglasten genoead. Het aal duidelijk zijn dat de
(mechanische) eigenschappen van de kunststcsf aks geheel, in hoge mate be- paald wordt d o t ~ de eigenschappen van de macrowlecuden. Zo zal de kunststof makkelijk Bunnen vervormen, dus een grote elasticiteit hebben, als de macro- moleculen nakkelijk t,o,v. elkaar kunnen bewegen. Deze beweeglijkheid m r d t onder andere bepacild door de lengte en de cherslische structuur van de hoofd-
keten en door de eigenschappen van de zijketens die eventueel aan de hoofd-
keten vastzitten (figuur 2 ) . Ook is het mogelijk dat er tussen de verschi7;- lende zacronoleculen secundaire (zwakke) bindingen bestaan, waardoor de beweeglijkheid sterk wordt beleimelid.
Konomeren kunnen peer dan twee “‘ve~bindingspu.nten” hebben (bv. tri-
functionele roonoaeren), In dat geval ontstaat er bij polyL3erisatie een 3-
dimensionale structuur, waiirbij afzonderlijke moleculen niet te onder-
scheiden zijn, Behalve door uit te gaan van meer-functionele monomeren,
kunnen 3-dimensionale netwerken ook gevornd %orden door chemische reacties
tussen laie zij-ketens van) lange macromoleculen (figuur 3 )
.
Dergelijke kunststoffen worden thermharders genoemd. Ze zijn i.h.a. see1 stijver danthermoplasten. Als een thermoplast wordt verwarmd, wordt hij week en
tenslotte vloeibaar : de macromoleculen glijden langs en uit elkaar. Een
echter te hoog dan zal de thermoharder niet smelten maar uit elkaar vailen (degenereren) e
Uit het: bovenstaande zal duidelijk zijn dat veel chemisch onderzoek
erop gericht is, polymer er^ t e Enaken met zeez speciale (aechanische) eigen-
schappen.
Een aanzienlijke verbetering van de eigenschappen van polyxeren ~ m r d t verkregen als deze gecombineerd worden met andere mterialen. Een dergelijk:
samengesteld sateriaal aordt een composiet genoemd. De eigenschappen van
zo'n composiet wijken vaak aanzienlijk af van de eigenschappen der sarhen-
stellende componenten. Vanuit constructief oogpunt zeer belangrijke compo-
sieten zijn de vezelversterkte materialen, v a a r b i j vezels ingebed zijn in een p o l y ~ ~ r e kunststof, de zogeheten rnatrix. Het aantal mogelijke com3ina-
eies van vezels en matrix is groot. Als matrixmateriaal worden theri3oplasten
en thermoharders, naar ook kzranische materialen en metalen gebruikt, De
meest toegepaste vezels zijn de koolstof-, g l a s - , aramide- en polyetheen- vezels. Deze Bunnen in verschillende configuraties voorkomen. Zo kennen we
korte en lange vezels, vezels die gesponne3 zijn tot garens of geseven tot
weefsels.
Zoals bij de bespreking van de verschillende onderzoekprojecten zal
blijken, sordt veel onderzoek verricht naar verbetering van de vezels die voor de mechanische eigenschappen van de composiet van groot belang zijn.
De eigenschappen van de composiet worden niet alleer, bepaald door de
eigenschappen van vezels en aatrix, ream oak door hun interactie, Zo is de
inate van hechting van de vezels aan her matrix-materiaal van grote Invloed op met rime de Inechanische eigenschappen, Bestudering van het gedrag : m i een
of meer vezels in de ìxatrix leidt tot inzicht in factoren die van invloed
zijn op de macroscopische eigenschappen Jan het het composietcateriaal.
Vezelversterkte composieten worden veelal toegepast in de 'i tori3 van
aeabranenc dunne structuren die (vrijwel1 uitsluitend in hun ?.?lak belasting-
en kunnen o p n e ~ e n , Vanuit constructief oogpunr. i s het van groot belang om het mechanisch gedrag van deze x!ei-.branen goed te kunnen voorspellen o
Een andere veel toegepaste structuur is het laninaat. Een la-liinaat is
opgebouwd uit verschillende vezelsersterkte seinbranen, die dan lamina's of
plies genoemd worden. De eigenschappen van ket laminaat hangen worden
bepaald door de eigenschappen van de verschillende lamina's en door de wijze
de praktische toepassingen, belangrijk punt van onderzoek.
Ket behulp van laninaten worden constructies opgebouwd die een
complexe geometrie kunnen hebben en waaraan zeer hoge (mechanische) eisen worden gesteld. Dergelijke constructies of onderdelen daarvan zijn onder- werp van ûnùerzoek, waarbij de aandacht gericht wordt op functionele en mechanische aspecten,
Door de grote o n d e ~ ~ ~ e k i ~ s p a ~ n ~ n g van n.n. chefnische en produktie- technische aard, worden de (mechanische) eigenschappen van kunststoffen en
composieten voortdurend verbeterd, 3 i j veel toepassingen van deze materialen
wordt van deze, vaak excellente, eigenschappen nog geen o p t i m a l gebruik
gexìaakt. De belangrijkste reden hiervoor is dat het construeren met kunst-
stoffen en composieten toc op heden gebaseerd is op ambachtelijkheid en
ervaring. Via eixpiriscfie zethoden wordt, na :;aak geruime tijd, een
acceptabel resultaat bereikt.
Het onderzoek dat gericht is op een gerichte ontwikkeling en toepas-
sing van kunststofcompanenten, kan worden toegelicht aan de hand v m het in
figuur 4 getekend scheaa.
Ten behoeve van het {iteratief 3 ontwerpen van zwaarbelaste, kritische constructieonderdelen aet ~ e ~ r u i k ~ ~ % k ~ n g van kunststoffen en coaposieten, heeft de constructeur behoefte aan gebruike~svriendel~jk, e f f i c i @ a t en
betrouwbaar numeriek rekengereedschap, Omdat tegenwoordig beschikbare
softwarc, niet o f in beperkte m t e aan deze eisen voldoet, wordt er veel ondazoek- en ontwikkelingswerk verricht om in deze behoefte te voorzien.
Een belangrijk onderdeel van d e rekenprogramma's is het fysisck-
wiskundig aodel dat gehanteerd wordt om het ixateriaalgedxag te beschrijven. Ontwikkeling van materiaalmodellen die nauwkeurig en breed toepasbaar z i j n ,
xzaar tegelijk ook efficiënt
-
niet al te rekenintensief en geheugen-consumerend - F is een belangrijk punt van onderzoek,
Bet productieproces van kunststofcomponenten is, veel meer dan bij
gebruik van conventionele materialen, van invloed op de eigenschappen van het eindprodukt. Het ligt daarom voor de hand dat dit productieproces veel
aandacht krijgt. Om tijdrovende en dure experimenten zo veel mogelijk te
beperken, is het belangrijk dat het productieproces (numeriek) kan worden
onontbeerlijk. Ook hier geldt dat veel aandacht gegeven wordt aan de for- mulering van goede materiaalïnodellen.
Hoewel door het beschikbaar komen :3an krachtig en gebruikers-
vriendelijk rekengereedschap h e t construeren s e t kunststoffen z i j n e q i r i s c h karakter v e r l i e s t , z a l experhenteel onderzoek ook i n de toekomst van groot belang zijn. Enerzijds zullen de Bateriaalparameters i n de materiaalmodellen experiìnenteel ïnoeten worden bepaald? anderzijds zullen de resultaten van nieuw ontwikhlde nwnerieke rekenmodellen geverifieerd rnoeten worden door confrontatie ïnet experiritentele resultaten. De bestaande beproeringsmethoden schieten tekort vanwege het richtings- en tijdsafhankelijk gedrag van veie coaposieten. Het ontwikkelen van nieuwe experimentele technieken en het daarbij benodigde meetgereedschäp is dan ook van groot belancl. Het b i i j k t dat het verkrijgen van betrouwbare experimentele resultaten i n v e l e gevallen
slechts mogelijk is i n vsicselwerking met nuraerieke rekentechnieken, waarbij
3. Seschrijvina van de onderzoekprojecten
3 . 1 Een numeriek imlementatie van het SchaDerv-model voor niet-lineaire visco-elasticiteit
Eiveaie
Onderzoekers:
matrix,
31. Rooyackers, -i. Paas,
Het materiaalgedrag van polyaeren is visco-elastisch. Dit betekent dat
het materiaal onder constante belasting servomt ofwel dat de spanningen i n
het materiaal bij constante morgeschreven vervorming, veranderen, De
versorming van en de spanningen in het materiaal op een bepaald dnoaent
hangen dus a f van .rat er in het gerleden inet het m t e r i a a l gebeurd i s , Hee materiaalgedrag wordt daarom ook wel t i j d s - o f geschiedenisafhankzlij~ genoemd [Schreikrr, Oomens f E 9 8 7 ) J e
k l s het verband trissen spanning en rek lineair is, kan het aateriaal
g e ~ o d e l l e e r d worden m e b - v a een veer-demper nodel, Zet zgra, standaard-lineair %ode1 is in figuur 5 geschetst, B i j dit urnodel hoort onderstaand verband
tussen de spanning op tijdstip t en de rekgeschiedenis & ( T I :
Uit experimenten blijkt dat bij veel polymeren het verband tussen
spanning en rek(geschiedenis) niet-lineair is. In de literatuur zijn vele
:flodelien ecarhanden waarlnee het niet-lineaire verband beschreven kan worden. Een bepaalde klasse van aoOellen z i j n de zgrr. ineervoudige integraal-
In het Bader van z i j n afstudeerwerk heeft Eichel Paas een d e r g e l i j k meer- iiouclig integraal-iilodel gehplementeerd i n een 3-D staafelement [Paas
(19861
1
*Boewel i n de literatuur v e l e Sodellero voor niet-lineaire visco- e l a s t i c i t e i t worden beschreven, z i j n de meeste ofwel s l e c h t s beperkt
toepasbaar ofwel zo coritplex dat de praktische bruikbaarheid gering is. Eèn
model echter, het inodel van SchaperyF b l i j k t goed toepasbaar t e z i j n voor een grote k9asse van sateriale-. en omstandigheden, I n z i j n &&ndimensionale vorm l t i i d t dit model:
Saplementatae van bovenstaand model i n numeriek rekengereedschap (I-B eindige ekementen) wordt i n de l i t e r a t u u r vermeld,
Het promotieonderzoek van Harrie Rooyackers heeft als d o e l 0% een
meerdimasionale formulering van het Sckapery-raodel af t e leiden en deze t e iapleiìienteren i n ~ e e r d i m e n ~ i o n a l e eindige elementen. Tevens z a l de e f f i - cigiitie van dergelijke i ~ ~ l e a e n t a t i e ~ onderzocht en zo mogelijk geopta~iali- seerd worden,
Niveau
Onderzoekers:
De mecRanische eigenschappen van een kunststof worden in hoge mate
bepaald door de geometrische eigenschappen s a x de polymeermoleculen waaruit de k ~ n s t s t ~ f bestaat. Z i j n deze moleculen lang epl f l e x i b e l dan z a l de h n s t - stof n i e t erg stijf en s t e r k zijn. Z i j n daarentegen de xolecuien kort en s t a r daiz resrrlteert d i t i n een sterke kunststof.
Fabricage van een sterke kunststof, d i e teyens voldoende f i e x i h i l i t e i t b e z i t , is mogelijk door het combineren van tvee polyi~eren: C$n ret lange, f l e x i b e l e moleculen, het andere a e t korte, s t a r r e inoleculen, Ket Rateriaal
dan op te vatten als een Boleculaire composiet, eculen de matrix w r a e n en de starre nolecuï.cn
waarin d e flexibele e vezels. Het problee2
dat hierbij optreedt, is gelegen in het feit d a t bovengenoemde polymeren
niet o f nauwelijks te mengen zijn.
Het onderzoek binnen dit project is erop gerichz de mengbaarheid van beide poly-?.eren te verbeteren. Enerzijds gebeurt dit door het toevoegen 'an
een derde component (oplocmiddell, anaerzijds door modificeren van de starre
aacronoleculen, bijvoorbeeld door het aanbrengen Ban flexibele zijketens of
flexibele delen in d e hoofdketen.
3 . 3 Simulatie r3an bet spuitgietproces
Rive au
Onderzoekers:
inatrix6,
C. Sitters, L. Douven, S. Garenfeld, H. Eeijer, R, Hendrik,
De vormgeving van veel kunststo~componenten gebeurt door spuitgieten
van een gesmolten polyipeer (thermoplast) in een gekoelde r ~ a t r i j s , Om nabe- werking van de aldus gevorrade producten te vermijden, worden aan dit
spuitgietproces hoge eisen gesteld a.bet, de ~ a a t ~ ~ ~ ~ ~ e u ~ ~ g ~ e ~ d van het
eindprodukt, Aan deze eisen kin worden w l d a a n door optimalisering van de ~ ~ t r i ~ s a ~ ~ e ~ i n ~ e n en de procescondities,
~ o ~ e ~ g e n o e ~ d e optimalisatie kan experisenteel plaatsvinden. Het steeds opnieuw instellen van procescondities en het fabriceren van telkens andere matrijzen is tijdrovend en erg duur, Vandaar ook dat ernaar gestreef
het spuitgketproces numeriek te simuleren.
$hmx-ieke simulatieprograma's voor spuitgieten zijn op de markt
beschikbaar, Zij vertonen echter alle grote tekortkmingen wat betreft
mogelijkheden, nauwkeurigheid en gebruikersvriende9ijLheid. In h e t kader van
z i j n promotieonderzoek heeft Cox Sitters een programma ontwikkeld, waarmee
het spuitgieten van coi-glexe geometrieh kan worden gesimuleerd [Sitters
(198811, Veel aandacht is daarbij gegeven aan een accurate a n a l y s e van het temgeratuurverloop over de dikte van de matrijs-spleet.
Het werk van Cox Sitters zal worden voortgezet door Lucien Douven, die
de invloed van de visco-elasticiteit van de srcebt in rekening zal brengen,
apparatuur wordt voor een groot deel in eigen beheer ontwikkeld door Sjef Garenfeld.
Als de matrijs gevuld is net gesmolten polymeer, wordt, ter co-ilpensa-
tie van de krimp die tijdens stollen van de smelt optreedt, gesmolter,
polyrieer onder hoge druk aan de Batrijs toegevoerd. Na volledige stolling
zijn er in het produkt kri-npspanningen aanwezig;, die de maatnauwkeurigheid
en de eigenschappen in ongunstige zin kunnen beznvloeden. Bet afstudeerverk
van Rob Hendrik is erop gericht deze ~riBps~anningen te berekenen, Dit
onderzoek wordt uitgevoerd in saaenwerking ïnet het Philips ~ ~ t ~ u r ~ ~ ~ n d i g
Laboratorium.
3 . 4 Analyse van bindin~skrac~ten tussen atomen van macroEoleculen
%i ve au
Onderzoeker :
vezel,
P. v, ilberlo,
Een a r m i d e vezel o€ een verstrekte PE-s;ezel bestaat u i t een groot
aantal evenwijdige, naast en achter elkaar gelegen zcacromoleculen, zoals in
figuur 6 is geschetsl,
Tussen de verscM19ende atorien, die in de figuur zijn weergegeven als bolletjes, werken ~ i n ~ i ~ g s k ~ ~ c h t e ~ = Tusser, de atomen van i?& en hetzelfde
macromolecuul werken de sterke Coulomb krachten, De binding tussen de ver-
schillende macrmoleculen kogt tot stand door Van der Waals krachten. Deze
zijn vee? ininder sterk dan de Coulomb krachten.
P. v, Hierlo is erin geslaagd de krachten tussen de atosen te kaan-
tificeren. De Coulofnb kr-GchLLen z i j n te bepalen m.b.v, de quantuur: aechanica,
Ik Van der Vaals krachten kunnen Tiiet rechtstreeks bepaald worden. Deze
kunnen worden afgeleid u i t de ~ i n d i n ~ s ~ n e ~ g i e tussen de ato-nen van de
verschillende moleculen, die te bepalen is ~ . b * v ~ zoseculaire zechanica, Ln figuur 7 zijn de ~ i n ~ ~ n ~ s e n e r g ~ e ~ n veergegeven als functie van de afstand
tussen de atonen, Als de bindingseaergie gedifferentieer6 wordt naar die
afstand, wordt. d e Van der Vaals kracht verkregen, Eoginaals differentieren levert de karakteristiek Tan de .eer die tussen beide atomen aenwezig k,an worden gedacht [Van Hierlo 14486)
1
e3.5 Murserieke analyse van het mechanisch sedraa van een vezel
Hiveau
Onderzoeker :
vezel,
Y . Termonia (Dei Pont}.
Het Enechanisch gedrag van een vezel kan numeriek worden geanalyseerd.
Een redelijk succesvolle poging daartoe is ondernomen door Y, Termonia. Deze nodelleert eea vezel. als zijnde een verzameling evenwijdig naast en achter elkaar liggende nacromoleculen. Tussen de atomen van de moleculen verken de
bindingskrachten, die in de voorafgaande paragraaf beschreven zijn. Door de
aldus gemodelleerde vezel axiaal te belasten en de resulterende vervorrtling
te berekenen, kan de rnoduáus van de vezel worden bepaald, Berekening van de
vervorming gebeurt m.b.v, een zgn. relaxatieanethode. Vergelijking van de
berekende noduli met experimenteel bepaalde waarden laat een goede overeen- komst zien,
Het ia niet alleen nogelijk 0% de elastíciteitsmoduluc te berekenen.
Ook de sterkte van de vezel kan worden bepaald- Dit gebeurt door op bepaalde
plaatsen bindingen tussen de atomen te verbreken. Vaar dit gebeurt, wordt
bepaald op grond van een statistisch criterius ($Ionte Carlo methode), waar-
bij de lokale elastische energie a l s kansvergrotende factor optreedt, Hoewel
in eerste iristantie defecten in de hele vezel yelnitieerd %orden, zal er &&a na verloop van t i j d zover uitgroeien dat veaelbreuk optreedt.
?Jiveau
Onderzoekers:
vezel I
L . Govaert, L e Steenbakkers.
Bet gedrag van isotrope vezels wordt beschreven door een verband
tusseiz de axiale spanning in de vezel en de axiale rek. Blijkt het vezelam- teriaal niet-lineair, visco-elastisch gedrag te vertonen, dan kan als
In dit model komen een aantal functies voor die afhangen van de aomentane rek o f van de rekgeschiedenis. Deze functionele verbanden Boeten experimen- teel vrorden bepaald. Leon Govaert ert L e Steenbakkers hebben daartoe onder- staande strategie gevolgd [Steenbakkers 1 1 9 8 7 1 1 *
I. Bepaling van de lineaaiteitsgrens.
Er worden een aantal relaxatieproeven gedaan, waarbij sersckillende
stappen in We rek worden opgelegd. De spanning wordt gemeten op een
bepaald tijdstip t gorden de geineten spanningen uitgezet tegen de
voorgeschreven rekstappen, dan treedt bij de zogenaaZ.de Iineariteitc- grens een afwijking op van het lineaire verband.
2. Bepaling van E en A@*
Voor rekken kleiner dan de lineaaiteitsgrens, hebben de functies f o r
El, f
Bunnen dan worden bepaald r8*b.v. een relaxatieproef.
en a de waarde &&n. De constante E en de relaxatiefunctie A@
2
3 . Twee-stags relaxatieproef.
r oor het doen van een twee-stags relaxatieproef is het nogelijk de
functie fo(c(t)l, de fuaictie a(c,(q)) en het product flje(t))f2(c(tj te
bepalen. Bepaling van de functies f l en f 2 afzonderlijk, blijkt niet mogelijk. De nauwkeur~g~eid waarmee de m a r d e van de functie a bepaald kan worden is gering.
3 . 7 Productie van susersterke PE-vezels m.b.v. gelspinnen Niveau
Onderzoeker :
vezel,
Fl- v, Aerle.
Uit een m e l t van polyetheen moleculen kunnen polyetheen-vezels worden
bereid op d e manier, die in figuur 8a is geschetst, Tijdens het afkoelen
treedt kristallisatie op. De uiteindelijk verkregen vezel is opgebouwd uit
pakketten waarin de polyetheen moleculen in opgevouwen toestand voorkomen, Yerschillende polyetheen moleculen maken deel uit van meerdere gaketten: de moleculen zijn met elkaar verstrengeld.
Vanwege de kierboven beschreven configuratie, is de stijfheid van de
PE-vezel erg gering: als de vezel op trek wordt belast! zullen de PE-
moleculen uit de kristallen getrokken worden hetgeen weinig kracht vereist. De stijfheid van de vezel kan worden vergroot door dit "verstrekken" van de PE-noleculen opzettelijk en in hoge zate te bewerkstelligen tijdens het prcductieproces. Het is op die manier mogelijk om een vezel te produceren net een riodulus van 50 GPa. De verstrekkingsgraad is dan 10, Verder ver- strekken blijkt niet te leiden tot vezels met een modulus die, uitgaande van theoretische beschouwingen, bereikt zou kunnen worden. De reden hiervoor is dat de PE-moleculen niet volledig kunnen worden verstrekt, vanwege de eerder genoende onderlinge verstrengeling.
De verstrengeling van de PE-moleculen in de verschilleade PE-kristal-
len kan worden voorkom^^ door bij de productie Bet zgn. gelspin proces toe
te passen. Daarbij wordt uitgegaan van PE-moleculen die zich in een verdunde
oplossing bevinden, zoals in figuur 8b is geschetst, Ha afkoeling van de
geproduceerde rrezel, treffen we de PE-kristallen in het oplosmiddel aan, Ten gevolge van de verdunning is er geen verbinding tussen de verschillende
kristallen. De volgende stap in het productieproces is het verwijderen van
het oplosmiddel, waardoor de concentratie van de PE-kristallen toeneemt. Het verstrekkingsproces dat daarna wordt uitgevoerd, leidt tot een 73ezei Bet een modulus van 150 GPa bij een vers~rekkin~sgraad var, 50, Deze hogere aodufus
wordt bereikt door het ontbreken van verstrengeling tussen de Terschillende
3 - 8 Verbetering van de hechtincr tussen vezel en matrix Hiveau
Onderzoeker :
natrix-vezel F. pilercx.
De mechanische eigenschappen van een vezelrersterkte composiet, worden
in hoge mate Bepaald &oor de hechting van de vezels aan het aatrixmateriaal,
In het algeneen kan gesteld sorden dat de vezels hun versterkende werking alleen dan Kunnen uitoefenen a l s 6eze hechting goed is.
De hechting tussen een FE- o f aranide-vezel en een t h e r ~ ~ ~ h a r ~ e n d e
matrix kan verbeterd worden door het vezeloppervlak te mdificeren alvoreizs
vezels en ixìatrix sa2en te voegen. Dat niodificeren kan gebeuren door het
vezeloppervlak aan te tasten met een sterk zuur, Hoe sterker ket zuur en hoe
langer de inwerkingstijd des te groter de aantasting en des te groter de hechting- En figuur 9a is dit weergegeven. 31s maat voor de hechting geldt
daarbij de kracht die nodig is om een vezel uit de matrix l o s te trekken,
hetgeen gebeurt in eeïi zgn, pull-out proef.
De aantasting van het XJezeloppervlak door het zuur heeft niet allee2 het gunstige effect van een betere hechting. De aantasting heeft eveneens tot gevolg dat de vezel minder s t e r k wordt ikerfwerking), En figuur 9 b is weergegeven dat de treksterkte van de vezel zeer afneemt naarmate het
gebruikte zuur sterker en de inwerkingstijd liinger is.
3 - 9 Gedetailleerde analyse van een o f enkele vezels in de raatrix
Hiveau
Onderzoekers:
vezel-matrix,
L e Govaert, J e v, R i j n *
Eet behulp van de eindige elementen inethode is het mogelijk OR een
configuratie van èèn of enkele vezels in de matrix, gedetailleerd te analy-
seren. Bij verschillende belastingen kunnen rek- en spanningsvelden in
vezel(c) en rnatrix worden bepaald. Daarbij is het mogelijk OE anisotroop
materiaalgedrag en verschillende heehtingscondities in rekening te brengen. Genoemde berekeningen leiden, zeker als parainetervariatie wordt toegepast, tot kwalitatief inzicht in de invloed van verschillende parameters op rekken en spanningril i n vezel(s) en rnatrix.
In het, kader van zijn afstudeerwerk heeft Leon Govaert het mechanisch gedrag geanalyseerd van een glasvezel ( 2 mm lang, 100 pa dik) in een rnatrix San polystyreen. Be orihtatie van de vezel t e o . v . de belastingrichting werd daarbij gevarieerd (Oo, 45O, 90')
werden in rekening gebrac3t. Be berekende spannings- en rekvelden werden
geconfronteerd xiet lichtmicroscopische waarneilingen van het optreden van
dewetting (loslaten) en craze-vorming. In figuur 10 zijn elementverdeling en
spanningsvelden voor een bepaalde situatie weergegeven [&ovaert (1985 1 3 e Zowel geen als goede (volledige) hechting
Joost van Rijn analyseert tijdens zijn afstuderen, het gedrag van een
vezel-Eatrix configuratie waarbij het zateriaalgedrag van de vezel aniso-
troop is, hetgeen in de praktijk voor bv. PE-vezels en koolstof-vezels het
geval is,
3.10 Ontwikkelins van hybride ~ o m ~ o s i ~ ~ e n
Niveau
Onderzoekers: T. Peijs, L . Govaert
~ e z e lr er s tea: k t e kuns t s t of
De vezels die gebruikt ~ ~ r d e n om polyrneren te versterken hebber? zeer
uiteenlopende eigenschappen. Zo zijn PE-vezels webliswaar erg sterk maar
niet erg vormvast t.g.v, de grote visco-elasticiteit, Deze heeft eveneens
tot gevolg dat de vezel veel elastische energie kan opnemen, waardoor de
hpactbestendigheid goed is. Koolstof-vezels daarentegen zijn erg vormvast
maar zeer bros, waardoor de ~ m p a c ~ b e s t e ~ ~ i ~ h e i d slecht is. DOOK in èèn
Bateriaah beide vezels te combineren is het m g e l i j k OB zowel een goede
Formastheid als i~~actbesten~igheid t e verkrijgen.
3 e 11 Reaction injection molding (RI241
Hiveau vezelversterkte kunststof,
Onderzoeker : B, de Jong.
Thermoplasten zullen, in tegenstelling t o t thermoharders, bij tempera-
tuurverhoging smelten. Hierdoor kan vormgeving m.b.v. spuitgieten eenvoudig
gesmolten, de smelt wordt in de matrijs gespoten en vervolgens vindt stolling plaats doordat de smelt in de matrijs afkoelt.
Spuitgieten van thermoharders kan plaatsvinden rneb.va reaction injer-
tion nolding ( R I H ) . Dit is een spuitgiettechniek waarbij de nog niet
gepolymeriseerde monoaeermoleculen in de matrijs worden gespoten, waarna
uitharding en polymerisatie in die matrijs plaatsvindt. Als tegelijk met de
mononeermoleculen vezels worden ingespoten, moet het mogelijk zijn om het
proces zodanig te laten verlogen dat de vezels i n het eindproduct in een
vooraf gespecificeerde oriëntatie terecht komen.
3,12 Bewaling van effectieve parmeters van ijezelversterkte composieten
isiveau vezelversterkte kunststof,
Onderzoekers: H. Wooyackers, E. Douven, V. Courage,
Bij het analyseren van constructies of constructiedelen, die opgebouwd
z i j n uit composietmateriaal, kunnen een aantal werkwijzen gevolgd vordeno
2 .
2 ,
3 .
Er kan een gedetailleerde nuIerieBe berekening viordela elikgevoerd, waarbij geometrie en I~ateriaaleigenschzppen van de afzonderlijke corn- ponenten in rekening aorden gebracht. Dergelijke berekeningen zijn slechts uitvoerbaar voor configuraties met enkele vezels, maar zeker niet voor grotere constructie(s1 idelen).
E r laan een globale analyse van de constructie worden uitgevoerd, waar- bij gebruik g e m a k t wordt van f e n o ~ ~ e n ~ l o g i s c ~ e mteriaalmodellen * Een dergelijk materiaalmodel is een wiskundige relatie tussen spaming en rek (geschiedenis) , afgeieid op basis van c o n t i n ~ ~ m s ~ e ~ ~ a n ~ ~ a en t h e r m o ~ y n a ~ i c a ~ en vereenvoudigd m.b.v. veronderstellingen t.a.v. het
materiaalgedrag, Een dergelijk model heeft als nadeel dat het veelal
een groot aantal materiaalparameters bevat die experircienteel bepaald
moeten worden, hetgeen aoeilijk en soins zelfs onmogelijk is. Een
twe3de nadeel is d a t het model geen informatie bevat over de micros-
copische structuur van het materiaal,
Er kan een globale arlalyse van de constructie worden uitgevoerd, waar-
bij gebruik gemaakt wordt van een structureel materiaalmdel y Een der-
spanningen en gemiddelde rekken - middeling over een klein maar eindig
volume van het materiaal -, afgeleid op Basis van continufimsmechanica,
thermodynamica en statistische overwegingen. De in het model voorko-
%ende materiaalparameters kunnen worden uitgedrukt in de materiaalpa-
raaeters van de afzonderlijke cogponenten en de microgeometrie. Ze worden effectieve paraaeters genoemd, Een groot voordeel van een der- gelijk model is dat de parameters van de afzonderlijke COTfiponenEen eenvoudig expsrimenteel te bepalen z i j n . Een tweede voordeel is dat ket model informatie bevat over de sicrostructuur waardoor het in principe mogelijk wordt om l o k a l e effecten te beschrijven
(bezwi jkanalyse) a Een nadeel y a n de mxenteel bekende structurele
modellen is hun beperkte geldigkeid.
Ter bepaling van de effectieve parameters van een Eacroscopiseh
horrogene composiet. kunnen onderstaande methoden gehanteerd worden ::
I . Statistische i3ethods-B.
De eé Pecrlieve parameters worden bepaald door de ce~~ponenteigenschappen
te beschouwen als random functies van de positie binnen de co%posiet*
2 3 , Kicromechanica methoden.
'Per bepalirLg Tan de effectieve p a r a n e t e m worden zowel Bet gerriddeld rekveld als het gemiddeld spanningsveld in de co?iiposiet. bepaald en :Bet
elkaar geconfronteerd. B i j aeze analyses spelen de ~~aieriaakeigenschappen
van de componenten, de interactie tussen de coanponenten en de m i c r o g e o ~ e t r i e
eeE rol o Een viertal werkwij zen kunnen worden onderscheiden :
II,1. Direkte methoden,
De spanningen en de rekken worden expliciet berekei?d voor eenvoudige gevallen va-n microscopische structuur en materiaalgedrag. Vanvege de v e r doorgevoerde vereenvoudiging hebben de aldus bepaalde effectieve pararceters slechts beperkte geldigheid.
Zen bekend structureel incdel voor kunststoffen d i e versterkt zijn n e t lange I evenwijdige vezels (transversaal isotroop rmt-riaal) is het model Tan
Hashin en Rosen (1964). voor de formulering van d i t model wordt de composiet
opgebouw4 gedacht uit een aantal composiet-cilinders et een kern van vezel-
materiaal en een nuintel van matrixnateriaal, Net model is afgeleid voor het
geva.1 d a t het materiaalgedrag lineair elastisch is en de deformatie
gesrneerisch liiieair- Harris Rooyackers h e e f t dit Itsdel, in het kader van
zijn afstuderen, gefmplementeerd in een eindige elernenten raethode p r o g ~ a ~ ~ a
en gebruikt bij berekeningen waarbij gesaetrische niet-lineariteiten op-
treden [Rooyackers (1984) ]
.
Lucien Bouves href t tijdens z i j n afstuderen het m d e l uitgebreid in die z i n dat zowel vezel a l s matrixmateriaal aisco-elastisch Bunnen zijn. Resultaten vm. een berekening zijn weergegeven i~
figuur 11. B i j het getoonde probleen zijn de vezels elastisch t e r x i j l de
natrix d is co-elastisch is. De ~ ~ ~ n ~ i n g s v e r d e ~ i n g rond het g a t is berekend
voor het geval d a t alle a e z e l s e:jentJijdig aan de belastingrichting liggen en
voor het geval dae ze in v l o e i e n d e lijn langs het g a t liggen, Duidelijk is dat in Bet laatste geval de spanningen lager zijn [Douven f S S 8 7 i 1 ,
Bcven- en ondergrenzen vzn de effectieve parameters aordeo: bepaald
door gebruik te maken van variatieprincipes h i n i m l e potentigle energie i
mininiale c ~ ~ p ~ e ~ e n t a i r e energie)
elastisch materiaaigedrag van de componenten, De microgeometrie mag vilPe-
keurig zijn. Door informatie betreffende die microgeomtrie in rekening t e brengen, kunnen betere b e g r e x i n g e n verkregen worden,
Toepassing is beperkt t o t lineair
De spamir.gen en de regken worden bepaald a i , b . v . numerieke ieen) berekeningen. De berekeningen leiden tot goed bruikbare effectieve para-
.-.eters die grafisch beschikbaar zijn aas f u w t i e van verschillende
~omposaetvariabelen. Complexe a i c r o g e o ~ e t r i e en coaplex (niet-lineair, niet- elastisch) materiaalgedrag vaQ de coxiponenten kan vorden verdisconteerd.
Een voorbeeld vaD d e r g e l i j l e I grafisch wrergegeven e f f e c t i e v e para-
meters is veergegeven i n f i g u u r
12.
De getoonde resultilten komen r!lt de l i t e r a t u u r [Mams , Doner! e11.4. systeem identificatie met ho den^
De e f f e c t i e v e ~ i l a t e r f a a l p a r a ~ ~ e t e r s die m.b.v, een direkte of een benaderingsmethode worden afgeleid, hebben v e e l a l een beperkte geldigheid doordat het voor de afleiding noodzakelijk is dat ket materiaalgzarag l i n e a i r e l a s t i s c h en de Beforriatie geoïnctriseh l i n e a i r is, Ook de langs numerieke weg verkregen, grafisch geiepresenteerde parameters kennen beper- kingen i n d i e zin dat i n een p l a a t j e n i e t ineer dan t w e onafhankelijk t e varikken co~~pcnenteigenschapge~ optreden,
On t e kamen t o t analytische ~ ~ i t ~ ~ ~ ~ k ~ n ~ e n voor de cornpcsietparaaeters
iaas functie van co~ponenteigenschappen, kan gebruik vorden gemaakt vari zgn,
s y s t e e ~ ~ i d e n t i X i c a t i e t e c ~ ~ ~ e ~ e ~ * De beperkingen d i e eerder genoeml zijn
m e b e t e de bestaande structurele m d e l l e n k u n ~ e n vorden vermeden, Zo is h e t
i n principe niogelijk dat het sateriaalgedrag van de ~ ~ m ~ visco- ~ n e ~ ~ e ~ e l a s t i s c h is en de d e f o r m t i e geometrisch niet-lineair. A l s onafhankelijke
parameters Kunnen behalse materiaai@igeaschappen an de conponenten en hun volumefracties, ook grootheden voorkomen als lengte-diarileter ve~houdiag van vezels en hechtingsparameters. Op langere termijn is 3 e t ~se:ficht mogelijk oz bezwijkcriteria i n de m ~ d e l l e n in Ce boutren, Het onderzoek wordt als promotieonderzoek uitgevoerd door %la Courage,
Be t e volgen werkwijze is schematisch weergegeven i n f i g u u r 13,
Allereerst norden de e f f e c t i e v e paralileters 8 . t i = l a e n ) geschrreyen als
functie van de colatponent-, geoBetrie- en hechtingseigenschagpen x ( j = l . e ~ 2 ) :
k
I
j
Hoewel h i e r als moaellering een l i n e a i r e combinatie van x gekozen is, z a l
d i t i n veel g e ~ a l l e n geen verstandige keuze blijken, De parameters a d i e i n h e t -nodel voorkomen, moeten worden bepaald. Hiertoe wordt een representa-
t i e f deel van het composietmateriaal twee keer doorgerekend. Een keer
gebeurt d i t zeer gedetailleerd, dus met volledige modellering van de m i c r o - g e o m t r i e en rerdiscsntering van de componenteigenschaapen. ;De andere keer
j
gebeurt dit met gebruihaking van de ef€ectiei;e parameters waarbij wordt
uitçegaan van een beginschatting 8oor de onbekende paraineters in 'net eerder
genoemde aodel. De resultaten van beide berekeningen worden met elkaar
vergeleken en zullen in eerste instantie niet overeenstemmen, hetgeen PetekeDt dat de iaitigle keuze van de paraneters n i e t correct was. %et
behulp van technieken uit de systeemidentificatie kunnen de paraineters op
eificignte manier zodanig vorden aangepast dat de resultaten van beide be-
rekeningen na enkele aanpassingen overeenkomn.
Bij de bovenbeschreven werkwijze rijzen een aantal vragen, d i e van
groot belang zijn. Allereerst is er de keuze van het midel : welk Bodel
moeten we kiezen, zija alle component- en interactieparameters e'iren
belangrijk?. Dan de vergelijking van de resultaten van de beide genoemie
berekeningen : welke berekeningsresultaten moeten met elkaar vergeleken
worden? Is het bijvoorbeeld voldoende om alleen de vervorming van de rand
van de configuratie te bekijken? Tenslotte is er de
algoritme m e t worden gebruikt 0% de pararileters a
ij
In het onderzoek ~ i o r d t in eerste instantie de
belangrijke vraag weik
t e bepalen?
aandacht gericht op
statistisch isotrope composieten (bolletjes OP korte, willekeurig verdeelde
vezels) ~ e t lineair elastisch materiaalgedrag van de componenten, Een riiodel
voor de effectieve parameters wordt in dit eerste stadium niet geformuleerd. De aandacht kan in dat geval. -crolledig gericht worden op het al-yoritae ter
bepaling van de parameters ct en de keuze van de te vergelijken data.
ij
ûwi ruiee verspreiding t e bevorderen zal de te mtsikkeden software
a o r d e ~ ~ e ~ ~ ~ ~ e ~ ~ e n t e e r d i n het EEK-pakket DIA33, dat sedert I972 in ontwik- keling is b i j TPSO/IBBC. Ondat THO het belang vasa dit onderzoek hoog acht, zorgt zij voor financiering onder voorwaarden die contractueel zijn vast- gelegd e
3,13 Onderzoek naar ei; simulatie van cumulatieve schadearoei Hiveau
Onderzoeker :
Fezelversterkte kunststof, Fl. ?aas.
$15 Tezelversterkte aeabranen aan wisselerlde belasting worden onder-
worpen, waarbij bovendien plooivorríhg optreedt, ontstaat na. enige t i j d schade, zovel inters: als aan d e opyerrlakte. Ye aldus ontstane i n i t , i & l e
schade kän de mechanische eigenschappen viin ket membraan aanzienlijk
befnvloeden en uiteindelijk tot bezwijken leiden.
Doel van dit onderzoekproject, dat a l s promotieonderzoek wordt uiïge- w e r d door Eichel Paar, is het formuleren van een mathematisch model voor de microscopische, initiële schade (n.b.v. cmtinuüm damage mechanics).
Effecten van de schade op de mechanische eigenschappen van het membraan oet ten worden onáerzocht 1a.b.v- de eindige elementen !nethode. Een en arider moet ivorden geverifieerd e t experiraentele gegevens,
Het onderzoek naar de gevolgen van schade moet beiden t o t kwalitatief inzicht in de invloed van de belasting en de effecten van c u m l a t i e v e
schadegroei, Uiteindelijk moet dit Zeiden t o t formuleren van een aantal
criteria, die gehanteerd kunnen worden bij het optimaliseren van een hart-
klepprothese.
3.54 Experimentele verificatie van ontwikkelde ~ r o ~ ~ ~ ~ ~ m a t ~ u r en geformu- leerde m ~ t e ~ i a a l m ~ d e ~ l e n
Hiveau vezelversterkte kunststof,
Onderzoekers: Ta. Govaert, T. v,d. Laan, T, v. Hout, R, Rendrilas, T. P e i j s ,
Als een nieua s t u k software is ontwikkeld, z a l het in veel gevallen nodig zijn de numeriek verkregen resultaten te toetsen aan experiinenteel
verkregen gegevens. Dit is zeker noodzakelijk als het gaat oa een nieuw
geformuleerd materiaalri:odeb menteed i s .
dat in csmerci@le p r o g r a ~ ~ ~ a t ~ u ~ niet gefinple-
3.15 Bepaling uan materiaalmiai-.eters n?,b,v. systeemidentificatietechn~eken
Hiv e a u vezelversterkte kunststof,
Onderzoekers: G, peters, I$. Henariks.
Vezelversterkte kunststoffen zijn vaak anisotroop m d ä t de vezels een
bepaalee origntätie hebben, dit ter verkrijging van speciale aechanische
eigenschappen. Dergelijke mterialen 7~erto;len bovendien vaak visco-elastisch
nlodellen vaarzee het gedrag %an dergelijke ::ateriden wordt beschreven, be- aattea ïïaak veel materiaalparaneters i die afhankelijk zij;? jan xioaentane
servormingstcestand eE van vervormingsgeschiedenis- Dergelijke materiaal-
groothe6en zijn niet meer te bepalen :fi*b*ï3. de bestaande experimentele
technieken (trekproef, torsieproef). Deze kunnen slechts gebruikt worden ter
bepaling van enkrle materiaalparameters bij homgeen siateriaalgedrag.
B i j het bepalen van genoemde materiaalfuncties kan gebruik w x d e n gemaakt van systeemidentificatiemethoden, Eeai bepaald, willekeurig te kiezen experiserit ~ ~ daarbij nurfieriek d t gesiaulerrd e Bij die simlatie wordt >et
materiaaiinodel. gebruikt, waarvan de materiaalgrootheden Bepaald moeten
worden. Uitgaande van een initiEle keuze, worden de materiaalgrootheden
stapsgewijs zodanig aangepast dac uiteindelijk de resultaten an numerieke
sitnulatie en experiment overeenkomn. Onderzoek naar en operationeel %aken
van deze cechnieken, vindt plaats in het kader an het promotieonderzoek va2 %ax Hendriks-
Bij bovengenoemde EerkVij ze wordt voor de bepaling VZin de vervarmings- toestand in het sateriaal, gebruik G e m a k t van optische rekmeting. Een der- gelijke irierkwijze is ontwikkeld door Gerrit Peters [Peters (1987?3.
3-16; Het fabriceren, beproeven en analyseren van lasinates
Hiveau
Onderzoeker :
laminaten, T. Teijc.
Z o a l s we eerder hebben gezien, worden vezelversterkte kunststoffen
vaak gebruikt in de vorm van een iaisinaat : een stapeling van vezelversterk-
te membranen (de lamina's). De eigenschappen van een dergelijk me~braan wor-
den in hoge m t e bepaald door de materiaaleigenschappen van de samenstellen-
CLe componenten en door de wijze waarop het laminaat is opgebouwd. Analyseren van de aechanische eigenschappen gebeurt op basis van lineaire p l a a t b t i i g -
theorie. Daarbij is gebruik an nuixeriek gereedschap noodzakelijk vanwege de
grote hoeveelheid eleiwni-air rekenwerk. Ook voor de bepitding van de uitein-
delijke materiaaleigenschappen is software nodig en voorhanden. Het is zaak
OEI gemeirde rekentechnieken en bijbehorende softsare operationeel te maken
binnen de TUE. Dit is noodzakelijk t,D,v+ het construeren ziet vezelversterk-
8 i g enig gevoel voor het materiaal te ontwikkelen en ook om be-reke-
ningsresultaten te kunnen verifigren, is het noodzakelijk dat laminaten ex-
perimenteel beproefd kunnen worden. De mogelijkheden daartoe worden mmen-
teel geschapen, De b i j de experimenten benodigäe proefstukken moeten in
eigen beheer worden vervaardigd. De mogelijkheden daartoe zijn aanwezig en
worden moaenteel uitgebreid.
Niveau cOr?strUctie,
Onderzoekers: 9. Horsten, E * Paas, L. Wouters,
Ha een langdurige samenwerkirg tussen de 'SEE er? de RUL (1975-1981):
waarin in het kader van drie promotieonderzoe~en de ~ ~ d r o ~ y n a ~ ~ i s c ~ ~ verkblag e.n de s p a ~ ~ i n ~ s ~ e ~ ~ ~ e ~ e ~ d e znechanisaen i n de natuurlijke aortaklep z i j n
bestudeerd, wordt sinds 1981 net STV-steun het ontwerp van een verbeterde ~ a ~ ~ k ~ e p p ~ o ~ ~ e ~ e rneî kunstmatige vezelversterkte viliezen nagestreefd. Ir_ het
kader van dit onderzoek is de aandacht net n a ~ e gericht geweest op de Iiiecha- nische analyse van de gesloten vliesklepprothese. Up basis van nuaerieErie
modellen zijn concrete oniwerpspecificaties geformuleerd. Tevens zijn
proced4s voor het maken van vliesnaîerialen ontwiirkeici en beproeEd, waardoor
het aogelijk is secl-ianische eigenschappen aan de vliesmatrix en de vezels
voor t e schrijven. Dacarnaact i s , met name aan de RUL, r u i m ervaring opge- daan % e t het onderzoek naar calcificatie van bioprothesen in proefdierer
[Van Steenkoven ( 1 C 7 9 ) , S a m e n iI.9811, Rousseau (198511. Met ~nderhzvige
vervolg-project behelst de finale vomgeving van de klep. % e t name moet nog
onderzocht worden:
-
In hoeverre het openen en cluieen 7ié;n de klep aardeiding geeft t o tandere ontwerpspecificaties dan die welke u i t ket nu afgesloten cn8erzoek
z3an de gesloten klep volgen, Deze specificaties zullen de basis Boeten zijn voor de ~ ~ o o r o n ~ ~ ~ i k k e l i ~ g van eea n i e u w klep (praimtieonderzoek van Joost Korsten).
-
g a t de relatie is tussen SereidingstecnnieRen, vezeleigenschappa2 enhechting enerzijds en de chewisch-fysische en mechanische eigenschappen van
de sliesi?aterialen anderzijCs
-
In feite wordt nagestreefd O M bij gevraagdeen vezel lay-out, dat zo goed mogelijk aan die gwenste eigenschappen wordt voldaar, (promotieonderzoek van oichel Paas).
-
Aan welke eisen voldaan moet z i j n ten behoeve van de bloed-compatihi-liteit van met n a m polyusethaan. Aangezien het tegengaan van calcificatie
essentieel is, zijn daarbij dierexperimenten noodzakelijk.
3.18 Afdichtingen
P ! i ve au constructie,
Onderzoekers: %. Stakenborg, L. Govaert, A. Kanters, %eyer.
Doel van dit project i s , oi-. d,m.v, fundamenteel theoretisch en experi- nenteel onderzoek te komen t o t ontwe~pgereedse~apper? en construetiericht-
lijnen WOK het optimaal ontwerpen van kunststof afdichtingen. Deze groep
va3 functie-elementen is op dit moment een van de meest kritische ten
aanzien van levensduurbeperking va31 werktuigen. Hoevel hiervan grote
aantallen worden geproduceerd is het mechanisme, op groncb waarvan afdicol-
tingen functioneren, nauwelijks bekend. Daardoor wordt gewoonlijk op grond
van "goed fysisch gevoel" ontworpen. Dit zou sleehts b i j toeval kunnen
leiden t o t een optimaak ontwerp rret goede afdichtende eigenschappen, zo laag
mogelijke wrijving en slijtage en zo groot mogelijke levensduur.
Een eerste vereiste is dat inzicht wordt verkregen in het afdiehtings-
Dechanisme, zodat het fysisch ir,odel waarop de werking berust, wordt begre-
pen. De invloed van parameters als: snelheid contactdruk, smeermiddelen I
oppervlaktegesteldheid en vooral materiaaleigenschappen wor8t onderzocht.
Gestreefd wordt naar een mathematisch model van het afdichtingsmechanismz, met name van de relatie tussen tribologische verschijnselen en materiaal- eigenschappen in het contactvlak tussen afdichting en as, zodat hieriBee b i j
eer? gegeven corrbinatie van bedrijfsparameters een optimale constructie kan
worden verkregen.
De kunststof afdichtingen die hier worden bestudeerd, zijn, op grond
van de optredende verschijnselen i n het eontactvlak, ingedeeld in drie
groepen:
-
Lipafdichtingen voor roterende beweging b i j lage druk. Eier is in veelgevallen een hydrodynamische smeerfilm aanvezig. D i t deelproject wordt als
-
Hogedruk-afdichtingen voor langzame rotatie of translatie vaarbij geen smeerfilm wordt opgebouwd. Kruip en relaxatie van h e t materiaal evenals slijtage spelen h i e r een belangrijke rol.-
Hogedrua-afdlchtlngen voor translerende beweging waarbij een elasto-hydrodynaxische snteerfilri! wordt opgebouwd: de zgn. hydraulische stang-
afdichtingen, D i t deelproject wordt als promotieonderzoek uitgevoerd doer
Arno Kanters..
Als onontbeerlijke ondersteunende activiteiten zijn aan deze projecten
verbonder? resp, in deze projecten opgenomen:
-
Het bepalen van de mechanische eigenschappen van de toegepaste kunst-stoffen (L. Gooaert).
-
Het ontwikkelen en toepassen var? opgedaapte microsensoren voor hetmeten van contactdruk, temperatuur en smeerfblfndikte in het contactvlak
tussen afdichting en as. Hiermee worden belangrijke parameters in de ont-
wikkeide modellen gecontroleerd Ififeyer).
-
Bet ontwikkelen en toepassen van eindige elerF.enten rekengereedschappenvoor het bepalen van spanningen, vervormingen en ter~pera&uurverdelin~en in afdichtingen bij gegeven materiaalmadellen EH. Rooyackers),
De combinatie van deze deelgebieden heeft al geleid tot belangrijke
nieuwe inzichten in de modelvorming van afdichtingen, Voor roterende lip-
a f d i ~ ~ ~ i n g e n met lage druk, evenals voor translerende hoge-druk afdichtingen ~ . i e r d een proefopstelling ontworpen en gebouwd waarin de ontwikkelde nodellen worden getoetst.
3.19 Ontvera van een kunststof wedstrijdroeiboot
Hiyeau
Ond-erzoeker :
constructie I A. Oomen,
Boten oor wedstrijdroeien worden geaaakt van hout of van een combina-
tie van hout, aluminium en vezelversterkte kunststoffen. %ie kunststoffen
worden alleen gebruikt voor de huid. De traditioneel gebouwde spantconstruc-
tie is opgebouwd uit hout en aluminium,.
Aan een goede wedstrijdboot worden hoge eisen gesteld m . b . t . stijfheid
(hoog-), sterkte (groot) en gewicht (laag). De traditionele constructies en materialen kunne:: aan de gestelde eisen slechts korte tijd c el doen, De grote
belastingen die op de boot werken tijdens h e t roeien en de hoge snelheden die daarbij aorden bereikt, hebben tot gevolg dat de mechanische eigenschap- pen van de boot snel ~ i r a d e r goed worden.
Een boot die volledig is opgebouwd uit vezelversterkte kunststoffen
kam wellicht beter en vooral ook langer aan de gestelde eiseil voldoen. Omdat
wordt afgezien van een uit hout of aluri?iniua opgebouwde spantconstructie, zal het hele ontwerp opnieuw moeten worden geinaakt. Wet is daarbij van groot belang om vanaf het begin rekening te houden inet de specifieke eigenschappen
van de te gebruiken larchaten en rciet de fabricagemogeSajkheden~
Ad Oomen z a l tijdens z i j n afstuderen een eerste aanzet geven om tot het nieuwe bootontwerp t e konen. Aandacht gaat daarbij u i t naar de wijze
waarop de rigger-krachten op de bootconstructie %orden overgedragen,
bevestigingspunten van de riggers aan de laminaathuid zullen in detail
worden geanalys2erd. B i j de opbouw van de boot u i t larciinaten, zal worden volstaan Bet globale berekeningen en het gebruik van "gezond verstand".
3 , 2 Q Optinalisering van een kunststof vliegwiel voor hose toerentallen
Hiv e a u constructie,
Onderzoeker : k! e ~ o u p p e ~ ~ n a n s o
Vliegwielen kunnen woardeil gebruikt OR energie in op te slaan en 02
deze, indien gewenst, weer af t e staan aan een of ander lastproces. De
kinetische energie die in een rliegwiel is opgeslagen wordt gegeven door:
waarbij p de soortelijke massa van het wie7 is, n het toerental ( t / ~ i n ) ~
d de dilktcr, Ru de bultenstraal en R . de binnenstraal, Er is hierbij
vanuit gegaan dat het wiel cilindrisch i s en uit &&n en hetzelfde, homogene materiaal bestaat.
1
Als de energie, die moet wordsn opgeslagen niet al t e groot is, worden
i.h.a. vliegwielen van staal toegepast. !dil. sen grote hoeveelheden energie
opslaan dan kan men het %iel groter maken en/of harder laten draaien. B i j
afmetingen zodat hoge toerentallen vereist zijn. Omdat tijdens het rond-
draaien grote radiale trekspanningen in het materiaal optreden, kunnen ook
de toerentallen niet zo groot zijn als wellicht itîenselijk is. Een bijkomend gevaar aan metalen wielen is dat bij onverhoopt bezwijken, de weggeslingerde brokstukken een verwoestende werking hebben,
Door toepassing van vliegwielen die geaaakt zijn van vezelversterkt kunststof, kunnen een aantal van bovengenoemde bezwaren worden ondervangen. Boor de grote treksterkte van de gebruikte materialen, kunnen hogere toeren- tallen worden gerealiseerd, zonder dat bezwijken optreedt. Om deze bezwijk-
grens naar extreem hoge toerentallen 11'9000 /min) te verleggen, kan tijdens
de fabricage van het wiel, een radiale d r u ~ s ~ a n n i n g worden aangebracht, die de centrifugale t r e k s p a ~ ~ ~ ~ n g tegenwerkt. Zou er toch nog bezwijken optreden,
dan heeft dit geen desastreuze gevolgen, omdat de kunststof in dat geval
verpulvert. Bijkomend voordeel van z o ' n wiel, voor toepassing in voertuigen, is het lage gewicht.
Bij i n ~ e ~ i e ~ r s ~ u r e a u CC-I worden af enkele jaren vliegwielen gemaakt
door opvikkeling van glasvezel, zoals in figuur 14 is weergegeven, Het
gebruikte sateriaal is een baad die bestaat tiit glasvezel, bij elkaar
gehoudm door dunne katoenen draadjes. Tijdens het opwikkelen wordt in het wiel eer, radiale drekspanxing ~ a ~ g e b r a c h t ~ door gedurende het wikkeleiz aan de glasveaefband te trekken.
De glasvetelband is vooraiezl an een vloeibare epoxy-hars, Vanneer het
wiel gewikkeld is, word-t deze h a r s uitgehard bij een ternperatuur van ca,
120' C, @a dit uitharden dat gedurende enige uren in een oven plaatsvindt, is de tijdeEs het wikkelen aangebrachte v o o ~ ~ p a n n i n ~ zo niet geheel dan toch wel ia zoverre verdwenen dat het theoretisch te berekenen grenstoerental niet wordt gehaald.
er van zijn afstuderen zoekt Vim ~ o ~ p ~ e ~ ~ ~ a n s naar de oorza-
ken 57an deze sterke vern.indering van de noodzakelijke voorspanning. Een
aantal hypothesen xordt experimenteel en mx3elmitig getoetst, Uiteindelijk
doel is om het fabrlcageproces zodanig aan te passen dat de voorspanningen
4. Stage- en afstudeeronderwerpen
I n d i t hoofdstuk zullen enkele stage- en afstudeeropdrachten worden geformuleerd. Ze zijn bijna allemaal op t e vatten a l s deelonderzoek b i j een der projecten d i e in het voorafgaande hoofdstuk geformuleerd zijn,
Bepaling van vezeleigenschappen ìn,b.v. nuaerieke simulatie
Het mechanisch gedrag van een vezel kan numeriek worden geanalyseerd. Een r e d e l i j k succesvolle poging daartce is ondernoaen door Terrrionia. Zoals reeds beschreven i n hoofdstuk 3 , $todelleert deze een vezel als zijnde een verzameling eT;enwijdig naast en achter elkaar laggende Eacrornolecuien. Tussen de atoaen an èèn riiolecuul. werken sterke Coulomb krachten. Tussen de atoicen van verschillende aoleculen werken de veel zwakkere Van der Waals krachten. Boor de aldus gemodelleerde vezel a x i a a l t e belasten en de resul- terende vervorining t e berekenen, kan de nodulils van de vezel worden
berekend, Door ~ i c ; een s t a t i s t i s c h e methode verbindingen tussen irtomen t e
v e r b r e k e ~ , kan d e bezwijksterkte Fjorden bepaald.
De resultaten van I’eraonia zijn veelbelovend, ook na vergelijking a e t exgerirrentele resultaten. De nianier waarop hij z i j n berekeningen uitvoert,
is echter niet erg dui6eiijk.
Het l i g l . voor de ‘nand o~n de numerieke s i a u l a t i e van het vezelgedrag u i t t e voeren foeh.v* de eindige elementes methode, Be atosen van de wcro- rroleculen waaruit de vezel i s opgebouwd, kunnen dan worden opgevat a l s
knooppunten van veer-elewenten inet een niet-lineaire veerkarakteristiek, d i e de bindingskrachten representeert,
Experimentele v e r i f i c a t i e v, e. :imteriaalmodel Iis’oor cowosieten
Zoals in hoofdstuk 3 beschreven is, heeft bucien Douverr i n het kader van z i j n afstudeerwerk een 2-E membraan eleEent ontwikkeld, waarbij vezels enlof natrix visco-elastisch gedrag kunnen vertonen. De ntlnierieke resultaten d i e 3-b.v. d i t element verkregen worden, z i j n experimenteel geverifieerd door Rob Hendriks. De resultaten van s i a u i a t i e en experiritent kwaaen i n essentigle gevallen niet mat elkaar overeen. Conclusies s e b s t e nuaeriek model e n / d esperizegt kannen echter niet porden getrokken; mdat Plet b i j
het experirnent gebruikte %ateriaal niet erg geschikt is gebleken, Be experi- menten z u l l e n in het kader van een s t a g e inoeten worden herhaald,waarbij eerst een geschikt materiaal gezocht m e t worden.
Een 3-0 weinbraan element net FJisco-elastische vezefs/matrix
Zoals in hoofdstuk 3 is beschreven heefc Lucien Douven een :fiembraan
element ontwikkeld rrtet transversaal isotroop materiaalgedrag, De vezels en/of de matrix kunnen daarbij visco-elastisch z i j n . De vervorming mag
eveneens groot zijn, maar vindt plaats in het platte vlak waarin het onver- vormde ~ e m ~ r a a n gelegen is. Wet membraan aordt daarom 2-D genoemd. De brui&-
baarheid van dit element z a l aanzienlijk toenemen a l s ~ e r ~ o r ~ i n g e n en ver- plaatsingen in de 3-D r u i ~ t e kunnen worden beschreven, Te denken valt aan de
simulatie van hartkleppen en hartkle9-vlaesprothesen.
Een membraan element met korte, ~ i l l e k e u r i a verdeelde, anisotrope vezels
In veel sezeiversterkte kunststoffen sforden korte ITeZeh toegepast d i e
willekeurig georignteerd zijn. Vanwege de gelijknatige verdeling van de vezels en hun willekeurige oslentatie, z i j n dergelijke miterialen macrosco-
p i s c h (ook : statistisch) hornogeen en isotroop. Het ~ a ~ e ~ ~ a a ~ ~ e d r a ~ zal
echter in hoge Date bepaald worden door de eigenschappen van vezel en mtrix
en door hun interactie (hechting) De twee effectieve % a ~ e ~ i ~ a ~ ~ ~ ~ ~ ~ n e t e r s
(1-
en v 1 die hek gedrag van de macroscopisch isotrope c o ~ p o s i e t beschrij-v e n , zu?%lea op een nog onbekende b . j i j ze afhangen van de eomposleteigensckap-
pen en de interactie tussen de cornponenLen. Ter bepaling van het functionele
verband tussen coinposiet- err co~nponenteigenschappen, kunnen systeemidentifi- catietechnieken soi-den toegegast (zie hoofdstuk ? i
2 3;
B i j een bepaalde keuze van co~~ponenteigencchappen en Interactiegedrag
als expliciete functie van de componenteigen-
*
*
is het n i e t nodig OB E
schappen te bepalen. Het is mogelijk cm de marde van deze parameters
nuaeriek te bepalen en wel door het achtereenvolgens uitvoeren van de
volgende EZ12 berekeningen : 1-
en v
Analyse say1 &n vezel in de omingende m t r i x . Door deze berekening
d r i e zateriaalparameters d i e het trans7ersaal isotroop gedrag van de configuratie beschrijven, worden bepaald.
Gedetailleerde analyse van een configuratie iaet %eerdere willekeurig g e o r i b t e e r d e aezels. De configuratie ~ o e t zodanig worden samengestzld dat het gedrag mcroscopisch isotroop is. Door vervorningen en beias-
tingen aan elkaar t e relateren, bumen E en v worden bepaald,
2.
5
*
Literatuurstudie naar scheurinitiatie b i j kunststoffen
Zet bezwijkgedrag van kunststoffen en sen. composieten is van groot
belang- D i t bezi:Fljken speelt zich a i i n verschillende stadia, a l l e r e e r s t z a l e r ergens een defect o n t s t a a n ( s c h e u r i n i t i a t i e ) . Vervolgens za3 oneer
bepaalde condities d i t defect verder aangroeieia ischeurvosrtplanting), waarna bezwijken Ban constructie of onderdeel kan optreden ills de scheur n i e t ophoudt net groeien (crack-arrest) e Op w l k e w i j ze cumulatieve schade
door Bet uitgraeien van vele c o n t i n ~ e 2s'r"ecten de aechanisck eigenschappen van een coriiposiet kan hebivloeden, wordt u.itg-ezocht door Kickel Paas. Bet onsman: :;an de schetlren (scheurinitiatie! is echter i e t s waazovel: n i e t veel Eet zekerheid bekend is,
In het kader van een stage rioet ern literatuuronderzoek worden ver- r i c h t orii t e achterhalen, welke c r i t e r i a e r z i j n voor het octstaan van
scheuren.
Delaminatde van laainaten onder drukbelasting
Eei. v e e l vooikor~ende bezwijkvosn b i j i a ~ i n a t z n is delaminatie : het loslatebi s?an de laiixinas s 'rraaruit ket laainaat is opgebouwd. Belaminatie kan
optreden wanneer een Iai%ii-iaat i n z i j n vlak op druk wordt b e l a s t . Het is daa op t e vatten a l s een lokaal optredende i n s t a b i l i t e i t di2 aanleiding kan
vozmen t o t globaal b e z w i j k e n van de ~ o n s t ~ u c t i e , Yoor het ont~rergen van dun-
wandige constructies, waarbij vezelversterkge laz:inaten veelal worden toege- past, is G i t aspect van groot belang.
B s p a l i n g van de gliidingszcdulus var, coinposleten
ezelv versterkte kunststoffen (composieten) z i j n i.h.a. anisotroop w a r s o o r de materiaaleigenschappen richtingsafhankeli j k z i j n e Voor
transversaal isotrope aaterialen moeten v i j f materiaalparameters worden bepaald (betrokken op de maieriaal-hoofdrichtingen) o i ~ h e i mteriaaigedrag volledig t e karakteriseren. Trekprosven aileen bieden h i e r geen u i t k o i ~ s t meer; voor de bepaling van de zgn, longitudinale g l i j d i n g s m d u l u s zoet een
andere meting worden verricht- Hiertoe z i j n i n de afgelopen decennia verschillende afschuifproeven ontwikkeld. B i j experimenteel onderzoek aan composietmaterialen bekoren een of iaeer viln deze meetmethoden t o t de s t a n d a a r d ~ i t ~ ~ ~ s t ~ ~ g van eea laboratorium. Daaroa is dan ook de volgende opdracht geiori~i,uleerd:
-
Literatuurstudie met daarr:it voortvloeiend een o~erzicht van debestaan& afschuifproeven met I?un voor- en nadelen.
Ontwerpen .Jan eer, of aerrdere opstellingen op basis van in t-e literatuur beschikbare gegevens.
Uitvoeren \Tan z e t i n g e n b.v. de oztworpen opstelling,
~ n t ~ ~ i ~ ~ e l i n ~ van een expertsysteem voor het construeren met v e z e l n x c t e r k t e kunststoffen
Tot op heden wordt het construeren ziet cosposieten gekenzierkt door een
hoge rrtate van ervaring. Hoewel., zoals eerder is Betoogd, het empirisch werken t e r r e h zal serliezen ten koste van het analyseren en optimbiseren
tli.b,v. numeriek rekengeieedschap, b l i j f t een grote vakkennis ea inzicht
vermoedelijk een belangrijke rol spelen, Het zou een goede zaak z i j n a l s de b i j enkele experts aiinwzige kennis op d i t gebied beschikbaar zou kolrea. fie recente ontwikkelingen op h-t gebied vân de expertsystemn doen de hoop toe-
nemen d a t i e t s dergelijks, zij het in beperkte mate, t o t de ~ ~ ~ ~ e l i ~ k h e ~ e n gaat behoren, f i l s a f s t ~ d e e ~ o ~ d ~ a ~ ~ t zouden deze mogelijkheden :Boeten worden
onderzocht. Wiet alleen een bestudering van expertsystemen z a l iiioeten plaatsvinden , miar ook zullen de constructieregels op een r i j tj e moeten worden gezet, d i e gevolgd moeten norden bij het construeren van bepaalde
