heitz thomas

8/20/2019 Heitz Thomas

1/110

Universitatea „TRANSILVANIA” din BraşovFacultatea de Inginerie Mecanică Şcoala Doctorală Interdiscipinar ă

ThyssenKrupp Presta AG

Autor:

Dipl.-Ing. (FH), BEng (Hons) Thomas W. HEITZ

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Performanțele fizico-mecanice ale pieselor din materialecompozite utilizate pentru coloana de direcție a

autovehiculului

The physical-mechanical properties of structural compo-nents made of fiber composite materials in the application

of steering columns in cars

Conducător ştiinţific:

Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU

Braşov 2013


2/110


3/110

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

Universitatea Transilvania din Brașov Bd. Eroilor 29, 500036 Brașov, Romania, Tel/Fax: +40 268 410525, +40 268 412088

www.unitbv.ro __________________________________________________________________

ANUNŢ Vă aducem la cunoștință că în ziua de marți, 24.09.2013, ora 12:00, în Sala U II 3, în AulaUniversitătii, la FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ, va avea loc susținerea publicăa tezei de doctorat intitulată:

PERFORMANȚELE FIZICO-MECANICE ALE PIESELOR DIN MATERIALE COMPOZITE

UTILIZATE PENTRU COLOANA DE DIRECȚIE A AUTOVEHICULULUI,

elaborată de domnul ing. Heitz, W. Thomas în vederea obținerii titlului stiințific de DOCTOR, în domeniul INGINERIA MECANICA.

Comisia de doctorat, numită prin ordinul Rectorului Univestății Transivilvania din Brașov, nr.5924 din 16.07.2013, are următoarea componență:

PREŞEDINTE: Prof. univ. dr. ing. Ioan Călin ROSCA Decan Facultatea de Inginerie Mecanică Universitatea „Transilvania” din Brasov

CONDUCĂTOR STIINȚFIC: Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU Universitatea „Transilvania“ din Brasov

REFERENȚI: Prof. univ. dr. ing. Peter KUCHAR HTWG Universitatea de Stiințe Aplicate Konstanz,Germania

Prof. univ. dr. ing. dr. h.c. Paul GÜMPEL HTWG Universitatea de Stiințe Aplicate Konstanz,Germania

Prof. univ. dr. ing. Eugen Mihai NEGRUS Universitatea „Poltiehnica”din București

Vă invităm să luați parte la ședința publică de suținere a tezei de doctorat. Aprecierile dvs. Asupra rezumatului tezei de doctorat vă rugăm să le transmiteți până celtârziu cu o zi înainte de data susținerii autorului, la adresa dee-mail: [email protected]


4/110

În varianta scurtă a tezei de doctorat sunt redate cele mai importante rezultate precum şiconcluziile cercetărilor făcute în cadrul acestui doctorat care au condus la elaborarea unei

metode originale pentru dezvoltarea, proiectarea şi elaborarea de noi tehnologii de fabricaţiepentru piesele din structura de rezistenţă cu proprietăţi fizico-mecanice performanteexecutate din materiale compozite cu fibre de carbon.

Aplicaţiile specifice precum şi testele au fost realizate în mod exemplar pe seama unor piesedin structura coloanei de direcţie destinate autoturismelor. Autorul tezei activează în calitateasa de „Şef seviciu proiectări perspectivă” în acest domeniu având acces la cele mai modernelaboratoare şi instalaţii de testare. Încercările şi testele interprinse au condus la proiecte caredemonstrează cu succes folosirea acestui material modern şi competitiv.


5/110

Cuvânt Înainte

II

Cuvânt Înainte

Prezenta lucrare a fost elaborată pe durata activității mele de conducere a activității secției”Vorentwicklung und Technik Lenksäulen” (Dezvoltare prealabilă și Tehnica Coloanelor deDirecție) a firmei ThyssenKrupp Presta AG și în calitate de doctorand al UniversitățiiTransilvania Brașov, Romania în intervalul de timp, vara 2010 până în toamna 2013.

Mulțumirile mele speciale sunt adresate conducător ului meu de doctorat ,domnului profesorDr.-Ing. Anghel Chiru precum și domnului prof. Dr.-Ing. Peter Kuchar pentru îndrumare șisprijin pe întreaga durată a desfășurării lucrării. Doresc să mulțumesc în mod deosebitdomnului prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Paul Gümpel pentru sprijinul acordat pe durata mai multorani, perioadă pe durata căreia a avut și rolul de mentor .

Alte mulțumiri se cuvin superiorilor mei domnilor, Rudolf Tockner și Guido Durrer, care aufacilitat principial și au sprijinit în multiple feluri apariția acestei lucrări.

În afara acestora doresc să mulțumesc colaboratorilor mei, în special Dr. Arne Schacht,Sebastian Regner, Daniel Kreutz, Robert Galehr, Carsten Manneck, Walter Lampert, CiprianPaltinisanu, Tillmann Henschke precum și multor altor colaboratori din intreprindere care m-au ajutat în diferite forme.

Multe mulțumiri datorez Universității Transilvania Brasov, Prof. dr. ing. Gheorghe Mogan,Prof. dr. ing. Alexandru Popa, assoc. Prof. Horatiu Theodorescu-Draghicescu (PhD) precum

și studenților acestora, în special lui Madalin Sbanca și tuturor colaboratorilor participanțipentru punerea la dispoziție a spațiilor , pregătirea și efectuarea experimentelor.

Deosebite mulțumiri se cuvin și domnului dr. Christoph Klotzbach și echipei sale de laThyssenKrupp Carbon Components GmbH și TechCenter Carbon Composite in Dresden,fondate oficial în 2012, precum și echipei lui Hendrik Sage de la ThyssenKrupp SystemEngineering din Heilbronn. Ambele firme și TechCenter s-au orientat spre dezvoltarea șiproducția de componente CFK și ne-au sprijinit în diferite feluri. Doresc tuturor și nouă multsucces.

Excepționale mulțumiri se cuvin soției mele Brigitte și fiului meu Tobias, care au trebuit sărenunțe mult timp la mine și m-au sprijinit pe durata realizării.

Lucrarea a fost acceptată a fi susținută ca teză de doctorat de Facultatea de InginerieMecanică a Universității Transilvania Brașov.

Eschen, septembrie 2013 Thomas W. Heitz


6/110

Cuvânt Înainte

III


7/110

Rezumat

IV

Rezumat

Prezenta lucrare are ca obiect construcția in variantă ușoară a unor componente structuraleale coloanei volanului cu ajutorul unor mase plastice armate cu fibre, în special a maselorplastice armate cu fibre de carbon (CFK vezi si Lista abrevierilor). Utilizatorilor le sunt puse ladispoziție cunoștiințe aprofundate din cercetare-dezvoltare, proiectare și modelare/simulare acomponentelor structurale din FVK ,precum și procedeele de fabricație aferente și relevantepentru serii mici, mici/mijlocii și mari.

În prezent, în exploatarea curentă se întâlnesc componente din materiale compozite cu fibre(FVK), cum sunt de exemplu cele cu fibre de carbon numai la seriile foarte mici ale unorvehicule speciale, cum sunt cele destinate competițiilor sportive (formula 1, raliuri DTM)precum și la un număr redus de autoturisme de sport admise în circulația rutieră. Unul din

motive este acela al lipsei până în prezent, a unui concept pentru fabricația economică, înserie mare a componentelor structurale ale coloanei volanului, ceea ce are ca urmaretratarea cu parcimonie a subietului în literatura de specialitate si existența unui număr redusde brevete. Premizele acestei stări de fapte rezidă, pe de o parte în satisfacerea cerințelorclienților iar pe de alta în necesitatea ca la o producție de serie mare (peste 50’000 bucăți pean) creșterea costurilor să fie cu maxim 20 Euro, pentru o reducere a masei cu un kilogram,fara a afecta prin aceasta funcționalitatea.

Lucrarea conține o vedere de ansamblu asupra celor mai frecvent utilizate materiale pentruconstrucții ușoare și a proprietaților și caracteristicilor acestor materiale. Cu ajutorul valorilorcaracteristicilor acestora se realizează o clasificare avand la bază criteriile construcțiilorușoare și se evidențiază marele potențial al maselor plastice armate cu fibre. Folosind pentruexemplificare o coloană a volanului produsă în serie pentru autoturismul Golf 6 al VW,respectiv consola și carcasa coloana, se arata strânsa dependență dintre proiectarea corectăa componentelor structurale din materiale compozite cu fibre și selecția unui procedeu defabricație adecvat.

Procedeul de fabricație ce folosește un autoclav, cu ajutorul căruia s-au realizat în trecutgeometrii foarte complexe cu multiple integralități funcționale destinate unor vehicule pentrusport produse în serii mici, a fost punctul de plecare pentru dezvoltările ulterioare. Intervalulde timp necesar unui ciclu de fabricaţie este, funcț ie de dimensiunile componentei, de 4-5

ore pe setul de scule. Creșterea numărului de bucăți este posibilă, de exemplu prin utilizareamai multor seturi de scule, dar este limitată la rândul său de mărimea autoclavului șidimensiunile componentei. Prelucrările mecanice și manuale ulterioare sunt laborioase,astfel încât acest procedeu de fabricație este adecvat numai pentru serii mici de până la1’000 bucăți pe an și inadecvat pentru serie mare.

Gradul de libertate al geometriei complexe scade în principiu odată cu creș terea gradului deautomatizare. Pentru o serie mică/medie de 1’000 până la 10’000 bucăți pe an posibilitățilede producție ale componentelor structurale prin preformare cu croșetare/brodare (consolă)și împletire (carcasa coloana) cu ajutorul procedeului RTM au fost astfel concepute șirealizate încât să poată fi îndeplinite cerințele impuse. Construcția casetei volanului

examinată în lucrare corelată cu tehnologia de fabricație prin împletire a fost comunicatăbiroului de brevete german care a publicat-o prin intermediul brevetului ”Patent Nr. DE102012 005 434 B3.” Procedeul RTM este supus unei dezvoltări continui pentru a se atinge un


8/110

Rezumat limba engleză - Abstract

V

grad ridicat de automatizare. Un exemplu în acest sens sunt procedeele ARTM (AdvancedResin Transfer Moulding) și VARTM (Vakuum Assisted Resin Transfer Moulding).

În prezenta lucrare tehnica de înfășurare cunosctă a fost dezvoltată într -un procedu de

fabricație nou, acela al înfășurării spațiale asistată de roboți. Acest prodeu nou permiterealizarea în construcție hibridă, a unor componente structurale cu insert-uri cu un gradridicat de automatizare. În acest scop s-au construit prototipuri ale caror caracteristicimecanice au fost supuse verificărilor experimentale. A fost posibil să se arate cairegularitățile de la depunerea rândurilor (roving) pot fi tolerate în anumite limite astfel încîtprin tehnica de înfășurare liberă s-a putut asigura un nivel de calitate corespunzător.Procedeul nou de fabricație realizat în cadrul prezentei lucrări si care crează grade delibertate noi cu pentru înfășurarea spațială cu ajutorul unui robot suplimentar a fost între timpbrevetat.

Lucrarea evidențiază faptul că CFK este un material de interes ridicat cu multiple posibilitățide aplicare și că prin intermediul acestuia se pot realiza economic componente alesistemului coloanei de direcție de complexitate ridicată. Se relevă astfel un potențial derealizare a unor construcții ușoare într -un segment interesant al construcției de autovehicule,potențial ce este de așteptat a fi folisit în viitor. În ceea ce privește aspectul bilanțuluiecologic referitor la emisiile de CO2 cele menționate apar ca deosebit de interesante șinecesar a fi aprofundate respectiv extinse prin intermediul unor lucrări cu tematici cum ar fiasigurarea calității, technici de încleiere, detecția deteriorărilor, reproductibilitate șireciclabilitate.


The presented work engages with the design of lightweight steering columns components byusing fibre-reinforced structural components, in particular carbon fibre-reinforced plastics(CFRP). It provides indepth technical findings from the development, design and simulationof steering column and FRP structural components designed for the relevant manufacturingprocesses at different unit volumes for micro, small/mid and large series.

Ccomponents made of fibre-reinforced composite materials (FRP) such as Carbon Fibre

(CF) are currently only used in small quantities for special vehicles such as motorsport (For-mula 1, DTM, Rally) and a few sport cars with homologation for road . One of the reasonstherefore is no concept for a large-scale economical production available today and there-fore, this topic has only sparsely been considered for Steering Column structural componentsin patents or in the literature.

The basics of lightweight steering columns CFRP structural components are based on eco-nomical profitability for e.g. niche market vehicles such as sport cars with homologation forroad and other serial production vehicles. The target is to meet the customer requirementson one hand and on the other hand to provide a max cost delta of 20 Euro additional costsper 1 kg in weight savings without compromising the functionality for large series (> 50’000

pcs/year).

The work provides an overview of most commonly used lightweight materials and their mate-rial characteristics and properties. Based on this information a classification for lightweight


9/110


VI

criteria is performed in order to demonstrate the great potential of carbon fibre-reinforcedplastics. Based on the series-built steering column of a VW Golf 6 with its two structuralcomponents "Bracket” (German: Konsole) and "Column Jacket” (German: Führungskasten) shows the importance of applying sophisticated design methods including FEM calculationfor structural components with fibre-reinforced composites in association with the appropriateselection of a manufacturing process.

Based on the autoclave process which is been using for small series in motor sports or insports cars with very complex geometries and a variety of functions integrated is the startingpoint for further development is the starting point for further development. The cycle timevaries between 4-5 hrs./tool depending on the component. An increase in productivity is pos-sible by using multiple tool sets, but has it’s limitation by the size of the component or theautoclave. The mechanical and manual rework involved for this type of production is onlytolerable for small series up to 1’000 pcs/year; however for economical large-series produc-

tion this labour intensive rework is not suitable. The degree of freedom in complex geometries generally decreases with an increasing levelof automation. For the small/mid series of 1’000 to 50’000 units/year, the production possibili-ties of structural components with preforms in embroidery (bracket) and braiding (ColumnJacket) technology by using the RTM process have been realized so that the customer’sfunctional requirements were fully met. This innovative Column Jacket design in combinationwith the braiding technology was published by the German Patent Office Patent No. DE 102012 005 434 B3. The RTM process is constantly being further developed in order to achievea higher level of automation by applying, for example, ARTM (Advanced Resin TransferMoulding) or VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) technology.

In the present work, the previously known winding technology is being further developed to anew method of manufacturing structural components in hybrid design with inserts and with ahigh degree of automation, by using a robotic space winding process. For this purpose, pro-totypes have been produced and their mechanical properties tested. It was shown that ir-regularities in the roving tray can be tolerated within certain limits and achieving the requiredquality by utilising the new robotic space winding technology. This entire newly developedmanufacturing technology, which is part of this work; provides enhanced degrees of freedomby using an additional robot that enables winding in space. This new technology has beenregistered for patent.

The work shows that CFRP is a very interesting material with many ways of use and thateven very complex geometrical components of a steering system can be produced econom i-cally. The work identifies the future potential of lightweight design in a very specific segmentof automotive technology.

From the point of Life Cycle Assessment (LCA) the reduced CO 2 emission seems very inter-esting and there are more investigations and research to be done in the field of quality as-surance techniques, including adhesive components, damage detection, mould cleaning,reproducibility and recycling.


10/110

CUPRINS

VII

CUPRINS

CUVÂNT ÎNAINTE _________________________________________________________________________________________________ II REZUMAT __________________________________________________________________________________________________________IV REZUMAT LIMBA ENGLEZ Ă - ABSTRACT ______________________________________________________________________ V CUPRINS ___________________________________________________________________________________________________________ VII LISTA ABREVIERILOR ____________________________________________________________________________________________ IX LISTA SIMBOLURILOR ___________________________________________________________________________________________ XI LISTA FIGURILOR ________________________________________________________________________________________________ XII LISTA TABELELOR ______________________________________________________________________________________________ XIV 1. INTRODUCERE _______________________________________________________________________________________________ 1 2. OBIECTIVELE LUCRĂRII ____________________________________________________________________________________ 2 3. STADIUL ACTUAL AL TEHNICII ȘI CERCETARE DE BREVETE _________________________________________ 4 4. FUNDAMENTE _______________________________________________________________________________________________ 5 4.1. Materiale pentru construcții ușoare și caracteristici de material ale acestora ________________________________________ 5

4.1.1. Vedere de ansamblu ___________________________________________________________________________________ 5 4.1.2. Considerații generale __________________________________________________________________________________ 6 4.1.3. Mase plastice _________________________________________________________________________________________ 6

4.1.4. Sisteme matriciale polimerice ____________________________________________________________________________ 6 4.1.5. Tipuri de fibre ________________________________________________________________________________________ 7

4.1.5.1. Fibre cu carbon _________________________________________________________________________________ 7 4.1.5.2. Prețuri comparative ale fibrelor ____________________________________________________________________ 8

4.1.6. Mase plastice armate cu fibre (FVK) _______________________________________________________________________ 9 4.1.7. Materialul compozit matricial cu fibre ____________________________________________________________________ 10 4.1.8. Determinarea proporției relative de fibre φ _______________________________________________________________ 11 4.1.9. Determinarea caracteristicilor de bază ale elasticității unui strat UD ____________________________________________ 12

4.1.9.1. Calculul modulului E- al unui material compozit ______________________________________________________ 12 4.1.9.2. Calculul rezistenței la tracțiune a compozitului _______________________________________________________ 13 4.1.9.3. Calculul modulului de forfecare al unui material compozit ______________________________________________ 13 4.1.9.4. Calculul valorii coeficientului contracției transversale __________________________________________________ 13

4.1.10. Proprietăți ale FVK determinate prin calcul _____________________________________________________________ 13 4.1.10.1. Straturi multiaxiale și țesături _____________________________________________________________________ 15

4.2. Procedee de realizare și fabricație __________________________________________________________________________ 15 4.3. Procedee de prelucrare ulterioară __________________________________________________________________________ 16 4.4. Procedee de îmbinare ____________________________________________________________________________________ 17 4.5. Coloane de direcție și componentele acesteia ________________________________________________________________ 17

5. PROIECTAREA ȘI SIMUL AREA FVK _____________________________________________________________________ 18 5.1. Indicații de proiectare cu FVK _____________________________________________________________________________ 19 5.2. Modelarea cu MEF și validare _____________________________________________________________________________ 20

6. ÎNCERCĂRI PRELIMINARE – PROCEDURI DE ÎNCERCARE ȘI REZULTATE _________________________ 20 6.1. Introducere ____________________________________________________________________________________________ 20 6.2. Încercări preliminare pentru determinarea caracteristicilor de material ___________________________________________ 21

6.2.1. Cerințe privind caracteristicile de material impuse de s imulare ________________________________________________ 21 6.2.2. Epruvete pentru încercări cu materiale UD ________________________________________________________________ 21 6.2.3. În cercări de determinarea caracteristicilor de durată lungă pentru materiale UD _________________________________ 21

6.2.4. Pregatirea epruvetelor și a încercărilor ___________________________________________________________________ 23 6.2.5. Construcția instalației de încercare ______________________________________________________________________ 23 6.2.6. Rezumat ____________________________________________________________________________________________ 24

6.3. Încercări preliminare pentru procedeul de înfășurare spațială ___________________________________________________ 25 6.3.1. Definirea geometriri epruvetei __________________________________________________________________________ 28 6.3.2. Realizarea epruvetelor ________________________________________________________________________________ 29 6.3.3. Proprietăți mecanice ale epruvetelor finite ________________________________________________________________ 32 6.3.4. Efectuarea încercărilor ________________________________________________________________________________ 34 6.3.5. Instalația de măsurare ș i descrierea mașinii de încercat ______________________________________________________ 34

6.3.5.1. Încercări în direcția - Y ___________________________________________________________________________ 35 6.3.5.2. Încercări în direcția - Z ___________________________________________________________________________ 35

6.3.6. Rezumatul încercărilor efectuate cu epruvete ______________________________________________________________ 36 6.4. Proceduri de încercare pentru coloane de direcție ____________________________________________________________ 36

6.4.1. Masurări anterioare/Măsurări ulterioare __________________________________________________________________ 37 6.4.1.1. Greutate _____________________________________________________________________________________ 37 6.4.1.2. Efortul necesar acționării pârghiei _________________________________________________________________ 37 6.4.1.3. Rigiditatea orizontală și verticală __________________________________________________________________ 38 6.4.1.4. Frecvența proprie ______________________________________________________________________________ 39

7. TRANSPUNERE CONSTRUCTIVĂ ŞI REALIZARE _______________________________________________________ 40 7.1. Cerinţe sistemice principale pentru modelarea MEF (FEM) ______________________________________________________ 40


11/110

CUPRINS

VIII

7.1.1. Metodica procedurală _________________________________________________________________________________ 41 7.1.2. Clasificarea stadiilor dezvoltării __________________________________________________________________________ 41 7.1.3. Privire de ansamblu asupra proiectării casetei coloanei volanului ______________________________________________ 41 7.1.4. Privire de ansamblu asupra proiectării consolei _____________________________________________________________ 42

7.2. Procedeul cu autoclav pentru serii foarte mici ________________________________________________________________ 42 7.2.1. Privire de ansamblu asupra procesului şi documentării _______________________________________________________ 42 7.2.2. Proiectare și calculul cu MEF ____________________________________________________________________________ 43 7.2.3. Descrierea procesului _________________________________________________________________________________ 46

7.2.4. Montaj ți încercare ___________________________________________________________________________________ 47 7.2.5. Interpretarea comparativă a rezultaelor, calcul MEF- încercări _________________________________________________ 48 7.2.6. Perspective asupra unor execuții viitoare __________________________________________________________________ 50 7.2.7. Sumar pentru procedeul cu autoclav _____________________________________________________________________ 51

7.3. Procedeul RTM pentru serii mici și medii ____________________________________________________________________ 51 7.3.1. Privire de ansamblu asupra procesului şi documentării _______________________________________________________ 51 7.3.2. Proiectare și calculul cu MEF ____________________________________________________________________________ 51 7.3.3. Casetă a coloanei volanului realizată din Preformă împletită și cu procedeul RTM _________________________________ 56

7.3.3.1. Realizarea preform-urilor prin împletire _____________________________________________________________ 56 7.3.3.2. Proiectarea sculelor și realizarea prin RTM __________________________________________________________ 58 7.3.3.3. Formare finală, prelucrări ulterioare, debavurare și evaluare ____________________________________________ 58 7.3.3.4. Interpretarea rezultatelor pentru carcasa coloana RTM ________________________________________________ 59

7.3.4. Consolă din Preform croşetat şi procedeu RTM _____________________________________________________________ 59 7.3.4.1. Realizarea preform-ului __________________________________________________________________________ 59 7.3.4.2. Proiectarea și realizarea sculei ____________________________________________________________________ 60 7.3.4.3. Producerea prototipului în procesul RTM ____________________________________________________________ 61 7.3.4.4. Formare finală, prelucrare ulterioară și evaluare ______________________________________________________ 62

7.3.5. Montaj și încercare ___________________________________________________________________________________ 62 7.3.6. Compararea și interpretarea rezultalelor modelării MEF și experimentării _______________________________________ 63 7.3.7. Analiză și documentare ________________________________________________________________________________ 63 7.3.8. Perspective asupra unor execuții viitoare __________________________________________________________________ 64

7.4. Pultruziune și înfășurare spațială pentru serii mari ____________________________________________________________ 64 7.4.1. Privire de ansamblu asupra desfășurării procesului și documentației ____________________________________________ 64 7.4.2. Proiectare și calcul cu MEF _____________________________________________________________________________ 65 7.4.3. Consolă realizată cu procedeul înfășurării spațiale __________________________________________________________ 69

7.4.3.1. Descrierea procesului ___________________________________________________________________________ 69 7.4.3.2. Proiectarea și realizarea sculei ____________________________________________________________________ 72 7.4.3.3. Producerea proptotipurilor _______________________________________________________________________ 72

7.4.3.4. Prelucrări ulterioare și evaluare ___________________________________________________________________ 74 7.4.4. Montaj și încercare ___________________________________________________________________________________ 75 7.4.5. Analiză și documentare ________________________________________________________________________________ 75 7.4.6. Compararea și interpretarea rezultalelor modelării MEF și experimentării _______________________________________ 76 7.4.7. Privire în perspectivă asupra următoarei trepte constructive __________________________________________________ 77

8. ÎNCERCAREA SISTEMULUI ÎN TOTALITATE ȘI REZULTATE ________________________________________ 77 9. ANALIZA ȘI DISCUTARE A REZULTATELOR ____________________________________________________________ 79 9.1. Evaluare calitativă a procedeelor de fabricație ________________________________________________________________ 82 9.2. Clasificarea procedeelor funcție de costurile estimate _________________________________________________________ 82

10. REZUMAT ȘI PERSPECTIVE ___________________________________________________________________________ 83 11. BIBLIOGRAFIE __________________________________________________________________________________________ 87 12. CURRICULUM VITAE ___________________________________________________________________________________ 90 13. DECLARATIE ____________________________________________________________________________________________ 92


12/110

Lista abrevierilor

IX

Lista abrevierilor

Abkürzung Beschreibung – Descrierea abrevierilor

AFK Aramid-Faserverstärkter Kunststoff - Aramid- masa plastică armată cu fibre AlfaLam Advanced Layerwise Failure Analysis of Laminates

Program de analiză a laminatelor bazat pe teoria clasică a laminatelor (CLT) Laminatanalyseprogramm auf Basis der klassischen Laminattheorie (CLT)

Al Aluminium - Aluminiu

ARTM Advanced Resign Transfer Moulding (dt. erweitertes RTM)

AWV ausgeglichener Winkelverbund - Îmbinare cu unghiuri egalizate

BD Bidirektional - bidirecțional

BG Baugruppe - asamblare

BMCBulk Moulding Compound (dt. kurzfaserverstärkte Formmasse)

- Masă de formare cu fibre scurte BSt Baustufe - faza de construcție

C-Faser Carbon-Faser = Kohlenstofffaser - Fibre de carbon

CAE Computer Aided Engineering

CAI Compression after impact

CFKKohlenstoff -Faserverstärkter Kunststoff (C von lat. Carbon=Kohlenstoff ) - Masă plastică armată cu fibre de carbon

CP Complex-Phasen-Stahl- Oțel cu faze complexe

CLTClassical Laminate Theory (deutsch: klassische Laminattheorie) - Teoria clasică a laminatelor

CT Computer-Tomographie- Computerizată

CTE Coefficient of Thermal Expansion (deutsch: Wärmeausdehnungskoeffizient) - Coeficient de dilatare termică d.h. das heisst – aceasta înseamnă

DP Dual-Phasen-Stahl- Oțel cu faze duale

DVP&R Design Verification Plan & Report – Erprobungsplan & -Bericht- Plan de verificare a proiectului & Raport

DTM Deutsche Tourenwagen Meisterschaft

Duroplast /Duromer

Polymer, bei dem die Molekülketten über kovalente Bindungen dreidimensional verknüpftsind – Polimer ale cărui lanțuri moleculare sunt concatenate prin legaturi covalente tridi-mensionale

EP-Harz Epoxidharz – Rășină epoxidică

EVLS Elektrisch verstellbare Lenksäule - Coloană a volanului reglabilă electric

FEM Finite Elemente Methode – Metoda elementelor finite FFT Fast Fourier Transform, dt. Schnelle Fourier-Transformation - Transformata Fourier rapidă

FKVFaser-Kunststoff -Verbund = Faserverbund-Kunststoff – Material compozit din masă plastică armată cu fibre

FRP Fiber reinforced plastics (dt. faserverstärkte Kunststoffe) - Masă plastică armată cu fibre

GFK Glasfaserverstärkter Kunststoff - Masă plastică armată cu fibre de sticlă

GMT Glasmattenverstärkte Thermoplaste - Termoplaste armate cu aglomerări din fibre de sticlă

hex Hexagon

HM High Modulus (dt. hoher E-Modul) - Modul cu valoare ridicată- de exemplu modul E

HMS High Modulus Strength (dt. hoher E-Modul u. Steifigkeit) - Modul de rezistență ridicată

HT High Tenacity (dt. hohe Zähigkeit) – Tenacitate ridicată

i.d.R. in der Regel - de regulă

IF Interstitial Free (dt. freie Zwischengitteratome) - Fără interstiții

IHU Innen-Hochdruck-Umformung - Formare interioară la presiune ridicată


13/110

Lista abrevierilor

X

IM Intermediate Modulus (dt. mittlerer E-Modul) - Modul cu valoare intermediară

k Kilo = tausend - mie

LAPBerechnungsprogamm der CLT der Fa. Anaglyph Ltd, UK- Program de calcul al CLT, companie Analglyph Ltd., UK

LBK Leichtbaukennzahl - Valoare caracteristică pentru construcții ușoare LFT Langfaserverstärkte Thermoplaste - Termoplaste armate cu fibre lungi

LH Lastenheft – Caiet de sarcini

LM Low Modulus (dt. niegdriger E-Modul) - Modul cu valoare scăzută

LSM Lenkstockschaltermodul - Modul de cuplare a pârghiei de direcție

NVH Noise, Vibration, Harshness (dt. Geräusch, Vibration, Rauheit) - Zgomot, vibrație, rugozitate

MAG Multiaxialgelege - Structură multiaxială

mPa*sMilli Pascal Sekunde – Mass für das dynamische Viskositätsverhalten - Mili Pascal secundă-mărime caracteristică a viscozității dinamice

MU Massivumformung - Deformare masivă

MSV Mehrschichtverbund -Legătură/Îmbinare multistrat

MVLS Manuell Verstellbare Lenksäule - Coloană a volanului reglabilă manual

PA 6.6 Polyamid - Poliamidă

PBT Polybutylenterephthalat - Polibutilenterftalat

PE Polyethylen - Polietilenă

PEEK Polyetherketone - Polietercetonă

PMMA Polymethylmethacrylat - Polimetilmetaacrilat

PP Polypropylen - Polipropilenă

Prepreg Preimpregnated Fibres (dt. vorimprägnierte Fasern) - Fibre preimpregnate

PrestaPress u. Stanzwerke AG (Abkürzung ehemaliger Firmenname) - Abreviere a denumirii de firmă Press und Stanzwerke A.G.

PS Polystyrol - Polistiren

PTFE Polytetraflourethylen - Politetrafluoretilenă

PVC Polyvinylchlorid - Polivinilchlorid

RTM Resin Transfer Moulding (dt. Harzinjektionsverfahren) - Procedeu de injecție cu rășină

SM Standard Modulus - Modul standard

SMCSheet Moulding Compound (dt. langfaserverstärkte Formmasse)- Masă de formare armată cu cu fibre lungi

St Stahl – Oțel

ST Super Tenacity (dt. sehr hohe Zähigkeit) - Tenacitate foarte ridicată

Stk Stück - Bucată

TD Tridirektional - Tridirecțional TERTM Thermal Expansion RTM – Dilatare termică

TexLängenbezogene Masse des Garns (1 tex = 1g pro 1000 Meter) - Masa pe unitatea de lungime a fibrei (1 tex = 1gpe 1000m)

TRIP Transformation induced plasticity (dt. durch Umwandlung erzieltes Fliessvermögen)

- Plasticitate indusă de procesul de transformare

TWIPTwinning induced plasticity (dt. durch Zwillingsbildung erzieltes Fliessvermögen) - Plasticitate indusă de procesul de îngemânare

UBC Ulf Bräutigam Composites GmbH (CFK-Teile-Hersteller in Murr bei Suttgart)

UD Unidirektional - Unidirecțional

UHM Ultra High Modulus (dt. ultra hoher E-Modul) - Modul de valoare -ultra ridicată

UM Ultra Modulus (dt. ultra E-Modul)

UMS Ultra Modulus Strength (dt. ultra E-Modul u. Steifigkeit)- Modul caracteristic unei rezistențe ultra ridicate

UP-Harz Ungesättigtes Polyesterharz - Rășină poliesterică nesaturată

VARTM Vakuum Assisted Resin Transfer Moulding (dt. vakuumunterstütztes RTM)


14/110

Lista simbolurilor

XI

- Procedeu de injecție cu rășină în vacuum

V Variante - variantă

VE-Harz Vinylesterharz - Rășină vinilesterică

VIVakuuminjektionsverfahren

-Procedeu de injecție în vacuum

Wkz Werkzeug - Sculă

Lista simbolurilor

Symbol Beschreibung – descrierea simbolurilor

II Index für längs oder parallel -> Bsp. Längs-Schubmodul, indice pentru direcție longitu-

dinală sau paralelism de ex. modul de forfecare longitudinală ⊥ Index für quer oder senkrecht -> Bsp. Eine Kraft wirkt quer oder senkrecht - indice pentru direcție transversală sau perpendiculară

F Index für Faser - indice pentru fibre hex Index für hexagonal bzw. Hexagon - indice pentru hexagon, hexagonal i Index für variable Nummer - indice pentru număr variabil M Index für Matrix - indice pentru matrice max Index für Maximal bzw. Maximum - indice pentru maxim respectiv minim quad Index für quadratisch bzw. Quadrat - indice pentru patrat / patratic V Index für Verbund - indice pentru imbinare/legătură α Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient - coeficient de dilatare termică liniară α St Steigungswinkel - unghi ascensional

a Fahrzeugbeschleunigung bzw. Amplitude- accelerarea autovehiculului, respectiv amplitudine A Fläche -> Bsp. Bei Bruchdehnung, Matrixflächenanteil – suprafață, exemple pentru

alungirea la rupere sau propporția revenind suprafeței matricii c Federkonstante, Federsteifigkeit – constanta de arc, rigiditaea arculuicges Gesamtsteifigkeit - rigiditate totală cTi Bauteilsteifigkeit - rigiditatea componenteicw Cw-Wert = Strömungswiderstandskoeffizient - coeficientul rezistenței la curgereδ Dämpfungsfaktor - factor de amortizare D Durchmesser bzw. Dämpfungskontante bei Eigenfrequenz-Berechnung

- diametru respectiv constanta de amortizare DL Schädigungsparameter – parametru de deterioraree Maximaler Randfaserabstand - distnța maximă a fibrelor marginale ε Dehnung - alungireE E-Modul (Elastizitätsmodul) – modul de elasticitateEII Längs-E-Modul oder faserparalleler E-Modul

- modul de elasticitate londitudinal sau în direcția paralelă cu fibrele E⊥ Quer -E-Modul oder fasersenkrechter E-Modul

- modul de elasticitate transversal sau în direcție perpendiculară pe fibre f 0 Eigenfrequenz, Schwingungsfrequenz – frecvența proprie a vibrațiilor f R Rollreibungskoeffizient - coeficient de frecare la rulare Φ , Ψ Verdrehung, Verdrehwinkel (FEM-Berechnung) – torsiune, unghi de torsiuneF Kraft - forță g Erdbeschleunigung - accelerație gravitațională γ Schubdehnung - unghi de forfecare, alugire prin forfecare

G G-Modul (Schubmodul) - modul GG⊥II Quer -Längs-Schubmodul – modul de forfecare longitudinal-transversală G⊥⊥ Quer -Quer -Schubmodul - modul de forfecare transversal transversală GL Statische Gleichgewichtslage - poziție de echilibru static


15/110

Lista figurilor

XII

I , Ix Flächenträgheitsmoment - modul de inerție superficial L, l Länge - lungime λ Wellenlänge für Faserabstand - lungimea de undă a distanței dintre fibre n Anzahl Lagen - numărul de straturi

NK, QK Knotenkräfte (FEM-Berechnung) - forțele din noduri ,calcul cu MEF MK, TK Knotenmomente (FEM-Berechnung) – momente din noduri, clacul FEMmF Masse Fahrzeug - masa vehicululuimZu Masse Zuladung - masa suplimentară a sarcinii ϕ Faservolumenanteil - proporția volumică a fibrelorϕ B Faserwinkel (FEM-Berechnung) - unghiul dintre fibrep, q Druck bzw. Lasten bei FEM-Berechnung)

- presiunea, respectiv sarcinile la calculul prin MEFpL Laminatdruck – presiunea din laminat

ρ Dichte - densitate ρ L Dichte der Luft – densitatea aerului PR Poisson‘s Ratio – Poissonszahl s. auch ν = Querkontraktionszahl

- coeficientul lui Poisson vezi și v= coeficientul contracției transversale r Radius - raza Rm Zugfestigkeit - rezistența la tracțiune Rp0.2 Streckgrenze - limita de alungire S Nachgiebigkeit oder Schwerpunkt (Eigenfrequenz) - flexibilitate sau centrul de masă σ Normalspannungen (FEM-Berechnung) - tensiuni normale σ d Druckfestigkeit - rezistența la compresiune τ Schubspannungen - tensiuni de forfecare t Schichtdicke, Lagendicke - grosimea stratului u, u i Verformung - deformareν Querkontraktionszahl, Querdehnungszahl oder Querdehnzahl

- coeficientul contracției transvertsale ν II⊥ ν ⊥IIν ⊥⊥

Indizierung erfolgt in der Reihenfolge: Wirkung dann Ursache - Succesiunea indicilor se face conform succesiunii efect și apoi cauză Der erste Index bezeichnet die Richtung der Querdehnung - primul indice arată direcția alungirii transversale Der zweite Index die primäre Richtung der angelegten Spannungen - al doilea indice ,direcția primară a tensiunilor aplicate

V Volumenanteil - proporția volumică v Fahrzeuggeschwindigkeit - viteza vehiculului vW Windgeschwindigkeit in Fahrtrichtung

- viteza vântului pe diracția de deplasare a vehiculului x Länge, Weg - lungime, spațiul parcurs

Lista figurilorFigura 1: Reprezentarea sistemului de direcție cu grupele constructive principale ale acestuia ............................. 2 Figura 2: Tehnologii de fabricație cu materiale compozite cu fibre .......................................................................... 3 Figura 3: Coloana volanului VW Golf 6 cu consolă și carcasa coloana (CFK) ........................................................ 4 Figura 4: Exemple BMW i3 Arhitectura autovehiculului - Habitaclu din carbon ....................................................... 5 Figura 5: Construcția schematică a FVK .................................................................................................. ............. 10 Figura 6: Curba alungire – tensiune pentru un FVK .......................................................... .................................... 10 Figura 7: Densitatea de împachetare maximă patratică (l.) și hexagonală (r.) ................................................... ... 11 Figura 8: Modelul micromecanic de bază .............................................................................................................. 12 Figura 9: Tipuri de așezări în strat ............................................................... .......................................................... 14 Figura 10: Multiaxialgelege (MAG) .............................................................. .......................................................... 15 Figura 11: Tipuri de țesături pentru laminate ......................................................... ................................................ 15

Figura 12: Procedee de fabricație a maselor plasice armate cu fibre ............................................................... .....16 Figura 13: Imagine a coloanei de direcție cu cosolă, carcasa coloana și a organelor transmisiei interioare adirecției ........................................................................................................ ....................................... 18

Figura 14: Medodologia proiectării produsului ................................................................ ....................................... 19 Figura 15: Reprezentarea tehnologiei RTM de realizare a compozitelor cu fibre ................................................. 22


16/110

Lista figurilor

XIII

Figura 16: Imagini ale secțiunii eșantioanelor și defecte ale plăcilor pentru epruvete. .......................................... 22 Figura 17: Epruvete finite pentru proba de tracțiune ............................................................ ................................. 23 Figura 18: Exemplu pentru dependența tensiune alungire (Epruveta 03_TKP_3-1-2) .......................................... 23 Figura 19: Imagine frecventă a ruperii unei epruvete (rupere tipică) ......................................................... ............ 24 Figura 20: Procedură pentru elaborarea variantelor de modelare......................................................................... 25

Figura 21: Variații de material datorate înfășurării manuale ......................................................... ......................... 25 Figura 22: Exemple de execuție a punctelor de intersecție a consolei ............................................................... ... 26 Figura 23: Reprezentare simplificată a distribuției fibrelor în punctele de intersecție ............................................ 26 Figura 24: Posibila dispunere a fibrelor în secțiuni cu dimensiuni variabile ....................................................... ... 27 Figura 25: Influența presiunii fibrelor asupra conținutului volumid de fibre ........................................................ .... 27 Figura 26: Geometrii de epruvete A și B ............................................................................................................... 28 Figura 27: Unitate de impregnare pentru construcția epruvetelor ......................................................................... 29 Figura 28: Desfășurarea procesului de fabricație al epruvetelor; exemplu pentru punți încrucișate ..................... 30 Figura 29: Vedere expandată a sculelor .............................................................................................. ................. 31 Figura 30: Roving -ul impregnat este înfășurat pe sculă pentru realizarea epruvetei drepte ................................ 31 Figura 31: Epruvete extrase din formă și curățate ............................................................................. ................... 31 Figura 32: Considerare detaliata a zonelor epruvetei drepte ................................................................................ 32 Figura 33: Repreyentarea simplificată a ondulaţiei fibrelor cu amplitudinea a şi lungimea de undă λ ................... 33 Figura 34: Considerare detaliată a yonelor cu ţncrucişări ale epruvetei ................................................................ 33

Figura 35: Direcţiile de tensionare ale epruvet ei ........................................................ ........................................... 34

Figura 36: Prinderea epruvetelor în maşina de tracţiune pentru aplicarea F x şi determinarea C x ....................... 34 Figura 37: „Aşezarea“ epruvetei după primele solicitări imediat după montarea în maşina de încercat ............... 34 Figura 38: Măsurarea cuplului de acţionare al volanului şi diagrama rezultantă ................................................... 38 Figura 39: Reprezentarea grafică a măsurării rigidităţii vertical ........................................................................... . 39 Figura 40: Determinări ale frecvenţei proprii ale unei coloane de direcţie verticale (stânga) şi orizontale (dreapta)

................................................................. .................................................................. ........................ 40 Figura 41: Forţe şi cerinţe principale pentru proiectarea ............................................................... ........................ 41 Figura 42: Carcasa coloana din oţel executată prin tragere respectiv din două părţi şi sudură laser .................... 42 Figura 43: Casetă a coloanei volanului CAD-CFK ................................................................................................ 42 Figura 44: Consolă din tablă-imagine CAD ................................................................ ........................................... 42 Figura 45: Consolă în lucru - CAD-CFK .......................................................... ...................................................... 42 Figura 46: Desfăşurarea şi documentarea procesului cu autoclav ........................................................................ 43 Figura 47: model CAD- al treptei constructive V1.1 pentru calculul frecvenţei proprii ........................................... 44 Figura 48: Model CAD al consolei din treapta constructivă V1.D cu evidenţierea structurii straturilor .................. 45

Figura 49: Model CAD ntru carcasa coloana V1.B cu structură cvasiizotropă a straturilor ................................... 45 Figura 50: Model MEF FEM pentru treapta constructivă V1.1 pentru calculul frecvenţei proprii ........................... 46 Figura 51: Model MEF, treapta constructivă V1.1 – rezultatele calculului frecvenţei proprii ................................. 46 Figura 52: Succesiunea montajului coloanei de direcţie .................................................................................... ... 47 Figura 53: Construcţia montajului pentru determinarea precvenţei proprii şi elasticităţii ....................................... 47 Figura 54: Privire de ansamblu asupra combinaţiilor încercărilor încrucişate pentru treapta constructivă V1.1 .... 48 Figura 55: Rezultate MEF pentru grosimi de perete 1.64 mm şi comparaţie cu cele din încercări ........................ 49 Figura 56: Studiu de parametri cu MEF pentru comparaţei între valorile rezultate din construcţia straturilor şi

valorile „estimate“ pentru caracteristicile de material ......................................................................... 50 Figura 57: Rezultatele calculelor cu MEF referitoare la grosimile maxime ale pereţilor pentru consolă şi casta

coloanei volanului ................................................................. .............................................................. 50 Figura 58: Procesul RTM şi documentarea ................................................................... ........................................ 51 Figura 59: Procedeul RTM - prezentare CAD a componentelor şi a coloanei de direcţie ...................................... 52 Figura 60: Procedeul RTM - reprezentare CAD a consolei .................................................................................... 52

Figura 61: Procedeul RTM -Verfahren – schema construcţiei straturilor ........................................................ ........ 53 Figura 62: Structură „MEF“ de consolă cu orientarea optimă a fibrelor ......................................................... ........ 53 Figura 63: Detaliu al îngroşării din zona de prindere a şuruburilor ............................................................... ......... 53 Figura 64: carcasa coloana în reprezentare CAD cu componente adăugate prin presare şi lipire ....................... 54 Figura 65: Model MEF pentru carcasa coloana .................................................................................................... 54 Figura 66: Rezultate MEF pozitive pe verticală şi orizontală .......................................................... ....................... 55 Figura 67: Privire de ansamblu asupra procedeelor de bază pentru realizarea de preform-uri textile .................. 56 Figura 68: Pregătire instalaţiei de împletire ............................................................. .............................................. 57 Figura 69: Procesul de împletire ......................................................................................................................... .. 57 Figura 70: Reprezentarea procesului şi realizarea de preform-uri prin împletire ............................ ...................... 57 Figura 71: Scula RTM pentru carcasa coloana ........................................................ ............................................. 58 Figura 72: Procedeul RTM - Reprezentare CAD a componentelor coloanei de direcţie ....................................... 59 Figura 73: Imagini CAD pentru consplă şi preform-uri croşetate........................................................................... 60 Figura 74: Procesul de realizare a preform ............................................................ ............................................... 60 Figura 75: Imagine a sculei din cinci părţi pentru realizarea consolei ................................................................... 61 Figura 76: Imagini CAD ale consolei si ale straturilor preform croşetate ......................................................... ...... 61 Figura 77: Conola extrasă din formă şi imaginea produsului finit ......................................................... ................. 62 Figura 78: Imaginea coloanei de direcţie montată şi cu componente RTM ........................................................... 62 Figura 79: Rezultatele încercărilor coloanei de direcţie RTM comparativ cu calculele cu metoda MEF .............. 63


17/110

Lista tabelelor

XIV

Figura 80: CAD-Imagine CAD a consolei din trei părţi treapta constructivă V2.B .................................................64 Figura 81: Consola din trei părţi încleiate treapta constructivă V2.B .......................................................... ...........64 Figura 82: Desfăşurarea procesului şi a documentării ..........................................................................................65 Figura 83: Imagine CAD a coloanei de direcţie - treapta constructivă V3.1 pentr u serie mare .............................65 Figura 84: Imagine CAD a casetei coloanei volanului realizată cu procedeul de pultruziune combinat straturi

înfăşurate ...........................................................................................................................................66 Figura 85: Imagine CAD a secţiunii casetei coloanei volanului şi imagine MEF a aceleiaşi realizate prinpultruziune ..........................................................................................................................................67

Figura 86: Imagine a treptei constructive V4.A ......................................................... .............................................68 Figura 87: Consolă V4.B.1 cu ranforsări ..............................................................................................................68 Figura 88: Conolă V4.B.2 fără ranforsări ................................................................. ..............................................68 Figura 89: Modele MEF ale consolei V4.B.1 (stânga) şi V4.B.2 (dreapta) ............................................................69 Figura 90: Scema montajului pentru înfăşurare spaţială ......................................................................... .............. 70 Figura 91: Reprezentare schematică a întregului proces de înfăşurare spaţială ................................................... 71 Figura 92: Proces de înfăşurare spaţială optimizat pentru continuitatea producţiei cu ajutorul unui robot

înfăşurător şi doi roboţi purtători de scule .................................................................. ......................... 71 Figura 93: Schema construcţiei sculei ......................................................... .......................................................... 72 Figura 94: Imaginea sculei pentru treapta constructivă V4.B cu consola înfăşurată (fără plăci de presare ...... .... 72 Figura 95: Montajul de încercare cu cei doi roboţi folosit la U.T. Braşov ............................................................... 73

Figura 96: Startul producţiei: Stânga fără roving (în gol) dreapta cu roving ............................... ........................... 74

Figura 97: Paşii procedurali de după înfăşurare ............................................................. ....................................... 74 Figura 98: Paşi procedurali la prelucrare ulterioară şi avizare finală ..................................................................... 75 Figura 99: Coloana de directie treapta constructiv V4.B.2 realizată prin procedeul cu înfăşurare spaţială ........... 75 Figura 100: Vedere de ansamblu a unei console înfăşurate ............................................................... .................. 75 Figura 101: Defecte ,şlif al consolei paralel cu fibrele ..........................................................................................76 Figura 102: Deplasări ale roving -urilor, şlif perpendicular pe fibrele consolei ........................................................ 76 Figura 103: Coloana de direcţie în construcţie uşoară şi reducere de greutate de ca. 1kg ................................... 79 Figura 104: Estimare grosieră a costurilor pentru coloane de direcţie realizate cu diferite procedee de fabricaţie83 Figura 105: Consolă treapta constructivă V4.B.2 ..................................................................................................86

Lista tabelelor

Tabelul 1: Caracteristici de material ale maselor plastice........................................................................................ 6 Tabelul 2: Materiale pentru matrici și prețuri .................................................. ......................................................... 7 Tabelul 3: Caracteristicile unor fibre carbonice .............................................. ......................................................... 8 Tabelul 4: Prețurile fibrelor ............................................................................ .......................................................... 9 Tabelul 5: Caracteristici calculate pentru materiale compozite din mase plastice cu fibre unidirecționale ........... . 14 Tabelul 6: Influența structurii asupra caracteristicilor epruvetelor .......................................................................... 22 Tabelul 7: Valori caracteristice fibre Toray T700S / Hunstman rășină epoxidică XB3585 ..................................... 24 Tabelul 8: Valori caracteristice fibre Tenax IMS65 / Hunstman rășină epoxidică XB3585 ...................... ............. 24 Tabelul 9: Rezumat al unor influențe structurale condiționate de fabricație .................................. ........................ 28 Tabelul 10: Influența structurii asupra caracteristicilor epruvetei ........................................................................... 29 Tabelul 11: Conflictualitatea obiectivelor la selecția rășinii .................................................................................... 30 Tabelul 12: factori de influență asupra confecționării epruvetelor .................................... ..................................... 32 Tabelul 13: Cx determinat pe câte o epruvetă .................................................................. ..................................... 35

Tabelul 14: Rezultatele măsurărilor în direcţia Y penru epruvete drepte ............................................................... 35 Tabelul 15: Rezultatele măsurărilor pe epruvete în direcţia Z ..............................................................................36 Tabelul 16: Date tehnice ale Prepregurilor folosite ......................................................... ....................................... 44 Tabelul 17: Date tehnice ale compozitului laminat ................................................................... ............................. 44 Tabelul 18: Rezultatele încercărilor coloanei de direcţie trapta constructivă V1.1 – Încercări încrucişate ............. 48 Tabelul 19: Rezultate MEF pentru execuţie cu procedeul RTM .......................................................... .................. 55 Tabelul 20: Structura straturilor casetei realizată cu procedeul de pultruziune .....................................................66 Tabelul 21: Studiul asupra parametrilor pentru cinci variante de structuri de straturi diferite ................................67 Tabelul 22: Caracteristici de material pentru calculul cu MEF ............................................................ ...................69 Tabelul 23: Rezultate MEF pentru coloana de direcţie cu consolele V4.B.1 şi V4.B.2 coloanele de direcţie V3.169 Tabelul 24: Comparaţie a reyultatelor încercărilor cu cele ale modelării MEF pentru treptele constructive V4.B.1 şi

V4.B.2 .......................................................... .................................................................. .....................76 Tabelul 25: Reducerile de greutate obținute funcție de modalitatea de proiectare și procedeul de execuție sunt de

48 - 83% ................................................................ ................................................................... .......... 78

Tabelul 26: Rezultate pentru coloana de direcţie VX.1 comparativ cu varianta se serie şi caietul de sarcini ........ 78 Tabelul 27: Evaluare calitattivă a procedeelor de fabricaţie pentru componente ale coloanei de direcţie ............. 82 Tabelul 28: Estimarea costurilor cu referire la posibile tacte de producţie ............... ............................................. 82


18/110

Introducere

1

1. Introducere

Datorită creșterilor prețurilor pentru energie și materii prime pe piețele financiare

internaționale și limitărilor impuse emisiilor de CO2 ale autoturismelor la scară mondială,trebuie să se găsească soluții pentru reducerea consumului de carburant al autovehiculelor.

În acest scop există mai multe abordări:

• prin dezvoltarea unor sisteme optimizate, de exemplu prin reducerea frecării învederea reducerii consumului de carburant, folosirea turboalimentării(supraalimentării) cu efect secundar de ”downsizing” (reducere dimensională)

• cu ajutorul unor tehnici inovative bazate pe alte principii și care prin aceasta conducla obținerea unei eficiente sporite

• prin intermediul reducerii greutății și realizarea unor construcții ușoare, folosind înacest scop materiale adecvate.

Ultima variantă relevă un potențial ridicat, deoarece multe sisteme de acționare sunt dejaatât de eficiente încât o creștere a performanțelor pare dificilă și/sau duce la ridicareacosturilor, astfel încât noile concepte de acționare cum ar fi hibridizarea sau electrificareaautovehiculelor conduc la creșterea masei acestora ceea ce impune din nou reduceri degreutate. Din ecuația rezistenței la înaintare a autovehiculului rezultă că o reducere a maseicu 100 kg are ca efect o reducere în medie a consumului de carburant cu 0,6 l pe 100 km(vezi (1)).

În sectorul construcțiilor de automobile, maniera de construcție ușoara este impulsionată înțarile conducătoare în domeniul protecției climatice. Comisia Europeană a hotărât sa r educă

consumul de carburant al flotelor de diferite autovehicule recalculat funcție de emisia debioxid de carbon, stabilit în 2012 la 130 g CO2 /km, pas cu pas pînă la atingerea 100% aacestei valori în anul 2015. Dacă un anumit producător de autovehicule nu atinge acestobiectiv, acesta va trebui să suporte o amendă proporțională cu fiecare gram de CO 2suplimentar, pentru fiecare autovehicul nou. În acest fel construcțiile ușoare devin o temă deinteres central pentru viitoarele decenii. Provocarea construcțiilor ușoare constă deci înproiectarea acestora, procedeele de fabricație și în compunerea raționala și inteligentă amix-ului de materiale. Se dorește a se proiecta astfel astfel o componentă încât funcțiuneadorită să fie îndeplinită si greutatea respectivei componente să fie minimă. Dacă mariera deconstrucție ușoară este împinsă la extremum costurile ar cunoaște o creștere explozivă (vezi

2).Tocmai aceste cerințe care constau în combinația dintre cocepte de proiectare noi șiprocedee de fabricație vor fi examinate în această lucrare cu referire la sisteme de direcție,mai precis pentru componentele structurale ale coloanei volanului. Sistemele de direcțiesunt, alături de cele de frânare, componentele de autovehicule cu care beneficiarul întră încontact nemijlocit și care îi conferă acestuia un sentiment de siguranță a deplasării șisentimentul nemijlocit al contactului cu calea de rulare prin intermediul axelor și roților.

Sistemele de direcție(Lenksysteme) sunt alcătuite din componentele coloana volanului

(Lenksäule), arborele de direcție (Lenkwelle) caseta de direcție (Lenkgetriebe) inclusivcapetele de bară (vezi Figura 1).


19/110

Obiectivele lucrării

2

Figura 1: Reprezentarea sistemului de direcție cu grupele constructive principale ale acestuia

2. Obiectivele lucrării

În această lucrare se va examina și definii utilizarea materialelor compozite cu fibre în com-binație cu procedee de fabricație după cum se reprezintă în Figura 2, pentru componentestructurale selectate, consola și casta coloanei volanului (vezi Figura 3) în producția de seriedin domeniul autovehiculelor.

Lucrarea va detalia în special proiectarea cu materiale compozite cu fibre, inclusiv procedeede fabricație și va servi și la introducerea specialiștilor ce activează ca furnizori de compo-nente de autovehicule, în domeniul materialelor compozite, mase plastice armate cu fibre.Prototipurile realizate pentru diferite componente trebuie să dovedească experimental corec-titudinea calculelor de proiectare efectuate cu metoda elementelor finite și a consider ațiilorteoretice adoptate.

Lucrarea examinează aceste posibilități pentru trei scenarii de producție diferite serii foartemici, mici și medii, precum și serii mari. Seria mică și dea medie sunt tratae împreună.

În Figura 2 se reprezintă interdependența dintre ”Creșterea gradului de automatizare” și

”Scăderea libertății în proiectare” pentru diferite tehnologii de fabricație. Din reprezentarerezultă provocarea care apare referitoare la producerea unor componente structurale cugeometrie complexă, cum sunt cele ale coloanei volanului consola și carcasa coloana(Figura 3), în număr mare de bucăți anual.

Pentru lucrare s-au selectat următoarele procedee de fabricație

• Procedeu cu autoclav – pentru serii de până la 50‘000 bucăți pe an

• Procedeu RTM-Verfahren – pentru serii mici (până la 10‘000 buc./an) și medii( până la50‘000 buc./an)

• Procedee de pultruziune și înfășurare pentru serii mari de peste 50‘000 buc./an


20/110

Obiectivele lucrării

3

Procedeul cu autoclav nu este prezentat în Figura 2, acesta poate fi considerat analog pr o-cedeului ”laminare manuală”.

Figura 2: Tehnologii de fabricație cu materiale compozite cu fibre (sursa (3))

Traducerea din Germană a termenilor din figura 2 este după cum urmează: - Faserverbund – Fertigungstechologien = Tehnologii de fabricație cu materiale compozite cu fibre - Sinkende Design Freiheit = Scăderea libertății în proiectare - Manuelles Laminieren = Laminare manuală- Prepreg Infusion = Infuzie Prepreg- Automatischer Tape Leger/FP = Dispozitiv de așezare automată a benzii/FP - Faserpressen = Prese de fibre - Wickeltechnik/FP = Tehnică de înfășurare/FP

- Pultrusion = Pultruziune - Steigender Automatisierungsgrad = Creșterea gradului de automatizare

Pentru a atinge obiectivele prezentei lucrari s-a parcurs o secvență de pași metodologiciprezentați mai jos și care conține atât aspecte teoretice cât și experimentale:

1. Stadiul actual altehnicii în acest domeniu2. Definirea unor fundamente importante pentru proiectare în maniera de construcții

ușoare , inclusiv selecția materialelor cu accent pe materialele compozite cu fibre3. Evaluarea principiilor care stau la baza proiectării-dezvoltării unor variante constructive

optimizate cu ajutorul MEF și care vizează în principal determinarea poziției straturilorde fibre și orientarea fibrelor în strat pentru componente structurale din materiale com-pozite cu fibre

4. Studiul procedeelor de fabricație precum și caracteristicile fizice ale componentelorstructurale din mater iale compozite cu fibre pentru construcția de autovehicule, per-spective și predicții

5. Determinarea valorilor caracteristice de material pentru principalele materiale com-pozite cu fibre din această lucrare

6. Realizarea unor prototipuri destinate efectuării experimentelor inclusiv evaluării com-parative a rezultatelor experimentale cu cele ale modelării prin MEF

7. Investigații exper imentale, proceduri și tehnici pentru determinarea experimentală a ca-racteristicilor mecanice și fizice ale coloanei de direcție și respectiv componentelor


21/110

Stadiul actual al tehnicii și cercetare de brevete

4

acesteia din materiale compozite cu fibre și care au fost realizate cu diferite procedeede fabricație

8. Dezvoltarea unui nou procedeu de realizare, pașii de lucru pentru proiectare și realiza-re precum și realizarea concretă a unor componente structurale din materiale com-

pozite cu fibre destinate industriei de autovehicule9. Evaluarea unor componente structurale din materiale compozite cu fibre din punctul de

vedere al caracteristicilor fizico-mecanice necesare coloanei de direcție și estimăriicomparative a costurilor diferitelor procedee de realizare

Figura 3: Coloana volanului VW Golf 6 cu consolă și carcasa coloana (CFK)

Traducerea din Germană a termenilor din figura 3 este după cum urmează: - Konsole = Consolă

- Führungskasten = Carcasa coloana

3. Stadiul actual al tehnicii și cercetare de brevete Materiale compozite cu fibre și în special mase plastice armate cu fibre de carbon (CFK) suntutilizate încă din anii 1950 cu preponderență în ca materiale din construcția aeronavelor și avehiculelor spațiale. Precedeele de fabricație sunt din acest motiv dezvoltate pentrurealizarea de serii mici. La acesta se adaugă faptul că s-au produs un număr mare de tipuride fibre și siteme matriciale specifice unei anumite aplicații (de eexplu cu diferite module E,rezistențe limită, alungiri la rupere). În special aceste fibre au avut și au costuri de fabricațiefoarte ridicate și necesită consumuri ridicate de energie pentru producere.

La mijlocul anilor 1980 la vehicolele de sport produse în serie mică, cum sunt cele din

formula 1 și DTM (Deutsche Tourenwagen Meisterschaft) și-au făcut intrarea fibrele decarbon (CF). Acestea nu au fost însa admise pentru autovehiculele autorizate a circula pedrumuri publice. Motivația constă pe de o parte în costurile ridicate ale fibrelor și prin aceastaeconomicitatea redusă, iar pe de altă parte în inexistența unor procese de fabricație pentruserii mari. Cerințele impuse fibrelor de aplicațiile din industria de autovehicule suntsemnificativ mai reduse decât cele din industria aeronautică. Din acest motiv de la sfârșitulanilor 1990 se încearcă a se produce asemenea fibre cu costuri favorabile și dedicateproducției de autovehicule simultan cu dezvoltarea unor procedee de fabricație adecvatepentru producția de serie mare.

În prezent se cunosc mai mute aplicații din domeniul autovehiculelor , care sunt insă primar

limitate la producția de autovehicule pentru sport sau execuții speciale de vehicule în seriifoarte mici de ex. Bugatti Veyron Monocoque, BMW M3 pentru bare de protecție antiruliu saude protecție la coliziune. BMW este primul producător de autovehicule care cu modelele


22/110

Fundamente

5

BMW i3 și BMW i8 introduce o nouă serie de autovehicule monovolum cu fibre CFK. Aceastăserie este o serie de autovehicule de 8’000buc./an realizare în construcție ușoară vezi șifigura 4 vezi și Figura 4. BMW produce în America în ”joint venture”cu producătorul de fibrede carbon SGL Group fibre de carbon HT specifice aplicațiilor pentru autovehicule și

optimizate în acest scop (5). Haldenwanger (4) a examinat în lucrarea sa timpuriu posibilitatea ca multe componente deautoturisme să fie produse din FVK, între altele și piese cu simetrie de rotație pentru arboride dir ecție propuși a fi realizați din mase plastice armate cu fibre de sticlă (GFK).Componentele structurale ale coloanei volanului nu au făcut obiectul examinărilor sale. El adeterminat în cartea sa, în principiu, posibilitatea utilizărilor pentru coloana volanului și aprous tranziția inspirata de la GFK la CFK pornind de la premiza „Ceea ce merge în GFKmerge și în CFK”. În fine, el nu a avut posibilitatea să examineze procedee de producțiepentru serie mare.

În prezent, în baza cercetării bibliografice și de brevete efectuate de la începutul lucrării dedoctorat și până la finalizarea redactării acesteia, nu se cunosc brevete referitoare lacomponente structurale ale coloanei volanului din CFK. Există cinci brevete privind aplicațiiale CFK la domeniul direcțiilor dar nu există publicații relevante care să descrie tematica dinaceastă lucrare. Conform unei analize de market-ing efectuată între timp, prin chestionareaunor beneficiari, s-a confirmat faptul că nici un alt producător de sisteme de direcție nu a fostpreocupat de tema aplicării CFK la componente structurale.

Figura 4: Exemple BMW i3 Arhitectura autovehiculului - Habitaclu din carbon (Sursa: BMW, (5))

4. Fundamente

4.1. Materiale pentru construcții ușoare și caracteristici de materialale acestora

4.1.1. Vedere de ansamblu

În acest capitol se prezintă o vedere de ansamblu asupra principalelor materiale utilizate înconstrucții ușoare din categoriile metale, materiale organice și anorganice. Aceasta estemenită să ajute proiectantul sa raționeze asupra posibilităților de utilizare ale diferitelor

materiale în vederea realizării unei construcții adecvate. Astfel de exemplu oțelurile derezistență ridicată mai sunt încă materialul utilizat pentru construcții ușoare din domeniulautovehiculelor.


23/110

Fundamente

6

4.1.2. Considerații generale

În ceea ce privește veridicitatea, obținerea și listarea unor caracteristici de material relevantecu ajutorul internet-ului acestea sunt o modalitate dificilă şi insuficient de fiabilă. Circulă

frecvent, în special la mase plastice, valori ale caracteristicilor de material care la acelașimaterial diferă între ele cu ordine de marime multiple. Pentru a nu prelua aceste erori seimpune deci a se folosi valori ale caracteristicilor de material din literatura tehnică consacratăsau a le determina pe bază de experimente proprii.

4.1.3. Mase plastice

În stare proprie masele plastice nu pot fi supuse unor sarcini ridicate. Din acest motiv suntrar folosite în formă pură în structuri care au ca cerință o rigiditate ridicată. În tabelul 1 seprezintă principalele mase plastice, utilizate parțial în această lucrare și valorilecaracteristicilor mecanice ale acestora conform ((6), (7) și (8)).

Denumire Densitate[kg/dm3]E-Modul

[GPa]Rez. la rupere

[MPa]Alungire larupere [%]

PBT* 1.3 2.6 52 2

PA 6.6* 1.13 2 65 1.5

Termoplastele PP* 0.91 1.2-1.7 50-70 8

PEEK 1.32 3-4.1 95

PMMA 1.2 3.3 80-90

UP-Rășină* 1.22 4.8 60 2-4

Termorigide VE-Rășină* 1.14 4 83 6-8

EP-Rășină; Întărire la rece* 1.19 3.2 75 6-9

EP- Rășină; Întărire la cald* 1.2 3.4 90 5-7

* Adecvat ca material al matricilor pentru FVK

Tabelul 1: Caracteristici de material ale maselor plastice (Surse: Schürmann (6), Neitzel/Mitschang (7) și Bargel/Schulz (8))

4.1.4. Sisteme matriciale polimerice

Pentru realizarea materialelor compozite cu fibre, este nesesar ca fibrele să fie învelite de o

matrice. Matricea realizată din materiale termoplaste sau duroplaste preia următoarelefuncțiuni (vezi (6)):

• Fixarea fibrelor în dispunerea geometrică dorită • Încleierea fibrelor pentru a permite transmiterea fortelor de la o fibră la alta • Preluarea sarcinilor mecanice de forfecare • Sprijinirea fibrelor în cazul sarcinilor de compresiune pentru a evita o flambare prin

forfecare• Realizarea unui flux de fortă de la fibră la fibră prin încleierea planurilor de laminare • Ecranarea fibrelor față de influențele din mediul ambiant

Termoplastele sunt tendențial ceva mai favorabile și, prin procedeul de injecție pot fiprelucrate mai bine comparativ cu duroplastele, devenind și mai rapid mai stabile din punctde vedere al formei. Termorigide au în special caracteristici mecanice mai bune ceea ce le


24/110

Fundamente

7

face foarte adecvate pentru componente structurale. Din punct de vedere al costurilor nuexistă diferențe semnificative (vezi tabelul 2).

Materiale pentru matrice Preț in €/kg Termoplastele (

fărăPEEK)

3.5-15

Termorigide 5-20

Tabelul 2: Materiale pentru matrici și prețuri(Sursa: Valori ale TK Intern, Furnizori)

4.1.5. Tipuri de fibre

4.1.5.1. Fibre cu carbon

Din perspectiva proiectantului materialele compozite din mase plastice armate cu fibre car-bonice par a avea numai avantaje. Cei mai mari producători de fibre carbonice „DuPont“1 și„Toray Industries Inc“2. Fac reclamă fibrelor lor carbonice cu caracteristici de material de adreptul fantastice (după (6)):

Avantaje:

• Fibrele carbonice sunt foarte ușoare, densitatea lor este de ρ ≈ 31.8 kg dm

• Rigiditate și modul E- rridicate pe direcția fibrelor• Excelentă rigiditate la oboseală la sarcini dinamice ridicate și de lungă durată• Rigidizare în apropierea tensiunii de rupere cu cca. 10% • Comportament anizotrop accentuat (dependent de construcția componentei și funcț i-

une)

• Realizări mai simple decât cu fibre de sticlă • Comportament anizotropic la solicitări termice coeficientul de dilatare termică α este

negativ pe direcția fibrelor și pozitiv in direcția perpendiculară pe acceasta • Rezistență la acizi și leșii, precum și biocompatibilitate ridicată• Permeabilitate la radiații roentgen

Dezavantaje:

• Pronunțat casante și alungire redusă la rupere ; A = 0.2 până la 2%.• Rezistentă mai redusă la compresiune decât la tracțiune pe direcția paralelă cu f ibrele,

datorată flambajului la compresiune al fibrelor• Anisotropie• Datorită nontransparenței fibrelor nu există posibilitatea de control al umectării suf i-

ciente a acestora de către materialul matricii. • Preț ridicat al fibrelor

1 DuPont este unul dintre cle mai mari concerne cu producție chimică.2 Toray Industries Inc este o intreprindere japoneză cu sediul în Tokio și unul dintre cei mai mariproducători mondiali de fibre carbonice


25/110

Fundamente

8

Pe parcursul timpului s-au dezvoltat diferite clase de clasificare a fibrelor de carbon, clas-ificări bazate pe caracteristicile acestora:

HT-Fasern = High Tenacity (rezistență ridicată), Standardtyp ST-Fasern = Super Tenacity, rezistență superioară clasei HT IM/IMS-Fasern = Intermediate Modulus, Modulul ridicate decât HT-Standardtyp HM-Fasern = High Modulus ((Fibre cu modul ridicat) UHM/UMS-Fasern = Ultra High Modulus (dezvoltare a clasei HM) UM-Fasern = Ultra Moduls (modul E-foarte ridicat)

Printre acestea există numer oase clase intermediare cum ar fi HMS și HST. În tabelul 3 ce urmează sunt prezentate câteva tipuri de fibre din cadrul claselor menționateși caracteristicile acestora:

DenumireDensitate

[kg/dm3

]

E-Modul

[GPa]

Rez. la

tracțiune [MPa]

Alungire la

rupere [%]Carbon HT (T300) 1,76 230 3500 1,5

CFK

Carbon HT (T700S)3 1,8 230 4900 2.1

Carbon IM (T700) 1,8 294 5490 1,9

Carbon IMS654 1,78 290 6000 1.9

Carbon HM (M40) 1,77 377 4410 1,2

Carbon UMS405 1.79 395 4560 1.1

Carbon UM (F500) 2,1 500 3000 0,8

Carbon UHM (P100) 2,15 720 2200 0,3

Carbon HMS 1,78 380 4900 1,2

Carbon UMS (M46) 1,84 436 4210 1,1

Tabelul 3: Caracteristicile unor fibre carbonice (Sursa: Datele de la (6), (9), (7), (27), (64), (65))

Selecția corectă a fibrelor carbonice depinde de caracteristicile fizice și mecanice,comparându-se caracteristicile legate de greutatea specifică și prețurile diferitelor materiale.Spațiul caracteristicilor fibrelor de carbon este relativ extins pentru construcția deautovehicule se consideră a fi adecvate fibrele Intermediate Modulus (IM) și (HT) ((10), (11)).

4.1.5.2. Prețuri comparative ale fibrelor

Prețurile fibrelor (tabelul 4) depind esențialmente de efortul necesar producției acestora și dematerial. Fibrele de sticlă sunt produse din materii prime cu proprietăți de prelucrare stabileși la prețuri convenabile. Fibrele aramidice se pot produce numai cu viteze moderate printoarcere umedă, ceea ce implică costuri mai ridicate.

3 Toray T700S (27) 4 Tenax IMS E23 24k (65) 5 Tenax UMS40 F23 24k (64)


26/110

Fundamente

9

Materialul fibrelor Preț in €/kg- orientativ Sticlă 2-3 Aramid 20-30 Carbon

Standard (HT,IM) 15-30 Modul ridicat (HM) 20-150 Tipuri speciale (UMS, UHM, UHMS) 100-1000

Bor 350

Tabelul 4: Prețurile fibrelor (Sursa: TK Intern, furnizori, OEMs, (12))

Fibrele carbonice sunt produse într -o gamă largă. Prețul crește odată cu modulul deelasticitate al fibrei și finețea firului, rovings cu cifră tex-ridicată, adică fibre cu număr defilament >24’000, abreviat 24k, sunt semnificativ mai favorabile ca preț decât fibre fine cu1’000 sau 3’000 filamente (după (6)) La acestea trebuie să se utilizeze fire fără greșelidenumite și fire precursoare. Procesul are o viteză redusă datorită numesoarelor etapeprocesuale, consumul de energie este ridicat datorită așa numitelor carbonizări saueventuale grafitizări la temperaturi de până la 3’000 grade Celsius maxima. În cadrul acestoretape ale procesului se stabilesc caracteristicile dorite iar costurile sunt corespunzător deridicate.

4.1.6. Mase plastice armate cu fibre (FVK)

În comparație cu alte materiale, utilizarea maselor plastice armate cu fibre este relativ nouă.De abia pe parcursul ultimilor 40 de ani, materialele obținute din mase plastice armate cufibre de sticlă, carbon sau aramid (CFK, GFK și AFK) au devenit componente principale alestructurilor portante. La construcțiile FVK se va face distincție între mase plastice armate cufibre fără fine, fibre lungi și scurte. Materialele cu fibre lungi și scurte ( L/D 10 4) nuau valori de rezistență aproximativ egale celor din urmă. Această stare de fapte estemativată de fluxul de forță din FVK (vezi (13)).

Un material din mase plastice armate cu fibre fără fine se compune în principiu dintr -omatrice și o tesătură de fibre înglobate în matrice. Materialul rezultat are proprietăți aleambelor componente, proprietăți care însă nu mai au multe elemente comune cu cele alematerialelor componente. Aceste proprietăți depind de mulți factori. În esnță proprietățile

caracteristice ale materialului compozit sunt determinate de cinci factori principali: materialulmatricii și al fibrelor, caracteristicile fibrelor și ale matricii, proporția de fibre, geometriafibrelor (scurtă, lungă,fără fine) și dispunerea fibrelor (UD; BD, TD).

În comparație cu oțelul și alte materiale ,FVK diferă fundamental în ceea ce priveșteproprietățile. Proprietățile FVK sunt anizotrope datorită orientării fibrelor. Pentru proiectantaceasta înseamnă ca trebuie să calculeze cu module diferite și rezistențe diferite. Pricipialdirecțiile de calcul se stabilesc după o direcție paralelă cu fibrele și una perpendicular peaceasta.


27/110

Fundamente

10

4.1.7. Materialul compozit matricial cu fibre

Combinația dintre o matrice și fibre fără fine și materialul compozit rezultant este redatăschematic în figura 5. Reprezentarea corespunde unei orientări unidirecționale (UD) a

fibrelor în cadrul materialului compozit. Materialul rezultant are excelente proprietăți în ceeace privește modulul E și rezistența pe direcția fibrelor.

Fibre Matrice Material compozit cu fibre

Figura 5: Construcția schematică a FVK

Materialul compozit cu fibre are proprietăți caracteristice noi în care predomină proprietățilefibrelor. Comparativ, caracteristicile și utilizările principale ale materialului compozit(comparativ cu capitolele 4.1.3 și 4.1.5.1) sunt:

Fibre:

- Excelente proprietăți în ceea ce privește modulul E rigiditatea și rezistența pe direcțiafibrelor

- Fibrele pot prelua sarcini numai pe direcția fibrelor – comportament anizotrop - Sunt casante- Dilatare termică foarte redusă

Matrice:

- Excelente caracteristici de aderență cu condiția ca suprafețele să fie suficient de mariși să transmită fibrelor sarcinile

- Stabilitatea fibrelor- Bune caracteristici de amortizare- Rigiditate și rezistență reduse- Orice geometrie este realizabilă

Comportamentul sub sarcină a unui

compozit UD se poat

heitz thomas

Documents