The authors would like to acknowledge the support of Ten Cate Advanced Materials in the form of free material supply to the work described in this paper.

1. Proben Schneiden und Vorbereitung für das Ultraschallschweißen <ol><li> Schneiden rechteckige Proben gemessen 25,4 mm x 101,6 mm von einem größeren thermoplastischen Verbundlaminat eine Schneidtechnik verwendet, die Delamination der Kanten der Proben (zum Beispiel Diamant-Säge oder Wasserstrahlschneiden) verhindert. Anmerkung: Die Abmessungen der Proben basieren auf ASTM D 1002 Standard. <ol><li> Da Festigkeit der Schweißverbindungen an der Faserorientierung auf der Oberfläche hängt bis 10 geschweißt werden, darauf achten, alle Proben in der gleichen Ausrichtung zu schneiden. </li></ol></li><li> Nach dem Schneiden trockenen Proben in einem Ofen gemäß den Empfehlungen des Herstellers bei das thermoplastische Harz dazu neigt, Feuchtigkeit zu absorbieren (beispielsweise 6 h bei 135 ° C für sechs Schichtkohlefaserverstärktem Polyetherimid, CF / PEI, Proben). </li><li> Schnittenen flachen Energierichtungs gebildet aus ordentlich thermoplastischen Folie (gleichen Harz als Matrix im Verbund) der Größe (ca. 26 mm x 26 mm) mit einer Dicke von mindestens 0,25 mm. Falls erforderlich, trocknen die Energierichtungsempfehlungen folgende Hersteller (zB 1 Stunde bei 135 ° C unter der Regie von PEI Energie). </li><li> Vor dem Schweißen, inspizieren Proben einer nach dem anderen für delaminierte Ecken und verwerfen, wenn nötig. Reinigen Sie sie einen Entfetter und ein Baumwolltuch. Reinigen Sie die Flachenergierichtungs nach dem gleichen Verfahren. </li></ol> 2. Ultraschallschweißen von Einzelüberlappungsscher Gutscheine Hinweis: Ein Mikroprozessor Ultraschallschweißer Lage gesteuert mit konstanter Amplitude zum Schweißen wird in diesem Schritt verwendet. Der Schweißer Ausgänge Prozessdaten, wie Verlustleistung und Verschiebung der Sonotrode gegenüber der Zeit der Datenerfassungs-Software in einem Computer. Ein speziell angefertigten Spannvorrichtung entwickelt und hergestellt genau zu positionieren und Einzelüberlappungsscherproben beim Ultraschallschweißen Klemme wird in diesem Schritt verwendet (siehe Abbildung 1). Abbildung 1. Ultraschall-Schweißgerät und custom-built in dieser Studie verwendeten Schweiß Setup. 1: Sonotrode 2: Schiebebühne, 3: Klammer für die oberen Probe (an 2), 4: Klammer für die unteren Probe (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53592/53592fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol><li> Füllen Sie ein Fahrtenbuch Blatt vor jedem Schweiß Experiment. <ol><li> Beachten Sie die folgenden Parameter: RT und Feuchtigkeit, Schweiß-Setup-Referenz, Sonotrode Typ, Probennummer und Materialien, Breite und Dicke der oberen und unteren Proben, und die Dicke der Energieleiter. </li></ol></li><li> Schalten Sie den Ultraschall-Schweißgerät und Computer. Starten Sie die Software zur Datenerfassung und öffnen Sie eine neue Sitzung. </li><li> Falls noch nicht vorhanden, ändern Sie die sonotritt auf eine zylindrische Sonotrode mit einem Durchmesser von 40 mm, so dass seine Bodenfläche vollständig den Schweißbereich abdeckt. Hinweis: Eine andere Form der Sonotrode eingesetzt werden kann, aber die Bodenfläche sollte nicht kleiner sein als der Schweißbereich. </li><li> Position und fixieren Proben und Energiedirektor in die Schweißvorrichtung (siehe Abbildung 1). <ol><li> Bringen Sie einen Flachenergieleiter mit den Bodenprobe mit Klebeband, so dass es einen etwas größeren Bereich abdeckt als die Fläche (12,7 mm x 25,4 mm) geschweißt werden. </li><li> Legen Sie die untere Probe in die Spannvorrichtung und klemmen es durch die obere Schraube festziehen. </li><li> Kleben Sie das andere Ende des Energiedirektor an der Basis des Setup, so dass sie an Ort und Stelle während des Prozesses bleibt. </li><li> Legen Sie die obere Probe in die Klemme, ausrichten und die obere Schraube festziehen. </li><li> Positionieren Sie die Klammer für die Top-Probe in die Schiebebühne und ziehen Sie die beiden Schrauben. </li><li> Bevor Sie fortfahren, ziehen Sie alle vier Schrauben einmal mErz. </li></ol></li><li> Bestimmen die optimale Dauer der Schwingungsphase auf der Grundlage der Verschiebung der Sonotrode die höchste Schweißfestigkeit zu erreichen, wie 2.5.1 bis 2.5.8 in Schritten beschrieben. Hinweis: Eine optimale Dauer der Schwingungsphase für jede gewünschte Kombination von Schweißkraft und Schwingungsamplitude bestimmt. <ol><li> Stellen Sie die Ultraschall-Schweißgerät Verschiebung-Regelbetrieb auf Differential. </li><li> Eingangsschweißkraft und Schwingungsamplitude in das Ultraschallschweißgerät (zum Beispiel 300 N und 86,2 &amp; mgr; m). Hinweis: Bei diesem Ultraschallschweißer, 86,2 &amp; mgr; m entspricht der Spitze-zu-Spitze-Schwingungsamplitude. In den Systemeinstellungen, wird es als die Hälfte dieses Wertes ausgedrückt, 43,1 &amp; mgr; m. </li><li> Eingangs die Sonotrode Verschiebung oder Reisen, am Ende der Vibrationsphase als ein Wert gleich der Ausgangsdicke der Energieleiter (zum Beispiel 0,25 mm). </li><li> Eingangs Verfestigung Kraft und Zeit in den Ultraschallschweißgerät (zum Beispiel 1000N und 4,000 msec). </li><li> Wenn Sie bereit sind, setzen auf schalldichte Kopfhörer und starten Sie die Ultraschall-Schweißverfahren. </li><li> Nach dem Abschluss des Prozesses, beachten Sie bitte die folgenden Ausgangsparameter: Schweißabstand, maximale Leistung, Vibration Zeit und Energie. Entfernen Sie den Coupon aus der Schweiß Setup und schreiben ihre Kennnummer auf beide mit einem Lackstift endet. </li><li> Exportieren der Schweiß Daten (Kraft und Verschiebung der Sonotrode) in eine Tabellenkalkulation und zeichnen die Kraft und Verschiebung Zeit-Kurve während der Vibrationsphase des Verfahrens. Hinweis: Die Verschiebungskurve der Abwärtsverschiebung der Sonotrode in Bezug auf ihre Position zu Beginn des Schwingungsphasendiagramm soll. </li><li> Identifizieren der Verschiebung in der Mitte des Stromplateau (Stufe 4), wie in Abbildung 2 (in diesem Fall 0,10 mm) gezeigt. Hinweis: Diese besondere Verschiebungswert ist die optimale Reise, die die Dauer der Vibration Phase steuert und Willenin jedem nachfolgenden Schweiß für den gleichen Schweißkraft und Amplitude verwendet werden. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig2.jpg" /> Abbildung 2. Power (schwarz) und Verschiebung (grau) Kurven für die Ultraschall-Schweißverfahren zeigt optimale Reisen. Die Schwingungsphase des Ultraschallschweißen kann in fünf Stufen unterteilt werden. Optimale Reise Wert wird innerhalb Stufe 4. Studien Fall befindet: Kohlefaser Polyetherimid -PEI Substrate verstärkt, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Schwingungsamplitude, 0,25 mm Federweg. (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53592/53592fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="6"><li> Weld Coupons bei der optimalen Reise Wert für den gegebenen Schweißkraft und Amplitude combination. <ol><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.1 für jede Schweißnaht 2.5.6. In Schritt 2.5.3, verwenden Sie die optimale Reise bestimmt in Schritt 2.5.8 für die entsprechende Schweißkraft und Amplitude Kombination. Hinweis: Alle LSS-Tests werden durchgeführt gemäß ASTM D 1002 auf einer Universalprüfmaschine mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1,3 mm / min. </li></ol></li></ol> 3. Einzel Zugscherfestigkeit (LSS) Prüfung von geschweißten Gutscheine <ol><li> Messen und für die beiden angeschweißten Coupon Kenntnis von der Breite der Überlappung nehmen. </li><li> Schalten Sie den Universal-Prüfmaschine und öffnen Sie die Testverfahren für LSS auf dem Computer. </li><li> In der Testoberfläche, geben Sie die Probennummer und die Abmessungen der Überlappung. Stellen Sie die Kraft auf 0 und den Griff-zu-Griff Trennung in seine Ausgangsposition (zum Beispiel 60 mm). </li><li> Positionieren der Probe in den Griffen der Prüfmaschine wie auf Abbildung 3 dargestellt. </li></ol><img alt="Abbildung 3" src = &quot;/ files / ftp_upload / 53592 / 53592fig3.jpg&quot; /&gt; Abbildung 3. Schematische Darstellung des Klemm in der Zwick / Roell 250 kN Universalprüfmaschine (nicht maßstabsgetreu). Die Offset-Verschiebung zwischen dem oberen und unteren Griffe erlaubt die Lastrichtung mit dem Zentrum Schweißlinie Ausrichten während der Überlappungsscher zu minimieren Biege Festigkeitsprüfung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53592/53592fig3large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="5"><li> Starten Sie das Testverfahren aus dem Computer durch die Schaltfläche &quot;Start&quot; klicken. </li><li> Nachdem die Probe bricht, entfernen Sie sie aus dem Griff und sichern Sie beide Teile zusammen mit Klebeband. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.3 bis 3.6 für alle anderen Proben. </li><li> Wenn die Tests abgeschlossen sind, Exportieren der Daten in eine Tabelle und berechnen den Mittelwert LSS, gemäß dem Verfahren in der Norm beschriebenen, für jede Schweißkraft und Amplitude Kombination. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interest.

Die Ergebnisse im vorherigen Abschnitt verweisen auf die Angemessenheit der einfache Methode in diesem Papier für das Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbund einzelnen Runde Coupons zum Zwecke der mechanischen Prüfung vorgeschlagen. Nachfolgend erläutern wir, wie die Ergebnisse der drei Hauptsäulen der Methode zu validieren, das heißt, die Verwendung von flachen lose Energiedirektoren, die Verwendung von Prozessrückmeldung optimale Dauer der Vibration und die Verwendung von Verdrängungssteuer...

Thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) haben die Fähigkeit, angeschweißt werden, was auf ihre kostengünstige Herstellung beiträgt. Schweißen erfordert lokale Erhitzen unter Druck zu erweichen oder das thermoplastische Harz der Fügeflächen schmelzen und für innigen Kontakt und nachfolgende Interdiffusion von thermoplastischen Polymerketten über die Schweißgrenzfläche zu ermöglichen. Sobald molekularen Interdiffusion erreicht wird, festigt die Schweißverbindung unter Druck abgekühlt. Mehrere Schweißtechniken auf thermoplastische Verbundwerkstoffe anwendbar sind, die 1, jedoch hauptsächlich in der Wärmequelle unterscheidet, die wichtigsten &quot;Adhäsion&quot; -Mechanismus, also molekulare Verhakung, bleibt unverändert. Ultraschallschweißen bietet eine sehr kurze Schweißzeiten (in der Größenordnung von einigen Sekunden), einfache Automatisierung und es ist praktisch unabhängig von der Art der Verstärkung in den thermoplastischen Verbundsubstrate. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit zur in situ-Überwachung 2,3 </sup&gt;, Die im Rahmen der Qualitätssicherung oder für die schnelle Definition von Verarbeitungsfenster 4 verwendet werden kann. Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen ist vor allem ein Punktschweißverfahren, aber erfolgreiches Schweißen von mehr Nähte durch aufeinanderfolgende Ultraschallschweißen in der Literatur 5 berichtet. Im Gegensatz zu Widerstands- oder Induktionsschweißen, Ultraschallschweißen ist industriell nicht für Strukturverbindungen zwischen thermoplastischen Verbundteile so weit angewendet. Nichtsdestotrotz wird erhebliche Anstrengungen zur Zeit gewidmet werden für Flugzeuganwendungen Entwicklung von Strukturultraschallschweißen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen zu fördern. Beim Ultraschallschweißen werden die zu verbindenden Teile sind auf eine Kombination von statischen Kraft ausgesetzt und Hochfrequenz mit niedriger Amplitude mechanischer Schwingungen quer zu der Schweißgrenzfläche, die durch die Oberfläche und Erhitzen in viskoelastischen Wärmeerzeugung führt. Vorzugserhitzungs an der Schweißschnittstelle gefördertdurch die Verwendung von Harz Vorsprünge auf den Oberflächen verschweißt, die höher zyklischen Belastung unterzogen werden, und damit höhere viskoelastische Heizung, als die Substrate 6. Kraft und Vibration ausgeübt werden auf die Teile durch eine Sonotrode einer Presse und mit einem Ultraschall Zug verbunden verschweißt werden, die aus piezoelektrischen Wandler und Verstärker. Abhängig von der Entfernung zwischen dem Punkt, an dem die Sonotrode in Kontakt mit dem Teil verbunden werden und die Schweißschnittstelle, kann zwischen Nahfeld- und Fernfeld-Ultraschallschweißen erfolgen. Nahfeld-Schweißen (weniger als 6 mm zwischen Sonotrode und Schweißschnittstelle) ist für eine breitere Palette von Materialien während der Anwendbarkeit der Fernfeldschweißen zu einem spezifischen thermoplastischen Material wird von der Fähigkeit des Materials stark von Schallwellen durchzuführen 6 . Die Ultraschall-Schweißverfahren lassen sich in drei Hauptphasen eingeteilt werden. Zunächst wird ein Kraftaufbauphase, in der die sonotrode allmählich die Kraft auf die Teile geschweißt werden, bis eine bestimmte Auslösekraft erreicht ist. Keine Vibrationen während dieser Phase angewandt. Zweitens, eine Schwingungsphase, die beginnt, sobald die Auslösekraft erreicht ist. In dieser Phase schwingt die Sonotrode an der vorgeschriebenen Amplitude für eine gewisse Zeit, die Wärme für den Schweißvorgang benötigt erzeugen. Mikroprozessorgesteuerte Ultraschallschweißgeräte bieten mehrere Optionen, um die Dauer der Vibration Phase zu steuern, darunter Zeit (dh direkte Kontrolle), Verschiebung oder Energie (indirekte Kontrolle). Die Kraft, die während dieser Phase angewendet, dh Kraft Schweißen, konstant und gleich der Auslösekraft gehalten werden oder kann allmählich während des Aufbringens der Vibration variiert werden. Drittens eine Erstarrungsphase, während der die Schweißteile erlaubt werden für eine gewisse Zeit unter einem bestimmten Erstarrungskraft abkühlen. Keine Vibrationen während dieser letzten Stufe angelegt. Schweiß foRCE, Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz und die Dauer der Vibrationsphase (entweder direkt oder indirekt durch Energie oder Verschiebung gesteuert) sind die Schweißparameter, die Wärmeerzeugung zu steuern. Kraft, Amplitude und Dauer sind benutzerdefinierte Parameter, während Frequenz für jeden Ultraschall-Schweißgerät befestigt ist. Die Verfestigung Kraft und Erstarrungszeit, auch Schweißparameter, nicht eingreifen in der Erwärmungsprozess, sondern beeinflussen die Konsolidierung und, zusammen mit dem Rest der Parameter, die endgültige Qualität der Schweißverbindungen. Dieser Beitrag stellt eine neue einfache Methode zur Nahfeld-Ultraschallschweißen einzelner TPC Coupons in einer einzigen Runde Konfiguration für nachfolgende mechanische Einzelüberlappungsscher (LSS), Prüfung gemäß ASTM (American Society for Testing and Materials) D 1002-Standard. Mechanische Prüfung der Schweiß Coupons ermöglicht die Bestimmung der scheinbaren Scherfestigkeit der Gelenke, die eine der Eigenschaften die meisten comm istnur verwendet 7 die Stärke der thermoplastischen Verbundschweißverbindungen zu quantifizieren. Das Schweißverfahren in diesem Papier beschrieben, das auf drei Säulen. Zunächst werden lose flache Energieleiter für Vorzugswärmeerzeugung an der Verbindungsgrenzfläche 8,9 während des Schweißprozesses verwendet. Zweitens wird die Prozessdaten durch die Ultraschallschweißgerät bereitgestellt verwendet, um schnell die optimale Dauer der Schwingungsphase für eine bestimmte Kraft / Amplituden-Kombination 2,4 definieren. Drittens wird die Dauer der Schwingungsphase indirekt durch die Verschiebung der Sonotrode gesteuert, um 4 gleichbleibende Qualität der Schweißverbindungen zu gewährleisten. Dieses Schweißverfahren bietet im Wesentlichen folgende Neuerungen und Vorteile in Bezug auf State-of-the-art-Schweißverfahren für thermoplastische Verbundwerkstoffe: (a) vereinfacht die Probenvorbereitung durch die Verwendung von Direktoren lose flache Energie anstelle der traditionellen Formenergierichtungs 3, aktiviert und (b) schnell und cost-effiziente Definition von Verarbeitungsparametern auf Basis von In-situ-Überwachungsprozess wie zu gemeinsamen Versuch und Irrtum Ansätze gegenüber. Obwohl die in diesem Dokument beschriebene Verfahren eine sehr spezifische und einfache Schweißgeometrie zu erhalten, ausgerichtet ist, kann sie als Grundlage dienen für das Schweißen von tatsächlichen Teile, ein Verfahren zu definieren. Ein Hauptunterschied in diesem Fall ergibt sich aus eingeschränkten Fluss der Energie Regisseur wie den frei fließen an den vier Kanten der Überlappung in einzelnen Runde Coupons gegenüber.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Material/Reagent&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cetex carbon fiber / polyetherimide (CF/PEI) 5 harness satin prepreg</td><td>TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)</td><td>Contact vendor</td><td>Material used in this study for the specimens.</td></tr><tr><td>PFQD solvent degreaser</td><td>PT Technologies Europe (now Socomore - www.socomore.com)</td><td>Contact vendor</td><td>Solvent degreaser for cleaning the specimens and energy directors.</td></tr><tr><td>Cotton cloths</td><td></td><td></td><td>For general cleaning purposes. No specific vendor was used.</td></tr><tr><td>0.25 mm PEI film</td><td>TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)</td><td>Contact vendor</td><td>Thin film used as energy director.</td></tr><tr><td>Adhesive tape</td><td>Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)</td><td>1&quot; x 72 yds MFG # 327402 Contact vendor for catalog number</td><td>Used to attach energy director to bottom sample for ultrasonic welding.</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Name&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Company&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Catalog Number&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Comments&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>V&amp;ouml;tsch oven</td><td>V&amp;ouml;tsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)</td><td>VTU 60/60 - Contact vendor for specific catalog number</td><td>Oven used to dry PEI film (energy directors) and PEI specimens before welding.</td></tr><tr><td>Rinco Dynamic 3000 ultrasonic welder</td><td>Aeson BV (www.aeson.nl/en/)</td><td>Contact vendor</td><td>20 kHz ultrasonic welding machine used for the welding experiments. Several sonotrode sizes available. Contact vendor for details. ACUCapture software included.</td></tr><tr><td>Zwick/Roell universal testing machine</td><td>Zwick (www.zwick.com)</td><td>Z250 - Contact vendor for specific catalog number</td><td>Universal testing machine with maximum load of 250 kN used for single lap shear strength measurements.</td></tr></tbody></table>

ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for mechanical characterization of welded joints through single lap shear testing

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ultrasonic welding process described in this paper is based on three main pillars. Firstly, flat energy directors are used for preferential heat generation at the joining interface during the welding process. A flat energy director is a neat thermoplastic resin film that is placed between the parts to be joined prior to the welding process and heats up preferentially owing to its lower compressive stiffness relative to the composite substrates. Consequently, flat energy directors provide a simple solution that does not require molding of resin protrusions on the surfaces of the composite substrates, as opposed to ultrasonic welding of unreinforced plastics. Secondly, the process data provided by the ultrasonic welder is used to rapidly define the optimum welding parameters for any thermoplastic composite material combination. Thirdly, displacement control is used in the welding process to ensure consistent quality of the welded joints. According to this method, thermoplastic-composite flat coupons are individually welded in a single lap configuration. Mechanical testing of the welded coupons allows determining the apparent lap shear strength of the joints, which is one of the properties most commonly used to quantify the strength of thermoplastic composite welded joints.

Kohlefaserverstärkte Polyetherimid (CF / PEI) Proben wurden nach der Methode in diesem Papier beschrieben verschweißt. Die Proben wurden aus einem Verbundlaminat von fünf-Harnisch-Atlasgewebe CF / PEI mit (0/90) 3S Stapelfolge und 1,92 mm Nenndicke erhalten. Proben wurden aus diesem Laminat ausgeschnitten, so dass die Haupt augenscheinlichen Ausrichtung der Fasern zu ihrer längsten Seite parallel war. Wohnung PEI Energieleiter mit 0,25 mm Dicke verwendet wurden. Sowohl die...

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Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

A straightforward procedure for ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for basic mechanical testing is described. Key characteristics of this ultrasonic welding process are the use of flat energy directors for simplified process preparation and the use of process data for the fast definition of optimum processing conditions.

Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbund Coupons für Mechanische Charakterisierung von Schweißverbindungen durch Einzelüberlappungsscherprüfung

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ...

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Serie: Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

Herstellung von dreidimensional Mikrostrukturierte Nanokomposite durch Mikrofluidik-Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Forschung

Chemie

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs and condition-based maintenance. These materials are adopted in a wide range of engineering applications, from aircraft and ship structures, to bridges, wind turbine blades, biomaterials and biomedical implants. Polymers are viscoelastic materials, and their response may be highly nonlinear and thus make it challenging to predict and monitor their in-service performance. The laboratory-scale testing platform presented herein assists the investigation of the influence of concurrent mechanical loadings and environmental conditions on these materials. The platform was designed to be low-cost and user-friendly. Its chemically resistant materials make the platform adaptable to studies of chemical degradation due to in-service exposure to fluids. An example of experiment was conducted at RT on closed-cell polyurethane foam samples loaded with a weight corresponding to ~50% of their ultimate static and dry load. Results show that the testing apparatus is appropriate for these studies. Results also highlight the larger vulnerability of the polymer under concurrent loading, based on the higher mid-point displacements and lower residual failure loads. Recommendations are made for additional improvements to the testing apparatus.

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.

Eine Testplattform in Haltbarkeit Studien von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffe unter Concurrent Hygrothermogeber mechanischen Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Ingenieurwesen

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und optische Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Fabrication of the Thermoplastic Microfluidic Channels

In our lab, we have successfully isolated nucleic acids directly from microliter and submicroliter volumes of human blood, urine and stool using polymer/nanoparticle composite microscale lysis and solid phase extraction columns. The recovered samples are concentrated, small volume samples that are PCRable, without any additional cleanup. Here, we demonstrate how to fabricate thermoplastic microfluidic chips using hot embossing and heat sealing. Then, we demonstrate how to use in situ light directed surface grafting and polymerization through the sealed chip to form the composite solid phase columns. We demonstrate grafting and polymerization of a carbon nanotube/polymer composite column for bacterial cell lysis. We then show the lysis process followed by solid phase extraction of nucleic acids from the sample on chip using a silica/polymer composite column. The attached protocols contain detailed instructions on how to make both lysis and solid phase extraction columns.

Here we demonstrate how to fabricate thermoplastic microfluidic chips using hot embossing and heat sealing. Then we demonstrate how to use in situ light directed surface grafting and polymerization through the sealed chip to form the composite solid phase columns.

Die Herstellung der thermoplastischen Mikrofluidikkanälen

In our lab, we have successfully isolated nucleic acids directly from microliter and submicroliter volumes of human blood, urine and stool using ...

Biologie

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on exposing the specimen to longitudinal vibrations on its resonance frequency close to 20 kHz. With use of this method, it is possible to significantly decrease the time required for the test, when compared to conventional testing devices usually working at frequencies under 200 Hz. It is also used to simulate loading of material during operation in high speed conditions, such as those experienced by components of jet engines or car turbo pumps. It is necessary to operate only in the high and ultra-high cycle region, due to the possibility of extremely high deformation rates, which can have a significant influence on the test results. Specimen shape and dimensions have to be carefully selected and calculated to fulfill the resonance condition of the ultrasonic system; thus, it is not possible to test the full components or specimens of arbitrary shape. Before each test, it is necessary to harmonize the specimen with the frequency of the ultrasonic system to compensate for deviations of the real shape from the ideal one. It is not possible to run a test until a total fracture of the specimen, since the test is automatically terminated after initiation and propagation of the crack to a certain length, when the stiffness of the system changes enough to shift the system out of the resonance frequency. This manuscript describes the process of evaluation of materials' fatigue properties at high-frequency ultrasonic fatigue loading with use of mechanical resonance at a frequency close to 20 kHz. The protocol includes a detailed description of all steps required for a correct test, including specimen design, stress calculation, harmonizing with the resonance frequency, performing the test, and final static fracture.

A protocol for ultrasonic fatigue testing in the high and ultra-high cycle region in axial tension-compression loading mode.

Ultraschall Ermüdungsprüfung im Zug-Druck-Modus

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

Magnet Assisted Composite Manufacturing: A Flexible New Technique for Achieving High Consolidation Pressure in Vacuum Bag/Lay-Up Processes

This work demonstrates a protocol to improve the quality of composite laminates fabricated by wet lay-up vacuum bag processes using the recently developed magnet assisted composite manufacturing (MACM) technique. In this technique, permanent magnets are utilized to apply a sufficiently high consolidation pressure during the curing stage. To enhance the intensity of the magnetic field, and thus, to increase the magnetic compaction pressure, the magnets are placed on a magnetic top plate. First, the entire procedure of preparing the composite lay-up on a magnetic bottom steel plate using the conventional wet lay-up vacuum bag process is described. Second, placement of a set of Neodymium-Iron-Boron permanent magnets, arranged in alternating polarity, on the vacuum bag is illustrated. Next, the experimental procedures to measure the magnetic compaction pressure and volume fractions of the composite constituents are presented. Finally, methods used to characterize microstructure and mechanical properties of composite laminates are discussed in detail. The results prove the effectiveness of the MACM method in improving the quality of wet lay-up vacuum bag laminates. This method does not require large capital investment for tooling or equipment and can also be used to consolidate geometrically complex composite parts by placing the magnets on a matching top mold positioned on the vacuum bag.

A new technique for applying consolidation pressure on the vacuum bag lay-up to fabricate composite laminates is described. The goal of this protocol is to develop a simple, cost-effective technique to improve the quality of laminates fabricated by the wet lay-up vacuum bag method.

Magnet unterstützt Composite Fertigung: Eine Flexible neue Technik für die Erreichung hoher Konsolidierungsdruck im Vakuum Tasche/Lay-Up-Prozesse

This work demonstrates a protocol to improve the quality of composite laminates fabricated by wet lay-up vacuum bag processes using the recently developed ...

Generating Lap Joints Via Friction Stir Spot Welding on DP780 Steel

Friction stir spot welding (FSSW), a derivative of friction stir welding (FSW), is a solid-state welding technique that was developed in 1991. An industry application was found in the automotive industry in 2003 for the aluminum alloy that was used in the rear doors of automobiles. Friction stir spot welding is mostly used in Al alloys to create lap joints. The benefits of friction stir spot welding include a nearly 80% melting temperature that lowers the thermal deformation welds without splashing compared to resistance spot welding. Friction stir spot welding includes 3 steps: plunging, stirring, and retraction. In the present study, other materials including high strength steel are also used in the friction stir welding method to create joints. DP780, whose traditional welding process involves the use of resistance spot welding, is one of several high strength steel materials used in the automotive industry. In this paper, DP780 was used for friction stir spot welding, and its microstructure and microhardness were measured. The microstructure data showed that there was a fusion zone with fine grain and a heat effect zone with island martensite. The microhardness results indicated that the center zone exhibited a greater degree of hardness compared with the base metal. All data indicated that the friction stir spot welding used in dual phase steel 780 can create a good lap joint. In the future, friction stir spot welding can be used in high-strength steel welding applied in industrial manufacturing processes.

Here, we present a friction stir spot welding (FSSW) protocol on dual phase 780 steel. A tool pin with high-speed rotation generates heat from friction to soften the material, and then, the pin plunges into 2 sheet joints to create the lap joint.

Erzeugung von Rundengelenken über Friction Stir Spot Welding auf DP780 Stahl

Friction stir spot welding (FSSW), a derivative of friction stir welding (FSW), is a solid-state welding technique that was developed in 1991. An industry ...

Cutting Procedures, Tensile Testing, and Ageing of Flexible Unidirectional Composite Laminates

Many body armor designs incorporate unidirectional (UD) laminates. UD laminates are constructed of thin (&#60;0.05 mm) layers of high-performance yarns, where the yarns in each layer are oriented parallel to each other and held in place using binder resins and thin polymer films. The armor is constructed by stacking the unidirectional layers in different orientations. To date, only very preliminary work has been performed to characterize the ageing of the binder resins used in unidirectional laminates and the effects on their performance. For example, during the development of the conditioning protocol used in the National Institute of Justice Standard-0101.06, UD laminates showed visual signs of delamination and reductions in V50, which is the velocity at which half of the projectiles are expected to perforate the armor, after ageing. A better understanding of the material property changes in UD laminates is necessary to comprehend the long-term performance of armors constructed from these materials. There are no current standards recommended for mechanically interrogating unidirectional (UD) laminate materials. This study explores methods and best practices for accurately testing the mechanical properties of these materials and proposes a new test methodology for these materials. Best practices for ageing these materials are also described.

The goal of the study was to develop protocols to prepare consistent specimens for accurate mechanical testing of high-strength aramid or ultra-high-molar-mass polyethylene-based flexible unidirectional composite laminate materials and to describe protocols for performing artificial ageing on these materials.

Schneidverfahren, Zugprüfung und Alterung flexibler unidirektionaler Verbundlaminate

Many body armor designs incorporate unidirectional (UD) laminates. UD laminates are constructed of thin (&#60;0.05 mm) layers of high-performance yarns, ...

Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It is intended as a practical and reproducible procedure to identify macroscopic cracks at an early stage and monitor crack propagation during fatigue tests. It consists of strain field measurements at the weld using DIC. Images are taken at fixed load cycle intervals. Cracks become visible in the computed strain field as elevated strains. This way, the whole width of a small-scale specimen can be monitored to detect where and when a crack initiates. Subsequently, it is possible to monitor the development of the crack length. Because the resulting images are saved, the results are verifiable and comparable. The procedure is limited to cracks initiating at the surface and is intended for fatigue tests under laboratory conditions. By visualizing the crack, the presented procedure allows direct observation of macrocracks from their formation until rupture of the specimen.

Digital image correlation is used in fatigue tests on a resonance testing machine to detect macroscopic cracks and monitor crack propagation in welded specimens. Cracks on the specimen surface become visible as increased strains.

Rissüberwachung bei Derresonanceermüdungstests von geschweißten Proben mit Digital Bildkorrelation

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It ...

Herstellung und Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundlaminaten

Measuring the Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforcement Polymer Composite Laminates Obtained by Different Fabrication Processes

The traditional wet hand lay-up process (WL) has been widely applied in the manufacturing of fiber composite laminates. However, due insufficiency in the forming pressure, the mass fraction of fiber is reduced and lots of air bubbles are trapped inside, resulting in low-quality laminates (low stiffness and strength). The wet hand lay-up/vacuum bag (WLVB) process for the fabrication of composite laminates is based on the traditional wet hand lay-up process, using a vacuum bag to remove air bubbles and provide pressure, and then carrying out the heating and curing process. 
Compared with the traditional hand lay-up process, laminates manufactured by the WLVB process show superior mechanical properties, including better strength and stiffness, higher fiber volume fraction, and lower void volume fraction, which are all benefits for composite laminates. This process is completely manual, and it is greatly influenced by the skills of the preparation personnel. Therefore, the products are prone to defects such as voids and uneven thickness, leading to unstable qualities and mechanical properties of the laminate. Hence, it is necessary to finely describe the WLVB process, finely control steps, and quantify material ratios, in order to ensure the mechanical properties of laminates. 
This paper describes the meticulous process of the WLVB process for preparing woven plain patterned glass fiber reinforcement composite laminates (GFRPs). The fiber volume content of laminates was calculated using the formula method, and the calculated results showed that the fiber volume content of WL laminates was 42.04%, while that of WLVB laminates was 57.82%, increasing by 15.78%. The mechanical properties of the laminates were characterized using tensile and impact tests. The experimental results revealed that with the WLVB process, the strength and modulus of the laminates were enhanced by 17.4% and 16.35%, respectively, and the specific absorbed energy was increased by 19.48%.

Autor im Rampenlicht: Verbesserung der Qualität von Faserverbundlaminaten mit dem Nasshand-Lay-up/Vakuumbeutel-Verfahren 

This paper describes a fabrication process for fiber-reinforced polymer matrix composite laminates obtained using the wet hand lay-up/vacuum bag method.

Messung der mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten, die durch verschiedene Herstellungsverfahren erhalten werden

The traditional wet hand lay-up process (WL) has been widely applied in the manufacturing of fiber composite laminates. However, due insufficiency in the ...