Die Autoren bedanken sich für die Zuschüsse aus dem National Key Research and Development Program of China (Nr. 2022YFB3706503) und dem Stable Support Plan Program des Shenzhen Natural Science Fund (Nr. 20220815133826001).

1. Vorbereitung des Materials
<ol><li>Schneiden Sie mit einer Schere acht Stücke 300 mm x 300 mm Glasfasergewebe zu. Klebe den Schnitt zuerst mit Klebeband ab, um zu verhindern, dass die Faserfäden abfallen. HINWEIS: Tragen Sie eine Maske und Handschuhe, um beim Schneiden des Stoffes ein Stechen in den Finger und das Einatmen von Filamenten zu vermeiden. Nicht nur das gewebte Glasfasergewebe, sondern auch unidirektionales Gewebe und andere Faserarten wie Kohlefaser und Aramidfaser sind ebenfalls erhältlich.</li>
	<li>260 g Epoxidharz und 78 g Härter nach dem Massenverhältnis von 10:3 abwiegen. HINWEIS: Das Verhältnis von Fasergewebe und Harzsystem wird auf 360 g Epoxidharzsystem pro Quadratmeter einlagigem Fasergewebe geschätzt.</li>
</ol>2. Herstellungsprozess
ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt das Schema der Herstellung von Verbundlaminat für den Handlaminatprozess, der in Abschnitt 2 dargestellt ist.
<ol><li>WLVB<ol>
<li>Den Stoff für 8 h bei 60 °C in den Ofen schieben.</li>
		<li>Kleben Sie eine Isolierfolie auf die Acrylplatte, um zu verhindern, dass sich das Harz verklebt.</li>
		<li>Stellen Sie die Form auf die Legefläche.</li>
		<li>Mischen Sie das Harz und den Härter langsam für 5 Minuten und geben Sie es dann in eine Vakuumkammer, um die Luftblasen im Inneren herauszuziehen.</li>
		<li>Legen Sie die porenfreie Trennfolie auf die Form und fixieren Sie sie mit Klebeband drumherum.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf die nicht poröse Trennfolie.</li>
		<li>Gießen Sie das Epoxidharz hinein und verteilen Sie das Harz mit einem Schaber gleichmäßig in der Folie.</li>
		<li>Legen Sie das erste Fasergewebe auf, rollen Sie es mit einer nackten Walze, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig in das Gewebe eindringt und die Blasen extrudiert werden, und gießen Sie dann das Harz mit einem Schaber, um das Harz gleichmäßig abzukratzen.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 2.1.7 und 2.1.8, bis der gesamte Stoff aufgebraucht ist.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf den Stoff und drücken Sie die Luftblasen manuell aus.</li>
		<li>Legen Sie nacheinander eine perforierte Trennfolie und ein Entlüftungsgewebe aus.</li>
		<li>Platzieren Sie den Saugkanal und das atmungsaktive Pad auf einer Seite.</li>
		<li>Kleben Sie einen Kreis aus hitzebeständigem Klebeband mit einer Acrylplatte außerhalb der Form und befestigen Sie den Vakuumbeutel mit dem Klebeband, um einen geschlossenen Raum zu bilden.</li>
		<li>Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um 1 bar Druck für 10 Stunden bei Raumtemperatur zu drücken. Schließen Sie dann die Vakuumpumpe und lassen Sie sie 14 Stunden lang ruhen.</li>
		<li>Die Laminate für 16 h bei 80 °C in den Ofen geben, damit sie vollständig aushärten.</li>
		<li>Messen Sie den Faservolumenanteil mit den Gleichungen (1-3)38,39. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65376/65376eq01.jpg" style="margin: auto;">(1) <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65376/65376eq02.jpg" style="margin: auto;">(2) <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65376/65376eq03.jpg" style="margin: auto;">(3) n ist die Anzahl der Schichten des Laminats, ρ Faser ist die Flächendichte des Fasergewebes des Herstellers, AFaser ist die Fläche des Laminats, m Faser ist die Masse des Fasergewebes, m insgesamt ist die Masse des Laminats, ρ Epoxid ist die Dichte des Epoxids, v Epoxid und v insgesamt sind die Volumina von Epoxid bzw. Laminat und ist der Faservolumenanteil.</li>
	</ol>
</li>
	<li>WL<ol>
<li>Den Stoff für 8 h bei 60 °C in den Ofen schieben.</li>
		<li>Mischen Sie das Harz und den Härter langsam für 5 Minuten und geben Sie es dann in eine Vakuumkammer, um die Luftblasen im Inneren herauszuziehen.</li>
		<li>Legen Sie die porenfreie Trennfolie auf die Form und fixieren Sie sie mit Klebeband drumherum.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf die nicht poröse Trennfolie.</li>
		<li>Gießen Sie das Epoxidharz hinein und verteilen Sie das Harz mit einem Schaber gleichmäßig in der Folie.</li>
		<li>Legen Sie das erste Fasergewebe auf, rollen Sie es mit einer nackten Walze, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig in das Gewebe eindringt und die Blasen extrudiert werden, und gießen Sie dann das Harz mit einem Schaber, um das Harz gleichmäßig abzukratzen.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 2.2.5 und 2.2.6, bis der gesamte Stoff aufgebraucht ist.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf den Stoff und drücken Sie die Luftblasen manuell aus.</li>
		<li>Legen Sie nacheinander eine perforierte Trennfolie, ein Entlüftungsgewebe und eine porenfreie Trennfolie aus.</li>
		<li>Legen Sie eine Aluminiumplatte mit der gleichen Größe wie das Fasergewebe darauf.</li>
		<li>Halten Sie die Ruhe bei Raumtemperatur für 14 Stunden aufrecht.</li>
		<li>Die Laminate für 16 h bei 80 °C in den Ofen geben, damit sie vollständig aushärten.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Charakterisierung der Schlageigenschaften
HINWEIS: Es gibt viele Methoden für die Schlagprüfung von Verbundlaminaten. Bei Aufprallbedingungen mit niedriger Geschwindigkeit ist die am häufigsten verwendete Methode der Fallgewichtsaufpralltest, während bei Aufprallbedingungen mit hoher Geschwindigkeit oder ultrahoher Geschwindigkeit die häufig verwendete Methode die Geschossaufprallmethode ist. In dieser Studie wurde der Fallgewichts-Aufpralltest angewendet. Die Ausrüstung ist in Abbildung 2 dargestellt.
<ol><li>Schneiden Sie einen Satz von 150 mm x 100 mm großen Proben aus GFK für einen Schlagversuch gemäß ASTM D7136 mit einer hochpräzisen Schneidemaschine.</li>
	<li>Messen Sie das Gewicht und die Größe jeder Probe.</li>
	<li>Fixieren Sie die Positionen der Proben mit Positionierungsnägeln in der Mitte der Proben, die der Impaktor bei jedem Test kontaktieren kann.</li>
	<li>Befestigen Sie die Probe mit vier Gummispitzen auf der Schlagstützvorrichtung.</li>
	<li>Führen Sie den Schlagversuch mit einem Fallgewichts-Schlagturm bei einem Energieniveau von 10 J durch. Schalten Sie die Fallhammer-Prüfmaschine ein und klicken Sie auf Verbinden , um den Controller mit der Dropdown-Liste zu verbinden, und klicken Sie dann auf Home | Vor dem Test. Stellen Sie die Schlagenergie auf 10 J und die Zusatzmasse auf 2 kg ein. Geben Sie die Messdicke (2,1 mm für die WLVB-Proben und 2,5 mm für die WL-Proben) ein, um die Höhe des Impaktors zu bestimmen, und klicken Sie auf Start , um das Experiment zu starten.</li>
	<li>Zeichnen Sie die Daten zur Aufprallreaktion auf, einschließlich Kraft, Durchbiegung und Energieverlauf.</li>
	<li>Nehmen Sie die Probe heraus. Zeichnen Sie die Morphologie der Probe nach dem Aufprall auf.</li>
	<li>Wiederholen Sie den Schlagtest fünfmal, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.</li>
	<li>Berechnen und vergleichen Sie die Daten von Stichproben.</li>
</ol>4. Charakterisierung der Zugeigenschaften
<ol><li>Schneiden Sie einen Satz von 250 mm x 25 mm großen Proben aus den Laminaten für einen Zugversuch gemäß ASTM D3039 mit einer hochpräzisen Schneidemaschine mit einem Diamantschneider.</li>
	<li>Messen Sie die Größe jeder Probe mit einem Messschieber.</li>
	<li>Verwenden Sie Epoxidkleber, um vier 50 mm x 25 mm x 2 mm große Aluminiumlaschen an beiden Enden der Probe zu kleben, um eine Spannungskonzentration zu vermeiden.</li>
	<li>Sprühen Sie eine dünne Schicht weißer Farbe auf die Vorderseite der Probe und sprühen Sie dann schwarze Sprenkel.</li>
	<li>Platzieren Sie die Probe in der Mitte der Klemmen der Zugprüfmaschine und richten Sie das Bilderfassungssystem ein, wie in Abbildung 3 dargestellt.</li>
	<li>Um die Genauigkeit der Dehnungsdaten zu gewährleisten, variieren Sie die Position der Probe so, dass sie sich in der Mitte des Aufnahmebereichs der Kamera und in einer vertikalen Position befindet. Passen Sie außerdem die Brennweite und die Belichtungszeit der Kamera an, um sicherzustellen, dass die Flecken auf der Probe klar erfasst werden.</li>
	<li>Führen Sie den Zugversuch durch. Klicken Sie auf TEST KONFIGURIEREN. Stellen Sie die Prüfgeschwindigkeit auf 0,5 mm/min ein. Klicken Sie auf Beispieldaten. Geben Sie die Messbreite und -dicke der Proben ein. Klicken Sie auf " Start" und dann auf " Aktuelle Position übernehmen". Notieren Sie die Ladezeitdaten.</li>
	<li>Nehmen Sie die Probe heraus. Zeichnen Sie die Morphologie der Probe nach dem Zugversuch auf.</li>
	<li>Wiederholen Sie den Zugversuch fünfmal, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.</li>
	<li>Verwenden Sie eine Software zur digitalen Bildkorrelation (DIC), um die Nenndehnung der Probe während des Zugversuchs zu messen.</li>
	<li>Klicken Sie auf Bild mit Längenskala , um die Länge der Pixel zu kalibrieren, klicken Sie auf Referenzbild, und wählen Sie das erste Bild als Referenzbild aus. Klicken Sie auf Deformiertes Bild und wählen Sie die verbleibenden Bilder als deformierte Bilder aus. Klicken Sie auf Zeichentools | Wählen Sie ein Rechteck aus, um den Messbereich auszuwählen. Klicken Sie auf Extensometer, legen Sie die Länge des Extensometers auf 100 mm fest, und klicken Sie dann auf Verarbeitung | Starten Sie die Korrelation.</li>
	<li>Teilen Sie die Last durch die Querschnittsfläche, um die Nennspannung zu erhalten.</li>
	<li>Kombinieren Sie die Nenndehnung aus der DIC-Messung und die Nennspannung aus der Zugprüfmaschine.</li>
	<li>Wählen Sie die Steigung des linearen Segments der Dehnungs-Spannungs-Kurve als Elastizitätsmodul. Wählen Sie den Spitzenwert der Zugkraft-Zeit-Kurve als Festigkeit.</li>
	<li>Vergleichen Sie den Elastizitätsmodul und die Festigkeit von Proben.</li>
</ol>

Fabrication and Mechanical Property Assessment of Fiber Composite Laminates

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die beiden unterschiedlichen Herstellungsverfahren für das Handlaminierverfahren mit geringen Kosten. Daher wurden zwei Herstellungsverfahren ausgewählt, die in diesem Artikel sorgfältig beschrieben werden, die einfacher, leichter zu beherrschen und niedrigere Investitionskosten haben und für die Produktion mit Materialmodifikation in Labors und kleinen Fabriken geeignet sind. Bei der Aushärtung von Laminaten spielt ein hoher Verfestigungsdruck eine wichtige Rolle bei der Herstellu...

Faserverstärkter Polymerverbundwerkstoff (FVK) ist eine Art hochfestes Material, das durch Mischen von Faserverstärkung und Polymermatrizenhergestellt wird 1,2,3. Es wird aufgrund seiner geringen Dichte, seiner hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit, seiner Ermüdungseigenschaften und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt 4,5,6, im Bauwesen7,8, in der Automobilindustrie 9 und in der Schifffahrt10,11 eingesetzt. Zu den gängigen synthetischen Fasern gehören Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern12. Glasfaser wurde für die Untersuchung in dieser Arbeit ausgewählt. Im Vergleich zu herkömmlichem Stahl sind glasfaserverstärkte Verbundlaminate (GFK) leichter, mit weniger als einem Drittel der Dichte, können aber eine höhere spezifische Festigkeit als Stahl erreichen.
Der Herstellungsprozess von GFK umfasst vakuumunterstütztes Harztransferformen (VARTM)13, Filament Winding (FW)14 und Prepreg-Molding sowie viele andere fortschrittliche Fertigungsverfahren15,16,17,18. Im Vergleich zu anderen Aufbereitungsverfahren hat das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) mehrere Vorteile, darunter einfache Anlagenanforderungen und unkomplizierte Verfahrenstechnik, und die Produkte sind nicht durch Größe und Form eingeschränkt. Dieses Verfahren hat einen hohen Freiheitsgrad und kann mit Metall, Holz, Kunststoff oder Schaumstoff integriert werden.
Das Prinzip des WLVB-Verfahrens besteht darin, einen höheren Formdruck durch Vakuumbeutel auszuüben, um die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Laminate zu verbessern. Die Produktionstechnologie dieses Verfahrens ist leicht zu beherrschen, was es zu einem wirtschaftlichen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen macht. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess detailliert zu beschreiben, die Schritte fein zu kontrollieren und den Materialanteil zu quantifizieren, um eine hohe Stabilität der mechanischen Eigenschaften von Laminaten zu erhalten.
Die meisten Forscher haben das quasi-statische 19,20,21,22,23 und das dynamische Verhalten 24,25,26,27,28 sowie die Eigenschaftsmodifikation 29,30 von Verbundwerkstoffen untersucht. Das Verhältnis von Volumenanteil von Faser zu Matrix spielt eine entscheidende Rolle für die mechanischen Eigenschaften von FVK-Laminat. In einem geeigneten Bereich kann ein höherer Volumenanteil der Faser die Festigkeit und Steifigkeit von GFK-Laminat verbessern. Andrew et al.31 untersuchten den Einfluss des Faservolumenanteils auf die mechanischen Eigenschaften von Proben, die mit dem additiven Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einem Faservolumenanteil von 22,5 % die Zugfestigkeitseffizienz ihr Maximum erreichte und eine leichte Verbesserung der Festigkeit beobachtet wurde, als der Faservolumenanteil 33 % erreichte. Khalid et al.32 untersuchten die mechanischen Eigenschaften von endlosen kohlenstofffaserverstärkten 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen mit verschiedenen Faservolumenanteilen, und die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Zugfestigkeit als auch die Steifigkeit mit dem Anstieg des Fasergehalts verbessert wurden. Uzay et al.33 untersuchten die Auswirkungen von drei Herstellungsmethoden - Handlaminieren, Formpressen und Vakuumbeuteln - auf die mechanischen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Der Faservolumenanteil und der Hohlraum der Laminate wurden gemessen, Zug- und Biegeversuche durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass die mechanischen Eigenschaften umso besser sind, je höher der Faservolumenanteil ist.
Hohlräume sind einer der häufigsten Defekte bei GFK-Laminat. Hohlräume verringern die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, wie z. B. Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit34. Die um die Hohlräume herum erzeugte Spannungskonzentration fördert die Ausbreitung von Mikrorissen und verringert die Grenzflächenfestigkeit zwischen Bewehrung und Matrix. Interne Hohlräume beschleunigen auch die Feuchtigkeitsaufnahme von GFK-Laminat, was zu einer Grenzflächenablösung und Leistungseinbußen führt. Daher beeinträchtigt das Vorhandensein von inneren Hohlräumen die Zuverlässigkeit von Verbundwerkstoffen und schränkt ihre breite Anwendung ein. Zhu et al.35 untersuchten den Einfluss des Hohlraumgehalts auf die statischen interlaminaren Scherfestigkeitseigenschaften von CFK-Verbundlaminaten und stellten fest, dass eine Erhöhung des Hohlraumgehalts um 1 % im Bereich von 0,4 % bis 4,6 % zu einer Verschlechterung der interlaminaren Scherfestigkeit um 2,4 % führte. Scott et al.36 stellten den Einfluss von Hohlräumen auf den Schädigungsmechanismus in CFK-Verbundlaminaten unter hydrostatischer Belastung mittels Computertomographie (CT) dar und stellten fest, dass die Anzahl der Hohlräume das 2,6-5-fache der Anzahl der zufällig verteilten Risse beträgt.
Hochwertige und zuverlässige GFK-Laminate können mit einem Autoklaven hergestellt werden. Abraham et al.37 stellten Laminate mit geringer Porosität und hohem Fasergehalt her, indem sie eine WLVB-Baugruppe zum Aushärten in einen Autoklaven mit einem Druck von 1,2 MPa legten. Dennoch ist der Autoklav ein großes und teures Gerät, was zu erheblichen Herstellungskosten führt. Obwohl das vakuumgestützte Harztransferverfahren (VARTM) schon seit langem im Einsatz ist, hat es eine Grenze in Bezug auf den Zeitaufwand, einen komplizierteren Präparationsprozess und mehr Einweg-Verbrauchsmaterialien wie Umleitungsröhrchen und Umleitungsmedien. Im Vergleich zum WL-Verfahren kompensiert das WLVB-Verfahren einen unzureichenden Formdruck durch einen kostengünstigen Vakuumbeutel, der überschüssiges Harz aus dem System absorbiert, um den Faservolumenanteil zu erhöhen und den inneren Porengehalt zu reduzieren, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Laminats erheblich verbessert werden.
Diese Studie untersucht die Unterschiede zwischen dem WL-Prozess und dem WLVB-Prozess und beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses. Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften von Laminaten wurden durch Zug- und Schlagversuche charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>breather fabric</td>
			<td>Easy composites</td>
			<td>BR180</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>drop-weight impact testing machine</td>
			<td>Instron</td>
			<td>9340</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy matrix</td>
			<td>Axson Technologies</td>
			<td>5015/5015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>glass fiber</td>
			<td>Weihai Guangwei Composites</td>
			<td>W-9311</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>non-porous release film</td>
			<td>Easy composites</td>
			<td>R240</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peel ply&#160;</td>
			<td>Sino Composite</td>
			<td>CVP200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>perforated released film</td>
			<td>Easy composites</td>
			<td>R120-P3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>test machine</td>
			<td>ZwickRoell</td>
			<td>250kN</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>vacuum film</td>
			<td>Easy composites</td>
			<td>GVB200</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring the mechanical properties of glass fiber reinforcement polymer composite laminates obtained by different fabrication processes

Das traditionelle Nasshand-Lay-up-Verfahren (WL) ist bei der Herstellung von Faserverbundlaminaten weit verbreitet. Aufgrund des unzureichenden Umformdrucks verringert sich jedoch der Massenanteil der Faser und es werden viele Luftblasen im Inneren eingeschlossen, was zu minderwertigen Laminaten (geringe Steifigkeit und Festigkeit) führt. Das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) für die Herstellung von Verbundlaminaten basiert auf dem traditionellen Nass-Hand-Lay-up-Verfahren, bei dem ein Vakuumbeutel verwendet wird, um Luftblasen zu entfernen und Druck zu erzeugen, und dann der Erhitzungs- und Aushärtungsprozess durchgeführt wird. 
Im Vergleich zum traditionellen Handlaminierverfahren weisen Laminate, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, überlegene mechanische Eigenschaften auf, einschließlich besserer Festigkeit und Steifigkeit, höherer Faservolumenanteil und geringerer Hohlraumvolumenanteil, was alles Vorteile für Verbundlaminate sind. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess genau zu beschreiben, Schritte fein zu steuern und Materialverhältnisse zu quantifizieren, um die mechanischen Eigenschaften von Laminaten sicherzustellen. 
Dieser Artikel beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses zur Herstellung von gewebten, glatt gemusterten Glasfaserverstärkungslaminaten (GFKs). Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die berechneten Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften der Laminate wurden mittels Zug- und Schlagversuchen charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.

Fiber reinforced polymer composite (FRP) is a type of high-strength material manufactured by mixing fiber reinforcement and polymer matrixes1,2,3. It is widely used in the aerospace4,5,6, construction7,8, automotive9, and marine10,11 industries due to its low density, high specific stiffness and strength, fatigue properties, and excellent corrosion resistance. Common synthetic fibers include carbon fibers, glass fibers, and aramid fibers12. Glass fiber was chosen for investigation in this paper. Compared to traditional steel, glass fiber reinforcement composite laminates (GFRPs) are lighter, with less than one-third of the density, but can achieve a higher specific strength than steel.
The preparation process of FRP includes vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM)13, filament winding (FW)14, and prepreg molding, in addition to many other advanced fabrication processes15,16,17,18. Compared to other preparation processes, the wet hand lay-up/vacuum bag (WLVB) process has several advantages, including simple equipment requirements and uncomplicated process technology, and the products are not limited by size and shape. This process has a high degree of freedom and can be integrated with metal, wood, plastic, or foam.
The principle of the WLVB process is to apply greater forming pressure through vacuum bags to enhance the mechanical properties of the prepared laminates; the production technology of this process is easy to master, making it an economical and simple composite material preparation process. This process is completely manual, and it is greatly influenced by the skills of 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 describe the WLVB process in detail, finely control steps, and quantify material proportion, in order to obtain a high stability of mechanical properties of laminates.
Most researchers have studied the quasi-static19,20,21,22,23 and dynamic behavior24,25,26,27,28, as well as the property modification29,30 of composite materials. The volume fraction ratio of fiber to matrix plays a crucial role in mechanical properties of FRP laminate. In an appropriate range, a higher volume fraction of fiber can improve the strength and stiffness of FRP laminate. Andrew et al.31 investigated the effect of fiber volume fraction on the mechanical properties of specimens prepared by the fused deposition modeling (FDM) additive manufacturing process. The results showed that when the fiber volume fraction was 22.5%, the tensile strength efficiency reached its maximum, and a slight improvement in strength was observed as the fiber volume fraction reached 33%. Khalid et al.32 studied the mechanical properties of continuous carbon fiber (CF)-reinforced 3D-printed composites with diverse fiber volume fractions, and the results showed that both tensile strength and stiffness were improved with the rise in fiber content. Uzay et al.33 investigated the effects of three fabrication methods-hand lay-up, compression molding, and vacuum bagging-on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP). The fiber volume fraction and void of the laminates were measured, tensile and bending tests were conducted. The experiments showed that the higher the fiber volume fraction, the better the mechanical properties.
Voids are one of the most common defects in FRP laminate. Voids reduce the mechanical properties of composite materials, such as strength, stiffness, and fatigue resistance34. The stress concentration generated around the voids promotes the propagation of micro-cracks and reduces the interface strength between reinforcement and matrix. Internal voids also accelerate the moisture absorption of FRP laminate, resulting in interface debonding and performance degradation. Therefore, the existence of internal voids affects the reliability of composite and restricts their wide application. Zhu et al.35 investigated the influence of void content on the static interlaminar shear strength properties of CFRP composite laminates, and found that a 1% increase in void content ranging from 0.4% to 4.6% led to a 2.4% deterioration in interlaminar shear strength. Scott et al.36 presented the effect of voids on damage mechanism in CFRP composite laminates under hydrostatic loading using computed tomography (CT), and found that the number of voids is 2.6-5 times the number of randomly distributed cracks.
High-quality and reliable FRP laminates can be manufactured by using an autoclave. Abraham et al.37 manufactured low-porosity, high-fiber content laminates by placing a WLVB assembly in an autoclave with a pressure of 1.2 MPa for curing. Nevertheless, the autoclave is a large and expensive piece of equipment, resulting in considerable manufacturing costs. Although the vacuum-assisted resin transfer process (VARTM) has been in use for a long time, it has a limit in terms of the time cost, a more complicated preparation process, and more disposable consumables such as diversion tubes and diversion media. Compared with the WL process, the WLVB process compensates for insufficient molding pressure through a low-cost vacuum bag, absorbing excess resin from the system to increase the fiber volume fraction and reduce the internal pore content, thereby greatly improving the mechanical properties of the laminate.
This study explores the differences between the WL process and the WLVB process, and details the meticulous process of the WLVB process. The fiber volume content of laminates was calculated by the formula method, and the 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 laminates were characterized by 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%.

Author Spotlight: Enhancing Fiber Composite Laminate Quality with the Wet Hand Lay-Up/Vacuum Bag Process 

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

Tabelle 1 zeigt den Faservolumenanteil, die durchschnittliche Dicke und den Herstellungsprozess der Proben. Das G8-WLVB und das G8-WL stellen die Laminate dar, die aus 8-lagigem Glasgewebe bestehen, die im Nasshandlaminierverfahren mit bzw. ohne Vakuumbeutelverfahren hergestellt werden. Offensichtlich haben Laminate mit der Vakuumbeutelunterstützung eine Zunahme des Faservolumenanteils um 15,78 % sowie eine Verringerung der durchschnittlichen Dicke um 16,27 %.
Die Dehnungs-Sp...

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In diesem Artikel wird ein Herstellungsverfahren für faserverstärkte Polymermatrix-Verbundlaminate beschrieben, die mit dem Nasshandlaminier-/Vakuumbeutelverfahren gewonnen 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 ...

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Grenzflächenzähigkeit und der beeinträchtigten Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen. Wir versuchen, die beeinträchtigte Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen durch den Einbau von Nanopartikeln zu verbessern. Eine der häufigsten Herausforderungen bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen ist die mangelnde Wiederholbarkeit.Durch die präzise Steuerung der Fertigungstiefe und die Quantifizierung der Materialanteile können wir Laminate mit sehr stabilen mechanischen Eigenschaften erhalten. Dieser Ansatz gewährleistet ein hochgradig wiederholbares Testergebnis über verschiedene Chargen hinweg. Das eWLB-Verfahren zur Herstellung von Verbundlaminaten verwendet einen Vakuumbeutel, um Luftblasen zu entfernen.Im Vergleich zu anderen Verfahren hat dieses Verfahren viele Vorteile. Es erfordert eine einfache Ausrüstung, beinhaltet Prozesstechnologien, die nicht kompliziert sind, und die Produkte sind auch nicht durch Größe oder Form eingeschränkt.

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

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1.1K Aufrufe.  Southern University of Science and Technology. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Grenzflächenzähigkeit und der beeinträchtigten Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen. Wir versuchen, die beeinträchtigte Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen durch den Einbau von Nanopartikeln zu verbessern. Eine der häufigsten Herausforderungen bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen ist die mangelnde Wiederholbarkeit.Durch die präzise Steuerung der Fertigungstiefe und die Quantifizierung der Material...

Serie: Author Spotlight: Enhancing Fiber Composite Laminate Quality with the Wet Hand Lay-Up/Vacuum Bag Process 

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%.

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

Forschung

Ingenieurwesen

﻿Fabrication of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Composite Laminates by Wet Hand Lay-Up/Vacuum Bag (WLVB) Method

Fabrication of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Composite Laminates by Wet Hand Lay-Up/Vacuum Bag (WLVB) Method  

Begin by heating the glass fiber fabric at 60 degrees Celsius for eight hours. Then, paste an isolation film on the acrylic sheet to prevent the resin from bonding. Position the mold in the laying area.Gently mix the resin and hardener for five minutes before placing it in a vacuum chamber to remove air bubbles. Place a non-porous release film on the mold and secure it with tape. Then, lay one Peel Ply on the non-porous release film.Pour epoxy resin on the film and evenly distribute it throughout using a scraper. Next, ply the first fiber fabric on the resin. Roll the fabric with a naked roller to ensure bubble removal and complete resin infiltration into the fabric.Again, pour and evenly spread the resin on the fabric using a scraper and continue till all the fabric has been used. Place a Peel Ply on the fabric and manually remove air bubbles by scraping in one direction. Lay a perforated release film followed by a breather fabric.Position the suction channel and breathable pad to one side. Secure a circular heat-resistant tape with an acrylic sheet outside the mold and attach the vacuum bag at the top of the device to create a closed space. Apply vacuum for 10 hours at room temperature, then switch off the vacuum pump and maintain quiescence for 14 hours.Cure the laminates completely at 80 degrees Celsius for 16 hours before measuring the fiber volume fraction. Comparison of laminates fabricated by the wet hand layup method with and without the vacuum bag process revealed that the vacuum bag assistance, the fiber volume fraction of the laminates increased by 15.78%and their average thickness reduced to 2.11 millimeters.

Herstellung von Verbundlaminaten aus glasfaserverstärktem Polymer (GFK) im WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag)

Impact Property Characterization of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Composite Laminates

To begin the impact test of glass fiber reinforced polymer or GFRP composite laminates. Cut a set of 150 millimeter by 100 millimeter GFRP samples using a high precision cutting machine. Record the weight and size of each sample.Then mark the positions of the samples using positioning nails in their centers that the impactor can contact for every test. Fix the sample onto the impact support fixture using four rubber tips. Power on the drop hammer testing machine to conduct the impact test using a drop weight impact tower.After connecting it to the controller click home to do the beam reset and then click before test. Input the measurement thickness as 2.1 or 2.5 millimeters for WLVB or WL samples respectively. Set the additional mass to two kilograms and the impact energy to 10 joules.Click start to initiate the experiment. Record the impact response data such as force, deflection, and energy history. Remove the sample and document its morphology after the impact.Finally, calculate and compare the data of each sample. Great repeatability of the impact test was evident from the obtained force and absorbed energy curves of samples fabricated by WLVB and WL methods. The force time curve represented a typical non-piercing curve having a sine wave-like shape.The absorbed energy value increased first with the laminate absorbing and converting the impactor's kinetic energy into its internal energy. And then the value decreased over time as the laminate released elastic energy to rebound the impactor. The specific absorbed energy of the WLVB sample was larger than that of the WL sample.The WLVB laminates absorbed 19.48%more specific energy compared to the WL ones. Further, the higher impact energy absorption capacity of WLVB samples was confirmed by their relatively smaller damaged area.