Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

Technische Samenvatting: Voorspelling van elastische eigenschappen van koolstofkunststoffen verkregen door vacuümzak harsinjectie en directe prepreg pers-technologieën

Probleemstelling
De ontwikkeling van geavanceerde biomedische structuren, met name energie-opslag- en -vrijgave (ESR) voetprothesen, vereist koolstofvezelcomposietmaterialen (CFCM's) met nauwkeurige stijfheid- en sterktekenmerken. Deze componenten moeten aanzienlijke belastingen kunnen ondersteunen (tot vier keer het lichaamsgewicht van de patiënt) terwijl ze een minimaal gewicht en voorspelbare vervorming (5–20 mm deflectie) behouden. Een kritieke uitdaging ligt in het selecteren van de geschikte productietechnologie en de ruimtelijke ordening van componenten om deze specifieke elastische eigenschappen te bereiken. Hoewel vacuümzak harsinjectie (VBRI) en directe prepreg persen (DPP) breed worden toegepast, is er een behoefte aan het vergelijken van de resulterende mechanische eigenschappen en het valideren van homogenisatiemodellen voor het voorspellen van de effectieve elastische moduli van de resulterende orthotrope materialen.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een vergelijkende aanpak bestaande uit zowel experimentele tests als analytische voorspellingen:

• Monsterbereiding: Vijf reeksen CFCM-monsters werden vervaardigd met behulp van twee verschillende technologieën:

  • VBRI: Gebruikmakend van koolstofweefsels (T300 twill, T700 unidirectioneel) en een epoxyhars-systeem (EPR320 + EPH550).
  • DPP: Gebruikmakend van gepreïmpregneerde koolstofweefsels (YZ-05 T700 twill en unidirectioneel) die in een hydraulische pers zijn geperst.
  • De monsters vertoonden variërende layup-schema's (mengsels van unidirectionele en twill weefsels) om een doel-dikte van ongeveer 4 mm te bereiken. De vezelvolumefracties werden berekend op basis van dichtheidsmetingen, waarbij hogere versterkingsniveaus werden aangetoond in DPP-monsters (tot 6s 69%) vergeleken met VBRI-monsters (ongeveer 50–52%).

• Experimentele Testen:

  • Uniaxiale Compressie: Uitgevoerd op een Instron 8801 machine (ASTM D3410) om compressieve elastische moduli te bepalen.
  • Driepuntsbuiging: Uitgevoerd op een TestSystems UTS-111.2-10-12 machine (ASTM D790) om flexibele elastische moduli te bepalen.
  • Tests werden uitgevoerd op series N1, N3, N5, N7 en N19, waarbij de elastische moduli werden berekend vanuit het lineair-elastische gebied van de spanning-rekdiagrammen.

• Analytische Voorspelling:

  • Een twee-fasen gemiddelde-benadering gebaseerd op de klassieke laminaattheorie werd toegepast.
  • Micromechanisch niveau: De elastische moduli van individuele lagen werden berekend door de eigenschappen van vezels en matrix te middelen met behulp van de Voigt (regel van mengsels) en Halpin-Tsai modellen.
  • Macromechanisch niveau: De eigenschappen van de gelaagde structuur werden gemiddeld met behulp van coëfficiënten van de gegeneraliseerde wet van Hooke, rekening houdend met de oriëntatiehoeken van de vezels en de dikte van de lagen.

Belangrijkste Resultaten

• Invloed van Productie: Monsters geproduceerd via Direct Prepreg Persen (DPP) vertoonden consequent hogere elastische moduli en treksterkte vergeleken met die geproduceerd via Vacuümzak Harsinjectie (VBRI). Dit wordt toegeschreven aan de hogere koolstofvezelvolumefractie bereikt in DPP (ca. 63–69%) versus VBRI (ca. 50–52%).
• Buiging versus Compressie: Er werd een aanzienlijk verschil waargenomen tussen de belastingsmodi. De compressieve elastische moduli waren ongeveer de helft van de waarden van de flexibele moduli voor dezelfde serie, en de breukvervormingen waren 1,5 tot 2,5 keer hoger in compressie.
• Modelnauwkeurigheid:
  • Buiging: Het analytische model vertoonde een redelijke correlatie met de experimentele buiggegevens voor series N1, N3, N5 en N7, hoewel het de neiging had waarden te overschatten (verschillen variërend van 5% tot 32%). De Halpin-Tsai correctie veranderde de voorspellingen voor unidirectionele lagen met een hoog volume die langs de belastingsas zijn georiënteerd niet significant.
  • Compressie: Het model vertoonde significante beperkingen bij het voorspellen van compressiegedrag. De discrepanties tussen de berekende en experimentele compressieve moduli waren aanzienlijk (1,5 tot 2,3 keer hoger in de berekeningen).
  • Uitzondering (Serie N19): De N19-serie, gekenmerkt door een hoog aandeel twill-weefsel en 45° vezeloriëntaties, vertoonde een uniek resultaat waarbij de berekende en experimentele compressieve moduli bijna samenkwamen (4% verschil), hoewel de flexievoorspelling onnauwkeurig bleef (80% verschil).

Betekenis en Conclusies
De studie concludeert dat, hoewel sequentiële gemiddeldemodellen (Voigt en Halpin-Tsai gecombineerd met klassieke laminaattheorie) de flexibele elastische moduli van orthotrope CFCM's kunnen voorspellen met een nauwkeurigheid van ten minste 35% voor specifieke layups, ze een beperkte toepasbaarheid hebben voor het voorspellen van compressieve eigenschappen. De significante divergentie in compressieresultaten suggereert dat huidige homogenisatiemodellen er niet in slagen om heteromodaliteit (verschillende moduli in trek versus compressie) en specifieke microstructurele heterogeniteiten te verklaren.

De auteurs stellen dat zowel VBRI- als DPP-technologieën levensvatbaar zijn voor de productie van structurele elementen voor voetprothesen, mits de koolstofvezelinhoud voldoende is. Echter, voor een nauwkeurige ontwerping van biomedische componenten is het louter vertrouwen op standaard homogenisatiemodellen voor compressieve stijfheid onvoldoende. Toekomstige verbeteringen in voorspellingsnauwkeurigheid vereisen modellen die stapelvolgordes, weeftypes en onderscheidende trek-compressiegedragingen integreren, naast verdere experimentele karakterisering onder uniaxiale trek en torsie.