Koolstof is essentieel voor het bestaan ​​van alle levende organismen, omdat het de basis vormt van alle organische moleculen die, beurtelings, vormen de basis van alle levende wezens. Hoewel dat alleen al behoorlijk indrukwekkend is, het heeft onlangs verrassend nieuwe toepassingen gevonden in disciplines zoals lucht- en ruimtevaart en civiele techniek met de ontwikkeling van koolstofvezels die sterker zijn, stijver, en lichter dan staal. Bijgevolg, koolstofvezels hebben staal overgenomen in hoogwaardige producten zoals vliegtuigen, race auto's, en sportuitrusting.

Koolstofvezels worden meestal gecombineerd met andere materialen om een ​​composiet te vormen. Een voorbeeld van zo'n composietmateriaal is de met koolstofvezel versterkte kunststof (CFRP), die bekend staat om zijn treksterkte, stijfheid, en een hoge sterkte-gewichtsverhouding. Door de grote vraag, onderzoekers hebben verschillende onderzoeken uitgevoerd om de sterkte van CFRP's te verbeteren, en de meeste hiervan hebben zich gericht op een bepaalde techniek genaamd "vezelgestuurd ontwerp, " die de vezeloriëntatie optimaliseert om de sterkte te vergroten.

Echter, de vezelgestuurde ontwerpbenadering is niet zonder nadelen. "Vezelgestuurd ontwerp optimaliseert alleen de oriëntatie en houdt de dikte van de vezels vast, waardoor volledig gebruik van de mechanische eigenschappen van CFRP wordt voorkomen. Een benadering van gewichtsvermindering, waardoor ook de vezeldikte kan worden geoptimaliseerd, zelden overwogen, " legt Dr. Ryosuke Matsuzaki uit van de Tokyo University of Science (TUS), Japan, wiens onderzoek is gericht op composietmaterialen.

Tegen deze achtergrond, Dr. Matsuzaki - samen met zijn collega's bij TUS, Yuto Mori en Naoya Kumekawa - stelden een nieuwe ontwerpmethode voor om de vezeloriëntatie en -dikte gelijktijdig te optimaliseren, afhankelijk van de locatie in de composietstructuur, waardoor ze het gewicht van de CFRP konden verminderen in vergelijking met dat van een lineair lamineringsmodel met constante dikte zonder de sterkte ervan in gevaar te brengen. Hun bevindingen zijn te lezen in een nieuwe studie gepubliceerd in Samengestelde structuren .

Hun werkwijze bestond uit drie stappen:de voorbereidende, iteratief, en wijzigingsprocessen. In het voorbereidingsproces is een eerste analyse werd uitgevoerd met behulp van de eindige elementenmethode (FEM) om het aantal lagen te bepalen, waardoor een kwalitatieve gewichtsevaluatie mogelijk is door een lineair lamineermodel en een vezelgestuurd ontwerp met een diktevariatiemodel. Het iteratieve proces werd gebruikt om de vezeloriëntatie te bepalen aan de hand van de hoofdspanningsrichting en iteratief de dikte te berekenen met behulp van maximale spanningstheorie. Eindelijk, het modificatieproces werd gebruikt om wijzigingen aan te brengen die rekening houden met de maakbaarheid door eerst een referentiebasisvezelbundel te creëren in een gebied dat sterkteverbetering vereist en vervolgens de uiteindelijke oriëntatie en dikte te bepalen door de vezelbundels zo te rangschikken dat ze zich aan beide zijden van de referentiebundel verspreiden.

De methode van gelijktijdige optimalisatie leidde tot een gewichtsvermindering van meer dan 5%, terwijl een hogere efficiëntie van de belastingoverdracht mogelijk was dan die bereikt met alleen vezeloriëntatie.

De onderzoekers zijn enthousiast over deze resultaten en kijken uit naar de toekomstige implementatie van hun methode voor verdere gewichtsvermindering van conventionele CFRP-onderdelen. "Onze ontwerpmethode gaat verder dan de conventionele wijsheid van composietontwerp, maken voor lichtere vliegtuigen en auto's, die kunnen bijdragen aan energiebesparing en reductie van CO ₂ uitstoot, " merkt Dr. Matsuzaki op.