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.remotexs.ntu.edu.sg/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.remotexs.ntu.edu.sg/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.remotexs.ntu.edu.sg/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>

<ol>
	<li>Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fusion+bonding/welding+of+thermoplastic+composites.">Fusion bonding/welding of thermoplastic composites.</a> J Thermoplast Compos. 17, 303-341 (2004).</li><li>Villegas, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+monitoring+of+ultrasonic+welding+of+thermoplastic+composites+through+power+and+displacement+data.">In situ monitoring of ultrasonic welding of thermoplastic composites through power and displacement data.</a> J Thermoplast Compos. 28 (1), 66-85 (2015).</li><li>Benatar, A., Gutowski, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+welding+of+PEEK+Graphite+APC-2+composites.">Ultrasonic welding of PEEK Graphite APC-2 composites.</a> Polym Eng Sci. 29 (23), 1705-1721 (1989).</li><li>Villegas, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strength+development+versus+process+data+in+ultrasonic+welding+of+thermoplastic+composites+with+flat+energy+directors+and+its+application+to+the+definition+of+optimum+processing+parameters.">Strength development versus process data in ultrasonic welding of thermoplastic composites with flat energy directors and its application to the definition of optimum processing parameters.</a> Compos Part A-Appl S. 65, 27-37 (2014).</li><li>Lu, H. M., Benatar, A., He, F. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sequential+ultrasonic+welding+of+PEEK/graphite+composite+plates.">Sequential ultrasonic welding of PEEK/graphite composite plates.</a> Proceedings of the ANTEC'91 Conference. , 2523-2526 (1991).</li><li>Potente, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+welding+-+principles+&amp;+theory.">Ultrasonic welding - principles &amp; theory.</a> Mater Design. 5, 228-234 (1984).</li><li>Stavrov, D., Bersee, H. E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resistance+welding+of+thermoplastic+composites+-+an+overview.">Resistance welding of thermoplastic composites - an overview.</a> Compos Part A-Appl S. 36, 39-54 (2005).</li><li>Villegas, I. F., Valle-Grande, B., Bersee, H. E. N., Benedictus, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+evaluation+between+flat+and+traditional+energy+directors+for+ultrasonic+welding+of+CF/PPS+thermoplastic+composites.">A comparative evaluation between flat and traditional energy directors for ultrasonic welding of CF/PPS thermoplastic composites.</a> Compos Interface. , (2015).</li><li>Levy, A., Le Corre, S., Villegas, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+the+heating+phenomena+in+ultrasonic+welding+of+thermoplastic+composites+with+flat+energy+directors.">Modelling the heating phenomena in ultrasonic welding of thermoplastic composites with flat energy directors.</a> J Mater Process Tech. , 1361-1371 (2014).</li><li>Shi, H., Villegas, I. F., Bersee, H. E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strength+and+failure+modes+in+resistance+welded+thermoplastic+composite+joints:+effect+of+fibre-matrix+adhesion+and+fibre+orientation.">Strength and failure modes in resistance welded thermoplastic composite joints: effect of fibre-matrix adhesion and fibre orientation.</a> Compos Part A-Appl S. 55, 1-10 (2013).</li><li>Villegas, I. F., Bersee, H. E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+welding+of+advanced+thermoplastic+composites.+An+investigation+on+energy-directing+surfaces.">Ultrasonic welding of advanced thermoplastic composites. An investigation on energy-directing surfaces.</a> Adv Polym Tech. 29 (2), 113-121 (2010).</li><li>Harras, B. K., Cole, C., Vu-Khanh, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+the+ultrasonic+welding+of+PEEK-carbon+composites.">Optimization of the ultrasonic welding of PEEK-carbon composites.</a> J Reinf Plast Comp. 15 (2), 174-182 (1996).</li></ol>

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 Verdrängungssteuerung zu definieren, sowie die Anwendbarkeit und Grenzen die Technik. Im Hinblick auf die erste Säule, sind flach Energierichtungs gezeigt erfolgreiches Schweißen der TPC-Coupons zu ermöglichen. Beim Ultraschallschweißen von unverstärktem Kunststoff, Energierichtungsgeber in Form von Harz Vorsprünge mit einer kleineren Querschnittsfläche als die der Verbindungsüberlappung erforderlich höheren zyklischen Belastungen zu erzeugen und damit die Erzeugung bevorzugte viskoelastische Wärme an der Schweiß interFläche 6. Doch beim Ultraschallschweißen von TPCs, flachen Energieleiter mit der gleichen Querschnittsfläche wie der Schweiß Überlappung führen erfolgreich in Vorzugs viskoelastischen Heizung an der Schweißgrenzfläche an der unteren Drucksteifigkeit des flachen Energieleiter wegen und damit höhere zyklische Belastungen während der Schweißprozess. Die Wärme an der Grenzfläche erzeugt schmilzt das Energieleiter und an die Substrate übertragen. Unter der Wirkung des Schweißkraft wird das geschmolzene Energieleiter aus der Schweiß Überlappung zusammengedrückt, bis die vorgeschriebene Bewegung erreicht wird. Optimale Reise Werte führen zu vollverschweißte Überschneidungen und Querschnitte, die ein dicker Laminat ähneln, da die Dicke der Schweißnaht zu dem der harzreiche Bereiche in den Substraten ähnlich ist (siehe Abbildung 5). Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn Flachenergierichtungs Verwendung Optimierung des Energiericht nicht verschweißt, um zu erreichen, benötigt wird, vollständig überlappt 8, wieim Gegensatz zu den herkömmlichen optimierten Energiericht Lösungen, bei dem die Größe, Form und Abstand zwischen Energierichtungs werden müssen vollständige Abdeckung der beabsichtigten Schweißbereich 10,11 zu erzielen. Ebenso wie im Vergleich zu Lösungen, wie beispielsweise dreieckige Energierichtungs traditionell zum Ultraschallschweißen von TPCs 3 verwendeten flachen Energiedirektoren wurden in ähnlicher Schweißfestigkeitswerte zur Folge gezeigt, während keine signifikanten negativen Auswirkungen auf andere wichtige Ausgabe des Prozesses wie Maximum Leistung, Energie oder Schweißzeit 8. Im Hinblick auf die zweite Säule für eine bestimmte Kombination von Schweißkraft und Amplitude ist es möglich, ein optimales Fahrwerte zu definieren, dh Reise Werte, die maximale Festigkeit führen, auf der Grundlage der Kraft und Verschiebungskurven durch die Ultraschall-Schweißgerät zur Verfügung gestellt. Im Wesentlichen ca die verschiedenen Ereignisse in der Kraft und Weg-Kurven während der Vibration Phase des Schweißprozessesn zu den körperlichen Veränderungen in Beziehung gesetzt werden in der Energieleiter auftritt und den TPC Substrate während 2 erhitzt wird. Dementsprechend und wie in Abbildung 2, die Schwingungsphase des Schweißprozesses gezeigt, 2 in die folgenden 5 Stufen unterteilt werden: Stufe 1, durch kontinuierliche Erhöhung der Verlustleistung gekennzeichnet, bis eine maximale und kleine Zurückziehen der Sonotrode erreicht wird, um die Vibration unterzubringen. In Stufe 1 Erwärmung des Energiericht ohne beobachtbare physikalische Änderungen an der Schweißgrenzfläche auftritt. Stufe 2, gekennzeichnet durch Leistungsabfall und keine signifikante Verschiebung der Sonotrode. In der Stufe 2 der flache Energieleiter beginnt zu schmelzen lokal als Hot-Spot-Keimbildung und Wachstumsprozess. Stufe 3, gekennzeichnet durch Leistungserhöhung und Abwärtsverschiebung der Sonotrode. In Stufe 3 wird die komplette Energieleiter geschmolzen und startet unter der Wirkung des Schweißkraft zu fließen. Stufe 4, gekennzeichnet durch aMacht Plateau und Abwärtsbewegung der Sonotrode. In Stufe 4 wird die Matrix in den obersten Schichten der Verbundsubstrate beginnt lokal mit dem Squeeze Strömung des Energiericht Schmelze entlang. Stufe 5, gekennzeichnet durch Leistung und Abwärtsbewegung der Sonotrode rückläufig. In Stufe 5 Schmelzen der Matrix in den Substraten überwiegt. Die höchste Schweißfestigkeit tritt während der Stufe 4, da in den obersten Schichten der Verbundsubstrate der Matrix Schmelzen Diffusion von Polymerketten über die Schweißgrenzfläche ermöglicht und somit molekulare Verhakung zwischen den beiden Substraten. Diese molekulare Verstrickung entwickelt eine starke Verbindung, die während der einzelnen Runde Tests in Faserriss führt, wie in Abbildung 5 zu sehen. Jenseits dieser optimalen Bühne, übermäßiges Schmelzen der Matrix in den zusammengesetzten Substraten führt zu einer signifikanten Faser Verzerrung an der Schweißgrenzfläche, die geglaubt wird, einen Abfall des Schweiß streng zu verursachen4.. Die vorgestellten Ergebnisse in Figur 6, die eine spezifische Kombination von Schweißkraft und die Amplitude der Schwingung entsprechen, stützen diese Diskussion. Es ist zu beachten, dass unterschiedliche Kraft / Amplituden-Kombination in unterschiedlichen Ausgabe von dem Schweißvorgang in Bezug auf die maximale Leistung und Energieverbrauch sowie die Dauer der Vibration der Phase 2 zur Folge hätte. Dennoch ist das Verfahren zur Bestimmung der optimalen Reise Wert unabhängig von der gewählten Kraft / Amplitude Kombination 4. Im Hinblick auf die dritte Säule, Verschiebung gesteuerten Schweiß ergab relativ geringe Streuung in der scheinbaren Scherfestigkeit von Gelenken in den optimalen Bedingungen verschweißt. Dies ist vermutlich aus der Tatsache resultiert, daß alle Proben durchgängig in der gleichen Stufe verschweißt wurden (dh, Stufe 4) in der Schwingungsphase des Verfahrens), wie in 4 gezeigt. Abbildung 7 zeigt, dass, wennZeit hatte als Steuerungsgröße für den Schweißprozess eine höhere Streuung der Festigkeitswerte verwendet worden in den Schwingungszeiten für verschiedene Reise-Werte aufgrund der deutlichen überlappende zu erwarten gewesen. Nach Abbildung 8 und dargestellten Ergebnisse in der Literatur 12, ist Energie eine bessere Option als Zeit als Steuerungsgröße. Allerdings ist der Schweißenergie von der Dicke der Substrate und der Art des Schweißvorrichtung stark abhängig und damit die optimale Energiewert ändert sich deutlich, wenn eine dieser beiden Variablen 4 ändern. Im Gegensatz dazu ist Verdrängungs der Sonotrode direkt mit dem Squeeze Fluss von dem Energieleiter und Matrix an der Schweißgrenzfläche bezogen und kann daher erwartet werden, weniger empfindlich auf Veränderungen in einem der oben genannten Variablen 4. Das neue Verfahren in diesem Papier beschrieben ermöglicht die einfache Nahfeld-Ultraschallschweißen von thermoplastischen composite Gutscheine für einzelne Überlappungsschertests. Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf das Schweißen von CF / PEI Verbundwerkstoffe, aber die gleiche Methode 8 bis andere thermoplastische Verbundstoffe wie CF / polyphenyplene Sulfid (PPS) wurde erfolgreich angewendet. Wie in der Veröffentlichung beschrieben ist das Verfahren zum Schweißen einer sehr spezifischen Geometrie unmittelbar anwendbar ist, jedoch in dem Fall eine andere Schweißgeometrie angesehen wird, gibt es drei kritische Punkte, die berücksichtigt werden müssen. Zum einen zwischen den Teilen der Kontaktfläche Erhöhung verschweißt werden soll, eine direkte Auswirkung auf die maximale Leistung während des Schweißprozesses abgeführt. Folglich ist der maximale Bereich, der in einer Aufnahme angeschweißt werden kann, ist durch die maximale Leistung, die vom Ultraschallschweißgerät geliefert beschränkt. Zweitens ist das Verfahren in dieser Veröffentlichung beschriebenen uneingeschränkten Fluss des geschmolzenen Energieleiter von den vier Rändern des Schweißüberlappen. Eine andere Schweiß Konfiguration könnte, beschränken jedoch die Polymerfluss. Dieskann erwartet werden, über die Entwicklung der Verschiebung der Sonotrode während des Schweißprozesses eine Auswirkung zu haben und wahrscheinlich Einschränkungen Verschiebung gesteuerten Schweiß verhängen. Drittens, wenn die Dicke der Teile ist so, dass der Abstand von der Sonotrode an der Schweißgrenzfläche größer ist als 6 mm, spezifische Aspekte des Fernfeld-Ultraschallschweißung sollte berücksichtigt werden. Dennoch kann das Verfahren in diesem Papier als Grundlage für die Entwicklung von Ultraschallschweißverfahren für die Montage der eigentlichen thermoplastischen Verbundstrukturen berücksichtigt werden. Die wichtigsten Neuerungen und Vorteile dieser Methode sind die Verarbeitung vereinfacht aufgrund der Verwendung von lose flache Energiedirektoren und die Nutzung der durch den Schweißer zur Verfügung gestellten Daten schnell für verschiedene Kombinationen von Kraft und Amplitude, die optimale Dauer der Vibration zu definieren. Im Vergleich zu aktuellen Trial-and-Error-Verfahren, hat die Definition der Prozessparameter basierend auf Prozessdaten das Potenzialerhebliche Einsparungen in der Zeit und Aufwand zu bieten benötigt Schweißverfahren für spezielle Anwendungen zu entwickeln.

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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1179">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:311px;">Material/Reagent</td>
			<td style="width:308px;"></td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:363px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:311px;">Cetex&#174; carbon fiber / polyetherimide (CF/PEI) 5 harness satin prepreg</td>
			<td style="width:308px;">TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)</td>
			<td style="width:199px;">Contact vendor</td>
			<td style="width:363px;">Material used in this study for the specimens.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:311px;">PFQD solvent degreaser</td>
			<td style="width:308px;">PT Technologies Europe (now Socomore - www.socomore.com)</td>
			<td style="width:199px;">Contact vendor</td>
			<td style="width:363px;">Solvent degreaser for cleaning the specimens and energy directors.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:311px;">Cotton cloths</td>
			<td style="width:308px;">-</td>
			<td style="width:199px;">-</td>
			<td style="width:363px;">For general cleaning purposes. No specific vendor was used.</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:311px;">0.25 mm PEI film</td>
			<td style="width:308px;">TenCate Advanced Composites (www.tencate.com)</td>
			<td style="width:199px;">Contact vendor</td>
			<td style="width:363px;">Thin film used as energy director.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:311px;">Adhesive tape</td>
			<td style="width:308px;">Airtech Advanced Materials Group (www.airtechintl.com)</td>
			<td style="width:199px;">1&#34; x 72 yds MFG # 327402 Contact vendor for catalog number</td>
			<td style="width:363px;">Used to attach energy director to bottom sample for ultrasonic welding.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:311px;">Name</td>
			<td style="width:308px;">Company</td>
			<td style="width:199px;">Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:311px;">Equipment</td>
			<td style="width:308px;"></td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:311px;">V&#246;tsch oven</td>
			<td style="width:308px;">V&#246;tsch Industrietechnik (www.voetsch-ovens.com)</td>
			<td style="width:199px;">VTU 60/60 - Contact vendor for specific catalog number</td>
			<td style="width:363px;">Oven used to dry PEI film (energy directors) and PEI specimens before welding.</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:311px;">Rinco Dynamic 3000 ultrasonic welder</td>
			<td style="width:308px;">Aeson BV (www.aeson.nl/en/)</td>
			<td style="width:199px;">Contact vendor</td>
			<td style="width:363px;">20 kHz ultrasonic welding machine used for the welding experiments. Several sonotrode sizes available. Contact vendor for details. ACUCapture software included.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:311px;">Zwick/Roell universal testing machine</td>
			<td style="width:308px;">Zwick (www.zwick.com)</td>
			<td style="width:199px;">Z250 - Contact vendor for specific catalog number</td>
			<td style="width:363px;">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 Mischproben und den Energierichtungs wurden in einem Ofen bei 135 ° C getrocknet und 1 h 6 jeweils wie vom Hersteller angegeben. Mit Kraft und Verschiebungskurven für 0,25 mm Federweg erhalten eine optimale Reise Wert um 0,10 mm, dh 40% der ursprünglichen Dicke der Energiedirektor, wurde für den CF / PEI Proben erhalten unter 300 N Schweißkraft geschweißt und 86,2 um Spitzen -to-Peak-Schwingungsamplitude (siehe Abbildung 2 </strong&gt;). Die Proben unter diesen Schweißparametern geschweißt (300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Amplitude und 0,10 mm Federweg) und Erstarrung Kraft und Zeit von 1000 N und 4 Sekunden jeweils ergab 37,3 ± 1,6 MPa (Mittelwert ± Standardabweichung von fünf Proben) offensichtlich Runde Schiere Stärke. Leistungskurven für jede dieser Proben sowie einen repräsentativen Querschnitt mikroskopische Aufnahme und Bruchfläche erhalten werden, in den 4 und 5 gezeigt. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig4.jpg" /> Abbildung 4. Leistungskurven für CF / PEI Coupons unter optimalen Reise geschweißt Die Leistungskurven (vertikal verschoben für Klarheit) zeigen konsistent Beendigung des Schweißprozesses in der Stufe 4. Vertikale Linien den Beginn der Phase 3 Studie Fall zeigen. CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Schwingungsamplitude, 0<html> 0,10 mm Federweg. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53592/53592fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5 verfügbar" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig5left.jpg" /> <img alt="Abbildung 5 Rechts" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig5right.jpg" /> Abbildung 5. Typische Querschnitt Bild (oben) und Bruchfläche (unten) für CF / PEI Coupon unter optimalen Reise geschweißt. Schweißverbindungen ähneln einen dickeren Verbundlaminat ohne sichtbare Unterschiede zwischen der Schweißlinie (siehe Pfeil) und den Substraten . Nach Überlappungsschertests, zeigen Bruchflächen signifikante Faserriss. Fallstudie: CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Schwingungsamplitude, 0,10 mm Federweg. (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.)OAD / 53592 / 53592fig5large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Um die Gültigkeit der Ansatz in diesem Papier zu überprüfen, um die optimale Reise für eine bestimmte Kraft / Amplitude Kombination, um zu bestimmen, wurden die Proben bei verschiedenen Reise Werte geschweißt, unterhalb und oberhalb der optimalen Reise und anschließend getestet. Der Rest der Schweißparameter für den Schweiß dieser Proben verwendet wurden, waren, wie im vorherigen Fall 300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Amplitude, 1.000 N Verfestigungskraft und 4 sec Erstarrungszeit. 6 zeigt die scheinbare Scherfestigkeit als abhängig von der Fahr (als Prozentsatz der ursprünglichen Dicke des Energiericht dargestellt). <img alt="Abbildung 6" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig6.jpg" /> Abbildung 6. Scheinbare Scherfestigkeit von CF / PEI coupons unter Reise Werte verschweißt. Travel hier in Bezug auf die Dicke der Energieleiter dargestellt ist. Fallstudie: CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Schwingungsamplitude, variable Reise. (Wiedergabe aus Lit. 4 mit Genehmigung von Elsevier.) <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53592/53592fig6large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Schließlich wurde Verschiebung gesteuerten Schweißgegenüber anderen Möglichkeiten der Ultraschall-Schweißgerät, wie beispielsweise zeit- oder energiegesteuerten Schweiß angeboten. Zu diesem Zweck sind die dargestellten Überlappungsscherfestigkeitswerte in Abbildung 4 wurden als Funktion der Schwingungsdauer (Figur 7) und der Schweißenergie (Abbildung 8) aufgetragen. Vibrationszeit und Energiewerte für alle in dieser Studie geschweißten Proben wurden providurch das Ultraschallschweißgerät als Ausgang des Schweißprozesses ded. <img alt="Abbildung 7" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig7.jpg" /> . Abbildung 7. Scheinbare Scherfestigkeit von CF / PEI Coupons gegenüber Vibrationen Zeit erhalten durch Vibration Zeiten von Proben verwendet, um 6 Bild zu zeichnen Studie Fall. CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft , 86,2 &amp; mgr; m Schwingungsamplitude, variable Reise. (Übertragung aus dem Referenz 4 mit Genehmigung von Elsevier.) <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53592/53592fig7large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/53592/53592fig8.jpg" /> Abbildung 8. Scheinbare Scherfestigkeit von CF / PEI Coupons gegen Schweißenergie. Gewonnen durch Schweißenergie val mitues der verwendeten Samples 6 des Grundstückes Zahl Studie Fall. CF / PEI Substrate, 0,25 mm dicken Flach PEI Energieleiter, 300 N Schweißkraft, 86,2 &amp; mgr; m Schwingungsamplitude, variable Reise. (Übertragung aus dem Referenz 4 mit Genehmigung von Elsevier.) <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53592/53592fig8large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing at JoVE.com

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 ...

ultrasonic-welding-thermoplastic-composite-coupons-for-mechanical

Nanyang Technological University

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Engineering

Unit 1

Strength of Concrete

SCIENTISTS IN ACTION

11.5K Aufrufe.  Delft University of Technology. 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.

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

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including conductive, semi-conductive or nonconductive one-dimensional structures. This technique broadens the measurement scope of materials (conductive and nonconductive) and improves the accuracy and stability. If the sample (especially biomaterials, such as human head hair, spider silk, and silkworm silk) is not conductive, it will be coated with a gold layer to make it electronically conductive. The effect of parasitic conduction and radiative losses on the thermal diffusivity can be subtracted during data processing. Then the real thermal conductivity can be calculated with the given value of volume-based specific heat (&#961;cp), which can be obtained from calibration, noncontact photo-thermal technique or measuring the density and specific heat separately. In this work, human head hair samples are used to show how to set up the experiment, process the experimental data, and subtract the effect of parasitic conduction and radiative losses.

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials.

Thermische Charakterisierung von Transport-in-One-dimensional Solide Materialien

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

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 ...

Testing of Nanoparticle Release from a Composite Containing Nanomaterial Using a Chamber System

With the rapid development of nanotechnology as one of the most important technologies in the 21st century, interest in the safety of consumer products containing nanomaterials is also increasing. Evaluating the nanomaterial release from products containing nanomaterials is a crucial step in assessing the safety of these products, and has resulted in several international efforts to develop consistent and reliable technologies for standardizing the evaluation of nanomaterial release. In this study, the release of nanomaterials from products containing nanomaterials is evaluated using a chamber system that includes a condensation particle counter, optical particle counter, and sampling ports to collect filter samples for electron microscopy analysis. The proposed chamber system is tested using an abrasor and disc-type nanocomposite material specimens to determine whether the nanomaterial release is repeatable and consistent within an acceptable range. The test results indicate that the total number of particles in each test is within 20% from the average after several trials. The release trends are similar and they show very good repeatability. Therefore, the proposed chamber system can be effectively used for nanomaterial release testing of products containing nanomaterials.

Nanoparticle release is tested using a chamber system that includes a condensation particle counter, an optical particle counter and sampling ports to collect filter samples for microscopy analysis. The proposed chamber system can be effectively used for nanomaterial release testing with a repeatable and consistent data range.

Prüfung von Nanoparticle Freisetzung aus einem Verbundstoff von Nanomaterialien ein Kammersystem verwenden

With the rapid development of nanotechnology as one of the most important technologies in the 21st century, interest in the safety of consumer products ...

A Novel Biaxial Testing Apparatus for the Determination of Forming Limit under Hot Stamping Conditions

The hot stamping and cold die quenching process is increasingly used to form complex shaped structural components of sheet metals. Conventional experimental approaches, such as out-of-plane and in-plane tests, are not applicable to the determination of forming limits when heating and rapid cooling processes are introduced prior to forming for tests conducted under hot stamping conditions. A novel in-plane biaxial testing system was designed and used for the determination of forming limits of sheet metals at various strain paths, temperatures, and strain rates after heating and cooling processes in a resistance heating uniaxial testing machine. The core part of the biaxial testing system is a biaxial apparatus, which transfers a uniaxial force provided by the uniaxial testing machine to a biaxial force. One type of cruciform specimen was designed and verified for the formability test of aluminum alloy 6082 using the proposed biaxial testing system. The digital image correlation (DIC) system with a high-speed camera was used for taking strain measurements of a specimen during a deformation. The aim of proposing this biaxial testing system is to enable the forming limits of an alloy to be determined at various temperatures and strain rates under hot stamping conditions.

This protocol proposes a novel biaxial testing system used on a resistance heating uniaxial tensile test machine in order to determine the forming limit diagram (FLD) of sheet metals under hot stamping conditions.

A Novel Biaxial Testvorrichtung für die Bestimmung der Grenzformänderung unter Hot Stamping Bedingungen

The hot stamping and cold die quenching process is increasingly used to form complex shaped structural components of sheet metals. Conventional ...

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional component that should have high electrical conductivity, high mechanical properties, and high productivity.
In this regard, a carbon fiber/epoxy resin composite can be an ideal material to replace the conventional graphite bipolar plate, which often leads to the catastrophic failure of the entire system because of its inherent brittleness. Though the carbon/epoxy composite has high mechanical properties and is easy to manufacture, the electrical conductivity in the through-thickness direction is poor because of the resin-rich layer that forms on its surface. Therefore, an expanded graphite coating was adopted to solve the electrical conductivity issue. However, the expanded graphite coating not only increases the manufacturing costs but also has poor mechanical properties.
In this study, a method to expose fibers on the composite surface is demonstrated. There are currently many methods that can expose fibers by surface treatment after the fabrication of the composite. This new method, however, does not require surface treatment because the fibers are exposed during the manufacture of the composite. By exposing bare carbon fibers on the surface, the electrical conductivity and mechanical strength of the composite are increased drastically.

A protocol to expose bare fibers on the composite surface by eliminating resin rich area is presented. The fibers are exposed during fabrication of the composites, not by the post surface treatment. The exposed carbon composites exhibit high electrical conductivity in the through-thickness direction and high mechanical property.

Experimentelle Umsetzung einer neuen Composite Fertigung-Methode: Verfügbarmachen nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche durch die weiche Schicht-Methode

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

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, ...