Onderzoekers van Tokyo University of Science (TUS, Japan) hebben een nieuwe ontwerpmethode aangenomen die zowel koolstofvezel dikte als orientatie optimaliseert, wat gewichtsreductie in vezel-versterkte composieten realiseert en deuren opent voor lichtere vliegtuigen en auto's.

TUS wijst op koolstofvezel-versterkte polymeren (CFRP) die continu bestudeerd zijn om de sterkte te verbeteren. De meeste van deze studies, zegt TUS, hebben zich gericht op een specifieke techniek genaamd „vezel-gestuurd ontwerp”, wat vezeloriëntatie optimaliseert om de sterkte te verbeteren.

De vezel-gestuurde ontwerpbenadering is echter niet zonder nadelen. „Vezel-gestuurd ontwerp optimaliseert alleen oriëntatie en houdt de dikte van de vezels vast, wat het volle benutten van de mechanische eigenschappen van CFRP voorkomt. Een gewichtsreductiebenadering, die optimalisatie van vezeldikte toestaat, is zelden overwogen”, verklaart dr. Ryosuke Matsuzaki van TUS, wiens onderzoek gericht is op composietmaterialen.

Op deze achtergrond stelden dr. Matsuzaki – samen met zijn collega's bij TUS, Yuto Mori en Naoya Kumekawa – een nieuwe ontwerpmethode voor om de vezeloriëntatie en dikte gelijktijdig te optimaliseren, afhankelijk van de locatie in de composietstructuur, wat hen in staat stelde het gewicht van het CFRP te verminderen vergeleken met dat van een constant dikte lineair laminatiemodel zonder in te boeten op de sterkte. Hun bevindingen kunnen gelezen worden in een nieuwe studie gepubliceerd in Composite Structures.

Hun methode bestond uit drie stappen: de voorbereidende, iteratieve en wijzigingsprocessen. In het voorbereidende proces werd een initiële analyse uitgevoerd met de finite elementenmethode (FEM) om het aantal lagen te bepalen, wat een kwalitatieve gewichtsevaluatie mogelijk maakte door een lineair laminatiemodel en een vezel-gestuurd ontwerp met een diktevariatiemodel. Het iteratieve proces werd gebruikt om de vezeloriëntatie te bepalen door de hoofddrukrichting en iteratief de dikte te berekenen met „maximum stress theory”. Ten slotte werd het wijzigingsproces gebruikt om wijzigingen aan te brengen rekening houdend met fabricageerbaarheid door eerst een referentie „basis vezelbundel” te creëren in een regio die sterktiverbetering vereist en vervolgens de finale oriëntatie en dikte te bepalen door de vezelbundels zo te rangschikken dat ze aan beide kanten van de referentiebundel spreiden.

De methode van gelijktijdige optimalisatie leidde tot een gewichtsreductie van meer dan 5% terwijl een hogere belastingsoverdrachts-efficiëntie mogelijk werd dan die bereikt met alleen vezeloriëntatie.

De onderzoekers merken op dat ze opgewonden zijn over deze resultaten en kijken uit naar de toekomstige implementatie van hun methode voor verdere gewichtsreductie van conventionele CFRP-delen. „Onze ontwerpmethode gaat voorbij de conventionele wijsheid van composietontwerp, wat zorgt voor lichtere vliegtuigen en auto's, wat kan bijdragen aan energiebesparing en reductie van CO₂-emissies”, observeert dr. Matsuzaki.