Einfluss der Bohrprozessparameter auf die Tragfestigkeit von mit Glasfaser/Aluminiumnetz verstärkten Epoxidharz-Verbundwerkstoffen

Jun 27, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12143 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der aktuellen Studie wurde versucht, den Einfluss von Bohrparametern und Delaminierung auf die Tragfestigkeit sowohl von reinem GFRP (NG) als auch von hybridem GFRP/Aluminium (Al)-Drahtgeflecht mit zwei verschiedenen Konfigurationen zu bewerten, zunächst mit Al-Geflecht in der Außenfläche Probekörper (AG) und der andere mit Al-Netz im Kern der Probe (GA). Der Bohrvorgang wird mit einem 6-mm-Hartmetall-Spiralbohrer mit drei verschiedenen Spitzenwinkeln (90°, 120° und 135°) sowie drei verschiedenen Geschwindigkeiten und Vorschüben (1000, 2000 und 3000 U/min) durchgeführt. und (20, 40 und 60 mm/min). Taguchi- und ANOVA-Analysen werden verwendet, um den Einfluss von Verarbeitungsparametern zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die AG-Probe den geringsten Delaminationsschaden aufwies. Die maximale Tragfestigkeit bezieht sich auf NG-Proben, was 9,6 % bzw. 8,7 % mehr ist als bei AG- und GA-Proben. Der Bohrerspitzenwinkel hat den größten Einfluss auf die Lagerfestigkeit sowohl bei AG- als auch bei GA-Proben, während bei NG-Proben die Vorschubgeschwindigkeit den größten Einfluss hat. Das entwickelte Regressionsmodell zeigte eine hohe Fitness mit einem durchschnittlichen Vorhersagefehler von weniger als 3 %.

In den letzten Jahren hat die Verwendung von Verbundwerkstoffen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie, enorm zugenommen. Im Mittelpunkt dieser Anwendung stand der Bedarf an Ersatzmaterialien für Stahl- und Aluminiumlegierungen, die das Gewicht der Struktur verringern können1. Auf diese Weise wurde ein Hybridverbundwerkstoff hergestellt, der die Vorteile von Metall- und faserverstärkten Verbundwerkstoffen kombiniert, um einen überlegenen Hybridverbundwerkstoff zu schaffen, der als Faser-Metall-Laminate (FML) bekannt ist. Das am häufigsten verwendete Metall in dieser Art von Verbundwerkstoffen ist Aluminium2. FML-Familien können basierend auf der verwendeten Verstärkungsfaser in viele Gruppen eingeteilt werden, z. B. ARALL, CARALL und GLARE sind Abkürzungen für Aramid, Kohlefaser bzw. Glasfaser3. Der Hauptvorteil von FMLs gegenüber Metalllegierungen ist eine bessere Beständigkeit gegen Risswachstum während Ermüdung, da die Fasern und Polymere rund um das Metalllaminat als Kraftkompressionsmechanismus wirken, der die Entstehung von Rissen im Metall verhindert4. Zu den weiteren Merkmalen gehören die Möglichkeit, komplizierte Formen mithilfe verschiedener Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe herzustellen, eine mögliche Gewichtsreduzierung und Einsparungen bei den Wartungskosten aufgrund der starken Korrosionsbeständigkeit von FML-Verbundwerkstoffen5,6. Durch den Einsatz von Metalldrahtgeflechten anstelle von Blechen ist es möglich, kompliziertere Strukturen mit den gleichen Herstellungsverfahren wie bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu konstruieren. Die Fähigkeit des Metallgeflechts, sich im Falle eines Aufpralls plastisch zu verbiegen, kann im Falle eines Aufpralls wünschenswert sein, da es die Bruchauslösung hinauszögern und als zusätzlicher Energieabsorber fungieren kann7 sowie die Bindung verbessern und die Nachteile der Ablösung begrenzen, da es die Grenzflächeninteraktion zwischen dem Harz und verbessert Metallgeflecht, das es schwieriger macht, die Verbindung zwischen den Verbundschichten zu zerstören8. Der Zusatz von Al-Drahtgeflecht steigert die Zug- und Biegedehnung um bis zu 54 % bzw. 117 % und verbessert die Energieabsorption9. Diese Hybridverbundwerkstoffe vereinen die besten Eigenschaften von Metall und FRP und bieten eine überlegene mechanische Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Laminaten. Daher können sie in einer Vielzahl praktischer und entscheidender Anwendungen eingesetzt werden, darunter im Militär, im Transportwesen, in der Luft- und Raumfahrt, in U-Boot-Teilen und anderen Barriereanwendungen9,10. Diese Strukturen werden unter anderem durch mechanische Verbindungen wie Nieten oder Bolzen miteinander verbunden. Um die Strukturen zusammenzubauen, mussten für diese Verbindungen Löcher gebohrt werden. Die Lochqualität, die geometrische Toleranz und die Materialstärke haben einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung. Der wichtigste Faktor ist jedoch der Lochbildungsprozess oder die Lochqualität, was zu erheblichen Eigenspannungen an der Lochgrenze führt und die strukturelle Festigkeit verringert. Darüber hinaus sind 60 % der Teile, die während der Fertigung abgelehnt werden, auf eine schlechte Lochqualität zurückzuführen11. Das Bohren von FML-Verbundwerkstoffen ist ein schwieriger Vorgang, da der Bohrer in ungleichmäßige Strukturen eindringt, die harte und abrasive Fasern sowie die hitzeempfindliche Matrix enthalten, was den Bohrvorgang äußerst problematisch macht. Darüber hinaus sind die Bohrkosten aufgrund des häufigen Nachschleifens der Bohrkrone aufgrund der erheblichen Erosion12 hoch. Obwohl zahlreiche Studien zum Bohren von Verbundwerkstoffen mit einer Vielzahl von Methoden durchgeführt wurden, darunter geformte und gestanzte Löcher und innovative, nicht-traditionelle Techniken wie Laser und abrasiver Wasserstrahl, ist Bohren immer noch die gebräuchlichste und einfachste Methode zur Herstellung von Löchern in Laminatverbundwerkstoffen13. Herkömmliches Bohren führt zu einer Vielzahl von Problemen, darunter innere Risse und Delaminationen zwischen Laminaten sowie Hitzeschäden, Werkzeugverschleiß und Fehler bei den Lochabmessungen. Diese Mängel beeinträchtigen die Bohrlochqualität, wodurch die Tragfähigkeit der Schraubenverbindung beeinträchtigt wird. Es wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich mechanische Befestigungselemente auf die Tragfähigkeit von Laminatverbundwerkstoffen auswirken. Als Inspiration für diese Studien diente die Auslösung von Fehlern, die bei Strukturverbindungen häufig infolge von Eigenspannung, Ermüdung und Faserabbau durch Bohrvorgänge auftreten14. Delaminierung, definiert als die Dissoziation von Laminatschichten, die entsteht, wenn die zwischen den Laminaten wirkende Kraft größer als die interlaminare Festigkeit des Materials ist und zu einem Bruch zwischen den Lagen führt, wird im Allgemeinen als Hauptschaden beim Bohren von Verbundwerkstoffen angesehen15. Delamination ist bei den Montageteilen oder Bolzenverbindungen von Natur aus, da sie die Festigkeit des Materials verringert, um übermäßiger Belastung standzuhalten16. Peel-up- und Push-out-Delamination, bei denen es sich um bohrinduzierte Delaminierung handelt, treten sowohl am Eingang als auch am Ausgang der Löcher auf17. Laut Khashaba et al.18 ist die Push-out-Delamination schwerwiegender als die Peel-up-Delamination. Die Kontrolle einiger wichtiger Aspekte wie Material und Geometrie des Bohrwerkzeugs, Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Sicherungsmechanismen ist der Schlüssel zur Minimierung der Delamination beim Bohren von Verbundlaminaten. Diese Parameter beeinflussen die Qualität des Bohrlochs und den Bohrprozess. Nach Untersuchungen von19 hängt die Delaminierung direkt mit der Vorschubgeschwindigkeit zusammen. Die von Sakthivel et al.20 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass die Vorschubgeschwindigkeit die wichtigste Variable beim Bohren von glasfaserverstärkten Edelstahlnetz-Polymer-Verbundwerkstoffen ist. Diese Ergebnisse stimmen mit der Forschung von Jenarthanan et al.21 überein. Niedrige Spindelgeschwindigkeiten führen zu weniger Schäden, die Verwendung einer hohen Geschwindigkeit bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit kann jedoch die Delamination vermindern22. Der Einfluss der Wahl der Werkzeuggeometrie und der Betriebsbedingungen auf bohrbedingte Schäden wurde vom Autor nachgewiesen. Er weist darauf hin, dass ein kleinerer Spitzenwinkel23 und eine geringere Vorschubgeschwindigkeit auf der Grundlage seiner Forschung mit Löchern verbunden waren, die weniger Delaminierung aufwiesen. Wo24,25 verdeutlicht, verringert sich bei einem kleineren Spitzenwinkel die Schubkraft, was für den geringeren Schaden verantwortlich ist. Der Hartmetallbohrer gilt als beste Alternative zum Bohren von Verbundwerkstoffen im Vergleich zum HSS-Bohrer, da er weniger Delaminierung und Verschleiß verursacht26. Schlechtes Bohren führt zu einer Verringerung der Lagerfestigkeit und umgekehrt. Laut19 hat die Vorschubgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf das Lager, da eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit und eine hohe Geschwindigkeit die Lagerfestigkeit erhöhen. Durch mechanisch befestigte Verbindungen werden verschiedene Arten von Versagensarten erzeugt, darunter Netzspannung, Abscherung, Spaltung und Lager27. Diese Bruchmechanismen sind recht komplex und werden von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter der Abmessung der Unterlegscheibe und der seitlichen Klemmkraft. Die statistische Methode von Taguchi eignet sich gut für technische Optimierungsprobleme, die die Messung von Antwortqualitätsmerkmalen erfordern, die von den angegebenen Standards abweichen, unter Verwendung des S/N-Verhältnisses28,29.

Nach Kenntnis der Autoren haben sich keine Untersuchungen darauf konzentriert, wie sich Bohrprozessvariablen und induzierte Delaminierung auf die Tragfähigkeit von FML-Verbundwerkstoffen auswirken, bei denen Al-Drahtgeflecht als Verstärkung anstelle von Blechen oder Edelstahl-Drahtgeflecht verwendet wird. In dieser Arbeit untersuchten wir das Bohren verschiedener Probenstrukturen, wie z. B. reiner Glasfaser (NG) und Proben, die Al-Drahtgeflecht und Glasfaser in zwei verschiedenen Mustern kombinieren, zunächst mit einem Al-Geflecht in der Außenschicht (AG) und dann Zweiter im Kern (GA). Die Proben wurden mit unterschiedlichen Bohrparametern (Spindelgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Bohrerspitzenwinkel) gebohrt. Ziel der aktuellen Studie ist es, den Einfluss von Bohrbedingungen wie Spindeldrehzahl (N), Vorschubgeschwindigkeit (F) und Bohrspitzenwinkel (Ɵ) auf Delaminierung und Lagerfestigkeit zu ermitteln. Taguchi- und ANOVA-Analysen wurden angewendet, um Betriebsparameter und deren Einfluss auf die Lagerfestigkeit zu bewerten und zu optimieren. In Bezug auf bestimmte Designvariablen wurde eine Regressionsanalyse durchgeführt, um das ideale Niveau der Prozessparameter vorherzusagen und die Lagerfestigkeit zu verbessern.

In dieser Studie wurden drei Proben mit einer Dicke von 3 \(\pm\) 0,25 mm aus zehn Schichten mithilfe der Handauflegetechnik hergestellt. Das erste Exemplar besteht aus reinem Glas (NG) aus gewebten Roving-E-Glasfasern und die anderen beiden Hybridverbundlaminate bestehen aus E-Glasfasern und Aluminiumdrahtgeflecht mit alternativen Mustern. AG-Probe, bei der das Al-Drahtgeflecht in den äußeren Schichten platziert ist, und GA-Probe mit Al-Drahtgeflecht in den Kernlagen der Probensequenz, wie in Abb. 1a gezeigt. Die Epoxidmatrix besteht aus Teil A Biresin® CR82 (Harz) und Teil B CH80-6 (Härter), geliefert von Sika Industry30. Einzelheiten zu den Eigenschaften von Glasfaser und Epoxidharz sind in Tabelle 1 aufgeführt. Anschließend wurden die Proben mithilfe einer CNC-Fräsmaschine in Abschnitte mit den Abmessungen 135 × 36 × 3,0 \({\text{mm}}^{3}\) geschnitten ASTM D596131, Abb. 1b.

Hergestellte Exemplare; (a) Laminatfolge von NG-, AG- und GA-Proben und (b) Geometrien der Testproben.

Der Bohrvorgang an den drei Proben wurde mit einer CNC-Fräsmaschine BMDX8060 durchgeführt, die über Spindelgeschwindigkeiten von bis zu 18.000 U/min verfügt. Die Proben wurden unter Trockenschneidebedingungen gebohrt; mit drei Spindeldrehzahlen (1000, 2000 und 3000 U/min) und drei Vorschüben (20, 40 und 60 mm/min) unter Verwendung von drei Vollhartmetall-Spiralbohrern mit 6 mm Durchmesser und Spitzenwinkeln von (90°, 120° und 135°). Tabelle 2 zeigt Informationen zu Bohrermaterialien und -geometrie. Um die Qualität des Bohrprozesses zu verbessern, wurde eine Aluminium-Stützplatte verwendet32. Der Aufbau des Bohrvorgangs ist in Abb. 2 dargestellt.

Der Versuchsaufbau von; (a) der CNC-Bohrprozess und (b) die Stützplatte.

Die experimentelle Arbeit wurde gemäß dem Taguchi L9 Orthogonal Array (OA)28 durchgeführt, bei dem 3 Faktoren mit 3 Ebenen ausgewählt wurden. Die Taguchi-Technik hilft bei der Untersuchung der Auswirkungen aller Prozessparameter auf Reaktionen, indem sie die Anzahl der Tests und damit die Kosten der Experimente minimiert. Die Taguchi-Technik erfordert weniger Experimente oder Daten, um die besten Bearbeitungsbedingungen zu ermitteln. Wenn der Versuchsdurchlauf zeitaufwändig und teuer ist, wird daher empfohlen, die Taguchi-Methode33 anzuwenden. Bohrparameter wie Spindelgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Bohrspitzenwinkel wurden in Übereinstimmung mit früheren Literaturstellen18,20,24,25, den Einschränkungen der CNC-Maschine und frühen Testläufen ausgewählt, bei denen einige Variablen des Bohrprozesses durch Experimente bestimmt wurden . Tabelle 3 zeigt die Faktoren der Experimente und ihre Niveaus. Auch der resultierende L9-OA-Versuchsaufbau ist in Tabelle 4 zusammengefasst.

Die Delamination (Abziehen am Locheintritt und Herausdrücken am Lochaustritt) wurde mit einer hochauflösenden Kamera mit großem optischen Zoom gemessen und anschließend mit der Bildverarbeitung mit der CorelDraw-Software verarbeitet, um den maximalen Durchmesser der Delaminationszone mit einer Auflösung von \({ 10}^{-3}\) mm. Bohrschäden standen im Zusammenhang mit der Gleichung des Delaminationsfaktors (Fd) von Chen34, wie in Gl. angegeben. (1).

Dabei ist \({D}_{MAX}\) der maximale Durchmesser des Delaminationsbereichs und \({D}_{NOM}\) der Nenndurchmesser des Lochs (6 mm), wie in Abb. 3 dargestellt .

Digitales Bild einer gebohrten Probe.

Lagertests wurden gemäß der Norm ASTM D5961M31 durchgeführt. Die Lagerproben wurden aus der hergestellten Laminatplatte parallel zur Faser- und Drahtorientierung ausgeschnitten. Anschließend wurden Bohrvorgänge an den Proben durchgeführt, um ein 6-mm-Loch herzustellen. Der Prüfling wurde am Loch mit einem Stahlstift belastet und anschließend wurde eine normale Lagerkraft über ein leicht angezogenes Befestigungselement aufgebracht, das durch eine Vorrichtung wie in Abb. 4a gezeigt einer doppelten Scherung ausgesetzt wurde. Beim Anziehen der Schraubverbindung wurde ein Klemmdrehmoment von 10 Nm angewendet35. Durch die Zugbelastung der Baugruppe in der Prüfmaschine entsteht die Lagerkraft.

Lagertest; (a) Versuchsaufbau des Lagerfestigkeitstests und (b) Versagensmodi eines mechanisch befestigten Gelenkverbundes.

Der Lagertest wurde bei Raumtemperatur in einer computergesteuerten Universalprüfmaschine eines Modells (Jinan Test Machine WDW 100 kN) mit einer Kopfgeschwindigkeit von 2 mm/min bis zum Abfallen der Last durchgeführt. Der Aufbau der Testmaschine ist in Abb. 4a dargestellt. Der Tragfestigkeitswert wurde als Durchschnitt von fünf getesteten Proben ermittelt.

Bei mechanisch befestigten Verbundwerkstoffen können die Versagensarten in vier Arten27 eingeteilt werden: Nettozugversagen, Abscherversagen, Lagerversagen oder Spaltversagen, die in Abb. 4b dargestellt sind.

Die Ermittlung der Lagerspannung erfolgte durch Division der maximalen Lagerbelastung durch die Lagerfläche36 gemäß Gl. (2). Dabei ist \({F}_{max}\) die maximal aufgebrachte Last, \({D}_{h}\) der Lochdurchmesser und t die Dicke der Probe.

Die Tragdehnung des Probekörpers wurde nach Gl. berechnet. (3)31.

Dabei ist \({\varepsilon }_{br}\) die Lagerspannung, \({\delta }_{d}\) die Lochverformung (mm), D der Lochdurchmesser (mm) und K konstant ist Wert 1 für Doppelschertest, 2 für Einfachschertest.

Tabelle 5 fasst die experimentellen Beobachtungen für jede Einstellung zusammen, die verwendet wurde, um den Einfluss verschiedener Bearbeitungsparameter auf die Bohrreaktionsfaktoren (Delaminationsfaktor und Lagerfestigkeit) abzuschätzen und die optimalen Verarbeitungsbedingungen zu bestimmen, um die maximale Qualität für jede Reaktion zu erreichen.

In der vorliegenden Studie wurde das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) mithilfe der „Kleiner ist besser“-Technik37 berechnet, die in Gleichung (1) dargestellt ist. (4) die gewählten Prozessparameter mit dem Ziel zu optimieren, den Delaminationsschaden zu minimieren.

Dabei ist n die Gesamtzahl der Beobachtungen, \({y}_{i}\) der Antwortwert und i variiert von 0 bis n.

Aus der Taguchi-Analyse, die in Tabelle 6 aufgeführt und in Abb. 5 angegeben ist, sind die optimalen Bedingungen, die zu einer minimalen Ablösung der Ablösung bei NG-Proben führen, eine Spindelgeschwindigkeit von 3000 U/min, eine Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/min und ein Spitzenwinkel von 90° Die Geschwindigkeit hat den größten Einfluss auf die Peel-up-Delamination. Darüber hinaus nimmt die Ablöseschichtung mit zunehmendem Vorschub und Spitzenwinkel zu, während sie mit zunehmender Spindelgeschwindigkeit abnimmt, wie in Abb. 5a dargestellt. Für AG-Proben sind eine Drehzahl von 1000 U/min, eine Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/min und ein Spitzenwinkel von 90° die optimalen Bedingungen. Abbildung 5b zeigt auch, dass der Bohrwinkel, gefolgt von der Vorschubgeschwindigkeit, einen erheblichen Einfluss auf die Ablöseschichtung hat, während die Spindelgeschwindigkeit einen geringen Einfluss hat. Mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit, Spitzenwinkel und Spindeldrehzahl bis zu 2000 U/min nimmt die Ablöseschicht zu und beginnt dann abzunehmen. Bei der GA-Probe führte eine Drehzahl von 2000 U/min bei einem Vorschub von 20 mm/min und einem Spitzenwinkel von 120° zu den geringsten Schäden. Die Vorschubgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Ablöseschichtung, gefolgt von der Geschwindigkeit und dem Spitzenwinkel, die nur einen minimalen Einfluss haben. Die abziehbare Delaminierung nimmt mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit und Spitzenwinkel zu und nimmt mit zunehmender Spindelgeschwindigkeit ab, wie in Abb. 5c dargestellt. Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit und des Bohrerspitzenwinkels zu einer stärkeren Ablöseschichtung als Folge der Erhöhung der Schubkraft an der Bohrkrone19. Die AG-Probe weist im Vergleich zu den beiden anderen Proben die geringste Ablösung auf.

Haupteffektdiagramm für S/N-Verhältnisse der Abziehdelaminierung für; (a) NG-Probe, (b) AG-Probe und (c) GA-Probe.

Aus den Ergebnissen des S/N-Verhältnisses, die in Tabelle 7 aufgeführt sind, und dem Haupteffektdiagramm für S/N-Verhältnisse der Push-Out-Delamination, dargestellt in Abb. 6, sind die optimalen Prozessbedingungen zur Minimierung von Schäden eine Spindelgeschwindigkeit von 1000 U/min und eine Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/min und Spitzenwinkel von 90° für NG- und AG-Proben. Für GA ist die beste Kombination eine Spindeldrehzahl von 2000 U/min mit einem Vorschub von 40 mm/min und einem Spitzenwinkel von 90°. Der Bohrspitzenwinkel ist sowohl für NG- als auch AG-Proben von großer Bedeutung. Bei GA-Proben ist die Spindeldrehzahl der Parameter mit der größten Auswirkung. Abbildung 6a zeigt, dass eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, des Spitzenwinkels und der Spindelgeschwindigkeit auf bis zu 2000 U/min die Delaminierung beim Herausdrücken in NG-Proben aufgrund der zunehmenden Schubkraft während des Bohrvorgangs erhöht. Wenn die Spindeldrehzahl 2000 U/min überschreitet, nimmt die Delaminierung beim Herausdrücken ab. Dies hängt möglicherweise mit der Leichtigkeit des Materialabtrags bei hohen Geschwindigkeiten und der Bereitstellung einer glatten Schnittfläche zusammen, was das gleiche Ergebnis ist, das auch von Khashaba und El-Keran19 erzielt wurde. Abbildung 6b zeigt, dass die niedrigsten Push-out-Delaminationswerte bei AG-Proben mit niedrigeren Spindeldrehzahlen, Vorschubgeschwindigkeiten und Spitzenwinkeln erzielt werden. Damit verbunden ist eine Reduzierung der Bohrschubkraft. Bei GA-Proben stehen eine hohe Spindeldrehzahl (3000 U/min), eine Vorschubgeschwindigkeit (60 mm/min) und ein Spitzenwinkel (135°) mit den höchsten Werten der Push-out-Delamination in Zusammenhang, wie in Abb. 6c dargestellt, da diese Bedingungen zunehmen die Schubkraft des Bohrwerkzeugs, was wiederum die Schäden durch Delaminierung erhöht. Die kleinste Push-out-Delamination wird in der AG-Probe dargestellt, gefolgt von der GA-Probe und schließlich der NG-Probe. Die Push-out-Delamination ist bedeutender als die Peel-up-Delamination, da sie typischerweise um etwa durchschnittlich etwa 6 % zunimmt. Im Vergleich zu NG- und GA-Proben weisen AG-Proben eine relative Verbesserung sowohl bei der Ablöse- als auch bei der Herausdrück-Delaminierung auf. Dies kann durch die deutlich bessere Bindung zwischen der Al-Drahtgeflechtschicht und den anderen Schichten darunter in der AG-Probe erklärt werden, verglichen mit der etwas schwächeren Bindung zwischen den beiden benachbarten Al-Drahtgeflechtschichten in der GA-Probe. Abbildung 7 zeigt ausgewählte Fotos der Delaminierung an der Eintritts- und Austrittsseite einiger Bohrlöcher, die den Effekt unterschiedlicher Bearbeitungsbedingungen verdeutlichen.

Haupteffektdiagramm für S/N-Verhältnisse der Push-Out-Delamination für; (a) NG-Probe, (b) AG-Probe, (c) GA-Probe.

Ausgewählte Fotos veranschaulichen den Einfluss von Vorschubgeschwindigkeit und Spindeldrehzahl auf die Delaminierung bei einem Spitzenwinkel von 90°.

Die für jede Versuchskombination gemessene Lagerfestigkeit ist der Durchschnitt von fünf Testproben für jeden Aufbau. Die experimentellen Daten werden mithilfe der Taguchi-Analyse beobachtet und analysiert, um den Haupteffekt der Parameter auf die Lagerfestigkeit und die (S/N)-Verhältnis-Reaktion zur Ermittlung der optimalen Prozessparameter aufzuzeigen. Die Varianzanalyse (ANOVA) wird verwendet, um den Einfluss von Bearbeitungsparametern auf die Ausgabereaktionen anzuzeigen und um zu identifizieren, welche Parameter signifikant sind20. Die Analysen wurden mit der Software Minitab 20 durchgeführt. Zur Untersuchung der experimentellen Daten wurde die Taguchi-Analyse gewählt37. Die Gleichung „Größer ist besser“ ist in Gleichung dargestellt. (5).

Dabei ist n die Gesamtzahl der Beobachtungen, \({y}_{i}\) der Antwortwert und i variiert von 0 bis n.

Die S/N-Verhältnisanalyse in Tabelle 8 und Abb. 8a zeigt, dass maximale Werte der Tragfestigkeit der Bohrlöcher in NG-Proben bei einer hohen Spindeldrehzahl von 3000 U/min, einer Vorschubgeschwindigkeit von 40 mm/min und dem kleinsten Spitzenwinkel von 90° erreicht wurden . Das Haupteffektdiagramm der Mittelwerte in Abb. 8b zeigt, dass die Lagerfestigkeit tendenziell zunimmt, wenn die Spindeldrehzahl erhöht wird. Darüber hinaus nimmt die Lagerfestigkeit zunächst mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit zu, eine weitere Erhöhung über 40 mm/min führt jedoch zu einer Verringerung der Lagerfestigkeit. Dies ist auf die Erhöhung der Schubkraft zurückzuführen, die sich auf die Delamination auswirkt und die Festigkeit des Materials schwächt, wie von Khashaba et al.19 beschrieben. Ein größerer Bohrspitzenwinkel verringert die Lagerfestigkeit. Dies hängt mit einem kleinen Spitzenwinkel zusammen, der zu einer geringeren Schubkraft und damit zu einer geringeren Delaminierung führt, was die Materialfestigkeit erhöht. Die in Tabelle 9 zusammengefasste ANOVA-Analyse zeigt, dass die Vorschubgeschwindigkeit mit einem Beitrag von 66,60 % der wichtigste Faktor für die Lagerfestigkeit ist, während Spindeldrehzahl und Spitzenwinkel einen geringfügigen Beitrag von 9,74 % bzw. 5,85 % haben. Das in Abb. 9a – c dargestellte Konturdiagramm zeigt den Wechselwirkungseffekt von Bearbeitungsvariablen auf die Tragfestigkeit von NG-Proben. Der Einfluss von Drehzahl und Vorschub in Abb. 9a zeigt, dass die Lagerfestigkeit für einen Spindeldrehzahlbereich von 1500–3000 U/min und einen Vorschubbereich zwischen 30 und 50 mm/min maximiert werden kann. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Spitzenwinkel (Abb. 9b) zeigt, dass die Lagerfestigkeit bei Drehzahlen über 2500 U/min am höchsten ist und der Spitzenwinkel zwischen 90° und 120° liegt. Während Abb. 9c, die den Zusammenhang zwischen Vorschubgeschwindigkeit und Spitzenwinkel zeigt, deutlich macht, dass die maximalen Werte der Lagerfestigkeit bei Vorschubbereichen zwischen 40 und 50 mm/min und einem Spitzenwinkel unter 120° erreicht werden können.

Diagramm der Haupteffekte der NG-Probe; (a) S/N-Verhältnisse und (b) Mittelwerte für die Lagerfestigkeit.

Konturdiagramme der Tragfähigkeit für NG-Proben; (a) Geschwindigkeit vs. Vorschub, (b) Geschwindigkeit vs. Bohrspitzenwinkel und (c) Vorschub vs. Bohrspitzenwinkel.

Für AG-Proben zeigen die in Tabelle 8 aufgeführte S/N-Verhältnisanalyse und der Haupteffekt der S/N-Reaktion in Abb. 10a, dass die Lagerfestigkeit bei einer Spindeldrehzahl von 2000 U/min, einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 mm/min und 90° maximal ist -Spitzenwinkel. Die in Tabelle 9 aufgeführte ANOVA-Analyse zeigt, dass der Bohrerspitzenwinkel mit einem Anteil von 61,81 % einen wesentlichen Einfluss auf die Lagerfestigkeit hat, gefolgt von der Spindelgeschwindigkeit (20,01 %) und einem unbedeutenden Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit (7,89 %). Das in Abb. 10b dargestellte Haupteffektdiagramm der Mittelwerte zeigt, dass die Lagerfestigkeit mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit abnimmt. Dies geschieht aufgrund der zunehmenden Schubkraft und der damit verbundenen Delaminierung18. Außerdem erhöht eine Erhöhung der Spindeldrehzahl die Lagerfestigkeit bis 2000 U/min, danach nimmt sie ab. Diese Tendenz könnte auf die erhöhte Temperatur während des Bohrens zurückgeführt werden, wie von Khashaba et al.19 diskutiert. Eine hohe erzeugte Temperatur verringert die Schubkraft und damit den Delaminationsfaktor, was zu einer besseren Lagerfestigkeit als beim Bohren mit niedriger Geschwindigkeit führt. Ein weiterer Temperaturanstieg über die Übergangstemperatur \({T}_{g}\) der Faser führt jedoch zu thermischen Schäden und damit zu einer Verringerung der Lagerfestigkeit. Der kleine Spitzenwinkel des Bohrers (90°) verbessert die Tragfähigkeit, da festgestellt wurde, dass das Bohren von AG-Proben durch einen niedrigen Spitzenwinkel, eine moderate Spindelgeschwindigkeit und eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit verbessert wird. Dies steht im Einklang mit den Erkenntnissen von Sakthivel et al.20. Das in Abb. 11a dargestellte Konturdiagramm zeigt, dass die Lagerfestigkeit im Drehzahlbereich zwischen 2000 und 2500 U/min und im Vorschubbereich zwischen 40 und 60 mm/min maximal ist. Wie in Abb. 11b dargestellt, ergeben sich die Maximalwerte der Lagerfestigkeit für Spindeldrehzahlen zwischen 1500 und 2500 U/min und Bohrspitzenwinkel von weniger als 110°, was im Einklang mit dem bisher unberücksichtigten Einfluss der erzeugten Temperatur steht. Abbildung 11c zeigt, dass maximale Lagerwerte bei einem Bohrspitzenwinkel von weniger als 100° Gesamtvorschubbereich erreicht werden.

Diagramm der Haupteffekte der Lagerfestigkeit für AG-Proben; (a) S/N-Verhältnisse und (b) Mittelwerte.

Konturdiagramme der Tragfähigkeit für AG-Proben; (a) Geschwindigkeit vs. Vorschub, (b) Geschwindigkeit vs. Bohrspitzenwinkel und (c) Vorschub vs. Bohrspitzenwinkel.

Tabelle 8 verdeutlicht den Einfluss der Prozessparameter auf die Lagerfestigkeit. Der Bohrerspitzenwinkel hat den größten Einfluss auf die Lagerfestigkeit, gefolgt von der Spindeldrehzahl und der Vorschubgeschwindigkeit, die keinen wesentlichen Einfluss haben. Diese Ergebnisse stimmen gut mit der in Tabelle 9 aufgeführten ANOVA-Analyse überein. Abbildung 12a zeigt das Diagramm der Haupteffekte für S/N-Verhältnisse, aus dem hervorgeht, dass optimale Bearbeitungsparameter eine Spindelgeschwindigkeit von 2000 U/min, eine Vorschubgeschwindigkeit von 40 mm/min und ein Spitzenwinkel von 90° sind . Das Hauptwirkungsdiagramm für die in Abb. 12b gezeigten Mittel zeigt, dass eine Erhöhung der Spindeldrehzahl die Lagerfestigkeit bis zu 2000 U/min erhöht und über diesen Wert hinaus tendenziell abnimmt. Eine Verringerung des Spitzenwinkels erhöht die Lagerfestigkeit, während eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit die Lagerfestigkeit leicht erhöht, eine weitere Erhöhung jedoch zu einer Verringerung der Festigkeit führt. Dies hängt möglicherweise damit zusammen, dass ein kleiner Bohrspitzenwinkel, eine moderate Geschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit zu einer minimalen Delaminierung führen und somit die Tragfähigkeit der gebohrten Löcher in GA-Proben verbessern. Das Konturdiagramm in Abb. 13a zeigt, dass maximale Werte der Lagerfestigkeit bei Vorschubgeschwindigkeiten unter 30 mm/min und Spindeldrehzahlen von 1000 bis 2000 U/min sowie bei Vorschubgeschwindigkeiten von 40–50 mm/min und Drehzahlen von 2500–3000 U/min liegen. Abbildung 13b zeigt, dass die Verwendung einer Spindeldrehzahl von 2000 bis 3000 U/min und eines Bohrspitzenwinkels unter 110° zu maximalen Werten der Lagerfestigkeit führt. Während in Abb. 13c angegeben ist, dass maximale Lagerwerte bei einem Bohrspitzenwinkel zwischen 90° und 100° im gesamten Vorschubgeschwindigkeitsbereich erreicht werden.

Diagramm der Haupteffekte für die GA-Probe; (a) S/N-Verhältnisse und (b) Mittel zur Lagerfestigkeit.

Konturdiagramme der Tragfähigkeit für GA-Proben; (a) Geschwindigkeit vs. Vorschub, (b) Geschwindigkeit vs. Bohrspitzenwinkel und (c) Vorschub vs. Bohrspitzenwinkel.

Aus dem Zusammenhang zwischen Lagerfestigkeit und Delamination in Abb. 14 ist ersichtlich, dass die Lagerfestigkeit bei Prüfkörpern mit minimalen Delaminationsschäden deutlich erhöht wurde. In Abb. 14a beziehen sich die Maximalwerte der Tragfestigkeit für NG-Proben auf die Experimente 9, 8, 2 und 1, bei denen die Delaminierung geringe Werte aufwies, mit Ausnahme von Experiment 5, bei dem die Tragfestigkeit außergewöhnlich hoch war. Das gleiche Verhalten ist in Abb. 14b, c für AG- bzw. GA-Proben zu sehen, wo Proben mit erheblichem Delaminierungsschaden dazu neigen, die Strukturen zu schwächen, indem sie zu viel Spannung am Lochrand konzentrieren und das Risiko einer schnellen Matrixrissbildung erhöhen38.

Zusammenhang zwischen Lagerfestigkeit und Delaminationsschaden für; (a) NG-Probe, (b) AG-Probe und (c) GA-Probe.

Aus dem Vergleich der durchschnittlichen Tragfähigkeiten der drei Proben, die in Abb. 15 dargestellt sind, lässt sich erkennen, dass die NG-Probe im Vergleich zu AG- und GA-Proben mit durchschnittlichen Prozentsätzen von 9,6 % bzw. 8,7 % die höchste Tragfestigkeit aufweist. Dies hängt mit der höheren Eigenzugfestigkeit von Glasfasern (NG-Proben) im Vergleich zur relativ geringeren Eigenfestigkeit von Aluminium (AG- und GA-Proben) zusammen. Die durchschnittliche Tragfähigkeit der AG- und GA-Proben ist nahezu identisch, die AG-Probe weist jedoch während des Bohrvorgangs geringere Delaminierungsschäden auf, was die Tragfestigkeit der Bohrlochproben erhöht. Gemäß dem zuvor angegebenen Vergleich führt die AG-Probe zu einer Verbesserung sowohl der Ablöse- als auch der Ausschiebe-Delamination, was die Lagerfestigkeit erhöht. Dieses Ergebnis ist offensichtlich in den Abbildungen dargestellt. 14 und 15 und deutlich auf den Fotos von Abb. 7 zu erkennen.

Der durchschnittliche Wert der Tragfestigkeit für verschiedene Proben für jeden Versuchsaufbau.

Die in Abb. 16 dargestellten Lagerspannungs-Dehnungs-Kurven und Versagensmodi zeigen, dass Scherversagen aufgrund des kurzen Abstands von der Kante e/d = 3 die häufigste Versagensart ist. Bei NG- und GA-Proben ist Scherversagen die häufigste Versagensart. Unser Fehlermodus liegt bei allen Lagertests vor. Scherungsversagen wird im Allgemeinen durch Matrix- und Faserscher- und Kompressionsversagen39 verursacht, bei denen hohe Scherspannungen, die sich an der Scherungsebene gebildet haben, nicht durch den freien Kantenabstand abgebaut werden konnten40. Bei AG-Proben können experimentell drei verschiedene Versagensmechanismen beobachtet werden, darunter Herausscheren, Spaltung und Netzspannungsversagen. Der Spaltungsmischungsmodus ist der am häufigsten vorkommende Fehler bei AG-Proben. Ein Spaltversagen wird durch die Lastkonzentration an der Lochspitze und den Lagerdruck des Befestigungselements verursacht. Bei AG-Proben ist der Scherversagensmodus durch die hohe Lagerfestigkeit wie bei den Experimenten 1 und 6 erkennbar.

Vergleich der Lagerspannungs-Dehnungs-Kurven von Testproben und der beobachteten Versagensmodusmorphologien für jedes Experiment; (a) Exp.-Nr. 1, (b) Exp. Nr. 2, (c) Exp. Nr. 3, (d) Exp. Nr. 4, (e) Exp. Nr. 5, (f) exp.-Nr. 6, (g) exp.-Nr. 7, (h) exp.-Nr. 8 und (i) Exp. Nr. 9.

Nachdem die Ebenen der Bohrvariablenkombinationen erreicht wurden, die die beste Leistung erbrachten. Bei Verwendung der Taguchi-Technik war ein Bestätigungstest erforderlich, um den optimierten Zustand zu validieren41. Die vorhergesagten Reaktionen können mithilfe von Gl. bestimmt werden. (6)

wobei \({y}_{opt}\) der geschätzte optimale Wert des Delaminationsfaktors bzw. der Tragfestigkeit ist. (\({N}_{opt}\), \({F}_{opt}\) und \({\theta }_{opt}\)) repräsentieren den Mittelwert für jede Variable unter der optimalen Bedingung für Jede Antwort ist in Tabelle 10 dargestellt. \({y}_{m}\) Gibt den Gesamtmittelwert jeder Antwort an, der aus der in Tabelle 5 aufgeführten experimentellen Studie erhalten wurde. Tabelle 11 zeigt die Ergebnisse von Bestätigungsexperimenten. Die experimentellen und geschätzten Werte sind ziemlich ähnlich. Damit die Analyse als zuverlässig gilt, muss die Fehlerquote unter 20 % liegen42. Es wird darauf hingewiesen, dass mehrere optimale Parameterkonfigurationen mit keinem experimentellen Versuch in Tabelle 5 übereinstimmen. Unter Verwendung des gleichen Verfahrens, wie im Abschnitt „Bohrprozess“ beschrieben, wurden vier Testproben mit den von Taguchi erzielten optimalen Parametern gebohrt. Gemäß Abschnitt „Bewertung der Antworten“ wurde die Bewertung des Delaminationsfaktors und die Prüfung der Tragfähigkeit fünfmal durchgeführt und der Durchschnittswert ermittelt.

Mithilfe einer Regressionsanalyse wurde die Korrelation zwischen den Bohrparametern und den Reaktionsfaktoren modelliert43. Das multiple Modell, das verwendet wurde, um vorherzusagen, wie sich die Bearbeitungseinstellungen auf den Reaktionsfaktor auswirken würden, ist durch Gleichung (1) gegeben. (7).

Dabei ist Y die Antwort, B sind die tatsächlichen Gewichtungsfaktoren und X sind die unabhängigen Variablen.

Die endgültige Gleichung, die die Interaktion der vier Variablen in der Studie beschreibt, ist durch Gleichung (1) gegeben. (8).

Dabei ist \({\sigma }_{Lager}\) die Reaktionslagerstärke, \(N\) die Spindelgeschwindigkeit, \(F\) die Vorschubgeschwindigkeit und \(\uptheta\) der Bohrerspitzenwinkel. Durch Einsetzen von Werten in die Regressionsgleichung und Auflösen der Gleichungen können die Werte von a, b1, b2 und b3 bestimmt werden44. Die Gleichungen (9) und (10) werden verwendet, um die Modellgenauigkeit gemäß dem mittleren absoluten prozentualen Fehler (MAPE) und der Vorhersagegenauigkeit (PA) wie folgt zu bestimmen:

Dabei ist n die Anzahl der Experimente, \(\text{Exp}.\text{Wert}\) der experimentelle Wert und \(\text{Pred}.\text{Wert}\) der vorhergesagte Wert.

Die Regressionsgleichungen der Lagerreaktion sind in Tabelle 12 aufgeführt. Die berechneten Daten und der mittlere Fehler sind in Tabelle 13 für NG-, AG- und GA-Proben aufgeführt. Anhand der Ergebnisse in Tabelle 13 wurde festgestellt, dass Regressionsgleichungen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und vorhergesagten Ergebnissen liefern können. Die Validierung der experimentellen und vorhergesagten Ergebnisse für die Tragfestigkeitsreaktion der Proben ist in Abb. 17 dargestellt.

Validierung experimenteller und vorhergesagter Werte der Lagerfestigkeit für; (a) NG-Probe, (b) AG-Probe, (c) GA-Probe.

In dieser Arbeit wurde das CNC-Bohren von reinen GFRE- und Hybrid-GFRE/Al-Drahtgeflechtproben untersucht, um den Einfluss von Bohrparametern und induzierter Delaminierung auf die Tragfestigkeit der getesteten Proben zu bestimmen. Die Optimierung und Beeinflussung der Bohrparameter erfolgte mithilfe von Taguchi- und ANOVA-Analysen. Die Ergebnisse dieser Studie sind nachstehend aufgeführt:

Die maximalen Tragfestigkeitswerte der Bohrlöcher wurden bei einem Spitzenwinkel von 90°, einer Vorschubgeschwindigkeit (F) = 40 mm/min für NG- und GA-Proben und F = 20 mm/min für AG-Proben und einer Spindelgeschwindigkeit (N) erreicht ) = 2000 U/min für AG- und GA-Proben und N = 3000 U/min für NG-Proben.

Bei NG-Proben hat die Vorschubgeschwindigkeit mit einem Beitrag von 66,60 % den größten Einfluss auf die Lagerfestigkeit, während sowohl bei AG- als auch bei GA-Proben der Bohrspitzenwinkel mit einem Beitrag von 61,81 % bzw. 73,16 % der einflussreichste Parameter ist.

Die Tragfähigkeit der Probe wurde durch die induzierte Delaminierung des Bohrlochs erheblich beeinträchtigt. Die Lagerfestigkeit nahm mit zunehmendem Delaminationsfaktor ab.

Die geringste Delaminierung der AG-Probe erhöht deren Tragfähigkeit, die nahezu der durchschnittlichen Tragfestigkeit von GA entspricht.

Bei NG- und GA-Proben liegt bei allen Proben der Scherversagensmodus vor. Während für AG-Proben drei Versagensmechanismen experimentell beobachtet werden können, darunter Scherung, Spaltung und Netzspannung. Der Spaltungs-Misch-Modus ist der am häufigsten beobachtete Fehlermodus.

Das Hinzufügen von Al-Gewebe zu den Außenschichten (AG-Probe) verbessert die Bohrqualität und erhöht die Tragfähigkeit, was zeigt, dass es in fortschrittlichen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt- und Automobilbranche eingesetzt werden kann.

Es wurde festgestellt, dass Regressionsgleichungen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen experimentellen Daten und vorhergesagten Ergebnissen liefern können.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Abteilung für mechanisches Design und Produktionstechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Zagazig-Universität, Postfach 44519, Zagazig, Al-Sharqia, Ägypten

Amr Seif, A. Fathy und AA Megahed

Mechanische Abteilung, Höheres Technologisches Institut, Stadt des Zehnten Ramadan, Ägypten

A. Fathy

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Alle Autoren haben gleichermaßen zum Werk beigetragen. AMS war an der Konzeption, dem Design, der Materialvorbereitung, der Datenerfassung und -analyse der Studie beteiligt. AFM war an der Konzeption, dem Design, der Materialvorbereitung, der Datenerhebung und der Analyse der Studie beteiligt. AAM war an der Konzeption, dem Design, der Materialvorbereitung, der Datenerhebung und der Analyse der Studie beteiligt.

Korrespondenz mit Amr Seif.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Seif, A., Fathy, A. & Megahed, AA Einfluss von Bohrprozessparametern auf die Tragfestigkeit von mit Glasfaser/Aluminiumnetz verstärkten Epoxidharz-Verbundwerkstoffen. Sci Rep 13, 12143 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39097-3

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Eingegangen: 29. April 2023

Angenommen: 20. Juli 2023

Veröffentlicht: 26. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39097-3

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