BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDÁMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK HAJLÉKONY TEXTIL ÉS KOMPOZIT LAPOK HAJLÍTÓVIZSGÁLATA

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDÁMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK HAJLÉKONY TEXTIL ÉS KOMPOZIT LAPOK HAJLÍTÓVIZSGÁLATA SÖRÖS GÁBOR BSc. GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓ TÉMAVEZETŐ: DR. HALÁSZ MARIANNA KONZULENS: Dr. MOLNÁR KOLOS BUDAPEST 2014

2

3

4

5 TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS TEXTIL ÉS HAJLÉKONY KOMPOZIT LAPOK JELLEMZŐI TEXTIL LAPOK ALAPFOGALMAI, CSOPORTOSÍTÁSUK, ALAPANYAGAIK KOMPOZIT LAPOK ALAPFOGALMAI, CSOPORTOSÍTÁSUK, ALAPANYAGAIK A VASTAGSÁG ÉS HATÁSA A HAJLÉKONYSÁGRA HAJLÉKONY LAPOK HAJLÍTÓVIZSGÁLATI MÓDSZEREI CANTILEVER ELV HAJLÍTÓNYOMATÉK MÉRÉSE EGYÉB MÓDSZEREK A HAJLÉKONYSÁG VIZSGÁLATÁRA TEXTÍLIÁK ÉS KOMPOZITOK HAJLÍTÓVIZSGÁLÓ BERENDEZÉSEI CANTILEVER ELVET ALKALMAZÓ KÉSZÜLÉKEK, A FLEXOMÉTEREK HAJLÍTÁSI NYOMATÉKOT KÖZVETLENÜL MÉRŐ KÉSZÜLÉKEK AZ IRODALOM KRITIKAI ELEMZÉSE, CÉLOK PONTOSÍTÁSA TERVEZÉS KÖVETELMÉNYJEGYZÉK A KONCEPCIÓK VÁZOLÁSA BME-PT FLEXOMÉTER, KONCEPCIÓ BME-PT FLEXOMÉTER, KONCEPCIÓ A KONCEPCIÓK ÖSSZEHASONLÍTÁSA, VÁLASZTÁS KIVITELI TERVEK, A KÉSZÜLÉK ELKÉSZÍTÉSE, TESZTMÉRÉSEK KIVITELI TERVEK A KÉSZÜLÉK ELKÉSZÍTÉSE TESZTMÉRÉSEK ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY. 58 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS. 59 IRODALOMJEGYZÉK. 60 5

6 1. Bevezetés A hajlékony textil és kompozit lapok hajlékonyságának meghatározása fontos feladat mind a humán, mind pedig a műszaki felhasználás szempontjából. Humán textilként kategorizálhatunk minden olyan terméket, amelyeket a konfekcióipartól a bútorkárpitokig általános emberi felhasználásra készítenek. Műszaki textilek például a kompozitok erősítőanyagai, melyeknél követelmény a térformára idomulás képessége, a nagy szilárdság. Az képen 1-1 konkrét példa látható a műszaki illetve humán célú felhasználásokra. 1. ábra Ponyva tetőszerkezet [17] 2. ábra Ruhaipari alapanyagok [24] A lapszerű anyagok térformára idomulási képességét a 2D-s deformációk közül legnagyobb mértékben a hajlítás és a nyírás befolyásolja. A hajlítás vizsgálata tehát nagyon fontos a térformára idomulási képesség megítélésében. A hajlékony textil és kompozit lapok 2D-s szerkezetek, melyek vastagsága állandó nagyságú és a vastagságra merőleges másik két térirányban mért kiterjedésükhöz képest elhanyagolhatóan kicsi. További jellemzőjük a hajlékonyságuk, azaz a kis hajlítómerevség, amely abban nyilvánul meg, hogy ezek az anyagok már a saját súlyukból adódó terhelés hatására is nagymértékben lehajlanak. Emiatt ezek az anyagok nem vizsgálhatók a szokásos hajlításmérési módszerekkel, és a számításokhoz sem használhatók fel a kis lehajlásokra kidolgozott formulák. Munkám során feladatom egy olyan mérési elv kiválasztása, ennek alapján egy olyan mérőeszköz megtervezése és elkészítése volt, amely alkalmas textíliák, illetve hajlékony kompozit lapok egyszerű, gyors és megfelelően pontos hajlító vizsgálatához. Feladatom volt továbbá az elkészült mérőberendezéssel tesztméréseket végezni és az eredményeket kiértékelni. 6

7 2. Szakirodalmi áttekintés Ebben a fejezetben áttekintést szeretnék a témához kapcsolódó alapfogalmakról, a vizsgálható alapanyagokról, mérési módszerekről és készülékekről. A mérőberendezések bemutatásakor a hajlítómerevség mérésén túl ismertetem a mérési eredmények kiértékelésének elvét és módszeré is. 2.1 Textil és hajlékony kompozit lapok jellemzői Itt kitérek a kelmék és kompozitok definíciójára, szerkezeti felépítésükre, csoportosításukra, alkalmazásuk szempontjából a legjelentősebb alapanyagaikra Textil lapok alapfogalmai, csoportosításuk, alapanyagaik A textil lapok (továbbiakban kelmék) valamilyen szálas anyag összességéből kialakított szabályos vagy szabálytalan szerkezetek. A gyártási technológiától és a felhasználás céljától függően a legkülönfélébb textúrájúra alakíthatóak. A kelmék alap építőeleme a szál, amely geometriáját tekintve 1D-s, ez azt jelenti, hogy a szál hosszához képest a keresztmetszete elhanyagolható méretű, azaz az l/d viszony legalább 1000 vagy annál nagyobb [2]. A szálak egyik legfontosabb mechanikai tulajdonsága a nagy húzószilárdság, e tulajdonságukra alapul széleskörű felhasználhatóságuk, ez főleg igaz, ha a műszaki textíliák alkalmazási területeire gondolunk. A szálak másik nagyon fontos mechanikai tulajdonsága a hajlékonyság, amely részben alapanyagukból, részben nagyon kicsi keresztmetszetükből adódik. A normál, középfinom textil szál átmérője µm, a mikroszálaké 3-10 µm, de készülnek 500 nm-nél vékonyabb nanoszálak is. A textilipar körülbelül féle szálas anyagot használ fel széles körben. A szálasanyagok származás szerint két fő csoportra oszthatóak: természetes és mesterséges szálakra (3. ábra). Természetes szálak esetén az alapján különítjük el őket, hogy növényi, állati vagy ásványi eredetűek-e. Mesterséges szálaknál szerves illetve szervetlen alapanyagból előállítottakat különböztetünk meg. Az alapanyag döntően befolyásolja a szál gyártási és feldolgozási technológiáját.[3, 4] 7

8 3. ábra Textilalapanyagok csoportosítása származás szerint [4] A kelmék szerkezete alapvetően a feldolgozási technológiától függ és aszerint választják meg, hogy melyik szerkezet felel meg legjobban a végtermék rendeltetésének. A kelmék készülhetnek közvetlenül szálakból vagy a szálakból készített szintén 1D-s fonalakból, cérnákból. A 2D-s textil lapok leggyakoribb szerkezeteit a 4. ábra foglalja össze és szemlélteti. 4. ábra Textilszerkezetek felosztása [2] A kedvező feldolgozhatóság és a kiszámítható deformációs tulajdonságok miatt a leggyakrabban alkalmazott összetett szerkezetű erősítőanyagok a szövetek. 8

9 Kompozit lapok alapfogalmai, csoportosításuk, alapanyagaik A kompozitok többfázisú, összetett, szerkezeti anyagok, amelyekben a szívós mátrix és a nagyszilárdságú erősítőanyag között kiváló adhéziós kapcsolat van. A kompozitok tipikus erősítőanyagai a szálak, szálas szerkezetek, mert a szálak térfogatukhoz képest nagy felülete biztosítja a mátrix és az erősítőanyag közötti megfelelő kapcsolatot, valamint a szálak lehetővé teszik a műszaki szerkezeteknek a terhelési irányokba orientált megerősítését. A leggyakrabban alkalmazott erősítőszálak az üveg-, szén-, aramid- és polietilénszálak [16], de felhasználnak más mesterséges és természetes szálakat is. A leggyakrabban használt erősítőanyagok tulajdonságait az acéléval összehasonlítva az 1. táblázat foglalja össze. Száltípus Sűrűség Szakítószilárdság Rug. modulusz Szakadási nyúlás ρ [g/cm 3 ] σ [GPa] E [GPa] ε [%] Üvegszál 2,60 2,5 72 4,8 Grafitszál 1,78 3, ,4 Kevlár 1,44 3,3 75 3,6 Polietilén 0,97 3,3 99 3,7 Acélhuzal 7,86 4, ,1 1. táblázat A leggyakoribb erősítőszálak és az acélhuzal szilárdsági jellemzői [16] Egy szálas erősítőstruktúra és az ebből készült kompozit lap hajlékonysága nagyban függ az alkalmazott erősítőszál hajlékonyságától, a szál hajlékonysága pedig az átmérőjétől. A szál D hajlítási merevsége (2.1) a szálátmérő negyedik hatványával arányos. D = I E = M R (2.1) ahol: E [GPa] a szál rugalmassági modulusza, I [mm 4 ] a szál keresztmetszetének másodrendű nyomatéka, M [Nm] a hajlítónyomaték, R [m] a hajlítás sugara. Tipikus hajlékony kompozit lapok a ponyvák, amelyeknek leggyakoribb változatai a PVCvel átitatott poliészter szövet és a teflonnal átitatott üvegszövet A vastagság és hatása a hajlékonyságra Egy textília vastagságának megállapítása nem annyira egyértelmű, mint például egy fém anyagé. A vastagságmérés a textíliáknál nagyon érzékeny arra, hogy mekkora nyomással terheljük a próbatestet, ezért a gyakorlatban ritkán mérik. Helyette bevezetésre került egy másik fogalom: a területi sűrűség, vagyis az egységnyi területre eső kelmetömeg, amely jó mutatója a vastagságnak is. Ettől függetlenül végeznek természetesen vastagságméréseket is, mert egyéb tulajdonságai is vizsgálhatóak így a textíliának, például az összenyomhatóság a szálak közötti súrlódás vagy a tömöttség. A vastagság ismerete a hajlítóvizsgálatok kiértékeléséhez elengedhetetlen, ha olyan mérési elvet alkalmazunk, ahol a számításokhoz a kelmének a lehajlott geometriáját vesszük 9

10 alapul. A vastagságot szokásosan nyomóvizsgálattal határozzák meg, amikor is a vastagságot állandó sebességgel változtatják, és ennek függvényében mérik a nyomóerőt. A vastagságmérésnek 3 fázisa van. Az első fázis az, amikor a kidudorodó szálakat éri el a mérőfej és ezeket nyomja be, itt a különálló szálak hajlítással szembeni ellenállását kell leküzdeni. A második fázisban a mérőfej eléri a kelme felületét, és a további nyomással szemben a szálak egymás közötti súrlódása képezi az ellenállást egészen addig, amíg a szálak már teljesen össze nem érnek egymással. A harmadik fázisban pedig a szálak keresztirányú összenyomásából ered az ellenállás. A nyomóvizsgálat során általában egy előre meghatározott nyomásértékig folytatott felterhelési és ezt követő leterhelési ciklust regisztrálnak. A tehermentesítés során a próbadarab megpróbál visszaállni az eredeti méretre. Ez a belső erő, amely kifelé nyomja az anyagot, a rugalmas deformációból ered. A kelme általában 100 %-osan nem nyeri vissza eredeti formáját (5. ábra). 5. ábra Hiszterézisveszteség nyomóvizsgálat során [12] A fel és leterhelési görbék között fellépő hiszterézisveszteség a szálak közötti súrlódás következménye és jó mutatója a kelme csillapítóképességének. A görbe második szakasza hordoz információt arra vonatkozólag, hogy milyen lesz a kelme fogása: minél nagyobb a felterhelési görbe sugara, annál puhább a kelme [12]. Optikai mérések során a legnagyobb kihívást az jelenti, hogy megállapítsuk, hogy hol kezdődik a tényleges felület, mivel a legtöbb kelméből a szabad szálak rendezetlenül állnak ki (6. ábra). 10

11 6. ábra Felületi szálak 30x-os nagyításban [12] 2.2. Hajlékony lapok hajlítóvizsgálati módszerei A textília érzete, fogása, mint fogalom nem fejezi ki olyan kereken mindazt, amit az angol terminológiában használt fabric hand vagy handle of cloth kifejezések jelentenek. Ezek magukba foglalják egy textíliának mindazokat a tulajdonságait, amelyek a megítélésében szerepet játszanak, mint például az érintése és a viselése közbeni élmény vagy a kezelhetősége. Ezek szubjektív megítélése mind összefüggésben áll a textíliák puhaságával, merevségével, hajlékonyságával, vastagságával stb. Ennek a területnek a kutatása már az 1920-as években is nagyon intenzív volt. Különösen meghatározó volt Peirce tevékenysége, akinek 1930-ban megjelent cikkére, mint alapműre minden ezzel a területtel foglalkozó tudományos munkában hivatkoznak. Peirce már akkoriban felismert bizonyos összefüggéseket a textíliák kezelhetősége és fizikai, mechanikai tulajdonságai között. Ezeknek a kutatásoknak a fontossága abban áll, hogy komoly gazdasági előnyt jelent egy textilipari vállalat számára, ha képes objektív mérések eredményével a végfelhasználóknak a cég termékével kapcsolatos reakcióit előre megjósolni. [5] A teljesség igénye nélkül bemutatom az elmúlt évtizedek során végzett kutatások eredményeit arra vonatkozólag, hogy ki hogyan definiálta a fabric hand jelenségét, milyen fizikai, mechanikai tulajdonságot tartott fontosnak és milyen összefüggést talált a textíliák szubjektív megítélése és a mérési eredmények között. Peirce megfogalmazása szerint a textíliák megítélése nem csupán azok fizikai, mechanikai tulajdonságain alapszik, hanem például függ az időjárástól, évszaktól, hangulattól, és egyéb szubjektív tényezőktől is. Peirce hajlításmérési módszere a Cantilever elvre épít. Az egyik végén befogott textíliát előtoljuk egy vízszintes tárgyasztalon, miközben mérjük a kilógó hosszt, és amikor a textília másik vége egy előre meghatározott szögben álló lejtőt 11

12 elér, regisztráljuk az értékeket. A szabadon, saját súlya alatt lehajló kelme hajlékonysága, hajlítómerevsége a lelógó hossz ismeretében számítható. Fontos továbbá a vastagság mérése. Szükségessé vált egy olyan mennyiség definiálása, amely független a tesztelt minta geometriájától, mégis alkalmas a különböző anyagú kelmék összehasonlítására. Ez a mennyiség a hajlítómerevség, mely nem teljesen ugyanazt fejezi ki egy strukturált anyagnál, mint a homogén, izotróp anyagoknál, de mégis megfelelő összehasonlítási alapot nyújt a textíliák viselkedésére vonatkozóan. [ 1, 4, 5 ] G. H. Thorndike és L. Varley a textíliák szálai között súrlódást tartották elsősorban felelősnek azért, hogy milyen véleménnyel lesz a felhasználó a kelme tapintásával kapcsolatban. Kutatásaik során azzal a feltevéssel éltek, miszerint a statikus és dinamikus súrlódási együttható döntően befolyásolja az érzetet a kelme szubjektív megítélése során [5, 7]. J. O. Ajayi szintén sokat foglalkozott a szövetek súrlódási tulajdonságaival, de emellett kiemelt figyelmet fordított a textíliák összenyomhatóságának vizsgálatára is. Az általa használt Instron vizsgálati berendezés a vastagság mérése során egyperces ciklusokban terhelte a szövetet különböző nyomásokkal, és így mérte a valódi vastagság változását. Ugyanez a berendezés képes volt a szövet felületi súrlódásának mérésére is úgy, hogy egy kisméretű fa szánt húzott végig a mintán konstans sebességgel, és az ehhez szükséges erőt mérte [5, 6]. Kawabata az 1980-as években komoly eredményeket ért el az objektív textilvizsgálatok területén azáltal, hogy kifejlesztette a KES-FB ( Kawabata Evaulation System for Fabrics ) rendszert, amely nagy hiányt pótolt a textilipari vizsgálatok területén. A kelmeelemző rendszer megalkotásakor Kawabata ugyanazokat a fizikai, mechanikai tulajdonságokat tartotta fontosnak, amelyeket már a korábbi évek tudósai is. Ezek a tulajdonságok a hajlítási merevség és az ebből számított rugalmassági modulusz, a kelme nyírással és húzással szembeni viselkedése, a kelme vastagsága és a felülettel kapcsolatos súrlódási tulajdonságok. Ezek a jellemzők mind befolyásolják a textília fogását, megítélését, és ha standardizáljuk ezek mérését, akkor rutinfeladatként végezhetőek, és gyors visszajelzést nyújtanak [4, 5, 8, 9 ]. Kawabata rendszerében az jelentette az áttörést, hogy míg az őt megelőző évtizedekben a hajlítást a tudósok mind a Peirce által javasolt geometriai jellemzők mérésével vizsgálták (kivéve Schiefer spirálrugós készülékét, amely azonban nem terjedt el ), addig Kawabata közvetlenül mérte a kelmék hajlításához szükséges hajlítónyomatékot a hajlítás görbületi sugarának függvényében. Ez a módszer azért számít forradalminak, mert így közvetlenül a méréssel határozhatóak meg a kelmék mechanikai tulajdonságai, nem áll fenn a számítási hiba lehetősége. A számítási hibák arra vezethetőek vissza, hogy a formulák különféle mechanikai modellek alapján lettek bevezetve és közelítéseket, elhanyagolásokat tartalmaznak. A következőkben részletesen foglalkozom a hajlítással kapcsolatos legfontosabb fizikai jellemzők pontos definiálásával, hogy komplexebb képet kaphassunk arról, hogy miért ezek mérése döntő fontosságú a Fabric hand, azaz a fogás minősítésében. 12

13 2.2.1 A Cantilever elv Peirce megközelítése szerint A hajlítás mérésének még ma is legelterjedtebb módszere a Cantilever elven alapszik (7. ábra). A Cantilever teszttel meghatározható hajlítóhossz vagy hajlítási hossz egy saját súlya alatt lehajló, b szélességű kelme sáv azon hossza, amely egy adott szögben álló lejtő eléréséhez szükséges. Ezzel jellemezhető egy kelme vagy más hajlékony lap hajlítással szembeni ellenállása. Minél kisebb ez az érték, annál lágyabb, annál jobb a kelme esése, illetve minél nagyobb ez az érték, annál merevebb, annál jobb a kelme tartása. A hajlítóhossz a textília redőződésére is hatással van. [10]. A fogalmat Peirce a Cantilever elv alkalmazásával dolgozta ki egy saját súlya alatt lehajló, egyik végén befogott gerenda modelljéből (7. ábra). Fontos megjegyezni, hogy a gerenda modellnél, ahol kis lehajlásokról beszélünk, a rugalmas szál differenciálegyenletéből számítható a lehajlás és így az egyéb tulajdonságok is meghatározhatóak. A lehajlás a rugalmas szál differenciálegyenletével (2.2): f = p l4 8 I E [mm] (2.2) ahol: f [mm] a lehajlás mértéke, p [N/mm] a hosszegységre eső súly (adott hosszon megoszló erő), l [mm] a befogástól számított lehajló hossz, I [mm 4 ] a tartó keresztmetszetének másodrendű nyomatéka, E [N/mm 2 ] a tartó anyagának rugalmassági modulusza. Tudjuk, hogy a D hajlítási merevség kis deformáció esetén (2.3): D = I E = p l4 8 f [Nmm 2 ] (2.3) 7. ábra Cantilever gerenda modell Ahogyan azt említettem, ez a fajta számítási mód csak kis deformációk esetén alkalmazható, mint például nagyon merev ponyvák, többrétegű textíliák vagy kompozitok 13

14 esetén. Ha a hajlékony kelmék, kompozitok jellemzőit szeretnénk mérni, akkor be kell vezetni a lehajlás szögét. A levezetést Peirce gondolatmenete szerint mutatom be (8. ábra) [1, 10]. Kis lehajlások esetére igaz, hogy (2.4): ahol ɵ [ ] a lehajlás szöge a vízszinteshez képest (8. ábra) f l = tg θ (2.4) A lehajlás szögének bevezetésével az alábbiak szerint alakul a hajlítási merevség (2.5): E I = p l3 8 tg θ [Nmm2 ] (2.5) Azonban figyelembe kell venni azt, hogy nagyobb mértékű lehajlások esetén a lehajlott kelme által kifejtett nyomaték csökken, ezért szükségszerű bevezetni egy olyan tényezőt, amely figyelembe veszi ezt a csökkenést, de kis lehajlás esetén is alkalmazható. [10] 8. ábra Hajlékony lapok vizsgálatának elve [1] Peirce ezért kiegészítette a meglévő formulát egy cos(m θ) tényezővel, ahol m=0.5 és így az alábbiakat kapjuk eredményül (2.6): E I = p l3 cos(0,5 θ) 8 tg θ [Nmm 2 ] (2.6) Peirce munkássága idején nem álltak rendelkezésre olyan számítástechnikai eszközök, amelyek segítségével bonyolult, hosszadalmas számítások könnyen elvégezhetők lettek 14

15 volna. Ezért Peirce ezt a közelítő módszert dolgozta ki, amelynek megfelelőségét számos mérés igazolta, és amely módszert még ma is elterjedten alkalmazzák a gyakorlatban. Bevezetésre került tehát a lehajlás szöge, így kifejezhetjük a hajlító hosszt, amelyet Peirce a hajlítómerevség és a hosszegységre eső kelmesúly hányadosának köbgyökével tesz azonosan egyenlővé. [1, 10 ] D p = l3 cos(0,5 θ) = c 3 [mm 3 ] 8 tg θ (2.7) 3 c l3 cos(0,5 θ) 8 tg θ [mm] (2.8) ahol: c [mm] a hajlítóhossz A hajlítóhossz felvilágosítást ad többek között a kelme redőképződési hajlamáról, illetve arról is, hogy milyennek ítéli majd a felhasználó a kelme tapintását. A hajlítási merevség pedig megadja számunkra, hogy egy egységnyi szélességű próbadarab egységnyi görbületi sugarának eléréséhez mekkora hajlítónyomaték szükséges [ 1, 10 ] Azért hasznos ilyen módon átrendezni a hajlítási merevség képletét és kifejezni a c hajlítóhosszt, mert így kiküszöbölhető az, hogy meg kelljen határozni a területegységre eső súlyt, ami egy rutin mérési feladatnál időmegtakarítást és kényelmet jelent. A fentiek, valamint a vastagság ismeretében meghatározható a kelme rugalmassági modulusza is. A vastagság ismerete fontos tényezője a hajlítóvizsgálatnak, mert nagyban befolyásolja a végeredményt. Ezért kívánatos, hogy meghatározható legyen egy olyan mennyiség, amely geometriától függetlenül egy összehasonlítási alapot nyújt a kelmék, kompozit lapok hajlítási tulajdonságait illetően. Ugyan belső szerkezettel bíró, nem kontinum anyagoknál, mint a textíliák nem ugyanazt fejezi ki a rugalmassági modulusz, mint egy uniform, azaz homogén, izotróp anyag esetében, de megfelelően alkalmazható az összehasonlítás elvégzésére. [ 1, 10, 12 ] Így a hajlítási merevség összefüggését átrendezve megkapjuk (2.9): E = D I = D b v 3 12 = 12 D b v 3 [ N mm 2 ] (2.9) ahol: b [mm] a vizsgált minta szélessége, v [mm] a vizsgált minta vastagsága Az 1970-es években, amikor a még nehezen hozzáférhető számítástechnika ezt már lehetővé tette, Holden pontosabb, de bonyolultabban alkalmazható kiértékelési módszert dolgozott ki. 15

16 A Cantilever-elv Holden megközelítése szerint J. T. Holden 1972-ben publikálta munkáját a véges mértékig lehajló, egyik végükön befogott tartók témájában és azt vizsgálta meg, hogy a korábbi évek matematikai megközelítései ilyen esetben mennyire helytállóak. Holden Euler-Bernoulli klasszikus gerendaelméleti összefüggését használta föl a számítás levezetéséhez. Egy olyan Cantilever gerendát használt a gondolatkísérlethez, amelynek a szabadon lelógó végéhez rögzítette a koordinátarendszert a meghatározandó paraméterek pedig a koordinátarendszer x, y koordinátája valamint az s ívhossz (9. ábra). A θ szög a szabad vég érintőjének és a vízszintes által bezárt szög [24]. 9. ábra Cantilever gerenda [24] Ha bevezetésre kerül, hogy D [Nm 2 ] a hajlítási merevség és M [Nm] a hajlítónyomaték, akkor az Euler-Bernoulli egyenlet szerint (2.10): dθ ds = M D (2.10) Ha a gerendát p [N/m] megoszló erőrendszer terheli, akkor az alábbiak szerint írható át az egyenlet(2.11): d 2 θ ds 2 = p D s cos (θ) (2.11) A könnyebb számítás érdekében bevezetjük az s = s L konstansokat (2.12) p L3 és a k = D dimenziótlan d 2 θ ds 2 = ks cos (θ) (2.12) Azért praktikus így felírni az Euler-Bernoulli egyenletet, mert így a másodrendű differenciálegyenlet megoldható két elsőrendű egyenlet integrálásával, ahol θ függvénye s nek. Így a szerint számíthatók az x, y koordináták a semleges szál mentén: 16

17 x(s ) = L cos(θ) ds 0 y(s ) = L sin(θ) ds 0 s s (2.13) (2.14) A 10. ábrán látható diagramon az eredmények százalékos eltérésben mutatják a végeredményeket úgy, hogy a folytonos vonal az Euler-Bernoulli egyenlet megoldását mutatja, a szaggatott pedig a Runge-Kutta módszerrel megoldott differnciálegyenelet megoldását szemlélteti. 10. ábra A h/l és δ/l viszonyok a k függvényében [24] A Runge Kutta módszerrel, negyedfokú közelítést alkalmazva 1*10-4 nagyságrendű pontosság érhető el, azonban a módszer tetszőleges mértékű pontosságot megenged. Megjegyezendő, hogy ugyan az Euler-Bernoulli módszer közelítő eredményt ad, de elegendően pontos egy átlagos számítás elvégzéséhez.[24] A hajlítónyomaték mérése Grosberg volt az, aki az akkoriban használatos Cantilever-elven alapuló módszert átalakította és számításba vette a szálak közötti súrlódás miatt kialakuló hiszterézis jelenségét egy nyomatékpár formájában (11. ábra): K = 0 ha M < M 0 B K = M sign(k) M 0 ha M M 0 (2.15) ahol: M [Nm] a hajlításhoz szükséges nyomaték, K [cm 1 ] a görbület, M 0 [Nm] a súrlódás legyőzéséhez szükséges nyomaték, B a fajlagos hajlítómerevség 17

18 11. ábra A hajlítónyomaték a hajlított kelme görbületének függvényében [22] Ezt a modellt használta fel később Kawabata is a KES rendszer kidolgozásánál Egyéb módszerek a hajlékonyság vizsgálatára Kelmehurok módszer: Ennél a módszernél (melyet szintén Peirce dolgozott ki [1]) a kelmesáv két végét összefogják és a lehajlást, behajlást vizsgálják, mérik. Ezt a módszert akkor érdemes alkalmazni, amikor a kelme hajlítóhossza nem több mint 20 mm, mivel ebben az esetben a Cantilever teszt nem alkalmas mérésre. A kialakuló hurok a kelmevégek összefogási módja szerint gyűrű, körte vagy szív alakú lehet. (12. ábra). 12. ábra Kelme-hurok módszerek [12] A kiértékelő formulákat empirikus úton határozták meg homogén izotróp anyagok felhasználásával és azt találták, hogy a számítás megfelelően működik szerkezettel bíró anyagok esetén is. 18

19 A különböző alakú hurkokhoz az alábbi módon kell számítani a hajlítóhosszt [12]: Gyűrű alak: Körte alak Szív alak l 0 = L (2.10) l 0 = L (2.14) l 0 = L (2.18) θ = 157 d l 0 (2.11) θ = d l 0 (2.15) θ = d l 0 (2.19) d = l l 0 (2.12) d = l l 0 (2.16) d = l l 0 (2.20) 1 cos θ c = 0.133L tg θ 3 (2.13) 1 cos θ tg θ 3 c = 0.133L cos(0.87 θ) 2. táblázat A gyűrű-hurok módszer számítása 1 (2.17) cos θ c = l 0 tg θ 3 (2.21),ahol: - d : az l [m] mért és az l 0 [m] számított hurokhossz közötti különbség Optikai kihajlásmérő módszer A BME Polimertechnika Tanszék és a Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék munkatársai a modern számítástechnika lehetőségeinek felhasználásával dolgozták ki ezt a hajlításmérési módszert. Az optikai kihajlásmérés során a kelme hajlítótulajdonságait a lézeres leolvasással meghatározott kelmealak alapján határozzák meg. A kelme két végét befogják a berendezés két végén található leszorítókba és a kelme összenyomásával egy omega alakú felgyűrődést hoznak létre. Ezt az alakot a lézeres leolvasóegység két oldalról 3-3 lézervonal segítségével beszkenneli. A leolvasott alakokból egy képfeldolgozó program meghatározza a felgyűrődött kelme alakját leíró pontokat, majd a kapott pontok alapján a számítógépes egység kielemzi a kelme mechanikai tulajdonságait. [11] 13. ábra Optikai kihajlásvizsgáló [11] 19

20 2.3. Textíliák és kompozitok hajlítóvizsgáló berendezései Alább bemutatok többféle rendszert, amelyek kelmék vizsgálatára szolgálnak, majd pedig részletes áttekintést nyújtok arról az elrendezésről amelyet én választottam gyártásra, összehasonlítom a többi lehetőséggel, alternatív verzióval és kiemelem azokat a különbségeket, előnyöket amelyeket mérlegeltem a tervek elkészítésekor Cantilever elvet alkalmazó készülékek, a flexométerek Ebben a fejezetben a Cantilever-elvet alkalmazó készülékeket mutatom be, amelyek valamilyen geometriai jellemző mérése alapján adnak tájékoztatást a kelme hajlítótulajdonságairól, és ebből a geometriai jellemzőből mechanikai modell alapján számítási módszerekkel határozzuk meg a kelmék, kompozitok hajlítómerevségét, moduluszát Peirce Flexométer A Cantilever elvet alkalmazó hajlékonyságmérés alapjait, eljárását Peirce dolgozta ki még az 1920-as években, majd publikálta eredményeit az 1930-ban [1]. Peirce flexométere, amely a 14-es ábrán látható, egy kissé különbözött a mostani modellektől, de az ő munkásságának nyomán végzik a méréseket a mai napig is. 14. ábra Peirce flexométere széles szövetek mérésére [1] 20

21 Peirce a (C) előre meghatározott hosszúságú kelmét az (A) tárgyasztalra fektette, amely a (B) csuklókkal kapcsolódott a tartóoszlopokhoz. A szövet (F) nem-szabad vége le volt súlyozva. Amikor a mérést megkezdték, az asztalt lehajtották, így a szövet szabad vége lehajlott a saját súlya alatt. A lehajlás szögét a (D) szögmérő és az (E) mutató segítségével olvasták le. A méréshez 1x6 hüvelyk méretű próbasávokat vágtak ki szike és sablon segítségével, hogy minél pontosabb és megismételhető legyen a mérés. Peirce nagyon fontosnak tartotta, hogy a próbasávokat a lehető legkisebb mértékben kezeljék, mert a kelme hajtogatása, tűrése nagyban befolyásolhatja a mérést. Olyan kelmék esetén azonban, amelyek betöltetlenek, azaz ritka szövésűek és így gyűrődésre hajlamosak voltak engedélyezte a nedves vasalást, mert az nem befolyásolta nagymértékben a hajlítási tulajdonságokat, ellenben javította a mérés pontos ismételhetőségét. Nagy problémát jelentett továbbá az, hogy egyes kelmék, merevebb kompozit lapok hajlamosak a csavarodásra, ami megnehezíti a pontos mérést, ezért azt a módszert alkalmazta, hogy vagy legömbölyítette, vagy háromszög végűre nyírta a próbasávok végeit. Természetesen ez a számítás menetét befolyásolja, de Peirce kidolgozta ezen módszerek metódusát is. A mai flexométerek másképpen vannak felépítve, azonban a mérés elve ugyanaz. A különbség az, hogy a próbasáv lehajlása más körülmények között megy, pontosabban: a kelmét a tárgyasztal széléhez képest egy szerkezet segítségével előtoljuk egészen, amíg annak vége lehajlása következtében el nem ér egy os fizikai vagy képzeletbeli lejtőt. Tehát az alapvető különbség a két szerkezet között az, hogy míg Peirce pontosan beállította a kelme saját súlya alatt lehajló hosszát, majd mérte a kelme végét érintő lejtő szögét, addig a mai készülékeken pontosan tudjuk, hogy mekkora hajlásszögű lejtőt fog érinteni a lehajló kelme, ennek függvényében mérjük a lehajló kelme hosszát és ebből számítjuk vissza a hajlítóhosszt. [1] A méréseket mind a lánc, mind a vetülék irányában el kell végezni valamint még a fonák és színoldalakat is figyelembe kell venni a mérés során. Tehát egy próbasávra 4 mérési eredmény jut amelyeket átlagolással dolgozunk fel TKI-Flexométer A Magyarországon ma is használatos TKI gyártmányú flexométer vázlata a 15-ös, fényképe a 16-os ábrán látható. A hajlítóvizsgálat elvégzéséhez az MSZ 93-4 es szabvány ad útmutatást. A mérés során a tárgyasztalra helyezett textilsávot leszorítjuk egy kis terhelő szerkezettel annak érdekében, hogy a szövet biztosan egyenesen lépjen ki az asztal élén. Addig toljuk el a mintát, amíg az el nem éri a os képzeletbeli lejtőt. A szögértéket egy forgó kör alakú szögmérőn állíthatjuk be úgy, hogy a szögmérő középpontja és az azon átmenő átmérővonal pontosan fedésben legyen az asztallap sarkával, ahol a szövet ki fog lépni. A tükör szerepe a leolvasásnál az, hogy a képzeletbeli lejtőt, síkot úgy képezzük, hogy a szögmérő átmérővonalát a tükörképével fedésbe hozzuk és ehhez a síkhoz érintjük a kelme szabadon lógó végét. Az előtolás fogaskerék fogasléc 21

22 kapcsolattal van megoldva, így a kelme lejtőn való túlfutása esetén vissza tudjuk húzni azt. A fogaskereket kézzel forgatjuk egy kisméretű marokcsavar segítségével. Egy másik fogasléc segítségével pedig állíthatjuk a tárgyasztal helyzetét, hogy az mindig megfelelő pozícióba legyen a lejtőhöz képest. A szög beállítása úgy történik, hogy a szögmérőbe szerelt, átmérővonallal ellátott üveglapot forgatjuk a fix keretre festett szögértékhez. 15. ábra A Flexométer elvi vázlata [15] A TKI Flexométer egy standard ipari készülék, amelyet az egyszerű felépítése, könnyű kezelhetősége miatt használnak. 16. ábra A TKI Flexométer 22

23 A Shirley flexométer Egy másik megjelenési formája a flexométernek a Shirley textilmerevség vizsgáló berendezés, amely szintén a Peirce által kidolgozott elvek alapján működik. A Taber Industries forgalmazza (17-es ábra) és az angolszász országokban elterjedten használják kompaktsága miatt. A legszembetűnőbb különbség, a TKI flexométerhez képest, hogy jelen berendezéshez fizikai lejtő tartozik, azaz a lehajlott kelme érinteni fogja azt. Így könnyen mérési hiba adódhat, mert teljes mértékben a kezelő személyzet szubjektív megítélésén múlik, hogy mikor dönt úgy, hogy a kelme éppen érinti a lejtőt A SiroFAST rendszer flexométere 17. ábra Taber merevségvizsgáló A SiroFAST ( Fabric Assurance by Simple Testing ) rendszert az ausztrál CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Organisation) szakemberei fejlesztették ki a textilipar számára. Azért volt szükség egy (új), kompakt, olcsó és könnyen használható rendszer kifejlesztésére, mert a textilipar fejlődésével ki kellett alakítani egy olyan könnyen mobilizálható, automata rendszert, amellyel az összes fontos mérés gyorsan elvégezhető, és a rendszer azokat ki is értékeli. A SiroFAST megalkotása előtt már létezett a Kawabata által kidolgozott rendszer, azonban azt az apparátust csak a nagy textilipari cégek engedhették meg maguknak a magas költségek, a nagy helyigény és a szaktudást igénylő üzemeltetés miatt. [20] A SiroFAST rendszer 3 eleme: az SF1 vastagságmérő, az SF2 hajlékonyságmérő, és az SF3 nyúlásmérő. (18-as ábra). A mérőeszközök nevében a számok egyben jelzik a mérés sorrendjét is. 23

24 18. ábra A SiroFAST rendszer SF2-es eleme [21] A SiroFAST 2 hajlításvizsgáló berendezés működési elve is a Cantilever elv: 19. ábra Az SF - 2 működési elve [20] Mivel ennek a rendszernek a célja eleve az volt, hogy gyorsan, könnyen lehessen vele mérni, majd a kapott adatokat kiértékelni ezért itt a lehajlás leolvasása lézeres fénykapu segítségével lett megoldva, ami azonnal leállítja az előtolást, ha észleli, hogy a kelme beleért a fénynyalábba, majd továbbítja az adatokat egy kiértékelő számítógép egységbe. A méréshez 150x50 mm-es próbasávokat nyírnak ki és a mérést mind a lánc, mind a vetülék irányba 3-szor ismétlik meg. A számítógépes egységbe előre le vannak programozva a számítandó mennyiségek formulái, ezért nagyon gyors kiértékelést biztosít a felhasználó számára. A kapott adatok alapján azonnal értékelhető a kelme. Egy teljes méréssorozat 6-10 próbadarab esetén egy munkanapot vesz igénybe. [20] 24

25 E. de Bilbao hajlékonyságmérő berendezése A készülék két modulból van felépítve: egy mechanikai modul, amely biztosítja magát a Cantilever tesztet és egy optikai modul, mely képet készít a hajlott formáról. Tesztmérés a 20-as ábrán látható: 20. ábra Bilbao hajlékonyságmérője [22] A mérés során az S mintát az F leszorító lappal rögzítik. A kelme lehajlását úgy állítják elő, hogy kihúzzák a B léceket a kelme alól. Minél több lécet távolítunk el, annál nagyobb lehajlást állítunk elő. (21. ábra) 21. ábra A lehajlás változása mérés során [22] Meghatározott hosszértékeknél az optikai modul bescanneli a lehajlott kelme formáját és a formából számítja ki képfeldolgozás segítségével a görbületet, és hajlítási nyomatékot. Mivel egy mintának több helyzetben is mérik az értékeit így az értékelés során megfigyelhető és eldönthető, hogy lineárisan rugalmas modell szerint viselkedik-e. Ahhoz, hogy ezt eldöntsék kiszámították a kelme lehajlásához tartozó θ szöget valamint a hajlítómerevségét. 25

26 A mérések azt mutatják, hogy ahogy az előtolt hossz nő, úgy csökken a hajlítómerevség, tehát nem konstans érték, azaz nem lineáris módon változik egy kelme hajlítás során. [22] A 22-es ábrán látható diagramon a flexométeres mérés eredményei lettek összehasonlítva a Kawabata rendszer eredményeivel. 22. ábra Flexométer és KES-FB2 nyomatékmérés összehasonlítása [22] A flexométeres mérések kiértékelése Peirce nyomán Peirce a kiértékelések pontosítása érdekében bevezette a θ szöget. Mivel ő nem az előtolt hosszt mérte, hanem az adott hosszúságú, saját súlya alatt lehajló kelme által elért szöget, ezért ő a kiértékelése során nem tudta egyszerűsíteni a hajlítóhossz képletét. A későbbiekben azonban a kísérletek rávilágítottak arra, hogy, ha a kelme előtolását mérjük amíg annak szabad, saját súlya alatt lehajló vége elér egy θ = os lejtőt, akkor a hajíltóhossz képlete az alábbiak szerint egyszerűsödik (2.22): 3 c l3 cos(0,5 θ) 8 tg θ 3 = l3 cos( ) 8 tg(41.5 ) 3 = l3 8 1,056 l 2 (2.22) Az így kapott c = l 2 leegyszerűsíti a mérés kiértékelését, gyorsítja az adatok feldolgozásának sebességét. Nem áll fönn annak a lehetősége, hogy nem jól mérjük le a szöget, ugyanis a szögmérés elvégzése időhöz kötött, nem mindegy, hogy 1 másodperccel vagy 1 órával később mérem meg, a szövet folyamatos relaxálódása miatt. 26

27 A mérés alapján kelme hajlítómerevsége (2.23) és hajlítómodulusza (2.24) az alábbiak szerint számítható [1]: b v3 D = I E = 12 D = p c 3 [Nmm 2 ] E E = 12D b v 3 (2.23) N mm 2 (2.24) ahol: D- a kelme hajlítómerevsége [Nmm 2 ] p a hosszegységre eső kelmesúly [ N/mm] c a hajlítóhossz [ mm ] v a kelme vastagsága [ mm ] b a kelme szélessége [mm] I a b szélességű, v vastagságú kelme másodrendű nyomatéka [mm 4 ] E a kelme rugalmassági modulusza [MPa] Hajlítási nyomatékot közvetlenül mérő készülékek Ebben a fejezetben bemutatom azokat a készülékeket, amelyek nem a Cantilever elvet használják fel a mérés és kiértékelés során, hanem közvetlenül mérik a kelmék, kompozit lapok hajlításához szükséges hajlítónyomatékot. Ez nagyon kedvező, mert így kiküszöbölhetőek azok a hibák, amelyeket amúgy a Cantilever elvet alkalmazó készülékeknél nem tudunk elkerülni, például a szubjektív megítélése a lejtő érintésének, és a számítások során alkalmazott modellek elhanyagolásai, közelítései. Továbbá ezzel a módszerrel rendkívül megkönnyítjük a hajlítómerevség meghatározását, hiszen: E I = M R (2.25) ahol az M [Nm] a hajlításhoz szükséges nyomaték az R [m] pedig a hajlítás sugara A Kawabata kelmeelemző rendszer Kawabata az 1980-as években fejlesztette ki a KES-FB (Kawabata Evaulation System for Fabrics) névre keresztelt rendszerét, mert az iparnak szüksége volt egy olyan komplex rendszerre, amellyel pontosan, megbízhatóan határozhatóak meg a hajlékony, lapszerű anyagok mechanikai tulajdonságai. A KES-FB rendszer 4 számítógép által vezérelt, automatikus részegységből áll, amelyek külön-külön, egy-egy mechanikai tulajdonság meghatározására szolgálnak. A KES-FB1 a húzó és a nyíró -, a KES-FB2 a hajlító-, a KES-FB3 a nyomóvizsgálat elvégzésére szolgál, valamint a KES-FB4-es modul a kelmék felületi tulajdonságait diagnosztizálja. 27

28 23. ábra A KES-FB2 modul [22] A központi számítógép a kapott adatokat Grosberg 1966-ban publikált [23] modellje alapján értékeli ki. 24. ábra Grosberg modellje [23] A KES- FB2 berendezéssel történő mérés menete a következő: - a kiinduló mintát befogják egy álló és egy mozgó befogó közé úgy, hogy a két befogó közötti távolság 1 cm, a kelme hossza pedig 20 cm - az álló befogónál nyomatékmérő cella van elhelyezve, amely méri a hajlítás közben ébredő hajlítónyomatékot, - a mozgó befogó az álló körül fordul el úgy, hogy a kelme ív mentén hajlik a hajlított kelme görbületi sugara pedig lineárisan csökken, - a vizsgálat 0 pozícióból indul, a szín oldal hajlításával kezdődik és a +2.5 cm -1 görbületig tart, innen pedig visszahajtják a kelmét és a kiinduló helyzet elérése után a fonákoldalt hajlítják el a -2.5 cm -1 maximális görbület eléréséig, - a mérést a készülékhez kapcsolt számítógép értékeli, majd kirajzolja az úgynevezett hajlítási hiszterézis görbét, ami a hajlítónyomatékot ábrázolja a görbület függvényében [4, 22] 28

29 Kawabata a kiértékelésnél Grosberg modelljét veszi figyelembe, mégpedig külön-külön a szín és fonákoldalra mérve a fel, illetve leterhelés értékeket K=0.5 cm -1, K=1.5 cm -1 között a színoldal és K=-0.5 cm -1, K=-1.5 cm -1 között a fonákoldal esetén. M = M(K = 1.5) M(K = 0.5) s 1 = K = 1 M = M(K = 0.5) M(K = 1.5) s 2 = K = 1 (2.26) (2.27) B = s 1 + s 2 2 = I E (2.28) ahol: s 1 és s 2 [Nm 2 ] a szín illetve fonák oldal hajlítómerevsége, a B [Nm 2 ] a kelme átlagos hajlítómerevsége A hiszterézis értékeket K=1cm -1 illetve K=-1cm -1 értékeknél veszik figyelembe, a fel és leterhelésgörbékről leolvasható nyomatékok különbsége, melyből számítható a súrlódás okozta nyomatékigény: h 1 = M l (K = 1) M ul (K = 1) (2.29) h 2 = M l (K = 1) M ul (K = 1) (2.30) 2 M 0 = h 1 + h 2 2 (2.31) ( Az l és ul indexek a fel, ill. leterhelést jelenti) Spirálrugós hajlékonyságmérő A spirálrugós, hajlítási nyomaték és munka mérése alkalmas berendezést Herbert F. Schiefer mutatta be az 1933-as évben. A készülék által mérhető a kelme hajlításához szükséges munka és a visszahajtáskor a kelme által végzett munka, a kettő különbségéből pedig egy hiszterézis jellegű veszteség definiálható, amely mutatója a kelme fogásának (handle of cloth). A munka, amely a egy kelme hajlításához szükséges, jó mutatója a merevségnek, illetve a munka, amelyet a kelme végez, amikor engedik visszahajlani mutatja a rugalmasságot. A készülék nagy előnye a többihez képest, hogy igen nagy határok között tudja mérni a minta tulajdonságait a nagyon finom selyemtől egészen a durva pamut kelmékig [14]. 29

30 A 25-ös ábrán a készülék fő egységei láthatók 25. ábra A spirálrugós hajlékonyságmérő felépítése [14] Az A álló befogók az egymással szembeni oszlopokon helyezkednek el, a B mozgó lap/lemez a C mozgó tengelyhez van erősítve, ami egy kis acél golyón elfordulásra képes. A mérendő mintát a D lap befogójába kell befogni, amit felszerelünk a B mozgólapra, majd az E leszorítókkal a minta egyik végét a fix A befogóhoz, a másik végét a mozgó B befogójához erősítjük. Az I kalibrált spirálrugó méri, és egy órán mutatja a hajlításhoz szükséges nyomatékot, amelyet a kelmére fejtünk ki, amikor a G kar elfordításával a C orsót és vele a B mozgólapot forgatjuk. A szimmetrikus terhelés és a kis nyomaték mérésének megkönnyítése végett egyszerre két mintát mérünk a két oldalon, amelyek ugyanakkora, de ellentétes szögben hajlanak el. A meghatározott szögben való elfordításhoz, hajlításhoz szükséges nyomatékot a spirálrugó méri. A hajlításhoz szükséges munka a hajlítás szögének radiánban mért értéke és az átlagos nyomaték szorzatából adódik. Ha ábrázoljuk a nyomatékot a hajlítás szögének függvényében, akkor az adott görbe alatti terület bármely két szögérték között a hajlításhoz szükséges munkát adja meg. [14] Az alábbi diagramon 4 különböző anyag görbéi láthatók, a hajlításhoz szükséges munka* a hajlítás szögének függvényében. (* 1 erg= 100 nj (nano-joule)) 30

31 26. ábra Különböző kelmék munkadiagramjai [14] A hajlítás menetét és formáit az alábbi 27-es ábra szemlélteti: Az r sugár (PHP pontok) jelöli a kelmének azt az állapotát, amikor szabályos köríven hajlik, ebben az esetben az alábbiak szerint írható fel a kelme hajlítási sugarának egyenlete: r = L l h 2 tan tan [mm] (2.32) S c = 2 r [mm] (2.33) 31

32 27. ábra A hajlítás sugarának értelmezése[23] Ha a minta egy homogén izotróp anyag, akkor a hajlítás során nem egy köríven, hanem egy inflexiós íven hajlik meg (PH P ): L l h ρ m = 2 tan α cos α 2 sin α 2 [2 E a m K (1 + cos α) K] [mm] S e = 4 ρ m [mm] (2.34) (2.35) (ahol: E és K anyagjellemzők az ív integrálásából adódnak.)[23] A készülék, annak ellenére, hogy pontos eredményeket szolgáltat, összetettsége és nehéz kezelhetősége miatt mégsem terjedt el az iparban, helyette inkább a hagyományos, elégségesen pontos flexométereket használják. 32

33 2.4. Az irodalom kritikai elemzése, célok pontosítása A kelmék hajlítási tulajdonságainak meghatározása fontos feladat, mert tájékoztatást nyújt a kelmék térformára való idomulási tulajdonságairól, például a redőződési hajlamról. Ezért már az 1920-as évektől foglalkoztak a kérdéssel a kor tudósai és különböző vizsgálati módszereket fejlesztettek ki. A két legjelentősebb eredményt elérő tudós: Peirce az 1930-as években és Kawabata az 1980-as években publikálták munkájukat, amelyeket a mai napig felhasználnak a téma kutatói. Alapvetően 2 mérési elven működő készülékek vannak használatban: a Cantilever elvet alkalmazó készülékek és a hajlítási nyomatékot közvetlenül mérő berendezések. A nyomatékot mérő készülékek közül a spirálrugós hajlításmérő nem terjedt el a nehéz kezelhetőség és kiértékelés miatt. A KES rendszert elterjedtebben használják azon előnyös tulajdonsága miatt, hogy a görbület függvényeként mért nyomatékból közvetlenül számíthatók a kelme hajlítási tulajdonságai, azonban ezt a rendszert csak a nagy vállalatok engedhetik meg maguknak a magas költségek és komoly szakértelmet kívánó üzemeltetés miatt. Ezért legelterjedtebben a Cantilever elvet alkalmazó hajlításmérő berendezéseket használják. E típusú készülékeknek is több fajtája van: 1. A leginkább használt típus a Peirce által kifejlesztett készülék, amely a saját súlya alatt lehajló kelme geometriai jellemzőiből számítja a kelme anyagtulajdonságait. A készüléket azért használják széles körben, mert nagyon egyszerű a felépítése, a kezelése és a kiértékelés módja is. Továbbá relatív olcsó beruházás, és nem igényel magas fokú műszaki ismereteket a mért adatok értékelése. 2. Bilbao úgy használja fel a Cantilever elvű mérést, hogy a lehajlott kelme geometriájának pontjait egy optikai egységgel digitalizálja, majd egy számítógép a mérési pontokra illesztett függvényt dolgozza fel és számítja ki belőle az anyagjellemzőket. A módszer új keletű, még nem terjedt el és a járulékos költségek miatt valószínűleg nem is fogja háttérbe szorítani a klasszikus, Peirce által kidolgozott módszert. Összességében elmondható, hogy az idők folyamán sokan foglalkoztak a textíliák hajlítási tulajdonságainak vizsgálatával és jutottak arra az eredményre, hogy ez egy nagyon fontos kutatási terület, mind humán, mind műszaki textíliák vizsgálata kapcsán. A témával kapcsolatos szakirodalom áttekintése után az alábbi célokat tűztem ki: - Egy olyan készülék tervezése, amely egyszerű felépítésű, mérésre gyorsan és könnyen alkalmazható és a kiértékelés egyszerű eszközökkel megvalósítható. - A leendő készülékhez olyan tesztminták összeválogatása, amelyek a műszaki életben gyakran előfordulnak és fontos mérni a mechanikai tulajdonságaikat. - Az elkészült készülékkel tesztmérések készítése, amelyekkel igazolni tudom, hogy a készülék rendeltetésének, mérési elvének megfelelően használható 33

34 3. Tervezés A szakirodalom áttekintése után egy olyan hajlékony textil vagy kompozit lapok hajlítóvizsgálatára alkalmas készülék tervezését tűztem ki célul, amely a Cantilever elv alapján mér, kompakt, széles mérési tartományt átfog, szükség esetén automatizálható, ergonómikus és nem utolsó sorban esztétikus megjelenésű Követelményjegyzék A 3. táblázatban összefoglalom, hogy a tervezendő mérőkészülék milyen követelményeknek kell megfeleljen. A táblázatban minősítettem minden követelményt aszerint, hogy az egy alapvető (A betű a táblázatban) követelmény, azaz a készülék alapvetői funkcióira van befolyással és hiánya veszélyeztetné a mérés elvének érvényesülését, mérési hibát okozna vagy egy úgynevezett szintkövetelmény (Sz betű a táblázatban), amely inkább a gyárthatóság, üzemeltetés, szerelhetőség egyszerűségét az ergonómiát hivatott súlyozni 1 és 10 közötti számmal, ahol 1 a legkevésbé fontos és 10 az elengedhetetlen minősítést takar. BME-PT Flexométer követelményjegyzék Nr. Követelmény Adat/érték Minősítés Súly [1-10] Megjegyzés 1. Stabilan állítható lábak 4 db A Szabványos 2. Kellően merev, de könnyű anyagból A 3. Vízszintezhető A X és Y irányban is 4. Lehajló kelmehossz Min.: Merevebb anyagok A 200 mm méréséhez 5. Kelme akadásmentes továbbításának biztosítása A A kelme reprodukálhatóan pozícionálható legyen A 6. Mérhető előtolás A 7. A hajtó mechanizmus odavissza működjön 8. Virtuális lejtő A A lejtő szögállása állítható legyen Kézzel működtethető legyen Kontrollálható előtolási sebesség A A 12. Pontos szögbeállítás ±0,5 A 13. Előtolás pontos leolvasásának biztosítása A A ± 0,5 mm A Túltolt kelme visszahúzása Becsülhető 34

35 Kereskedelemben kapható kötőelemek Gyártás szempontjából egyszerű kialakítás A Sz Könnyű szerelhetőség Sz Szállításra alkalmas legyen Sz Szükség esetén automatizálható Kényelmes üzemeltethetőség Sz 5 Sz Könnyű leolvashatóság Sz Kis erőkifejtéssel működtethető legyen Sz 7 3. táblázat Követelményjegyzék Ne igényeljen speciális szerszámokat Ne legyenek kiálló érzékeny elemek 3.2. A koncepciók vázolása Két koncepciót dolgoztam ki, amelyeket aztán összevetettem előnyök, hátrányok, ár-érték arány alapján. Mindkettő változatnak van egy-egy nagyon vonzó tulajdonsága és ezeket kellett mérlegelni a végleges tervek kidolgozása és a gyártás megkezdése előtt. Az egyik kritérium a készülékkel szemben az, hogy lehessen széles mintákat is mérni (minimum 50 mm). Ez azért fontos, hogy az olyan nehezen vágható alapanyagokat is, mint a műszaki textíliák, amelyek hajlamosak a széthullásra mérni lehessen. Továbbá fontos, hogy az olyan merevebb anyagok mérésére is alkalmas legyen, mint a ponyvák. Ezek hajlítómerevsége jócskán meghaladja az átlagos humán kelmék merevségét, ezért megfelelő hosszúságú készülék tervezése szükséges. Ez a két kritérium körülbelül meg is határozza azt az ésszerű befoglaló méretet, amely mellett a készülék alkalmas szélesebb, merevebb kelmék mérésére is, azonban még nem akadályozza a hordozhatóságot. A mobil kialakítás természetesen tömeg kérdése is, ezért igyekeztem úgy tervezni, hogy a nagyobb alkatrészek, mint például egy oldalfal, amellett, hogy kellő merevséggel rendelkezzék, a lehető legkönnyebb legyen. Ezért ahol csak lehetett, alumíniumot használtam. Az alumíniumnak amellett, hogy kicsi a sűrűsége, egy nagyon előnyös tulajdonsága, hogy korrózióálló, illetve, hogy például az acélhoz képest könnyen forgácsolható, ami a gyártást megkönnyíti, így időmegtakarítást is jelent. A tervezés során többször felmerült az automatizálhatóság kérdése, és az a döntés született, hogy mindenképpen úgy kell megtervezni a műszer vázát, hogy szükség esetén az automatizáláshoz szükséges alapvető eszközök (léptetőmotor, fordulatszámláló, optikai műszerek) elhelyezhetőek legyenek, de alapvetően a tervezendő készülék emberi erővel működtethető legyen 35

36 A Cantilever elvet alkalmazó készülékek egyik legfontosabb eleme a lejtő dőlésszögének beállítása. Ezt mindenképpen úgy kell megoldani, hogy a szögbe állított lejtő figyelése közben kényelmesen lehessen működtetni az előtolást. A lejtővel kapcsolatban továbbá felmerült az a kérdés, hogy vajon nem hamisítja-e meg a mérés végeredményét az, hogy a kelme lelógó vége hozzáér a lejtőhöz? Ezért mindkét koncepcióban hasonló megoldást választottam, mint amilyet a TKI-Flexométer tervezői, azaz fizikai lejtő helyett egy virtuális lejtőt jelölök ki. E virtuális síkot kell figyelni, pontosabban azt, hogy mikor éri el a kelme, és az érintés pillanatában kell rögzíteni az előtolt kelmehossz értékét. A mérések gyorsaságát elősegítendő olyan előtoló-szerkezetet szükséges tervezni, amely lehetővé teszi a gyors, pontos mintacserét és nem okoz felesleges munkát a művelet elvégzése BME-PT Flexométer, koncepció 1. Az első koncepciónál az alapötlet az volt, hogy a kelme előtolását egy szállítószalaggal oldom meg. Ez a gondolat onnan származik, hogy TKI flexométerrel végzett mérések során munkatársaim azt tapasztalták, hogy a vizsgálati minta előtolása nem jól működött. Megfelelő működés esetén a mintát a ráhelyezett leszorító elem segítségével az asztalon csúsztatva lehet előtolni. Ezzel szemben a valóságban a minta időnként az asztalon megakadva a leszorító elemhez képest is megcsúszik, ami a hajlítóhossz mérésében hibát okoz. Ezért az új készülék tervezése során különös figyelmet fordítottam ennek a hibának az elkerülésére. Ezt a hibát leginkább olyan megoldással lehetne elkerülni, amikor a mintának üzemszerűen sehol sem kell csúsznia. Ilyen megoldás lehet a szállítószalag alakalmazása. A koncepció kidolgozása során az első feladat az oldalfalak tervezése volt. Az oldalfalakat 10 mm vastag alumínium lemezből terveztem, mert szükség volt a helyre, hogy a szállítószalag komponenseit besüllyeszthessem a falakba. Az oldalfalak egymás tükörképei. Az oldalfal tervezete a 28-as ábrán látható 28. ábra Az oldalfal tervezete 36

37 A szállítószalag meghajtása kézi erővel történik kis kézikerekek segítségével. Egy-egy kézikerék található a szíjtárcsák tengelyein. Azért van kettő, hogy, ha visszafelé kell mozgatni a mintát, akkor is húzva legyen a szíj. Ez azért fontos, mert annak ellenére, hogy a szíj feszítve van, nem előnyös, ha toljuk, mert a tolt ág fellazul és felgyűrheti a kelmét. Természetesen a szíjfeszítést is meg kellett oldani, ezt egy kis görgő segítségével tettem meg, amely alulról feszíti az alsó szíjágat, így biztosítva a szükséges ágerők meglétét és a minél nagyobb körülfogási szöget. A 29-es ábrán a szíjvezető elemek, míg a 30-as ábrán a szíjfeszítő látható. 29. ábra Szíjvezető és alátámasztó elemek A szíjfeszítő feladata, hogy biztosítsa a laposszíj előfeszítését. A működése a következő: A feszítő görgő és az azt tartó keret függőleges irányban szabadon elmozdulhat a vezető szárak mentén (az ábrán a fekete szárak). A bronz henger szabadon foroghat saját tengelye körül, így biztosítva a csúszásmentes szíjfeszítést. A keretet egy spirálrugó segítségével feszíteném a szíjnak. Azért rugóval, mert így az automatikus utánállítás is biztosított a szíj nyúlása esetén. 30. ábra Szíjfeszítő görgő 37

38 A 31-es ábrán látható tárgyasztal alumíniumból készül és a felületét egy teflon réteggel tervezem beborítani, hogy a lehető legkedvezőbb siklást biztosítsam a mintának és ne álljon elő olyan probléma, hogy a kelme valahol letapad és a szíj esetlegesen felgyűri. 31. ábra Tárgyasztal A 32-es ábrán látható alátámasztó elem feladata, hogy a szíj utáni rést, a lekerekítést kiegészítse, hogy az asztal széle négyszögletes legyen és így a mérési elv teljesüljön. A es ábrán látható alkatrészek azért nem teflonból készülnek teljes anyagukban, mert az gyártás szempontjából kedvezőtlen lenne. 32. ábra Alátámasztó, az asztal szélét szögletesre kiegészítő elem A virtuális lejtő kijelölését két átlátszó polikarbonát sávval illetve a rajtuk elhelyezett 1-1 vonallal oldottam meg. A két oldalt elhelyezett polikarbonát lemezt a kívánt szögértékhez beállíthatjuk között, így a hajlékonyabb és a merevebb kelmék is egy készülékkel mérhetőek. Azért, hogy a két PC sávon a lejtőt kijelölő vonalak a leolvasáskor a kívánt síkot alkossák, a PC sávok egy közös tengelyen, egyszerre mozgathatóak. Ennek eredményeként a mérés megfelelően pontos lehet. A hajlítási hosszok leolvasása során ugyanis, akkor látható pontosan a virtuális lejtő, amikor a két PC sávon lévő vonalak tökéletesen egybeesnek. 38

39 Ez egy kulcseleme a konstrukciónak mivel eleve az volt a kiinduló gondolat, hogy elhagyjuk a fizikai lejtőt. Nagyon fontos, hogy a lejtők forgástengelye egybeessen a tárgyasztal kilépő élével. A ös ábrákon láthatóak a lejtők felszerelt állapotban. 33. ábra A PC sávok forgáspontjai egybeesnek a tárgyasztal kilépő élével 34. ábra A PC sávok közös mozgató mechanizmusa a pontos síkkijelölés érdekében 39

40 35. ábra A PC sávok által kijelölt sík A tárgyasztalra helyezett mintát a teljes felületén szükséges lesúlyozni, hogy a minta a kilépő élnél tangenciálisan lépjen ki. Ugyanis a kelmék hajlamosak arra, hogy elhajoljanak egy él felett. A leszorítás további feladata, hogy a kelmét végig egyenes pozícióba tartsa, ne fordulhasson elő, hogy az előtolás során a minta felgyűrődik. Ezt a feladatot egy nagyon egyszerű, L alakú alumínium leszorító idommal oldottam meg. 36. ábra Leszorító idom A leszorító idom végén elhelyezett plusz tömeg arra szolgál, hogy az idom teljesen előtolt állapotában is a súlypontja még a szerkezeten belül legyen. 40

41 Az összeállított modell (37. ábra): 37. ábra Összeállított modell 38. ábra A kész konstrukció modelljének robbantott ábrája 41

42 BME-PT Flexométer, koncepció 2. A második koncepció az egyszerűség jegyében készült, a legegyszerűbb konstrukciót kívántam megtervezni, mind gyártás, mind üzemeltetés tekintetében. Ebben a verzióban a vizsgálati minta a teflonnal bevont tárgyasztalon csúszik. A teflon bevonat biztosítja, hogy a minta ne tapadhasson hozzá a tárgyasztalhoz. A mintát leszorító idom aljára ragasztott gumi lap gondoskodik a minta és a leszorító idom közötti megfelelő tapadásról. Az előtolás a leszorító idom vonszolásávál történik. A lejtő dőlésszögének beállítása azonos az első koncepciónál ismertetettel, azaz itt is virtuális síkot alkalmaztam. Ennél a koncepciónál elég volt 4 mm vastag, alumínium oldalfalakat tervezni (39. ábra) 39. ábra Az oldalfalak tervezete Az oldalfalakon elhelyezett lóversenypálya alakú furatok arra szolgálnak, hogy a tárgyasztal állítható legyen, így különböző vastagságú csúszófelületek helyezhetőek el. Az állíthatóság azért volt fontos szempont a tervezéskor, mert a mérés pontossága érdekében a tárgyasztal kilépő és a 41,5 -os sík kezdő élének egybe kell érnie. A 40-es ábrán látható a tárgyasztal az oldalfalra szerelve. 40. ábra A tárgyasztal elhelyezkedése az oldalfalon 42

43 A leszorító idom mozgatására csavarorsós megoldást választottam. A leszorító idomhoz a 41-es ábrán látható módon kapcsolódik egy trapézmenetes anya, amely kényszerkapcsolat miatt a trapézmenetes orsó tekerésekor a leszorító idom elmozdul és viszi magával a mérendő mintát is. Fontos megemlíteni, hogy gondoskodni kell arról, hogy a leszorító idom és a vizsgálati minta között megfelelő legyen a súrlódás, hogy a leszorító idom ne csúszhasson meg a mintán. 41. ábra Vontató mechanizmus A vontató mechanizmus függőleges irányban teljesen szabadon kiemelhető annak érdekében, hogy a minta kicserélése gyors és kényelmes legyen. A vontató mechanizmus pozícionálása axiális irányban a kézi kerék oldalán 4 ütközőelemmel van megoldva (42-es ábra). A keresztirányú pozícionálást mindkét végen az oldalfalak végzik. 42. ábra Ütközők az axiális irányú kényszerezéshez 43

44 Az összeállított modell (43. ábra): 43. ábra A modell összeállítási ábrája 44

45 3.3. A koncepciók összehasonlítása, választás A két koncepció összehasonlítását táblázatosan végeztem, hogy áttekinthetőek legyenek az egyes előnyök és hátrányok. ( táblázat ) Előnyök Koncepció 1 Hátrányok Geometria Tömeg vastag lemezalkatrészekből kellene gyártani, összetett a geometria Jelentős tömeg a nagy vastagságú alkatrészek miatt. Rendeltetésszerű használat mellett stabil Stabilitás A kelme pozícionálása, előtolása pontos, csúszásmentes Minden alkatrész cserélhető Pozícionálás Gyárthatóság Szerelhetőség Javíthatóság, karbantartás A tárgyasztal beállítása nehézkes, esetleges utánállítása sok idő Sok összetett alkatrész, bonyolult a gyártás (CNC) Összetett a konstrukció, az összeszerelésnél nagyon figyelni kell a sorrendre, sok alszerelés Sok nem szabványos, egyedi alkatrész Ergonomikus felépítés, kényelmesen használható Ergonómia Bonyolultság Több összetett alszerelést is tartalmaz Költség Nagyobb költség a sok egyedi alkatrész, illetve a szabványos szíj 4. táblázat Az 1. koncepció értékelése 45

46 Előnyök Koncepció 2 Hátrányok Egyszerű geometria, kisebb lemezvastagságok Geometria Viszonylag alacsony tömeg Tömeg Rendeltetésszerű használat mellett stabil Megfelelő anyaghasználat mellett pontos az előtolás, leolvasás Egyszerű geometriájú, könnyen gyártható alkatrészek Stabilitás Pozícionálás Gyárthatóság Néhány különösen síkos felületű anyag esetén fennállhat a megcsúszás veszélye Az oldalfalak CNC megmunkálást igényelnek Könnyedén össze-, szétszerelhető Szerelhetőség Minden alkatrész cserélhető, több szabványos elem Javíthatóság, karbantartás Egyedi cserealkatrészek utángyártása szükséges Ergonomikus felépítés, kényelmesen használható Ergonómia Nincsenek összetett, nehezen átlátható részei Bonyolultság Alacsonyabb összköltség Költség 5. táblázat A 2. koncepció értékelése A két koncepció összehasonlító táblázatait figyelembe véve úgy döntöttem, hogy a 2. koncepciót gyártom le, mert összetettségben, szerelhetőségben, üzemeltethetőségi és gyárthatósági szempontokat figyelembe véve kedvezőbb. 46

47 4. Kiviteli tervek, a készülék elkészítése, tesztmérések 4.1. Kiviteli tervek A gyártás előkészítéseként a szabványos, kereskedelmi forgalomban kapható alkatrészek kiválasztását, beszerzését magam végeztem. A hajtó mechanizmushoz szükséges trapézmenetes orsót (44. ábra), trapézmenetes anyát valamint a rögzítéshez szükséges marokanyákat a Powerbelt Kft-től rendeltem meg. A trapézmenetes orsó és anya kiválasztásánál az volt a fő szempont, hogy az üzemeltetés során megkönnyítse, ergonomikusabbá tegye a használatot. A két alkatrész paraméterei a 6-7. táblázatban láthatóak. 44. ábra Trapézmenetes orsó a vontatómechanizmushoz Típ. Névleges átmérő x menetemelkedés Bekezd. száma d [mm] +0,00 KEQ14R Tr14x ,30 d 2 [mm] +0,15 11,8 0,20 6. táblázat Trapézmenetes orsó paraméterei d 3 [mm] +0,00 9 0,10 L [mm] 1000 Típus 45. ábra Trapézmenetes anya a vontatómechanizmushoz Névleges átmérő x menetemelkedés Bekezd. száma s [mm] L [mm] CQA14AR Tr14x táblázat Trapézmenetes anya paraméterei A 4 mm menetemelkedésű orsó azért praktikus, mert így egy negyed fordulat 1 mm előtolást eredményez. A többi alkatrészt, a csapágyakat, a műszerlábakat, a fémvonalzót, a vízszintezőt a Conrad Kft-től rendeltem. 47

48 Az egyedi alkatrészek kiviteli terveit Autodesk AutoCAD 2012-es programmal készítettem. A teljesség igénye nélkül a tervek közül azokat mutatom be, amelyek kialakítás vagy gyártás szempontjából kritikusak voltak. Az ebben a fejezetben az alkatrészek után megadott számok a darabjegyzékbeli sorszámukat jelölik, és az összeállítási rajzon a mellékletben megtekinthetőek. Az első és egyben az egyik legnagyobb pontosságot és megfontolást igénylő alkatrésze a készüléknek az oldalfal (1). Mivel a két oldalfal a magasságukat leszámítva teljesen egyforma, ezért csak az egyiket mutatom be. Az alkatrész műhelyrajza a 46-ik ábrán látható. A tervezés során az oldalfal hosszát úgy kellett meghatároznom, hogy minimálisan 200 mm hossza a mintának előtolható legyen, ha szükséges. Így bele kellett kalkulálni azt, hogy 200 mm a kelméből lelóg, minimum 50 mm szükséges még, hogy a tárgyasztalon maradjon, mivel a vontató mechanizmus leszorító papucsának (4) fenn kell maradnia, továbbá számításba kellett venni azt, hogy a vontató mechanizmus rögzítése, csapágyházai (6,7) is helyet fognak igényelni. A furathelyek kiosztásánál arra törekedtem, hogy minél kompaktabban és praktikusan lehessen elhelyezni mindent. Így például a tárgyasztal (3) felfogatása nem azért történt 3-3 csavarral, mert az a tárgyasztal stabilitását növeli, hanem azért, hogy az oldalfalak összefogása stabilan megoldható legyen. A lóversenypálya alakú horony azt szolgálja, hogy a tárgyasztal állítható legyen függőleges irányban, különben egy vastagabb csúszófelület tárgyasztalra való ragasztásával, már nem teljesülne a mérési elv, miszerint a kelme a szögmérő átmérővonala és a tárgyasztal élének metszéspontjánál lépjen ki. A szögmérő (9) számára kialakított íves horony közötti tartományt fog át, így merev és lágy, hajlékony anyagok méréséhez is választható megfelelő szögállás. Nagyon fontos, hogy a szöget pontosan tudjam állítani, ezért terveztem egy szögmérő (9) számlapot a készülék azon felére, ahonnan a használó le tudja olvasni. A formáját az indokolta, hogy felszereléskor a pozícionálása a számlapnak ne okozzon problémát és a 41.5 az tényleg a helyén álljon. (47. ábra) A műszerlábak tervezésénél az volt a legfontosabb szempont, hogy állíthatóak legyenek, mivel a vízszintezhetőség a mérés szempontjából rendkívül fontos, ezért az oldalfalakra szerelhető lábak menetes furattal lettek ellátva, így könnyen állítható, szintezhető a készülék. (48. ábra) Végül még említést szeretnék tenni a vontatómechanizmus tervezéséről. Itt elsődleges szempont volt, hogy a trapézmenetes anya (8) és az azt körülfogó ház (5) között úgy legyen kényszerkapcsolat, tehát az orsó (9) tekerésével az anya úgy vonszolja magával a leszorító papucsot (4), hogy: 1. Azt mindkét irányba lehessen mozgatni 2. Egyszerűen bontható legyen a minta kicserélése végett. A vontatómechanizmus nagy mérete miatt az összeállítási rajzon tekinthető meg, itt nem közlöm a részletrajzot. 48

49 46. ábra A készülék oldalfala 49

50 47. ábra a szögmérő számlapja 48. ábra Talp Az elkészült terveket és modelleket végül átkonvertáltam univerzális *step formátumra a gyártás gyorsítása és segítése érdekében A készülék elkészítése A két oldalfal gyártása volt a legkritikusabb pontja a készüléknek, fokozott pontosságot igényelt a szögmérő számára kialakított körív, ezért ezeket a Gépésztuning Kft-nél, lézertechnológiával vágattam ki. A többi egyedi alkatrész gyártásánál a BME mechanikai műszerésze, Tiegelmann Péter volt a segítségemre. Az egyedi alkatrészek a Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika tanszék műhelyében lettek legyártva, mert nekem nem volt hozzáférésem a szükséges eszközökhöz. A gyártás folyamán, ahogy az alkatrészek folyamatosan készültek, segédkeztem a folyamatos összeszerelésnél, és a gyártás közben felmerülő problémák kiküszöbölésében. Amint elkészült minden alkatrész, és megérkeztek a megrendelt darabok is, a végleges szerelést magam végeztem és megkezdtem a készülék előkészítését, beállítását a tesztmérésekhez. Az elkészült BME-PT Flexométerről készült képek a ábrákon láthatóak. 50

51 49. ábra BME-PT Flexométer 50. ábra BME-PT Flexométer 51. ábra A kézikerék elhelyezése az ergonómiát is fegyelembe véve 51

52 52. ábra BME-PT Flexométer hajtása A szögmérő felragasztása kritikus pontja volt az összeszerelésnek, mert a Cantilever elv alapú mérés a szögértékek pontos leolvasásán alapszik és a kiértékelés egésze múlik azon, hogy a hajlítóhossz pontosan meghatározható legyen. 53. ábra BME-PT Flexométer szögmérőjének számlapja A készüléket elő kellett készítenem a méréshez, el kellett helyezni az előtolás méréshez szükséges fémvonalzót egy olyan helyre, ahonnan a leolvasás könnyen megoldható (54. ábra). 54. ábra Az oldalfalra erősített fémvonalzó 52

53 4.3. Tesztmérések A gyártás befejeztével előkészítettem a mérendő alapanyagokat. A felhasznált anyagok geometriáját és a mérés során felvett adatokat a 8. táblázatban összesítettem. Anyag Szénszövet (vászon) Üvegszövet (vászon) Aramidszövet (vászon) Bazaltszövet (vászon) Ponyva fehér Ponyva szürke Ponyva bézs Papír Acél-szalag Előtolt hossz l [mm] A próbatest geometriája v b L [mm] [mm] [mm] Tömeg [g] Területegységre eső tömeg [g/m 2 ] 0, ,00 170,5 0, ,55 239,0 0, ,05 167,6 0, ,95 263,4 0, ,50 900,0 0, ,15 630,0 0, ,75 350,0 0, ,20 80,0 0, ,56 393,5 8. táblázat A mérés anyagtáblázata 53

54 A mintákat a szabvány előírása szerint, mindkét végükön szín és fonákoldal felöl megmértem, így minden mintához 4 mérési eredményem van. A minták geometriai méreteit, a 41,5 -os lejtő eléréséig előtolt hosszt és a tömegüket a Polimertechnika Tanszék laboratóriumában végeztem el. Minden számított mennyiséget ezekből származtattam. Fontosnak tartom megjegyezni, hogy ezek a mérések pusztán azt kívánják igazolni, hogy a készülék alkalmas arra a feladatra, melyre terveztem, a mérés elvét alkalmazza és a továbbiakban nagyobb sorozatmérések végzésére alkalmas. A flexométeres mérés menetéről készült fotók az ábrákon tekinthetők meg. 55. ábra A vontatómechanizmus leemelése a minta behelyezése előtt 56. ábra A minta elhelyezése a tárgyasztalon 54

55 57. ábra A saját súlya alatt lehajló papír (balra) és aramid (jobbra) minta a lejtő érintésének pillanatában Anyag l átl [mm] Hajlító hossz c [mm] Hosszegységre eső súly p [N/mm] Hajlító merevség D [Nm 2 ] Rugalmassági modulusz E [MPa] Szén szövet Üveg szövet Aramid szövet Bazalt szövet Fehér ponyva Szürke ponyva Bézs ponyva , , , ,1 12, , , ,8 10, , , ,4 9, , , ,5 17, , , ,5 12, , , ,9 6, , ,0 Papír ,5 4, , ,8 Acél ,5 5, , , táblázat A mérés kiértékelése 55