SZÁLAS ANYAGOK ANYAGPARAMÉTEREINEK

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék SZÁLAS ANYAGOK ANYAGPARAMÉTEREINEK MEGHATÁROZÁSA SZIMULÁCIÓ ALAPJÁN OPTIKAI KIHAJLÁSMÉRŐ BERENDEZÉSSEL DIPLOMATERV SIKARI BALÁZS MSC HALLGATÓ TÉMAVEZETŐ: DR. TAMÁS PÉTER BUDAPEST 2013 Sikari Balázs 2

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék MSc-DT-11/2012/13-2 DIPLOMATERV FELADAT A diplomaterv készítő neve: Sikari Balázs (F88SP5) Mechatronikai mesterszak/precíziós mechatronikája mérnöki berendezések A tervfeladat témája: Szálas anyagok anyagparamétereinek meghatározása szimuláció alapján optikai kihajlásmérő berendezéssel A diplomaterv készítés helye: Címe: épület Üzemi konzulens: Beosztása: Munkahelye: Tanszéki témavezető: BME Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék 1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 4-6. D Dr. Halász Marianna egyetemi docens Polimertechnika Tanszék Dr. Tamás Péter egyetemi docens Záróvizsga tárgyak/tárgycsoportok: 1. Mechatronika (BMEGEMIMM11, BMEGEMIMM01) 2. Elektrotechnika Elektronika (BMEGEMIMM25, BMEVIAUM012) 3. Precíziós berendezések mechatronikája (BMEGEMIMM24, BMEGEMIMM23) A feladat kiadásának időpontja: 2013. február 11. Beadási határidő: 2013. május 17. Sikari Balázs 3

Diplomaterv I. feladat részletezése: 1. Tekintse át a szálas szerkezetű anyagok szerkezeti és mechanikai paramétereit, valamint azok modellezési módszereit a szakirodalom alapján, különös tekintettel a kétdimenziós (lapszerű) szerkezetekre! 2. Végezzen méréseket az optikai kihajlásmérő berendezéssel! Ha szükséges javasoljon konstrukciós változtatásokat a szerkezeten! Diplomaterv II. feladat részletezése: 3. Tekintse át a szálas szerkezetű anyagok szerkezeti és mechanikai paramétereit, valamint azok modellezési módszereit a szakirodalom alapján, különös tekintettel a kétdimenziós (lapszerű) szerkezetekre! 4. Végezzen méréseket az optikai kihajlásmérő berendezéssel! Ha szükséges javasoljon konstrukciós változtatásokat a szerkezeten! Budapest, 2013. február 11... tanszékvezető A tervfeladatot jóváhagyom: Budapest, 2013. február 11... dékán A feladatot átvettem:.. szigorló hallgató Sikari Balázs 4

Alulírott Sikari Balázs a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója kijelentem, hogy ezt a diplomatervet meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a diplomatervben csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint vagy azonos értelemben de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen a forrás megadásával megjelöltem...... Sikari Balázs 5

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 8 2. Irodalomkutatás... 10 2.1. Szálas szerkezetű anyagok...10 2.2. Kelmék szerkezeti tulajdonságai...10 2.2.1 A területi sűrűség meghatározása... 10 2.2.2 Lánc- és vetülékirány meghatározása... 11 2.2.3 A kötésminta megállapítása... 11 2.2.4 Lánc- és vetüléksűrűség meghatározása... 12 2.2.5 Lánc- és vetülékfonal lineáris sűrűségének meghatározása... 12 2.2.6 Vastagság meghatározása... 13 2.2.7 A szövet szőhetőségi jellemzőinek számítása... 13 2.3. Szövetek alapanyagai...14 2.4. Textiltermékek rendszere...15 2.5. Kelmék deformációs vizsgálatai...17 2.5.1 Kawabata Evaluation System...18 2.5.2 Flexometer...23 2.5.3 Cantilever Test...25 2.5.4 Heart Loop Test...26 2.5.5 Egyéb lehajlás mérési eljárások...27 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok... 29 3.1. Optikai kihajlásmérő berendezés...29 3.2. Optikai lehajlásmérő berendezés...33 3.3. A vizsgált anyagok...35 4. Mérés és a mérések feldolgozása... 36 Sikari Balázs 6

4.1. Mérés és mérések feldolgozása az optikai lehajlásmérő berendezés esetén...36 4.2. Mérések és mérések feldolgozása az optikai kihajlásmérő berendezés esetén...40 5. Mechanikai modell és eredmények... 45 5.1. A lemezmodell...45 5.2. Optikai lehajlásmérő eredményeinek kiértékelése...47 5.3. Optikai kihajlásmérő eredményeinek kiértékelése...49 5.4. A Cantilever Test eredményei, összehasonlítás...50 5.5. Értékelés, javaslatok...52 6. Köszönetnyilvánítás... 54 7. Irodalomjegyzék... 55 CD melléklet Sikari Balázs 7

1. Bevezetés A technológia fejlődésével az ipar egyre szélesebb feladatkörökben alkalmaz textilipari anyagokat. Az elmúlt tíz évben több mint másfélszeresére nőtt a termelés. Ez a növekedés nem csak a ruházati cikkek nagyobb mértékű termelésének tudható be, hanem a műszaki-, és egészségügyi területeken bekövetkező fejlődésnek is, hiszen manapság például széles körben használnak textilerősítésű kompozitokat is. A fejlesztések magukkal hozták a textilipari mérőberendezések fejlődését, valamint egyre jobb, a textíliák viselkedését leíró mechanikai-matematikai modellek készültek. Dolgozatom során egy innovatív mechanikai tulajdonságokat vizsgáló berendezéssel foglalkozom, mely a Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék illetve a Polimertechnika Tanszék közös projektjében került megtervezésre. A dolgozat célja eme optikai kihajlásmérő berendezés mérések végzésére alkalmas állapotba helyezése és mérési eredmények kiértékelési módszerének kidolgozása. Munkám során először összefoglalom a vizsgálandó anyagokat, azaz a kétdimenziós textíliákat jellemző paramétereket, majd áttekintem felépítésüket és osztályozhatóságukat. A továbbiakban a textíliák vizsgálatának legfontosabb és napjainkban is használatos mérési eljárásait összegzem. A hajlítási tulajdonságokat mérő berendezésekre részletesebben is kitérek, hiszen az optikai kihajlásmérő eszköz is ezen jellemzőket vizsgálja. Méréseket az optikai kihajlásmérő berendezésen kívül egy régebbi projektben elkészült optikai lehajlásmérő berendezésen is fogok végezni. A két berendezésen optikai úton elvégzett méréseket számítógépen feldolgozom, majd a kinyert adatokból mechanikai jellemzőket fogok meghatározni. A mérésekhez olyan mechanikai modellt kell kiválasztanom, amelynek használatával meghatározhatók egyes mechanikai jellemzők. Az általam használt mérési berendezések esetén a hajlító merevség, illetve az abból számítható effektív hajlító rugalmassági modulus értéke lesz a mérési mintát jellemző mechanikai tulajdonság. A kiszámított hajlító merevség illetve rugalmassági modulus értékeket egy szabványban rögzített, Sikari Balázs 1. Bevezetés 8

manapság is használatos mérési eljárás eredményeivel összehasonlítom, ezzel értékelhetővé téve a berendezések használhatóságát. Az eredmények tükrében javaslatokat teszek a berendezések, mérési eljárások esetleges változtatására valamint értékelem a mechanikai modellt. Sikari Balázs 9

2. Irodalomkutatás 2.1. Szálas szerkezetű anyagok A szálas szerkezetű anyagok viszonylag tág csoportot képviselnek az anyagok között. Minden olyan anyag beletartozik eme kategóriába, melynek fő építőelemei szálak. Dolgozatom során leginkább kelmékkel foglalkozom majd, ezért a szerkezeti és mechanikai tulajdonságokat velük kapcsolatban foglalom össze. A kelméken kívül, mely közé tartoznak a szövetek, a kötött termékek, a fonatolással készült termékek, a csipkék, a nem szőtt kelmék és a nemezek, például a papír is szálas szerkezetű anyagnak tekinthető. 2.2. Kelmék szerkezeti tulajdonságai A kelme szó a textília szinonimája, jelentése: textilipari eljárásokkal szálakból előállított, közvetlen felhasználásra vagy további feldolgozásra, konfekcionálásra kész, lapszerű textilszerkezet. A szövetek szerkezetét meghatározó jellemzők (kötésminta, területi sűrűség, vastagság, fonalsűrűség, fonalak lineáris sűrűsége és szerkezete) szövetelemzéssel állapíthatók meg [1]. 2.2.1 A területi sűrűség meghatározása A kelméből szálirányban 100x100 mm nagyságú darabot kivágunk és megmérjük a tömegét grammban. A kapott értéket megszorozva 100-zal megkapjuk a kelme területi sűrűségét g/m 2 mértékegységben. g Q = g k 100 2 (1) m Ahol: g k a 100x100 mm nagyságú kelmedarab tömege. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 10

2.2.2 Lánc- és vetülékirány meghatározása A fonalrendszerek irányának ismerete a kötésminta és a fonalsűrűségek megállapításához, valamint a lánc- és vetülékfonalak megkülönböztetéséhez is szükséges. Ha a szövet eredeti szegélye rendelkezésre áll, akkor az iránymeghatározás egyértelmű. Ennek hiányában a szövetek többségénél a következő eljárást használják: ha a fonaltengely irányában megfeszítik a szövetdarabot, a vetülékfonal a nagyobb megnyúlású fonal. 2.2.3 A kötésminta megállapítása A kötésminta a szövet lánc- és vetülékfonalainak kereszteződését és a kereszteződésekben rejlő törvényszerűségeket határozza meg. A kiolvasott kereszteződési pontok alapján elkészítjük a kötésrajzot, amelyen belül kijelöljük a mintaelemet. A 1. ábra a három alapkötés kötésrajzát mutatja be. a) b) c) 1. ábra Alapkötések [2] a) vászon kötés; b) 3 fonalas sávolykötés; c) 5 fonalas atlaszkötés Az elemzés során a vizsgálati mintát úgy készítjük elő, hogy a szövetből a mintaelem méreténél legalább 20-20 mm-rel nagyobb mintadarabot vágunk ki és lánc- és vetülékirányban kb. 10 mm-re kifoszlatjuk. Elemzőtű segítségével minden egyes fonalat balról jobbra haladva elemzünk, így rajzoljuk fel a kötést, egymás után rögzítve a lánc illetve a vetülék kötéspontokat. Az elemzést addig folytatjuk, míg a mintában ismétlődés nem következik be. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 11

2.2.4 Lánc- és vetüléksűrűség meghatározása A szövetet alkotó lánc- és vetülékfonalak hosszegységére eső darabszámát fejezi ki a fonalsűrűség. Az alapul választott hosszegység 100 mm. A fonalsűrűséget fonalszámlálással állapítják meg. A kiterített mintára mm osztású mérőlécet fektetünk úgy, hogy a számlálandó fonal irányára merőleges legyen, majd megszámoljuk a kijelölt szakaszon található fonalak számát. S L = láncsűrűség [ fonal db ], ill. S V = vetüléksűrűség [ 100mm fonal db ] 100mm 2.2.5 Lánc- és vetülékfonal lineáris sűrűségének meghatározása A lineáris sűrűség meghatározásához a kelméből fonalakat fejtünk ki. A fonalak kifejtésénél arra kell vigyázni, hogy azokat meg ne nyújtsuk és a sodratuk se változzon. Lánc- és vetülékirányban 10-10 db fonalat fejtünk ki, és mérőléc mellett megmérjük a kiegyenesített, de meg nem nyújtott hosszukat mm-ben. A 10 db fonal összes hosszának kiszámolása után megmérjük a 10 db fonal összes - tömegét. A lineáris sűrűség (T tex ) szabványos mértékegysége a Tex, ami pontosan 1000 m hosszúságú fonal grammokban mért tömegét jelenti. A fonalak lineáris sűrűségének finomságának meghatározása: A számítás menete fonalfajtánként: T Tex M g = 1000 [ ] (2) L km Ahol: L = kifejtett fonalak összes hossza [m], M = a kifejtett fonalak összes tömege [g], g T texl = a láncfonal lineáris sűrűsége [ ] km g T texv = a vetülékfonal lineáris sűrűsége [ ] km Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 12

2.2.6 Vastagság meghatározása A szövet vastagsága alatt a szövet szín- és fonákoldalát meghatározott nyomással érintő, két síklap közepes távolságát értjük. Jelölése: a x [mm] Az x index a mérésnél alkalmazott fajlagos terhelés értéke [cn/cm 2 ]. A vizsgálat elve: A vizsgálandó mintát kisimított állapotban a készülék vízszintes helyzetű támasztó tárcsájára kell helyezni. A tárcsával párhuzamosan a szövetre kell engedni az előírt fajlagos terhelést biztosító tapintótárcsát. A mérőszerkezet kijelzőjéről leolvasható a támasztó- és a tapintótárcsa közötti távolság. A támasztótárcsa felülete azonos vagy nagyobb, mint a tapintótárcsáé. A tapintótárcsa által kifejtett fajlagos terhelés 2 cn/cm 2. A támasztótárcsára helyezett mintadarab lehajlását el kell kerülni. Egy minta vastagságát 3 különböző ponton kell megvizsgálni. A mérési helyeket úgy kell kiválasztani, hogy elkerüljük az ugyanabból a lánc- és vetülékfonal-csoportból álló próbadarabot többszöri mérését. A minta vastagságát a 3 mérés számtani közepének értéke adja meg. 2.2.7 A szövet szőhetőségi jellemzőinek számítása A szövetelemzéssel nyert adatokból a kész szövet műszaki adatait (kereszteződési hányados, fedőtényező, relatív szőhetőség) lehet meghatározni. A fedőtényező: a szövet telítettségét jellemzi. F S L TtexL + SV TtexV = (3) 1000 Ahol: S L, ill. S V a lánc-, ill. a vetüléksűrűség [ fonal db ] 100mm T texl, ill. T texv a láncfonal, ill. a vetülékfonal lineáris sűrűsége Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 13

A lánc és a vetülék kötésállandója: Ahol: k L A L = ill. nv k V A V = (4) nl k L, ill. k V a láncfonal, ill. a vetülékfonal helyváltoztatásának átlagos száma a mintaelemen belül (ahányszor a fonal színoldalról fonákoldalra, illetve fonákoldalról színoldalra helyet változtat, az összes fonalra vett átlag) n V, ill. n L a vetülékfonalak, ill. a láncfonalak száma a mintaelemben A relatív szőhetőségi tényező: A relatív szőhetőségi tényező a vizsgált szövet szőhetőségét a vizsgált szövettel azonos anyagú és azonos lánc, ill. vetüléksűrűségű, vászonkötésű szövethez viszonyítva adja meg. A vászonkötésű szövet ugyanis a többi kötéshez képest a legszorosabb, és így a legnehezebben szőhető. A relatív szőhetőségi tényező a vászonkötésre nézve értelemszerűen X rel = 1. X rel ( TtexV + AL Ttex )( TtexL + AV TtexV ) L ( T + T ) 2 = (5) texv texl Ahol: T texl, ill. T texv a láncfonal, ill. a vetülékfonal lineáris sűrűsége A L, ill. A V a lánc-, ill. a vetülék kötésállandója 2.3. Szövetek alapanyagai A szövetek nyersanyaga a szálasanyag, alapeleme a textilszál. A szálasanyagokat két fő osztályra bonthatjuk: a természetes és a mesterséges szálakra. A természetes szálak növényi (pl. pamut, len), állati (pl. gyapjú, hernyóselyem), vagy ásványi (azbeszt) eredetűek. A mesterséges, vagy vegyi szálak természetes alapúak (pl. viszkóz, üvegszál), illetve mesterséges alapúak lehetnek. Az utóbbiakat szintetikus szálaknak nevezik; ilyenek pl. a poliészter (PES, PET), a poliamid (PA6, PA6.6), valamint a poliakrilnitril (PAN) szálak. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 14

Ruházati célokra a szintetikus szálakat leggyakrabban szálkeverékek formájában alkalmazzák (pl. pamut/pes keverék). Mind a természetes, mind a mesterséges szálak két csoportra, szerves és szervetlen szálakra bonthatók. A szálasanyagok csoportosítását a következő ábra szemlélteti [3][4]. 2. ábra Textilanyagok csoportosítása [3] 2.4. Textiltermékek rendszere A textiltermékek a legkönnyebben és legtermészetesebben a termékdimenzió alapján osztályozhatók. Ennek eredményeképp elkülöníthetők az egy-, kettőilletve háromdimenziós termékek [5]. Az egydimenziós (1D) textiltermékek lehetnek közvetlenül szálakból felépülők: szálszalag (kártolt, nyújtott, fésűsszalag), előfonal, fonal (font- és selyem- vagy filament fonal). Ezen túl lehetnek fonalból készültek: cérna, zsineg, zsinór, kötél, Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 15

illetve szőtt, kötött vagy fonatolt szalagszerű rövidáruk, hevederek. Végül előfordulhatnak összetett, illetve kompozit (polimer-bevonatú) fonalak, kötelek, illetve szalagok formájában. Az egydimenziós termékek megjelenési formáit a 3. ábra szemlélteti. 3. ábra Egydimenziós szálak [6] A kétdimenziós (2D) textiltermékeket a 4. ábra szemlélteti. A szabálytalan szerkezetű csoportba tartoznak a szálakból közvetlenül (nemez, szövedék, flísz, filc), illetve fonalakból, vagy fonalakkal kombinálva készültek (varrással, illetve kötéstechnológiával erősített szálbunda, vagy fonalszövedék). A szabályos szerkezetűek csoportjába tartoznak a szövetek, kötött kelmék, fonatolt lapok, kombinált technológiával készült lapok. Ezeken a csoportokon kívül megkülönböztetjük az összetett, illetve kompozit textillapokat (műbőrök, laminált kelmék). A dolgozatom során ezek a termékek lesznek fontosak, ezeknek a tulajdonságait fogom vizsgálni. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 16

4. ábra Szabálytalan (a) és szabályos (b) szerkezetű kétdimenziós textiltermékek [6] A háromdimenziós (3D) textiltermékek első csoportjába sorolhatók a szabás nélküliek, melyek fonalakból (szövött, vagy fonatolt tömlő; kötött kesztyű, pulóver, sapka, zokni, harisnya) vagy szövedékből (kalap) készülnek. A másik nagy halmazban a textillapokból szabott alkatrészek összekapcsolásával készült (konfekcionált) termékek tartoznak (alsónemű, ing, felsőruha, kabát, sportruházat, sátrak, stb.). Mint mindegyik dimenzióban, itt is külön egységet alkotnak az összetett, illetve kompozit termékek (különböző anyagokból rétegelt, bevonatos, vagy erősített szerkezetek: pl. polimer-ágyazású szövött, vagy fonatolt szerkezettel erősített tömlő). 2.5. Kelmék deformációs vizsgálatai Munkám során egy optikai kihajlásmérő berendezéssel végeztem méréseket, ezzel vizsgálva a textilanyagok egyik fontos mechanikai tulajdonságát, a hajlító merevséget. A következőkben összegyűjtöttem azokat az eljárásokat és eszközöket, melyek a textiliparban használt anyagok kihajlásával, lehajlásával, hajlításával foglalkoznak. A Kawabata Evaluation System ismertetése során lényegesnek tartottam kitérni az összes vizsgálható mechanikai tulajdonságra, ezzel elismerve az említett rendszer nagy skálájú használhatóságát, megbízhatóságát és a textíliák vizsgálatában betöltött meghatározó szerepét. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 17

A kelméken mechanikai vizsgálatainak is legáltalánosabb eszközei a hagyományos szakítógépek. A szakítógépeket a vizsgálat jellegének megfelelő befogószerkezettel látják el. A leggyakoribb vizsgálat a húzó, illetve szakító vizsgálat, amelynek során a mindkét végén teljes szélességében befogott próbasáv húzóerővel végzett elszakítását értjük. Az előterheléssel megterhelt próbasávot hosszirányban állandó húzási sebességgel kell igénybe venni úgy, hogy a szakadás előírt időintervallumon belül jöjjön létre. A próbasáv szakítóerejét, F K -t [N] és szakadási nyúlását, ΔL K -t [mm] a szakításról felvett diagramból lehet meghatározni. A diagramból leolvassuk a viselés során a ruházatra ható, jellemző terheléseknél fellépő értékeket, így az 5, 10 és 20 [mm] megnyúláshoz tartozó húzóerők nagyságát is. Végül felírható a kelme relatív szakadási nyúlása (14), melyben L 0 [mm] a befogási hossz, míg ΔL K [mm] a kelme szakadási nyúlása. ε (6) K L [%] = K 100 L 0 2.5.1 Kawabata Evaluation System A textilanyagok jelenleg legpontosabb és legösszetettebb speciális vizsgálatát a KES rendszer teszi lehetővé. A vizsgálat során eredetileg 16 jellemző paramétert határoznak meg az anyagra vonatkozóan. A KES rendszerrel foglalkozott Molnár Ildikó a Polimertechnika Tanszéken írt diplomatervében, melyben rövid, tömör összefoglalást ad a mérőberendezésről. Sueo Kawabata japán professzor egy szakértői rendszert (Kawabata s Evaluation System Fabrics) épített fel a textilanyagok fogási tulajdonságainak objektív meghatározására. A fogás, mint tulajdonság addig egy teljesen szubjektív anyagjellemző volt, amelyet a szakértők a textília megtapintásával, megfogásával, gyűrésével, szemrevételezésével szakmai tapasztalataik felhasználásával állapítottak meg. Kawabata 1968-tól azon munkálkodott, hogy a fogást, mint kelmetulajdonságot mérésekkel, objektíven lehessen meghatározni. Ennek érdekében a legjobb szakértőkből alapított egy bizottságot. A bizottság tisztázta a tárgykörrel kapcsolatos fogalmakat és Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 18

megnevezéseket, kialakított 5 kelmetípus csoportot, majd a vizsgálatok céljára minden csoportból kiválasztottak 500 reprezentatív kelmét. Ezeket a kelméket egyrészt a bizottság minden szakértője legjobb tudása szerint szubjektív vizsgálatnak vette alá, másrészt gondosan bevizsgálták a Kawabata professzor által kifejlesztett speciális KES mérőrendszeren. A szubjektív és az objektív vizsgálati eredmények statisztikai elemzésével megkeresték a kapcsolatot a kelme szubjektív fogási tulajdonságai és az objektíven mérhető, mechanikai tulajdonságok között, és ezzel létrehozták a fogás objektív meghatározására szolgáló számítógépes szakértői rendszert. A KES mérőrendszer négy különböző mérőeszközből áll. Az első elem a KES-FB-1 készülék, amely a textíliák húzó- és nyírórugalmassági tulajdonságainak vizsgálatát végzi. A KES-FB-2 a hajlítással szembeni ellenállást, a KES-FB-3 a szövet összenyomhatóságát, míg a KES-FB-4 az anyag felületi jellemzőit vizsgálja. A mérőrendszer jelentősége azonban nem csak abban áll, hogy mérési adatokat szolgáltat a szövetek tapintásának objektív meghatározásához, hanem abban is, hogy a viselési vagy másképpen a kis terhelések tartományában végzett, pontos mérések eredményei más területen is felhasználhatóvá válnak. Az összes méréshez egy 20x20 [cm]-es próbatestet használnak, mivel a mérés gyakorlatilag teljesen roncsolás mentes. A méréseket az eszközök számozásával ellentétes sorrendben végzik, tehát először a felületi majd legvégül a húzó vizsgálatokat. A KES-FB-1 készülék feladata a húzó- illetve nyíróterhelés esetén a minták mechanikai tulajdonságainak meghatározása és a paraméterek kiszámítása. A vízszintes mintát úgy rögzítik az első illetve hátsó befogófejbe, hogy a befogási hossz 5 [cm] legyen. A húzóvizsgálat során a hátsó befogófej állandó sebességgel mozog az elsőhöz képest, így a készülék folyamatosan növekvő húzó erővel terheli a mintát. Az előre meghatározott maximális erő elérésekor a hátsó befogófej visszafelé kezd mozogni, így fokozatosan tehermentesíti a mintát. A berendezés a nyúlás függvényében ábrázolja a mért húzóerőt mind a terhelési, mind a tehermentesítési szakaszra vonatkozóan (15. ábra). A vizsgálatot elvégzik mind a láncfonalak, mind a vetülékfonalak irányában. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 19

F [cn/cm] F [cn/cm] Fmax 1 2 Fmax WTfel WTle EMT-1 EMT-2 EMT [%] EMT-1 EMT [%] a) b) 5. ábra : A húzóerő a szövet relatív nyúlásának függvényében; (1) láncirány, (2)[1] A diagramok kiértékelésből kiadódnak a WT, RT, LT értékek. A WT [J/m 2 ] a deformációs munka, amely az erő-nyúlás diagram alatti terület (5. ábra/b WT fel ). Ez a mennyiség a minta méretváltozási képességét fejezi ki. A minta növekvő nyújthatóságával emelkedik a tényleges deformációs munka értéke. Az RT [%] a rugalmas visszaalakulási képesség, azt tükrözi, hogy mekkora a hiszterézis a terhelési és tehermentesítési ciklusban. Ez a mennyiség a terhelés és a tehermentesítés során kialakult diagramok alatti területek hányadosa. Az LT arról ad tájékoztatást, milyen erőteljes az erő-nyúlás diagram görbülete. Az LT linearitás annál nagyobb, minél nehezebben nyújtható a minta. A nyíróvizsgálat során a húzóvizsgálatnál használt befogást alkalmazzák. A berendezés először egy 200 [g] os tömeg segítségével a mintát húzással előfeszíti majd, a hátsó befogót az álló elsővel párhuzamosan mozgatva nyíró alakváltozást hoz létre a mintában. 8 nyírási szög elérésénél a befogó mozgásirányt vált és visszatér kiindulási helyzetébe. A berendezés a mérést a másik irányban is elvégzi, -8 szöghelyzetig és vissza. Végül a gép megrajzolja a nyíróerőnyírószög diagramot (6. ábra). A jellegzetes nyíróerő-nyírási szög hiszterézis területének nagysága a fonalak súrlódási ellenállásának mértékére jellemző. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 20

Fs [cn/cm] DF Fs max 2HG5 D F - 8-5 - 0.5 2HG 0.5 5 8 Φ [ ] - Fs max 6. ábra : Nyíróerő nyírószög diagram[1] A görbe kiértékelésekor megkapjuk a G, 2HG, 2HG5 paramétereket, melyek az anyag nyíró tulajdonságait jellemzik. Minél alacsonyabbak ezek az értékek, annál könnyebben alakítható a szövet. G [N/m ] a nyírási merevség, amelyet a készülék a +0,5 és +2,5 nyírási szög közötti szakaszból számít ki (6. ábra). Az értékéből következtetni lehet arra, hogy mennyire mozgóképesek a fonalak a szöveten belül. 2HG [N/m] a nyírási hiszterézis magassága + 0,5 -nál (6. ábra). Minél kisebb a 2HG értéke, annál nagyobb a szövet rugalmassága. 2HG5 [N/m] a nyírási hiszterézis magassága + 5 -nál. Minél kisebb ez az érték, annál könnyebb a szövetet kétdimenziós formában alakítani. A KES-FB-2 készülék szolgál a hajlítás vizsgálatára. A vizsgálat során a mintát egy körív mentén hajlítják meg, aminek eredményeképp a görbület lineárisan növekszik. A vizsgálatkor a mintát két befogópofa közé rögzítik úgy, hogy a szabad hossz 1 [cm] legyen. Az álló befogópofánál egy nyomaték mérőcella helyezkedik el, míg a másik úgy mozog, hogy az 1 [cm] hosszú minta egy ív mentén hajlik meg. Az előre beállított véghelyzet elérése után, a nyíró vizsgálathoz hasonlóan a mozgó befogó ugyanazon a pályán elindul visszafelé. A kiindulási helyzet elérését követően az ellentétes irányú ciklussal folytatódik a mérés. A mérés eredménye a hajlító nyomaték és a hajlítási görbület közti kapcsolatot prezentáló görbe, melyben megfigyelhető a hajlítási hiszterézis (7. ábra). Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 21

M [cncm/cm] Dr M max 2HB DM - 2.5-1.5-1 - 0.5 0.5 1 1.5 2.5 r [1/cm] - M max 7. ábra : Hajlítási hiszterézis[1] Ebből a diagramból a kiértékelő program a B hajlító merevség és 2HB hajlító hiszterézis magasság értékét adja meg. A KES-FB-3 mérőkészülék feladata, hogy pontosan meghatározott körülmények között megadja egy szövet nyomó igénybevételre adott válaszát. A berendezés asztalának közepén egy 2 [cm 2 ] felületű fémbélyegző helyezkedik el, melynek felülete az asztallal közös síkot képez. A vizsgálat kezdetekor a fentről lefelé mozgó másik bélyegző, melynek szintúgy 2 [cm 2 ] a felülete, az asztalt megközelítve leereszkedik. A két bélyegző távolságát GAP nek vagy másképp nyílásrésnek hívják. A GAP értékét a minta anyagjellemzői alapján előre beállítják. A mérés során a felső fémbélyegző elérve a minta felületét és fokozatosan növekvő erővel nyomja, míg eléri a beállított maximum értéket, majd visszafelé mozog a GAP értékének visszanyeréséig. A mérőkészülék rögzíti az összenyomó erőt a minta vastagságának függvényében. P [cn/cm2] Pmax Wfel Wle T [cm] T0 Tm 8. ábra : Összenyomhatósági görbe[1] Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 22

Itt is egy hiszterézis az eredmény, ahol a terhelés és a terhelés megszüntetése során kifejtett munkát hasonlítják össze a görbék alatti területek kiszámításával (8. ábra). A kiértékeléskor megkapjuk a WC fajlagos nyomómunka, RC pihenési képesség, LC linearitás és T vastagság paramétereket. A KES-FB-4 készülék a szövetminta felületi tulajdonágait vizsgálja. A felület súrlódásának vizsgálatához egy szenzort használnak, mely az emberi ujj tapintását hivatott utánozni. A felületi érdesség meghatározása során 0,1 [N] nagyságú erővel érinti a felületet. A számítógép a mérési eredmények alapján felrajzolja a súrlódó erő görbét. A görbe kiértékelésekor megkapjuk az átlagos súrlódási tényezőt (MIU), a súrlódási együttható átlagtól való eltérését (MMD) és a felületi egyenetlenség átlagtól való eltérését, az érdességet (SMD) (9.ábra). m L [cm] d L [cm] 9. ábra : A súrlódási tényező és a felületi érdesség a vizsgált hossz függvényében [1] 2.5.2 Flexometer A flexometer egy egyszerű mechanikus készülék, amellyel a kelmék lehajlásával kapcsolatos paraméterek vizsgálhatóak. A mérőeszköz felépítése a 10.ábrán látható. A mérőeszköz részei: függőleges, gyűrű alakú szögmérő (1); az szögmérőben elhelyezett átlátszó lap (2); szögmérő mögötti vízszintes asztallap (3); az asztallap mögött elhelyezkedő szögmérővel párhuzamos tükör (4); az asztallapon lévő próbasáv előretolását és szabad hosszát mérő skála (5); terhelő berendezés, mellyel a próbasáv aktuális helyzete rögzíthető (6). Az átlátszó lapon Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 23

felrajzolt egyetlen átmérővonal alaphelyzetben az asztal síkjával valamint a szögmérő 0 és 180 -os osztásával esik egybe. 10. ábra : A lehajlás méréséhez használatos flexometer [8] Mérés előkészítéséhez 3 db láncirányú és 3 db vetülékirányú 20 [mm] szélességű és 200 [mm] hosszúságú próbadarabot kell a mintából kivágni. Törekedni kell rá, hogy a minta igénybevételi része mindig más lánc- illetve vetülékcsoportot tartalmazzon. A láncirányú próbasávot színoldalával felfelé a készülék asztalára kell helyezni, úgy, hogy a szélei párhuzamosak legyenek az asztal szélével, és egyik vége a készülék szögmérőjének középpontjánál végződő asztal végéig érjen. A mércét próbasávra kell helyezni úgy, hogy annak vége az asztal végével egybeessen, a készülék mutatója pedig a mérés 0 osztására mutasson. Ezután a próbasávot a mérce közvetítésével 1 cm-es fokozatokban egészen 10 cm-ig előretoljuk. Minden egyes előretolás alkalmával megállapítjuk a próbasáv végének lehajlását fokban. Ezután a vetülékirányú próbasávon ugyanezt a metódust megismételjük. Meghatározzuk külön a lánc- és külön a vetülékirányú próbasávok minden egyes előretolási hosszhoz tartozó eredményeinek átlagértékét. Jelöljük a 10, 20, 30, 100 mm előretoláshoz tartozó, szögfokban mért lehajlások átlagait φ1, φ2, φ3,, φ10-zel. A 4.6 ábra jelöléseivel az OC diagramvonal alatti OCDO terület 10 Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 24

mm alaphosszúságú négyszögek és háromszögek területének összegéből számítható: = 10 ϕ ϕ2 ϕ1 ϕ3 ϕ2 ϕ10 ϕ9 T 1 + ϕ + + + +... + + = 10 + +... + + 10 1 ϕ2 ϕ9 ϕ ϕ 1 ϕ2 ϕ9 (7) 2 2 2 2 2 Abszolút hajlékony kelme diagramjának területe (T absz ) az OABDO területtel egyenlő [7][8]. A hajlékonyság (H)%-os értéke a következő képlettel határozható meg: T 1 ϕ10 H = 100 = ϕ1 + ϕ 2 +... + ϕ9 + [%] (8) 9 2 T absz 11. ábra : A hajlékonyság meghatározása az OCDO diagramterületből (T) és az abszolút kelmét jellemző OABDO területből ( T abs ) [7] 2.5.3 Cantilever Test A Cantilever Test a legegyszerűbb vizsgálati módszer, melynél a konzolos lehajlás mérés elvét alkalmazzák. Az egyoldalon befogott próbadarab lehajlása során ható hajlító nyomaték a kiindulási alap és eszköztől függően a hajlító erő vagy a hajlított hossz a mért jellemző [9]. A hajlító merevség a fajlagos erő F L és a próbadarab hossza l ismeretében a következőképpen számítható: Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 25

l 2 D = FL és 3 m F L = g (9) l Ahol: D= hajlító merevség [Nm] m= minta tömege [g] l= próbadarab hossza [m] g= gravitációs gyorsulás [m/s 2 ] F L = fajlagos erő [N/m 2 ] Laptermékeknél az előbbi számítások csak nagyon kis lehajlás esetén pontosak, azaz merev textíliáknál vagy kis hajlítási hossz mérésénél. Reumann [10] hivatkozik Pierce vizsgálataira, aki ezért bevezette a lehajlási távolság fogalmát, mely a következőképpen számítható a próbadarab hosszának ismeretében: l B cos 0,5 α B = l 8 tgα B (10) Az α = 41, 5 hajlítási szögnél mérik a lehajló próbadarab hosszát a DIN 53362 B szabvány szerint, mely feltételnél az alábbi összefüggés áll fenn: l l B = (11) 2 2.5.4 Heart Loop Test A Pierce [11] által javasolt szív alakú hurok módszere lágyabb, elcsavarodásra jobban hajlamos kelmékre használatos mérési metódus. Ennél a vizsgálatnál a mintadarab két végét összefogva szív alakú hurkot kell képezni, majd a hajlító merevség meghatározása ezen szív alakú hurok függőleges irányú hosszának mérése alapján történik. A mérés összeállítása a 12. ábrán látható. A szív alakú hurok mellett Pierce gyűrű és kör alakú hurkokkal is kísérletezett. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 26

12. ábra : Szív alakú kelmehurok képzése a hajlítási merevség meghatározásához [7] 2.5.5 Egyéb lehajlás mérési eljárások Postle és Postle cikkükben [12] egy nemlineáris matematikai modellt mutattak be. Olyan nemlineáris differenciálegyenleteket használtak fel, amelyek teljesen integrálhatóak és analitikusan megoldva hozzásegítenek a 3D-s textilredőződés leírásának dinamikai megoldásához. Véleményük szerint ez az analitikus megoldás minden feltétel mellett alkalmazható, és nem függ olyan számítógépes nehézségektől, amelyek miatt a nemlineáris problémákra numerikus megoldást szoktak keresni. Cikkükben a textíliát egy lineárisan rugalmas anyagként kezelték. A rugalmas anyag kihajlásának mechanikai modelljét a textília kihajlásának nemlineáris differenciálegyenlettel kifejezett egyensúlyából származtatták. Bilbao és társai cikkükben [13] a lehajlást vizsgáló Flexométer továbbfejlesztett változatát mutatták be, amely alkalmas a hagyományosnál merevebb és vastagabb erősítőszövetek vizsgálatára. A mérés képfeldolgozáson alapul, a mérés során először képet készítenek a lehajló vizsgálati mintáról, majd az elkészült képről határozzák meg a hajlítási tulajdonság kiszámításához szükséges információkat. Az új berendezés kifejlesztését azért tartották szükségesnek, mert a hagyományos Flexométer és a KES-FB berendezés nem bizonyult teljes mértékben megfelelőnek az erősítőszövetek vizsgálatára. Berendezésüket szénszövet vizsgálatával tesztelték, és arra jutottak, hogy mérési eredményeik jó egyezést mutatnak a KES-FB-vel mért eredményekkel az adott mérési tartományon belül. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 27

Ebből arra következtettek, hogy a kifejlesztett berendezés jól alkalmazható erősítőszövetek hajlítási tulajdonságainak mérésére. Szablewski és Kobza munkájuk során [14] a textíliák hajlító merevségének vizsgálatához használt, Peirce által kidolgozott Cantilever Test numerikus analízisét végezték el. Matematikai modelljük a textíliát nagy hajlékonyságú, rugalmas anyagnak feltételezte. Vizsgálataik alapján az alkalmazott matematikai modell általában hatásosnak bizonyult a textíliák hajlítási viselkedésének leírására. Sikari Balázs 2. Irodalomkutatás 28

3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok A BME Mechatonika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszékén a Polimertechnika Tanszékkel közösen, előbbiekben megismert mérési eljárásokat helyettesítő, innovatív berendezések fejlesztése folyik. Elsőként az optikai lehajlásmérő berendezés, majd az optikai kihajlásmérő eszköz készült el. Az újszerű mérési metódusoknál nem szükséges a mechanikai kontaktus, a kiértékelés optikai úton történik. Mindkét esetben lézerrel tapogatjuk le a vizsgálandó anyag alakját. A rögzítésével tulajdonképpen a próbadarab hajlító igénybevételét leíró, bonyolult differenciálegyenletek megoldását lehet megmérni. A differenciálegyenlet megoldásából visszafelé számolva értékes információkhoz juthatunk. A következőkben ezeket a mérőberendezéseket és a vizsgálatokhoz felhasznált anyagokat mutatom be. 3.1. Optikai kihajlásmérő berendezés A optikai kihajlásmérő feladata a kétoldalt befogott, mérendő textilsáv szimmetrikus összetolása, melynek eredményeképp a textilsáv Ω alakban felgyűrődik. Diplomamunkám megkezdésekor a berendezésnek még csak a mechanikai szerkezete volt készen, ezért néhány egyéb kiegészítés mellett a berendezésre még fel kellett szerelni az optikai beolvasáshoz szükséges lézereket és fényképezőgépeket. A mérőeszköz végleges kialakítását a 13. ábra szemlélteti. A befogó pofák szimmetrikus össze- illetve széttartó mozgását szíjhajtás biztosítja. A szíjat az ábra jobb alsó sarkán elhelyezkedő kerékkel lehet mozgatni, ezáltal a befogó pofák tetszőleges mértékben tolhatók össze vagy szét. A befogók összetolásának mértéke a berendezésen elhelyezett mérőcsíkról olvasható le. A berendezés viszonylagos nagyméretű kerete szolgál a fényképezőgépek illetve a lézerek elhelyezésére, rögzítésére. A 6 db vonallézer és a 2 db fényképezőgép optimális elhelyezéséhez azonban kiegészítő elemekre volt szükség. Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 29

Fényképezőgépek Lézerek Befogó pofák Állítókerék 13. ábra : Az optikai kihajlásmérő berendezés A fényképezőgépek ugyanis nem tudták rögzíteni a teljes vizsgált mintát az alap vázhoz rögzítve, bármilyen pozícióba is próbáltam őket elhelyezni. Ennek következményeképp szükségessé vált egy tartóelem, mely a vázhoz kapcsolódva megnöveli az objektívek távolságát a mért daraboktól. A lézerek rögzítését szintén egy kiegészítő alkatrész segítségével oldottam meg. A fényképezőgépek és a lézerek rögzítéséhez tervezett elemek a 14. és 15. ábrán láthatók. Az alkatrészek tervezését SolidEdge programban végeztem. 14. ábra : Fényképezőket tartó kiegészítő elem Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 30

A próbadarab Ω alakú kihajlásánál mindenképpen szükséges volt a kétoldali megvilágítás és fényképezés, hiszen a felgyűrődött rész miatt egyoldali megvilágítás esetén lennének sötét foltok. A két oldalról működő lézereket úgy kell összehangolni, hogy a mintán a fényük egy vonalat alkosson. 15. ábra : Lézereket befogó kiegészítő elem A mérések során a próbadarabot feszültségmentes állapotban befogjuk a pofákba, majd elkezdjük összetolni a befogókat. A próbadarab anyagának milyensége szerint alakulnak ki a felgyűrődések. A lézerek bekapcsolása után a mintán megjelenik a 3 párhuzamos lézersugár. A nagyobb kontraszt elérése érdekében a világítást célszerű lekapcsolni. Így a 16. ábrán látható állapotba jutunk. Ezután a próbadarabokról és így a próbadarab alakját követő lézervonalakról is fényképeket készítünk, melyeket számítógépen feldolgozunk. Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 31

16. ábra : A mérés sötét szobában 17. ábra : A fényképezőgépek által rögzített képek A 17. ábrán láthatóak a számítógépen kiértékelendő fényképek. Baloldalon a bal oldali kamera, míg jobb oldalt értelemszerűen a másik oldali kamera képe látható. A fotókon megfigyelhető a már említett sötét folt effektus, hiszen a lézervonalak a felgyűrődést követik és így az általuk leírt görbe egy része a fényképezőgépek szemszögéből nem látható. A probléma a kétkamerás felvételekkel kiküszöbölhető, mivel az egyik képen lévő sötét folt miatt kieső szakasz a másik képen teljes egészében látható. A mérések során 3 különböző szálirányú (hosszirányú, keresztirányú, átlós irányú) mintát vizsgáltam. Mindegyik próbadarabot kétféle befogással illetve két különböző redő magassággal mértem meg. Az első sorozatban a befogási hossz 350 [mm] volt, míg a másodikban 250 [mm]. A minták szélessége mindkét esetben 100 [mm]. Tapasztalataim szerint a befogási hossz csökkentésével a redő Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 32

helye jobban beállítható. A rövidebb befogási hossz esetén a redő az összes típusnál, nagyon kis eltéréssel a minta közepén alakult ki. Ez az optikai eszközök beállítása miatt nagyon fontos. A hosszabb befogási hossz esetében az átlós próbadarabnál a redő legtöbbször a minta szélén jelent meg, de egyes esetekben a hossz miatt több redő is kialakult. A redő két különböző magasságban történő mérésének ötletét egyrészt a sötét folt effektus, másrészt a stabilitás feltétele miatt vettem fontolóra. Kis felgyűrődések esetében mindkét kamera rögzíti a teljes görbét, ezért a feldolgozás során pontosabb adatokat kaphatunk. Másrészről a kisebb Ω alak mechanikailag sokkal stabilabb, mint a nagyobb párja. A méréseknél mindenképpen szem előtt kell tartani a minták feszültségmentes, precíz, a pofákkal és a lézerekkel párhuzamos befogását, mert ennek figyelmen kívül hagyása nagyon nagy hibákat okozhat a kimeneten. 3.2. Optikai lehajlásmérő berendezés A szövetanyagok hajlítási tulajdonságait vizsgáló másik berendezés, az optikai lehajlásmérő. A berendezésről Rozgonyi Zsombor írt szakdolgozatot 2012-ben. Dolgozatom során fontosnak tartottam a két berendezés eredményeinek összevetését, ezért ezen az eszközön is elvégeztem a próbadarabjaim vizsgálatát. A mérőberendezés részei a mechanikai váz és kelmebefogó szerkezet, három vonallézer és egy fényképező gép, melynek összeállítása a 18. ábrán látható. A teszt asztal, melyre a szövetet helyezzük plexi lap párokból áll, melyek azonos méretűek. A felső elemek egymástól függetlenül, külön felhajthatóak, míg az alsók leengedhetők, mivel az méréshez az alátámasztás megszüntetése szükséges. A mérés megkezdése előtt az alsó elemek mind fel vannak hajtva, így közösen egy vízszintes felületet képeznek. A próbadarabokat erre a vízszintes felületre fektetjük feszültségmentes állapotban, párhuzamosan a lézersugarakkal. A minta rögzítése a felső elemek lehajtásával történik. A felső elemek csúszásgátló anyaggal vannak bevonva a minta megfelelő rögzítése érdekében. A lehajlási hossz kiválasztása meghatározza a lehajtandó alsó elemek számát. A rögzítést követően leengedjük a kiválasztott alsó elemeket. Ennek eredményeként és a gravitációs erő következtében az anyag lehajlik. A szövet mechanikai paraméterei és a minta lehajlás utáni alakja között Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 33

kölcsönösen egyértelmű kapcsolat van. A tesztasztal fölötti lézerek három vízszintes vonalban megvilágítják az anyagot és az asztal fölött rögzített fényképezőgéppel rögzítjük a mintán megjelenő lézervonalak képét, csakúgy mint az előzőekben említett optikai kihajlásmérő esetében [8]. 18. ábra : Az optikai lehajlásmérő berendezés A mérések során megfigyelhető, hogy a belógási hossz beállítása sokszor nehézségeket okoz. A csúszásgátló borítás ellenére a mérendő anyag hajlamos a befogásban megcsúszni, ezzel egyrészt növelve a lehajlási hosszt, másrészt függőleges irányú elmozdulást okozva. Ez utóbbi a minta lézerrel való párhuzamosságát rontja el. Nehézséget okoz az is, hogy a plexi leszorító elemek oldalán a lézervonal megtörik és ennek következtében a görbe szélein a pontok nagyon nagy szórásban helyezkednek el. Ezen probléma miatt, a kiértékelésnél a görbe egyenletének meghatározásakor a hibás pontokat el kellett távolítani az adathalmazból. Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 34

3.3. A vizsgált anyagok Méréseimhez egy speciális, hamissodratú multifilament poliészter fonalból készült szövetet használtam. A fonalsűrűség 100 mm-en ~252 db láncfonal, illetve ~240 db vetülékfonal. Mind a lánc-, mind a vetülékfonalak lineáris sűrűsége 33,3 tex. Az anyag területi sűrűsége 181,19 g/m 2, míg a vastagsága 0,41 mm [19]. A mérési eredményeim értékeléséhez felhasználtam a minták szabványos berendezésen mért adatait. Az Óbudai Egyetem Cantilever Test berendezésén mért eredményeket az 1. táblázat tartalmazza. Így a két újszerű és egyszerű elven működő egyedi fejlesztésű műszer eredményei összehasonlíthatóvá válnak, egy általánosan használt berendezésen mért értékekkel. Lehajlási hossz [m] Hajlító merevség [Nm] Rugalmassági modulus [MPa] Hosszirányú 0,025 2,83 10-6 0,493 Keresztirányú 0,022 1,93 10-6 0,336 Átlós (45 ) 0,02625 3,37 10-6 0,57 1. táblázat : A Cantilever Testen mért értékek Sikari Balázs 3. Mérőeszközök és mérések, vizsgálati anyagok 35

4. Mérés és a mérések feldolgozása 4.1. Mérés és mérések feldolgozása az optikai lehajlásmérő berendezés esetén A lézersugarak három elkülöníthető görbét rajzolnak ki. A lézerek által megvilágított görbéket a képfeldolgozás folyamatával határozhatjuk meg. A képfeldolgozás során a pontok világbeli helyzetének meghatározása a cél. A megvalósításnál a síkból síkba történő transzformációt használjuk fel, mely egyértelmű hozzárendelést jelent. A transzformáció paramétereinek meghatározásához kalibráció szükséges. A kalibrációt egy ismert méretű, négyzet alakú idommal végezzük. A 19. ábrán látható a valós kalibráló négyzet illetve az i i annak leképezésével kapott kép koordinátáinak megfeleltetése. A ( t ) i i kalibráló eszköz, míg a ( v ) v, a kép koordinátái, ahol i=(0,1,2,3). x y t, a x y 19. ábra : Sík perspektivikus projekció[8] A lineáris transzformációt a homogén koordináták felhasználásával lehet elvégezni. A transzformációs mátrix nyolc független paramétert tartalmaz. p0 p1 p2 P = p3 p4 p5 (12) p 1 6 p7 Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 36

Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 37 A transzformáció a következőképpen történik: = 1 1 1 7 6 5 4 3 2 1 0 i y i x i y i x t t p p p p p p p p v v (13) Behelyettesítve: 1 7 6 2 1 0 + + + + = i y i x i y i x i x t p t p p t p t p v i=0, 1, 2, 3 (14) 1 7 6 5 4 3 + + + + = i y i x i y i x i y t p t p p t p t p v Összesen 8 ismeretlen van, amelyekre a négy kalibráló pontból felírható a fentebb látható lineáris egyenletrendszer. A (14) egyenletrendszert megoldva ismert lesz a P perspektivikus transzformációs mátrix [15][16]. 20. ábra : Az optikai lehajlásmérő kalibrálása

Az optikai lehajlásmérő berendezés esetén a kalibráció illetve a mérés kiértékelése a Remote Control elnevezésű programban történik. A kalibrációt a 20. ábra szemlélteti. A kalibrációs képek elkészítéséhez a kalibrációs négyzetidom élét pontosan a vizsgált lézervonal sugár síkjába kell helyezni. A kalibrációs négyzetekről készült képeket a programba olvasva a sarokpontokat megjelöljük a megfelelő markerekkel. Az adott lézersugárhoz tartozó kalibrációt a megfelelő fülön állítjuk be (CalibElső, CalibHátsó). A pontok mozgatását kézzel végezzük, melynek feloldásához az ábra közepén látható nyomógomb ad lehetőséget. A mérés kiértékeléséhez a lézer által meghatározott görbe két végpontját kell kijelölnünk a kalibrációhoz hasonlóan. A program egy Excel fájlba exportálja a pontok koordinátait. Egy adott görbét nagyjából 3000 pont alkot. A fényképezőgép ferdesége miatt a görbe nem ugyanabból az y értékből indult, melyből érkezett. Ennek kiküszöbölése érdekében minden pontban az y értékből ki kellett vonni a görbe két pontját összekötő egyenes 0-tól való távolságát. A 21. ábrán egy hosszirányú minta lehajlása látható a már említett korrigálás után. 0-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200-10 -20-30 -40-50 -60 21. ábra : Hosszirányú próbadarab 2 cm-es belógású lehajlása A kiértékelés jónak ítélhető, hiszen a szimmetria a görbe teljességét tekintve fennáll illetve kiugró pontok sem találhatóak. A későbbiekben használt mechanikai modellhez szükséges a görbék egyenletét meghatározni. Elsőként az Excel által használatos trendvonal illesztéssel próbáltam meghatározni az Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 38

egyenlete, mely rendkívül jó közelítést adott. A 3000 pontból álló görbét 200 pontos szakaszokra bontva vizsgálódtam tovább. Az így kapott részfüggvények összefűzésével nem jutottam pontosabb megoldásra, ezért meghagytam az eredeti közelítést. A hatodfokú közelítés a maximális, melyet itt elérhetünk, de ez a modell szempontjából éppen megfelelő. A 22. ábrán látható a görbe hatodfokú közelítése, mely szinte teljes mértékben lefedi a kirajzolt pontok halmazát. 0-200 -100 0 100 200-10 -20-30 -40-50 -60 y = -8E-13x 6-5E-11x 5 + 3E-08x 4 + 2E-06x 3 + 0,0017x 2-0,0727x - 55,727 22. ábra : Hosszirányú próbadarab 2 cm-es belógású lehajlásának közelítése Fontos volt megvizsgálni az adott próbadarabról készült három különböző lézersugár által kirajzolt görbék hasonlóságát illetve eltéréseit. A 21. és 22. ábrákon az adott minta középső lézersugár által kirajzolt görbéje látható. Amennyiben a három görbe kis hibával azonosnak mondható, akkor ez azt jelenti, hogy a minta hosszmetszete állandó és nem függ a szélességi koordinátától, így nincs szükség felületmodellre. Ebben az esetben elég vizsgálnunk csak az egyik görbét, mely a teljes felületnek egy szelete. A 2cm-es belógású hosszirányú minta esetén a három függvény a következőképp néz ki: y 1 = 8 10 13 x 0.0727 x 55.727 6 5 10 11 x 5 + 3 10 8 x 4 + 2 10 6 x 3 + 1.7 10 3 x 2 12 6 10 5 8 4 6 3 3 2 y 2 = 1 10 x 1 10 x + 4 10 x + 3 10 x + 1.7 10 x (15) 0.0074 x 55.925 Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 39

y 3 = 2 10 12 x 0.0205 x 50.805 6 2 10 10 x 5 + 5 10 8 x 4 + 7 10 6 x 3 + 1.9 10 3 x 2 A görbék egyes együtthatóiban található eltérések a különböző kezdő illetve végpontok miatt adódnak. Az eltérések nem számottevőek, a görbék alakja, illetve jellege teljesen megegyezik. A modellezések során minden esetben a középső lézer által meghatározott görbét fogom használni, így kiküszöbölve az említett problémát. 4.2. Mérések és mérések feldolgozása az optikai kihajlásmérő berendezés esetén Az optikai kihajlásmérő berendezés esetén a két fényképezőgép használata miatt egy másik programra volt szükség a kiértékeléshez. Az elvi háttér megegyezik a lehajlásmérőnél bemutatottal, miszerint a mérendő görbék, illetve a kalibrációs négyzetek egy síkba essenek. A kiindulási alapot a már fentebb említett RemoteControl program adta, melyből dr. Tamás Péter tanár úr segítségével megalkottuk a megfelelő programot. A program kezelőfelületét 23. ábra szemlélteti. 23. ábra : Az optikai kihajlásmérő képfeldolgozó program kezelőfelülete A kamerákat USB porton keresztül a számítógéphez csatlakoztatjuk, majd a Connect gomb megnyomásával kezdjük a méréseket. Az expozíciót (Exp) követően a Download image gombbal megjelenítjük a képeket a programban. A jobb oldalon látható paraméterek állításával a megfelelő kontraszt és élesség értékeket érhetjük el. A kalibráció során a beolvasott képeken látható kalibrációs Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 40

négyszögek sarokpontjaira mozgatjuk a megfelelő színű markereket (23. ábra). Ezt a folyamatot mindkét kamera képén illetve mindhárom lézersugárra elvégezzük, ezáltal a 24. ábrán látható görbéket kapjuk meg. 24. ábra : Az optikai kihajlásmérő kalibrációja A mérések kiértékelése a 25. ábrán látható módon történik. A programban az adott mérés mindkét fényképén megjelöljük a görbék kezdő illetve végpontjait összekötő egyenest, majd az Export gomb megnyomásával a mért pontokat Excel fájlba küldjük. 25. ábra : Az optikai kihajlásmérővel történő mérés kiértékelése Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 41

Az Excel fájlba küldött pontokat a 26. és 27. ábrákon láthatjuk kirajzolva. Az első diagramon a jobb oldali kamera által rögzített fényképből kinyert pontokat, míg a másodikon a bal oldaliét láthatjuk. Megfigyelhető mindkét ábrán a már korábban említett vak folt effektus. Az első ábrán a tetőponttól jobbra csak néhány pont helyzete határozott, a további görbeszakasz egy egyenes, mely a távolabb érzékelt talppontokkal kapcsolja össze a görbét. A második ábrán ugyanez a szakasz a görbe másik oldalán található. 0-150 -100-50 0 50 100 150-10 -20-30 -40-50 -60 26. ábra : A jobb oldali kamera által rögzített pontok 0-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200-10 -20-30 -40-50 -60 27. ábra : A bal oldali kamera által rögzített pontok Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 42

A további kiértékeléshez meg kell határoznunk a görbe közelítő egyenletét, a lehajlásmérő által készített görbékhez hasonlóan. A két oldalról rögzített pontokat egy görbévé kell összeállítanunk. A pontok összefésülésének eredményeképp keletkező görbét a 28. ábra mutatja. 0-150 -100-50 0 50 100 150 200-10 -20-30 -40-50 -60 28. ábra : A két görbe összeállításának eredménye Az így előállított görbére a hosszú vízszintes szakaszok miatt rendkívül nehéz lenne függvényt illeszteni. A mechanikai jellemzők későbbi meghatározásához a függvény azon részét kell vizsgálnunk, mely a legtöbb fontos információt tartalmazza számunkra. 0-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70-10 -20-30 -40-50 -60 y = -2E-09x 6 + 2E-07x 5 + 1E-05x 4-0,0018x 3 + 0,0259x 2 + 0,9465x - 45,956 29. ábra : A felgyűrődés alakja és függvénye Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 43

Esetünkben a görbe közepén található felgyűrődés a vizsgálandó görbeszakasz. Az oldalsó vízszintes szakaszokat elhagyva a 29. ábrán látható alakot kapjuk, melyre a fentebb ismertetett módon hatodfokú polinom illeszthető. A későbbi számításokban ezen polinommal dolgozok tovább. Érdemes megjegyezni, hogy a pontosabb számításokhoz a görbealak pontosabb és valóságot jobban tükröző alakja szükséges, melyre minden esetben törekedtem a lehetőségekhez mérten. A hatodfokú polinomok nagyon kis görbealak változás esetén is nagyon radikális változásokat produkálnak. A lehajlásmérés kiértékelésével ellentétben ezeknél a görbéknél a felgyűrődés szélei nagyon jól elkülöníthetőek. Továbbá az anyagon a vízszintes szakaszból szinte a semmiből, egyik pontról a másikra jelentős felemelkedés látható, tehát a gyűrődés szélei kiugróak, nincsen hosszú szakaszú átmenet. A görbéket leíró függvényeket a lehajlásmérés kiértékeléséhez hasonlóan mindegyik mintára meghatároztam, így megteremtve a mechanikai modell egyik legfontosabb alkotóelemét. Sikari Balázs 4. Mérés és a mérések feldolgozása 44

5. Mechanikai modell és eredmények 5.1. A lemezmodell Általánosságban a modellalkotáson egy valóságos folyamat vagy állapot matematikai eszközökkel történő leírását értjük. A modellkészítés során a célunk ennek a valóságos állapotnak a legkisebb eltérésekkel történő visszatükrözése. Esetünkben a mindkét berendezésen megvizsgált minták alakja illetve mechanikai tulajdonságai között keressük a kapcsolatot. Az általam választott eszköz, mely segítséget ad eme kapcsolat feltárásához a klasszikus lemezmodell. A modell használata során néhány elhanyagolással, egyszerűsítéssel éltünk. Az textilmintát összefüggő, kontinuum anyagként modellezzük, mellyel nem vesszük figyelembe a szálak kapcsolódásának bonyolult rendszerét. Mindkét mérés esetén tapasztalható szimmetria, a görbék függőleges síkban történő eltérésének elhanyagolhatósága miatt, a felületvizsgálatok helyett elegendő a felület egy görbéjét vizsgálnunk. A lemezek elhanyagolható vastagsága mellett, a kihajlásmérés bonyolult folyamatainak viszonylag egyszerű leírhatósága volt a legfőbb érv a lemezmodell mellett. Ezen belül is a lemezmodell egy specifikus esete, mely az általam végzett mérések elvét modellezi. A 30. ábrán látható az említett összeállítás, mely a kihajlásméréshez hasonlóan kétoldalt befogott és összenyomott lemezt modellez [17]. 30. ábra : A kétoldalt megtámasztott, nyomott sík lemez horpadás Sikari Balázs 5. Mechanikai modell és eredmények 45