This paper deals with anisotropic property and structural analysis for short fiber reinforced plastic composites manufactured by the injection molding process. The common approach for modeling this type of material is the consideration of the material as homogenous and isotropic. However, the common isotropy approach often results in unexpected failure. To overcome this, new structure analysis methodology was developed in order to consider fiber orientation effect using injection mold flow analysis and Halpin-Tsai equations for unidirectional composites and taking an orientation average. The numerical predictions are compared to experimental data for tensile specimen. The predicted mechanical properties agree well with experimental data for fiber orientation and weld line effect. The analysis system was also applied to an automobile part. The proposed anisotropic model predicted different mechanical properties by position of the part and different mechanical performance of the part was changed according to injection gate position.
Short fiber reinforced composites manufactured by injection molding have diverse fiber orientations variable with measuring positions even in the same specimen, which is caused by the flow induced fiber orientation. Fiber orientations considerably affect the mechanical and thermal properties of final composite products. In this study, fiber orientation of injection molded carbon fiber reinforced PA6/PPO composite was measured at several points of the specimen by optical microscopy analysis and the corresponding izod impact strength, coefficients of thermal expansion (CTE) were also measured to investigate the influence of local fiber orientation on the mechanical and thermal properties. Izod impact strength where fiber was perpendicular to the direction of crack propagation was higher than where fiber was parallel to the direction, which could be explained be the impact resistance reinforcing mechanism by fiber orientation. CTE was also lower where fiber was parallel to the measurement direction of CTE than where fiber was perpendicular to the direction, which could be also explained by the dimensional stability mechanism by fiber orientation.
Srisawadi, Sasitorn;Cormier, Denis R.;Harrysson, Ola L.A.;Modak, Sayantan
International Journal of CAD/CAM
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v.12
no.1
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pp.20-28
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2012
Finite Element Analysis (FEA) is often used to identify local stress/strain concentrations where a component is likely to fail. In order to reduce the degree of strain concentration, component thickness can be increased in those regions, or a stronger material can be used. In short fiber reinforced composite materials, strength and stiffness can be increased through proper fiber alignment. The field-aided microtailoring (FAiMTa) process is one promising method for doing this. FAiMTa uses principles of dielectrophoresis to preferentially align particles or fibers within a matrix. To achieve the preferred fiber orientation, an interdigitated electrode network must be integrated into the mold halves which can be fabricated by additive manufacturing (AM) processes. However, the process of determining the preferred fiber arrangements and electrode locations can be very challenging. This paper presents algorithms to semi-automate the interdigitated electrode design process. The algorithm has been implemented in the Solidworks CAD system and is demonstrated in this paper.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.5
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pp.317-326
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2024
In this paper, compression molding-structural coupled analysis was proposed to accurately consider the effect of initial compression molding conditions on the mechanical behavior of short-fiber reinforced composite structures. To this end, local short-fiber orientations depending on the initial charge conditions were investigated using compression molding analysis, and a mean-field homogenization scheme was employed to efficiently derive equivalent orthotropic material properties determined by short-fiber orientations. Furthermore, based on the refined finite element model with short-fiber orientation, compression molding-structural coupled analysis precisely described the locally independent mechanical behavior induced by initial molding conditions. Consequently, it could be confirmed that the proposed analysis model provides a reasonable solution in the design process of short-fiber reinforced composite structures manufactured by compression molding.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.7
s.94
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pp.1740-1750
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1993
The aluminar short fiber reinforced composite materials for hot extrusion were fabricated by semi-solid stirring method, and extruded at extrusion temperature $400^{\circ}C$ with various extrusion ratio. The hot extrusion load of volume fraction 15% metal matrix composites and base alloy Al7075 has been compared. The fiber length distribution, fiber breakage and fiber orientation are investiged to know the fiber behaviour in before and after hot extrusion. The tensile strength of the hot extruded billet are experimentally determined for different of extrusion ratios, and compared with theorically calculated strength.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.25
no.6
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pp.451-458
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2005
The effects of fiber orientation on acoustic emission(AE) characteristics have been studied for various composite laminates. Reflection and transmission optical microscopy were used to investigate the damage zone of specimens. AE signals were classified through short time Fourier transform(STFT) as different types: AE signals with a high intensity and high frequency band were due to fiber fracture, while weak AE signals with a low frequency band were due to matrix cracking and/or interfacial cracking. Characteristic feature in the rate of hit-events having high amplitudes showed a procedure of fiber breakages, which expressed the characteristic fracture processes of notched fiber-reinforced plastics with different fiber orientations. As a consequence, the behavior of fracture in the continuous composite laminates could be monitored through nondestructive evaluation(NDE) using the AE technique.
Residual stress distribution in injection molded short fiber composites is determined by using the layer-removal method. Polystyrene is mixed with carbon fibers of 3% volume fraction (4.5% weight fraction) in an extruder and the tensile specimen is injection-molded. The layer-removal process, in which removing successive thin uniform layers of the material from the surface of the specimen by a milling machine, is employed and the resulting curvature is acquired by means of an image processing. The isotropic elastic analysis proposed by Treuting and Read which assumes a constant Yaung’s modulus in the thickness direction is one of the most frequently used methods to determine residual stresses. However, injection molded short fiber composites experience complex fiber orientation during molding and variation of Yaung’s modulus distribution occurs in the specimen. In this study, variation of Yaung’s modulus with respect to the thickness direction is considered for calculation of the residual stresses as proposed by White and the result is compared with that by assuming constant modulus. Residual stress distribution obtained from this study shows a typical stress profile of injection-molded products as reported in many literatures. Young’s modulus distribution is predicted by using numerical methods instead of experimental results. For the numerical analysis of injection molding process, a hybrid FEM/FDM method is used in order to predict velocity, temperature field, fiber orientation, and resulting mechanical properties of the specimen at the end of molding.
Choi, Chi Hoon;Ok, Young Sook;Kim, Byung Kyu;Ha, Chang Sik;Cho, Wong Jei;Shin, Young Jo
Applied Chemistry for Engineering
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v.3
no.1
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pp.81-87
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1992
Polyethylenes were reinforced with short aramid fibers on an open roll. Fiber orientation and the anisotropy of physical property were studied using scanning electron microscopy and tensile tester, together with the melt properties from an RDS rheometer. It was found that fiber orientation was obtained in roll operation, and the anisotropy of property became greater with the increase of fiber loading. Melt viscosity measurements indicated that the viscosity increases with fiber loading, with the effect much more pronounced at low loading and low frequency.
단섬유 보강 플라스틱 복합재료에 사출성형에서 섬유배향은 금형 충전 공정 중의 유동장에 의해 결정되고 섬유의 배향 상태는 역으로 유동장에 영향을 미친다. 단섬유에 의 한 추가적인 응력을 포함하는 Dinh과 Armstrong의 이방성 구성방정식을 충전유동과 섬유 배향의 연계해석에 도입하였다. 충전유동의 해석은 새로운 압력 지배방정식과 에너지 방정 식을 유한요소법과 유한차분법을 이용하여 풀고 동시에 2차 배향 텐서의 변화방정식을 4차 Runge-kutta 방법으로 풀었다. 섬유의 배향상태를 구한 후에 일방향성 복합재료의 Halpin-Tsai 식과 배향 평균모델을 도입하여 사풀성형품의 이방성 기계적 성질이 예측되었 다. 직사각형 캐비티에서 수치해석결과를 실험결과와 비교하였다. 섬유배향과 유동과의 상호 연계작용을 특히 게이트 근처에서 섬유배향에 영향을 미치며 수치해석 결과는 벽면 근처에 서 유동방향으로 배향하는 shell층을 과대 예측함을 알수 있었는데 이는 배향 텐서 변화 방 정식의 최종근사에서 기인하는 오차로 판단된다. 수정된 복합최종 근사를 바탕으로 예측된 이방성 기계적 성질이 기존의 복합최종 근사에 기초한 예측보다 실험 결과에 정량적으로 보 다 잘 일치하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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