Slection of Fabric Architecture

7/30/2019 Slection of Fabric Architecture

1/16

PREFORM, Tipe Serat, Aliran Resin

Preform adalah susunan serat penguat yang dipra-bentuk dan diorientasikan mengikuti

bentuk cetakan sebelum resin dialirkan.

Orthotropic Having three mutually perpendicular planes of symmetry.

Tow A loose bundle of fibers.

Variasi bentuik serat penguat dapat dipakai dalam proses komposit polimer. Pemilihan

arsitektur serat preform berpengaruh langsung terhadap sifat mekanik dan sifat teknologi

produk. Seleksi material dan disain preform didasarkan pada criteria kinerja struktur, yang

diseimbangkan dengan kebutuhan sifat teknologi, umur pakai dan harga. Sifat teknologi

preform diperlukan dalam kaitan kemampuannya dibasahi oleh resin, tingkat kompaksi serat

dan orientasinya berpengaruh langsung pada kemampuan aliran resin untuk mengalir di

seluruh bagian cetakan. Hal ini berpengaruh langsung pada disain cetakan untuk penentuan

posisi saluran inlet dan outlet.

1. Fiber Types

Random mats terdiri atas serat kontinu ataupun chop yang terhampar secara acak dan

diikat oleh binder adhesive. Keacakannya memberikan sifat isotropic atau mendekati

isotropic, aliran fluida lebih mudah diprediksi dan drapabilitinya tidak dipengaruhi orientasi

serat. Keuntungannya, permeabilitas tinggi. Sehingga mampu mengalirkan resin dengan baik

pada tahap infusi secara menyeluruh, kemudahan penempatan dalam cetakan dan integritas

struktur yang baik. Kelemahannya, kekuatan dan kekakuan relative rendah, sulit mengontrol

orientasi serat dan pencapaian fraksi volum serat terbatas.

Keuntungan Kerugian

High permeability

Easily infused

Easy handling

High degree of structural

Poor stiffness

Limited strength

No orientation control

Limited fiber volume

http://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/cutplace.html


2/16

integrity (used as a base) fractions

Two-dimensional woven fabrics dibuat dalam suatu bentuk loom paling tidak terdapat

dua set tows yang diinterwoven. Akibatnya, keseragaman sifat diperoleh pada bidang

perform dicapai meskipun terdapat asimetri bergantung dari pola weave yang dipakai.

Woven memiliki ketahanan impak yang baik tetapi drapabiliti kurang baik. Dan weave

memicu crimping (undulation) pada yarns, yang dapat medegradasi kekuatan dan

mengurangi kekakuan efektif lamina.

Weaves can be classified according to the

spacing between the tows.

Weaves with big open spaces between the

tows are termed open weaves, while weaves

with no space between the tows are termed

closed weaves.

Advantages Disadvantages Balanced properties in

plane of the fabric

Good impact resistance

Good conformability

Fiber undulation

Asymmetry

Trimming / Handling

Unidirectional Fabric consists of parallel filaments held loosely in place by stitches in aplane:



3/16

Advantages Disadvantages

High stiffness and strength in filament

direction

Poor integrity - "fiber wash"

may occur

Anisotropic flow and

performance

Other fiber forms include knit and 2- and 3-dimensionally braided products, which areavailable for specialized uses. Three-dimensional braiding can be used to fabricate one-piece

preforms, virtually eliminating the time-consuming lay-up step from the RTM process and

ensuring uniformity, although weaving can be costly and it excludes the ability to easily vary

the preform architecture.

Often, various types of reinforcement materials are combined in a preform to yield a balance

of properties or processability. For example, random mat layers interspersed between wovenlayers might be used to enhance flow during processing. Other types of "hybrid" preforms

might consist of different fibers woven together within a layer to achieve the desired

properties.

2. Anisotropic Flow

Preform yang disusun dengan cara menumpuk beberapa ply serat memicu anisotropic.

Permeabilitas arah bidang/inplane biasanya jauh lebih besar daripada arah tebal/out-of-plane

(transversal)nya. Perbandingan kedua permeabilitas itu dinyatakan dengan rasio anisotropi.

It is assumed here that the fiber mat is isotropic in plane.

Bidang xy berimpit dengan bidang perform. Titik koordinat-zpada arah transverse perform.

Kxx dan Kyy adalah permeabilitas preform in-plane. Kzzpermeabilitas preform out-of-plane.

Jika Kxx=Kyy, maka preform mencapai in-plane isotropy.

http://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/per_anis.htmlhttp://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/per_anis.htmlhttp://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/per_anis.htmlhttp://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/per_anis.html


4/16

This plot shows pressure drop in Mega Pascals across two saturated cross-plied preforms

which are assembled from unidirectional stitched plies by stacking them up in a 0/90 degree

arrangement. The measured steady state flow rate in milliliters per second is plotted on the

y-axis.

Some conclusions from this plot:

Hubungan antara pressure drop dan flow rate adalah linear dan mengindikasikan

dapat dipakainya hukum Darcy.

Jika viscositas resin, panjang L dan luas penampang A perform diketahui, maka

permeabilas dapat ditentukan berdasarkan slope grafik.

Untuk Vf diatas 69%, slope akan jauh lebih kecil daripada slope Vf 49%. Ini berarti

makin tinggi Vf akan makin rendah permeabilas, meskipun kedua preform dibuat

sama unidirectional

Data menunjukkan cross-plied preform untuk Vf berbeda dengan susunan uni-directional

stitched pliy pada arah 0/90 derajat. Vf (sumbu-x) dan permeabilitas terukur (sumbu-y)

Sekali lagi terjadi penurunan gradien dengan meningkatnya Vf. Catatan tidak ada aliran

transversal yang terjadi pada harga Vf maksimum



5/16

Pada plot ini, Vf (sumbu-x) dan anisotropy ratio (sumbu-y) dihitung dari Kxx dan Kzz

terukur. Dengan membandingkan dua plot terdahulu, disimpulkan bahwa untuk jenis serat

dan Vf yang sama, permeabilitas arah-z lebih kecil daripada permeabilitas arah-xy. Dengan

perbandingan 1 ~ 2 kali lebih besar dari pada permeabilitas arah-z. dengan data itu pula

ditunjukkan bahwa anisotropy ratio sangat bergantung pada harga Vf. Hal ini menerangkan

alasan mengapa impregnasi lebih besar pada arah-xy.

4. Pemilihan arsitektur serat

Pemilihan arsitektur serat didasarkan pada sifat akhir produk dan sifat teknologi. Beberapa

hal yang perlu diperhatikan adalah permeabilitas, compressibility, handling, drapeability dan

kekuatan.

Permeabilitas, adalah ukuran kemampuan serat/perform untuk dialiri resin. Kinerjanya

ditentukan oleh arsitektur perform dan viskositas resin. Untuk serat anisotropic, diperlukan 3

harga permeabilitas ( xx yy zz ) yang akan menentukan penempatan saluran inlet dan

outlet. Sedangkan untuk isotropic ( = xx = yy = zz), hanya diperlukan 1 harga untuk

menentukannya. Parameter yang mempengaruhinya, tingkat kompaksi dan arsitektur

perform. Dengan demikian permeabilitas adalah tampilan utama perform yang

mempengaruhi pemilihan arsitektur, disain cetakan dan waktu pengisian cetakan pada tahap

infuse. Dan merupakan kunci dua parameter proses; tekanan dan waktu infuse.

Resin flow over long distances through complex preform structures is unique to liquid

composite molding and greatly differs from other composite manufacturing methods



6/16

Compressibility (gambar II.?) preform berhubungan dengan kemampuan perform untuk

didistribusikan di seluruh bagian cetakan dan menentukan sifat akhir produk. Tingkat

kompresi yang tinggi memperbaiki sifat mekanik produk at the expense of permeability.

Selama proses, tekanan vaccum bag dapat mendeformasi fabric, merubah fraksi volum serat

dan permeabilitas.

Gambar II.? Hunbungan mampu tekan terhadap fraksi volum serat

Kemudahan handling -- in terms of cutting, stacking and insertion of preform plies -- is aserious concern in moderate to high-volume production modes.

Drapeability, or the ability for the reinforcement layers to conform to curvature in the mold

is a factor of the choice of reinforcement form -- that is, random mat, woven, etc.

Drapeability must be considered for molds with significant curvature.

Finally, strength, stiffness and fiber volume fraction must be considered. From the final

property point of view, particularly for strength and stiffness, a very high fiber volume

fraction might be desirable. the limiting factor is the effective permeability of such tightly

packed preform which seriously impact processability.



7/16

Gambar II.? Hubungan Vf terhadap Permeabilitas

Gambar II.? Pengaruh mampu tekan fabric terhadap struktur mikro

Gambar diatas adalah skema proses kompaksi yang dapat dianalogikan dengan tekanan

vacuum bag. Tekanan dapat merubah arsitektur fabric. Beberapa perubahan tersebut adalah:

Perubahan jumlah nesting diantara layer

Perubahan fiber packing dalam individu bundle serat (aspek rasio bundle serat

berubah)

Re-orientasi serat

Hubungan tekanan kompaksi terhadap fraksi volum serat (Cont.SM- f 15 ~ 30% dan 0-

90 knitted fabric) dilihat pada gambar?. Rentang Vf yang sempit dicaai oleh CSM. Untuk

Vf > 30%, diperlukan gaya sangat besar dan dapat merusak serat. Dengan knitted fabric,

rentang Vflebih lebar dapat dicapai. Batas atas V f nya adalah 56%, jauh lebih besar daripada

hasil CSM. Meski demikian, tingkat mampu tekan bervariasi untuk tiap fabric. Ini

dipengaruhi oleh ukuran bundle yarn, tipe serat dan factor lainnya.



8/16

Gambar II.? Hubungan tekanan kompaksi terhadap Vf



9/16



10/16

However, the trends are not always as simple as they appear! Mechanical properties do

improve with increasing fiber volume fraction, but not always linearly, and sometimes only

to a certain critical point. The graph below demonstrates this effect. At very high volume

fractions, the fibers are over compacted, causing the properties to drop off.

Performance Issues

Moduli, strengths, etc.

Durability

http://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/perfmod.htmlhttp://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/perfmod.htmlhttp://islnotes.cps.msu.edu/trp/liquid/rtm/perfmod.html


11/16

Performance Issues: Moduli, Strengths, etc.



12/16



13/16

Database Permeability Values

http://srdata.nist.gov/permeability/intro.htm

Introduction

Liquid molding is an important manufacturing technique for modern reinforced

polymers. Resin flow over long distances through complex preform structures is unique to

liquid composite molding and greatly differs from other composite manufacturing methods

(Advani 1993). Extensive literature exists on the general topic of flow through porous

media and is helpful for understanding the effects of geometrical complexity on flow

behavior (Slattery 1981).

Permeability is the most important parameter governing resin flow through a composite

preform. Taking flow measurements is often difficult and the number of different preform

materials is quite large (Parnas et al. 1995). Permeability is important because it can be used

to compute flow behavior easily in large complex molds. This practice contrasts with the

nearly prohibitive cost to compute flow behavior using detailed porous medium geometry.

Figure 1: In-plane unidirectional saturated flow measurements conducted with random,

woven, unidirectional, and stitched fabrics.

http://srdata.nist.gov/permeability/intro.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/intro.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htm


14/16

For the case of anisotropic permeabilities, the higher permeability data are

displayed in Figure 1. Note that at high fiber volume fractions in the range useful for

structural applications, the permeability can vary by more than an order of magnitude,

depending on the type of reinforcement. Even among similar fabric types, such as

woven or unidirectional fabrics, the variation can be considerable and depends on

details of the weave or crossing thread patterns (Parnas & Salem 1993).

Figure 2: In-plane radial unsaturated flow data currently in the database.

Corresponding unidirectional measurements from Figure 1 are included for

comparison. For anisotropic materials, the higher in-plane permeabilities are

plotted. In most cases, the permeability measured by the radial flow method is

considerably larger than the permeability measured by the saturated flow

method. This discrepancy is consistent and results primarily because of the neglect of

capillary forces in the analysis of the unsaturated radial flow experiments. Adescription of such differences is available (Parnas et al. 1995). Capillary forces can

cause transient effects in unsaturated measurements in which the apparent

permeability magnitude and principal direction can change during the course of the

experiment. The radial flow results reported here and included in the database are

those that were recorded late in the experiments after most transient effects had

disappeared.

VARI

http://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htmhttp://srdata.nist.gov/permeability/reference.htm


15/16

Figure 3: Thru-thickness unidirectional

saturated flow and corresponding in-plane unidirectional flow measurements.

The geometric mean in-plane permeability is plotted for comparison to the thru-

thickness permeability. In all cases, the thru-thickness permeability values are a factor

of 6 to 8 smaller than the in-plane permeability values. A lower thru-thickness

permeability is expected, because most fibers lie in the fabric plane of the tested

fabrics. However, the consistency of the ratio of the thru-thickness to the in-plane

permeability is notable.

Vacuum Assisted Resin Injection.http://www.eng.uab.edu/compositesLab/noteman3.htm

Proses VARI merupakan tipikal gambaran teknik RTM. Cetakan dengan biaya murah

diperoleh dari material seperti epoksi. Serat penguat dipotong dan disusun dengan tangan

mengikuti bentuk cetakan. Penyimpanan dalam cetakan dapat dilakukan sekaligus atau

disusun dalam bentuk perform lalu dimasukkan dalam cetakan.

Tekanan rendah mengakibatkan proses pengisian cetakan relative lama dan kandungan serat

sedikit. Ketidakmampuan cetakan mengakomodasi temperature tinggi, ditambah heat

transfer yang kurang baik, membatasi laju curing pada waktu yang lambat dengan eksoterm

yang minimum untuk menghindari degradasi resin atau kerusakan cetakan. Proses dapat

berjalan dalam hitungan jam hingga hari untuk produk besar dan kompleks. Keunggulan

utama adalah struktur rumit dan besar dengan integrasi produk maksimum dapat dicapai

dengan biaya rendah.

http://www.eng.uab.edu/compositesLab/noteman3.htmhttp://www.eng.uab.edu/compositesLab/noteman3.htm


16/16

Resin untuk memenuhi kebutuhan VARI harus memiliki low viscosity plateau, sehingga

dapat memberikan aliran konstan ke seluruh cetakan, diikuti curing dengan cepat. Beberapa

resin jika cure dengan cepat dapat terdegradasi dan memberikan sifat fisik yang rendah.

Glass Fibershttp://www.eng.uab.edu/compositesLab/b_fiber.htm#glass

Polyester

http://www.eng.uab.edu/compositesLab/b_fiber.htm#glasshttp://www.eng.uab.edu/compositesLab/b_fiber.htm#glass

Documents

Slection of Fabric Architecture