Kol är avgörande för alla levande organismers existens, eftersom det utgör grunden för alla organiska molekyler som, i tur och ordning, utgör grunden för alla levande varelser. Även om det bara är ganska imponerande, den har nyligen hittat förvånansvärt nya tillämpningar inom discipliner som flyg- och anläggningsteknik med utvecklingen av kolfibrer som är starkare, styvare, och lättare än stål. Följaktligen, kolfibrer har tagit över stål i högpresterande produkter som flygplan, racerbilar, och sportutrustning.

Kolfibrer kombineras vanligtvis med andra material för att bilda en komposit. Ett sådant kompositmaterial är den kolfiberförstärkta plasten (CFRP), som är känd för sin draghållfasthet, stelhet, och högt förhållande mellan styrka och vikt. På grund av sin höga efterfrågan, forskare har genomfört flera studier för att förbättra styrkan hos CFRP, och de flesta av dessa har fokuserat på en speciell teknik som kallas "fiberstyrd design, " som optimerar fiberorienteringen för att förbättra styrkan.

Dock, den fiberstyrda designmetoden är inte utan sina nackdelar. "Fiberstyrd design optimerar bara orienteringen och håller tjockleken på fibrerna fixerad, förhindrar fullt utnyttjande av de mekaniska egenskaperna hos CFRP. En viktminskningsmetod, vilket möjliggör optimering av fibertjocklek också, har sällan övervägts, " förklarar Dr. Ryosuke Matsuzaki från Tokyo University of Science (TUS), Japan, vars forskning är inriktad på kompositmaterial.

Mot denna bakgrund, Dr. Matsuzaki — tillsammans med sina kollegor vid TUS, Yuto Mori och Naoya Kumekawa – föreslog en ny designmetod för att optimera fiberorienteringen och tjockleken samtidigt beroende på platsen i kompositstrukturen, vilket gjorde det möjligt för dem att minska vikten av CFRP jämfört med en linjär lamineringsmodell med konstant tjocklek utan att kompromissa med dess styrka. Deras resultat kan läsas i en ny studie publicerad i Sammansatta strukturer .

Deras metod bestod av tre steg:den förberedande, iterativ, och modifieringsprocesser. I den förberedande processen, en första analys utfördes med finita elementmetoden (FEM) för att bestämma antalet lager, möjliggör en kvalitativ viktutvärdering genom en linjär lamineringsmodell och en fiberstyrd design med en tjockleksvariationsmodell. Den iterativa processen användes för att bestämma fiberorienteringen genom den huvudsakliga spänningsriktningen och iterativt beräkna tjockleken med användning av maximal spänningsteori. Till sist, modifieringsprocessen användes för att göra modifieringar som tar hänsyn till tillverkningsbarheten genom att först skapa ett referensbasfiberknippe i ett område som kräver hållfasthetsförbättring och sedan bestämma den slutliga orienteringen och tjockleken genom att arrangera fiberknippena så att de sprids på båda sidor av referensknippet.

Metoden med samtidig optimering ledde till en viktminskning på mer än 5 % samtidigt som den möjliggjorde högre lastöverföringseffektivitet än vad som uppnås med enbart fiberorientering.

Forskarna är glada över dessa resultat och ser fram emot den framtida implementeringen av deras metod för ytterligare viktminskning av konventionella CFRP-delar. "Vår designmetod går utöver den konventionella visdomen med kompositdesign, tillverkar för lättare flygplan och bilar, som kan bidra till energibesparing och minskning av CO ₂ utsläpp, " konstaterar Dr. Matsuzaki.