Scriptie IDE442 MATERIALISEREN 2002 DE PARACHUTE. Wouter van Weelderen, Teun Teeuwisse, Rosemarijn Konter, Karst Lambers & Diederik van der Pant

Scriptie

IDE442 MATERIALISEREN

2002

DE PARACHUTE Wouter van Weelderen, Teun Teeuwisse, Rosemarijn Konter, Karst Lambers & Diederik van der Pant

1

Samenvatting ......................................................................................................................3 1.1 Samenvatting nederlands ...............................................................................................3 1.2 Summary english ............................................................................................................4 2 Inleiding ...............................................................................................................................5 3 Algemene inleiding over de parachute .............................................................................6 3.1 Benaming onderdelen .....................................................................................................6 3.1.1 De canopy ...............................................................................................................7 3.2 Het gebruik van de parachute. ........................................................................................7 3.2.1 De openingsvoortgang ...........................................................................................7 3.2.2 Sturen .....................................................................................................................9 3.2.3 Het landen ..............................................................................................................9 3.2.4 Faalvormen en noodprocedures ............................................................................9 3.3 Eisen voor veilig en comfortabel functioneren ..............................................................10 3.3.1 Prestaties .............................................................................................................10 4 Beschrijving huidige alternatieven: constructies en materialen .................................11 4.1 Canopy: .........................................................................................................................11 4.1.1 Materialen: ............................................................................................................11 4.1.2 Fabricage: ............................................................................................................11 3.1.2 Nabewerkingen .....................................................................................................11 4.2 Lijnen: ............................................................................................................................12 4.2.1 Eisen: ...................................................................................................................12 4.2.2 Materialen: ............................................................................................................12 4.2.3 Fabricagemethode: ..............................................................................................12 4.3 Tapes en Webbing ........................................................................................................12 4.3.1 Eisen: ...................................................................................................................12 4.3.2 Materialen .............................................................................................................12 4.3.3 Fabricage: ............................................................................................................13 4.3.4 Nabewerkingen ....................................................................................................13 4.4 Polyester .......................................................................................................................13 4.4.1 Geschiedenis ........................................................................................................13 4.4.2 Structuur ...............................................................................................................13 4.4.3 Fabricage: ............................................................................................................14 4.4.4 Eigenschappen .....................................................................................................15 4.4.5 Weers- en UV-bestendigheid: ..............................................................................15 4.4.6 Flexibiliteit en hardheid. .......................................................................................15 4.5 Nylon .............................................................................................................................16 4.5.1 Eigenschappen van nylon ....................................................................................16 4.5.2 Factoren die nylon beinvloeden ...........................................................................17 4.5.3 Vocht ....................................................................................................................18 4.5.4 Temperatuur .........................................................................................................19 4.5.5 Reksnelheid ..........................................................................................................20 4.5.6 Vermoeiing ...........................................................................................................20 4.5.7 Slijtage ..................................................................................................................20 4.5.8 Weersinvloeden ....................................................................................................21 4.6 Kevlar ............................................................................................................................21 4.6.1 Vervaardiging .......................................................................................................22 4.6.2 Typen draden .......................................................................................................22 4.6.3 Eigenschappen .....................................................................................................23 4.6.4 Vermoeiing ...........................................................................................................23 4.6.5 Slijtage ..................................................................................................................24 4.7 Het Beslag .....................................................................................................................24 4.7.1 Het materiaal. .......................................................................................................24

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

1

Technische Universiteit Delft

Scriptie


2002

4.7.2 Het fabricageproces. ............................................................................................24 Probleemstelling ...............................................................................................................27 Keuze van deelproblemen ...............................................................................................28 Uitwerking deelproblemen: ..............................................................................................29 7.1 Deelprobleem 1 Het drie ring systeem ..........................................................................29 7.1.1 Inleiding ................................................................................................................29 7.1.2 Het werkingsprincipe ............................................................................................30 7.1.3 Problemen die kunnen optreden in het ontwerp ..................................................30 7.1.4 De oplossingen .....................................................................................................31 7.1.5 Nadelen of neveneffecten ....................................................................................33 7.1.6 Conclusie ..............................................................................................................33 7.2 Deelprobleem 2 Lijnsoorten ..........................................................................................34 7.2.1 Inleiding. ...............................................................................................................34 7.2.2 Materialen. ............................................................................................................34 7.2.3 Vlecht- en weeftechnieken. ..................................................................................34 7.2.4 De eisen. ..............................................................................................................35 7.2.5 Verbeteren van de lijnen. .....................................................................................36 7.2.6 Nadelen ................................................................................................................37 7.3 Deelprobleem 3 Canopy soorten ..................................................................................37 7.3.1 Doelstellingen .......................................................................................................38 7.3.2 Probleemstelling ...................................................................................................38 7.3.3 Treksterkte ...........................................................................................................38 7.3.4 Gedrag bij stootbelasting .....................................................................................39 7.3.5 Slijtage eigenschappen ........................................................................................39 7.3.6 Weersbestendigheid ...........................................................................................40 7.3.7 Conclusie ..............................................................................................................40 8 Conclusies .........................................................................................................................42 9 Literatuurlijst .....................................................................................................................43 9.1 Boeken ..........................................................................................................................43 9.2 Sites ..............................................................................................................................43 10 Bijlagen ................................................................................................................................44 10.1Verslag van bezoek aan expert .......................................................................................44 10.3Ontwerpschetsen voor 3 ring systeem ............................................................................48 TU

UT

5 6 7

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

TU


UT

UT

2


Scriptie

1


2002

SAMENVATTING

1.1 Samenvatting nederlands In deze scriptie wordt een parachute behandeld. Een parachute remt de val van mensen of voorwerpen zodat deze met een veilige snelheid de grond bereiken. Om dit vallen zo veilig, beheersbaar en comfortabel mogelijk te maken spelen een hoop elementen mee. In de loop der jaren zijn deze elementen uitgebreid onderzocht. Toch komt het wel eens voor dat er wat mis gaat. Enkele van deze faalvormen worden omschreven en er wordt behandeld hoe de kans hierop vermindert zou kunnen worden. Om dit goed te kunnen doen wordt er eerst uitgebreid naar de functie van de verschillende onderdelen gekeken. En beschreven wat het huidige materiaalgebruik is en de huidige fabricagemethoden zijn. De meest toegepaste materialen in een parachute (nylon, polyesters en kevlar) worden uitgebreider behandeld. Na de analyse van de huidige situatie, wordt gekeken hoe de functie op bepaalde punten beter vervuld zou kunnen worden door middel van andere materialen, vervaardigingtechnieken of geometrie. Hierbij wordt er specifiek op drie problemen ingegaan. Namelijk het beperken van het falen van het drie-ring-systeem, het verbeteren van de eigenschappen van de lijnen en het verminderen van de kans op scheuren van de canopy. Als eerste wordt er gekeken naar het drie-ring-systeem. Dit systeem berust op een hefboom- en katrolwerking, en heeft in theorie en hoge overbrengverhouding. Een nauwkeurige positionering is dan vereist. Dit is niet altijd het geval. De metalen ringen zitten aan nylon lussen, die vrij veel rek hebben. Dit wordt opgelost door elke losse ring en lus te integreren tot één metalen onderdeel. Als tweede wordt er gekeken naar hoe je de eigenschappen van de lijnen meer op die eisen van rek en treksterkte kan laten aansluiten. Hiertoe wordt een variant op het weven met kern aangedragen. Waarbij de vezels, die de kern vormen, vervangen worden door een vezel met meer rek (Zytel-ST801W-BK195, DuPont). De vezels die eromheen worden geweven kunnen worden vervangen door een vezel, die heel goede sterkte-eigenschappen heeft (Dyneema SK65 110dTex, DSM). En als laatste wordt er gekeken hoe je de kans op het scheuren van de stof van de canopy kunt verminderen. Er worden een aantal oplossingen geboden maar het blijkt dat toevoeging van een de juiste combinatie van pigment en weekmakers aan het nylon de meeste voordelen heeft. Verhogen van de molecuulmassa is vanwege kostenoverwegingen niet aan te raden, glasvezels toevoegen niet vanwege de vermindering in rek en de verminderde weerstand tegen slijtage.


3


Scriptie


2002

1.2 Summary english In this report a parachute is discussed. A parachute slows down the velocity of humans or products, so they can reach the ground in a safe speed. To make this fall so safe, controllable and comfortable as possible, a lot of factors are important. A lot of research is done for these elements. Still this doesn’t prevent accidents from happening. In this report some of the failures are described. It is discussed how the chance they will occur can be decreased. For this, the function and current use of materials and manufacturing of the different elements is first closely investigated. The most common materials of the parachute (nylon, polyester and Kevlar) are discussed more extensively. After the analysis of the current situation, there is a closer look at some particular elements to improve their function by using different materials, methods of manufacturing or geometry. Specifically there are considered three main problems. These problems are: To decrease the failure of the three-ring-system, to improve the properties of the lines and to decrease the chance of tearing of the canopy. At first is discussed the three-ring-system. This system is deposited at a lever and pulley philosophy, and in theory it has a high transfer-ratio. It is required that the positioning is very exact. This isn’t always the case. The metal rings are attached to nylon webbing loops, which have a lot of stretch. This is solved by combining each ring and loop to one single metal part. Secondly is discussed how you can make the properties of the lines fit more to the demands which come from, strain and elongation. This is solved by a variant of the weaving with core method. The fibers, that compose the core, are replaced by fiber with a higher elongation (ZytelST801W-BK195, DuPont). Roundabout the core are weaved fibers, which possess good strength properties (Dyneema SK65, DSM). Finally there is discussed, how to decrease chance of tearing of the cloth of the canopy. There are a number of solutions, but it appears that adding a precise combination of pigment and fabric softeners give the best properties for the canopy.


4


Scriptie


2002

2 INLEIDING Voor u ligt de eindscriptie behorende bij het vak IDE 442 Materialiseren. Bij dit vak wordt van de deelnemende studenten verwacht, dat zij in groepsverband, het traject van materialisatie van een product doorlopen. Hierbij wordt met name aandacht geschonken aan de volgende 4 begrippen: Functie, Materiaal, Vervaardiging en Geometrie en hun onderlinge samenhang in de totstandkoming van een nieuw product. Het product dat hier beschreven wordt is de parachute, dit product valt binnen het centrale thema, ‘sport en funsport’. Omdat niemand in onze groep ervaring had met een parachute, zijn we eerst informatie gaan verzamelen over de parachutes, en het fenomeen parachute springen. We hadden het gelukt dat we een echte parachutefanaat leerden kennen. Die ons alles wou uitleggen over zijn grote passie. Bovendien kon hij ons aan een veel nuttige informatie helpen. Dit was een goed uitgangspunt om de parachute en de materialen die daarin gebruikt worden verder te analyseren. In deze scriptie wordt allereerst ingegaan op de algemene werking van een parachute en de benaming van alle onderdelen. Daarna worden de huidige alternatieven voor de materialen en fabricagemethoden voor de onderdelen uiteengezet. Vervolgens word er op een aantal materialen dieper ingegaan. Na deze analyse worden een aantal deelproblemen onder handen genomen. Tot slot kunnen eventuele aanbevelingen tot verdere uitwerking of studie gedaan worden.


5


Scriptie

3


2002

ALGEMENE INLEIDING OVER DE PARACHUTE

3.1

Benaming onderdelen

2

14 3 13

1 12

4

5 7

6

8 10

9 11

Om In de teksten de juiste termen te kunnen gebruiken zullen nu eerst de namen van alle belangrijke onderdelen worden genoemd. Verderop in de tekst is te lezen welke functie zij hebben. 1

Canopy

Deze bestaat uit 2 lagen stof verbonden door ribben

2 3 4

Rib Cel Stabilisator

De ruimte afgescheiden door twee dragende ribben Aan de zijkanten van de canopy bevestigd

5 6 7 8 9 10 11 12 13

Draaglijnen Stuurlijnen Slider connector link risers Stuurlussen Harnas Bag bridle

14

pilot chute

Bestaat uit 4 groepen lijnen Bevestigd aan achterrand Heeft metalen ringen die over de 4 lijngroepen glijden Verbinding lijnen en risers Afstandhouders tussen de lijnen en het harnas Handvaten van de stuurlijnen Verzameling banden en gespen die het lichaam ondersteunen Bevat de canopy tijdens de openingsvoortgang Afstandhouder tussen canopy en pilotchute of staticline trekt ook de pin uit de container Kleine canopy (soms met springveer)

Enkele belangerijke onderdelen staan niet in het plaatje. Dit zijn: 15

Container

16 17 18

Noodontkoppeling Reservechute Automatische opener


Bevat de canopy lijnen, reserve parachute en automatische opener. Koppelt de hoofdchute en risers los van het harnas Een complete extra set van pilot, canopy, lijnen en stuurlijnen. Deze bevindt zich in een compartiment naast de hoofdchute

6


Scriptie

3.1.1


2002

De canopy De behandelde parachute is de zogenaamde square (of matras). Dit is op dit moment het allermeest toegepaste type parachute. De koepel parachute wordt nog slechts toegepast voor zeer specifieke doeleinden. De square heeft een rechthoekige vorm die wordt gevormd door een boven- en onderhuid die met elkaar zijn verbonden door ribben. De ribben hebben een zodanige vorm dat de dwarsdoorsnede van de canopy een vleugelprofiel is. (Zie figuur 1) Omdat de gebruikte doek van zichzelf geen stijfheid heeft is een andere wijze nodig om de vorm van de canopy te handhaven. De ribben, de bovenhuid en de onderhuid vormen samen luchtkamers die door openingen aan de voorzijde van de canopy worden gevuld en op druk worden gehouden. (Zie figuur 2)

Figuur 1

Figuur 2

Er zijn gaten in de ribben zelf aangebracht om de druk in dwarsrichting beter te verdelen. De canopy is op de naden en de bevestigingspunten voor de lijnen verstevigd met dunne nylon banden (tapes) 3.2 Het gebruik van de parachute. De functie van de parachute is af te leiden uit de naam. Para = tegen Chute = vallen. De parachute remt de val van mensen of voorwerpen zodat deze met een veilige snelheid de grond bereiken. De parachute heeft veel gebruiksmogelijkheden. In dit verslag zal alleen de sportparachute behandeld worden. Het gebruik van de sportparachute bestaat uit de volgende fasen. 3.2.1 De openingsvoortgang Openingsvoortgang is de Nederlandse term die gebruikt wordt voor het meest essentiële fase van het gebruik van de parachute. Onderstaand zullen alle gebeurtenissen die plaats vinden tijdens het openen worden omschreven. De openingsvoortgang wordt gestart door de pin die de container sluit weg te trekken. Dit kan op diverse manieren gebeuren. D.m.v. een static line, een ripcord of het weggooien van de pilot. De container opent. Nadat eerst de pilot vrijkomt begint deze de bridle te strekken. Aan de bridle zit de bag waarin de canopy zich bevindt. Deze wordt door de pilot uit de container getrokken.


7


Scriptie


2002

Bag

De bag houdt de canopy gesloten terwijl de lijnen zich strekken. Wanneer de lijnen volledig zijn gestrekt ontgrendelen ze de bag. Bag

Canopy

De pilotchute trekt nu de bag van de canopy De canopy zal zich nu openen door de luchtstroom.


8


Scriptie


2002

Slider

Slider

De slider heeft twee functies. Het groepeert de lijnen zodat zij minder snel verwarren en hij voorkomt dat de canopy te snel opent en een te grote schok veroorzaakt. De slider is een rechthoekige lap stof die op zijn hoekpunten gaten heeft die over de lijnen heenschuiven. Deze gaten houden de lijnen bij elkaar zodat het oppervlak van de canopy dat kan uitvouwen klein is. Naarmate de canopy verder opent zullen de lijnen gespreid worden en zal de riser naar beneden worden geforceerd. De cellen vullen zich en het profiel komt tot stand. De springer checkt of alles goed is verlopen Daarna pakt hij de stuurlussen en vliegt naar de landingsplaats 3.2.2 Sturen Het sturen gebeurt door het afremmen van een zijde van de chute. Het afremmen gebeurt door het naar beneden trekken van de achterrand via een van de stuurlijnen.

3.2.3 Het landen Het landen wordt makkelijker gemaakt door het, aan twee zijden gelijktijdig afremmen van de parachute. Hierbij wordt de horizontale snelheid verlaagd. Tegelijk krijgt de parachute meer lift waardoor de daalsnelheid ook afneemt. Dit is slechts tijdelijk totdat de voorwaartse snelheid te laag wordt en de parachute overtrekt (stalling) Op dit moment is zowel de voorwaartse als de neerwaartse snelheid minimaal en kan men veilig landen. 3.2.4 Faalvormen en noodprocedures Tijdens de sprong is de grootste noodsituatie het niet openen van de parachute. Hier kunnen vele verschillende oorzaken voor zijn. De meest voorkomende zijn: gedraaide lijnen, verknoopte lijnen, eindcelsluiting, vastzittende slider, streamer (het niet openen van de canopy) en een vastzittende bag. Er zijn noodprocedures om deze oorzaken te corrigeren. Wanneer de correctie geen effect heeft moet de hoofdparachute zo snel mogelijk worden losgemaakt van het harnas. Hierna kan de reserve parachute worden getrokken. Het is van het grootste belang dat de weigerende hoofdparachute de reserveparachute niet in de weg zit, omdat zij anders grote kans maken verstrikt te raken in elkaar.


9


Scriptie


2002

3.3 Eisen voor veilig en comfortabel functioneren De ontwerper van de parachute heeft het volgende doel: het produceren van een product dat betrouwbaar is onder diverse condities en over een groot bereik aan snelheden. Het product moet een lage openingsschok hebben, een goed stuurbare en niet oscillerende afdaling. En een zachte landing. Dit alles moet bereikt worden met een zo laag mogelijk gewicht en volume Hiervoor is het nodig de volgende eigenschappen specifiek te bepalen. 1. Gewicht 2. Volume 3. De canopy vorm tijdens de afdaling 4. De aerodynamische eigenschappen (liftkracht versus valweerstand) 5. Glijhoek (hangt samen met aerodynamische eigenschappen) 6. Stabiliteit (demping, maximale oscillatie hoeken en marges ) 7. Openingstijd (deze hangt samen met openingsafstand die relevanter is) 8. Kritische openingssnelheid 9. Openingskrachten (Snatching force bij lijnen gestrekt. Opening shock bij openen canopy) 10. Systeem belastingen (sterktes en spanningen in lijnen en doek) 11. Produceerbaarheid 12. Omgevingsafhankelijke materiaaleigenschappen. (temperatuur, kruip, vochtigheid. 13. Bediening. (krachten, uitslagen en bereikbaarheid) Voor veel van deze eisen zijn verdere uitwerkingen te vinden in de literatuur. In dit geval; de US Military specifications, de Technische standaard springuitrustingen en de PIA regulations. Hierin worden voor specifieke onderdelen eisen gesteld zoals bijvoorbeeld: minimaal toelaatbare belastingen, openingsschok, oscillatie toleranties, trekkracht voor ripcord, etc. Ook worden veel testprocedures omschreven om deze waarden eenduidig te kunnen meten. 3.3.1 Prestaties Bovenstaande eisen kijken vooral naar veiligheid en comfort. Echter er is nog een categorie waarin de gebruikers van parachutes wensen hebben. Namelijk: prestaties. Voor de meeste gebruikers is dit zelfs het eerste waar naar wordt gekeken. Prestaties hebben ook veel met veiligheid te maken. Om de prestaties te kunnen beïnvloeden ga je (binnen grenzen) variëren met allerlei eigenschappen. Dit kunnen zijn vliegeigenschappen, bediening of andere materialen. Bij een parachute voor leerlingen moeten de marges in alle richtingen zo groot mogelijk zijn. Een ervaren springer wil juist extra prestaties op een specifiek gebied. (precisiespringen of snelheid) De laatste zal over het algemeen minder marge (nodig) hebben. De diversiteit aan mogelijke variaties is te groot om hier te beschrijven. Hiervoor wordt verwezen naar de Poynter en naar de folders van de diverse Parachutefabrikanten.


10


Scriptie

4


2002

BESCHRIJVING HUIDIGE ALTERNATIEVEN: CONSTRUCTIES EN MATERIALEN

4.1 Canopy: De canopy heeft als functie de val van de parachutespringer te vertragen. De eerste koepels hadden de vorm van een halve bol. Deze waren uitgevoerd met een gat bovenaan, om de ingesloten lucht te laten ontsnappen. Zonder dit gat zou de lucht aan weerszijden van de koepel moeten ontsnappen, wat gepaard gaat met een heen en weer slingerende beweging. Tegenwoordig hebben koepels de vorm van een matras. Permeabiliteit, veerkracht en slijtagevastheid zijn belangrijke eigenschappen die bepalen welke materialen voor de parachutestof kunnen worden gebruikt. 4.1.1 Materialen: De eerste parachutes werden gemaakt van natuurlijk materialen, zoals: katoen, zijde, linnen of dergelijke stoffen. Na de eerste wereld oorlog werd zijde het meest gebruikte materiaal omdat het de beste eigenschappen heeft op gebeid van treksterkte en gedrag bij stootbelasting. Bovendien was zijde het sterkst voor zijn gewicht en volume. Tegenwoordig worden deze materialen niet meer gebruikt omdat er met de huidige materialen nog veel betere eigenschappen te verkrijgen zijn. Door additieven toe te voegen aan synthetische vezels kun je de eigenschappen van je vezels bijna exact aan laten sluiten bij je eisen. De materialen die hier tegenwoordig voor gebruikt worden zijn vooral Nylon 6-6, Kevlar, Dacron, Nomex en Dynema. 4.1.2 Fabricage: Het doek voor de canopy wordt geweven. Het weven gebeurd niet meer met shuttle, maar de draad wordt met water of luchtstoten door het weefgetouw voortgedreven. Het weven van vezels heeft grote voordelen boven bijvoorbeeld een vel van hetzelfde materiaal. Het resulteert in een meer flexibel materiaal, met grotere scheurweerstand. Deze voordelen komen voor uit het feit dat een geweven materiaal een heroriënterend vermogen heeft. Dit betekent dat wanneer een scheur ontstaat de vezels over elkaar glijden, waardoor de krachten op een groter oppervlak worden geabsorbeerd. Coatings kunnen dit vermogen verminderen. Het meest gebruikelijke patroon is een plain weave. Hierdoor krijgt het materiaal vergelijkbare sterkten in beide richtingen. Het vlakpatroon wordt geweven door middel van het een-op / eenneer principe, de filling yarn gaat iedere keer onder 1 warp yarn door en over heen warp yarn heen. Een variant op deze plain weave is het ripstop-principe. Hierbij wordt er met bepaalde intervallen een sterker garen meegewogen. Dit garen zorgt ervoor dat scheuren stoppen bij het sterkere garen. Hierdoor zal een scheur zich minder snel uitbreiden. Het tweede soort weven is twill weave, waarbij een diagonale lijn ontstaat. Deze ontstaat omdat de filling yarns over meerder warp yarns tegelijk gaan. Het derde soort is de satin weave en deze is zo geweven dat er een zo glad mogelijk oppervlak ontstaat. 3.1.2 Nabewerkingen Vroeger werd na het weven word de stof gebleekt, gekalanderd en kreeg het een warmtebehandeling. Dit proces duurt ongeveer 3 maanden. Kalanderen is een proces waarbij met rollen onder druk en temperaturen boven de 93°C de vezels van de stof dichter bij elkaar worden gebracht en worden uitgespreid. Hierdoor en door de coating die het doek nog krijgt, wordt de permeabiliteit bepaald. Tegenwoordig wordt het kalanderen achterwege gelaten omdat het de vezels beschadigt. De huidige coatings maken het desondanks mogelijk om alle gradaties van permeabiliteit te bereiken. De coatings zijn op acrylbasis, op basis van urethaan polymeren of op basis van siliconenpolymeren. De acrylpolymeer fixeert de vezels waardoor de scheurweerstand wordt verlaagd. Siliconen polymeren verbeteren juist de scheurweerstand. Wanneer de permeabiliteit te laag wordt is een parachute heel moeilijk in te pakken, bovendien zal het opengaan van de parachute ook verhinderd worden. Meestal heeft het een permeabiliteit van 1-3 CFM. Coatings slijten snel.


11


Scriptie


2002

4.2 Lijnen: Er zijn verschillende soorten lijnen, suspension lines en cascade lines. De ene soort is er om de parachutist te dragen, de andere is er om te sturen. Wat voor beide soorten belangrijk is, is dat voorkomen wordt dat er een knik in de lijnen komt of dat ze draaien, zodanig dat de lijnen in elkaar verstrengeld raken. De andere eisen gaan vooral over de dragende lijnen. 4.2.1 Eisen: Wat betreft de treksterkte (breaking strenght), worden natuurlijk alleen aan de dragende lijnen hoge eisen gesteld. Een andere belangrijke eis aan de dragende lijnen wordt gesteld is de lijnverlenging. Doordat de lijn rekt neemt deze energie op tijdens de opening van de canopy. Dit verzacht de klap die de parachutist te voorduren krijgt op het moment dat de lijnen strak komen te staan. Tijdens deze energieopname mogen de lijnen eigenlijk alleen elastisch vervormen. Plastische vervorming zou namelijk tot gevolg hebben dat niet alle lijnen dezelfde lengte meer hebben, wat het sturen zeer bemoeilijkt. Over de lijnen glijdt de riser. De metalen ringen van de riser glijden langs de kunststof lijnen. De slider en de lijnen moeten zo weinig mogelijk wrijving opwekken, een zo glad mogelijk oppervlak van de lijnen is dus wenselijk. Helemaal geen wrijving zal echter nooit optreden, daarom zal het kunststof van de lijnen bestand moeten zijn tegen de temperaturen die daarbij opgewekt worden. 4.2.2 Materialen: De materialen die nu voor de lijnen gebruikt worden zijn Nylon, Dacron en Kevlar. Dit zijn dezelfde stoffen die gebruikt worden voor het de canopy. Door de totaal verschillende manier van verwerken zijn er toch hele andere eigenschappen te verkrijgen. Ook door net andere grades van het materiaal te kiezen. 4.2.3 Fabricagemethode: De breaking strenght is heel erg afhankelijk van het soort materiaal dat gebruikt wordt. De breaking strenght en het vermogen niet te knikken of te draaien is ook afhankelijk van de manier waarop de lijn gevlochten is. De drie meest voorkomende koorden zijn: een holle lijn, een holle lijn met kern en een gevlochten lijn. Een gevlochten lijn is het meest efficiënt qua krachtdoorleiding per gewicht en volume, maar door zijn ruwere oppervlak zal deze makkelijker verstrengeld raken. Een holle lijn met kern is beter bestand tegen verstrengelen en draaien. 4.3 Tapes en Webbing Tapes en webbing zijn allebei geweven stroken. Webbing is een brede en dikke band bedoeld om harnassen mee samen te stellen. Tapes zijn de lintachtige banden die gebruikt worden om doek mee te verstevigen. 4.3.1 Eisen: Aan de webbings worden hoge eisen gesteld. Er komen zeer grote krachten op te staan als parachute wordt uitgeworpen, daarom moeten ze over een hoge treksterkte beschikken, want door deze krachten mag hij niet snel slijten. En mocht er dan toch een scheur in het weefsel ontstaan, mag deze niet verder uitrafelen. Ook de wrijvingseigenschappen komen kritisch, zo moet het oppervlak moet voldoende grip geven om gespen te laten functioneren. Echter klittenband ”hooks” mogen de webbing niet te veel kunnen beschadigen. De eigenschappen van het materiaal mogen niet beïnvloed worden door vocht. Voor de harnassen moeten meerder webbings aan elkaar worden genaaid, dat vereist een goede verwerkbaarheid met naaimachines. 4.3.2 Materialen De gebruikte materialen kunnen zijn: Katoen en Nylon. Katoen is helaas gevoelig voor schimmels en heeft een lagere soortelijke sterkte dan nylon. Tegenwoordig wordt nylon daarom bijna universeel toegepast. De typische materiaaleigenschappen die in de webbing tot hun recht komen zijn de hoge treksterkte en het gladde oppervlak.


12


Scriptie


2002

4.3.3 Fabricage: Door tijdens het weven van de band in de randen een extra draad wordt mee te vlechten kun je voorkomen dat de band uit zal rafelen als er een scheur in komt. Deze methode heet “needle woven”. De band vormt bij rafelen een knoop die het rafelen vertraagd of stopt. Alle tapes en webbings worden gevlochten met een selvage edge. Voor specifieke toepassingen is het mogelijk om holle buizen te weven deze hunnen dienen voor het doorleiden van koorden. Omdat een tubular webbing “geen” rand heeft is deze minder gevoelig voor inscheuren. 4.3.4 Nabewerkingen Er zijn verschillende coatings toe te passen. Het doel hiervan is het beschermen van de band tegen vocht en vuil en het verlagen van de wrijvingsweerstand. De coatings kunnen op latex basis (tegen vuil en vocht) zijn of op hars basis (tegen vocht en wrijving). 4.4

Polyester

4.4.1 Geschiedenis 1[1] De eerste polyesters zijn in 1953 op de markt gebracht, onder de naam Dacron, van de fabrikant du Pont. De eerste bevindingen op het polyester gebied waren echter al in 1923. DuPont heeft er toen voor gekozen om zich meer te concentreren op het veelbelovende nylon. Toen DuPont zijn polyester onderzoek weer opvatte, had ook Imperial Chemical Industries, Terylene polyester gepatenteerd. In 1945 kreeg Dupont de rechten kreeg om polyester verder te ontwikkelen. In 1950 werd een project opgezet waarbij Dacron werd geproduceerd met de nylontechnieken aangepast op polyesters. Vanaf die tijd worden polyesters veel toegepast in textiel en voor industriële doeleinden. TP

PT

4.4.2 Structuur 2[2] Polyester is te definieerden als het product van polycondensatie van dicarbon zuren (-COOH), met dihydroxy alcohols (-OH). De meeste polyesters zijn onverzadigd, dit komt door het gebruik van onverzadigde dicarbonzuren, maar het kan ook komen door onverzadigde alcohols. Deze onverzadigde polyesters kunnen gemodificeerd worden met monocarbon zuren, monohydroxy alcohols en kleine hoeveelheden polycarbon zuren. In onderstaande tabel is de molecuul structuur van een aantal van deze verzadigde polyesters te zien. TP

PT

In deze tabel is ook het moleculairgewicht te zien. Over het algemeen geld, hoe lage het moleculairgewicht hoe functioneler het polyester wordt. Zo worden polyesters met een laag moleculairgewicht en een hoge hydroxy groep gebruikt als binders voor coatings met een lage oplossingsgraad. Als ze geneutralizeerd worden met amines, worden ze in water oplosbaar en kunnen ze gebruikt worden voor binders in coatings op waterbasis.

1[1] TP

PT

2[2] TP

PT

www.dupont.com

HTU

UTH

Groene boek, ben vergeten gegeven op te schrijven, karst heeft die wel


13


Scriptie


2002

Figuur 1 de molecuul structuur van verzadigde polyesters

4.4.3 Fabricage: Polyester vezels worden gemaakt door middel van het melting-spinningproces. De polymeren worden hierbij direct gesponnen tot vezels. Eerst wordt het polymeer gewassen met alcohol, aceton of water, om alle onzuiverheden te verwijderen. Daarna wordt de smelt door kleine openingen geextrudeerd. Met conventionele methoden kunnen de aromatische polyester vezel gesponnen worden met een gemiddelde snelheid van 100-2000 yards per min. Om degradatie van het polymeer te voorkomen moet tijdens deze extrusie het smelt tussen smelttemperatuur en degradatie temperatuur gehouden worden, Door de smelt door kleine openingen te laten stromen worden de mechanische eigenschappen minder. Om de moleculaire oriëntatie en dus ook de eigenschappen van het materiaal verbeteren, kun je gebruik maken van de stijfheid van het vloeibare polymeer. Door de smelt over een plaat met gaten lopen waarin speciaal gevormde gaten zitten. Deze gaten zijn gekromd of conisch gevormd, met een hoek van 20-45 º, waarbij de ‘uitgangsdiameter’ 75-150 µm. Hierdoor worden de natuurlijke orientatie die polyester bevat niet beschadigd. Warmtebehandeling: Om eigenschappen van polyesters te verhogen kun je ze een warmtebehandeling geven. De polymeren hebben smelttemperaturen van 213-299 ˚ C. De pas gesponnen vezels worden verhit tot 150-230 ˚, gedurende 3,5 tot 7 uur, onder weinig of geen spanning. De temperatuur van de warmtebehandeling ligt dus dicht bij de smelttemperatuur, bovendien duurt hij zeer lang, vergeleken bij de traditionelere verhardingsprocessen door middel van hitte. Door de vezels te


14


Scriptie


2002

coaten met een kleine hoeveelheid niet organische zouten voor de hittebehandeling, kan de tijd van de behandeling aanzienlijk naar beneden worden gebracht. 4.4.4 Eigenschappen 3[3] Door het crosslinken met verschillende monomeren kun je de eigenschappen van het polyester aanpassen. In onderstaand figuur is te zien welke monomeer je moet toepassen om een bepaalde eigenschap te verkrijgen. TP

PT

Figuur 2 De invloed van monomeren op de eigenschappen van polyesters

Kristallijniteit: De kristallijne gedeelten zorgen voor de grote sterkheid van de vezels, factoren die de kristallijniteit van de polymeren beïnvloeden zijn dus belangrijk. Polyesters met een regelmatige structuur (homopolyesters, verkregen uit polymehtyleen glycerol en polymethyleen dicarbonzuur), hebben een hogere kristalijniteit, en zijn dus eventueel beter toepasbaar voor de parachute. 4.4.5 Weers- en UV-bestendigheid: Vanwege hun verzadigde structuur hebben verzadigde polyesters een goede weersstabiliteit. Toch kan deze en vooral UV-bestendigheid nog verhoogd worden door de juiste keuze van specifieke monomeren. Zie figuur 1 4.4.6 Flexibiliteit en hardheid. Polyesters op basis van aromatische dicarbon zuren hebben een zeer hoge hardheid, en krasvastheid. Terwijl dicarbonzuren, met een open keten structuur zorgen voor flexibiliteit. Cyclische monomeren, met een open keten-structuur, zorgen voor een balans tussen hardheid en flexibiliteit. Bovendien zorgt een hoge moleculair gewicht ook voor een beter flexibiliteit, terwijl een laag moleculair gewicht brosheid veroorzaakt. Voor de verschillende onderdelen van de parachute zijn flexibiliteit en hardheid van belang, brosheid moet worden voorkomen. Een

3[3]

resins for coatings, chemistry, properties and Applications, edited bij Dieter Stoye and Werner Freitag, Hanser Publishers, Munich Vienna NewYork, 1996) TP

PT


15


Scriptie


2002

polyester op basis van cyclische monomeren met een open keten structuur, is dus aan te raden, waarbij een hoog moleculair gewicht belangrijk is.

Figuur 1 Lijst met monomeren

Figuur 2 Lijst met commerciële nylons

4.5 Nylon Alle nylons zijn polyamiden, dat wil zeggen polymeren met een amide groep -CONH- die herhaaldelijk in de keten voorkomt. De term nylon wordt tegenwoordig gebruikt om de materialen mee aan te duiden die via een smeltproces tot vezels, films en andere eindproducten zijn verwerkt. De eerste nylon, PA-66, werd in 1938 door DuPont ontwikkeld en deze maakt samen met PA-6 nog altijd 90% uit van de totale wereldproductie aan nylon. Het getal achter de aanduiding PA, geeft het aantal koolstofmoleculen weer van de monomeren waaruit de polymeer wordt gevormd. Een aantal monomeren zijn in figuur 1 weergegeven, figuur 2 geeft een lijst met veel gebruikte nylons weer. De eerste reeks nylons hadden allen een lineaire ketenstructuur.

4.5.1 Eigenschappen van nylon Nylons hebben goede eigenschappen wat betreft:


16


Scriptie


2002

sterkte stijfheid slijtage gevoeligheid chemische weerstand lage wrijvingscoëfficiënt Nylons zijn gemakkelijk aan te passen door: verandering van de molecuulmassa (ketenlengte) co-polymerisatie additieven Er is een grote variëteit aan additieven zoals versterkers, vuurvertragers, weekmakers pigmenten, enz. In figuur 3 is weergegeven hoe deze additieven de eigenschappen van het nylon beïnvloeden.

Figuur 3 additieven en hun effect op de eigenschappen van nylon

4.5.2 Factoren die nylon beinvloeden Er zijn zeer veel factoren die voortkomen uit de productie, de toepassing en de gebruiksomgeving, die de eigenschappen van het nylon sterk kunnen beïnvloeden. Bijv: Geometrie van het product (scherpe hoeken/geometrieovergangen) Productie (vervuiling / temp. Van de smelt / spuitdruk / oriëntatie van de moleculen) Omgevingsfactoren (temperatuur / vochtigheid / uv-straling) Belasting (statisch of dynamisch / duur / snelheid) Daarnaast speelt bij al deze factoren tijd een belangrijke rol met betrekking tot de veroudering en vermoeiing van het nylon. Enkele van de relevante factoren voor de parachute zullen kort worden behandeld.


17


Scriptie

4.5.3


2002

Vocht

Figuur 4 Effect van vochtigheidsgraad op eigenschappen nylon

Figuur 5 Vochtopname voor enkele nylons

Een belangrijke invloed op de eigenschappen van nylons is de relatieve vochtigheidsgraad van de omgeving waarin de nylon wordt gebruikt. Nylon neemt gemakkelijk vocht op wat invloed heeft op verschillende eigenschappen. De mate waarop nylon vocht opneemt is afhankelijk van het soort nylon en de kristalliniteitsgraad en de dikte, de relatieve luchtvochtigheid van de omgeving en de temperatuur en de tijdsduur van blootstelling. Verlaging van temperatuur, een hogere kristalliniteitsgraad en vulstoffen, hebben een lagere vochtopname ten gevolg.


18


Scriptie


2002

Figuur 6 Glasovergangstemperaturen voor enkele nylons

Figuur 7 Invloed van vocht en temperatuur op E-modulus

4.5.4 Temperatuur Nylons hebben een lage glasovergangstemperaturen (zie figuur 6). Naarmate de verhouding methyleen/amide groter wordt , gaat de T-glas over het algemeen naar beneden. Aromatische ringen verhogen de T-glas juist. Vocht verhoogd de T-glas van nylon. Bij zeer lage temperaturen maakt vocht de nylon stijver en minder taai dan wanneer het nylon droog is. Dit is voor PA-66 en PA-612 te zien in figuur 7.


19


Scriptie

4.5.5


2002

Reksnelheid

Figuur 8 Treksterkte bij hoge reksnelheid

In figuur 8 zijn van een aantal nylons de treksterkten gegeven bij hoge reksnelheid. Er zijn 2 soorten resultaten, de short en de long, welke verschillende proefstukken representeren. De data kan dus alleen onderling worden vergeleken.

Het verhogen van de molecuulmassa (grotere ketenlengte) van PA-66 vergroot de treksterkte onder hoge reksnelheid. De toevoeging van glasvezels aan PA-6 en PA-66 verlaagd juist de treksterkte onder hoge reksnelheid. 4.5.6 Vermoeiing Nylons bezitten zeer goede weerstand tegen vermoeiing daar nylons hoge weerstand tegen scheurvorming hebben. Vocht heeft een nadelig effect op de vermoeiingsweerstand, lage temperaturen hebben echter een positief effect. Glasversterkte nylons hebben een nog hoger weerstand tegen vermoeiing. Dit heeft vooral effect op de sterkte bij hoge reksnelheden. Gewoon PA-66 geeft bij hoge reksnelheden een plotselinge daling van het aantal belastingscycli tot breuk, terwijl het aantal cycli voor versterkt PA-66 dat leidt tot breuk veel minder snel afneemt bij hogere rek snelheden. 4.5.7

Slijtage

Figuur 9 Slijtageweerstand van enkele nylons


20


Scriptie


2002

Figuur 10 Percentage van de treksterkte behouden voor nylons met toegevoegd koolstof na 12 jaar blootstelling aan buitenlucht.

Nylon heeft een van de hoogste weerstanden tegen slijtage van alle kunststoffen. Deze weerstand kan nog worden vergroot door het toevoegen van interne glijmiddelen, versterkers en vulstoffen. Figuur 9 geeft de slijtageweerstanden van een aantal nylons weer. 4.5.8 Weersinvloeden Zoals de meeste plastics degradeert nylon onder invloed van ultraviolet licht en heeft zonder toevoegingen van stabilisatoren een slechte weerstand tegen weersinvloeden. Verweerd nylon wordt bros en verliest zijn sterkte. Ook de visuele aspecten van de kunststof gaan achteruit. Door de toevoeging van zwart pigment (koolstof) of glasvezels, verliest het nylon veel minder snel zijn sterkte. 4.6

Kevlar

Figuur 1 Ketenstructuur van een PPD-T molecuul

Kevlar aramide vezel, werd in 1972 door DuPont op de markt gebracht. Het woord aramide wordt gebruikt om een vezel mee aan te duiden waarvan ten minste 85% van de polymeerketens aan twee aromatische ringen vastzitten. Door de bindingen aan de ringen onderscheid een aramide zich van de andere polyamiden zoals nylon. Poly(p-phenyleen terephtgalamide) is het polymeer waaruit Kevlar bestaat. Deze wordt via een condensatie polymerisatie reactie uit p-phenyleen diamine (PPD) en terephthaloyl chloride (TCI) verkregen.

Figuur 2 Dry-jet wet spinning techniek voor vervaardiging Kevlar


21


Scriptie


2002

4.6.1 Vervaardiging Kevlar wordt vervaardigd via Dry-jet wet spinning techniek. Hierbij wordt een anysotropische oplossing geextrudeerd door een aantal gaten, via een luchtspleet in een bad. De zo verkregen draden worden gewassen, geneutraliseerd en gedroogd (zie figuur 2). De draden hebben door het extruderen en de trekspanning waaronder ze staan een zeer sterke orientatie van de polymeerketens en een hoge kristalliniteitsgraad. 4.6.2

Typen draden

Er zijn reeds veel verschillende typen Kevlar draden op de markt verschenen waaronder: Kevlar trek draad Kevlar 29 all-purpose draad Kevlar 49 hoge modulus draad Kevlar 68 gemiddelde modulus draad Kevlar 100 gekleurd draad Kevlar 119 hoge rek draad Kevlar 149 ultra hoge modulus draad Kevlar komt ook in vele verschijningsvormen op de markt (zie figuur 3).

Figuur 3 Verschillende Kevlar halffabrikaten.


22


Scriptie

4.6.3


2002

Eigenschappen

Figuur 4 Eigenschappen van enkele typen Kevlar draad

Kevlar draad heeft zeer goede sterkte eigenschappen vanwege de hoge kristalliniteitsgraad en de hoge mate van oriëntatie van de ketens. Kevlars branden niet en hebben een groot gebruiksgebied qua temperatuur, van –250 tot 160 ˚C. De temperatuur waarop de sterkte van Kevlar 29 is gehalveerd is 400 ˚C. Bij een temperatuur van 455 ˚C verliest dit type Kevlar al zijn sterkte. Figuur 5 geeft een overzicht van de belangrijkste sterkte-eigenschappen van een aantal soortendraden.

Figuur 5 Eigenschappen van enkele typen draad

4.6.4

Vermoeiing

Kevlar heeft een goede weerstand tegen vermoeiing. Figuur 6 geeft de vermoeiingscurve voor Kevlar 29. Voorbeeld: Een bundel draden weerstond 10 7 cycli op 80% van de nominale treksterkte. Echter 80 % van de draden waren gebroken. Bij een cyclische belasting op 60% van de nominale treksterkte waren er na 10 7 cycli geen enkele draad gebroken. P

P

P

P


23


Scriptie


2002

Figuur 6 Vermoeiingscurve voor cyclische trekbelasting op 30 Hz

Opvallend is dat de hoogte van de minimale belasting sterke invloed heeft op de tijd tot falen. Wanneer de minimale belasting van een cyclus nul is kan de levensduur halveren ten opzichte van een minimale belasting van 0,1x de maximale belasting. 4.6.5

Slijtage

Kevlar heeft een slechte weerstand tegen slijtage vanwege zijn zwakke laterale bindingskrachten. Vooral draden langs elkaar aan schuren of langs een metalen oppervlakte schuren ontstaan fibrillen, die vervolgens gemakkelijk breken. Kevlar producten kunnen worden bedekt met een dun laagje olie om ze tegen slijtage te beschermen. 4.7

Het Beslag

De hardware zijn alle metalen onderdelen, die gebruikt worden. Deze onderdelen zijn: De ringen, die de lijnen met het harnas verbinden, de gespen, die er zijn om het harnas in de juiste maat te verstellen en de klikverbindingen, die er zijn om de hoofdchute af te werpen. Deze onderdelen worden hoog belast op het moment dat de canopy wordt uitgevouwen.

4.7.1 Het materiaal. Het materiaal is laaggelegeerd koolstofstaal. De eigenschappen hardheid en taaiheid hangen af van het gewichtpercentage koolstof in de legering. Staal met een hoog koolstofgehalte, 0,5%1,0% C, is hard, maar relatief bros. Staal met een laag koolstofgehalte, <0,5% C, is minder hard, maar wel taaier. Het staal dat voor de parachuteonderdelen wordt gekozen heeft een gewichtpercentage koolstof van 0,4. Dit geeft de beste combinatie hardheid- taaiheid, met het oog op de krachten die het moet kunnen verdragen en de verwerkbaarheid. De legeringcomponenten zijn: Chroom 0,4-1,1%, Molybdeen 0,15-0,30% en Nikkel 0,25-0,70%. Deze toevoegingen zorgen ervoor dat het materiaal beter kan worden warmtebehandeld en hebben een lichte invloed op de hardheid-taaiheid eigenschappen.

4.7.2

Het fabricageproces.

1. smeden. Het werkstuk begint als een stuk stafmateriaal. Dit wordt middels vier stappen in de basisvorm gesmeed. Dit proces vindt plaats op 1000º Celsius. In de eerste twee stappen worden de zijkanten vlak gemaakt en in de derde en vierde stap wordt de vorm erin gesmeed en het


24


Scriptie


2002

restmateriaal weggesneden. Het voordeel van smeden is dat de kristallen na het smeedproces de vorm van de contour volgen. Dat zorgt ervoor dat het werkstuk sterker is dan wanneer het zou zijn gegoten.

Het smeedproces

2. warmte behandeling. Na het smeedproces krijgt het werkstuk zijn eerste warmtebehandeling. Deze behandeling is ervoor nodig om het werkstuk verder bewerkbaar te maken. Na het smeedproces hebben zich grote en in grootte variërende korrels gevormd, die het materiaal hard en bros maken. De warmtebehandeling is ervoor nodig om de korrelgrootte te verfijnen en gelijker te maken, ook worden de kristallen waaruit de korrels bestaan georiënteerd. Dit gebeurd op een temperatuur van ongeveer 900º Celsius en duurt een paar uur. Na afloop wordt het werkstuk met zwavelzuur afgekoeld, ook met de bedoeling om het werkstuk minder hard te maken en dus beter bewerkbaar. 3. uiteindelijke vorm. In de volgende stappen krijgt het werkstuk nog meer vorm. De kantjes worden eraf gesneden en de gaten worden erin geponst. Daarna worden de scherpe randen eraf geschuurd door het werkstuk met een schuurpoeder in een tuimelmachine te doen. Dit proces duurt 6 tot 24 uur, afhankelijk van het feit of het een complex onderdeel is en nog veel nabewerkt moet worden. Hierna worden complexe werkstukken nog gewalst, geboord en/of er wordt schroefdraad getapt, zoals dat gewenst is. 4. warmtebehandelingen. Het werkstuk heeft dan zijn uiteindelijke vorm, er worden dus geen vormveranderende processen meer op los gelaten. Om zo goed mogelijke sterkte-eigenschappen te verkrijgen, worden er twee warmtebehandelingen toegepast. De eerste warmtebehandeling heet normalisatie. Het werkstuk wordt opgewarmd tot ongeveer 900º Celsius, 50º Celsius boven de upper critical temperatuur. Wanneer het werkstuk op deze temperatuur zit, wordt het materiaal geausteniseerd. Dat wil zeggen dat er zich een Face Centered Cubic (FCC) kristalstructuur heeft gevormd. Het werkstuk blijft een uur lag op deze temperatuur zitten, zodat deze helemaal geausteniseerd is. Dan komt het afkoelen, het belangrijkste van het normalisatieproces. Tijdens het afkoelen wordt het austeniet omgezet in martensiet en perliet. Hoe sneller en gelijkmatiger dat gebeurt, des te meer martensiet wordt er gevormd. De ideale situatie is dat er alleen gemarteniseerde kristalstructuren gevormd worden, omdat deze de beste combinatie van hardheid en taaiheid eigenschappen opleveren. Om het werkstuk zo goed mogelijk af te laten koelen wordt olie als afkoelmedium gebruikt. De combinatie van de legeringtoevoegingen hebben ook invloed op het gelijkmatig afkoelen van het werkstuk. Na het normalisatieproces volgt de tweede warmtebehandeling. Het werkstuk wordt verwarmt tot 500º Celsius en blijft twee uur op die temperatuur zitten. Het martensiet wordt dan omgevormd tot een structuur van ijzer carbide deeltjes in een matrix van ferriet. Deze behandeling wordt temperen genoemd en zorgt ervoor dat het materiaal zachter en taaier wordt. Bovendien zorgt deze behandling ervoor dat de achtergebleven spanningen worden verlaagd. 5. nabewerkingen. Het werkstuk wordt nu gepolijst, weer in een tuimelmachine, maar nu met een fijner schuurmiddel. Als er dan nog scherpe puntjes opzitten worden die eraf gehaald. Daarna volgt een belangrijke inspectie. De werkstukken worden nagemeten. De toleranties hangen af van de functie van het onderdeel.


25


Scriptie


2002

Er volgt een schoonmaakbehandeling en dan is het werkstuk klaar om bepantserd te worden. 6. bepantsering. Het werkstuk wordt bepantserd met cadmium. Dit gebeurt met een elektrolysemethode (electrodeposition). Het werkstuk wordt in een alkaline-cyanide bad gelegd, het cadmium is de kathode , het werkstuk de anode. Dit proces vindt plaats op kamertemperatuur. Tijdens het bepantseringproces dringt waterstof, een ander onvermijdelijk product van de elektrolyse, het materiaal binnen. De waterstof tast het materiaal aan en zorgt ervoor dat het brosser wordt. Om dit te voorkomen moet de waterstof binnen vijf uur na de elektrolyse uit het werkstuk gebakken worden. Dit gebeurt in een oven. Het werkstuk wordt verwarmd tot 210º Celsius en blijft drie uur op die temperatuur. De cadmiumlaag is tussen de 5 en 10 µm dik. Deze laag is aangebracht, omdat het weerstand biedt tegen roesten, een lage wrijvingsweerstand geeft en, maar dat is van minder belang, een mooier oppervlak geeft. In contact met water slijt de cadmiumlaag langzaam af, maar met een laag van 5 µm gaat het onder huis-, tuin- en keukenomstandigheden jaren duren voordat er roest ontstaat. Een dunne laag cadmium op een hard oppervlak kan zich gedragen als een vast smeermiddel. Cadmium in combinatie met chroom levert een lage wrijvingscoëfficiënt op. Dit zijn uitstekende eigenschappen voor deze toepassing, namelijk het geleiden van banden en lijnen, die natuurlijk niet mogen slijten. Cadmium is helaas wel een zwaar metaal en een giftige stof. Na inneming met de mond, en ook bij inademing is het acuut gevaarlijk. Er zijn dan ook strenge eisen aan het gebruik van Cadmium. Voor de metalen parachuteonderdelen mag Cadmium (nog) wel gebruikt worden. Aan deze onderdelen worden hoge eisen gesteld, men eist ‘aircraft quality’. De federal specification, die voor de cadmiumbehandeling wordt gebruikt is: QQ-P-416. Het bepantseren met Cadmium kan vervangen worden door Verchromen of een combinatie van een coating, voor de corrosiebescherming en een methode om het oppervlak te harden. De verschillende coatings, die gebruikt kunnen worden zijn:,Zink, Aluminium, Tin, Nikkel en combinaties daarvan. De methoden, die gebruikt kunnen worden om het oppervlakte te harden, zijn carbonitreren, carboneren, cyanideren en nitreren. Bij deze methoden wordt Koolstof en Stikstof aan het oppervlak ingebracht. Boroniseren kan ook, in dat geval wordt Boron ingebracht. 7. testen. Na de bepantsering is het werkstuk af en kan het getest worden. Canopy releases en ringen moeten een belasting kunnen weerstaan van 2300 N. Het materiaal moet een hardheid van 170000 –190000 psi hebben. Dit is een onbekende eenheid van hardheid.


26


Scriptie

5


2002

PROBLEEMSTELLING

Verbeteringen in de parachute zijn o.a. aan te brengen in de prestaties en de veiligheid Prestaties: Prestaties zijn moeilijk als onderwerp in het vak materialiseren te behandelen omdat hierin vooral aërodynamische aspecten een rol spelen. Veiligheid is natuurlijk in de eerste plaats iets dat de springer zelf in de hand heeft door de beslissingen en handelingen die hij tijdens het gebruik van de parachute neemt. Echter een betrouwbare en voorspelbare werking wordt toch vooral bepaald door de combinatie; Functie, materiaal, vervaardiging en geometrie. De probleemstelling wordt dus: De gebruiker en eventuele passagier zijn gebaat bij een zo veilig mogelijke werking van de parachute. In eerste instantie is de springer hiervoor verantwoordelijk door het goed gebruik van de parachute. Voor de goede en veilige werking zijn verantwoordelijk de rigger en de fabrikant. De doelstelling voor de rigger en de fabrikant is: het zorgen voor een verlaging van de faalkans. De belangrijkste faalvormen in de huidige parachutes zijn: In de war raken van de lines Scheuren van de canopy Verstrengelen van de risers Na het optreden van een van de voorgaande gebreken kan de ergste faalvorm optreden; het niet kunnen afwerpen van de hoofdchute en het als gevolg daarvan niet veilig openen van de reservechute. Deze problemen moeten met de combinatie; functie, materiaal, vervaardiging en geometrie worden aangepakt. De te vermijden neveneffecten zijn: Een onduidelijke bediening Onterecht gevoel van veiligheid Compromitteren van andere veiligheidsmaatregelen Moeilijk te testen nieuwe technieken Welke handelingsmogelijkheden staan in beginsel open: Alles wat veranderd wordt, moet zeer uitvoerig getest worden. Kleine of minder rigoreuze veranderingen zijn uiteraard makkelijker te testen. Het is ook verstandiger om materialen te gebruiken waar veel van bekend is, slijtagegevoeligheid etc.. De faaloorzaken, wat betreft het materiaal: Scheuren van het doek Het verstrengeld raken van de risers. Knappen van de ringen. Het verstrengeld raken van een ripcord.(breakaway handle en cable)


27


Scriptie


2002

6 KEUZE VAN DEELPROBLEMEN De keuze voor de deelproblemen hebben we af laten hangen van op welke onderdelen het meest te bereiken is. Van onze contactpersoon hebben we te horen gekregen, welke onderdelen het meest falen en welke onderdelen het belangrijkst zijn. Ook valt dat voor een deel uit de werking op te maken. De onderdelen, die het interessantst zijn om te bekijken, zijn de canopy, de lijnen en het noodontkoppelingssysteem (het drieringsysteem). In het geval van de canopy is het interessant om te bekijken of verandering van materiaal betere eigenschappen kan geven op het gebied van duurzaamheid. Een canopy die faalt is meestal geen nieuwe, maar een canopy, waarvan het materiaal is gedegradeerd door aantasting van water, UV-licht en slijtage. In het geval van de lijnen is het interessant om te bekijken of een betere en comfortabelere openingsvoortgang te bereiken is. De veiligheid wordt pas echt vergroot, als de faalkans van het ontkoppelingsysteem wordt verkleind. Wanneer de hoofdchute faalt, is er nog de reservechute. Op het moment dat het ontkoppelingsysteem niet werkt is het dodelijk. De andere onderdelen zijn veel bedrijfszekerder en spelen geen grote rol in het openingsvoortgangproces. In volgende hoofdstukken, wanneer de deelproblemen behandeld worden, wordt duidelijk gemaakt welke functie ze hebben en waarom ze kunnen falen en welke consequenties dat heeft. Het is overigens moeilijk om te voorspellen, wat een faaloorzaak kan zijn. Onze contactpersoon gaf bijvoorbeeld al eens aan dat de reden dat een parachute faalt vaak niet te verwachten is.


28


Scriptie

7 7.1


2002

UITWERKING DEELPROBLEMEN: Deelprobleem 1 Het drie ring systeem

Riser gedeelte los en gemonteerd aan harnasring (voor- en achteraanzicht)

7.1.1 Inleiding Wanneer de hoofdparachute niet functioneert ontstaat een ernstige noodsituatie. In dit geval is er een reserveparachute aanwezig in de container die de functie van de hoofdchute overneemt. Om te voorkomen dat de twee parachutes in elkaar verstrikt raken. Echter voordat deze geopend kan worden moet eerst de hoofdparachute afgeworpen worden Hiervoor is een afkoppelsysteem benodigd. Het afkoppelsysteem moet een paar functies vervullen. Het moet de openingsschok kunnen weerstaan zonder te beschadigen Het moet een veilige zekere afworp garanderen o De kracht benodigd om los te koppelen moet eenvoudig geleverd kunnen worden o De twee ontkoppelpunten moeten tegelijk worden geopend om te voorkomen dat de parachutist ongecontroleerde bewegingen maakt en het overgebleven ontkoppelpunt wordt overbelast. o Bij beschadiging moet het systeem veilig falen en niet geblokkeerd raken. Vroeger waren er verschillende systemen. De meeste berusten op metalen gespen die met een kliksysteem opengemaakt konden worden (Capewell release). Het nadeel hiervan was dat de twee bevestigingen van de risers aan het harnas niet simultaan los te koppelen waren. De asymmetrische krachten konden ernstige problemen en vertragingen veroorzaken. Ook waren de ingewikkelde metalen onderdelen gevoelig voor vuil en corrosie. In de jaren ’70 is door Bill Booth van de “Relative Workshop” het ei van columbus op dit gebied ontwikkeld. Het zogenaamde 3 ring systeem. Dit is tegenwoordig het enige toegepaste principe op sportparachutes.

Bush senior met driering systeem


29


Scriptie


2002

De typische eigenschappen hiervan zijn: Constructie uit metalen ringen en webbing. De zogenaamde “single point release” wordt gerealiseerd door ripcord bediening, waarbij een gesplitst ripcord beide releases bediend. Lage trekkracht op het ripcord benodigd door de ingenieuze hefboomconstructie Hoog belastbaar 7.1.2 Het werkingsprincipe Het werkingsprincipe zorgt ervoor dat de hoge belastingen die worden ontwikkeld tijdens de opening niet worden doorgegeven aan het ripcord die het openingslusje (locking loop) bedient. Het ripcord zou hierdoor namelijk kunnen knikken of zelfs door het metalen oog (de grommet) getrokken kunnen worden. De werking berust op 2 hefbomen en een katrol. Het krachtenspel is vrij complex en moeilijk uit te leggen. Aan de hand van een zeer versimpeld plaatje zal toch het principe worden uitgelegd. Wanneer het hele systeem wordt belast zal het harnas aan de eerste ring (R1) hangen met een trekkracht; F1. Door de wijze waarop de lus is gedimensioneerd wordt een deel van de kracht (F2) omgebogen. De reactiekracht is F3. Deze grijpt aan waar de ringen elkaar raken. Om te voorkomen dat de middelste ring (R2) gaat scharnieren is een tweede reactiekracht (F4) nodig. Door de hefboomwerking kan deze een stuk lager zijn. Deze kracht (F4) wordt geleverd door de herhaling van hetzelfde principe tussen de middelste ring en kleinste ring (R3). De reactie kracht (F8) op het loopje wordt in tweeën verdeeld. Zodoende oefent de loop op het ripcord een kracht (F10) uit die met de volgende formule is te benaderen. De overbrengverhouding R1:R2 maal die van R2 : R3 gedeeld door 2 vanwege de loop. Wanneer het ontwerp volgens specificaties gebouwd wordt zou het systeem moeten bestaan uit twee 1:10 hefbomen plus een katrol. Daardoor wordt een verhouding van F10 tot F1 van 1:200 gerealiseerd. Het is moeilijk de lussen waarin de ringen zitten bevestigd precies zo te dimensioneren dat de bovenstaande situatie ontstaat. Door ervaring zijn de optimale dimensies inmiddels bepaald. De marges zijn echter zeer klein. Het ripcord faalt wanneer F10 groter is dan 267 N. 7.1.3

Problemen die kunnen optreden in het ontwerp

De drie meest voorkomende faalvormen 4[4] 1. Doorsnijden van webbing tussen R1 en R2 2. Het knikken en doortrekken van de ripcord 3. Breken van de middelste ring TP

PT

Logisch geredeneerd zou ook het gat voor de loop een zwakke plek moeten vormen toch blijkt dat de meerdere lagen webbing en de grommet er voor zorgen dat deze niet faalt. 4[4] TP

PT

Zie Document Jump Shack “type 17 Riser study”


30


Scriptie


2002

Factoren die falen webbing beinvoeden Wanneer de webbing die door de ring loopt verder wordt dubbelgeslagen wordt de webbing dikker. Hierdoor wordt het zogenaamde “schaar”effect voorkomen tussen de ringen R1 en R2.

Dubbel is normaal. Driedubbel voorkomt “schaar” effect. Factoren die falen ripcord beïnvloeden Het ripcord faalt als de kracht die benodigd is voor het uittrekken te hoog is voor de parachutist om op te brengen. Dit kan twee oorzaken hebben. 1. De wrijving tussen loop en kabel wordt te groot. 2. De kabel wordt door de grommet getrokken en klemt zichzelf vast. Deze twee situaties worden op hun beurt veroorzaakt door een te hoge kracht op de locking loop. Een te hoge kracht op de locking loop ontstaat wanneer de overbrengverhouding van de hefbomen geen voldoende krachtreductie meer levert. De overbrengverhouding wordt direct beïnvloed door: De mate waarin de ringen paralel staan t.o.v. elkaar De dikte van de webbing die de lussen vormt waar de ringen mee worden bevestigd. De dikte van de ringen De parallelliteit wordt bepaald door: De lengte van de lus aan R2. De lengte van de lus aan R3. De lengte van de loop waar het ripcord doorheen gaat. Opmerking: Om de hefboomwerking te laten plaatsvinden moet er metaal op metaal contact zijn van de opvolgende ringen. Falen van de middelste ring. De ring faalde slechts in een enkele proef bij een belasting van 16000 N 5[5] . Hierdoor heeft het falen van de ring een minder hoge prioriteit dan het oplossen van de andere faalvormen. Bovendien zijn eventuele verstevigingen eenvoudig uit te voeren door de ring iets ruimer te dimensioneren. TP

PT

7.1.4 De oplossingen Niet alle problemen lenen zich voor een oplossing die binnen het materialiseren vraagstuk valt. Enkele zijn door sommige fabrikanten al opgelost. Bijv: De wrijving tussen loop en kabel kan worden verlaagd door: regelmatig oliën van de kabel de PVC mantel van de kabel vervangen door teflon de loop impregneren met teflon De volgende oplossingen garanderen het soepel uittrekken van de kabel: Oplossing 1: Tegengaan doorknikken kabel Het doorknikken van de kabel is te bemoeilijken door een dikker type te gebruiken. Een dikkere kabel van dezelfde type als de huidige kabel heeft een hogere weerstand tegen buiging. De toe te passen dikte is vooral afhankelijk van verkrijgbaarheid van de juiste maat en de juiste maat beschermhuls, verder zijn er eisen aan de flexibiliteit. In de literatuur is geen aanleiding te 5[5] TP

PT

Zie Document Jump Shack “type 17 Riser study”


31


Scriptie


2002

vinden om de huidige kabeldikte te handhaven. De eventuele nadelen moeten uiteraard worden onderzocht. Opmerking: het is vreemd dat een zo voor de hand liggende oplossing niet eerder is bedacht. Oplossing 2: Verlagen kracht op loop door garanderen geometrie hefboomsysteem In het kader van het vak materialiseren is dit een interessant probleem. De huidige constructie bestaat namelijk uit een combinatie van materialen die in een heel specifieke geometrische configuratie met elkaar moeten functioneren. Om te bepalen waar de meest kansrijke verbetering doorgevoerd kan worden, wordt nogmaals naar de oorzaken van het falen gekeken. Het blijkt, dat het hefboomsysteem het makkelijkst wordt verstoord door een afwijking in de lengte van de diverse lussen. Deze afwijkingen kunnen de volgende oorzaken hebben. Verkeerde maatvoering tijdens het vastnaaien van de lussen. “Kruip” in de lussen o kruip in het textiel zelf o Comprimeren van gevouwen gedeelten De oplossing zal dus gezocht moeten worden in het voorkomen van deze zaken. Aanbevelingen: Voorkomen verkeerde maatvoering: o Aantal verschillende delen die uit webbing bestaan reduceren. o Pas een enkel integraal onderdeel toe Voorkomen kruip in lussen o Textiel vervangen door stijvere materialen met lagere kruip o Voorkomen van complex gevouwen delen Tijdens een brainstorm schets sessie zijn enkele ideeën op papier 6[6] verschenen op basis van de bovenstaande aanbevelingen. Een van de ideeën leek het meest levensvatbaar en zal hier behandeld worden. Aan bod komen; principeoplossing, vervaardiging en materiaalkeuze. De precieze geometrie kan nu niet worden vastgelegd. Hiervoor is ervaring van experts nodig en een mogelijkheid om concepten te testen. TP

PT

Principeoplossing Omdat het textiel de volgende nadelen heeft is het minder geschikt om de lussen te vormen. Wanneer het vochtig is kan het bevriezen en de ringen fixeren. Het vertoond kruip. De benodigde vouwen verlagen de nauwkeurigheid van de afmetingen van het systeem. Toch is gekozen om het textiel niet volledig te verwijderen uit het ontkoppelsysteem! Het heeft namelijk de volgende onmisbare voordelen: Het is flexibel, dus comfortabel. Het is compact. Het egaliseert puntbelastingen door niet optimale belastingsrichtingen. In het voorgestelde systeem wordt een doorgaande strook webbing gebruikt waaraan gebogen metalen koppelingen worden bevestigd.

6[6] TP

PT

Zie bijlagen


32


Scriptie


2002

De gebogen metalen koppelingen Hebben altijd dezelfde vorm en zullen in de belaste toestand altijd op dezelfde manier tegen elkaar liggen. Hierdoor wordt de hefboomwerking gegarandeerd. De webbing eindigt in 1 lus! Er zijn geen opgenaaide stukken nodig. De grommets zorgen dat de metalen beugels worden ondersteund. De afmetingen van de enkele lus en de positionering van de grommets zijn eenvoudiger te realiseren dan bij het vorige ontwerp. Inspectie op beschadiging en overbelasting wordt eenvoudig door inspectie van de stalen onderdelen op plastische deformatie.

Nylon loop

smeedstuk

smeedstuk

webbing

grommet

draadeind

Vervaardiging en materiaalkeuze Het ligt voor de hand om bestaande, gecertificeerde materialen en vervaardigingtechnieken te gebruiken. De metalen onderdelen zullen van het staal worden gemaakt dat al is besproken in het hoofdstuk over beslag. Het kleinste metalen beugeltje kan door smeden of door draadbuigen worden vervaardigd. Wanneer de belasting laag blijkt te zijn is het draadbuigen mogelijk. Dit is economischer dan smeden en warmtebehandelen. De webbing zal op de normale manieren verwerkt worden. 7.1.5 Nadelen of neveneffecten De riser heeft de functie van zwakste link. Als de risers bezwijken hoeft de parachutist slechts zijn reserve te trekken om het probleem op te lossen. Er kunnen ernstige problemen ontstaan wanneer zij steviger worden gemaakt en niet als eerste onderdeel falen. Het harnas zal dan de overbelaste component worden. De gevolgen van het falen van het harnas kunnen veel ernstiger consequenties hebben. Oplossing 1 en 2 zijn niet bedoeld om de riser sterker te maken. Toch moet gecontroleerd worden of ze daadwerkelijk veilig falen, door breken bij overbelasting. Omdat de metalen onderdelen een complexere vorm hebben moet worden gezorgd dat zij niet in een vreemde stand klem kunnen raken in elkaar. 7.1.6 Conclusie Zorgvuldig zijn de problemen die kunnen optreden bij het ontkoppelen van de hoofdparachute geanalyseerd. Twee onderdelen in het systeem kwamen in aanmerking voor verbetering. Het ripcord. Nadat andere fabrikanten het ripcord al hadden voorzien van een teflon coating blijkt dat een vergroting van de diameter het knikken in de grommet tegengaat.


33


Scriptie


2002

Het ringensysteem Het flexibele webbing biedt voordelen maar diezelfde flexibiliteit zorgt dat een precisiesysteem moeilijker is te realiseren. Door te zorgen dat de metalen onderdelen achter zichzelf haken worden de lussen van textiel vervangen door metalen “lussen”. De nauwkeurigheid en inspecteerbaarheid van het systeem neemt toe. De montage wordt simpeler. De uiteindelijke optimale geometrie van dit systeem moet bepaald worden door experts en veel testen. 7.2

Deelprobleem 2 Lijnsoorten

7.2.1 Inleiding. Een parachute heeft twee verschillende soorten lijnen. Er zijn lijnen nodig om mee te sturen, de zogenaamde ‘steering lines’ en er zijn lijnen die de parachutist dragen, de zogenaamde ‘suspension lines’. De eisen, die aan de steering lines worden gesteld zijn minder zwaar dan die voor de suspension lines. In dit stuk worden de suspension lines behandeld. De suspension lines zijn de lijnen, die de canopy verbinden aan de risers. Het is ook mogelijk dat de suspension lines door de hele canopy heen lopen en als een dragende constructie fungeren, zodat de canopy minder trekkrachten hoeft te verdragen. 7.2.2

Materialen.

De materialen die worden gebruikt zijn Dacron en Nylon 6-6. Nylon 6-6 is een polyamide, het materiaal en de eigenschappen staan beschreven in het hoofdstuk Nylon. De specifieke eigenschappen van Nylon, die van belang zijn voor de suspension lines,zijn, de relatief hoge rek en de sterkte. Voor een deel zijn deze eigenschappen afhankelijk van de manier waarop de lijn gevlochten of geweven wordt. Dacron is een vezel op polyesterbasis, het materiaal en de eigenschappen staan beschreven in het hoofdstuk Polyester. Gevlochten Dacron heeft minder rek dan nylon. Er is gemakkelijker een lus mee te maken. Dat komt van pas bij de verbinding van de lijnen met de canopy. 7.2.3

Vlecht- en weeftechnieken.

Er zijn een aantal verschillende mogelijkheden om een lijn te vlechten. Buisvormig. De vezels worden bij deze weeftechniek om een kern heen geweven, die later weer verwijderd wordt. Buisvormig met kern. De vezels worden om een kern heen geweven, die niet verwijderd wordt. Buisvormig gevlochten. De vezels worden tot strengen gemaakt.Drie of meer van deze strengen worden gevlochten, zodanig dat er een buisvormige structuur ontstaat. Gevlochten. De vezels worden tot strengen gemaakt. Drie of meer van deze strengen worden gevlochten tot een lijn. Het is ook mogelijk om de strengen in elkaar te draaien. Deze methode is de simpelste en dus ook de goedkoopste. Het nadeel van deze gedraaide lijnen is dat ze relatief snel hun positie verliezen en niet meer in elkaar gedraaid zitten. Dit wordt tegenwoordig alleen nog maar gebruikt voor garen. Deze technieken kunnen zich op een aantal punten onderscheiden. De gevlochten lijnen, zowel de buisvormige als de normale, hebben een betere sterkte/gewicht ratio en ze zijn goedkoper te fabriceren. Het nadeel van deze lijnen is dat het oppervlak door de strengen heel onregelmatig is. Om die reden kunnen de lijnen makkelijker in elkaar grijpen en met elkaar verstrengeld worden. De geweven lijnen hebben meer rek en een minder goede sterkte/gewicht ratio. De geweven lijnen hebben een gladder oppervlak en hebben een kleinere kans op verstrengeling.


34


Scriptie


2002

Geweven lijnen.

Gevlochten lijnen.

Gedraaide lijnen.

7.2.4

De eisen.

De belangrijkste eisen aan de lijnen zijn: De rek. De lijnen die tegenwoordig worden gebruikt hebben een rek tot breuk van minimaal 20%. Dit is afhankelijk van de constructie. De geweven lijnen hebben de meeste rek, deze lijnen halen een rekpercentage van 30%. Dit gaat dan weer ten koste van de sterkte/gewicht ratio, die bij gevlochten lijn het beste is. De sterkte. De sterkte en het gewicht hangen met elkaar samen. Er wordt gestreefd naar een zo licht en compact mogelijke parachute, die natuurlijk wel sterk genoeg is. Gevlochten lijn heeft op dit punt de beste eigenschappen. De slijtage. Op het moment dat de canopy wordt opengevouwen schuren de lijnen langs elkaar. Na een paar honderd sprongen levert dit al verminderde eigenschappen op , wat betreft de sterkte en wateropname. De weerstand tegen verstrengeling. Het is belangrijk dat op het moment dat de canopy wordt geopend, de lijnen zonder moeite los van elkaar komen te staan. Als de lijnen verstrengeld raken opent de canopy zich niet of slechts gedeeltelijk en in het ergste geval houdt de verstrengeling ook het loskoppelen van de canopy tegen, zodat de reservechute niet geopend kan worden. De weerstand tegen waterabsorptie. Waterabsorptie zorgt ervoor dat de lijnen zwaarder worden en het tast de vezels aan, zodat de lijn zijn sterkte verliest. De weerstand tegen het uit evenwicht raken van de lijn. Vooral gevlochten lijn heeft er last van dat na verloop van tijd de lijn niet overal even dik meer is. De strengen zijn dan verschoven.


35


Scriptie


2002

7.2.5 Verbeteren van de lijnen. De lijnen zijn een belangrijke factor in het reduceren van de openingsschok. Tijdens de openingsschok komen de grootste krachten te staan op de parachute en de parachutist. De vertragingen kunnen kortstondig oplopen tot 6-10 g. Dit brengt de veiligheid op twee manieren in gevaar. Ten eerste krijgt de parachutist een pijnlijke klap te verwerken. Dit komt de concentratie, tijdens de eerste belangrijke seconden, na de openingsfase niet ten goede. Ten tweede wordt de constructie het zwaarst belast. De faalkans van de constructie is op dat moment het grootst. De rek in de lijnen zorgt ervoor dat de schok, die de parachute en de parachutist te verduren krijgt, op het moment dat de canopy zich opent, comfortabeler wordt. De energie van de openingsschok wordt door de lijnen namelijk in verlenging omgezet waardoor arbeid wordt verricht. Deze energie wordt in de lijnen opgeslagen als potentiële energie en zal later weer vrijkomen. Op dit moment is de piekbelasting echter geabsorbeerd Het falen van het harnas is dus voor een deel afhankelijk van de lijnen. De rek die de lijnen tegenwoordig hebben is ongeveer 20%. Er worden hieronder een aantal materialen op een rijtje gezet om te zien wat voor verbetering in aanmerking kan komen. Behalve rek is ook de sterkte belangrijk, de lijnen mogen niet minder sterk worden. De eigenschappen in deze tabel hebben betrekking op de vezel en gelden bij kamertemperatuur. Treksterkte GPa

Rek tot breuk %

Elasticiteitmodulus GPa

Nylon 6

0,8

20

4,0

Nylon 6-6

0,8

18

5,0

Dacron

1,1

14

14

Dyneema SK65

3,3

3,6

100

Kevlar 29

2,8

4

65

Kevlar 49

2,8

2,3

125

Hieruit blijkt dat Kevlar en Dyneema erg sterk zijn. Dit gaat wel ten koste van de rek. Deze materialen zijn niet op dezelfde manier te gebruiken als nylon. De lijnen hebben dan veel te weinig rek. Op het moment dat de canopy zich opent wordt een groot deel van de klap, die veroorzaakt wordt door de valvertraging, opgevangen door de parachutist. De rek in de lijnen wordt niet alleen bepaald, door de rekeigenschappen van de vezel, maar ook door de vlecht- of weeftechniek. Lijnen met kern kunnen als volgt elastisch worden geweven: Een aantal strengen nylon worden opgespannen in weefmachine en onder spanning gezet. De buitenlaag wordt eromheen geweven. De uiteinden worden vastgeknoopt of vastgeschroeid. De lijn wordt van de machine afgehaald. Zodra de kern niet meer onder spanning staat trekken de binnenste strengen zich in en nemen de buitenste laag mee. Op deze manier ontstaat een lijn die door zijn weeftechniek extra rek heeft gekregen. De rek in deze lijn is dus voor een deel afhankelijk van de strengen waar omheen wordt geweven. De strengen, die de kern vormen.


36


Scriptie


2002

De strengen, die de kern vormen.

De draden, die eromheen De eigenschappen van een lijn kunnen worden verbeterd geweven. worden door de vezels, die de kern vormen, te vervangen door een vezel met meer rek. De vezels die eromheen worden geweven kunnen worden vervangen door een vezel, die heel goede sterkteeigenschappen heeft. De rek in de lijnen komt dan voor de rekening van de kern. De sterkte wordt verzorgd door de vezel, die eromheen wordt geweven. Een materiaal dat in aanmerking zou kunnen komen voor de kern is Zytel-ST801W-BK195. Dit is een polyamide 66, die door DuPont wordt geproduceerd. De elasticiteitmodulus is 1950 Mpa. De rek tot breuk is 41%. Het materiaal heeft weerstand tegen UV-straling en is geschikt voor weerinvloeden. Een materiaal die voor de sterkte kan zorgen is Dyneema SK65 110dTex. Dit materiaal wordt geproduceerd door DSM. De treksterkte van het materiaal is 3,3 Gpa, dat is vier maal zo hoog als het huidig toegepaste Nylon 6-6. Dyneema wordt niet aangetast door water en heeft een heel goede weerstand tegen UV-licht. 7.2.6 Nadelen Over enkele zaken, die mogelijk een negatief effect kunnen hebben, kunnen op dit moment geen uitspraken gedaan. Praktijktesten van deze concepten zijn nog niet gedaan. Dynamische effecten Doordat de lijnen elastisch zijn zal de constructie gaan natrillen na een grote schok. (zoals de snatchforce en de openingshock). Hierdoor zullen dynamische effecten optreden. Het risico bestaat dat de opgewekte dynamische krachten groter zijn dan de normale waarde van de openingsschok. In dit geval zou de elastische lijn juist een overbelasting veroorzaken op de rest van de constructie. Slijtagegedrag Het slijtagegedrag van de twee kunststoffen die in de lijn met elkaar in contact staan is nog niet bekend. 7.3

Deelprobleem 3 Canopy soorten

Parachutes zijn ver doorontwikkelt. Er zijn parachutes voor beginners en professionals. Beginners zijn meer gefocussed op de veiligheid en betrouwbaarheid van een parachute, terwijl een professional zich ten doel stelt om het uiterste uit zijn parachute te halen. Parachutes worden ontwikkeld om het beste te presteren in een zo breed mogelijk scala van gebruiksomgevingen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan een vochtig, een droog, een warm en een koud klimaat. Veelgebruikte canopystoffen zijn Nylon 6 en 66, Dacron, Nomex en Kevlar.


37


Scriptie


2002

Binnen het deelprobleem canopy worden diverse te manipuleren eigenschappen van nylon onderzocht. Daarnaast wordt een vergelijking getrokken met Kevlar 7.3.1 Doelstellingen De doelstellingen voor het deelprobleem canopy zijn op te delen in de volgende stappen: Vergelijken van de materialen Kevlar en nylon Inventariseren van manipuleerbare eigenschappen nylon. Beoordeling verschillende additieven voor nylon 7.3.2 Probleemstelling De belangrijkste faaloorzaak voor de canopy is het scheuren van de stof. Deze scheuren hebben te maken met de volgende aspecten van het nylon: Treksterkte Gedrag bij stootbelasting Slijtage eigenschappen Weersbestendigheid (temperatuur, UV-licht, vocht) 7.3.3 Treksterkte De treksterkte van de canopy wordt niet alleen bepaald door de gebruikte vezel, diens vervaardiging, de manier waarop de stof geweven wordt (met eventuele coating), maar ook door de geometrie. Wat betreft de geometrie zal de hoogste belasting plaatsvinden verbindingspunten van de lijnen met de stof. Hierbij is de manier van verbinden en het aantal lijnen bepalend. Wat betreft de stof wordt de treksterkte bepaald door de dikte van de draad, het weefpatroon en de coating. Scheurgevoeligheid kan verminderd worden door het gebruik van een ripstop weefpatroon. Een coating kan een nadelig effect hebben op de scheurweerstand van de stof omdat de draden van een gecoate stof minder vrij zijn om zich te oriënteren. De treksterkte van de draad wordt bepaald door het type vezel en de vervaardigingtechniek. De belangrijkste vezels zijn Nylon 6, Nylon 66, Nomex, Dacron, Dyneema en Kevlar. Vanwege de uitgebreide manipuleerbaarheid van de nylon vezel zullen we deze uitgebreid behandelen. Om een interessante vergelijking te kunnen maken tussen een taai en een bros materiaal zullen we deze vezels vergelijken met Kevlar. Nylon v.s. Kevlar Nylon heeft een treksterkte variërend van 50 tot 120 MPa. Temperatuur heeft een grote invloed op de treksterkte. Nylon-66 heeft een glasovergangstemperatuur van –80 graden Celsius. Bij de gebruikstemperatuur zal de opname van vocht de nylon taaier maken. Treksterkte gaat bij de opname van vocht dan ook achteruit. De rek tot breuk wordt hierbij groter. Ter indicatie: Bij een temperatuur van 23 graden Celsius, zal bij een stijging van de vochtigheidsgraad van 0% tot 50%, de rek tot breuk oplopen van 60% tot 200% Kevlar-29 heeft een glasovergangstemperatuur van ongeveer 450 graden Celsius. Dit is beduidend hoger dan bij Nylon. Kevlar wordt dus onder de glasovergangstemperatuur gebruikt en dit levert bros materiaal gedrag op. Kevlar heeft een zeer hoge elasticiteitsmodulus en heeft dus een veel hogere treksterkte dan Nylon, namelijk 2.9 Gpa. De rek tot breuk van Kevlar is 3.6 % Nylon manipulatie Het liefste willen we een nylon met een zo hoog mogelijke treksterkte en toch een zo hoog mogelijke rek.


38


Scriptie


2002

Door toevoegingen zoals nucleating agents, glasvezels en pigmenten kan de treksterkte worden verhoogd. Dit gaat echter ten koste van de rek. Ook een verhoging van de amideconcentratie resulteert in een verhoging van de treksterkte. Een oplossing hiervoor zou een combinatie tussen nylon en Kevlar kunnen zijn. Er zou een manier van weven gebruikt kunnen worden, waarbij het nylon eerder onder spanning komt te staan dan het Kevlar.

Hierin vervult nylon (hoge rek) een dempende functie, waar het Kevlar (hoge e-modulus) het materiaal moet beschermen tegen breuk. 7.3.4 Gedrag bij stootbelasting Erg belangrijk bij het parachutespringen is de opening de parachute. Bij de opening treedt een kortstondige hoge belasting op: de stootbelasting. Hierbij is de valsnelheid van belang, de massa van de parachutist en uitrusting, de snelheid waarmee de canopy zich ontvouwt, de afmeting van de slider en de weerstand die deze ondervindt van de lijnen, en de rek in het materiaal. Nylon v.s. Kevlar Bij hoge belastingssnelheden (stootbelasting) heeft nylon een hogere treksterkte, omdat bij hoge reksnelheden de polymeerketens geen tijd hebben om zich te heroriënteren en er dus minder rek optreedt. Kevlar kan vanwege zijn zeer hoge treksterkte ook stootbelastingen verdragen. De spanning-rek curve van Kevlar is vrijwel lineair en Kevlar zal dus ook bij stootbelasting weinig rek vertonen. Dit geeft weinig remvertraging voor de parachutist en de openong zal dus minder prettig zijn dan bij nylon. De hierboven beschreven combinatie van nylon en Kevlar zou dus ook vooral bij de opening van de parachute voordeel bieden. Nylon manipulatie De treksterkte van nylon bij stootbelasting kan worden verhoogd door vergroting van de molecuulmassa, ofwel hogere ketenlengte. Hierdoor zal minder makkelijk ketenslip optreden. In plaats daarvan moeten de covalente bindingen worden verbroken waar veel energie voor nodig is. 7.3.5 Slijtage eigenschappen Parachutespringen is een dynamische sport, waarbinnen de materialen veel onderling contact maken. De canopy zal in contact komen met zichzelf, de container en de lijnen en minder met de metalen onderdelen. De slijtage binnen dit contact wordt bepaald door de mate van materiaalverlies en het daarmee gepaard gaande rafelen. Belangrijke grootheden zijn druk, wrijvingscoëfficiënt en omgeving zoals vuil, vocht en zoutkristallen. Nylon v.s. Kevlar Vanwege de lage wrijvingscoëfficiënt heeft Nylon een hele goede weerstand tegen afschaving en slijtage. Vanwege de zwakke laterale bindingskrachten heeft Kevlar een slechte weerstand tegen afschaving. Er treedt snel fibrillatie op wanneer het tegen andere vezels of metalen oppervlakten schuurt. Aan de oppervlakte worden de vezels gespleten en de fibrillen breken gemakkelijk. Dit gedrag valt echter te verbeteren met behulp van bepaalde oliën. Nylon manipulatie Verbetering van de weerstand tegen afschaving kan worden verkregen door interne glijmiddelen, versterkers en vulstoffen, of door vergroting van de molecuulmassa. Toevoegen van glas daarentegen verlaagt de weerstand tegen afschaving omdat de wrijvingscoëfficiënt vergroot wordt.


39


Scriptie


2002

7.3.6 Weersbestendigheid Aangezien parachutespringen veelal buiten gebeurd, is het belangrijk om de invloeden van de omgevingstemperatuur en vochtigheidsgraad te bekijken. Ook is de mate van blootstelling aan UV-licht een belangrijke parameter. Nylon v.s. Kevlar Nylon degradeert onder invloed van ultraviolet licht. Dit veroorzaakt verbrossing van het materiaal, verlies van sterkte en verandert het uiterlijk van het product. Dit proces kan bij onbehandeld nylon leiden tot een treksterkteverlies van 50% binnen 6 maanden (gemeten in een uv-rijk klimaat). Binnen deze periode vermindert de rek zelfs tot 2% van zijn oorspronkelijke waarde. Kevlar presteert op dit gebied gelijk. Nylon manipulatie Toevoeging van zwart koolstof voorkomt veroudering door uv-licht aanzienlijk. Na 6 maanden is er nog maar sprake van een verlies in treksterkte en rek van 2%. Een heet/droog klimaat is beter voor gestabiliseerd nylon dan een heet/vochtig/gematigd klimaat; Na 12 jaar blootstelling behoudt Nylon-66 in een heet/droog klimaat 82% van zijn sterkte en in een heet/vochtig/gematigd klimaat slechts 59%. De toevoeging van glasvezels verbetert de weerstand tegen veroudering significant. Ter vergelijking: Een ongestabiliseerd nylon-66 in een heet/vochtig klimaat, geeft na 7 jaar de volgende resultaten: Nylon-66, 25% van zijn sterkte Nylon-66 met 13% glas, 65% van zijn sterkte Nylon-66 met 33% glas, 78% van zijn sterkte 7.3.7 Conclusie Wat sterkte-eigenschappen en gewicht betreft, is Kevlar een ideaal materiaal. Door de hoge prijs van Kevlar en de lage rek en slijtagegevoeligheid echter, is het materiaal minder geschikt voor het gebruik in een parachute dan nylon. Mogelijke verbeteringen voor nylon zijn: verhogen van de treksterkte minder gevoelig maken voor uv-licht behouden van rek minder vochtopname Uit voorgaande analyse is het onderstaande overzicht van de toevoegingen en hun effect op de eigenschappen van nylon weergegeven: (+ betekent dat de toevoeging de eigenschap verbetert) Nucleating agents + Treksterkte - Rek Glasvezels + Treksterkte + Weerstand tegen verouderen - Rek - Weerstand tegen afschaving Pigmenten + Treksterkte + uvlicht - Rek


40


Scriptie


2002

Molecuulmassa + Weerstand tegen afschaving + Treksterkte - duurder Aramide concentratie + Treksterkte Glijmiddelen + Weerstand tegen afschaving Versterkers + Weerstand tegen afschaving Vulstoffen + Weerstand tegen afschaving

Conclusie van bovenstaande tabel Uit dit overzicht blijkt dat toevoeging van een pigment aan het nylon de meeste voordelen heeft. Het verlies aan rek kan mogelijk gecompenseerd worden door toevoeging van een weekmaker. Het verhogen van de molecuulmassa heeft alleen maar voordelen wat betreft materiaaal eigenschappen. De prijs van het nylon gaat dan echter wel omhoog omdat de polymerisatie reactie langer duurt. Glasvezels bieden ook veel voordeel, maar de vermindering in rek lijkt in dit geval niet oplosbaar door toevoeging van een weekmaker en de verminderde weerstand tegen slijtage is ook een nadeel dat zwaar weegt.


41


Scriptie


2002

8 CONCLUSIES Deze scriptie is voor het grootste deel een beschrijving van de huidige oplossingen, wat betreft materiaal en vervaardigingstechnieken. Er zijn naar aanleiding van de probleemstelling enkele gebieden gedefinieerd waarin mogelijk verbeteringen waren door te voeren door het toepassen van alternatieve materialen, vervaardigingprocessen of geometrieën. Dit waren: Het drieringsysteem, Hier zijn 2 mogelijke verbeteringen geopperd. Het verstijven van het ripcord door een diameter toename en het aanpassen van de geometrie van de metalen delen uit het driering ontkoppelsysteem. De lijnen Door het combineren van de rekeigenschappen van twee afzonderlijke materialen en een aparte lijnproductietechniek is het theoretisch mogelijk een lijn te maken die comfortabel openen combineert met een hoge breeksterkte. De canopy Hetzelfde principe maar dan toegepast in doek geeft de canopy goede rek eigenschappen en een verhoogde sterkte. De oplossingen of aanbevelingen, die zijn aangedragen, zijn niet getoetst. Het is dus onbekend of de parachute hierdoor verbeterd wordt.


42


Scriptie

9 9.1


2002

LITERATUURLIJST Boeken

“The parachute manual” volume I Dan Poynter editie 1984 “The parachute manual” volume II Dan Poynter editie 1991 “Textile science and technologie” Jarmila Svedova “Aromatic high strenth fibers” H.H. Yang “Steel heat treatment handbook” G.E. Totten “Coating and surface treatment systems for metals” ??? “Materials science and technologie” W.D. Callister “Polyesters and their applications” Bjorksten Research lab. Madisson Wisconsin 1956 n-Nylons: Their Synthesis, Structure and Properties, door Shaul M. Aharoni, uitgever John Wiley & Sons Ltd. Kevlar Aramid Fiber door H.H. Yang, uitgever John Wiley & Sons Ltd. Nylon Plastics Handbook door Melvin I. Kohan, uitgever Hanser Publishers resins for coatings, chemistry, properties and Applications, edited bij Dieter Stoye and Werner Freitag, Hanser Publishers, Munich Vienna NewYork, 1996)

9.2

Sites

Fabrikant Nylon en aramide www.dupont.com Polyethyleenvezel (Dyneema) www.dsm.com Eigenschappen van speciefieke kunststofgrades www.campusplastics.com Website van de geïnterviewde expert www.carolinesuits.nl Fabrikanten van complete parachutesystemen www.parachutesdefrance.com www.relativeworkshop.com www.precision.aerodynamiscs.com www.jumpshack.com Amerikaanse parachute autoriteit Parachute Industry Association ( PIA ) www.pia.com Military specification Index (Milspec) The Department of Defense: Single Stock Point for Military Specifications, Standards and Related Publications http://dodssp.daps.mil/ HTU

UTH

HTU

UTH

HTU

UTH

HTU

UTH

HTU

UTH

UTH

HTU

HTU

UTH

UTH

HTU

HTU

HTU


UTH

UTH

43


Scriptie


2002

10 BIJLAGEN 10.1Verslag van bezoek aan expert Opmerkingen naar aanleiding van het bezoek aan “caroline suits and riggerservice” Contactpersoon: Pim , ‘een vrolijke frans’ Zelf springer instructeur, master rigger Meervoudig Nederlands kampioen formatiespringen, zeer betrokken bij veiligheid, ook actief als testspringer bij diverse fabrikanten en bouwt zelf main canopy’s. Na een paar gesprekken met master rigger Pim kwamen een aantal interessante dingen naar voren over de parachute. Zoals onder andere waar de kosten in gaan zitten, wat de belangrijkste faalvormen zijn enkele, enkele nieuwe ontwikkelingen. Verder heeft hij ons ook wegwijs gemaakt in de functie van de verschillende onderdelen van de parachute (zie scriptie).

Pim zit zelf links onderaan!

Kosten van een parachute: De totaal prijs van een parachute bedraagt rond de 5400 euro. Daarvan is ongeveer 400 euro materiaalkosten van de koepel en nog eens 400 euro materiaalkosten van het harnas. Het overgrote deel van de kosten gaat dus zitten in de R&D. En dan met name het testen. Het arbeidsloon is daarin weer relatief laag. Faalvormen: Er zijn nog wel aardig wat dingen die mis kunnen gaan tijdens het gebruik van een parachute. Maar er zijn er twee die het meest optreden. Degene die de meest ernstige gevolgen heeft, is het niet afwerpen van de hoofdchute, dit heeft tot gevolg dat de reservechute dus niet kan openen. Een ander veel voorkomend faalelement is het niet volledig uitklappen van de canopy


44


Scriptie


2002

door het in de war raken van de lijnen. Deze fout is nog te overzien, mits de hoofdchute afgekoppeld kan worden. De andere fouten treden minder vaak op. Productiemethoden 1. hot needle positionering 2. lasercutten 3. naaislaven Drie-ring-systeem Dit is zeer uitvoering toegelicht door Pim Ontwikkelingen: In de parachutewereld staat niet stil, er wordt constant onderzoek gedaan naar mogelijkheden om de parachute te verbeteren. Punten waar op dit moment naar gekeken worden zijn: 1. kattongen vs klittenband 2. kleinere canopy’s, grotere snelheden, grotere krachten 3. constructie van canopy, bv:velocity 4. bevestiging lijnen riser, geen metaal maar touwconstructie Nylon Nylon wordt veel toegepast in parachutes, omdat dit over precies de juiste mechanische eigenschappen beschikt. Deze eigenschappen zijn nog verder te verfijnen door middel van coatings. Tegenwoordig hebben bijna alle parachutes een matras in plaats van een koepel. Voor het nylon heeft dit tot gevolg dat de permeabiliteit omlaag moet. Bij koepels was het nog nodig dat er wat luchtstroom was. Bij matrassen mag dat weinig tot niets zijn. Deze zero-porosity is te verkrijgen door extra coating. Deze coating brengt een extra voordeel met zich mee, namelijk dat het doek ook beter bestand is tegen mechanische slijtage, zonlicht en vocht. Lijnen Het materiaal wat tegenwoordig wordt toegepast op de lijnen is vooral nylon of aramide (kevlar). Een belangrijk punt bij de lijnen is dat de lengte constant blijft. Als sommige lijnen meer rekken dan de ander zal het besturen van de parachute minder voorspelbaar zijn. Het moet dus voorkomen worden dat de lijnen plastisch zullen vervormen tijdens het springen. Een ander punt waar op gelet moet worden bij de lijnen is de mogelijkheid van slijtage door de slider. Deze gaat met hoge snelheid over de lijnen naar beneden, om te voorkomen dat de lijnen verstrengelen en de opening van de canopy te vertragen. De dikte van de lijnen is ook van belang. Te dikke lijnen zijn ongunstig vanwege de hoeveelheid drag, zeer dunne lijnen zijn ook ongunstig vanwege turbulentie. 10.2Type 17 Riser Study 3/7/97 Objective: To Provide Failure Cause Analysis and route cause definition for the field failures of type 17 risers. Background: Recent breakage of type 17 risers from several manufacturers has spurred an intense investigation of the problem by the parachute industry. Most notable in this investigation is the report from Troy Loney of Para-Flite as presented to the Fall PIA meeting. Mr. Loneys' report identified separation of the webbing just above the lower riser ring as one of the failure modes where definition was required. This report deals primarily with the efforts to identify and resolve this mode of failure. Method: A Dillon 10,000 lb. Dynamometer was configured to accept a 1" wide riser, attaching both legs to the top, or fixed head, and a RW-7 harness ring to the lower, or movable head. Risers were typically hung on the top head and the mini 3-ring was assembled to the harness ring on the lower head. Loads were applied to failure and the readings recorded in Appendix A. Discussion: While reviewing the results recorded in Appendix A, it was noted that one brown type 17 riser, ID # 11, failed at 3600 lbs. by breaking the lower riser ring. This ring is specified to have only a 500 lb. tensile strength. This indicated that a strength of 3600 lbs. could be attained with a type 17 riser without webbing failure (see 3Ring Force Reduction Study). When comparing this riser #11 to other risers that ultimately failed with failure mode #1, it was noted U

U

U

U

U

U

U

U


45


Scriptie


2002

that on riser #11 the edges of the webbing rolled under further up the riser, by about a quarter of an inch, than those failing in mode #1. Thus the selvage edge of the riser was protected, and the resultant thickening of the webbing effectively "choked" the scissor action that occurs between the base and middle ring. Another interesting test result, was that of ID #9 & #10. These sample risers were manufactured of type 25 webbing which has a 4500 lb. rating. These risers failed in failure mode # 2 ("Pulling through of the yellow cable".) Type 25 webbing is too thick to allow a proper relationship of the harness ring to the lower riser ring. In other words, these risers will probably always be "out of spec." and not yield suitable force reduction. Tests were made to determine the force required to pull the yellow cable through the grommet. The results of these tests revealed a requirement of 60 lbs. to accomplish this feat. This 60 lbs. of force, when compared to the total riser loading, will identify the overall mechanical advantage of a particular mini 3-Ring set. In the case of sample #11 a force reduction ratio of better than 60 to 1 is apparent. When compared to sample #9 a ratio of only 30 to 1 is identified. This discovery prompted the preparation of a spreadsheet which would elementally break down the force reductions of the 3-ring system. This spreadsheet is presented in Appendix B with two scenarios shown. Scenario "I" is the representation of the dimensional values found on sample #11 and scenario "G" represents the findings on sample #9. Additionally, a scale drawing of each of these two scenarios is attached. The values predicted by the spreadsheet tracked favorably to all of the test results. Conclusions: The primary cause of failure ( Mode #1) is the guillotining of the webbing during the onset of the load on the riser. This phenomenon is prevented by maintaining the webbing roll-under to a point past the engagement of the harness ring. This bulk effectively "Chokes" the guillotine. The ultimate strength of the mini-3-Ring is approximately 3600 lbs., regardless of what type of webbing is selected. The use of webbing heavier than type 17, or the use of reinforcement to the type 17 can cause the geometry of the rings to change and lower the ultimate failure level of the product. Type 17 risers with mini 3-Ring can be manufactured to accept a force of 3600 lbs. without failure. U

U

Appendix "A" Test Results ID #

Color

Web Type

Ring Geometry

Failed @ Failure Mode

Manufacturer

3

Red

17

Spec.

2700

1

US

5

Red

17

Spec.

3000

1

US

1

Brown

17

Spec.

3000

1

SR

2

Brown

17

Spec.

3000

1

SR

4

Black

17

Spec.

2600

1

US

6

Black

17

Spec.

2600

1

SR

7

Navy

17

Spec.

2700

1

other

8

Navy

17

Spec.

2300

1

other

9

Black

25

Long

2200

2

GP

10

Black

25

Long

1800

2

GP

11

Brown

17

Spec.

3600

4

SR

12

Brown

17

Spec.

2600

2

SR


46


Scriptie


2002

Appendix "A" Test Results Note: Failure mode #1

Cutting of webbing above lower ring

Failure mode #2

Pulling through of Yellow cable

Failure mode #3

Breaking beside grommets

Failure mode #4

Ring Breakage

Appendix "B" Test Results Scenario = I 3Ring Force Reduction Study Magenta = Input Variable

Initial Riser Force =

3,600.000

Rw7 Pulley Reduction =

0.500

Resultant Force =

1,800.000

Lb.

Lb.

Length of

Rw3 Nominal Dia. =

1.041

Arm Ratio Rw3

4.479

Total

Force Arm

Load Arm

0.190

0.851

Force @ Top of RW3 = Rw4 Nominal Dia. =

0.680

Arm Ratio Rw4

3.533

0.150

401.880

Lb.

113.740

Lb.

56.870

Lb.

0.530

Force @ Top of RW4 =

Loop Reduction Factor =

Load

0.500 Scenario = G

3Ring Force Reduction Study Magenta = Input Variable

Initial Riser Force =

2,200.000

Rw7 Pulley Reduction =

0.500

Resultant Force =

1,100.000

Lb.

Lb.

Length of

Rw3 Nominal Dia. =

1.041

Arm Ratio Rw3

3.732


Total

Force Arm

Load Arm

0.220

0.821

47

Load


Scriptie


2002

Appendix "B" Test Results Force @ Top of RW3 = Rw4 Nominal Dia. =

0.680

Arm Ratio Rw4

2.617

0.188

Lb.

112.633

Lb.

56.316

Lb.

0.492

Force @ Top of RW4 = Loop Reduction Factor =

294.762

0.500

10.3Ontwerpschetsen voor 3 ring systeem Dit zijn enkele van de ideeën die tijdens een schetssessie zijn ontstaan.

Om de flexibiliteit van het textiel te omzeilen wordt gebruik gemaakt van een massieve strip van staal of composietmateriaal. De dimensies liggen nu eenduidig vast.

Wederom gebruik van een stijf materiaal om de 3 ringen te positioneren. Het plaatsstaal maakt een compactere bouw mogelijk.

Een extra lange hefboom die de kleinste 2 ringen vervangt

De ringen en lussen worden vervangen door gebogen vormen. Deze zullen nauwkeuriger te vervaardigen zijn dan de lussen


48


Scriptie IDE442 MATERIALISEREN 2002 DE PARACHUTE. Wouter van Weelderen, Teun Teeuwisse, Rosemarijn Konter, Karst Lambers & Diederik van der Pant

Recommend Documents