The present research aims to develop a novel technique for creation of composite riot helmet shells with reinforcing fibre continuity for better protection against low velocity impacts. In this research an innovative, simple and effective method of making a single-piece continuously textile reinforced helmet shell by vacuum bagging has been established and discussed. This technique also includes the development of solid collapsible moulding apparatus from non-woven fibres. Angle-interlock fabric due to its good mouldability, low shear rigidity and ease of production is used in this research. Several wrinkle-free single- piece composite helmet shells have been manufactured. Low-velocity impact test on the continuously reinforced helmet shells has been carried out. For this purpose an in-house helmet shell testing facility has been developed. Test rig has been designed in such a way that the impact test can be carried out at different locations at the riot helmet shell. Low-velocity impact test has been successfully conducted on the developed test rig. The practical experimentation and analysis revealed that the helmet shell performance against impact is dependent on the impact location. The helmet shell top surface has better impact protection as compared to helmet shell side and back location. Moreover, the helmet shell side is the most at risk location for the wearer. Finite Element models were created and simulated in Abaqus software to investigate the impact performance of single-piece helmet shells at different impact locations. Models parts have been designed in Rhinoceros software. Simulated results are validated by the experimental result which shows that the helmet top position is the safest position against an impact when it is compared to helmet back and helmet side positions.

La microstructure des matériaux constitue un outil essentiel pour optimiser les propriétés mécaniques des structures et ainsi améliorer leurs performances. Ce manuscrit est organisé comme suit : - Dans le chapitre 1 nous introduisons les aspects généraux de la mécanique des renforts fibreux.- Dans le chapitre 2 nous rappelons certains concepts fondamentaux concernant la mécanique des milieux continus classiques et les théories de deuxième gradient.- Dans le chapitre 3 nous nous proposons de présenter une première modélisation des renforts fibreux de composites en mettant en place des modèles numériques discrets. Dans un deuxième moment nous introduisons une modélisation continue de deuxième gradient et nous montrons que les termes d’ordre supérieur permettent une description satisfaisante des effets de flexion locale sur-cités.- Dans le chapitre 4 on particularise le cadre général de la mécanique des milieux continus introduit dans le chapitre 2 au cas particulier des milieux continus 2D. - Dans le chapitre 5 nous introduisons une hypothèse cinématique forte sur les déformations ad- missibles, en supposant que les mèches du renfort considéré sont inextensibles. Une méthode numérique permettant de montrer certaines solutions concernant le cas du bias extension test est codée en Mathematica et les résultats obtenus sont discutés. / Generalized continuum theories may be good candidates to model micro-structured materials in a more appropriate way (both in the static and dynamic regime) since they are able to account for the description of the macroscopic manifestation of the presence of microstructure in a rather simplified way. 
The present manuscript is organized as follows: In chapter 1 a general description of fibrous composite reinforcements is given, with particular attention to the introduction of standard experimental tests which are used to characterize the micro- and macro-structural mechanical properties of such materials. In chapter 2 some fundamental issues concerning classical continuum mechanical models are recalled. Moreover, second gradient continuum models are introduced and discussed by means of the Principle of Virtual Work. Since the applications targeted in this manuscript are limited to static cases, we refrain here to treat the more general case including inertia effects. In chapter 3 we start analyzing some discrete and continuum models for the description of the mechanical behavior of 2D woven composites. At this stage of the manuscript, we want to show how some discrete numerical simulations allowed us to unveil some very special deformation modes related to the effect of the local bending of fibers on the overall macroscopic deformation of fibrous composite reinforcements. Such discrete simulations showed rather clearly that microscopic bending of the fibers cannot be neglected when considering the deformation of fibrous composite reinforcements. For this reason, we subsequently introduced a continuum model which is able to account for such microstructure-related effects by means of second gradient terms appearing in the strain energy density. In chapter 4 we reduce the general continuum mechanical framework introduced in Chapter 2 to the particular case of 2D continua. We put a strong accent on the geometric interpretation of second gradient deformation measures which are seen to be directly related to the in-plane curvatures of suitable coordinate lines. Such coordinate lines will be interpreted in the next chapters are the yarns of the considered 2D woven composite, so acquiring a direct physical sense. In chapter 5 we introduce a strong kinematical hypothesis on the admissible deformations, assuming that the yarns composing the woven reinforcements are inextensible. Such assumption allows us to build-up a simplified first gradient model for the behavior of 2D woven reinforcements which is still representative of their mechanical behavior. A constrained least Action principle is proposed and the associated integral Euler-Lagrange equations are presented. A numerical method allowing to show some solutions concerning the case of bias extension test is implemented in Mathematica and the obtained results are discussed.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des renforts textiles techniques 2D à l'échelle mésoscopique. La méthode des éléments finis est utilisée pour résoudre un problème aux limites, fortement non linéaire, dans le domaine du renfort fibreux. Deux nouveaux modes de déformations pour le comportement des mèches de renforts ont été développés et caractérisés. Le premier mode est la compression longitudinale, qui permet de traduire la faible rigidité des mèches lorsqu'elles subissent une dilatation négative dans le sens des fibres. La relation conflictuelle sur le plan numérique entre la rigidité en tension, très forte, et la rigidité en compression longitudinale, très faible, peut être résolue via trois méthodes : réduction du pas de temps critique, addition de la contribution en tension ou avec une nouvelle stratégie pour l'actualisation du champ de contrainte. Le second mode de déformation est la dilatation transversale des mèches considérée comme conséquence directe de la compression longitudinale. Ce phénomène d'expansion de matière dans les directions transverses peut être observé avec un essai de compression longitudinale in-situ sous tomographie X et est communément ignorer. Un protocole expérimental a été mise en place pour mesurer cette dilatation transversale des mèches et un coefficient de Poisson a pu être caractérisé par identification inverse. Une campagne expérimentale a permis d'identifier les paramètres matériau du modèle mésoscopique et les résultats de simulations sont comparés aux images issues d'essai mécanique in situ sous tomographe. / This thesis is devoted to the mesoscopic study on the performance of textile reinforcements. F.E. simulation is carried out on a mesoscale model for the fibrous material, based on which two kinds of new deformation modes are developed. The first one is a longitudinal compression mode, which is used to reflect the small stiffness when the yarn is compressed longitudinally. The incompatibility problem between the small longitudinal compression stiffness and the large tension stiffness are solved by three different strategies: constraining the critical step time, adding the nonlinear tension part, or using a new strategy to update the stress. The second one is transverse expansion mode that could reflect the influence from longitudinal deformation to transverse deformation. This deformation could be found in tomography view but was ignored by the former researches. An experiment is designed to measure the expansion magnitude, and the geometrical inverse fitting process is applied to measure the value of the longitudinal-transverse Poisson ratio. The parameters of the mesoscale model are measured by a series of mechanical experiments and the simulation results are verified by the tomography methodology.

Die 3D-Drucktechnologie bietet eine Möglichkeit zur digitalen Funktionalisierung textiler Substrate. Jedoch hemmen fehlende Grundlagen, die geringe Materialpalette für textile Anwendungen, hohe Investitionskosten und lange Druckzeiten den Einsatz in der Textilindustrie. Die Arbeit befasst sich mit verschiedenen Einflüssen auf die Haftfestigkeit von 3D-Druck-Textil-Verbunden. Zudem werden die Effekte der 3D-Druckschichten auf die Eigenschaften der Textilien ermittelt. Dafür werden vier Gewebe und zwei Gestricke durch drei Druckmodule mit drei thermoplastischen Filamenten, einem thermoplastischen Granulat sowie einem Silikonkautschuk bedruckt. Die Einflüsse der Faktoren Textilart, Faserstoff, Textilausrichtung, Textildicke und -oberfläche sowie die Druckmodule mit den verarbeitbaren Druckmaterialien werden experimentell untersucht. Die größten signifikanten Effekte auf die Haftfestigkeit hat die Materialwahl, wobei der Effekt des Druckmaterials größer ist als der Einfluss des Textils. Die Druckschichten beeinflussen die textilen Eigenschaften unterschiedlich stark. Die thermoplastischen Materialien erhöhen die breitenbezogene Biegesteifigkeit der Textilien je nach Druckmaterial und Schichtdicke. Das Zugverhalten der Substrate wird durch die Druckschichten bis auf einzelne Ausnahmen kaum beeinflusst. Die Abriebbeständigkeit der Textilien kann durch 3D-gedruckte Strukturen soweit erhöht werden, dass sie Scheuerversuchen mit erhöhten Anforderungen gegenüber Sandpapier standhalten. Insgesamt ergänzt die Arbeit den Forschungsstand um Erkenntnisse zum 3D-Druck auf Textilien mithilfe unterschiedlicher Druckmodule. Zur verwendbaren Materialpalette gehören auch in anderen Veredlungsprozessen verwendete Materialien. Beispiele und Druckmuster veranschaulichen Anwendungspotenziale in den Bereichen der Sport-, Arbeits- und technischen Textilien.:Abkürzungen und Symbole Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Begriffe und Verfahren in der additiven Fertigung 2.1.1 Polymerisation/Stereolithographie 2.1.2 Sintern und Schmelzen 2.1.3 Extrusionsverfahren/Schmelzschichtung 2.2 Forschungsstand der additiven Fertigungsverfahren in der Textilindustrie 2.2.1 Textil- bzw. Bekleidungsherstellung 2.2.2 Textilmodifikation 2.2.3 Zusammenfassung zum Forschungsstand 2.3 Überblick zur Haftfestigkeit 2.4 Zielstellung 3 Maschinentechnik, Materialien und Methoden 3.1 Versuchsanlage am STFI 3.1.1 Filamentextruder 3.1.2 Nadelventil 3.1.3 Dispensersystem 3.2 Materialien 3.2.1 Textile Substrate 3.2.2 Druckmaterialien 3.3 Versuchsplanung und -durchführung 3.3.1 Datenvorbereitung und Druckparameter 3.3.2 Versuchsplanung 3.3.3 Prüfverfahren 3.4 Methoden der statistischen Auswertung 4 Untersuchung zur Haftfestigkeit 4.1 Einzeleffekte des Drucksubstrats 4.2 Einzeleffekte des Druckmaterials 4.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zu den Einzeleffekten auf die Haftfestigkeit 4.4 Interaktion der Parameter unterschieden nach Wahl des Textils 4.5 Interaktion der Parameter unterschieden nach verwendetem Druckmodul 4.6 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Haftfestigkeit 5 Charakterisierung der hergestellten Verbunde 5.1 Qualitative Beurteilung der Grenzflächen durch mikroskopische Aufnahmen 5.2 Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 5.2.1 Abweichung von der Solldicke der reinen Druckschichten 5.2.2 Abweichung von der Sollschichtdicke der bedruckten Textilien 5.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 6 Einfluss der applizierten 3D-Druckschichten auf die textilen Eigenschaften 6.1 Einfluss auf die Biegesteifigkeit 6.1.1 Biegesteifigkeiten der Ausgangsmaterialien 6.1.2 Biegesteifigkeiten der bedruckten Textilien 6.1.3 Einfluss der Biegerichtung auf die Biegesteifigkeiten 6.1.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Biegesteifigkeit 6.2 Einfluss auf das Zugverhalten 6.2.1 Zugverhalten der Ausgangsmaterialien 6.2.2 Zugverhalten der bedruckten Textilien 6.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Zugverhalten 6.3 Einfluss auf das Abriebverhalten 6.3.1 Abriebverhalten der Ausgangsmaterialien 6.3.2 Abriebverhalten der bedruckten Textilien 6.3.3 Einfluss der verwendeten Druckgeometrie auf das Abriebverhalten 6.3.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Abriebverhalten 6.4 Waschbeständigkeit der bedruckten Textilien 7 Bewertung der erzielten Ergebnisse 7.1 Bewertung und Vergleich der Ergebnisse mit dem Forschungsstand 7.2 Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks auf textilen Substraten 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Anhang 10.1 Anhang zum Kapitel Methoden der statistischen Auswertung 10.2 Anhang zum Kapitel Haftfestigkeit 10.3 Anhang zum Kapitel Mikroskopie 10.4 Anhang zum Kapitel Dickenabweichung 10.5 Anhang zum Kapitel Biegesteifigkeit 10.6 Anhang zum Kapitel Zugverhalten 10.7 Anhang zum Kapitel Abriebverhalten / 3D printing technology offers an opportunity for digital functionalization of textile substrates. But lack of fundamentals, the small range of materials for textile applications, high investment costs and long printing times inhibit its use in the textile industry. This thesis addresses various influences on the adhesion strength of 3D printed textile composites. In addition, the effects of the 3D printed layers on the properties of the textiles are determined. For this purpose, four woven and two knitted fabrics are printed by three printing modules with three thermoplastic filaments, one thermoplastic granulate and one silicone rubber. The influences of the factors textile type, fiber material, textile orientation, textile thickness and surface as well as the printing modules with the processable printing materials are investigated experimentally. The greatest significant effects on adhesion are due to the choice of material, with the effect of the printing material being greater than the influence of the textile. The printing layers affect the textile properties to different degrees. The thermoplastic materials increase the width-related bending stiffness of the textiles depending on the printing material and layer thickness. With a few exceptions, the tensile behavior of the substrates is hardly affected by the printing layers. The abrasion resistance of the textiles can be increased by 3D-printed structures to such an extent that they can withstand abrasion tests with increased requirements compared to sandpaper. All in all, the work adds to the state of research knowledge on 3D printing on textiles using different printing modules. The range of materials that can be printed also includes materials used in other finishing processes. Examples and printed samples illustrate potential applications in the fields of sports, work and technical textiles.:Abkürzungen und Symbole Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Begriffe und Verfahren in der additiven Fertigung 2.1.1 Polymerisation/Stereolithographie 2.1.2 Sintern und Schmelzen 2.1.3 Extrusionsverfahren/Schmelzschichtung 2.2 Forschungsstand der additiven Fertigungsverfahren in der Textilindustrie 2.2.1 Textil- bzw. Bekleidungsherstellung 2.2.2 Textilmodifikation 2.2.3 Zusammenfassung zum Forschungsstand 2.3 Überblick zur Haftfestigkeit 2.4 Zielstellung 3 Maschinentechnik, Materialien und Methoden 3.1 Versuchsanlage am STFI 3.1.1 Filamentextruder 3.1.2 Nadelventil 3.1.3 Dispensersystem 3.2 Materialien 3.2.1 Textile Substrate 3.2.2 Druckmaterialien 3.3 Versuchsplanung und -durchführung 3.3.1 Datenvorbereitung und Druckparameter 3.3.2 Versuchsplanung 3.3.3 Prüfverfahren 3.4 Methoden der statistischen Auswertung 4 Untersuchung zur Haftfestigkeit 4.1 Einzeleffekte des Drucksubstrats 4.2 Einzeleffekte des Druckmaterials 4.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zu den Einzeleffekten auf die Haftfestigkeit 4.4 Interaktion der Parameter unterschieden nach Wahl des Textils 4.5 Interaktion der Parameter unterschieden nach verwendetem Druckmodul 4.6 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Haftfestigkeit 5 Charakterisierung der hergestellten Verbunde 5.1 Qualitative Beurteilung der Grenzflächen durch mikroskopische Aufnahmen 5.2 Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 5.2.1 Abweichung von der Solldicke der reinen Druckschichten 5.2.2 Abweichung von der Sollschichtdicke der bedruckten Textilien 5.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Dickenabweichung von der Sollschichtdicke 6 Einfluss der applizierten 3D-Druckschichten auf die textilen Eigenschaften 6.1 Einfluss auf die Biegesteifigkeit 6.1.1 Biegesteifigkeiten der Ausgangsmaterialien 6.1.2 Biegesteifigkeiten der bedruckten Textilien 6.1.3 Einfluss der Biegerichtung auf die Biegesteifigkeiten 6.1.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zur Biegesteifigkeit 6.2 Einfluss auf das Zugverhalten 6.2.1 Zugverhalten der Ausgangsmaterialien 6.2.2 Zugverhalten der bedruckten Textilien 6.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Zugverhalten 6.3 Einfluss auf das Abriebverhalten 6.3.1 Abriebverhalten der Ausgangsmaterialien 6.3.2 Abriebverhalten der bedruckten Textilien 6.3.3 Einfluss der verwendeten Druckgeometrie auf das Abriebverhalten 6.3.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Abriebverhalten 6.4 Waschbeständigkeit der bedruckten Textilien 7 Bewertung der erzielten Ergebnisse 7.1 Bewertung und Vergleich der Ergebnisse mit dem Forschungsstand 7.2 Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks auf textilen Substraten 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Anhang 10.1 Anhang zum Kapitel Methoden der statistischen Auswertung 10.2 Anhang zum Kapitel Haftfestigkeit 10.3 Anhang zum Kapitel Mikroskopie 10.4 Anhang zum Kapitel Dickenabweichung 10.5 Anhang zum Kapitel Biegesteifigkeit 10.6 Anhang zum Kapitel Zugverhalten 10.7 Anhang zum Kapitel Abriebverhalten