Prof. Antoniomaria Di IlioDr. Safa Hashim – Head of Mechanical Engineering at University of Glasgow

Francesco Di Paolo

TESI di LAUREA DELAMINATION IN GFRP FIBRE/RESIN INTERFACE

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OBIETTIVOQuesto progetto ha l’obiettivo di migliorare l’efficienza e

l’affidabilità dei giunti nella Vetroresina, Plastica rinforzata con vetro (in inglese, GFRP).

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SOMMARIO

1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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SOMMARIO

1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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Glass Fiber Reinforced PlasticsIl GFRP è un materiale:

– Leggero– Rigido– Resistente

Vantaggi sui compositi rinforzati con fibra di carbonio: 1.Costo2. Isolamento termico ed elettrico3.Corrosione4.RadioTrasparente: non causa interferenze radio

(Antenne).

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LA FIBRAFIBRA DI VETRO• Superficie quasi interamente priva di

difetti (resistenza dell’ordine di Gpa)• dimensioni tipiche sono tipicamente:

– 10-25 μm per E-Glass, – 9 μm per S-Glass.

• Rivestimento con sostanze speciali, per incrementare capacità di adesione alla resina (no scivolamento dalla matrice)

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MATERIALE COMPOSITOPERCHE’ REALIZZARE UN MATERIALE COMPOSITO?• Fibra:

(+) Resistenza a trazione;(-) Carico di punta(-) relativamente debole a taglio

• Matrice plastica:(+) buona resistenza a compressione

Unendoli, preveniamo l’inflessione delle fibre, ne vincoliamo la posizione relativa, scegliendo l’orientamento delle fibre controlliamo le proprietà del composito.

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APPLICAZIONIBREVE STORIA• anni ’30: inizio ricerca (campo aeronautico)• anni ’50: applicazione in campo civile:

– Imbarcazioni– Tavole da surf– biciclette– Serbatoi – Auto

Chevrolet Corvette (1954)

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PRODUZIONEMETODI DI PRODUZIONEI principali metodi di produzione della vetroresina sono:

– HLU (Hand Lay-Up): deposizione manuale su stampi aperti;

– RTM (Resin Transfer Moulding): deposizione manuale su stampi chiusi;

– RTM light: deposizione manuale su stampi chiusi;– Infusione: stampo + sacco sottovuoto;– Filament winding: avvolgimento di filo continuo– Pultrusion: lavorazione continua;

• Vantaggioso per costi e varietà di applicazione

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Schema di Pultrusione (estrusione tirata):1) Fibre (fase dispersa); 2) Rullo3) Impregnazione delle fibre con la resina4) Uscita dalla vasca di impregnazione e preformatura5) Stampo riscaldato (formatura e polimerizzazione); 6) Tiraggio7) Materiale composito e taglio

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SOMMARIO

1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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LITERATURE REVIEW1. Giunti GFRP con Adesivi:

• molta ricerca, specie per settore navale;• Altri metodi (rivetti) mostrano resistenza inferiore del

50% (concentrazione locale degli stress - temperature e durata).

2. I Vuoti: • Svantaggio della Pultrusione: elevata presenza (3-

5% del materiale), causati dagli scambi termici e dilatazioni.

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LITERATURE REVIEW3. Giunto Double Lap Shear Acciaio-GFRP:

configurazione più studiata perché offre la migliore prestazione.

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LITERATURE REVIEW4. Criteri di rottura:

• Rottura causata dalla Tensione Trasversale per la bassa resistenza del GFRP in questa direzione.

• rottura di tipo Interlaminare, pochi μm al di sotto della superficie di adesione:

Tensione Trasversale

Tensione LongitudinaleGFRP

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LITERATURE REVIEW5. Rottura fragile:• Improvvisa, rende difficile individuare il punto iniziale

della frattura:• probabilmente la rottura parte vicino le estremità

libere;• rende difficile quantificare le proprietà (resistenza

trasversale).• Test in laboratorio molto approssimativi (ricerca nuovi

modelli, test microscopici insufficienti e costosi)

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LITERATURE REVIEW6. Interazioni stress Trasversali e Longitudinali:

aspetto molto intricato. • Ancora studi qualitativi• stress trasversale all’interno del composito attenuato

da forze longitudinali (F1 nel grafico).

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SOMMARIO

1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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TEMI DA APPROFONDIREObiettivo: continuare la ricerca1. Il Meccanismo della frattura in giunti Acciaio-GFRP2. Relazione Tensione Longitudinale e Traversale;3. Influenza dei vuoti (pultrusion)4. Influenza dimensioni delle fibre di vetroPer fare questo,

– Test in laboratorio su giunto Double Lap Shear– Videocamera Alta Velocità: inizio e propagazione

frattura.– FEM

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SOMMARIO

1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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1. REALIZZAZIONE DEI PROVINI

Long Double Lap Shear Joint ottenuto per incollaggio.Questo tipo di configurazione presenta:– una resistenza maggiore di altre geometrie;– assicura che la rottura inizi all’interno del composito.

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1. REALIZZAZIONE DEI PROVINI

• Per incrementare le proprietà di adesione superficiale, le parti in metallo sono state soggette a Sabbiatura (pulisce la superfice e incrementa adesione).

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1. REALIZZAZIONE DEI PROVINI

I provini di metallo prima (sinistra) e dopo (destra) Sandblasting

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APPLICAZIONE ADESIVOEpoxy adhesive

Araldite 2015 (Huntsman):

• adesivo molto buono per queste applicazioni.

• cura a 80°C per 60 minuti, seguiti da un lento raffreddamento.

Applicazione dell’adesivo ai provini

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APPLICAZIONE ADESIVO

12

3

4

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PROVINI

Provino completato, pronto per essere testato in laboratorio.

POSSIBILI PUNTI DI INIZIO DELLA FRATTURA

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HIGH SPEED CAMERAPhotron Fastcam SA-3: • Videocamera ad alta

Velocità, • bianco e nero • necessita settaggio prima

dell’applicazione

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HIGH SPEED CAMERAPer settare la Videocamera, test

con palloncini riempiti d’aria, per simulare una rottura improvvisa

Parametri:– frame rate: 8000 fps – time for recording: 1.02

seconds – resolution: 128 X 672 – trigger mode: end (it

records only the 1.02 seconds)

Video

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TEST• Test: carico di

tensione monotonico

• Macchina: Zwick/Roll Tensile Testing machine, alla velocità costante di 0.5 mm/min, a temperatura ambiente.

• Impiego di lampade

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TEST

Video

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TEST

La foto mostra:• punto di inizio della frattura (estremità);• la rottura è di tipo Interlaminare

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TEST

• Test 1 Max Force: 12,56 kN

• Test 2 Max Force: 14,25 kN

• Discontinuità (prima crack)

• Andamento non lineare (vuoti)

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1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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FINITE ELEMENT ANALISYS• Test: mostra che la relazione tensione Longitudinali-

Trasversali non è così forte.• FEM: confronto con studi passati;• Modello: singola fibra di vetro (1mm) e resina

circostante, per studiare:– L’influenza dello sforzo Longitudinale sulla resistenza

Trasversale;– L’influenza della dimensione della fibra;– L’influenza dei vuoti nella resina

• Modello 3D (non più 2D)

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FEA1. SFORZO LONGITUDINALE E TRASVERSALE• Singola fibra di vetro, incollata alla resina circostante

TRASVERSALE: 10 MPa

LONGITUDINALE: 0, 10, 50, 100, 200 MPaVincolo: carrello

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FEA

Tensione Trasversale

T. Long.

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FEA

0 10 50 100 2000

2

4

6

8

10

12

Influence of Tensile Stress on Transverse Stress

Longitudinal Stress [MPa]

Inte

rface

Stre

ss [M

Pa]

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FEA2. INFLUENZA DELLA DIMENSIONE DELLE FIBRE

Fibre più piccole permettono più uniforme distribuzione degli stress, così andando a diminuire la tensione Trasversale responsabile della rottura.

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FEA2. INFLUENZA DELLA DIMENSIONE DELLE FIBRE

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FEA3. INFLUENZA DEI VUOTI NELLA RESINA

Vuoto posto al centro dell’interfaccia fibra-resina, di dimensione variabile.

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FEAInfluenza notevole: una cavità di 5 μm di profondità causa incremento rispetto al caso ideale di stress pari al 50%.

0 5 10 15 200

2

4

6

8

10

12

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no1μm3μm5μm

Distanza dal vuoto (μm)

Tens

ione

Tra

sver

sale

(MPa

)

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1. Introduzione2. Stato dell’Arte della Ricerca3. Individuazione temi da approfondire4. Test in laboratorio5. Modelli al computer6. Risultati e discussione

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RISULTATI E DISCUSSIONECONFRONTO CON STUDI PRECEDENTI• Tensione Trasversale: il test la conferma responsabile

della rottura dei giunti GFRP-Acciaio;• “La rottura è di tipo Interlaminare”: confermato (foto).

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RISULTATI E DISCUSSIONE1. “E’ difficile determinare

l’esatto punto di inizio della frattura”

2. “Gli stress presso l’estremità libera sono complicati da calcolare e potrebbero essere la causa di una rottura prematura”

• La Videocamera ha permesso la registrazione di tutto il meccanismo di frattura (inizio e propagazione).

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RISULTATI E DISCUSSIONE• “Dai modelli al computer, è chiaramente evidente

che il livello di stress Trasversale nel GFRP può essere soppresso tramite tensioni Longitudinali”: il test e il modello FEM contraddicono questa affermazione.

Sin: precedenti studi Destra: risultati di questa ricerca

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RISULTATI E DISCUSSIONE• Possibile spiegazione:

1. tensione Longitudinale rende la struttura più rigida, riduce la deformazione ma causa aumento locale dello stress

2. Modelli passati non tenevano conto che anche la resina è soggetta al carico longitudinale

• Soluzione: test in laboratorio, che non esiste ancora

Abbiamo così ideato un Test su Macroscala che potrebbe risolvere la questione

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DESIGN DEL TEST• Obiettivo:

– legame azioni Longitudinali-Trasversali– Andamento qualitativo– Conferma di una delle due teorie

• Requisiti:– Macro Scala– Economico– Facilità di realizzazione e riuso

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SCHEMA

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MACRO SCALA• Macroscala: richiede Teoria della Similitudine

– Variabili Geometriche: D, L– Variabili Meccaniche: E, G, ρ , ν – Variabili Dinamiche: Ftrasv, Flong

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MATERIALE• Cavi di vetro: proprietà differenti dalle fibre• Materiale: per la macroscala, bisogna trovare un

materiale alternativo alle fibre di vetro: π3=E/G e π4=ν– Alluminio

• (+) E/G, ρ (-) ν – Ghisa:

• (+) ν, E/G (-) fragile– Acciaio:

• (+) E/G (-) ν • Al e Acciaio scelte migliori

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DESIGN DEL TEST• PROBLEMA: carico Trasversale

• Quattro possibilità:1. Adesione con resina2. Saldatura3. Magnete4. Cavi in Nylon

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1. ADESIONE• Invece di tirare il cavo, tiriamo

la resina• Problema:

– Difficoltà applicazione resina

– Lunghi tempi tra i test– Rottura può avvenire in

maniera differente

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2. SALDATURA• Saldando piccoli cavi,

possiamo applicare meglio il carico

• Problema:– Solo su acciaio (no

Alluminio)– Difficoltà nel saldare un

cavo di 1 mm di diametro in queste condizioni

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3. MAGNETE• Soluzione originale, carico

uniforme sul cavo• Problema:

– Ingombrante– Interferenze– Materiale ferromagnetico

(no Alluminio e maggioranza degli acciai)

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4. FILI IN NYLON• Semplice, rapido, economico• Problema:

– Carico distribuito non uniformemente

– Il filo impedisce l’adesione resina-cavo

METODO MIGLIORE:Ha approssimazioni, ma buono

per individuare comportamento qualitativo

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FEM

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FEM

Il test sembra in grado di mostrare quale delle due teorie è corretta.

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CONCLUSIONELo studio condotto ha:

1. Mostrato il meccanismo di frattura fibra-matrice2. Approfondito l’influenza dei vuoti e del diametro delle

fibre3. Evidenziato il legame tra sforzi Longitudinali e

Trasversali.Conoscere il comportamento dei giunti GFRP-acciaio

permette:– Più affidabilità– Più efficienza– Meno costi

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GRAZIE PER L’ATTENZIONEREFERENCES • Nisar JA, Hashim SA. Meso-scale laminate adhesive joints

for pultrusions. Int JAdhes Adhes 2010;30:763–73. • Hashim SA. Strength of resin coated adhesive bonded

double lap-shear pultrusion joints at ambient temperature. Int J Adhes Adhes 2009;29:294–301.

• J.E. Gordon. Structures: Or Why Things Don't Fall Down. 1978

• Brady M. Walther. An Investigation of the Tensile Strength and Stiffness of Unidirectional Polymer-Matrix, Carbon-Fiber Composites under the Influence of Elevated Temperatures. 1998

• Nisar JA, Modelling the interfaces of bondable pultrusions, PhD thesis, University of Glasgow; 2011.