Final Year Project (Tesi)_GFRP
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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
14
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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.