Capitolo 4: ottimizzazione del processo di curing per la riduzione delle tensioni residue
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Progettazione strutturale con materiali compositi tessuti: caratterizzazione sperimentale ed ottimizzazione del ciclo di curing per il controllo della stabilità dimensionale CAPITOLO 4 OTTIMIZZAZIONE DEL PROCESSO DI CURING E RIDUZIONE DELLE TENSIONI RESIDUE Il materiale composito tessuto triassiale presenta, come visto nei precedenti capitoli, interessanti caratteristiche meccaniche unite ad elevata leggerezza ed ottimali proprietà elettromagnetiche. Ostacolo al suo utilizzo nella produzione di riflettori per antenna e di altri manufatti è stata l’insorgenza, nel curing, di distorsioni dovute alle tensioni residue. Gli studi effettuati sono stati realizzati utilizzando laminati di dimensioni standard , con orientamento degli yarn a 0° secondo la direzione corta. Dopo il curing, effettuato utilizzando i sacchi ed i cicli indicati dal produttore, le deformazioni si sono rilevate tali da dover ricercare nuove modalità di realizzazione del processo. Sono state effettuate delle prove mirate a comprendere l’incidenza dei materiali del sacco e del ciclo termo-meccanico di curing. I risultati ottenuti sono stati confermati dall’utilizzo delle soluzioni individuate nel curing di un materiale di tipo innovativo, un tessuto con matrice estero-cianata in grado di polimerizzare a bassa temperatura con caratteristiche meccaniche pari a quelle del materiale precedentemente utilizzato. Per ragioni di riservatezza questo materiale viene indicato come LTC (Low Temperature Cure) e non viene meglio qualificato. Gli interventi di ottimizzazione effettuati sono stati basati sulle teorie analitiche relative al curing, sulle teorie generali relative alle tensioni residue e sulle indicazioni emerse dalle fonti bibliografiche. La parte sperimentale è stata momento di verifica delle scelte operate e, unitamente, fonte di ulteriori elementi di studio. Durante le prove sono emersi elementi non considerati inizialmente, quali, ad esempio, quelli legati al “pre-stress”. Con questa dicitura è stato indicato lo stato tensionale/deformativo del tessuto presente prima del suo utilizzo per la produzione di parti finite. Questo stato tensionale, residuo dei processi produttivi, incide in maniera siginificativa sulle caratteristiche finali del laminato e sulla stabilità dimensionale del manufatto. Quello della previsione e riduzione delle deformazioni indotte dal curing è un filone di studio ricco di esperienze e contributi bibliografici.In generale le distorsioni in un laminato si sviluppano a causa di più azioni combinate; tra queste si annoverano [33]: 1) Anisotropia del materiale 2) disomogeneità del materiale 3) disomogeneità del campo termico 4) differenze di CTE tra stampo e manufatto 5) il calore che si libera nel processo (esotermico ) di polimerizzazione. Akkerman, Wiersma e Peeters in questo lavoro studiano il ritorno elastico in profili angolari a 90°, dei quali si rileva la variazione dell’angolo. Viene dimostrato che un ruolo primario viene svolto dai CTE del materiale. Quando la sezione è molto sottile rispetto al raggio di curvatura (R/s>10) questo rapporto (tra raggio di curvatura e spessore) diventa elemento sensibile. Il modello analitico messo appunto, parte dai 2 sottomodelli, uno termico (bilancio termico), un’altro meccanico (viscoelastico). Il modello numerico del composito (unidirezionale multistrato) è realizzato con elementi plate. Yang e Chen [34] hanno studiato laminati multistrato dimostrando che il ritorno elastico generato dalle tensioni residue nei laminati a forma angolare, si riduce quando: - aumenta il numero di strati utilizzati per realizzare il laminato, - aumenta l’angolo del provino (ad esempio passando da 60° a 135°), - i laminati sono disposti ortogonali secondo la sequenza 0,+90, questa configurazione determina un ritorno elastico particolarmente ridotto rispetto i laminati con strati disposti con inclinazione delle fibre a 45°. Altre indagini sperimentali su laminati curvi con profilo ad “L”, [38], hanno evidenziato che, dal punto di vista teorico, l’analisi elastica porta ad una sottostima del ritorno elastico. Usando i modelli viscoelastici semplificati, il ritorno elastico previsto è superiore del 33% rispetto a quello calcolato con i modelli elastici. Il valore, teorico, viscoelastico risulta a sua volta inferiore a quello reale di 18%. Le ragioni di questa sottostima, sono legate ai limiti nella modellazione della fase di polimerizzazione.Infine lo “spring-forward” aumenta con la temperatura di curing e diminuisce con lo spessore del laminato. Le prove hanno inoltre permesso di individuare delle condizioni ottimali per avere un laminato dello spessore desiderato ed una legge lineare che lega lo spessore al numero di strati, al gradiente termico, alla quantità di resina ed alla temperatura di stasi intermedia. Bao e Su, [36], hanno proposto un modello d’analisi innovativo per la valutazione delle tensioni residue indotte durante il raffreddamento. Lo studio svolto su laminati unidirezionali indica che la differenza di CTE determina in uno stato tensionale residuo: -
di trazione nella direzione ortogonale alle fibre - di compressione nella direzione delle fibre A questi stati tensionali si aggiungono, utilizzando laminati multistrato, quelli interlaminari. Il modello analitico valuta l’evoluzione degli stress residui sia normali al piano che di taglio e dimostra che, in un laminato simmetrico, le tensioni di interfaccia aumentano allontanandosi dal centro del laminato. Questo comportamento si presenta in tutte le tre direzioni di riferimento. Kim
e Daniel [37] hanno studiato e quantificato la nascita
delle tensioni residue legata alla differenza di CTE tra
composito e stampo. Nel processo, di resin transfert
molding (§1.5), il contatto tra composito e stampo
determina tensioni residue di trazione in direzione
trasversale e compressione nella direzione longitudinale.
L’interfaccia diretta tra materiale e stampo aumenta
l’effetto di queste tensioni rispetto il caso di
curing con sacco a vuoto. Valori di CTE rilevati in
questo studio sono: Alluminio 22, CTE trasversale 43, CTE
longitudinale 1.5 ; viene dimostrato sperimentalmente che
le tensioni residue possono essere inferiori in processi
a temperatura più alta. Questo fatto dice che aspetti
come le condizioni di contatto, la forma dello stampo e
del pezzo, le caratteristiche della matrice e del
preimpregnato, hanno un’influenza paragonabile a
quella della temperatura. L’evoluzione
delle tensioni residue è stata monitorata da diversi
autori: Zhu e Geubelle [38] hanno effettuato la
valutazione interrompendo il curing e misurando la
deformazione del laminato, altri [37], hanno utilizzato
dei sensori a fibra ottica annegati ed estensimetri. Le
indicazioni emerse da questi studi concordano sul fatto
che: -
in una prima fase nascono tensioni di compressione dovute
all’aumento della temperatura., -
durante la polimerizzazione il ritiro termico provoca
sollecitazioni di trazione, -
nel raffreddamento si sviluppa una parte di tensioni
residue rilevante (superiore al 50 %), -
all’apertura dello stampo circa il 50 % delle
tensioni residue viene rilasciato attraverso
l’incurvatura del laminato. Bogetti
e Gillespie, [39], dimostrano con modelli analitici e
sperimentali che la quota parte di tensioni residue che
si sviluppano nella polimerizzazione sono dovuti al
ritiro chimico ed alla variazione delle caratteristiche
elastiche. Questi fenomeni fanno insorgere nella matrice
stati tensionali che causano l’incurvatura del
laminato: questa incurvatura è pari all’1.5%
dello spessore del laminato stesso. Viene dimostrato
inoltre che per laminati multistrato ‘0-90’ di
spessore superiore ai dieci millimetri, le tensioni
residue sono negative nella zona centrale del laminato,
positive (circa 10 Mpa) nella zona esterna. Questa
distribuzione è conseguente allo sviluppo del curing
secondo la fenomenologia inside-outside. Con
questa denominazione si individua l’evoluzione della
distribuzione spaziale del grado di curing quando
l’avanzamento della reazione al centro è maggiore
che nelle zone esterne. In tal caso quando la resina
negli strati esterni polimerizza, e tende a ritirarsi,
viene ostacolata sia dalle fibre che dalla matrice già
polimerizzata. Ne consegue direttamente uno stato
tensionale di trazione nelle zone esterne del materiale,
di compressione in quelle interne. L’evoluzione
delle tensioni e lo studio dell’interfaccia a
livello microstrutturale vengono svolte da Chen
ed altri in [40], il modello numerico FEM dimostra come lo
sviluppo delle tensioni residue dopo la polimerizzazione
consta di due fasi:la generazione ed il rilassamento. La
generazione è la fase di nascita delle tensioni e
dipende dai differenti moduli elastici di fibra e
matrice, il rilassamento dipende dalle caratteristiche
plastiche e viscoelastiche della matrice. Entrambi gli
aspetti sono correlati alla temperatura ed alle velocità
di raffreddamento che vanno, per quanto possibile,
limitate. Il modello numerico sviluppato fornisce dei
valori tensionali di riferimento: trazione (max 45 MPa)
per la matrice, compressione (MAX –90 Mpa) per la
fibra. In
[63] si valuta l’incidenza del comportamento
viscoelastico (§1.6.5) in corrispondenza di diversi
valori del grado di curing: al crescere di a il modulo di
rilassamento presenta una diminuizione del
gradiente temporale ed un arresto, del rilassamento, su
valori sempre più elevati. Viene determinata una
relazione che lega il modulo di taglio al grado di curing
ed al tempo, in accordo con le prove sperimentali questa
relazione dimostra che prolungando la permanenza in
condizioni di ridotto grado di curing le tensioni
residue, sviluppatesi durante la polimerizzazione,
possono essere limitate. IN QUESTO CAPITOLO: 4.1 Presentazione dell’attività sperimentale 4.2
Ottimizzazione del ciclo termo-meccanico 4.3
Il ruolo dei materiali del sacco 4.4
Aspetti importanti non legati ai parametri di processo 4.5
Valutazione delle deformazioni residue mediante
fotogrammetria 4.6
Valutazione diretta delle tensioni residue |
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