Increasing the wear resistance of molds for injection of glass fiber reinforced plastics

Abrasion by glass fibers during injection molding of fiber reinforced plastics raises new challenges to the wear performance of the molds. In the last few decades, a large number of PVD and CVD coatings have been developed with the aim of minimizing abrasion problems. In this work, two different coatings were tested in order to increase the wear resistance of the surface of a mold used for glass fiber reinforced plastics: TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC. TiAlSiN was deposited as a graded monolayer coating while CrN/CrCN/DLC was a nanostructured coating consisting of three distinct layers. Both coatings were produced by PVD unbalanced magnetron sputtering and were characterized using scanning electron microscopy (SEM) provided with energy dispersive spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM), micro hardness (MH) and scratch test analysis. Coating morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and adhesion to the substrate were investigated. Wear resistance was characterized through industrial tests with coated samples and an uncoated reference sample inserted in a feed channel of a plastic injection mold working with 30 wt.% glass fiber reinforced polypropylene. Results after 45,000 injection cycles indicate that the wear resistance of the mold was increased by a factor of 25 and 58, by the TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC coatings, respectively, over the uncoated mold steel.

A case study undertaken recycling & reuse of glass fiber reinforced thermoset polumer wastes of composite materials industry

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP) have been considered inherently difficult to recycle due to both: crosslinked nature of thermoset resins, which cannot be remoulded, and complex composition of the composite itself. Presently, most of the GFRP waste is landfilled leading to negative environmental impacts and supplementary added costs. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. In this study, efforts were made in order to recycle grinded GFRP waste, proceeding from pultrusion production scrap, into new and sustainable composite materials. For this purpose, GFRP waste recyclates, were incorporated into polyester based mortars as fine aggregate and filler replacements at different load contents and particle size distributions. Potential recycling solution was assessed by mechanical behaviour of resultant GFRP waste modified polymer mortars. Results revealed that GFRP waste filled polymer mortars present improved flexural and compressive behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of the GFRP industrial waste reuse into concrete-polymer composite materials.

PLSR Models for Mechanical Strengths of Concrete Composite Materials Reinforced with Pultrusion Wastes

In this paper, we present two Partial Least Squares Regression (PLSR) models for compressive and flexural strength responses of a concrete composite material reinforced with pultrusion wastes. The main objective is to characterize this cost-effective waste management solution for glass fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion wastes and end-of-life products that will lead, thereby, to a more sustainable composite materials industry. The experiments took into account formulations with the incorporation of three different weight contents of GFRP waste materials into polyester based mortars, as sand aggregate and filler replacements, two waste particle size grades and the incorporation of silane adhesion promoter into the polyester resin matrix in order to improve binder aggregates interfaces. The regression models were achieved for these data and two latent variables were identified as suitable, with a 95% confidence level. This technological option, for improving the quality of GFRP filled polymer mortars, is viable thus opening a door to selective recycling of GFRP waste and its use in the production of concrete-polymer based products. However, further and complementary studies will be necessary to confirm the technical and economic viability of the process.

Desenvolvimento de uma ferramenta para cálculo de estruturas em material compósito

Os desafios à engenharia moderna são cada vez maiores, pretendendo-se quase sempre obter estruturas mais leves, com propriedades mecânicas atrativas e muitas vezes com geometrias complexas. Com tais requisitos, um dos materiais que tem vindo a ter uma crescente aplicação é o material compósito. Contudo, no que toca ao cálculo estrutural destes materiais, tudo se torna mais complexo, já que são materiais que geralmente são formados por empilhamento de várias camadas de material heterogéneo, podendo estas encontrarem-se dispostas segundo diferentes orientações. Assim, a utilização de um software que permita a previsão das propriedades mecânicas de uma estrutura em material compósito através da micromecânica, a aplicação da Teoria Clássica dos Laminados e de um critério de rotura, como por exemplo o de Tsai-Hill, é fundamental para agilizar o processo de estudo da estrutura a fabricar. Para dar uma resposta a tal necessidade foi desenvolvida uma aplicação, em MATLAB® GUI, denominada CAFE – Composite Analysis For Engineers, com ambiente gráfico apelativo, que permite determinar todas as variáveis importantes no estudo de estruturas em material compósito. Esta aplicação visa suportar e agilizar a aprendizagem desta área do conhecimento, permitindo também o acesso ao código de cálculo por parte do utilizador, de modo a conhecerem-se as equações utilizadas e, eventualmente, ser alvo de futuros desenvolvimentos. O programa desenvolvido foi alvo de validação, recorrendo-se para tal, a uma comparação dos resultados obtidos entre o respetivo programa e por um outro programa de grande fiabilidade. Assim sendo, concluiu-se que o software CAFE apresenta resultados válidos, encontrando-se apto a ser utilizado.

Comparative analysis of drills for composite laminates

The characteristics of carbon fiber-reinforced plastics allow a very broad range of uses. Drilling is often necessary to assemble different components, but this can lead to various forms of damage, such as delamination which is the most severe. However, a reduced thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, two variables of the drilling process were compared: tool material and geometry, as well as the effect of feed rate and cutting speed. The parameters that were analyzed include: thrust force, delamination extension and mechanical strength through open-hole tensile test, bearing test, and flexural test on drilled plates. The present work shows that a proper combination of all the factors involved in drilling operations, like tool material, tool geometry and cutting parameters, such as feed rate or cutting speed, can lead to the reduction of delamination damage and, consequently, to the enhancement of the mechanical properties of laminated parts in complex structures, evaluated by open-hole, bearing, or flexural tests.

Wear resistance of TiAlSiN thin coatings

In the last decades TiAlN coatings deposited by PVD techniques have been extensively investigated but, nowadays, their potential development for tribological applications is relatively low. However, new coatings are emerging based on them, trying to improve wear behavior. TiAlSiN thin coatings are now investigated, analyzing if Si introduction increases the wear resistance of PVD films. Attending to the application, several wear test configurations has been recently used by some researchers. In this work, TiAlSiN thin coatings were produced by PVD Unbalanced Magnetron Sputtering technique and they were conveniently characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) provided with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA), Micro Hardness (MH) and Scratch Test Analysis. Properties as morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and film adhesion to the substrate were investigated. Concerning to wear characterization, two very different ways were chosen: micro-abrasion with ball-on-flat configuration and industrial non-standardized tests based on samples inserted in a feed channel of a selected plastic injection mould working with 30% (wt.) glass fiber reinforced polypropylene. TiAlSiN coatings with a small amount of about 5% (wt.) Si showed a similar wear behavior when compared with TiAlN reported performances, denoting that Si addition does not improve the wear performance of the TiAlN coatings in these wear test conditions.

Tool effects on hybrid laminates drilling

Fiber reinforced plastics are increasing their importance as one of the most interesting groups of material on account of their low weight, high strength, and stiffness. To obtain good quality holes, it is important to identify the type of material, ply stacking sequence, and fiber orientation. In this article, the drilling of quasi-isotropic hybrid carbon +glass/epoxy plates is analyzed. Two commercial drills and a special step drill are compared considering the thrust force and delamination extension. Results suggest that the proposed step drill can be a suitable option in laminate drilling.

Utilização de algoritmos de processamento e análise de imagem na avaliação do dano em placas compósitas

PTDC/EME–TME/66207/2006 e POSC/EEA-SRI/55386/2004

Analyzing objects in images for estimating the delamination influence on load carrying capacity of composite laminates

The use of fiber reinforced plastics has increased in the last decades due to their unique properties. Advantages of their use are related with low weight, high strength and stiffness. Drilling of composite plates can be carried out in conventional machinery with some adaptations. However, the presence of typical defects like delamination can affect mechanical properties of produced parts. In this paper delamination influence in bearing stress of drilled hybrid carbon+glass/epoxy quasi-isotropic plates is studied by using image processing and analysis techniques. Results from bearing test show that damage minimization is an important mean to improve mechanical properties of the joint area of the plate. The appropriateness of the image processing and analysis techniques used in the measurement of the damaged area is demonstrated.

Drilling damage in composite material

The characteristics of carbon fibre reinforced laminates have widened their use from aerospace to domestic appliances, and new possibilities for their usage emerge almost daily. In many of the possible applications, the laminates need to be drilled for assembly purposes. It is known that a drilling process that reduces the drill thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, damage assessment methods based on data extracted from radiographic images are compared and correlated with mechanical test results—bearing test and delamination onset test—and analytical models. The results demonstrate the importance of an adequate selection of drilling tools and machining parameters to extend the life cycle of these laminates as a consequence of enhanced reliability.

Finite Element Analysis (FEA) applied to heat transfer optimization process of pultrusion die systems

The aim of this study is to optimize the heat flow through the pultrusion die assembly system on the manufacturing process of a specific glass-fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion profile. The control of heat flow and its distribution through whole die assembly system is of vital importance in optimizing the actual GFRP pultrusion process. Through mathematical modeling of heating-die process, by means of Finite Element Analysis (FEA) program, an optimum heater selection, die position and temperature control was achieved. The thermal environment within the die was critically modeled relative not only to the applied heat sources, but also to the conductive and convective losses, as well as the thermal contribution arising from the exothermic reaction of resin matrix as it cures or polymerizes from the liquid to solid condition. Numerical simulation was validated with basis on thermographic measurements carried out on key points along the die during pultrusion process.

Reusability assessment of thermoset polymeric composite wastes as reinforcement and filler replacement for polymer concrete materials

The development and applications of thermoset polymeric composites, namely fiber reinforced polymers (FRP), have shifted in the last decades more and more into the mass market [1]. Production and consume have increased tremendously mainly for the construction, transportation and automobile sectors [2, 3]. Although the many successful uses of thermoset composite materials, recycling process of byproducts and end of lifecycle products constitutes a more difficult issue. The perceived lack of recyclability of composite materials is now increasingly important and seen as a key barrier to the development or even continued used of these materials in some markets.

Stress Ratio Effects on the fatigue Properties of Biaxially Loaded Tubular FRP-Specimens – Experimental Study

In this work tubular fiber reinforced specimens are tested for fatigue life. The specimens are biaxially loaded with tension and shear stresses, with a load angle β of 30° and 60° and a load ratio of R=0,1. There are many factors that affect fatigue life of a fiber reinforced material and the main goal of this work is to study the effects of load ratio R by obtaining S-N curves and compare them to the previous works (1). All the other parameters, such as specimen production, fatigue loading frequency and temperature, will be the same as for the previous tests. For every specimen, stiffness, temperature of the specimen during testing, crack counting and final fracture mode are obtained. Prior to testing, a study if the literature regarding the load ratio effects on composites fatigue life and with that review estimate the initial stresses to be applied in testing. In previous works (1) similar specimens have only been tested for a load ratio of R=-1 and therefore the behaviour of this tubular specimens for a different load ratio is unknown. All the data acquired will be analysed and compared to the previous works, emphasizing the differences found and discussing the possible explanations for those differences. The crack counting software, developed at the institute, has shown useful before, however different adjustments to the software parameters lead to different cracks numbers for the same picture, and therefore a better methodology will be discussed to improve the crack counting results. After the specimen’s failure, all the data will be collected and stored and fibre volume content for every specimen is also determinate. The number of tests required to make the S-N curves are obtained according to the existent standards. Additionally are also identified some improvements to the testing machine setup and to the procedures for future testing.

Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.