Estudo da adesividade (TACK) de pré-impregnados de resina epóxi reforçada com fibras de carbono

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Bonded structures for enhanced damage tolerant pressurized fuselages

Adhesive bonding provides solutions to realize cost effective and low weight aircraft fuselage structures, in particular where the Damage Tolerance (DT) is the design criterion. Bonded structures that combine Metal Laminates (MLs) and eventually Selective Reinforcements can guarantee slow crack propagation, crack arrest and large damage capability. To optimize the design exploiting the benefit of bonded structures incorporating selective reinforcement requires reliable analysis tools. The effect of bonded doublers / selective reinforcements is very difficult to be predicted numerically or analytically due to the complexity of the underlying mechanisms and failures modes acting. Reliable predictions of crack growth and residual strength can only be based on sound empirical and phenomenological considerations strictly related to the specific structural concept. Large flat stiffened panels that combine MLs and selective reinforcements have been tested with the purpose of investigating solutions applicable to pressurized fuselages. The large test campaign (for a total of 35 stiffened panels) has quantitatively investigated the role of the different metallic skin concepts (monolithic vs. MLs) of the aluminum, titanium and glass-fiber reinforcements, of the stringers material and cross sections and of the geometry and location of doublers / selective reinforcements. Bonded doublers and selective reinforcements confirmed to be outstanding tools to improve the DT properties of structural elements with a minor weight increase. However the choice of proper materials for the skin and the stringers must be not underestimated since they play an important role as well. A fuselage structural concept has been developed to exploit the benefit of a metal laminate design concept in terms of high Fatigue and Damage Tolerance (F&DT) performances. The structure used laminated skin (0.8mm thick), bonded stringers, two different splicing solutions and selective reinforcements (glass prepreg embedded in the laminate) under the circumferential frames. To validate the design concept a curved panel was manufactured and tested under loading conditions representative of a single aisle fuselage: cyclic internal pressurization plus longitudinal loads. The geometry of the panel, design and loading conditions were tailored for the requirements of the upper front fuselage. The curved panel has been fatigue tested for 60 000 cycles before the introduction of artificial damages (cracks in longitudinal and circumferential directions). The crack growth of the artificial damages has been investigated for about 85 000 cycles. At the end a residual strength test has been performed with a “2 bay over broken frame” longitudinal crack. The reparability of this innovative concept has been taken into account during design and demonstrated with the use of an external riveted repair. The F&DT curved panel test has confirmed that a long fatigue life and high damage tolerance can be achieved with a hybrid metal laminate low weight configuration. The superior fatigue life from metal laminates and the high damage tolerance characteristics provided by integrated selective reinforcements are the key concepts that provided the excellent performances. The weight comparison between the innovative bonded concept and a conventional monolithic riveted design solution showed a significant potential weight saving but the weight advantages shall be traded off with the additional costs.

Advanced N.D.T.: analisi e studio di componenti in materiale composito

Numerose evidenze dimostrano che le proprietà dei materiali compositi sono strettamente legate ai processi produttivi, alle tipologie di fibra e resina impiegate nel materiale stesso. Proprietà caratterizzate anche dai difetti contenuti nel materiale stesso. Nella tesi si presta particolare attenzione al processo produttivo con prepreg e autoclave trattando anche il tema della stesura di un ply-book. Si valutano in modo teorico e critico alcuni tra i metodi N.D.T. più avanzati tra cui: P.T.(Penetrant Test), Rx(Radiography Test), UT (Ultrasound Test in Phased Array) e IRT (InfraRed Termography - Pulsata). Molteplici sono i componenti testati che variano tra loro per: tipologia di resina e fibra impiegata, processo produttivo e geometria. Tutti questi componenti permettono di capire come i singoli parametri influenzino la visualizzazione e l'applicabilità delle tecniche N.D.T. sopra citate. Su alcuni provini è stata eseguita la prova meccanica Drop Weight Test secondo ASTM D7136 per correlare le aree di delaminazione indotte e la sensibilità di ogni singolo metodo, visualizzando così la criticità indotta dagli urti con bassa energia di impatto (BVID Barely Invisible Impact)di cui i materiali compositi soffrono durante la "service life". A conclusione del lavoro si potrà comprendere come solo l'analisi con più metodi in parallelo permetta di ottenere una adeguata Probability Of Detection.

Characterization of mode I disbonding behaviour of carbon/epoxy composites bonded with two adhesion qualities

La mancanza di procedure standard per la verifica delle strutture in compositi, al contrario dei materiali metallici, porta all’esigenza di una continua ricerca nel settore, al fine di ottenere risultati significativi che culminino in una standardizzazione delle procedure. In tale contesto si colloca la ricerca svolta per la stesura del presente elaborato, condotta presso il laboratorio DASML del TU Delft, nei Paesi Bassi. Il materiale studiato è un prepreg (preimpregnated) costituito da fibre di carbonio (M30SC) e matrice epossidica (DT120) con la particolare configurazione [0°/90°/±45°/±45°/90°/0°]. L’adesivo utilizzato per l’incollaggio è di tipo epossidico (FM94K). Il materiale è stato assemblato in laboratorio in modo da ottenere i provini da testare, di tipo DCB, ENF e CCP. Due differenti qualità dello stesso materiale sono state ottenute, una buona ottenuta seguendo le istruzione del produttore, ed una povera ottenuta modificando il processo produttivo suggerito, che risulta in un incollaggio di qualità nettamente inferiore rispetto al primo tipo di materiale. Lo scopo era quello di studiare i comportamenti di entrambe le qualità sotto due diversi modi di carico, modo I o opening mode e modo II o shear mode, entrambi attraverso test quasi-statici e a fatica, così da ottenere risultati comparabili tra di essi che permettano in futuro di identificare se si dispone di un materiale di buona qualità prima di procedere con il progetto dell’intera struttura. L’approccio scelto per lo studio dello sviluppo della delaminazione è un adattamento della teoria della Meccanica della Frattura Lineare Elastica (LEFM)

Analisi numerica e sperimentale del comportamento a compressione di materiali compositi

L’obbiettivo di questa tesi è ottenere un modello agli elementi finiti che simuli la prova a compressione su un campione di materiale composito a matrice polimerica rinforzata con fibre di carbonio unidirezionali (UD), mediante l’utilizzo di una attrezzatura denominata Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture. Il programma utilizzato per realizzare il modello agli elementi finiti è Abaqus della Simulia. Il materiale oggetto dello studio è un prepreg UD di interesse nel settore automobilistico, e fa seguito ad una campagna di prove sperimentali (caratterizzazione a compressione) svolta nei laboratori ENEA di Faenza, dove opera l’Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Valutazione dell'effetto dell'invecchiamento termico sulle proprietà meccaniche di materiali compositi

L’obiettivo della presente tesi è analizzare, attraverso una campagna sperimentale, gli effetti dell’invecchiamento termico su materiali compositi avanzati. Due serie di provini, ottenuti da pannelli di fibra di carbonio/resina epossidica realizzati rispettivamente con le tecniche di produzione tramite laminazione manuale e RTM (Resin Transfer Molding), sono stati condizionati in forno o in congelatore per un determinato tempo e successivamente sottoposti a test di caratterizzazione meccanica. In questo modo sono state confrontate le prestazioni delle due tecnologie al fine di verificare l’applicabilità del processo RTM a prodotti di alta qualità. I campioni, impiegati nel presente studio, sono stati realizzati scegliendo una configurazione cross-ply, che ben si adatta alle successive fasi della campagna. Sui provini ottenuti sono stati eseguiti dei test di resistenza alla delaminazione tramite una pressa con supporti adattati appositamente allo scopo. Questa campagna sperimentale è stata svolta presso i laboratori hangar della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna, sede di Forlì. La caratterizzazione del materiale è avvenuta mediante prove a flessione D2344.

Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.

Otimização de injeção sobre tecidos pré-impregnados

A otimização é aplicada constantemente como método de aperfeiçoamento, desde os problemas quotidianos, aos problemas mais complexos de matemática e engenharia. A Natureza há milhões de anos que aplica eficazmente otimização em todos os seus ínfimos sistemas de forma a manter o equilíbrio. Estes processos naturais de aperfeiçoamento serviram de inspiração a diversos autores para o desenvolvimento de algoritmos de otimização. Quatro algoritmos bio-inspirados, na sua forma de otimização mono-objetivo e um algoritmo multi-objetivo são utilizados para efetuar otimização do problema do ciclo de injeção. A indústria dos moldes como conhecida pioneira no desenvolvimento tecnológico, necessita de constante aperfeiçoamento e otimização dos seus processos. A redução do tempo de ciclo é um dos principais focos de otimização pois determina fortemente o custo da peça a produzir. A procura de novos conceitos de injeção, em que se pretende produzir peças com gradientes funcionais, levaram à criação de uma nova ferramenta molde para o processamento de tecidos pré impregnados com polímero (prepreg). A introdução de novas etapas no ciclo de injeção, criaram a necessidade de uma nova formulação, de forma a modelar o processamento dos prepregs. A otimização efetuada pelos algoritmos bio-inspirados à nova formulação pretende minimizar o tempo de ciclo e obter parâmetros de processamento ideais, tais como as dimensões ideais dos canais de alimentação temperaturas e pressões de processamento. A otimização mono-objetivo tem um único objetivo, a minimização do tempo de ciclo. A otimização multi-objetivo tem como objetivos a minimização do tempo de ciclo, da queda de pressão e volume de abastecimento. Para que o princípio da sobre moldação fosse aplicado a esta nova técnica de processamento, são apresentados os métodos existentes, para que se possa criar um paralelismo e prever a adesão do polímero ao tecido. Da mesma forma é apresentado o estudo efetuado sobre a compatibilidade de materiais e as suas condições de processamento. Como resultado final, surge a ferramenta que permite a sobre-moldação, ou seja, o molde projetado, respeitando as dimensões e parâmetros obtidos pelo melhor resultado dos algoritmos mono-objetivo.

Influência da sequência de empilhamento nas propriedades mecânicas de laminados compósitos submetidos à tração

Composite laminates with plies in different directions finely dispersed are classified as homogenized. The expected benefits of homogenization include increased mechanical strength, toughness and resistance to delamination. The objective of this study was to evaluate the effect of stacking sequence on the tensile strength of laminates. Composite plates were fabricated using unidirectional layers of carbon/epoxy prepreg with configurations [903/303/-303]S and [90/30/-30]3S. Specimens were subjected to tensile and open hole tension (OHT) tests. According to the experimental results, the mean values of strength for the homogenized laminates [90/30/-30]3S were 140% and 120% greater for tensile and OHT tests, respectively, as compared to laminates with configuration [903/303/-303]S. The increase in tensile strength for more homogenized laminates was associated with the increment in interlaminar interfaces, which requires more energy to produce delamination, and the more complicated crack propagation through plies with different orientations. OHT strength was not affected by the presence of the hole due to the predominance of the interlaminar shear stress in relation to the stress concentration produced by the hole