Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Valutazione degli effetti dei parametri operativi nel processo di laser ablation su materiali compositi CFRP a matrice epossidica

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato riguarda lo studio di una particolare applicazione che impiega la tecnologia laser per la lavorazione di materiali compositi ed è stata interamente svolta, in particolar modo nella sua parte operativa, presso i laboratori della Facoltà di Ingegneria a Bologna. Il lavoro di tesi ha come obiettivo fondamentale la valutazione degli effetti che i parametri di processo possono avere sulla qualità risultante nel procedimento di ablazione per i materiali compositi. Per questa indagine sono stati utilizzati campioni piani (tutti identici tra loro) con rinforzo in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica, i quali sono stati lavorati con un laser Nd:YAG (λ = 1064 nm) funzionante in regime continuo. L’idea alla base dell’intera attività sperimentale è stata quella di realizzare una ablazione ottimale, rimuovendo dai campioni esclusivamente la resina (in maniera locale) e tentando, allo stesso tempo, di ottenere il minimo danneggiamento possibile per le fibre. Le prove effettuate non costituiscono naturalmente un punto di arrivo, bensì rappresentano piuttosto un punto di partenza per acquisire informazioni preliminari che potranno consentire, nel prossimo futuro, di proseguire con il perfezionamento del processo e la messa a punto dei parametri, al fine di conseguire una lavorazione che dia risultati effettivamente ottimali ed interessanti per l’eventuale applicazione industriale.

Effetto di impatti sul comportamento crashworthiness di materiali compositi

Attività sperimentale riguardante lo studio dei materiali compositi, nell’ambito della progettazione a crashworthiness, svolto, tramite test dei provini realizzati nell’attività di tirocinio, presso i laboratori didattici della Scuola di ingegneria e architettura, sede di Forlì. Il lavoro di tesi, si è basato sulla valutazione dell’energia assorbita dai provini in materiale composito, tramite prove quasi-statiche; per questo tipo di prove sono stati utilizzati provini autostabilizzanti, rinforzati in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica. Prima di procedere alla sperimentazione, sono stati studiati i risultati ottenuti da precedenti sperimentazioni eseguite da colleghi, per valutare quale fosse la configurazione migliore di provino, in termini di geometria, e trigger, che garantisse elevate energie di assorbimento. Dopo una panoramica dei materiali compositi, con riferimento alle caratteristiche e proprietà, alle diverse tipologie che si possono avere in ambito industriale, è spiegato il concetto di crashworthiness, le varie tipologie di test di impatto e le varie tipologie di rottura alla quale può essere soggetto un provino. Si è di seguito descritto come è stata valutata la scelta del tipo di geometria e del trigger, che sarebbero stati utilizzati per la progettazione del provino, e si è accennato al processo di laminazione svolta presso i laboratori della Scuola per la fabbricazione del provino. Al termine della descrizione dei tester usati per la sperimentazione sono, infine, illustrati i risultati delle prove svolte, con successivi commenti.

Valutazione numerica del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near edge"

Simulazione numerica con software Abaqus di impatti a bassa energia su laminati di fibra di carbonio con matrice epossidica per la previsione della formazione di delaminazioni interne. Confronto tra impatti centrali al provino e in prossimità del bordo.

Studio di membrane nanofibrose ottenute da elettrofilatura di poliarammidi per il rinforzo di materiali compositi

Uno tra i principali problemi dei compositi è il fenomeno della delaminazione. In questo lavoro di tesi sono state prodotte membrane nanofibrose ottenute mediante elettrofilatura di poliarammidi, da impiegare come rinforzo per contrastare tale fenomeno. Sono state quindi preparate soluzioni di Nomex con differenti combinazioni di concentrazione e solvente da sottoporre ad elettrofilatura, e sono stati ricercati i parametri di processo ottimali. La qualità delle nanofibre è stata valutata attraverso analisi SEM e successivamente sono state determinate le proprietà termo-meccaniche delle membrane migliori. Le stesse sono state impiegate per la produzione di compositi in fibra di carbonio a matrice epossidica e l’effetto sulla delaminazione è stato valutato tramite test preliminari ILSS e DCB. Inoltre, è stato valutato al cono-calorimetro il comportamento alla fiamma del composito nano-rinforzato. Sono state anche tentate prove preliminari di elettrofilatura di soluzioni di Kevlar.

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.

Progetto concettuale di un sedile in materiali compositi per veicoli solari

Il seguente elaborato è la conclusione dell'esperienza di tesi volta alla progettazione di componenti, nello specifico sedili e punti di ancoraggio per le cinture di sicurezza, per il cruiser Emilia 4, veicolo solare che gareggerà con le più importanti università mondiali nella 2017 World Solar Challenge in Australia. L'attività compiuta risulta essere il punto di arrivo dell'ottimizzazione strutturale degli elementi, attribuendo fondamentale importanza al peso delle strutture; l'obiettivo è stato raggiunto mediante l'adozione della fibra di carbonio, nel rispetto del regolamento della corsa e delle norme stradali australiane. Gran parte delle attività sono state svolte a Castel San Pietro nell'azienda Metal Tig, impresa specializzata nella lavorazione dei laminati in composito; qui si sono tenute riunioni settimanali per discutere dei progressi del progetto e delle modifiche da apportare. Il lavoro di tesi si conclude con la quarta revisione dei componenti affidatomi: essa probabilmente non sarà la versione definitiva, ma sicuramente sarà un punto di riferimento per i prossimi progettisti impegnati nell'impresa.

Effetto dell'addizione di fibre corte di carbonio su microstruttura e proprietà di materiali a base di ZrB2

Il lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR, Faenza, RA), ha affrontato la produzione e la caratterizzazione di ceramici a base di boruro di zirconio (ZrB2) con lo scopo di valutare l’efficacia delle fibre corte di carbonio come potenziale rinforzo. Il boruro di zirconio appartiene a una famiglia di materiali noti come UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) caratterizzati da elevato punto di fusione e in grado di mantenere la resistenza meccanica e operare con limitata ossidazione a temperature superiori ai 2000°C. Il principale ostacolo nella produzione dei materiali a base di ZrB2 è il processo di sintesi, infatti, a causa della loro elevata temperatura di fusione, per ottenere un materiale completamente denso è necessario utilizzare processi a temperatura e pressione elevati (T > 2000°C e P > 30 MPa), condizioni che vanno ad influenzare la microstruttura della matrice e delle fibre e di conseguenza le proprietà meccaniche del materiale. L’aggiunta di additivi di sinterizzazione idonei permette di ottenere materiali perfettamente densi anche a temperature e pressioni inferiori. Tuttavia lo ZrB2 non viene ampiamente utilizzato per applicazioni strutturali a causa della sua fragilità, per far fronte alla sua bassa tenacità il materiale viene spesso rinforzato con una fase allungata (whiskers o fibre). È già oggetto di studi l’utilizzo di fibre corte e whiskers di SiC per tenacizzare lo ZrB2, tuttavia la forte interfaccia che viene a crearsi tra fibra e matrice, che non permette il pull-out delle fibre, ci porta a credere che una fibra che non tenda a reagire con la matrice, presentando un’interfaccia più debole, possa portare ad una tenacizzazione più efficace. Per questo scopo sono stati realizzati mediante pressatura a caldo due materiali rinforzati con fibre corte di carbonio: ZrB2 + 5% vol MoSi2 + 8% vol fibre di carbonio e [ZrB2 + 2 % peso C] + 8% vol fibre di carbonio, indicati rispettivamente con Z5M_Cf e Z2C_Cf. Sono stati analizzati e discussi diversi aspetti del materiale rinforzato tra cui: il comportamento di densificazione durante la pressatura a caldo, l’evoluzione della microstruttura della matrice, la distribuzione e la morfologia delle fibre, l’influenza del rinforzo sulle proprietà meccaniche di durezza e tenacità e sulla resistenza all’ossidazione. L’elaborato è strutturato come segue: inizialmente sono state introdotte le caratteristiche generali dei ceramici avanzati tra cui le proprietà, la produzione e le applicazioni; successivamente è stata approfondita la descrizione dei materiali a base di boruro di zirconio, in particolare i processi produttivi e l’influenza degli additivi di sinterizzazione sulla densificazione e sulle proprietà; ci si è poi concentrati sull’effetto di una seconda fase allungata per il rinforzo del composito. Per quanto riguarda la parte sperimentale vengono descritte le principali fasi della preparazione e caratterizzazione dei materiali: le materie prime, disperse in un solvente, sono state miscelate mediante ball-milling, successivamente è stato evaporato il solvente e la polvere ottenuta è stata formata mediante pressatura uniassiale. I campioni, dopo essere stati sinterizzati mediante pressatura uniassiale a caldo, sono stati tagliati e lucidati a specchio per poter osservare la microstruttura. Quest’ultima è stata analizzata al SEM per studiare l’effetto dell’additivo di sinterizzazione (MoSi2 e carbonio) e l’interfaccia tra matrice e fase rinforzante. Per approfondire l’effetto del rinforzo sulle proprietà meccaniche sono state misurate la durezza e la tenacità del composito; infine è stata valutata la resistenza all’ossidazione mediante prove in aria a 1200°C e 1500°C. L’addizione di MoSi2 ha favorito la densificazione a 1800°C mediante formazione di una fase liquida transiente, tuttavia il materiale è caratterizzato da una porosità residua di ~ 7% vol. L’addizione del carbonio ha favorito la densificazione completa a 1900°C grazie alla reazione dall’additivo con gli ossidi superficiali dello ZrB2. La microstruttura delle matrici è piuttosto fine, con una dimensione media dei grani di ~ 2 μm per entrambi i materiali. Nel caso del materiale con Z5M_Cf sono presenti nella matrice particelle di SiC e fasi MoB derivanti dalla reazione dell’additivo con le fibre e con la matrice; invece nel materiale Z2C_Cf sono presenti grani di carbonio allungati tra i bordi grano, residui delle reazioni di densificazione. In entrambi i materiali le fibre sono distribuite omogeneamente e la loro interfaccia con la matrice è fortemente reattiva. Nel caso del materiale Z5M_Cf si è formata una struttura core-shell con lo strato più esterno formato da SiC, formato dalla reazione tra il siliciuro e la fibra di C. Nel caso del materiale Z2C_Cf non si forma una vera e propria interfaccia, ma la fibra risulta fortemente consumata per via dell’alta temperatura di sinterizzazione. I valori di durezza Vickers dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf sono rispettivamente 11 GPa e 14 GPa, valori inferiori rispetto al valore di riferimento di 23 GPa dello ZrB2, ma giustificati dalla presenza di una fase meno dura: le fibre di carbonio e, nel caso di Z5M_Cf, anche della porosità residua. I valori di tenacità dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf, misurati con il metodo dell’indentazione, sono rispettivamente 3.06 MPa·m0.5 e 3.19 MPa·m0.5. L’osservazione, per entrambi i materiali, del fenomeno di pull-out della fibra, sulla superficie di frattura, e della deviazione del percorso della cricca, all’interno della fibra di carbonio, lasciano supporre che siano attivi questi meccanismi tenacizzanti a contributo positivo, unitamente al contributo negativo legato allo stress residuo. La resistenza all’ossidazione dei due materiali è confrontabile a 1200°C, mentre dopo esposizione a 1500°C il materiale Z5M_Cf risulta più resistente rispetto al materiale Z2C_Cf grazie alla formazione di uno strato di SiO2 protettivo, che inibisce la diffusione dell’ossigeno all’interno della matrice. Successivamente, sono stati considerati metodi per migliorare la densità finale del materiale e abbassare ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo da minimizzare la degenerazione della fibra. Da ricerca bibliografica è stato identificato il siliciuro di tantalio (TaSi2) come potenziale candidato. Pertanto è stato prodotto un terzo materiale a base di ZrB2 + Cf contenente una maggiore quantità di siliciuro (10% vol TaSi2) che ha portato ad una densità relativa del 96% a 1750°C. Questo studio ha permesso di approcciare per la prima volta le problematiche legate all’introduzione delle fibre di carbonio nella matrice di ZrB2. Investigazioni future saranno mirate alla termodinamica delle reazioni che hanno luogo in sinterizzazione per poter analizzare in maniera più sistematica la reattività delle fibre nei confronti della matrice e degli additivi. Inoltre riuscendo ad ottenere un materiale completamente denso e con fibre di carbonio poco reagite si potrà valutare la reale efficacia delle fibre di carbonio come possibili fasi tenacizzanti.

Progetto concettuale di un piede protesico a basso costo ed elevate prestazioni

Nel seguente elaborato verrà presentato il lavoro volto alla progettazione di una protesi di piede realizzata con materiale composito in fibra di carbonio riciclato. Per il suo conseguimento sono state prese in considerazione due scelte progettuali che permetteranno una futura realizzazione semplice ed economica. Una volta determinate le scelte progettuali, si sono generati dei semplici modelli di primo approccio, per i quali sono stati previsti modellazione CAD e simulazioni di opportuni modelli agli elementi finiti. Su quest’ultimi sono stati applicati i carichi e i vincoli secondo la norma UNI ISO 22675 e sono state eseguite diverse simulazioni al variare di alcuni parametri geometrici e del numero e orientamenti degli strati componenti le lamine. Dalle simulazioni sono stati ricavati i valori di tensione, ai quali è stato applicato il criterio di resistenza strutturale per i materiali compositi di Tsai – Hill. Dal confronto di tutti i risultati, si sono determinati i parametri di progetto ottimali per ognuna delle due varianti progettuali proposte. Sulla base dei risultati ottenuti sono stati realizzati nuovi modelli CAD più dettagliati, per i quali è stata condotta l’analisi FEM e la verifica del criterio strutturale come per i modelli di primo approccio. I modelli cosi definiti possono essere la base di partenza per la definizione del progetto costruttivo del prototipo di una o entrambe le varianti progettuali.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

Rinforzo di resine epossidiche con grafene ed ossido di grafene come matrici per compositi

I materiali compositi a base di fibra di carbonio svolgono un ruolo fondamentale fra i materiali avanzati ad alte prestazioni. Nell’ottica di migliorare le proprietà di resine epossidiche impiegate come matrice per tali compositi, è stato studiato l’effetto che nanocariche come il grafene e l’ossido di grafene hanno sulle prestazioni di una resina commerciale.

Simulazione numerica di giunzioni incollate in materiali compositi : valutazione degli effetti di bordo

Sviluppo di uno studio numerico, tramite metodo agli elementi finiti (FEM), sull'effetto di bordo in giunti incollati a sovrapposizione semplice (unsupported single-lap joints). E’ stata implementata l’analisi numerica di provini standard da normativa relativa a test sperimentali, per giunzioni tra lamine metalliche e tra materiali compositi in fibre di carbonio/matrice epossidica (CFRP). E’ stato cercata la geometria del bordo dello strato adesivo che potrebbe garantire una maggiore resistenza del giunto.

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).

Influenza dei parametri di processo delle caratteristiche meccaniche di materiali compositi

Lo scopo di questa tesi è valutare la resistenza a compressione e il valore del modulo elastico di tre laminati ottenuti con lo stesso materiale composito, CFRP, distinti in fase di laminazione dall’utilizzo di tre diverse tipologie di distaccante (peel-ply, film distaccante e controstampo). In questo modo è stato possibile valutare come quest’ultimi abbiano influito, in modo diverso per ogni laminato, sull’omogeneità dello spessore, sul peso, sulla fuoriuscita di resina e sulla percentuale volumetrica delle fibre. Tali fattori a loro volta hanno caratterizzato i valori di resistenza a compressione e modulo elastico. Nei capitoli successivi è descritto un metodo di analisi a compressione dei materiali compositi, a matrice epossidica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP), denominato Combined Loading Compression (CLC) Test Method, basato sull’applicazione, combinata, del carico sul campione, a taglio e all’estremità. La realizzazione dei provini è stata effettuata presso i laboratori dell’università: sono stati realizzati 3 laminati, per ognuno dei quali si è scelto di utilizzare su ogni pezzo una diversa tipologia di distaccante: controstampo, film distaccante e peel-ply, allo scopo di valutare quanta resina uscirà dal manufatto una volta in autoclave e quanta variazione di spessore avremo. Da ognuno di questi laminati sono stati ricavati 5 provini. La campagna sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio Tecnologie dei Materiali Faenza (TEMAF). L’elaborazione dei dati è stata effettuata mediante l’utilizzo del software Office Excel, in cui sono stati calcolati i parametri fondamentali, suggeriti dalla normativa ASTM D6641/D6641M, per la caratterizzazione meccanica a compressione dei materiali CFRP.