Effetto dei parametri del processo di perforazione sulla resistenza portante dei compositi epossidici rinforzati con rete in fibra di vetro/alluminio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12143 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio ha tentato di valutare l'impatto dei parametri di perforazione e della delaminazione sulla resistenza portante sia della rete metallica GFRP pura (NG) che ibrida GFRP/alluminio (Al) con due diverse configurazioni, la prima con rete Al nella superficie esterna di campione (AG) e l'altro con rete Al nel nucleo del campione (GA). La procedura di foratura viene eseguita utilizzando \(\varnothing\) punta elicoidale in metallo duro da 6 mm con tre diversi angoli di punta (90°, 120° e 135°), nonché tre diverse velocità e avanzamenti (1000, 2000 e 3000 giri/min) e (20, 40 e 60 mm/min), rispettivamente. Le analisi Taguchi e ANOVA vengono utilizzate per analizzare l'influenza dei parametri di elaborazione. I risultati hanno mostrato che il campione AG ha subito il minor danno da delaminazione. La resistenza portante massima si riferisce al provino NG, che è rispettivamente del 9,6% e 8,7% in più rispetto ai provini AG e GA. L'angolo della punta di perforazione ha l'effetto principale sulla resistenza del cuscinetto sia per i provini AG che per quelli GA, mentre per i provini NG è la velocità di avanzamento ad avere l'effetto maggiore. Il modello di regressione sviluppato ha mostrato un elevato livello di fitness con un errore di previsione medio inferiore al 3%.

Negli ultimi anni si è assistito a un’enorme crescita nell’uso dei materiali compositi, in particolare nei settori aerospaziale e aeronautico. Questa applicazione si è concentrata sulla necessità di materiali sostitutivi dell'acciaio e delle leghe di alluminio in grado di alleggerire il peso della struttura1. In questo modo, è stato prodotto un composito ibrido, che combina i vantaggi dei compositi metallici e rinforzati con fibre per creare un composito ibrido superiore noto come laminati in fibra metallica (FML). Il metallo più frequentemente utilizzato in questo tipo di compositi è l'alluminio2. Le famiglie FML possono essere suddivise in molti gruppi in base alla fibra di rinforzo utilizzata, ad esempio ARALL, CARALL e GLARE sono rispettivamente abbreviazioni di aramide, fibra di carbonio e fibra di vetro3. Il vantaggio principale degli FML rispetto alle leghe metalliche è una migliore resistenza alla crescita delle cricche durante fatica perché la fibra e i polimeri attorno al laminato metallico funzionano come un meccanismo di compressione della forza che impedisce l'innesco di crepe nel metallo4. Ulteriori caratteristiche includono la capacità di produrre forme complicate utilizzando vari processi di produzione dei compositi, la possibile riduzione del peso e il risparmio sui costi di manutenzione grazie alla forte resistenza alla corrosione dei compositi FML5,6. Quando si utilizzano reti metalliche al posto di un foglio, diventa possibile costruire strutture più complicate utilizzando gli stessi processi di produzione dei compositi rinforzati con fibre. La capacità della rete metallica di flettersi plasticamente può essere auspicabile in caso di impatto poiché può ritardare l'inizio della frattura e agire come un ulteriore assorbitore di energia7, oltre a migliorare l'adesione e limitare gli svantaggi del distacco perché migliora l'interazione interfacciale tra la resina e la resina. rete metallica che rende più difficile distruggere il legame tra gli strati compositi8. L'aggiunta della rete metallica in alluminio aumenta i tassi di allungamento a trazione e flessione rispettivamente fino al 54% e al 117%, migliorando l'assorbimento di energia9. Questi compositi ibridi combinano le migliori qualità del metallo e degli FRP, fornendo prestazioni meccaniche superiori ai laminati tradizionali. Pertanto, possono essere impiegati in una varietà di applicazioni pratiche e cruciali, tra cui il settore militare, i trasporti, l'aerospaziale, le parti di sottomarini e altre applicazioni di barriera9,10. Queste strutture sono collegate tra loro utilizzando connessioni meccaniche come rivetti o bulloni insieme ad altri metodi. Per assemblare le strutture, questi giunti richiedevano la realizzazione di fori. La qualità del foro, la tolleranza geometrica e lo spessore del materiale hanno un impatto significativo sulla resistenza del giunto. Tuttavia, il fattore più importante è il processo di creazione del foro o la qualità del foro che comporta tensioni residue significative attorno al confine del foro e riduce la resistenza strutturale. Inoltre, la scarsa qualità dei fori rappresenta il 60% dei pezzi rifiutati durante la produzione11. La perforazione del composito FML è un'operazione difficile poiché la punta penetra in strutture non uniformi che contengono fibre dure e abrasive, nonché nella matrice sensibile al calore, rendendo il processo di perforazione estremamente problematico. Inoltre, le spese di perforazione sono elevate a causa della frequente riaffilatura della punta a causa della significativa erosione12. Sebbene siano stati condotti numerosi studi sulla perforazione di materiali compositi con una varietà di metodi, inclusi fori stampati e punzonati e tecniche innovative non tradizionali tra cui laser e getto d'acqua abrasivo, la perforazione è ancora il metodo più comune e più semplice per produrre fori nei compositi laminati13. La perforazione convenzionale provoca una serie di problemi, tra cui crepe interne e delaminazione tra laminati, nonché danni dovuti al calore, usura degli utensili ed errori nelle dimensioni dei fori. Questi difetti compromettono la qualità del foro praticato, riducendo la capacità della connessione bullonata di supportare i carichi. Sono state condotte varie ricerche per esaminare come gli elementi di fissaggio meccanici influiscono sulla resistenza portante dei compositi laminati. L'inizio del cedimento che si verifica frequentemente nei giunti strutturali a causa dello stress residuo, della fatica e del degrado delle fibre causato dalle operazioni di perforazione funge da ispirazione per questi studi14. La delaminazione, definita come la dissociazione degli strati laminati che si verifica quando la forza che agisce tra i laminati è superiore alla resistenza interlaminare del materiale, provoca la rottura tra gli strati, è generalmente considerata il principale danno alla perforazione dei compositi15. La delaminazione è intrinseca alle parti di assemblaggio o alle connessioni bullonate perché riduce la resistenza del materiale per resistere a carichi eccessivi16. La delaminazione da peel-up e da push-out, che è una delaminazione indotta dalla perforazione, si presenta sia all'ingresso che alla partenza dei fori17. Secondo Khashaba et al.18, la delaminazione push-out è più grave della delaminazione peel-up. Il controllo di alcuni aspetti significativi, come il materiale e la geometria dell'utensile di perforazione, la velocità di taglio, la velocità di avanzamento e i meccanismi di backup, è la chiave per ridurre al minimo la delaminazione durante la foratura di laminati compositi. Questi parametri influiscono sulla qualità del foro praticato e sul processo di perforazione. Secondo una ricerca di19, la delaminazione è direttamente collegata alla velocità di avanzamento. I risultati dimostrati da Sakthivel et al.20 hanno affermato che la velocità di avanzamento è la variabile più significativa nella perforazione di compositi polimerici a rete di acciaio inossidabile rinforzati con fibra di vetro. Questi risultati concordavano con la ricerca di Jenarthanan et al.21. Le basse velocità del mandrino comportano meno danni, tuttavia l'utilizzo di una velocità elevata con una bassa velocità di avanzamento può mitigare la delaminazione22. L'impatto della scelta della geometria dell'utensile e delle condizioni operative sui danni indotti dalla perforazione è stato dimostrato dall'autore; egli indica che un angolo di punta più piccolo23 e una velocità di avanzamento inferiore erano associati a fori che presentavano una minore delaminazione in base alla sua ricerca. Dove24,25 chiarisce, con un angolo di punta più piccolo la forza di spinta viene ridotta, il che spiega il danno minore. La punta in metallo duro è considerata la migliore alternativa per la foratura del composito rispetto alla punta in HSS perché crea meno delaminazione e usura26. Una perforazione inadeguata comporta una riduzione della resistenza dei cuscinetti e viceversa. Secondo19, la velocità di avanzamento ha un impatto notevole sul cuscinetto poiché una velocità di avanzamento bassa e un’alta velocità aumentano la resistenza del cuscinetto. Diversi tipi di modalità di cedimento sono generati dai giunti fissati meccanicamente, tra cui tensione di rete, cesoiamento, sfaldamento e cuscinetto27. Questi meccanismi di frattura sono piuttosto complessi e sono influenzati da diversi fattori, tra cui la dimensione della rondella e la forza di bloccaggio laterale. Il metodo statistico Taguchi è particolarmente adatto per problemi di ottimizzazione ingegneristica che richiedono la misurazione di caratteristiche di qualità della risposta che si discostano dagli standard stabiliti utilizzando il rapporto S/N28,29.