Esercito americano caratterizzato da parti composte in materiale termoplastico rinforzato con fibra di carbonio stampato 3D continuo
Un trio di ricercatori con lo US Army Tank-Automotive Research Development e l’Engineering Center ( TARDEC ) nel Michigan ha recentemente pubblicato uno studio dal titolo ” Caratterizzazione di materiali compositi rinforzati con fibre continue fabbricati tramite fabbricazione di filamenti fusi “, che ha funzionato per caratterizzare il carbonio continuo parti composte in materiale termoplastico rinforzato con fibre che sono state stampate in 3D su una stampante Mark Two 3D .
L’abstract recita: “Il lavoro attuale si è concentrato sulla caratterizzazione delle prestazioni di trazione di provini rinforzati con fibre continue prodotte tramite Continuous Filament Fabrication (CFF). I campioni sono stati testati in più orientamenti con e senza rinforzo continuo in fibra di carbonio. Quando si confrontano campioni 0⁰ rinforzati con fibra di carbonio in campioni senza rinforzo continuo, la resistenza media allo snervamento, la resistenza alla trazione e il modulo elastico sono aumentati rispettivamente di 20X, 15X e 240X. Confrontando i risultati per i campioni con rinforzo continuo orientato a 90⁰ ai campioni 0⁰, si è verificato un calo del 60% della resistenza allo snervamento, del 62% della resistenza alla trazione e del 52% del modulo elastico. Questi risultati indicano che le prestazioni meccaniche si riducono significativamente quando il carico viene applicato perpendicolarmente agli orientamenti delle fibre. L’adesione tra strati adiacenti è stata testata da campioni stampati in verticale sul letto di stampa. Questi campioni avevano la più bassa forza di tutti i campioni. Gli autori raccomandano di seguire i test utilizzando provini rettangolari con linguette legate per ASTM D3039-17 a problemi ridotti con l’allineamento delle fibre che si sono incontrati con i campioni di ossa di cane. ”
Poiché la maggior parte delle parti stampate in 3D sono costruite dal basso verso l’alto, non è insolito che le proprietà del materiale fuori dal piano siano più deboli rispetto a quelle in-plane. Quando si verifica la stampa sul piano di fibre continue, le parti completate possono avere maggiore rigidità e resistenza nel piano, ma i ricercatori non hanno una chiara idea di come i rinforzi continui delle fibre influenzino l’anisotropia meccanica di una parte prodotta.
“Affinché gli ingegneri progettisti possano utilizzare parti AM rinforzate con fibra continua nelle applicazioni strutturali, richiederanno le proprietà meccaniche di questi materiali in tre dimensioni”, hanno spiegato i ricercatori.
I ricercatori hanno utilizzato l’Onyx termoplastico a base di nylon di Markforged nel loro studio, insieme al rimorchio continuo in fibra di carbonio rivestito con un materiale legante, e stampato in 3D diversi campioni di prova al fine di ottenere una migliore comprensione di quanta influenza la fibra continua di carbonio rinforzo sarebbe:
• Gruppo 1: onice (in piano, nylon / plastica di carbonio): ID # 1-1, 1-2, 1-3
• Gruppo 2: fibre 0⁰ (nel piano, fibre di carbonio allineate) :: ID # 2-1 , 2-2, 2-3
• Gruppo 3: fibre 90⁰ (nel piano, perpendicolare alle fibre di carbonio): ID # 3-1, 3-2, 3-3
• Gruppo 4: direzione z (piano fuori, perpendicolare alle fibre di carbonio): ID # 4-1, 4-2, 4-3
Per semplificare l’analisi, il team ha testato solo campioni con orientamenti delle fibre unidirezionali. I campioni di onice puro nel primo gruppo avevano uno spessore di 1,8 mm e utilizzati come base di riferimento, mentre i campioni 0 ° del gruppo 2 presentavano due strati di Onyx di 0,125 mm sul tetto e sul pavimento, insieme a due strati di onice sulle pareti laterali; il resto era pieno di fibre di carbonio che erano “orientate longitudinalmente nella direzione di trazione per una prova di trazione”.
“I campioni aggiuntivi 3-1, 3-2 e 3-3 sono stati stampati con fibre orientate perpendicolarmente alla direzione di trazione. Questi esemplari avevano lo stesso spessore di Onice sul tetto, sul pavimento e sulle pareti del set precedente di esemplari “, hanno spiegato i ricercatori. “È interessante notare che per questi campioni, poiché le fibre erano orientate perpendicolarmente alla direzione di trazione, la testina di stampa deve girare gli angoli all’interno della sezione del calibro, e quindi l’orientamento della fibra all’interno della sezione del manometro non era perfettamente unidirezionale.”
Schema dei campioni sul letto di stampa per mostrare il posizionamento dei campioni e l’orientamento delle fibre (se pertinente).
I campioni del gruppo 4 sono stati stampati in 3D verticalmente e sono stati testati per la valutazione dell’adesione tra strati rinforzati con fibre. Quindi, i ricercatori hanno condotto analisi termogravimetrica (TGA) e analisi infrarossa di trasformata di Fourier (FTIR) sui campioni di onice per ottenere una migliore comprensione delle caratteristiche termiche del materiale; sono stati condotti anche test di trazione fino al totale fallimento del campione.
“Quando si confrontano campioni 0⁰ rinforzati con fibra di carbonio in campioni di onice puro, le proprietà meccaniche sono aumentate di ordini di grandezza”, hanno spiegato i ricercatori. “Ad esempio, il carico di snervamento medio, la resistenza alla trazione e il modulo elastico sono aumentati rispettivamente di 20X, 15X e 240X. Quando si confrontano le prestazioni meccaniche dei campioni rinforzati con fibre con il materiale Onyx, il significativo miglioramento delle prestazioni meccaniche è coerente con i compositi laminati tradizionali, in cui i campioni unidirezionali hanno ordini di forza e rigidità di entità superiore rispetto a un materiale di matrice epossidica omogenea. Confrontando i risultati per i campioni da 90 ° con quelli da 0 °, si è registrato un calo del 60% della resistenza allo snervamento, del 62% in termini di resistenza alla trazione e del 52% di calo del modulo elastico. Questi risultati indicano che le prestazioni meccaniche si riducono significativamente quando il carico viene applicato perpendicolarmente agli orientamenti delle fibre. Tuttavia, il calo relativo delle prestazioni meccaniche non è stato così significativo come quello osservato per molti compositi unidirezionali tradizionali testati con un orientamento di 90 °. L’adesione tra strati adiacenti è stata testata da campioni stampati in verticale sul letto di stampa. Questi esemplari avevano la più bassa forza di tutti i campioni. ”
Viste dettagliate della superficie di frattura del provino 1-1, che mostra la rottura della fibra, il ritiro della fibra e il cracking della matrice.
I ricercatori hanno determinato che i materiali utilizzati in questo studio hanno un alto grado di anisotropia meccanica e che altri devono considerare le proprietà meccaniche anisotropiche 3D quando vengono utilizzate in applicazioni strutturali.
Inoltre, il team ha anche stabilito che le barre di trazione tradizionali a forma di osso utilizzate per lo studio non rappresentavano la scelta migliore per i campioni fabbricati utilizzando CFF, principalmente a causa del “processo di posizionamento delle fibre unico e delle variazioni locali dell’angolo della fibra intorno alla curva raggio “e raccomandano che altri ricercatori utilizzino campioni rettangolari con linguette legate, secondo il metodo di prova standard ASTM D3039-17 per le proprietà di trazione dei materiali compositi a matrice di polimeri.
Co-autori del lavoro sono Robert J. Hart, PhD, Evan G. Patton e Oleg Sapunkov.
