Analisi mediante simulazione di processo del comportamento a fatica di una poliammide rinforzata con fibre corte

In these years we have faced an increase in the use of short fibre reinforced composites materials in industry. The main features that promoted its diffusion are the ratio between mechanical properties and density, as well as economy in production and corrosion resistance. Production process itself leads to the creation of components whose materials shows a complex distribution of fibers, on both therms of length and orientation. Fibers orientation is one of the main parameters that affects mechanichal performances of this type of materials. In this work we have considered short fiber reinforced polyamide specimens with different geometries. Firstly, using the software Moldflow, different models of process simulation and subsequent fiber orientation were applied and analyzed. After this, composite mechanical properties were studied, assessing how stresses distribution is related to the local orientation of fibers. In this operation, advanced software Digimat, based on the state-of-art homogeneization methods, was used. Finally, local distributions of stresses and orientations was linked with fatigue life. Every step of this workflow was compared with experimental observations and tests. Simulations have shown a good accordance with experimental data concerning orientations and basic mechanichal properties of the composite, whereas less reliable results were obtained relating fatigue, but useful to future studies.

Negli ultimi anni si è assistito ad un aumento nell’utilizzo dei materiali compositi a fibra corta in ambito industriale. Le caratteristiche che ne hanno favorito la diffusione sono il rapporto tra resistenza meccanica e densità, nonché aspetti come bassi costi di produzione e resistenza alla corrosione. Il processo di produzione stesso comporta la creazione di manufatti in cui il materiale presenta una complessa distribuzione delle fibre, sia in termini di lunghezze che di orientamento. In particolare, l’orientamento delle fibre è uno dei parametri che maggiormente influiscono sulle prestazioni meccaniche di questi materiali. Nel presente lavoro di Tesi sono stati presi in considerazione provini in poliammide rinforzata con fibre corte di vetro aventi diverse geometrie, con lo scopo di indagare e spiegare alcuni aspetti riguardanti, in particolare, il comportamento a fatica. In primo luogo, attraverso il software Moldflow sono stati applicati ed analizzati due modelli disponibili per la simulazione del processo di stampaggio ad iniezione e della distribuzione degli orientamenti delle fibre che ne consegue. A valle di questa operazione si è proceduto con lo studio delle proprietà meccaniche previste per il composito, valutando approfonditamente come gli sforzi si distribuiscano in relazione all’orientamento locale delle fibre. In questa fase è stato utilizzato uno strumento avanzato, Digimat, che fa uso delle teorie dell’omogeneizzazione per definire le proprietà locali del materiale. Infine si è voluto indagare quale legame esiste tra la distribuzione degli sforzi e degli orientamenti locali, ottenute ai passi precedenti, con la vita a fatica. Per ognuno di questi passaggi sono stati previsti confronti con osservazioni e prove sperimentali. Le simulazioni hanno mostrato un sufficiente accordo con i dati misurati nell’ambito dello studio delle distribuzioni degli orientamenti e delle proprietà meccaniche di base del composito, mentre per quanto riguarda lo studio a fatica sono stati ottenuti risultati di più difficile interpretazione, ma comunque utili per approfondimenti successivi.