Design and experimental validation of new metal-composite junctions

Composite materials are a fundamental part of construction technologies nowadays available on the market. The design of efficient structural junctions is one of the main challenges in the development of structures based on composite materials. In modern industrial applications the use of adhesive bonding or fastening, such as bolts and rivets, represents a standard approach. However, the disadvantages that these joining technologies provide are considerable, since they inevitably generate weak points within the structure. That effect significantly limits the use of composites in structures made up of several materials. To address this issue, in this thesis a new type of junction, for metal-composite interfaces, is described; it was designed with the intent of increasing the adhesion strength between the two materials. Specifically, junctions characterised by innovative shapes were designed and tested. The activity performed is based on the optimisation of the geometric parameters which characterise the new junction shape and on the verification of the results of this optimisation through quasi-static tensile tests. The design variables analysed were the following: those related to the properties of the materials and those that geometrically describe the junction shape. The optimisation of the geometric variables was tested using additively manufactured polymeric and metal specimens. The results obtained demonstrate that the new type of junction could provide multiple advantages. Indeed, it does not only improve the adhesion between the two materials, but the shape developed, could also make easier the construction of structures based on composite materials. However, to reach this target further experimental campaigns will have to be performed. This thesis has been developed within the context of the NUVOLE project (POR FESR 2014-2020 ASSE I - AZIONE I.1.B.1.2 Bando SMART FASHION AND DESIGN), funded by Regione Lombardia.

I materiali compositi rappresentano una parte fondamentale delle tecnologie costruttive ad oggi sul mercato. La progettazione di giunzioni strutturali efficienti è una delle sfide principali nello sviluppo di strutture basate su materiali compositi. Nelle moderne applicazioni industriali l’utilizzo di incollaggi o sistemi di collegamento, quali bulloni e rivetti, costituiscono un approccio standard. Tuttavia, gli svantaggi che tali tecniche di giunzione generano sono considerevoli, in quanto inevitabilmente introducono dei punti deboli nella struttura. Tale effetto limita significativamente l’utilizzo dei materiali compositi nella realizzazione di strutture costruite utilizzando differenti tipologie di materiale. Per affrontare tale problematica, nel presente lavoro di tesi è descritta una nuova tipologia di giunzione per interfacce metallo-composito; quest’ultima è stata progettata con l’intento di migliorare l’adesione tra i due materiali. Nello specifico, sono state progettate e testate giunzioni aventi geometrie innovative. L’attività svolta si basa sull’ottimizzazione dei parametri geometrici che caratterizzano la nuova forma della giunzione e sulla verifica dei risultati di tale ottimizzazione attraverso prove di trazione quasi-statiche. Le variabili di progettazione analizzate sono le seguenti: quelle relative alle proprietà dei materiali e quelle che descrivono dal punto di vista geometrico la forma della giunzione. L’ottimizzazione delle variabili geometriche è stata testata utilizzando provini in metallo ed in materiale polimerico, stampati tramite tecnologie additive. I risultati ottenuti dimostrano che la nuova tipologia di giunzione potrebbe fornire molteplici vantaggi. Infatti, non solo migliora l’adesione tra i due materiali, ma la geometria sviluppata potrebbe semplificare la costruzione di strutture basate su materiali compositi. Tuttavia, per raggiungere tale obiettivo, saranno necessarie ulteriori attività sperimentali. La tesi è stata sviluppata nell’ambito del progetto NUVOLE (POR FESR 2014-2020 ASSE I – AZIONE I.1.B.1.2 Bando SMART FASHION AND DESIGN), finanziato dalla Regione Lombardia.