A new method for the analysis of fibre orientation in short glass fibre reinforced polymers based on DIC and micro-CT

Short fibre reinforced polymers, especially glass fibre reinforced, are always more often utilized to manufacture load bearing lightweight parts in many industrial sectors. The principal advantages consist in low cost, high tensile strength, high chemical resistance, and excellent insulating properties. However, the knowledge of the mesostructure of this type of material is required to predict quantitatively the mechanical and thermal characteristics. In fact, fibre orientation distribution (FOD) is crucial as the strengthening effect of fibres depends on the direction of the stresses acting in the component with respect to the fibre orientation. The material results stronger and stiffer when the fibres are parallel to the applied stresses. The manufacturing process, usually injection moulding, determines the FOD. Numerical methods exist for the simulation of injection moulding, that allow to predict the FOD in the final component as a function of the process parameters. Furthermore, models linking the FOD to the composite mechanical properties are available. In order to assess the results of these simulations, methods allowing for measuring the real FOD in the component are of great importance. In this thesis, a new method to measure FOD is proposed. It is based on Digital Image Correlation technique applied to slices taken from the 3D reconstructed volume of samples, using micro-computed-tomography. Samples of injection moulded glass fibre reinforced injection moulded polymers have been examined and the obtained results compared with results of measurements by other methods, like the Directionality plug-in of ImageJ and the Fiber Composite Material Analysis Module of VGStudio MAX analysis. The three methods gave similar results for the principal orientation direction, while values of the components of the orientation tensor and orientation degree exhibited greater differences.

I polimeri rinforzati con fibre corte, specialmente di vetro, sono sempre più spesso utilizzati per produrre parti portanti e leggere in molti settori industriali. I principali vantaggi sono costituiti da basso costo, alta resistenza alla trazione, elevata resistenza chimica e eccellenti proprietà isolanti. Tuttavia, la conoscenza della mesostruttura di questo tipo di materiale è richiesta per prevederne quantitativamente le caratteristiche meccaniche e termiche. Infatti, la distribuzione dell'orientamento delle fibre (FOD) è cruciale in quanto l'effetto di rinforzo delle fibre dipende dalla direzione degli sforzi che agiscono nel componente rispetto all'orientamento delle stesse. Il materiale risulta più resistente e rigido quando le fibre sono parallele alla forza applicata. Il processo di produzione, di solito stampaggio a iniezione, influisce fortemente sulla orientazione delle fibre. Esistono simulazioni numeriche che simulano lo stampaggio a iniezione, permettendo di prevedere la FOD nel componente finale a partire dai parametri di processo. Inoltre, sono disponibili modelli che legano la FOD alle caratteristiche meccaniche dei compositi. Al fine di valutare i risultati di queste simulazioni, metodi in grado di misurare l'orientazione reale delle fibre all'interno di componenti sono di grande importanza. In questa tesi è proposto un nuovo metodo per misurare la FOD. Esso è basato sulla correlazione di immagini digitali (DIC) applicata a sezioni estratte dal volume di campioni ricostruiti in 3D tramite micro-tomografia computerizzata (µ-CT). Sono stati esaminati vari provini di polimeri stampati a iniezione e rinforzati con fibra di vetro. I risultati ottenuti sono confrontati con quelli ottenuti con altri metodi, quali il plug-in Directionality di ImageJ e il Fibre Composite Material Analysis Module di VGStudio MAX. I tre metodi hanno dato risultati simili riguardo alla direzione principale di orientamento, mentre hanno mostrato differenze maggiori sugli elementi del tensore di orientazione e sul grado di orientamento.