Numerical study of composite metallization by cold spray

Cold spray is a rapidly developing coating technology that has been recently applied also for the metallization of polymers and composites. This thesis work deals with the numerical modelling of a single copper particle impacting on a composite substrate made of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), with a PolyEther Ether Ketone (PEEK) matrix. A few literature experimental studies are available at present, hence numerical tools can be helpful in the selection of the optimal parameters for the cold spray of these materials. Indeed, the impacting velocity is limited on the one hand by particle interlocking, and on the other hand by erosion. To address the first problem, e.g. to study particle embedment into the substrate, we implemented a strategy suggested by literature experimental works, consisting in the addition of a pure PEEK top layer at the composite surface. This solution was proved to be effective for particles’ embedment without damaging the fibers of the composite material, providing that a sufficient thickness is selected. Complex explicit numerical analyses are carried out with macro- and micro-mechanical approaches, both considering a Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) domain. The initial particle velocities and temperature were set to 400, 500, 550, 600 m/s and 150 °C, respectively, as from literature tests. The Cu particle and the PEEK matrix are described by the Johnson-Cook plasticity model accounting for the strain, strain rate hardening as well as thermal softening. Based on the numerical results, we observed that the interlocking of the particle in the substrate takes place only after a critical velocity of 500 m/s. At this velocity, failure of fibers is observed for a lower thickness of the top PEEK protective layer. The thickness of the PEEK layer on the top is a very crucial parameter for this study; we found that 45 µm is the minimum value avoiding the failure of fibers, based on micro-mechanical model results. Quite similarly, from the macro-mechanical model, 60 µm is a sufficient thickness for the CFRP with a 50% Vf, showing that the particle is perfectly embedding at 500 m/s, also in accordance with literature works. We can conclude that these numerical models are in good agreement even though, the macro-mechanical model seems more conservative. On the other hand, the micro-mechanical model seems nearer to the experimental literature results. Discussion of results and limitations of the numerical models are also taken into consideration.

Il cold spray è una tecnologia di rivestimento in rapido sviluppo, recentemente applicata anche alla metallizzazione di polimeri e compositi. Questo lavoro di tesi si incentra sulla modellazione numerica dell’impatto di una singola particella di rame su un substrato composito, realizzato in polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) e con una matrice di polietere etere chetone (PEEK). Attualmente, pochi sono gli studi sperimentali in letteratura a riguardo; pertanto, la modellazione numerica può essere utile nella selezione dei parametri ottimali di cold spray su questi materiali. La velocità di impatto, infatti, è limitata da un lato dall’interlocking delle particelle nel substrato e dall'altro dall'erosione. Per affrontare il primo problema, ovvero per studiare l’adesione delle particelle al substrato, è stata implementata una strategia suggerita da lavori sperimentali di letteratura, che consiste nell'aggiunta di uno strato di puro PEEK sulla superficie del composito. Questa soluzione si è dimostrata efficace per garantire l’adesione delle particelle senza danneggiare le fibre del composito sottostante, a condizione che venga selezionato uno spessore sufficiente. Complesse analisi numeriche di tipo esplicito sono state condotte con approcci macro e micro-meccanici, entrambi basati sulla definizione di un dominio accoppiato euleriano-lagrangiano (CEL). Le velocità e la temperatura iniziali delle particelle sono state impostate rispettivamente a 400, 500, 550, 600 m/s e 150 °C, come da prove di letteratura. La particella di Cu e la matrice in PEEK sono definite attraverso il modello di plasticità Johnson-Cook, che tiene conto della deformazione, della velocità di deformazione e del softening termico. Sulla base dei risultati numerici ottenuti, si è osservato che l'interlocking della particella nel substrato avviene solo ad una velocità critica di 500 m/s. A questa velocità, se lo strato di PEEK ha spessore troppo basso, si osserva il cedimento delle fibre. Lo spessore dello strato superficiale di PEEK è un parametro cruciale per questo studio; si è determinato che 45 µm è il valore minimo per evitare il cedimento delle fibre per modello micro-meccanico. In modo quasi simile, dal modello macro-meccanico si è determinato che 60 µm è uno spessore sufficiente per la protezione del CFRP con un Vf del 50%, e che la particella è perfettamente adesa a 500 m/s, valore in accordo con la letteratura. È possibile concludere che questi modelli numerici sono in buon accordo tra loro, anche se il modello macro-meccanico sembra più conservativo; il modello micromeccanico sembra, invece, più vicino ai risultati sperimentali della letteratura. I risultati ottenuti e le limitazioni dei modelli numerici sono infine discussi criticamente.