Lay-up optimization for bicycle frame tubular composite structures produced with Aligned Formable Fiber Technology (AFFT)

This thesis investigates the potential of integrating reclaimed short carbon fibers into structural applications, focusing on Aligned Formable Fiber Technology (AFFT) for the realignment of these fibers into highly oriented prepreg tapes. The work aims to validate the mechanical performance of these composites and assess their suitability for components such as bicycle frame tubes. Three processing techniques were compared: vacuum bag (VB), compression molding at 7 bar (CM7, simulating autoclave conditions), and compression molding at 90 bar (CM90). A comprehensive experimental campaign was carried out, starting with an in-depth characterization of the material through tensile tests in different fiber orientations (0°, 90°, and 10° off-axis). Results demonstrated that higher compaction pressure leads to improved fiber volume fraction, reduced porosity, and enhanced mechanical properties. Building on this characterization, a genetic algorithm was employed to optimize the stacking sequence of a cylindrical shell under combined bending and torsion. The optimized configurations showed significant improvement in stiffness compared to quasi-isotropic baselines, demonstrating that short fibers can approach the mechanical performance of continuous fiber composites when properly oriented.\\ Finally, to validate the numerical predictions, tubular specimens were manufactured using a 32-ply layup and tested under three-point bending. The results showed good agreement between experimental and numerical stiffness values, with damage initiating from local indentation under the loading nose. This validation confirmed the effectiveness of the modeling approach in capturing the structural response of short-fiber composite tubes. By combining enhanced compaction techniques with a robust design approach, this thesis paves the way for sustainable, high-performance composite components made from reclaimed carbon fibers. The results demonstrate the feasibility of AFFT short-carbon-fiber composites for structural applications, offering a promising solution for reducing waste without sacrificing mechanical performance.

Questa tesi indaga il potenziale dell'integrazione di fibre di carbonio corte riciclate in applicazioni strutturali, concentrandosi sulla tecnologia Aligned Formable Fiber Technology (AFFT) per il riallineamento di fibre discontinue in nastri preimpegnati altamente orientati. L'obiettivo è validare le prestazioni meccaniche di questi compositi e valutarne l'idoneità per componenti strutturali come i tubi di un telaio di bicicletta. Sono state confrontate tre tecniche di processo: sacco a vuoto (VB), stampaggio a compressione a 7 bar (CM7, che simula condizioni da autoclave) e a 90 bar (CM90). Una campagna sperimentale completa ha caratterizzato il materiale attraverso prove di trazione in diverse orientazioni delle fibre (0°, 90° e 10° fuori asse). I risultati hanno dimostrato che una maggiore pressione di compattazione incrementa la frazione volumetrica di fibre, riduce la porosità e migliora le proprietà meccaniche. Sulla base di questa caratterizzazione, un algoritmo genetico ha ottimizzato la sequenza di laminazione di una struttura cilindrica sottoposta a flessione e torsione combinate. Le configurazioni ottimizzate hanno mostrato un significativo incremento della rigidezza rispetto a laminati quasi-isotropi, dimostrando che le fibre corte possono avvicinarsi alle prestazioni meccaniche dei compositi a fibre continue. Infine, per validare le previsioni numeriche, sono stati realizzati provini tubolari con una laminazione a 32 strati e testati in flessione a tre punti. I risultati hanno evidenziato una buona corrispondenza tra la rigidezza sperimentale e quella numerica, con l’innesco del danneggiamento localizzato sotto il punto di applicazione del carico. La validazione ha confermato l'efficacia dell'approccio di modellazione nel descrivere la risposta strutturale dei tubi in composito a fibre corte. Questa tesi vuole aprire la strada a componenti compositi sostenibili e ad alte prestazioni realizzati con fibre di carbonio riciclate. I risultati dimostrano la fattibilità dell’impiego di compositi a fibre corte ottenuti tramite AFFT in applicazioni strutturali, offrendo una soluzione promettente per ridurre gli sprechi senza compromettere le prestazioni meccaniche.