3D reinforcement of composite materials

Composite materials present a unique opportunity to engineer a material in order to optimize its physical, thermal and mechanical properties for specific applications. Offering many advantages such a relatively high specific strength, stiffness, fatigue resistance and corrosion resistance with respect to weight. Due to their exceptional qualities, composites can be found in many applications, from aircrafts, helicopters and spacecrafts to submarines, automobiles and sporting goods. However their wide spread use has been inhibited by their high cost, poor delamination toughness, and poor impact damage resistance. Many prospects have been investigated as methods for improving these characteristics, however composites reinforced with 3D fabric architectures appear to be the most promising solution. Here an investigation of 3D fabric architectures (3D woven, braided, knit, stitched and z-pinned), manufacturing methods, and composite properties are reviewed in order to have a better understanding of the pros and cons of such a material as well as potential improvements and opportunities. As expected 3D composites solve many of the problems faced by 2D composites, however these improvements are accompanied by the deterioration of in-plane properties. Many 3D composites show potential for applications unsuited for 2D composites, however optimization of 3D fabric manufacturing, composite production, and in- and out-of-plane properties needs further investigation.

I materiali compositi presentano una opportunità unica per progettare un materiale in modo da ottimizzare le sue proprietà fisiche, termiche e meccaniche per applicazioni specifiche. Questi materiali offrono molti vantaggi come: una relativamente alta resistenza specifica, rigidezza, resistenza a fatica e resistenza a corrosione se confrontati col peso. A causa delle loro qualità eccezionali, i compositi possono essere trovati in molte applicazioni: dagli aeroplani, elicotteri e veicoli spaziali ai sottomarini, automobili e merci sportive.1,2 Purtroppo la loro larga diffusione è limitata dal loro alto costo, piccola durezza alla laminazione e piccola resistenza all'impatto. Molti aspetti sono stati investigati come metodi per migliorare queste caratteristiche, comunque i compositi rinforzati con architetture di tessuti 3D appaiono essere la soluzione più promettente. Un approfondimento sui metodi di produzione, modellazione, e le proprietà dei compositi di tessuti 3d, 3d intreccaiti, cuciti e z-appuntati architetture di rinforzo è stata eseguita in modo da capire meglio i pro e contro di questi materiali così come possibili miglioramenti e opportunità. Molti miglioramenti sono ancora necessari per la produzione di tessuti di rinforzo 3D. I tessuti e i tessuti intrecciati possono essere prodotti usando speciali macchine o modificando i tradizionali macchinari 2D. Comunque le architetture e i costi e i volumi di produzione sono correntemente limitati dalle tecnologie disponibili. RTM (Resin transfer molding) and RFI (Resin film infusion) or SCRIMP sono i metodi più efficienti per la corrente produzione di compositi 3D. Ogni metodo ha diversi benefici e limitazioni. Una revisione di base degli attuali metodi di prova e modellazione per i compositi 3D è presentata nei capitoli 4 e 5. Come ci si aspetta i compositi 3D risolvono molti dei problemi che hanno i compositi 2D, comunque questi miglioramenti sono accompagnati dalla deteriorazione delle proprietà nel piano. L'ottimizzazione della manifattura dei tessuti 3D, la produzione di compositi, e le proprietà nel piano e fuori dal piano hanno bisogno di ulteriori investigazioni, comunque molti compositi 3D mostrano potenzialità per diverse applicazioni per cui non possono essere usati compositi 2D. Per esempio, cuciture e z-pinning mostrano eccezionali potenzialità per il rinforzo dei giunti, mentre I tessuti a maglia 3D mostrano un eccellemte resistenza all'impatto e sono di particolare interesse per l'uso nelle protesi ma non sono utilizzabili per applicazioni strutturali.