Formability of a non-crimp 3D orthogonal weave E-glass composite reinforcement

In this dissertation, the formability of a single layer E-glass non-crimp 3D orthogonal woven reinforcement, is experimentally and numerically investigated. The aim of this research is to study the deformability of the 3D woven reinforcement, in order to predict its behavior during shaping process; and to validate the obtained numerical simulations with experimental results. The motivation that led my research to focus our attention on the formability of 3D composite reinforcements is the importance of experimental analyses and numerical simulations of draping process, to determine the conditions for a successful manufacturing of composite a preform. First the state-of-the-art in forming processes of textile reinforcements for composites is presented. The literature review includes a description of the experimental techniques currently used to study the deformation mechanisms involved during draping, as well as a summary of the experimental investigations and numerical simulations of forming performed on two- and three- dimensional textile reinforcements. Afterwards, the main features of the material studied in this dissertation are detailed. The production process of the 3D fabric and the studies carried out from 2005 up to date on the non-crimp 3D woven reinforcement and composite, are illustrated. The central part of this work focuses on the experiments carried out to study the formability of the non-crimp 3D orthogonal weave E-glass composite reinforcement. The experimental campaign includes: (i) the mechanical characterization of the 3D fabric by uniaxial and biaxial tensile, bias extension, picture frame, bending, transverse compression, and transverse shear testing ; (ii) an investigation at the unit cell level of the internal deformed geometry of the reinforcement by X-ray micro-CT observations; (iii) measurements of the fabric thickness variation during shearing by laser registrations; and (iv) formability tests of the 3D reinforcement on two complex shapes, i.e. tetrahedral and double-dome. In addition, a comparison between two different digital image correlation software programs, namely VIC-3D and MatchID3D, used to measure the deformation during shaping processes of the reinforcement, is reported. Finally, the results of finite element simulations obtained with the continuous hyperelastic constitutive model adopted in this research are illustrated. The material model is described and validated by comparing the predicted mechanical behavior with experimental results. Tetrahedron and double-dome case studies are simulated and local deformations are compared with experiments. The obtained experimental results give an extensive knowledge on the mechanical behavior, internal deformed geometry and formability of the considered 3D composite reinforcement. Moreover, agreement between experimental results and numerical simulations for tetrahedron and double-dome draping processes demonstrated the capability of the adopted continuous hyperelastic constitutive model to predict the behavior of the non-crimp 3D orthogonal woven reinforcement during forming processes. The Doctoral Thesis is carried out in a collaboration framework among Politecnico di Milano (Italy), Katholieke Universiteit Leuven (Belgium), and Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (France). The material considered in this dissertation is produced and commercialized under trademark 3WEAVE® by 3Tex Inc. (USA).

In questa Tesi di Dottorato il processo di formatura di un rinforzo tessile tridimensionale per materiali compositi, denominato single layer E-glass non-crimp 3D orthogonal woven reinforcement, è stato sperimentalmente e numericamente indagato. L’obiettivo di questa ricerca è studiare la deformabilità del tessuto in modo tale da prevedere il suo comportamento durante il processo di formatura, e validare le previsioni delle simulazioni numeriche con risultati sperimentali. La motivazione che ha portato la mia ricerca a concentrare l’ attenzione sulla formabilità di un rinforzo tessile 3D per materiali compositi, è l’importanza delle analisi sperimentali e simulazioni numeriche al fine di determinare le condizioni ottimali di processo. Nella prima parte della Tesi, lo stato dell’ arte del processo di formatura di rinforzi tessili per materiali compositi viene presentato. La revisione di letteruatura comprende una descrizione delle tecniche attualmente utilizzate per caratterizzare i meccanismi deformativi che hanno luogo durante il processo di formatura, e un riassunto degli studi sperimentali e numerici effettuati su tale processo utilizzando tessuti bidimensionali e tridimensionali. In seguito, le principali caratteristiche del materiale esaminato in questa ricerca sono illustate, includendo una descrizione del processo produttivo del rinforzo ed un riepilogo delle indagini numeriche e sperimentali effettuate su questo materiale dal 2005 ad oggi. La parte centrale di questo elaborato riporta i risultati delle indagini sperimentali effettuate per caratterizzare la formabilità del non-crimp 3D orthogonal weave E-glass composite reinforcement. La campagna sperimentale comprende: (i) la caratterizzazione meccanica del tessuto tridimensionale tramite prove uniassiali, biassiali, di taglio, di flessione, di compressione trasversale, e di taglio trasversale; (ii) un’ investigazione al livello della cella elementare della geometria interna del tessuto deformato, tramite micro tomografia computerizzata; (iii) misure dello spessore del tessuto durante prove di deformazione a taglio attraverso un dispositivo laser; e (iv) prove di formatura del rinforzo tridimensionale in due sagome complesse, ovvero tetraedrica e doppia-cupola. Inoltre, un confronto fra i software VIC-3D e MatchID3D, per misure 3D tramite correlazione digitale d’ immagini, è riportato. Nella parte finale di questo lavoro, i risultati delle simulazioni agli elementi finiti, ottenuti utilizzando il modello continuo iperelastco addottato in questo studio, sono dettagliati. Il modello costitutivo del materiale è prima descritto e poi validato, attraverso un confronto col comportamento osservato sperimentalmente. Infine, i casi di studio tetraedro e doppia-cupola sono simulati numericamente e i risultati confrontati con misure sperimentali. I risultati sperimentali ottenuti in questo lavoro forniscono una caratterizzazione completa del comportamento meccanico, della geometria deformata interna e della formabilità del tessuto tridimensionale esaminato. Inoltre, l’ accordo fra i risultati sperimentali e le simulazioni numeriche del processo di formatura per la sagoma tetraedrica e doppia-cupola, hanno dimostrato l’adeguatezza del modello continuo iperelastico adottato per prevedere il comportamento del non-crimp 3D orthogonal woven reinforcement durante tale processo. Questa Tesi di Dottorato è il risultato di una collaborazione fra il Politecnico di Milano (Italia), la Katholieke Universiteit Leuven (Belgio), e l’ Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (Francia). Il materiale considerato in questo lavoro è prodotto e commercializzato sotto il nome 3WEAVE® da 3Tex Inc. (USA).