uso della termografia per valutare il danneggiamento dopo impatto

USO DELLA TERMOGRAFIA PER VALUTARE
IL DANNEGGIAMENTO DOPO IMPATTO DI
COMPOSITI E COMPONENTI AUTOMOBILISTICI
Carlo Santulli
University of Reading - UK1
SOMMARIO
Il presente lavoro riguarda la valutazione con termografia impulsata del danneggiamento
conseguente all’impatto su un materiale composito frequentemente utilizzato nell’industria
automobilistica, il ®Twintex, costituito da fibre miste di vetro e polipropilene in una
matrice polipropilenica. Sono state effettuate osservazioni sia su piastre rettangolari
impattate sia su di un componente automobilistico in Twintex (barra d’intrusione laterale).
I risultati ottenuti hanno permesso il confronto delle proprietà d’assorbimento ad impatto
di tre diversi laminati Twintex, stabilendo le caratteristiche morfologiche del loro
danneggiamento. Tale studio è stato esteso al componente automobilistico e si è concluso
con la selezione ragionata del laminato preferibile per la produzione della barra d’impatto
laterale in autoveicoli.
INTRODUZIONE
I compositi rinforzati con fibre miste (commingled) di vetro e polipropilene (®Twintex)
sono particolarmente interessanti per la possibilità di introdurre un alto contenuto di
rinforzo, fino a circa il 75% in peso, con buone proprietà di resistenza all’impatto [1-2].
L’adozione della matrice termoplastica consente di impiegare metodi di fabbricazione
relativamente semplici, come lo stampaggio a compressione. L’ottimizzazione dei
parametri di stampaggio consente di avere un efficiente controllo dimensionale, risultante
in un volume di porosità nel materiale molto ridotto (fino a circa 0.3%) [3]. Il limite
dell’utilizzo dei compositi Twintex consiste tuttora nel loro costo abbastanza elevato,
superiore ad es. a quello di altri compositi in fibra di vetro a matrice termoplastica, come
ad esempio il GMT (glass mat thermoplastics). Tuttavia, in applicazioni nelle quali la
resistenza ad impatto rivesta un ruolo particolare, come accade ad esempio nell’industria
automobilistica, le migliori prestazioni del Twintex ne possono suggerire l’impiego.
In questo caso è particolarmente importante che il danneggiamento dopo impatto del
componente sia rilevato con metodi di controllo non distruttivo. La termografia impulsata
viene utilizzata ormai da lungo tempo per la caratterizzazione del danneggiamento nei
materiali compositi, in tutti quei casi in cui é necessario applicare un metodo d’ispezione
rapido, senza contatto col materiale [4-7]. In particolare, nel caso del danneggiamento per
1
Dr. Carlo Santulli
School of Construction Management and Engineering
Whiteknights – Reading RG6 6AY
E-mail: [email protected]
impatto di materiali compositi, l’ispezione visiva superficiale può non bastare, mentre
l’applicazione di un impulso termico offre un transitorio di raffreddamento tale da
permettere il monitoraggio termografico del danneggiamento, almeno in prossimità della
superficie [8-9].
In questo lavoro, l’applicazione della tecnica termografica e la relativa valutazione
dell’evoluzione del danneggiamento con l’energia di impatto applicata vuole contribuire
all’individuazione della tipologia di laminato con la migliore resistenza all’impatto, e
quindi più adatta per la produzione di componenti automobilistici.
MATERIALI
Sono stati testati tre diversi laminati in fibra di vetro e polipropilene di tipo Twintex, con
lo stesso contenuto di fibre (60% in peso). In particolare, uno dei due laminati è un tessuto
bilanciato, quindi con lo stesso contenuto di fibre nelle due direzioni del piano (Twintex
1:1), mentre il secondo ha una direzione preferenziale di utilizzo, nella quale il contenuto
di fibre è quattro volte maggiore che nell’altra direzione (Twintex 4:1). Il terzo laminato è
stato invece ottenuto da una struttura plain-weave bilanciata, con l’interposizione di 1-2%
di fibre nella direzione perpendicolare, con l’intento di migliorare la resistenza all’impatto
del laminato. Nella Tabella 1 sono riportate le proprietà dei tre laminati.
Laminato
Struttura
Twintex 1:1
Twill weave
bilanciata
Twill weave
direzionale
Plain weave
bilanciata
Twintex 4:1
3-D Twintex
Peso del tessuto Spessore per strato Maglie/cm
(g/m²)
(mm)
1870
1.25
2
(doppio strato)
935
0.63
2
(strato singolo)
1300
0.8
1.3
(singolo strato 3-D)
Tabella 1 Caratteristiche della struttura del materiale
Tutti i laminati sono stati stampati a compressione, applicando una pressione di 30 bar ad
una temperatura di 200°C per 70 secondi con un tempo di trasferimento dal forno alla
pressa non superiore ai 10 secondi [10-11].
I componenti (Figura 1) sono stati invece ottenuti da fogli di laminato di superficie 2.2 m²,
preconsolidati a 220ºC per un’ora, applicando una pressione di 1.1 bar. Il numero di strati
preconsolidati era selezionato in modo da dare uno spessore di circa 3.5 mm, cosicché il
susseguente stampaggio di due fogli preconsolidati permetteva di ottenere lo spessore di
6.5-7 mm richiesto per il componente. Il materiale del componente veniva preriscaldato
per circa quattro minuti in un forno a circolazione d’aria per raggiungere la temperatura di
stampaggio del polipropilene (circa 190°C), e poi consolidato sotto pressione a 60 bar in
uno stampo riscaldato a 60ºC. Il tempo di trasferimento dal forno alla pressa era all’incirca
di 20 secondi. Il componente é stato prodotto in quattro configurazioni: Twintex 4:1,
Twintex 3-D, Twintex 1:1 tal quale (laminato twill weave 0°/90°) e ruotato di un angolo di
45° (laminato twill weave ±45°).
Figura 1 Vista in pianta del componente (barra di intrusione laterale)
METODOLOGIA SPERIMENTALE
Impatto
Piastrine dei tre laminati, di dimensione 80x80x3.5 mm, sono state impattate con energie
tra i 15 Joule e la loro energia di penetrazione, utilizzando una torre a caduta di peso
Rosand IFW5. I provini erano fissati con una pressione di 1.5 bar sotto un anello circolare
di 40 mm. di diametro, e venivano colpiti con un impattatore emisferico del diametro di
12.7 mm. alla base di una massa complessiva di 25.65 kg.
Per le prove d’impatto, il componente era invece appoggiato tra due supporti distanti 750
mm. tra loro, e colpito da un’altezza di 3.25 m. con un impattatore emisferico di diametro
75 mm (massa totale 19.9 kg, corrispondente ad un’energia d’impatto di 637 Joule).
Termografia
L’area danneggiata dall’impatto è stata osservata utilizzando una termocamera Agema
Thermovision 900 SW, con risposta spettrale 2-5.4 micron e sensibilità 0.1ºC. La
termocamera utilizza una lente di 25 mm, che permette una distanza minima di
osservazione di 480 mm. Le immagini termografiche sono state acquisite durante i primi
30 secondi di raffreddamento susseguente ad un impulso di tre secondi, ottenuto con una
lampada infrarossa della potenza di 500 watt (Figura 2).
Figura 2 Disposizione sperimentale per la termografia
RISULTATI
Impatto sui laminati
I vantaggi della termografia rispetto all’ispezione visiva del danneggiamento da impatto
risultano evidenti nelle figure 3a e 3b, riferite rispettivamente ad una struttura bilanciata
Twintex 1:1 e ad un laminato Twintex 3D. In particolare, la termografia consente di
distinguere e quantificare l’estensione di zone a diverso livello di danneggiamento
nell’area d’impatto. La risoluzione della misura é limitata dalla dimensione del pixel, che
corrisponde ad un quadrato di lato 0.4 mm.
Figura 3a Fotografia dell’area impattata e relativa termografia (Twintex 1:1)
Figura 3b Fotografia dell’area impattata e relativa termografia (Twintex 3-D)
I tre laminati hanno mostrato diverse caratteristiche di assorbimento del danneggiamento
ad impatto, come risulta dalla Figura 4, che si riferisce a laminati impattati tutti con la
stessa energia, 20 Joule. In particolare, il Twintex 1:1 mostra un’area di danneggiamento
quasi perfettamente circolare, mentre il Twintex 3-D, per effetto della trama più larga,
presenta un’area di delaminazione con maggiore direzionalità. La trama più larga del 3-D
ha contribuito ad arrestare la delaminazione, mentre le fibre nella direzione ortogonale alla
superficie hanno efficacemente contenuto il danneggiamento sub-superficiale del
laminato. L’effetto dell’impatto sui tre laminati viene riassunto nella Tabella 2.
Figura 4 Aree di danneggiamento per impatto ad un’energia di 20 Joule
Materiale
Penetrazione del
danneggiamento
(direzione dello spessore)
Dissipazione del
danneggiamento
(area di delaminazione)
3-D
Bassa
Twintex 4:1
Alta
Twintex 1:1
Media
Alta
Media
Bassa
Tabella 2 Effetto dell’impatto sui diversi materiali
Sui laminati Twintex 4:1, l’effetto di direzionalità del danneggiamento si accentua con
l’aumentare dell’energia di impatto, come indicato dalla Figura 5, relativa ad un impatto a
35 Joule. La regione d'innesco della delaminazione corrisponde spesso a zone di vuoto
interlaminare [12]: il risultato é una maggiore sensibilità del laminato direzionale alla
presenza di difetti sub-superficiali. L’evoluzione delle aree di impatto con l’aumentare
dell’energia applicata nei tre laminati viene mostrata in Figura 6, dove si può notare come
nel caso del Twintex 1:1 l’area di delaminazione mantiene all’incirca una forma circolare
anche per energie prossime alla penetrazione (valori nella Tabella 3). Questo é vero anche
per il Twintex 3-D, dove tuttavia si notano direzioni di propagazione preferenziale della
delaminazione all’intersezione di due maglie. Questo é indicativo del non perfetto
stampaggio del materiale, come risulta anche dalla maggiore dispersione dei dati di
energia di penetrazione in Tabella 3. La difficoltà nello stampaggio, e specialmente
nell’ottenere un preriscaldamento uniforme del materiale, è stata spiegata con la trama più
grossa del tessuto del Twintex 3-D. Questa, se da un lato migliora le proprietà d’impatto
rispetto al Twintex 1:1, anche se restano in ogni modo inferiori a quelle del Twintex 4:1,
d’altro canto rende il comportamento del materiale più sensibile ai difetti localizzati od
alla leggera torsione dei singoli fasci di fibre, necessaria per introdurre le fibre 3-D [13].
La termografia ha anche consentito di misurare la dimensione totale delle aree di
delaminazione al crescere dell’energia d’impatto. Dai risultati in Figura 7, l’area di
delaminazione aumenta proporzionalmente all’energia di impatto per i laminati bilanciati,
tra i quali il Twintex 1:1 mostra un’area di delaminazione più piccola rispetto al Twintex
3-D. Il Twintex 4:1 invece, anche per la più elevata energia di penetrazione, non mostra lo
stesso andamento: in pratica, nel laminato direzionale l’estensione dell’area di
delaminazione é fortemente influenzata, oltre che dall’energia di impatto, dalle
caratteristiche della regione impattata (contenuto di fibre, intersezioni tra maglie).
Figura 5 Termografia di un laminato Twintex 4:1 impattato a 35 Joule,
con orientazione delle fibre nella regione impattata
Figura 6 Aree di delaminazione risultanti dall’impatto ad energie tra i 15 ed i 45 Joule
Laminato
Twintex 1:1
Twintex 4:1
Twintex 3-D
Energia di penetrazione (laminati di spessore 3.5 mm.) (Joule)
49.9±9.8
62.8±10.7
51.1±12.6
Tabella 3 Energia di penetrazione dei laminati (media e deviazione standard su 20 provini)
700
Tw. 1:1
Tw. 4:1
Tw. 3-D
2
Area di danneggiamento (mm )
600
500
400
300
200
100
0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Energia di impatto (J)
Figura 7 Area di danneggiamento misurata dalla termografia
(media su cinque provini per materiale e per energia d’impatto),
Impatto sui componenti e discussione
Le proprietà fisiche e relative alla prova ad impatto a 637 Joule delle quattro
configurazioni del componente sono riportate in Tabella 4. Le configurazioni bilanciate
Twintex 1:1 e Twintex 3-D hanno dato per la stessa energia il carico massimo più alto,
quindi una resistenza maggiore all’applicazione della forza, mentre é risultata abbastanza
deludente la prestazione del componente in Twintex 4:1. Le curve in Figura 8
rappresentano l’accumulazione dell’energia durante l’impatto, e permettono di notare
come alla stessa energia corrisponda per il Twintex 3-D un maggiore spostamento totale
rispetto al Twintex 1:1. Questo indica una minore rigidità del primo rispetto al secondo,
conseguenza dei problemi di non uniforme riscaldamento già discussi, e peggiorati dal
maggiore spessore del componente.
La tecnica termografica (Figura 9), nonostante la geometria non semplice del componente,
ha permesso un’accurata osservazione dell’area impattata. Dalle mappe termiche, i
componenti in Twintex 3-D e Twintex 1:1 presentano un danneggiamento limitato ad una
lunga cricca sulla flangia, con due zone di delaminazione sulla superficie di curvatura di
estensione leggermente maggiore nel 3-D. Al contrario, nel componente in Twintex 4:1,
anche l’area circostante la cricca appare danneggiata. Dalla misurazione in Tabella 5, che
distingue le aree delaminate in A, B e C in funzione del valore del gradiente termico, e
quindi della gravità del danno, il laminato direzionale appare inferiore, anche se nessuno
dei laminati presenta un livello di danneggiamento prossimo alla perforazione.
In conclusione, benché il laminato direzionale Twintex 4:1 presenti una maggiore
resistenza alla perforazione, la variabilità del suo danneggiamento, osservato con l’ausilio
della termografia, consiglia l’uso almeno prevalente del laminato bilanciato per lo
stampaggio di componenti. Tuttavia, può essere utile l’inserzione di strati di laminato
direzionale sulle superfici di curvatura, dove può conferire un ulteriore rinforzo. Tra i due
laminati direzionali, il Twintex 1:1 si presenta di più facile stampaggio, il che risulta in
una minore presenza di difetti, e questo può compensare un’energia di penetrazione
leggermente inferiore a quella del laminato con fibre 3-D.
Materiale
Spessore
medio (mm.)
6.7
6.2
6.6
6.9
Twintex 3-D
Twintex 4:1
Twintex 1:1 (45º)
Twintex 1:1
Peso
Carico
Carico
Spostamento
(kg) massimo (kN) medio (kN) finale (mm)
1.654
11.69
2.60
184.48
1.636
8.36
3.38
163.03
1.598
6.96
3.28
152.34
1.722
11.25
3.62
144.01
Tabella 4 Impatto sui componenti (energia 637 Joule)
650
Twintex 3-D
600
Twintex 1:1
550
Twintex 4:1
500
Twintex 1:1 (45°)
Energia (J)
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Spostamento (mm)
Figura 8 Curve di accumulazione dell’energia d’impatto
180
200
Figura 9 Immagini termografiche della superficie impattata delle varie configurazioni del
componente automobilistico (barra di intrusione laterale) impattato a 637 Joule
Aree (mm2)
A
B
C
Area totale
2-D 1:1 (0º/90º)
2-D 1:1 (+45º/-45º)
2-D 4:1
3-D
(nero)
35
25
20
10
(blu)
30
150
110
35
(violetto)
40
130
135
125
105
305
265
170
Tabella 5 Livelli di danneggiamento per impatto nel componente
misurati dalle immagini termografiche
CONCLUSIONI
In questo lavoro, la termografia é stata utilizzata allo scopo di misurare e caratterizzare il
danneggiamento dopo impatto in materiali compositi in fibra di vetro e polipropilene
(®Twintex) per uso automobilistico. A questo scopo, sono state eseguite osservazioni
termografiche dopo impatto sia su provini che su un prototipo del componente, che hanno
evidenziato vantaggi e difetti dei tre laminati utilizzati, fino a proporre delle
considerazioni tecniche per la selezione di una configurazione da usare nel componente.
La tecnica termografica si é rivelata una tecnica semplice e versatile, ed é stata molto utile
per contribuire alla selezione del laminato per uso in componenti, permettendo la
visualizzazione del danneggiamento superficiale e sub-superficiale. Un possibile sviluppo
di questo lavoro é la correlazione delle immagini termografiche con le micrografie dei
laminati, allo scopo di caratterizzare completamente il danneggiamento dovuto
all’impatto.
RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia sentitamente per il supporto alla ricerca: Ford Motor Company Limited,
Jaguar Cars Limited, MIRA, BMW Group, Borealis, ESI (Engineering Systems
International), DOW Automotive, Magna Interior Systems, Mapleline, Park Hill Textiles,
Polynorm Plastics, Security Composites, Symalit, Vetrotex International S.A, Warwick
University, DTI (Department of Trade and Industry) e dell’EPRSC (Engineering and
Physical Sciences Research Council, UK), ed inoltre tutto il personale del dipartimento di
Mechanical Engineering della Nottingham University.
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