Compositi multifunzionali auxetici e a nido d'ape realizzati con preforme in fibra di carbonio intrecciata 3D

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22593 (2022) Citare questo articolo

Accessi 2016

1 Citazioni

Dettagli sulle metriche

I compositi tessuti tridimensionali (3D) hanno iniziato a trovare applicazioni in vari settori industriali, principalmente nell'aerospaziale e con un potenziale nell'automotive. I tessuti tessuti 3D possono essere progettati per formare preforme complesse e dalla forma quasi netta, pronte per la produzione automatizzata di compositi. Il tessuto a nido d'ape tessuto 3D è progettato per includere funzionalità aggiuntive nei compositi finiti, come i rapporti di Poisson positivi e negativi. In questo studio, sono state create complesse architetture a nido d'ape utilizzando vari modelli di trama per dimostrare gli effetti dei comportamenti auxetici quando fabbricati in una struttura composita. Per tessere l'architettura a nido d'ape progettata è stato utilizzato un sistema di tessitura 3D Staubli dotato di Jacquard UNIVAL 100 e una cantra di 3072 tow in fibra di carbonio da 6 k. Con l'ausilio di inserti in schiuma di poliestere dura, i tessuti tessuti 3D sono stati convertiti in preforme a nido d'ape e auxetiche. Queste preforme sono state infuse utilizzando resina epossidica per produrre una serie di strutture composite a nido d'ape e auxetiche. In confronto con la struttura a nido d'ape di base, è dimostrato che i compositi auxetici sviluppati hanno mostrato un rapporto di Poisson negativo di -2,86 e -0,12 rispettivamente nel caso delle prove di trazione e di compressione.

I compositi tessuti 3D multifunzionali hanno la capacità di assorbire energia attraverso il cedimento progressivo, pur mantenendo un decadimento graduale del profilo di carico oltre l'inizio del cedimento1,2. Di conseguenza, sono di grande interesse per le situazioni in cui la capacità di resistere a carichi da impatto o da impatto è un requisito di progettazione. I compositi tessuti 3D stanno iniziando a trovare applicazioni in vari settori, in particolare in applicazioni aerospaziali e automobilistiche. Diversi OEM e produttori di primo livello stanno studiando attivamente queste strutture. Nel settore aerospaziale, le strutture tessute 3D sono già utilizzate nelle pale e negli involucri dei ventilatori. Lo sviluppo è in una fase iniziale e ci sono molte opportunità per migliorare le prestazioni di impatto e ottimizzare il peso della struttura. È importante che le strutture antiurto utilizzate in veicoli come automobili, autobus e treni siano accuratamente prevedibili e la produzione sia ripetibile. Esiste anche l'opportunità di utilizzare la tessitura 3D per aggiungere funzionalità aggiuntive ai compositi.

La tessitura 3D è un’attività specialistica e sono pochissimi i centri in grado di condurre le ricerche necessarie. I produttori tessili come DORNIER e STAUBLI producono macchine per tessere 3D, ma i tessuti 3D per applicazioni composite sono attualmente agli inizi. Nel Regno Unito, aziende come Sigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons e Antich & Sons hanno sviluppato capacità interne per utilizzare la tessitura 3D, ma sono necessarie ulteriori attività di ricerca e sviluppo per implementare tale tecnologia lungo tutta la catena di fornitura. Recentemente l’AMRC dell’Università di Sheffield ha stabilito capacità di tessitura 3D che verranno utilizzate per colmare il divario e supportare l’industria.

Le preforme tessute 3D hanno la capacità di dimostrare multifunzionalità nella produzione di compositi avanzati. Una delle strutture multifunzionali 3D è la funzionalità auxetica che deve essere studiata e dimostrata all'industria. Ciò potrebbe assumere la forma di strutture espandibili di tipo a nido d'ape3, che potrebbero essere tessute e testate per mostrare capacità e prestazioni meccaniche potenzialmente migliorate con elevata tolleranza ai danni come urti, compressione e impatto. La Figura 1 spiega cos'è la struttura auxetica rispetto alla struttura a nido d'ape convenzionale in termini di geometria, ovvero un materiale auxetico esposto a tensione aumenterebbe di dimensioni nella direzione laterale rispetto ad una forza di trazione applicata. Una struttura auxetica presenta diversi vantaggi in una situazione di incidente, ad esempio un buon assorbimento di energia, tuttavia, la produzione ripetibile di una struttura auxetica con un comportamento prevedibile richiede ulteriore lavoro4.