USO DELLA TERMOGRAFIA PER VALUTARE IL DANNEGGIAMENTO DOPO IMPATTO DI COMPOSITI E COMPONENTI AUTOMOBILISTICI SOMMARIO Carlo Santulli University of Reading - UK 1 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: c.santulli@rdg.ac.uk
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 Peso del tessuto (g/m²) Spessore per strato (mm) Twintex 1:1 Twill weave 1870 1.25 bilanciata (doppio strato) Twintex 4:1 Twill weave 935 0.63 direzionale (strato singolo) 3-D Twintex Plain weave 1300 0.8 bilanciata (singolo strato 3-D) Maglie/cm 2 2 1.3 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 3-D Twintex 4:1 Twintex 1:1 Penetrazione del Bassa Alta Media danneggiamento (direzione dello spessore) Dissipazione del danneggiamento (area di delaminazione) 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 Energia di penetrazione (laminati di spessore 3.5 mm.) (Joule) Twintex 1:1 49.9±9.8 Twintex 4:1 62.8±10.7 Twintex 3-D 51.1±12.6 Tabella 3 Energia di penetrazione dei laminati (media e deviazione standard su 20 provini) 700 Area di danneggiamento (mm 2 ) 600 500 400 300 200 Tw. 1:1 Tw. 4:1 Tw. 3-D 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.) Peso (kg) Carico massimo (kn) Carico medio (kn) Spostamento finale (mm) Twintex 3-D 6.7 1.654 11.69 2.60 184.48 Twintex 4:1 6.2 1.636 8.36 3.38 163.03 Twintex 1:1 (45º) 6.6 1.598 6.96 3.28 152.34 Twintex 1:1 6.9 1.722 11.25 3.62 144.01 Tabella 4 Impatto sui componenti (energia 637 Joule) Energia (J) 650 Twintex 3-D 600 Twintex 1:1 550 Twintex 4:1 500 Twintex 1:1 (45 ) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Spostamento (mm) Figura 8 Curve di accumulazione dell energia d impatto
Figura 9 Immagini termografiche della superficie impattata delle varie configurazioni del componente automobilistico (barra di intrusione laterale) impattato a 637 Joule Aree (mm 2 ) A B C Area totale (nero) (blu) (violetto) 2-D 1:1 (0º/90º) 35 30 40 105 2-D 1:1 (+45º/-45º) 25 150 130 305 2-D 4:1 20 110 135 265 3-D 10 35 125 170 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. BIBLIOGRAFIA [1] R. Brooks, Composites in automotive applications: design, 6.16 in Comprehensive Composite Materials, Elsevier 2001, ISBN: 0-080-43725-7. [2] C.B Price, Automotive Composites Workshop, Brands Hatch, Kent, UK, 1998, pp. 47-56. [3] S. Osten, C. St. John, D. Guillon, G. Zanella, T. Renault, Compression molding of Twintex TM and random fiber thermoplastic molding materials, Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings, v 2, 1997, pp. 2432-2436. [4] X.Maldague, Applications of Infrared Thermography in NonDestructive Evaluation, Trends in Optical Nondestructive Testing (invited chapter), Pramod Rastogi ed., 2000, pp. 591-609. [5] P. Cawley, The rapid non-destructive inspection of large composite structures, Composites 25, 1994, pp. 351-357. [6] Y. Golfman, Nondestructive evaluation of aerospace components using ultrasound and thermography technologies, Journal of Advanced Materials v.33, 2001, pp.21-25. [7] E. Grinzato, Stato dell arte sulle tecniche termografiche per il controllo non distruttivo e principali applicazioni, 9 congresso nazionale AIPnD, Padova settembre 1997. [8] R.J. Ball, D.P. Almond, The detection and measurement of impact damage in thick carbon fibre reinforced laminates by transient thermography, NDT & E International 31, 1998, pp. 165-173. [9] V.P. Vavilov, D.P. Almond, G. Busse, E. Grinzato, J.C. Krapez, X. Maldague, S. Marinetti, W. Peng, V. Shirayev, D. Wu. Infrared thermographic detection and characterization of impact damage in carbon fibre composites: results of the round robin test. Proceedings QIRT, Naples, 1998. [10] C. Santulli, R. Brooks, C.D. Rudd, A.C.Long, Influence of microstructural voids on the mechanical and impact properties in commingled E-glass/polypropylene thermoplastic composites, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers -Journal of materials- Design and Applications Part L 216, 2002, pp. 85-100. [11] C. Santulli, R. Brooks, A.C. Long, C.D. Rudd, Impact properties of compression moulded commingled E-glass/polypropylene composites, Plastics, Rubber and Composites 31, 2002, pp. 270-277. [12] C. Santulli, Study of impact hysteresis curves on E-glass reinforced polypropylene laminates, In stampa, Journal of Materials Science Letters, gennaio 2003. [13] C. Santulli, Fibre 3-D e prestazioni ad impatto in compositi tessuti fibra di vetro/polipropilene (Twintex), 6º Congresso AIMAT, Modena, settembre 2002.