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Cellere, Alessandro (2010) Injection molding of LGF-reinforced thermoplastics: numerical and experimental investigations of fibers breakage. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In recent years polymer composites are gaining an extraordinary success: the ability to provide high mechanical properties and at the same time low density makes them suitable for a wide range of applications. The employment of these materials at a cost that is becoming more competitive has made them attractive not only for specific sectors, such as aeronautics or automotive for which they were originally developed, but also for mass production of consumer goods. In this context, thermoplastic composite materials are becoming particularly interesting, because they combine the well known physical-mechanical characteristics with low environmental impact, and with all the benefits derived from being suitable for injection molding processing. Indeed, this technology allows the production of large size components, with very complex geometries in low cycle times: it is therefore possible to mold articles with high performance at low cost. The polymer matrix composites most commonly used are the long glass fiber reinforced thermoplastics. This type of reinforcement aim at increasing the improvement of mechanical properties, especially the tensile strength and elastic modulus, given by the presence of the dispersed phase within the matrix; as the load is supported by the fibers, the longer the fibers, the greater the increase in the property itself. In previous studies it was highlighted that the transformation process lead to the breakage of the glass fibers, reducing the benefits given by the presence of the reinforcement. The purpose of this thesis is to analyze how the main characteristics of the process affect the rupture of the fibers, in order to define some general rules that can be used to optimize the process. In this way it is possible to manufacture components with the best obtainable mechanical performances.
Using a numerical and experimental approach, different topics have been tackled to achieve this goal:
I. It was first analyzed the experimental procedure commonly used for measuring the length of reinforcement fibers, examining its characteristics and critical points. Based on this analysis, an innovative procedure was implemented by using image analysis software, which can overcome the limitations of traditional methodology, and is particularly effective for measuring long fibers.
II. Through the use of the Design of Experiments (DOE) techniques, the influence of the main process parameters on the fibers length reduction during injection molding was analyzed. The study was based on an extensive experimental campaign.
III. In the same way, using DOE techniques, the influence of the Hot Runner System geometry on fibers degradation was analyzed. The experimental study, conducted in collaboration with a company that is leader in this industry, was carried out using a custom-built modular hot runner system.
IV. The flow of the reinforced polymer through the hot runner system has been simulated using advanced finite element software. The numerical approach was designed to identify an analytical correlation model between fluid dynamic variables calculated by numerical simulations and experimental results obtained during the previous tests.
V. A procedure to optimize the geometry of a channel, in order to minimize fibers breakage during the flow of the reinforced polymer, has been developed by using a multi-objective optimization software. The optimization procedure, which provides the simultaneous implementation of different applications, was used for an industrial application of a water assisted injection molding of an automotive component.
VI. Eventually, the degradation of the fibers in composite materials with high long glass fibers weight fractions was analyzed. The experimental tests lead to new, original results, which were analyzed to propose new hypotheses in support. Specific tools were developed and designed for the verification of these hypotheses.
The work presented in thesis was carried out at Te.Si., a laboratory of DIMEG - University of Padua, Italy, from January 2007 to December 2009, under the supervision of prof. Paolo F. Bariani and of ing. Giovanni Lucchetta.

Abstract (italiano)

I materiali compositi stanno riscuotendo negli ultimi anni un eccezionale successo: la capacità di presentare elevate caratteristiche meccaniche con densità contenute li rende idonei per un largo campo di applicazioni. La possibilità di accedere a questi materiali ad un costo che diventa sempre più competitivo li ha resi appetibili non solo per settori specifici, quali l’aeronautico o l’automobilistico per quali sono stati inizialmente sviluppati, ma anche per la produzione industriale di beni di largo consumo. Particolarmente interessanti risultano essere in questo ambito i materiali compositi a matrice termoplastica, perché abbinano alle citate caratteristiche fisico-meccaniche un ridotto impatto ambientale, e tutti i benefici derivanti dalla possibilità di essere trasformati tramite lo stampaggio ad iniezione. Questa tecnologia consente, infatti, di realizzare componenti anche di elevate dimensioni e geometrie molto complesse con tempi ciclo ridotti: è possibile quindi produrre manufatti con elevate prestazioni, a costi contenuti. Una delle tipologie di materiali più diffusi tra i compositi a matrice polimerica sono i materiali caricati fibra vetro lunga: con questa tipologia di rinforzo si cerca di incrementare il miglioramento delle proprietà meccaniche, in particolar modo della tensione di rottura e del modulo elastico, dovuto alla presenza della fase dispersa all’interno della matrice; dato che il carico viene sopportato dalle fibre, maggiore è la lunghezza delle fibre maggiore è l’incremento delle proprietà stesse. E’ stato evidenziato da precedenti studi come il processo di trasformazione porti alla rottura delle fibre di vetro, riducendo il beneficio fornito dalla presenza del rinforzo. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di analizzare come le caratteristiche del processo influenzino la rottura delle fibre, al fine di identificare delle regole di carattere generale che consentano di ottimizzare il ciclo produttivo, massimizzando le proprietà meccaniche del componente prodotto. Per raggiungere questo obiettivo, tramite un approccio sia numerico che sperimentale, sono stati trattati diversi temi:
i. È stata innanzitutto analizzata la procedura sperimentale comunemente utilizzata per la misurazione delle lunghezze delle fibre di rinforzo, evidenziandone le peculiarità ed i punti critici. In base a questa analisi è stata implementata, tramite l’utilizzo di software di elaborazione di immagini, un’innovativa procedura che consenta di superare i limiti imposti dalla metodologia tradizionale, e che si dimostra particolarmente efficace per la misurazione di fibre di lunghezza elevata
ii. Mediante l’utilizzo di tecniche di Design of Experiments (DOE), è stata studiata l’influenza dei principali parametri caratteristici del processo di stampaggio ad iniezione sulla riduzione della lunghezza delle fibre di rinforzo. Lo studio ha previsto la realizzazione di un’estesa campagna sperimentale.
iii. In modo analogo, grazie a tecniche DOE è stato studiato l’effetto della geometria di un sistema di alimentazione a canali caldi sulla riduzione della lunghezza delle fibre di rinforzo. Lo studio, condotto in collaborazione con un’azienda leader nel settore, è stato effettuato grazie all’utilizzo di un sistema a canali caldi modulare appositamente realizzato.
iv. Il flusso del polimero attraverso il sistema a canali caldi è stato simulato utilizzando un evoluto software agli elementi finiti. L’approccio numerico ha avuto lo scopo di identificare un modello analitico di correlazione tra le variabili fluidodinamiche calcolate ed i risultati sperimentali ottenuti durante le campagne di prova precedentemente svolte.
v. Tramite l’utilizzo di un software di ottimizzazione multi obiettivo, è stata sviluppata una procedura che consenta di ottimizzare la geometria di un canale, al fine di minimizzare la rottura delle fibre durante il flusso del polimero rinforzato; la procedura, che prevede l’implementazione contemporanea di diversi software, è stata applicata ad un caso industriale, che prevede lo realizzazione di un componente per il settore automobilistico tramite lo stampaggio ad iniezione assistito con acqua.
vi. È stata infine analizzata la degradazione delle fibre nei materiali compositi con elevate percentuali di fibre lunghe di vetro; in questo caso sono stati ottenuti dei risultati sperimentali inediti, per i quali sono state avanzate delle ipotesi giustificative. Si sono sviluppati e progettati gli strumenti per la verifica di queste ipotesi.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Laboratorio Te.Si., del Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale dell’Università di Padova, in Italia, nel periodo compreso tra i mesi di gennaio 2007 e dicembre 2009, sotto la supervisione del prof. Paolo F. Bariani e dell’ing. Giovanni Lucchetta.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Bariani , Paolo
Correlatore:Lucchetta, Giovanni
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 22 > Scuole per il 22simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA DELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2010
Parole chiave (italiano / inglese):injection molding long glass fibers breakage hot runner system
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/16 Tecnologie e sistemi di lavorazione
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale
Codice ID:3077
Depositato il:24 Set 2010 11:48
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