{"id":22708,"date":"2023-09-27T03:54:46","date_gmt":"2023-09-27T01:54:46","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/09\/27\/resistenza-alla-penetrazione-di-piastre-stampate-3d-in-composito\/"},"modified":"2023-09-27T03:54:46","modified_gmt":"2023-09-27T01:54:46","slug":"resistenza-alla-penetrazione-di-piastre-stampate-3d-in-composito","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/09\/27\/resistenza-alla-penetrazione-di-piastre-stampate-3d-in-composito\/","title":{"rendered":"Resistenza alla penetrazione di piastre stampate 3D in composito"},"content":{"rendered":"
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Il presente lavoro ha analizzato la resistenza all\u2019impatto alla perforazione, in termini di capacit\u00e0 di assorbimento di energia, di piastre composite stampate in 3D prodotte mediante Fused Filament Fabrication (FFF)<\/strong><\/p>\n

di Franco Concli<\/em><\/p>\n

Sono state prodotte due serie di piastre composite rinforzate<\/strong>: la prima \u00e8 stata stampata in poliammide 12 con rinforzo a fibra corta, mentre la seconda serie \u00e8 stata rinforzata con fibre lunghe (carbonio). Le piastre sono state sottoposte a prove di indentazione quasi-statica per differenti rapporti tra diametri di foro e punzone (SPR) e con tre penetratori differenti: smussato, emisferico e conico. I risultati dei test quasi-statici sono stati elaborati con un modello teorico per stimare la capacit\u00e0 di assorbimento di energia delle piastre durante un impatto balistico. L\u2019aggiunta di fibre lunghe ha aumentato la capacit\u00e0 di assorbimento di energia del 120%-280% rispetto alle piastre rinforzate con fibre corte. I risultati del modello hanno mostrato come l\u2019aggiunta di un rinforzo continuo aumenti l\u2019energia specifica assorbita di un ordine di grandezza, da 100<\/sup> J\/(kg\/m2<\/sup>) a 101<\/sup> J\/(kg\/m2<\/sup>). Infine, \u00e8 stato effettuato un confronto con dati di letteratura relativi a piastre composite con rinforzo continuo prodotte con tecnologie convenzionali. Il confronto ha rivelato come le piastre in composito stampate in FFF risultino competitive in termini resistenza alla penetrazione, sia balistica che quasi-statica.<\/p>\n

Introduzione<\/strong><\/h5>\n

Lo studio delle propriet\u00e0 meccaniche dei materiali compositi prodotti mediante il processo Fused Filament Fabrication (FFF)<\/strong> \u00e8 un campo di ricerca relativamente nuovo, in particolare quello che coinvolge i rinforzi a fibra lunga \u2013 il primo lavoro su questo argomento \u00e8 stato pubblicato da Matsuzaki et al. nel 2016 [1]. L\u2019Additive Manufacturing<\/strong> (AM) consente la produzione di parti strutturali funzionali, superando i limiti delle tecnologie tradizionali. A partire dal 2016, si \u00e8 visto un sempre maggiore interesse per questi argomenti di ricerca e, di conseguenza, negli ultimi anni sono stati pubblicati molti studi sulle propriet\u00e0 meccaniche dei compositi stampati mediante tecnologia FFF<\/strong>. Tuttavia, la caratterizzazione si \u00e8 limitata al solo comportamento a trazione, flessione, taglio e compressione. Sono infatti pochissimi i lavori sul comportamento balistico<\/strong>, come mostrato da Safari et al. [2] nella sua opera compilativa. Anche considerando le pubblicazioni pi\u00f9 recenti relative alla valutazione la resistenza all\u2019impatto dei compositi stampati FFF rinforzati con fibre lunghe, la letteratura \u00e8 ancora carente rispetto a quanto \u00e8 disponibile per i materiali compositi prodotti con processi tradizionali. In particolare, non esiste ancora una caratterizzazione completa delle prestazioni balistiche di lastre realizzate in materiale composito stampate con tecnologia FFF tale da poter effettuare un confronto con quelle di lastre di composito prodotte mediante processi tradizionali. A questo proposito, la maggior parte degli studi si concentra sull\u2019influenza che le variabili del singolo processo di stampa \u2013 come i materiali, lo spessore degli strati, l\u2019orientamento del rinforzo, ecc. \u2013 hanno sulle prestazioni balistiche della parte stampata, e non viene valutata a fondo la resistenza all\u2019impatto in termini di capacit\u00e0 di assorbimento di energia [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].\u00a0 A tal fine, gli studi disponibili impiegano comunemente prove di punzonatura quasi-statiche, sebbene queste raramente risultino condotte in modo sistematico considerando tutti i parametri rilevanti [11, 12] o la forma del penetratore [13, 14] (che si sono dimostrati fondamentali nel determinare le prestazioni d\u2019impatto complessive dei materiali compositi prodotti con metodi tradizionali). Pertanto, \u00e8 necessaria un\u2019indagine sperimentale approfondita sulla risposta al carico fuori piano dei compositi stampati con tecnologia FFF che tenga in considerazione di tutti i parametri rilevanti per l\u2019impatto, in modo da determinare l\u2019efficacia di questo nuovo processo additivo per la produzione di parti strutturali protettive.<\/p>\n

I Metodi<\/strong><\/h5>\n
1. Apparecchiatura di stampa 3D<\/em><\/strong><\/h5>\n

Per fabbricare i campioni in composito utilizzati nel presente studio \u00e8 stata adottata una stampante Anisoprint Composer A3 prodotta da Anisoprint Inc. disponibile presso il Laboratorio di Prototipazione e Fabbricazione Additiva<\/em> della Libera Universit\u00e0 di Bolzano (ref. Dr. Lorenzo Maccioni). Questa stampante FFF consente di produrre struttura in polimero rinforzato con fibre lunghe. La stampante dispone di due ugelli indipendenti; il primo permette l\u2019estrusione del filamento polimerico, l\u2019altro consente la co-estrusione di un filamento di fibra pre-impregnato e di un altro filamento polimerico che funge da matrice. Per quanto riguarda i materiali utilizzati (si veda la Tabella I), Smooth PA \u00e8 un filamento in poliammide PA12 caricata con fibre di carbonio, destinato a essere utilizzato per la stampa di parti non strutturali che necessitano di una buona qualit\u00e0 superficiale. Per quanto riguarda la co-estrusione del filamento rinforzato viene utilizzato un nylon CFC PA in combinazione con un filamento di rinforzo CCF-1.5K (sotto forma di un nastro costituito da 1500 fili di carbonio impregnati con uno speciale polimero che assicura una buona adesione tra rinforzo e la matrice.<\/p>\n

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TABELLA I. PROPRIET\u00c0 DEI MATERIALI UTILIZZATI PER LA STAMPA<\/figcaption><\/figure>\n

2. Campioni a piastra in composito<\/em><\/strong><\/p>\n

Il provino consiste in una piastra di dimensioni 150x150x3 mm con otto fori perimetrali di diametro 10 mm distanziati di 10 mm dal bordo e di 65 mm l\u2019uno dall\u2019altro (vedasi Figura 1) \u2013 questo per far coincidere i fori delle piastre di supporto dell\u2019apparecchiatura di prova.<\/p>\n

I campioni sono stati stampati dopo una corretta selezione dei parametri di stampa tramite il software Aura. La selezione dei parametri di stampa (si veda la Tabella II) \u00e8 stata effettuata in base al lavoro svolto da Liu et al. [15] con la stessa attrezzatura, in cui i ricercatori hanno studiato l\u2019influenza di quattro parametri di processo principali \u2013 spessore, distanza, temperatura dell\u2019ugello e velocit\u00e0 di stampa \u2013 sulla rigidezza e resistenza a flessione di campioni di PETG rinforzati con un filamento continuo di carbonio.<\/p>\n

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TABELLA 2<\/figcaption><\/figure>\n

La scelta dei parametri di stampa ha permesso di ottenere una lastra con quattro strati di rinforzo racchiusi da sette strati di materiale non rinforzato, che costituiscono un guscio esterno a protezione degli strati rinforzati (vedasi Figura 2).<\/p>\n

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Figura 2 Rappresentazione schematica degli strati che compongono la lastra rinforzata con fibre continue<\/figcaption><\/figure>\n

La frazione volumica (stimata) per i campioni rinforzati con fibre continue \u00e8 pari al 23%, un valore coerente con la frazione volumica che si trova in letteratura per la maggior parte delle tecniche di stampa FFF. Tuttavia, si noti come si tratti solo di un valore approssimato, poich\u00e9 non sono stati considerati i difetti di stampa, quali vuoti o errori. Inoltre, va sottolineato come le fibre corte presenti nella matrice di PA non siano state prese in considerazione nella stima. Oltre alle lastre in composito rinforzate con fibre lunghe, \u00e8 stata anche prodotta una quantit\u00e0 equivalente di lastre in composito rinforzate con fibre corte come gruppo di controllo. Ci\u00f2 \u00e8 stato fatto per consentire una quantificazione del contributo alla resistenza fornito dall\u2019aggiunta del filamento in fibra lunga. In totale, sono state prodotte 24 lastre composite: 12 lastre rinforzate con fibre lunghe e 12 lastre rinforzate con fibre corte. Il tempo di stampa per ciascuna lastra rinforzata con fibre corte \u00e8 stato di 8.5 ore, mentre per ciascuna lastra rinforzata con fibre lunghe \u00e8 stato di 10.5 ore.<\/p>\n

3.\u00a0Apparecchiatura per il test di indentazione quasi-statica<\/em><\/strong><\/p>\n

Per eseguire i test di indentazione quasi-statica \u00e8 stata utilizzata una macchina di prova universale MTS disponibile presso il Laboratorio di Caratterizzazione dei Materiali della Libera Universit\u00e0 di Bolzano (ref. Prof. Franco Concli), dotata di un penetratore di 12.7 mm di diametro ed un sistema di bloccaggio costituito da due piastre forate, come mostrato in Figura 3. Le due piastre forate e il provino hanno dimensioni di 150\u00d7150 mm e sono tenute insieme per mezzo di otto bulloni M8 fissati all\u2019interno degli otto fori perimetrali distanziati di 10 mm dal bordo e 65 mm l\u2019uno dall\u2019altro. In totale, sono state utilizzate tre serie di piastre di supporto, ciascuna composta da due piastre forate con fori di diametro diverso (rispettivamente 25.4 mm, 50.8 mm e 101.6 mm), per ottenere tre diversi valori di \u201cSpan to Punch Ratio\u201d (SPR): 2, 4 e 8. Inoltre, sono state utilizzate tre diverse forme del penetratore: smussato, emisferico e conico. Per riprodurre la prova di schiacciamento con SPR=0 sono state utilizzate una piastra di supporto inferiore senza foro e la piastra di supporto superiore gi\u00e0 utilizzata per la prova con SPR=2, consentendo cos\u00ec una condizione di prova il pi\u00f9 possibile simile a quella con SPR=0. Tutte le prove di indentazione sono state eseguite ad una velocit\u00e0 di 1 mm\/min.<\/p>\n

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Figura 3 Apparecchiatura utilizzata per eseguire le prove di indentazione quasi-statica.<\/figcaption><\/figure>\n

4.\u00a0Modello di penetrazione quasi-statico (QSPM)<\/em><\/strong><\/p>\n

Gama e Gillespie [11] hanno proposto un modello di penetrazione quasi-statico per stimare l\u2019energia assorbita da una lastra in composito durante un impatto balistico sulla base di semplici prove di punzonatura quasi-statica a differenti valori di SPR. Secondo il modello, l\u2019energia assorbita dalla lastra \u00a0\"\"<\/a>vedasi Eq. (1), pu\u00f2 essere ottenuta considerando due contributi: l\u2019energia relativa all\u2019integrazione dell\u2019inviluppo idrostatico, \"\"<\/a>che pu\u00f2 essere attribuita all\u2019energia necessaria per danneggiare il materiale, e l\u2019energia \"\"<\/a>derivata dalla prova con SPR=8, che rappresenta l\u2019energia di deformazione elastica immagazzinata nella lastra subito dopo l\u2019impatto.\"\"<\/a><\/p>\n

Operativamente, l\u2019inviluppo idrostatico si ottiene dall\u2019inviluppo delle curve forza-spostamento ottenute con valori di SPR pari a 0, 2 e 4 (vedere Figura 4). L\u2019energia corrispondente viene calcolata mediante integrazione dell\u2019inviluppo idrostatico.<\/p>\n

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Figura 4: Curve forza-spostamento per piastre in composito rinforzato con fibre continue testate con il penetratore emisferico.<\/figcaption><\/figure>\n

L\u2019energia elastica, invece, si ottiene applicando un modello elastico bilineare alla curva forza-spostamento con SPR=8 come mostrato in Figura 5.<\/p>\n

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Figura 5 adattamento bilineare della prova di indentazione eseguita con penetratore emisferico e SPR=8<\/figcaption><\/figure>\n
Risultati e discussione<\/strong><\/h5>\n

A. Modello di punzonatura quasi-statico applicato a lastre rinforzate con fibre corte<\/em><\/strong><\/p>\n

A causa della mancanza di studi relativi alla caratterizzazione dell\u2019impatto con piastre rinforzate con fibre corte stampate con il metodo FFF, non \u00e8 banale valutare l\u2019affidabilit\u00e0 del modello di penetrazione quasi-statico quando applicato a questo tipo di componenti. In effetti, il modello \u00e8 stato validato da Gama e Gillespie [11] esplicitamente per lastre spesse in composito rinforzato a fibra lunga solamente per il caso di penetratore smussato. Inoltre, il confronto con la letteratura disponibile \u00e8 difficile non solo a causa delle diverse condizioni di prova \u2013 poich\u00e9 gli impatti a bassa velocit\u00e0 sono fortemente influenzati dalle condizioni al contorno (ad esempio il valore SPR) \u2013 ma anche perch\u00e9 gli studi disponibili cercano di valutare l\u2019energia d\u2019impatto che consente la perforazione della piastra piuttosto che cercare di quantificare l\u2019energia assorbita da essa. \u00c8 comunque significativo cercare di confrontare i risultati dell\u2019analisi QSPM ottenuti nel presente lavoro con alcuni dati disponibili in letteratura, i cui risultati sono convenientemente riassunti nella Tabella IV.\u00a0 Un confronto ragionevole con i risultati ottenuti nel presente studio pu\u00f2 essere fatto considerando l\u2019energia assorbita dal penetratore emisferico. Normalizzando i risultati del proiettile emisferico rispetto alla densit\u00e0 areale della piastra a SPR=8, l\u2019energia assorbita dal danneggiamento della piastra \u00e8 stimata in 10.5 J\/(kg\/m2<\/sup>). In generale, la letteratura mostra come l\u2019energia normalizzata in impatti a bassa velocit\u00e0 (che causa la perforazione completa della lastra) \u00e8 compresa tra 0.5 e 4.4 J\/(kg\/m2<\/sup>). Pertanto, il metodo di Gama e Gillespie [11] sembra sovrastimare l\u2019energia che la lastra pu\u00f2 assorbire. Il problema quando si tratta di piastre rinforzate con fibre corte \u00e8 che \u00e8 molto difficile determinare con precisione l\u2019inizio della rottura nel la prova di schiacciamento (SPR=0) prevista dal QSPM, perch\u00e9 la curva \u00e8 piuttosto regolare e non si pu\u00f2 facilmente rilevare un calo improvviso del carico, ma solo un leggero cambiamento nella pendenza che suggerisce una deformazione plastica. Inoltre, il comportamento meccanico mostrato dai campioni stampati con il filamento rinforzato con fibre corte suggerisce come il principale meccanismo di danneggiamento sia la deformazione plastica e che solo un ruolo minore \u00e8 svolto dal rinforzo. Vale anche la pena di sottolineare come le prove quasi-statiche non siano in grado di catturare l\u2019effetto della velocit\u00e0 di deformazione, che pu\u00f2 essere piuttosto influente per un composito a base termoplastica e quindi l\u2019energia assorbita potrebbe essere sovrastimata anche per questo motivo. Quest\u2019ultima osservazione \u00e8 un aspetto che merita ulteriori ricerche.<\/p>\n

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TABELLA IV. RISULTATI DI PROVE DI IMPATTO BALISTICO SU PIASTRE STAMPATE IN 3D REALIZZATE CON NYOLN RINFORZATO CON FIBRE CORTE<\/figcaption><\/figure>\n

B. Modello di punzonatura quasi-statico applicato a piastre rinforzate con fibre continue<\/em><\/strong><\/p>\n

Secondo il QSPM proposto da Gama e Gillespie [11], la maggior parte dell\u2019energia assorbita dalla piastra \u00e8 legata al danneggiamento del materiale, mentre solo una parte minore \u00e8 associata all\u2019energia di deformazione elastica. I risultati per i diversi penetratori mostrano come la forma del penetratore giochi un ruolo importante nel determinare l\u2019energia che la piastra pu\u00f2 assorbire: la forma conica \u00e8 la pi\u00f9 efficiente nel causare danni al materiale, seguita da quella emisferica e da quella smussata (vedasi Figura 6). In generale, meno smussata \u00e8 l\u2019estremit\u00e0 del penetratore e pi\u00f9 concentrato \u00e8 il carico, che richiede quindi carichi di picco inferiori per sfondare i primi strati della lastra e iniziare il danneggiamento. Ci\u00f2 \u00e8 evidente dai carichi di picco pi\u00f9 bassi osservati a SPR=0 e oltre.<\/p>\n

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Figura 6: Energia assorbita dalle piastre rinforzate con fibre continue secondo il modello di punzonatura quasi-statico<\/figcaption><\/figure>\n

Questi risultati sembrano essere in contrasto con le osservazioni fatte da Gellert et al. [14] su lastre composite rinforzate con fibre di vetro di fabbricazione tradizionale, che hanno riscontrato come l\u2019energia assorbita dalle lastre sottili non sia significativamente influenzata dalla forma del proiettile durante un impatto balistico. Ci\u00f2 pu\u00f2 essere dovuto al fatto che le piastre stampate in 3D sono rinforzate con un filamento continuo non tessuto, che \u00e8 particolarmente debole in termini di resistenza ai carichi penetranti, come dimostrato da Cheng et al. [3].<\/p>\n

Come \u00e8 stato fatto nel caso delle piastre rinforzate con fibre corte, l\u2019affidabilit\u00e0 del QSPM suggerito da Gama e Gillespie [11] pu\u00f2 essere verificata attraverso un opportuno confronto con i dati sperimentali disponibili in letteratura. La prova pi\u00f9 appropriata da utilizzare per il confronto \u00e8 ancora una volta quella con il penetratore emisferico, poich\u00e9 tutte le prove disponibili in letteratura sono state effettuate in condizioni simili. Come si pu\u00f2 vedere nella Tabella V, l\u2019energia (normalizzata) assorbita dalla piastra \u00e8 in buon accordo con la letteratura, suggerendo quindi una soddisfacente affidabilit\u00e0. Tuttavia, va notato come gli studi presenti in letteratura siano molto pochi e presentino diversi parametri del sistema \u2013 come la frazione di volume delle fibre, la SPR, i materiali, eccetera \u2013 che rendono difficile dimostrare in modo inconfutabile l\u2019affidabilit\u00e0 del QSPM.<\/p>\n

C. Rafforzamento delle piastre mediante l\u2019aggiunta di fibre continue<\/em><\/strong><\/p>\n

Come \u00e8 stato dimostrato in precedenza, l\u2019affidabilit\u00e0 del QSPM per le piastre rinforzate con fibre corte \u00e8 insufficiente per utilizzare tali risultati come confronto per il miglioramento delle capacit\u00e0 di assorbimento di energia delle piastre quando viene aggiunto il filamento continuo come rinforzo. Pertanto, per soppesare le piastre rinforzate con fibre corte rispetto a quelle rinforzate con fibre continue, \u00e8 pi\u00f9 significativo confrontare le prove di indentazione singola a diversi SPR. Come si pu\u00f2 vedere nella Figura 7, non ci sono dubbi sull\u2019enorme miglioramento che il rinforzo continuo apporta alle piastre in termini di energia assorbita.<\/p>\n

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Figura 7: Energia assorbita dalle piastre rinforzate con fibre corte (SF) e da quelle rinforzate con fibre continue (CF) in funzione del valore di SPR.<\/figcaption><\/figure>\n

Per quantificare meglio questo miglioramento, \u00e8 utile visualizzare l\u2019aumento percentuale dell\u2019energia assorbita dalla piastra in caso di aggiunta di fibre continue come rinforzo (vedasi Figura 8).<\/p>\n

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TABELLA V. RISULTATI DI PROVE DI IMPATTO BALISTICO SU PIASTRE STAMPATE IN 3D RINFORZATE CON FIBRE CONTINUE<\/figcaption><\/figure>\n

Indipendentemente dalla forma del penetratore, il miglioramento \u00e8 sempre superiore al 120% e arriva a oltre il 280% nel caso del penetratore smussato per una SPR=8. \u00c8 interessante notare come, mentre i casi con SPR pari a 2 e 4 mostrino un miglioramento simile, il caso con SPR=8 risulta significativamente pi\u00f9 alto per i penetratori smussati e emisferici e pi\u00f9 basso per quello conico.<\/p>\n

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Figura 8: Miglioramento percentuale dell\u2019energia assorbita rispetto alle piastre rinforzate con fibre corte quando viene aggiunto il filamento continuo come rinforzo.<\/figcaption><\/figure>\n

D. Piastre stampate tradizionali vs FFF: Carico dinamico<\/em><\/strong><\/p>\n

Effettuare un solido confronto tra piastre in composito prodotte tradizionalmente e piastre stampate FFF non \u00e8 banale, soprattutto a causa dell\u2019elevata variabilit\u00e0 dei parametri coinvolti nelle diverse procedure sperimentali presentate in letteratura. Tuttavia, si \u00e8 cercato di capire come questa nuova tecnologia di stampa di compositi si collochi rispetto ai metodi di produzione tradizionali. I dati ricavati dalla letteratura per le lastre in composito carbonio-epoxy sono elencati nella Tabella VI insieme ai risultati del QSPM adottato nel presente studio. Osservando l\u2019energia d\u2019impatto normalizzata, i dati suggeriscono come le piastre stampate FFF rinforzate con il filamento continuo possano avere performance migliori quando sottoposte a impatto rispetto alle piastre in carbonio-epoxy prodotte con tecnologie tradizionali. In particolare, nel caso di penetratore smussato si evidenzia la maggiore differenza di prestazioni balistiche, mentre nel caso di penetratore emisferico, i risultati sembrano essere in linea con quelli relativi a compositi tradizionali. D\u2019altra parte, nel caso di penetratore conico, il nuovo composito AM mostra prestazioni balistiche peggiori rispetto al suo omologo tradizionale. Tuttavia, queste conclusioni devono essere prese con la giusta cautela, poich\u00e9 il QSPM non \u00e8 stato validato direttamente mediante test balistici, ma la sua affidabilit\u00e0 \u00e8 stata valutata indirettamente attraverso il confronto con la letteratura, che a causa della mancanza di studi specifici \u00e8 stato possibile solo nel caso del penetratore emisferico.<\/p>\n

E. Piastre stampate tradizionali e FFF: Carico quasi-statico<\/em><\/strong><\/p>\n

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Il confronto tra le prestazioni delle lastre composite stampate in FFF e quelle prodotte tradizionalmente \u00e8 pi\u00f9 semplice nel caso di carichi quasi-statici, perch\u00e9 invece di basarsi sui risultati prodotti da un modello \u00e8 possibile confrontare direttamente i risultati sperimentali, ottenendo cos\u00ec una valutazione pi\u00f9 solida. I risultati sperimentali per le prove di indentazione quasi-statica ottenuti nel presente lavoro sono stati confrontati con dati da studi analoghi disponibili in letteratura e riassunti nella Tabella VII. Come si pu\u00f2 notare dal confronto con la letteratura, non c\u2019\u00e8 dubbio che le lastre di composito stampate FFF possiedano una capacit\u00e0 di assorbimento di energia quasi-statica paragonabile a quella del composito fabbricato tradizionalmente.<\/p>\n

Conclusioni<\/strong><\/h5>\n
A. Incertezza del modello di punzonatura quasi-statico<\/em><\/strong><\/h5>\n

A causa della mancanza di una validazione sperimentale diretta, non \u00e8 stato possibile verificare in modo esaustivo l\u2019affidabilit\u00e0 del modello di punzonatura quasi-statico. Tuttavia, grazie al confronto dei risultati con i dati sperimentali disponibili in letteratura \u00e8 stato possibile stabilire come il QSPM sovrastimi notevolmente le capacit\u00e0 di assorbimento di energia delle piastre rinforzate con fibre corte. Questo, tuttavia, era atteso dal momento che Gama e Gillespie [11] hanno sviluppato questo modello esplicitamente per piastre composite spesse rinforzate con fibre continue. Allo stesso modo, il QSPM \u00e8 stato validato per le piastre in composito rinforzate con filamenti lunghi (carbonio). I valori ottenuti con il QSPM sono risultati in buon accordo con i dati trovati in letteratura per le lastre in composito stampate in FFF. Tuttavia, il fatto che in letteratura sia presente solo un numero limitato di studi sull\u2019impatto di compositi stampati FFF non ha permesso una validazione completa del QSPM. Infatti, i dati sperimentali che si possono trovare negli studi precedenti riguardano principalmente penetratori con forma emisferica o proiettili sferici. Inoltre, la validazione del QSPM attraverso il confronto con la letteratura risente del fatto che le prove d\u2019impatto che coinvolgono compositi stampati FFF siano caratterizzate da un\u2019enorme variabilit\u00e0 dei parametri di prova, come i materiali, il processo di stampa, la velocit\u00e0 d\u2019impatto, eccetera. Pertanto, per garantire una validazione completa del QSPM per lastre stampate in FFF rinforzate con fibre continue, sarebbe necessaria un\u2019indagine sperimentale diretta mediante test balistici.<\/p>\n

B. Aumento delle prestazioni grazie all\u2019aggiunta di fibre continue<\/em><\/strong><\/p>\n

Considerando i dati sperimentali ottenuti nel presente lavoro relativi alle piastre in composito stampate in FFF, \u00e8 possibile affermare come l\u2019aggiunta del filamento continuo di carbonio abbia un effetto significativo sul miglioramento della resistenza all\u2019indentazione e sulle prestazioni balistiche delle piastre. In termini quantitativi, il miglioramento dell\u2019energia assorbita dalla piastra sottoposta ad un carico statico \u00e8 compreso tra il 120% e il 280%. Per quanto riguarda l\u2019energia assorbita durante un carico dinamico, invece, \u00e8 difficile fare una valutazione quantitativa affidabile del miglioramento delle prestazioni con l\u2019aggiunta della fibra continua, soprattutto perch\u00e9 il QSPM si \u00e8 rivelato inefficace nella stima dell\u2019assorbimento di energia quando applicato alle piastre rinforzate con fibre corte. Tuttavia, considerando i dati di letteratura per le piastre rinforzate con fibre corte, \u00e8 possibile affermare come il miglioramento dell\u2019assorbimento di energia potrebbe ragionevolmente collocarsi intorno a un ordine di grandezza, cio\u00e8 da 100<\/sup> J\/(kg\/m2<\/sup>) a 101<\/sup> J\/(kg\/m2<\/sup>).<\/p>\n

C. Prestazioni complessive delle lastre FFF rinforzate con fibre continue<\/em><\/strong><\/p>\n

Quando si tratta di confrontare le lastre composite stampate in FFF con quelle prodotte tradizionalmente, le prime soffrono della limitata frazione volumica di fibre ottenibile. Ciononostante, i risultati sono promettenti. Per quanto riguarda le prestazioni a impatto, le lastre stampate FFF si comportano in modo comparabile, se non migliore, rispetto alle lastre composite tradizionali. Anche i test di indentazione statica hanno confermato il potenziale di questa nuova tecnologia AM. Infatti, il confronto tra le prove di indentazione statica eseguite su lastre stampate in FFF e realizzate mediante tecniche tradizionali ha rivelato prestazioni in termini di assorbimento di energia paragonabili. Alla luce di quanto detto finora, non c\u2019\u00e8 dubbio che i compositi stampati in FFF e rinforzati con fibre continue possano essere competitivi in termini di resistenza alla penetrazione rispetto ai compositi prodotti tradizionalmente. Ci\u00f2 \u00e8 ancora pi\u00f9 impressionante se si considera come i compositi stampati FFF siano caratterizzati da valori inferiori di frazione volumetrica delle fibre, il che significa che \u00e8 possibile raggiungere livelli di resistenza comparabili con un consumo ridotto di materiali di rinforzo. Tuttavia, i problemi principali che riguardano la stampa FFF di compositi rimangono l\u2019elevato costo del materiale di rinforzo e la bassa velocit\u00e0 di produzione. In media, il filamento di carbonio pre-impregnato CCF-1.5K utilizzato nel presente studio pu\u00f2 essere reperito online a un costo stimato di 3000 $\/kg, mentre la fibra di carbonio di grado aerospaziale \u00e8 disponibile a circa 90 $\/kg. Entrambi questi problemi, tuttavia, sono in qualche modo compensati dalla libert\u00e0 di progettazione insita nel processo FFF. Infatti, i componenti che non devono resistere a carichi penetranti non devono necessariamente essere stampati con un riempimento completo, ma il rinforzo pu\u00f2 essere posato con precisione solo dove necessario. Il punto di forza di questa nuova tecnica di stampa risiede chiaramente nella possibilit\u00e0 di produrre rinforzi ottimizzati con un peso e quindi costi ridotti. Inoltre, la prospettiva di ottenere una forma netta dopo la stampa consente di ridurre i costi della post-lavorazione, pur non eliminandola del tutto, e i rischi di introdurre difetti nella parte in composito. Ad esempio, le lastre in composito stampate per il presente studio non hanno richiesto alcuna operazione di foratura dei fori perimetrali, riducendo cos\u00ec il rischio di degrado delle propriet\u00e0 meccaniche e la necessit\u00e0 di macchinari aggiuntivi.<\/p>\n

In conclusione, la tecnica di stampa FFF per i compositi rinforzati in continuo ha dimostrato di essere competitiva con i processi di produzione tradizionali per quanto riguarda le condizioni di carico d\u2019impatto e di penetrazione statica, anche se caratterizzata da una minore frazione di volume di fibre. Tuttavia, i principali limiti di questa nuova tecnica AM sono il costo del rinforzo e la bassa velocit\u00e0 di produzione, che limitano l\u2019impiego di questo processo produttivo per grandi lotti di produzione. Detto questo, l\u2019uso della stampa FFF per i compositi pu\u00f2 essere implementato adeguatamente per piccoli lotti di produzione con componenti altamente personalizzati. Un altro vantaggio principale di questo processo AM \u00e8 la relativa facilit\u00e0 di implementazione, poich\u00e9 il processo non richiede n\u00e9 attrezzature aggiuntive costose n\u00e9 operatori particolarmente qualificati per essere utilizzato in modo proficuo. Queste caratteristiche rendono la stampa composita FFF particolarmente adatta alle piccole aziende, come le start-up, che possono disporre di un numero limitato di risorse per l\u2019allestimento di un piccolo sistema di produzione ad alta flessibilit\u00e0.<\/p>\n

La Bibliografia completa \u00e8 disponibile su richiesta scrivendo al seguente indirizzo email: emanuela.bianchi@tecnichenuove.com<\/a><\/p>\n<\/div>\n

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Autore: Emanuela Bianchi<\/p>\n

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