Colella - Università degli Studi di Cassino

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL
LAZIO MERIDIONALE
Dottorato di Ricerca in Ingegneria Civile, Meccanica
e Biomeccanica
XXIX Ciclo
Leandro Colella
Relazione di primo anno di attività
3 dicembre 2014
Seminari
A. Ruggiero, “Comportamento meccanico di materiali soggetti a carichi impulsivi”, Scuola di
Dottorato Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, 13/05/2014.
A. Leopardi, “Metodi Numerici per la Fluidodinamica in presenza di una Superficie Libera”, Scuola
di Dottorato Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, 20/05/2014.
M. Zordan, “La costruzione metallica in Italia”, Scuola di Dottorato Università degli Studi di Cassino
e del Lazio Meridionale, 16/06/2014.
L. Sorrentino, “Potenzialità e limiti dei materiali compositi polimerici”, Scuola di Dottorato
Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, 23/09/2014.
A. Viskovic (Dipartimento di Ingegneria e Geologia Università degli Studi G. d'Annunzio Chieti –
Pescara), “Il MAXXI, dal progetto alla realizzazione: l'interazione dei saperi e dei sottosistemi nel
progetto esecutivo/costruttivo”, Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica Università degli Studi
di Cassino e del Lazio Meridionale, 20/11/2014.
F. De Felice, “Il decision making e i sistemi decisionali multicriterio. Le metodologie AHP e ANP”,
Scuola di Dottorato Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, 24/11/2014.
M.G. D’Urso, “Incertezza della misura”, Scuola di Dottorato Università degli Studi di Cassino e del
Lazio Meridionale, 25/11/2014.
Tematiche di ricerca studiate
La presente attività di ricerca si inserisce nel quadro delle lavorazioni meccaniche per asportazione di
truciolo, con particolare riferimento al monitoraggio sensoriale di tali processi su materiali difficili da
lavorare quali i laminati compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di carbonio (CFRP).
Il monitoraggio sensoriale nelle lavorazioni meccaniche permette di acquisire informazioni utili in
termini di forze, vibrazioni, emissioni acustiche, temperature di processo in merito alla risposta del
materiale in lavorazione; tali dati di input possono essere analizzati, elaborati e resi disponibili per
poter ottimizzare i parametri di processo al fine di ridurre al minimo i difetti tipici delle lavorazioni
per asportazione di truciolo.
I laminati compositi rinforzati con fibre (FRP) maggiormente utilizzati nelle industrie sono: i CFRP
(Carbon Fiber Reinforced Polymer); i GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer); i VDM (laminati
compositi in fibra di metallo). Grazie ai loro notevoli vantaggi dal punto di vista prestazionale quali gli
alti rapporti resistenza-peso e rigidezza-peso, essi vengono utilizzati per sostituire i materiali metallici
tradizionali in una vasta gamma di settori (aerospazio, aereonautico, difesa) [1].
Nello specifico, per quel che riguarda i CFRP strutturali, va sottolineato che essi, in quanto tali,
necessitano inevitabilmente di dover essere accoppiati con altre parti strutturali: da qui l’esigenza di
ricorrere alle lavorazioni di foratura e fresatura [2]. Nella realizzazione di tali accoppiamenti
meccanici tra materiali spesso differenti, infatti, assumono un ruolo determinante le giunzioni
meccaniche chiodate e bullonate e di conseguenza la qualità, la precisione e l'affidabilità dei fori
lavorati oltre che la perfetta finitura superficiale e dei bordi dei partcolari da accoppiare. Nonostante
siano disponibili vari processi di lavorazione per asportazione di truciolo, convenzionali e non, quello
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alle macchine utensili dei laminati compositi è piuttosto ostico a causa della scarsa lavorabilità dovuta
alla loro disomogeneità, all'anisotropia, e alla presenza di fibre estremamente dure e abrasive che li
caratterizza [3, 4]. Tale caratteristica di scarsa lavorabilità si traduce, praticamente, in un’usura
precoce degli utensili e, per la foratura, nei fenomeni indotti di delaminazione e frammentazione che
generano effetti negativi quali la drastica riduzione della resistenza a fatica del materiale ed il
conseguente degrado delle performace a lungo termine [5].
E' noto che, nell'industria aereonautica lo scarto di particolari realizzati in laminati compositi dovuto a
danni derivanti dalla delaminazione indotta durante le fasi di assemblaggio finale è nell'ordine del 60%
[6, 7]. Pertanto, ogni delaminazione indotta che risulta nei componenti scartati rappresenta una perdita
costosa dal momento che spesso tali lavorazioni costituiscono le operazioni finali delle fasi di
assemblaggio. Per aumentare l'efficienza nella lavorazione di tali materiali e diminuirne sprechi e
danni è essenziale comprenderne il comportamento in fase di lavorazione attraverso l'esecuzione di
numerosi esperimenti e attraverso lo sviluppo di modelli [8].
L’attività di ricerca è stata sviluppata coerentemente con il Progetto di Ricerca delineato per l’intero
triennio.
In questo primo anno di lavoro, lo studio teorico si è concentrato sull’analisi delle lavorazioni
meccaniche per asportazione di truciolo che si eseguono sui componenti realizzati in laminato
composito a matrice polimerica termoindurente rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) eseguite a
secco, in accordo con le restringenti normative relative alle lavorazioni alle macchine utensili di
materiali compositi in ambito aereonautico.
Nonostante la bibliografia in questo ambito non sia particolarmente ricca, l’attenzione si è concentrata
su alcuni articoli ritenuti maggiormente significativi.
In particolar modo, sono emersi gli effetti delle variabili di input (velocità di avanzamento, velocità di
taglio, geometria dell’utensile) sulla determinazione della temperatura di processo, sull’usura
dell’utensile e, per l’operazione di foratura, sulla generazione della forza di spinta, sul manifestarsi
della delaminazione indotta e quindi sulla qualità finale delle lavorazioni eseguite [8, 9, 10]. Si è così
potuti pervenire alla definizione delle metodologie di modellazione e di ottimizzazione delle
grandezze sopra descritte (scelta ottimale degli utensili [9], lavorazioni ad alta velocità [11],
applicazione dell’active backup force [12]), di maggior interesse sulla base delle informazioni
reperibili in letteratura.
Poiché è importante monitorare le T di processo, lo studio dello stato dell’arte si è soffermato anche
sull’analisi della generazione di calore che si manifesta inevitabilmente sui fianchi dei taglienti
dell’utensile oltre che sulle superfici del pezzo in lavorazione nelle zone di contatto utensile-pezzo
durante le lavorazioni per asportazione di truciolo (tale calore, se non evitato o opportunamente
smaltito, può far raggiungere al pezzo in lavorazione temperature limite oltre le quali si possono
innescare processi di degradazione termica e quindi essere causa di danneggiamenti superficiali). Si
consideri che, per una tipica matrice a base epossidica, le temperature critiche di degrado vanno dai
180°C ai 270°C [13].
Il monitoraggio delle T di processo passa anche attraverso l’analisi di modelli di trasferimento di
calore per conoscere la distribuzione della temperatura sul pezzo CFRP in lavorazione e la conoscenza
delle tipologie di sensori e dei sistemi di monitoraggio sul tagliente dell’utensile, sul punto di contatto
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tagliente dell’utensile/pezzo in lavorazione, all’interno del laminato CFRP in lavorazione. È risaputo,
infatti, che la previsione della distribuzione della temperatura sul pezzo in lavorazione può dare
informazioni utili per ottimizzare il processo di taglio, specialmente quando i materiali in lavorazione
sono laminati CFRP [14, 15].
Dallo studio bibliografico è emerso che i sensori di temperatura maggiormente utilizzati in tale ambito
sono le temocoppie tipo k (che hanno sensibilità tipiche nell’ordine dei 41µV/°C; ∅
0,1 0,3mm)
che hanno dimostrato la loro affidabilità anche confrontandone le misurazioni con valori derivanti da
altri strumenti quali pirometri e termocamere ad infrarosso [14]. In [16] si è potuto osservare che
l’aumento di temperatura sui taglienti dell’utensile durante la foratura di un laminato composito CFRP
è più basso rispetto al caso di foratura di materiali metallici: tale fenomeno lo si può attribuire alla
minore quantità di calore che si genera durante la deformazione plastica, in quanto i laminati
compositi CFRP sono fragili ed il truciolo si polverizza durante il processo. In fresatura, invece, le
variabili di input velocità di rotazione e avanzamento assiale influenzano notevolmente le variazioni
di T di processo: al loro incremento corrisponde un incremento della T di processo; quest’ultima,
inoltre, massimizza i propri valori (nell’ordine rispettivamente del 15% e 29%) quando la distanza tra
sorgente di calore e punto di misurazione diventa piccola (0,5÷0,75mm). La variazione
dell’avanzamento tangenziale, invece, non determina grossi cambiamenti in termini di T di processo
[14]. Queste considerazioni si riferiscono a laminati CFRP con spessori di 1÷7mm.
Parallelamente allo studio dello stato dell’arte, si è proceduto con la messa a punto di un sistema
multisensoriale di acquisizione delle forze precedentemente sviluppato in altri lavori e con
l’integrazione dello stesso di un upgrade in LabView per il controllo delle temperature.
Sulla base delle conoscenze teoriche acquisite dallo studio della letteratura tecnica si è, quindi,
proceduto con la pianificazione e l’esecuzione delle prime prove sperimentali. Si sono realizzati i
provini da sottoporre ai test seguendo la procedura standard del ciclo produttivo vacuum-bagging e
piastra-contropiastra ed inserendo tra gli strati di prepreg 6 termocoppie tipo K.
Il sistema utilizzato è costituito da: fresatrice universale della MECTRA SAIMP modello FU-1, punta
della CARMAN modello CL415 SAPPHIRE da 10mm di diametro, sistema di acquisizione costituito
da termocoppie tipo K della TERSID modello HF/D 30 KK WX 88063 (rif.1458/11), dinamometro
della KISTLER modello 9257BA, unità di controllo 5233 A1, morsettiera della NATIONAL
INSTRUMENTS modello CB-68LP.
a)
b)
Figura 1: Provino CFRP 100x100x18mm e ciclo termico di cura.
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c)
a)
b)
Figura 2: Temperatura in funzione della posizione assiale dell’utensile rispetto al pezzo in lavorazione.
Nelle Figure 1a e 1b è riportata la geometria dei provini realizzati, le loro dimensioni e la posizione
delle termocoppie; nella Figura 1c è rappresentato il ciclo di cura termico al quale gli stessi sono stati
sottoposti. A titolo di esempio, nella Figura 2 sono riportati i grafici qualitativi a) dell’andamento della
temperatura percepita dalle termocoppie T3 e T4 in funzione della prosizione dell’utensile rispetto alla
sezione del provino; b) dell’andamento della temperatura percepita dalla termocoppia T4
nell’esecuzione dei fori A, B, C a parità di condizioni di taglio (1500 giri/min; 26,4 mm/min).
Per quel che riguarda l’attività scientifica di ricerca e sperimentale, gli sviluppi futuri per il prossimo
anno prevedono la messa a punto del sistema di controllo multisensoriale delle lavorazioni per
asportazione di truciolo sui laminati CFRP strutturali al fine di poter valutare le forze che si generano
durante la lavorazione, la T di processo nel punto di contatto utensile materiale in lavorazione, la T di
processo della superficie in lavorazione, la T di processo sul fianco dell’utensile e quindi poterne
studiare: l’influenza che i parametri di taglio hanno sulle T di processo sopra definite; il legame T di
processo/usura dell’utensile; il legame T di processo/qualità della lavorazione; il legame T di
processo/T di transazione allo stato vetroso; il legame T di processo/posizione delle termocoppie nel
provino.
Per quanto riguarda la formazione, infine, si prevede la frequenza a corsi, la partecipazione a seminari,
convegni ed alle varie attività proposte dalla Scuola di Dottorato.
Bibliografia
[1] C. Soutis, Fibre reinforced composite in aircraft construction, Progr. Aerosp. Sci. 2005; 41:143–
51.
[2] W. Hufenbach, L.A. Dobrzan´ ski, M. Gude, J. Konieczny, A. Czulak, Optimisation of rivet joints
of CFRP composite material and aluminium alloy, J. Achieve Mater. Manuf. Eng. 2007; 20:119–22.
[3] R. Teti, Machining of composite materials, CIRP Annals – Manuf. Technol. 2002; 51:611–34.
[4] A.M. Abrao, P.E. Faria, J.C. Campos Rubio, P. Reis, J.P. Davim, Drilling of fiber reinforced
plastics: a review, J. Mater. Process Technol. 2007; 186:1–7.
[5] R. Mishra, J. Malik, I. Singh, J.P. Davim, Neural network approach for estimate the residual
tensile strength after drilling in uni-directional glass fiber reinforced plastic laminates, Mater. Des
2010; 31:2790–5.
[6] T.L. Wong, S.M. Wu, G.M. Croy, An analysis of delamination in drilling composite materials, In:
14th National SAMPE Techn. Conf., Atlanta, GA, USA; 1982. p. 471–383.
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[7] R. Stone, K. Krishnamurthy, A neural network thrust force controller to minimize delamination
during drilling of graphite-epoxy laminates, Int. J. Mach. Tools Manuf. 1996; 36:985–1003.
[8] S. Jahanmir, M. Ramulu, P. Koshy, Machinig of ceramics and composites, Marcel Dekker,
Inc.1999, ISBN 082470178X.
[9] De Fu Liu, Yong Jun Tang, W.L. Cong, A review of mechanical drilling for composite laminates,
Composite Structures 94 (2012) 1265–1279.
[10] N. Koboević, M. Jurjević, Ž. Koboević, Influence of cutting parameters on thrust force, drilling
torque and delamination during drilling of carbon fibre reinforced composites, Technical Gazette 19,
2(2012), 391-398.
[11] V. Krishnaraj, A. Prabukarthi, A. Ramanathan, N. Elanghovan, M.S. Kumar, R. Zitoune, J.P.
Davim, Optimization of machining parameters at high speed drilling of carbon fiber reinforced plastic
(CFRP) laminates, Composites: Part B 43 (2012) 1791–1799.
[12] C.C. Tsao, H. Hocheng, Y.C. Chen, Delamination reduction in drilling composite materials by
active backup force, CIRP Annals – Manuf. Technology 61 (2012) 91–94.
[13] K. Kerrigana, J. Thilb, R. Hewisonc, G.E. O’Donnella, An Integrated Telemetric Thermocouple
Sensor for Process Monitoring of CFRP Milling Operations, Procedia CIRP 1 ( 2012 ) 449 – 454.
[14] J. Liu, Guang Chen, Chunhui Ji, Xuda Qin, Hao Li, Chengzu Ren, An investigation of workpiece
temperature variation of helical milling for carbon fiber reinforced plastics, International Journal of
Machine Tools & Manufacture 86 (2014) 89–103.
[15] Y. Takeshi, O Takayuki, S. Hiroyuki, Temperature measurement of cutting tool and machined
surface layer in milling of CFRP, Int. J. of Mach. Tools & Man. 70 (2013) 63–69.
[16] W.C. Chen, Some experimental investigations in the drilling of carbon fiber-reinforced plastic
(CFRP) composite laminates, Int. J. of Mach. Tools & Man. 37 (1997) 1097–1108.
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