Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

Sintesi Tecnica: Predizione delle proprietà elastiche di compositi in carbonio ottenuti mediante tecnologie di infusione di resina in sacco sottovuoto e pressatura diretta di prepreg

Definizione del Problema
Lo sviluppo di strutture biomediche avanzate, in particolare protesi d'appoggio (ESR - energy-storing-and-releasing), richiede materiali compositi in fibra di carbonio (CFCM) con caratteristiche di rigidezza e resistenza precise. Questi componenti devono sostenere carichi significativi (fino a quattro volte il peso del paziente) mantenendo al contempo un peso minimo e una deformazione prevedibile (deflessione di 5–20 mm). Una sfida critica risiede nella selezione della tecnologia di produzione appropriata e nella disposizione spaziale dei componenti per ottenere queste specifiche proprietà elastiche. Sebbene l'infusione di resina in sacco sottovuoto (VBRI) e la pressatura diretta di prepreg (DPP) siano ampiamente utilizzate, è necessario confrontare le proprietà meccaniche risultanti e validare i modelli di omogeneizzazione per predire i moduli elastici efficaci dei materiali ortotropi risultanti.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un approccio comparativo che coinvolge sia test sperimentali che predizioni analitiche:

• Preparazione dei Campioni: Cinque serie di provini CFCM sono stati fabbricati utilizzando due diverse tecnologie:

  • VBRI: Utilizzando tessuti di carbonio (T300 twill, T700 unidirezionale) e un sistema di resina epossidica (EPR320 + EPH550).
  • DPP: Utilizzando tessuti di carbonio pre-impregnati (YZ-05 T700 twill e unidirezionale) pressati in una pressa idraulica.
  • I provini presentavano diversi schemi di stratificazione (miscele di tessuti unidirezionali e twill) per raggiungere uno spessore target di circa 4 mm. Le frazioni volumetriche delle fibre sono state calcolate sulla base delle misurazioni della densità, rivelando livelli di rinforzo più elevati nei campioni DPP (fino al 69%) rispetto ai campioni VBRI (circa 50–52%).

• Test Sperimentali:

  • Compressione Unassiale: Eseguita su una macchina Instron 8801 (ASTM D3410) per determinare i moduli elastici compressivi.
  • Flessione su Tre Punti: Eseguita su una macchina TestSystems UTS-11.1.2-10-12 (ASTM D790) per determinare i moduli elastici flessionali.
  • I test sono stati condotti sulle serie N1, N3, N5, N7 e N19, con i moduli elastici calcolati dalla regione elastica lineare dei diagrammi sforzo-deformazione.

• Predizione Analitica:

  • È stato applicato un approccio di media a due stadi basato sulla teoria classica dei laminati.
  • Livello Micromeccanico: I moduli elastici dei singoli strati sono stati calcolati mediando le proprietà di fibra e matrice utilizzando i modelli di Voigt (Regola delle Miscele) e Halpin-Tsai.
  • Livello Macromeccanico: Le proprietà della struttura stratificata sono state mediate utilizzando i coefficienti della legge di Hooke generalizzata, tenendo conto degli angoli di orientamento delle fibre e dello spessore degli strati.

Risultati Chiave

• Influenza della Produzione: I campioni prodotti tramite pressatura diretta di prepreg (DPP) hanno costantemente mostrato moduli elastici e resistenza a trazione superiori rispetto a quelli prodotti tramite infusione di resina in sacco sottovuoto (VBRI). Ciò è attribuito alla maggiore frazione volumetrica di fibra di carbonio ottenuta in DPP (circa 63–69%) rispetto a VBBI (circa 50–52%).
• Flessione vs Compressione: È stata osservata una discrepanza significativa tra le modalità di carico. I moduli elastici compressivi erano circa la metà dei valori dei moduli flessionali per la stessa serie, e le deformazioni a rottura erano da 1,5 a 2,5 volte superiori in compressione.
• Accuratezza del Modello:
  • Flessione: Il modello analitico ha mostrato una ragionevole correlazione con i dati sperimentali di flessione per le serie N1, N3, N5 e N7, sebbene tendesse a sovrastimare i valori (differenze comprese tra il 5% e il 32%). La correzione Halpin-Tsai non ha alterato significativamente le predizioni per gli strati unidirezionali ad alto volume orientati lungo l'asse di carico.
  • Compressione: Il modello ha dimostrato limitazioni significative nella predizione del comportamento a compressione. Le discrepanze tra i moduli compressivi calcolati e quelli sperimentali sono state sostanziali (1,5 - 2,3 volte superiori nei calcoli).
  • Eccezione (Serie N19): La serie N19, caratterizzata da un'alta proporzione di tessuto twill e orientamenti delle fibre a 45°, ha mostrato un risultato unico in cui i moduli compressivi calcolati e sperimentali sono quasi coincisi (4% di differenza), sebbene la predizione flessionale sia rimasta imprecisa (80% di differenza).

Significatività e Conclusioni
Lo studio conclude che, sebbene i modelli di media sequenziale (Voigt e Halpin-Tsai combinati con la teoria classica dei laminati) possano predire i moduli elastici flessionali dei CFCM ortotropi con un'accuratezza di almeno il 35% per specifiche stratificazioni, essi hanno una limitata applicabilità nella predizione delle proprietà compressive. La significativa divergenza nei risultati di compressione suggerisce che gli attuali modelli di omogeneizzazione non riescono a tenere conto dell'eteromodalità (moduli differenti in trazione vs compressione) e delle specifiche eterogeneità microstrutturali.

Gli autori affermano che sia le tecnologie VBRI che DPP sono idonee per la produzione di elementi strutturali per protesi d'appoggio, a condizione che il contenuto di fibra di carbonio sia sufficiente. Tuttavia, per una progettazione accurata di componenti biomedici, affidarsi esclusivamente ai modelli di omogeneizzazione standard per la rigidezza a compressione è insufficiente. I miglioramenti futuri nell'accuratezza della predizione richiedono modelli che incorporino le sequenze di impilamento, i tipi di trama e i comportamenti distinti tra trazione e compressione, insieme a un'ulteriore caratterizzazione sperimentale sotto trazione unassiale e torsione.