Numerical and Experimental analysis of interlaminar stresses in bonded composite patch repairs

Gli aeromobili moderni sono sempre più costruiti con strati di tessuto sintetico imbevuti di resina, un materiale noto come composito. Questi materiali sono apprezzati perché sono incredibilmente resistenti ma leggeri, permettendo agli aerei di volare più in alto e consumare meno carburante. Tuttavia, come ogni materiale, possono subire danni da impatti o stress, sviluppando spesso crepe invisibili tra i loro strati o fori che indeboliscono l'intera struttura. Quando un aereo viene danneggiato, sostituire l'intera parte è costoso e spreco. Invece, gli ingegneri utilizzano spesso una tecnica di riparazione in cui un nuovo pezzo dello stesso materiale resistente viene incollato sopra il punto danneggiato, proprio come un cerotto su una ferita. La sfida consiste nel garantire che tale toppa resti salda sotto l'immensa pressione del volo senza staccarsi o causare il cedimento della struttura sottostante.

Un team di ricercatori provenienti da università dell'Algeria e del Ruanda si è posto l'obiettivo di capire esattamente come si comportano queste toppe incollate quando vengono tirate per separarle. Si sono concentrati sulle forze invisibili in gioco dove la toppa incontra la piastra originale e tra gli strati del materiale stesso. Per farlo, non si sono limitati alla teoria; hanno costruito campioni fisici e li hanno testati in laboratorio, per poi creare dettagliati gemelli digitali di quei campioni per osservare come si propagasse il danno. Il loro obiettivo era trovare il modo migliore per disporre le fibre all'interno della toppa in modo che essa distribuisca il carico uniformemente, evitando che la colla ceda e che la riparazione si sfaldi.

I ricercatori hanno iniziato creando i propri campioni utilizzando fibre di carbonio e una resina epossidica resistente, una combinazione comune nel settore aerospaziale. Hanno tagliato questi campioni in forme specifiche, alcuni con una superficie pulita e altri con un foro praticato al centro per simulare un danno. Per quelli danneggiati, hanno applicato una toppa quadrata dello stesso materiale, unendola con un adesivo specializzato. Hanno testato questi esemplari in una macchina che li tirava finché non si rompevano, misurando attentamente quanta forza potessero sopportare e quanto si allungassero prima di cedere. Hanno anche esaminato i pezzi rotti al microscopio per vedere esattamente come il materiale cedeva, notando che i fori causavano la rottura del materiale in una linea dritta e fragile, mentre i pezzi riparati mostravano un modello di rottura più complesso attraverso molteplici piani.

Per comprendere la meccanica dietro queste rotture, il team si è rivolto a potenti simulazioni al computer. Hanno costruito un modello digitale tridimensionale della piastra riparata, scomponendolo in milioni di minuscoli punti per tracciare lo stress in ogni posizione. Hanno utilizzato due metodi avanzati per prevedere il cedimento. Un metodo permetteva al computer di simulare la comparsa e la crescita di crepe attraverso il materiale senza dover ridisegnare la mesh, mentre l'altro si concentrava sullo strato sottile di colla, modellando come questa si staccasse dalla superficie. Hanno testato diversi modi di impilare gli strati all'interno della toppa, variando gli angoli delle fibre per vedere quale disposizione gestisse meglio lo stress. Hanno confrontato toppe realizzate in fibra di carbonio rispetto a quelle in fibra di vetro, e le hanno testate sia su piastre di base in carbonio che in vetro.

I risultati hanno mostrato che i modelli informatici erano altamente accurati, corrispondendo ai risultati dei test nel mondo reale con uno scostamento inferiore al cinque per cento. Ciò ha dato ai ricercatori la fiducia che i loro strumenti digitali potessero prevedere in modo affidabile come una riparazione avrebbe performato. Analizzando lo stress all'interno delle piastre riparate, hanno scoperto che la disposizione delle fibre era fondamentale. Nella maggior parte delle configurazioni, lo stress si concentrava pesantemente al centro della toppa, proprio intorno al foro dove era avvenuto il danno. Tuttavia, una specifica disposizione si è distinta. Quando hanno utilizzato una toppa in fibra di vetro su una piastra in fibra di vetro, disponendo gli strati in un particolare schema alternato di angoli, la distribuzione dello stress è diventata straordinariamente uniforme. In questa configurazione ottimale, lo stress massimo è sceso a soli cinque megapascal, una riduzione significativa rispetto ad altri design dove lo stress raggiungeva i trenta megapascal.

Lo studio ha anche rivelato che lo strato di colla è un punto debole critico. Le simulazioni hanno mostrato che lo stress più elevato nell'adesivo non si trovava al centro della toppa, bensì ai bordi estremi dove la toppa termina. È qui che la colla è più propensa a iniziare a staccarsi. I ricercatori hanno scoperto che il tipo di materiale utilizzato per la toppa e la piastra di base cambia il modo in cui questi stress ai bordi si comportano. Ad esempio, quando veniva utilizzata una toppa in carbonio su una piastra in carbonio, lo stress ai bordi era piuttosto elevato, ma quando venivano utilizzati materiali in vetro, i livelli di stress erano generalmente più bassi e gestibili. Il team ha concluso che non basta semplicemente incollare una toppa; la struttura interna di tale toppa deve essere progettata con cura per adattarsi al carico che dovrà sostenere. Scegliendo l'orientamento delle fibre e la combinazione di materiali corretti, gli ingegneri possono creare riparazioni che non siano solo soluzioni temporanee, ma soluzioni durevoli che ripristinino la forza e la sicurezza della struttura.