In-Situ Pin-Caulking: Effect of Self-Piercing Geometry and Pin Arrangement on Metal/CFRT Joints

L'ingegneria moderna si affida sempre più alla miscelazione di diversi materiali per costruire strutture più leggere e resistenti. Una strategia comune prevede l'accoppiamento di metalli, che sono tenaci e duttili, con compositi avanzati costituiti da fibre continue immerse in una plastica. Questi fogli rinforzati con fibre sono incredibilmente resistenti nella direzione delle fibre, ma possono essere fragili e difficili da unire con i metodi tradizionali. Incollarli richiede lunghi tempi di attesa e una preparazione perfetta della superficie, mentre praticare fori per inserire bulloni o rivetti taglia le fibre portanti e crea punti deboli dove possono innescarsi crepe. Per risolvere questo problema, gli ingegneri si sono rivolti a una tecnica in cui piccoli perni metallici vengono formati direttamente dal foglio di metallo e spinti nel composito. Invece di stare semplicemente in un foro, questi perni sono progettati per espandersi o allargarsi alla base, creando un gancio meccanico che blocca i due materiali insieme senza la necessità di parti aggiuntive. Questo metodo, noto come "in-situ pin caulking", combina l'atto di trapanare un foro, inserire il perno e modellarlo in una testa, tutto in un unico rapido movimento.

La sfida risiede nel fatto che il perno cambia forma durante questo processo. Inizia come un pezzo di metallo solido, ma è costretto a deformarsi mentre entra nel composito plastico. I ricercatori della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg si sono posti l'obiettivo di capire come la forma iniziale del perno e la disposizione di più perni influenzino la resistenza finale della giunzione. Hanno confrontato due design specifici: un perno cilindrico solido standard e un perno "auto-perforante" che ha pareti sottili progettate per espandersi verso l'esterno come il petalo di un fiore quando viene spinto. Hanno testato questi perni in vari schemi, da un singolo perno a gruppi di quattro, unendoli a un foglio di plastica rinforzata con fibra di vetro. L'obiettivo era vedere se il modo in cui i perni erano disposti cambiasse la forza necessaria per creare la giunzione e quanto peso potesse sostenere la connessione finale.

I ricercatori hanno scoperto che il perno auto-perforante era significamente più efficiente di quello solido. Poiché le pareti sottili del perno auto-perforante potevano piegarsi verso l'esterno facilmente, richiedeva meno forza per attraversare il materiale e formare il gancio di bloccaggio. Nel gruppo di test più grande con quattro perni, il design auto-perforante richiedeva il venticinque per cento in meno di forza per creare la giunzione rispetto al perno solido. Nonostante utilizzasse meno energia per creare la connessione, i perni auto-perforanti creavano un gancio che era tanto largo, se non leggermente più largo, di quello creato dal perno solido. Ciò significa che la giunzione non era più debole; anzi, era più forte. Quando i ricercatori hanno tirato le giunzioni per separarle, i perni auto-perforanti hanno sostenuto molto più peso. Nella disposizione a quattro perni, la giunzione auto-perforante poteva sopportare quasi tre volte la forza di trazione normale e un aumento di una volta e mezza della forza di taglio rispetto alla giunzione con il perno solido.

Una scoperta cruciale è stata il modo in cui i perni si comportano quando sono posizionati vicini tra loro. Per i perni solidi, la resistenza della giunzione dipendeva fortemente da come erano disposti rispetto alla direzione delle fibre nel foglio di plastica. Se i perni erano allineati lungo le fibre, la giunzione era più debole rispetto a quando erano posizionati fianco a fianco attraverso le fibre. Questo accadeva perché i perni solidi si affidavano all'attrito e al modo in cui la plastica si stringeva attorno a loro, un processo influenzato dal materiale circostante. I perni auto-perforanti, tuttavia, si comportavano diversamente. La loro resistenza rimaneva costante indipendentemente da come venivano disposti. Ciò suggerisce che il meccanismo di bloccaggio per il perno auto-perforante è determinato principalmente dalla forma del perno stesso dopo che è stato formato, piuttosto che dalla complessa interazione con le fibre circostanti. Le pareti sottili del perno auto-perforante si espandono per creare un gancio che afferra efficacementamente il materiale senza essere così sensibile alla disposizione locale delle fibre.

Lo studio conclude che il perno auto-perforante offre una soluzione superiore per unire questi materiali misti. Esso ottiene una connessione più forte e affidabile richiedendo al contempo meno forza per la produzione. Questa efficienza è particolarmente importante per la scalabilità su strutture più grandi, dove è necessario l'uso di molti perni. I perni solidi diventavano meno efficienti man mano che ne venivano aggiunti, richiedendo più forza per ogni perno aggiuntivo senza un guadagno proporzionale in forza. I perni auto-perforanti mantenevano la loro efficienza, fornendo più forza per ogni unità di forza utilizzata per crearli. Ciò li rende un candidato promettente per applicazioni industriali in cui componenti leggeri e multi-materiale devono essere assemblati rapidamente e in modo affidabile, come nell'industria automobilistica. La ricerca evidenzia che la geometria del perno dopo che è stato formato è ciò che conta davvero per la resistenza della giunzione, non solo la forma del perno prima che venga spinto nel materiale.