Nella laminazione manuale di materiali compositi termoplastici, il controllo accurato del shear stress tra gli strati prepreg rappresenta il fattore critico per garantire adesione interlamellare ottimale, prevenire deformazioni permanenti e assicurare la ripetibilità del processo. A differenza dei compositi termoinduribili, i termoplastici operano a temperature elevate (180–260 °C), dove la viscosità dipendente dal tempo e il comportamento viscoelastico richiedono una calibrazione dinamica e sensibile, misurabile e ripetibile in tempo reale.
1. Fondamenti del Shear Stress nella Laminazione Manuale
Il shear stress (τ) è la componente tangenziale delle forze interstrato durante la pressione e l’impregnazione del prepreg, direttamente responsabile della qualità dell’adesione fibra-matrice. In condizioni di laminazione manuale, ilτ deve oscillare tra 1,5 e 3,5 MPa—valori che dipendono criticamente dalla pressione applicata, dalla velocità di laminazione e dal contenuto volumetrico di fibre. La sua misurazione precisa è essenziale perché un τ insufficiente causa separazione interlamellare; un τ eccessivo, invece, genera deformazioni plastiche irreversibili, compromettendo l’integrità strutturale del laminato finale.
“Il shear stress non è semplicemente una forza da applicare, ma un parametro dinamico da controllare per evitare difetti critici.”
2. Metodologie Avanzate per la Determinazione del Shear Stress
Due approcci principali si distinguono: il metodo reattivo, basato su estensimetri adesivi posizionati internamente per registrare deformazioni tangenziali in tempo reale; e il metodo indiretto, che correla la pressione applicata (misurata con cella di carico manuale) a deformazioni osservate, integrando modelli costitutivi lineare-viscoelastici per interpolare il τ. Il primo offre maggiore immediatezza e precisione, specialmente in ambienti non controllati, mentre il secondo risulta più economico ma soggetto a errori derivanti da assunzioni non verificate, come l’attrito interfacciale o la temperatura non stabilizzata.
Per entrambi i metodi, la calibrazione è imprescindibile: i sensori devono operare in un ambiente controllato (umidità ≤ 60%, temperatura 20–25 °C) per ridurre la deriva termo-meccanica, con una frequenza di condizionamento regolare ogni 4 ore.
| Metodo | Strumentazione | Precisione tipica (MPa) | Vantaggi | Limiti |
|---|---|---|---|---|
| Reattivo: Estensimetri adesivi multiasse | Sensori estensimetrici incollati su facce interne degli strati | 1,5–3,5 MPa | Alta risoluzione spaziale, feedback immediato | Installazione delicata richiesta; sensibilità alle vibrazioni |
| Indiretto: Pressione misurata (20–40 kPa) + deformazione + modello viscoelastico | Cella di carico + estensimetri esterni | 1,8–3,2 MPa | Costo ridotto, facile integrazione | Errori cumulativi per attrito interfacciale non compensato |
3. Fasi Operative per la Calibrazione Pratica del Shear Stress
La calibrazione efficace richiede un processo strutturato e ripetibile, suddiviso in fasi operative precise:
- Preparazione del Campione: Utilizzare prepreg termoplastici certificati (es. PA6-GF 30%, PEEK 1000) con spessore uniforme 0,3–0,6 mm per strato. Eseguire controllo qualità con tomografia a raggi X per rilevare bolle, variazioni di fibra e disomogeneità. La superficie deve essere libera da contaminanti e umidità residua, idealmente con umidità relativa < 50%.
- Applicazione della Pressione: Procedere con pressione progressiva da 20 kPa a 40 kPa in 15 secondi, garantendo distribuzione omogenea e assenza di shock meccanici. Evitare sovrappressioni localizzate che possono causare deformazioni permanenti o distorsioni geometriche. Monitorare la temperatura superficiale degli strati per non superare i 180 °C, che altererebbe la viscosità del termoplastico.
- Registrazione delle Deformazioni: Fissare gauge di deformazione (strain gauges) su supporto rigido, posizionati a intervalli di 30 cm, con acquisizione dati a 100 Hz per catturare la risposta dinamica. Calibrare i sensori settimanalmente per prevenire deriva sistematica, utilizzando standard di riferimento certificati.
- Calcolo del Shear Stress: Applicare τ = F / (A · μ), dove F è la forza misurata, A l’area di contatto reale (A = spessore × area interfaccia), e μ il coefficiente di attrito relativo fibra-matrice, determinato tramite test di pull-off separati. Valori di μ tipici oscillano tra 0,3 e 0,7 per termoplastici rinforzati con fibre di vetro o carbonio.
- Validazione Statistica: Eseguire almeno 5 cicli di misura, calcolando media, deviazione standard e intervallo di confidenza. Un τ con deviazione < 0,5 MPa indica stabilità del processo; valori superiori richiedono revisione della pressatura o condizioni ambientali.
4. Fattori Critici che Influenzano la Precisione della Misura
La riproducibilità del τ dipende da variabili interdipendenti:
- Adesione Interfacciale: Un’adesione debole riduce la trasmissione del taglio, generando distribuzione non lineare dello stress. Migliorare con trattamenti superficiali delle fibre (es. plasma) o pretrattamenti chimici, validati tramite test di shear interlamellare ASTM D3846.
- Controllo Termico: Variazioni superiori a 5 °C alterano la viscosità del termoplastico, modificando la risposta tangenziale. Implementare sistemi di termoregolazione attiva con sensori PID e controllo feedback in tempo reale.
- Tempo di Permanenza: Esposizione oltre 60 secondi provoca scorrimento viscoso, falsando la misura. Valore ottimale: 30–60 secondi, con controllo automatico di tempo basato su sensori di pressione dinamica.
- Geometria del Campione: Angoli netti concentrano stress; raccomandare raccordature arrotondate con raggio ≥ 2 mm, riducendo concentrazioni locali e migliorando omogeneità del campo di shear.
- Interferenze Ambientali: Vibrazioni e fluttuazioni pressione atmosferica introducono rumore. Isolamento meccanico con tavoli antivibrazione e sensori di pressione differenziale riducono errori < 0,3 MPa.</
