Tecnologie di lavorazione di polimeri ad altissime prestazioni

Nello sviluppo tecnologico degli ultimi anni, stanno acquisendo sempre più importanza i polimeri ad altissime prestazioni, o tecnopolimeri, che sono materiali polimerici candidati alla sostituzione di materiali più nobili. Componenti finiti in tecnopolimero possono essere realizzati mediante stampaggio ad iniezione o asportazione di truciolo da semilavorati. Tuttavia, nella lavorazione dei tecnopolimeri esiste una forte interdipendenza tra proprietà dei materiali, variabili di processo e soluzioni tecnologiche; ciò purtroppo rende molto spesso non prevedibili le prestazioni finali dei pezzi lavorati. Considerando, inoltre, che i tecnopolimeri richiedono alti costi sia per la loro acquisizione che per l’allestimento dei sistemi di lavorazione, è chiaro come nasca l’esigenza di approfondire la conoscenza su questi materiali e sulle loro tecnologie di trasformazione. Tali problematiche hanno portato alla definizione della presente tesi. Al fine di conoscere le proprietà dei materiali vergini e processati, sono state analizzate le tecniche di qualificazione dei materiali polimerici, ampliandone la famiglia con l’introduzione dell’indentazione strumentata, che consente di effettuare prove a velocità costante e a carico costante (creep), correlabili con tradizionali test di trazione. Per incrementare il know-how relativo alle problematiche del processo di stampaggio ad iniezione, è stata acquisita una pressa totalmente elettrica, equipaggiata con un misuratore di energia per valutare l’impatto energetico dei processi di stampaggio. Inoltre sono stati affrontati casi studio su componenti industriali, che hanno messo in luce quanto variegata possa essere la risposta dei vari materiali alle diverse condizioni di stampaggio, tanto da inficiare le prestazioni di esercizio dei componenti finali. Infine si sono analizzate le problematiche relative al processo di asportazione di truciolo dei tecnopolimeri, impiegato per la fabbricazione di ridotti volumi di produzione. Fattore critico è la distribuzione delle proprietà e delle tensioni residue nei semilavorati di partenza, che causano l’insorgere di distorsioni nei pezzi finiti. Tutti gli studi sono stati svolti con l’idea di inquadrare i processi di lavorazione dei polimeri ad altissime prestazioni in un’ottica globale, dal perseguimento di proprietà meccaniche, predefinite tramite l’utilizzo dei metodi di simulazione numerica e sistemi sperimentali, all’attenzione per i consumi energetici e al rispetto ambientale.In the recent technological developments, high performance polymers have gained more and more importance. These polymers are potential replacements of nobler materials. High performance parts can be produced by means of injection molding or machining of semi-finished products. However, high performance polymer processing is influenced by a strong interdependence between material properties, process parameters and technological choices; as a result, finished product performances are often unpredictable. Moreover, these polymers are very expensive, either considering the raw material and the manufacturing system costs, therefore it is very important to study in depth their properties and processing. These key issues led to the definition of this doctoral dissertation. Conventional characterization tests of polymers were analyzed to define a methodology which allows to investigate raw and processed material properties. The characterization techniques were extended by introducing the instrumented indentation test. This innovative test can be performed at fixed speed or fixed load (creep test) and its results can successfully be correlated with traditional tensile test results. An electric injection molding machine was acquired and equipped with an energy meter, in order to increase the knowledge about injection molding process and its energy requirements. Furthermore, some case studies of industrial injection molded components were considered; the production process heavily influences the material properties, so far as to affect the performances of the finished parts. Finally, critical aspects related to the machining of high performance polymers were analyzed. Machining processes are used when the production volumes are small. The distribution of material properties and residual stresses in the semi-finished products may produce the warpage of the plastic part during machining. All these studies were performed with the idea of setting the high performance polymer manufacturing processes in a global view, from the need of achieving the required mechanical properties (defined by means of numerical simulation and experimental methods), to the evaluation of energy consumption

Tecnologie di lavorazione di polimeri ad altissime prestazioni

Nello sviluppo tecnologico degli ultimi anni, stanno acquisendo sempre più importanza i polimeri ad altissime prestazioni, o tecnopolimeri, che sono materiali polimerici candidati alla sostituzione di materiali più nobili. Componenti finiti in tecnopolimero possono essere realizzati mediante stampaggio ad iniezione o asportazione di truciolo da semilavorati. Tuttavia, nella lavorazione dei tecnopolimeri esiste una forte interdipendenza tra proprietà dei materiali, variabili di processo e soluzioni tecnologiche; ciò purtroppo rende molto spesso non prevedibili le prestazioni finali dei pezzi lavorati. Considerando, inoltre, che i tecnopolimeri richiedono alti costi sia per la loro acquisizione che per l’allestimento dei sistemi di lavorazione, è chiaro come nasca l’esigenza di approfondire la conoscenza su questi materiali e sulle loro tecnologie di trasformazione. Tali problematiche hanno portato alla definizione della presente tesi. Al fine di conoscere le proprietà dei materiali vergini e processati, sono state analizzate le tecniche di qualificazione dei materiali polimerici, ampliandone la famiglia con l’introduzione dell’indentazione strumentata, che consente di effettuare prove a velocità costante e a carico costante (creep), correlabili con tradizionali test di trazione. Per incrementare il know-how relativo alle problematiche del processo di stampaggio ad iniezione, è stata acquisita una pressa totalmente elettrica, equipaggiata con un misuratore di energia per valutare l’impatto energetico dei processi di stampaggio. Inoltre sono stati affrontati casi studio su componenti industriali, che hanno messo in luce quanto variegata possa essere la risposta dei vari materiali alle diverse condizioni di stampaggio, tanto da inficiare le prestazioni di esercizio dei componenti finali. Infine si sono analizzate le problematiche relative al processo di asportazione di truciolo dei tecnopolimeri, impiegato per la fabbricazione di ridotti volumi di produzione. Fattore critico è la distribuzione delle proprietà e delle tensioni residue nei semilavorati di partenza, che causano l’insorgere di distorsioni nei pezzi finiti. Tutti gli studi sono stati svolti con l’idea di inquadrare i processi di lavorazione dei polimeri ad altissime prestazioni in un’ottica globale, dal perseguimento di proprietà meccaniche, predefinite tramite l’utilizzo dei metodi di simulazione numerica e sistemi sperimentali, all’attenzione per i consumi energetici e al rispetto ambientale.In the recent technological developments, high performance polymers have gained more and more importance. These polymers are potential replacements of nobler materials. High performance parts can be produced by means of injection molding or machining of semi-finished products. However, high performance polymer processing is influenced by a strong interdependence between material properties, process parameters and technological choices; as a result, finished product performances are often unpredictable. Moreover, these polymers are very expensive, either considering the raw material and the manufacturing system costs, therefore it is very important to study in depth their properties and processing. These key issues led to the definition of this doctoral dissertation. Conventional characterization tests of polymers were analyzed to define a methodology which allows to investigate raw and processed material properties. The characterization techniques were extended by introducing the instrumented indentation test. This innovative test can be performed at fixed speed or fixed load (creep test) and its results can successfully be correlated with traditional tensile test results. An electric injection molding machine was acquired and equipped with an energy meter, in order to increase the knowledge about injection molding process and its energy requirements. Furthermore, some case studies of industrial injection molded components were considered; the production process heavily influences the material properties, so far as to affect the performances of the finished parts. Finally, critical aspects related to the machining of high performance polymers were analyzed. Machining processes are used when the production volumes are small. The distribution of material properties and residual stresses in the semi-finished products may produce the warpage of the plastic part during machining. All these studies were performed with the idea of setting the high performance polymer manufacturing processes in a global view, from the need of achieving the required mechanical properties (defined by means of numerical simulation and experimental methods), to the evaluation of energy consumption

Injection molding of bushes made of tribological PEEK composites

Polyetheretherketone (PEEK) composites have been extensively studied because of the excellent tribological behavior among plastics. However, laboratory specimens and tests are generally discussed, whereas application studies on industrial components are infrequent. In this paper, an injection molded bush made of tribological PEEK was analyzed to correlate wear behavior and molded material structure. Bushes were tested under unlubricated sliding conditions by means of a short wear test. Surface analysis, differential scanning calorimetry (DSC) and optical microscopy were used to evalu- ate the distribution of the different composite fillers (polytetrafluoroethylene, PTFE, graphite particles and carbon micro- fibers) and their effect on the final bush behavior. A significant lack of homogeneity was observed in the molded bush and black bands appeared on the shaft surface after testing due to the sliding. The bush geometry and the injection molding process should be optimized to allow the best tribological behavior of the molded material under working conditions

Machining of glass fiber reinforced polyamide

The machinability of a 30 wt% glass fiber reinforced polyamide (PA) was investigated by means of drilling tests. A disk was cut from an extruded rod and drilled on the flat surface: thrust was acquired during drilling at different drilling speed, feed rate and drill diameter. Differential scanning calorimetry (DSC) and indentation were used to characterize PA so as to evaluate the intrinsic lack of homogeneity of the extruded material. In conclusion, it was observed that the chip for- mation mechanism affects the thrust dependence on the machining parameters. A traditional modeling approach is able to predict thrust only in presence of a continuous chip. In some conditions, thrust increases as drilling speed increases and feed rate decreases; this evidence suggests not to consider the general scientific approach which deals the machining of plastics in analogy with metals. Moreover, the thrust can be significantly affected by the workpiece fabrication effect, as well as by the machining parameters; therefore, the fabrication effect is not negligible in the definition of an optimum for the machin- ing process

Diode Laser Assisted Filament Winding of Thermoplastic Matrix Composites

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