Dipartimento
di Meccanica
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione
Vicenza, 27-28/3/2008
La ricerca sugli adesivi al
Politecnico di Torino
Luca Goglio
Dipartimento di Meccanica
Politecnico di Torino
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Gruppo di ricerca
Attrezzature
Componenti
•
•
•
•
•
•
•
Prof. Giovanni Belingardi
Prof. Massimo Rossetto
Prof. Luca Goglio
Prof. Massimiliano Avalle
Prof. Giorgio Chiandussi
Ing. Lorenzo Peroni
Dottorandi, borsisti,
assegnisti
Sedi operative:
• Macchine di prova Schenck (meccanica)
e Dartec (idraulica) 100 kN
• Drop dart (2 m), drop tower (10 m)
• Dispositivi pneumatici per prove ad alta
velocità di carico (trazione e compress.)
• Split Hopkinson testing bar
• Pendolo Charpy strumentato
• Centraline estensimetriche
• Centraline per controlli a ultrasuoni
• Codici FEM (Nastran, Ansys,
Hyperworks Radioss, Madymo, …)
 Dipartimento di Meccanica - c.so Duca degli
Abruzzi, 24 - 10129 Torino
 Laboratorio di Affidabilità e Sicurezza - p.za
Sant'Eusebio, 5 - 13100 Vercelli
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
2
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Attività
Principali argomenti

Stress analysis / ottimizzazione dei giunti incollati

Previsione della resistenza statica – criteri di progetto

Resistenza statica di giunti ibridi

Comportamento a impatto di giunzioni o componenti incollati

Controllo non distruttivo a ultrasuoni

Comportamento degli adesivi ad alta velocità di deformazione

…
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
3
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Principali cooperazioni e progetti
• “Sviluppo di tecnologie di processo
per la fabbricazione di componenti
metallo plastici destinati ad
applicazioni autoveicolistiche”
• “Criteri di resistenza ed integrità
di giunzioni strutturali incollate”
• Henkel-Loctite
• “Criteri di cedimento e calcolo a
resistenza di giunti incollati
soggetti a caricamento
monotono”
• Super Light Car – VI Programma
Quadro UE
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
Progetto Finalizzato Materiali
Speciali per Tecnologie Avanzate
- CNR (1998-2000)
PRIN 1999
software, presentato nel 2004,
per il calcolo dei giunti (in
cooperazione con le università di
Genova e di Reggio Emilia)
PRIN 2004
Progetto di un veicolo a scocca
alleggerita, con la partecipazione
dei principali costruttori europei
2005-09
4
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Stress analysis / ottimizzazione dei giunti incollati
Cianfrinatura dell’estremo dell’aderendo,
profilatura del bordo dello strato adesivo per
ridurre la concentrazione di tensione
Giunti “lap shear”
Giunti a T
R
5 .3
Y
adhesive
layer
steel sheet
Z
X
steel sheet
R
5.3
Y
Z
X
adhesive
layer
steel sheet
steel sheet
Investigating the effect of spew and chamfer size on the stresses in metal-plastics adhesive joints
(G. Belingardi, L. Goglio, A. Tarditi) Int. J. of Adhesion and Adhesives 22 (2002), pp. 273-282
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
5
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Stress analysis / ottimizzazione dei giunti incollati
Semplice
sostituzione
saldatura/adesivo
Ottimizzazione
di scatolati
ottenuti per
incollaggio
Cross
section
Soluzione
ottimizzata
per l’adesivo
Torque:
shear stress τzx (MPa)
Torque:
shear stress τzy (MPa)
Torque:
Von Mises stress
Double
hat
Double
C
Stress flow in thin-walled boxbeams obtained by adhesive bonding joining technology
(G. Belingardi, G. Chiandussi) Int. J. of Adhesion and Adhesives 24 (2004), pp. 423-439
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
6
Prove per ottenere il cedimento sotto diverse condizioni di sollecitazione
Diverse geometrie, spessori,
sovrapposizioni, …
Tensioni “strutturali” (modello
Bigwood-Crocombe)
Serie 2 - Sovr. h = 2 mm, t = 0.10 mm, L = 15 mm
60
Tensione di pelatura
Tensione di taglio
50
40
N1
Tensioni (MPa)
y
T 1 +dT 1
T1
N 1 +dN 1
Adher. 1
M1
x
N2
T2
t
s
t
M 1 + dM 1
10
-20
T 2 +dT 2
Adher. 2
20
-10
xy
yy
xy
30
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Posizione nella sovrapposizione (mm)
N 2 +dN 2
Serie 13 - T-peel h = 3 mm, t = 0.10 mm, L = 150 mm
50
M2
dx
M 2 + dM 2
Tensione di pelatura
Tensione di taglio
40
30
Tensioni (MPa)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Previsione della resistenza statica – stato di tensione
20
10
0
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
-10
-80
-60
-40
-20
0
20
Posizione nella sovrapposizione (mm)
40
60
80
7
Luogo dei cedimenti nello spazio delle tensioni st
→ inviluppo limite
60
le barre mostrano
1 scarto tipo
50
sp2 peak (MPa)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Previsione della resistenza statica – criterio di progetto
Tensioni di picco al limite di proporzionalità 2%
(adesivo Loctite 330)
t = 0.1 mm
t = 0.25 mm
40
A simple failure criterion for the design of adhesive joints
(L. Goglio, M. Rossetto, E. Dragoni) Structural Adhesives in
Engineering VII, Bristol (UK), 2004
30
20
Design of adhesive joints based on peak elastic stresses
(L. Goglio, M. Rossetto, E. Dragoni) Int. J. of Adhesion &
Adhesives, in press
10
0
0
10
20
30
40
tp2 peak (MPa)
50
60
Base concettuale del S/W
(in cooperazione con Univ. di Reggio E., Genova)
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
8
Clinciatura + adesivo
Luogo dei cedimenti
12
Clinched
Bonded
Clinched+bonded
10
Shear load (kN)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Resistenza di giunzioni ibride incollate/clinciate
8
6
 S

 S max
4
2
2
  N
  
  N max
2

  1

0
0
2
4
6
8
10
12
Normal load (kN)
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9
Resistenza assiale di elementi saldati/incollati
saldatura a punti - trave N4016002
Confronto di diverse soluzioni
(saldatura a punti e/o adesivo)
25
adesivo LOCTITE 330 - trave B1
adesivo CIBA araldite 2010 - trave B4
20
Forza [kN]
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
30
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
spostamento [mm]
Experimental results on the axial crushing behaviour of hat-section thin-walled beam assembles by adhesive
bonding results (G. Belingardi, M. Avalle, R. Fizzotti, A.Tarditi) ATA Conference 2001, Paper 01A1043, Florence (Italy),
May 2001
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
10
• Doppie sezioni a C incollate (prove comparative su estrusioni di Al)
• Attrezzatura speciale per applicare il carico di torsione
• Assenza di distacchi anche a deformazione elevata
400
350
300
Coppia (Nm)
Torque (Nm)
sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Stato della Ricerca Italiana
Comportamento torsionale di scatolati incollati
250
200
150
100
50
0
0
10
Twist angle (deg)
20
30
40
50
60
70
80
Angolo di rotazione (°)
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
11
Confronto fra i comportamenti di sezioni di differenti forme
60
2.40
60
2.40
40
1.60
A
1.20
20
0.80
10
0
0
50
100
150
2.00
40
1.60
30
B
20
0.80
0.40
10
0.40
0.00
200
0
0
Stroke length (mm)
50
2.40
2.40
Vel. 9 m/s
40
1.60
30
1.20
C
20
10
0
100
150
0.80
Force (kN)
2.00
Energia (kJ)
50
50
0.00
200
150
60
Vel. 9 m/s
0
100
Stroke length (mm)
peak 62.85 kN
60
1.20
50
2.00
40
1.60
30
D
20
0.40
10
0.00
200
0
1.20
0.80
Energy (kJ)
30
50
torre di caduta 10 m
2.00
Energy (kJ)
50
Force (kN)
Vel. 9 m/s
Energy (kJ)
Force (kN)
Vel. 9 m/s
Force (kN)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Impatto assiale di elementi incollati
0.40
0
Stroke length (mm)
50
100
150
0.00
200
Stroke length (mm)
Impact behaviour of
bonded built up beams:
experimental results (G.
Belingardi, L. Goglio, M.
Rossetto) Int. J. of Adhesion
and Adhesives 25 (2005), pp.
173-180
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
12
Resistenza all’impatto (taglio-trazione)
Force (N)
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
-500
-1000
0.0E+00
5.0E-04
1.0E-03
1.5E-03
2.0E-03
2.5E-03
3.0E-03
3.5E-03
t(s)
Luogo dei cedimenti nel diagramma st
sR,max(MPa)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
L = 12.5 mm / h = 3 mm / t = 0.5 mm (4th repl.)
Impact rupture of structural adhesive joints under
different stress combinations (L. Goglio, M. Rossetto)
Int. J. of Impact Engineering 35 (2008), pp. 635–643
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10 20 30 40 50 60 70
tR,max(MPa)
13
Basato sulla riflessione delle onde all’interfaccia metallo/adesivo
h3
metallo
h2
adesivo
h1
interfaccia I
Caso degli strati
adesivi “spessi”
Yk''
Yk Yk'
interfaccia 0
metallo
Yk'''
metallo
Yk +1
s
liq. accopp.
x
Before bonding
transduttore
After bonding
Decremento (rapporto fra
picchi) mediato su n

riflessioni
1

n
n
Yk 1
 Y
k
1
Amplitude
(V)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Controllo non distruttivo a ultrasuoni (1)
Indice di adesione

i
a
decremento zona in esame
Time (s)
decremento metallo
Ultrasonic testing of adhesive bonds of thin metal sheets (L. Goglio, M. Rossetto)
Non Destructive Testing & Evaluation Int. 32 (1999), pp. 323-331
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
14
Caso degli strati adesivi “sottili” (anaerobici)
Problemi dovuti all’interferenza con l’eco di
fondo dal secondo aderendo
 soltanto il primo picco è utilizzabile
s
x
adherend 2
adhesive
s
adherend 1
x
Y
transducer
1
Y
2
Y
Y
3
4
Y t
5
Esempio (Loctite 648)
1.2
Before bonding
200
After bonding
40
2
1.1
20
80
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
bonding
area
Adhesion index
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Controllo non distruttivo a ultrasuoni (2)
1.0
0.9
0.8
0.7
Zone
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
OK
OK
OK
OK
OK
NO
NO
NO
NO
NO
Ultrasonic testing of anaerobic bonded joints (L. Goglio, M. Rossetto) Ultrasonics 40 ( 2002), pp. 205-210
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
15
50
Prove su campioni di adesivo
45
40
35
Stress (MPa)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Caratterizzazione meccanica di adesivi
30
25
20
Dartec test (0.015 s -1)
15
Dartec test (0.02 s -1)
Dartec test (0.15 s -1)
10
Dartec test (0.8 s -1)
5
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Strain
Determinazione delle costanti elastiche
mediante misure estensimetriche
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
16
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Comportamento ad alto strain-rate di adesivi epoxy (1)
Compressione
proiettile
barra di trasmissione
barra incidente
provino
Schema per la trazione
strain rate crescente 
specimen
split ring
High strain-rate compression and tension behaviour of an epoxy bi-component adhesive
(L. Goglio, L. Peroni, M. Peroni, M. Rossetto) Int. J. of Adhesion & Adhesives, in press
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
17
Comportamento ad alto strain-rate di adesivi epoxy (2)
strain
-0.50
-0.40
-0.30
-0.20
-0.10
0.00
0
Misure sperimentali
-50
Elaborazione dati

-150
Hydraulic
test machine
strain
-0.60
-0.50
-0.40
-0.30
SHPB
-0.20
-0.10
0.00
0
1.0E-3 1/s (a)
1.0E-3 1/s (b)
5.0E-1 1/s (a)
5.0E-1 1/s (b)
5.0E+0 1/s (a)
5.0E+0 1/s (b)
1.2E+1 1/s (a)
1.2E+1 1/s (b)
1.5E+3 1/s (a)
1.5E+3 1/s (b)
2.0E+3 1/s (a)
2.0E+3 1/s (b)
3.0E+3 1/s (a)
3.0E+3 1/s (b)
stress (MPa)
-100
A0
 transmitted t 
A
2c
 specimen t    0  reflected t   dt
L
2c
 specimen t    0  reflected t 
L
s specimen t   E0
-200
-250
-300
-50
-100
-150
-1
strain rate (s )
Modelli costitutivi
1.0E-03
5.0E-01
1.2E+01
1.5E+03
3.0E+03
High strain-rate compression and
tension behaviour of an epoxy bicomponent adhesive (L. Goglio, L.
Peroni, M. Peroni, M. Rossetto) Int.
J. of Adhesion & Adhesives, in press
-200
-250
-300
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
stress (MPa)
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
-0.60
Identification of the strain rate
parameters for structural adhesives
(E. Fancello, L. Goglio, L. Stainier, J.M.
Vassoler) J. of Adhesion Science &
Technology, in press
18
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – VI 27,28/03/08
Argomenti in corso di studio

Campo di tensione singolare:
determinazione dello Stress Intensity
Factor (SIF) senza uso del FEM
Ricerca di una relazione con le tensioni di picco
strutturali
H  Ct tmax  Cssmax


y aa
mater. a
s sr
r   sr

ab
r
x
mater. b
A two-term stress function approach to evaluate stress
distributions in bonded joints of different geometries (P. Lazzarin,
M. Quaresimin and P. Ferro) J. of Strain Analysis 37 (2002), pp. 385–398.

Comportamento statico e a
impatto di assemblaggi incollati
L. Goglio – La ricerca sugli adesivi al Politecnico di Torino
19