Mechanical characterization of shape memory thermoplastic polyurethane

In recent years, Shape Memory Polymers (SMPs) received considerable attention in the research community, due to the possibility of controlling one or more of their mechanical properties through the application of different external stimuli. The shape memory effect (SME) is the peculiarity of this family of polymers as it allows the transition from a permanent to a temporary shape and vice versa. Compared to other shape memory materials, polymers can be processed by injection molding (as can all plastics). This feature facilitates their production, allowing the molding of a large number of shape memory plastic parts in a very short time and with reduced cost. However, the complexity of the transformation process, from the raw material to the finished product, can lead to failure to achieve the required production volumes and quality standards. For this reason, in order to ensure an optimized and repeatable production process, it is necessary to monitor the condition of the material during the transformation process using sensors. Within this context, the aim of this thesis is to identify the best way of processing a shape memory polymer by injection molding. The research aim was determine which parameters have the greatest influence on the quality of a product (particularly with regard to aesthetics), dimensional quality and mechanical properties. For this purpose, a mold was designed for the production of tensile test specimens. The mold was also equipped with pressure and temperature sensors in the cavity, which allowed direct monitoring during all phases of the process. Thanks to the use of numerical process simulations using the Moldex3D software, the design of the mold was evaluated, and the process was analyzed for each stage. The research activity focuses on the study of mechanical and shape memory properties, which are determined by performing a well-defined thermomechanical cycle. For this reason, an experimental campaign was carried out in order to understand the effect of different parameters, to which the material may be subjected (i.e. temperature, deformation and deformation speed), on the shape memory effect. In particular, the influence of the mentioned parameters on the capability of the material to maintain and recover a temporary shape was evaluated on a polyurethane-based shape memory polymer (SMPU). Subsequently, a constitutive model present in the literature was implemented with a commercial FEM code in order to simulate the shape memory effect of the material; the coefficients required by the model were calibrated by means of a series of experimental tests. Finally, the validation of the model was carried out by comparing a number of experimental tests with those reproduced numerically.

Negli ultimi anni, i polimeri a memoria di forma (SMPs) sono oggetto di numerose ricerche, grazie alla possibilità di controllare una o più delle loro proprietà meccaniche, tramite l'applicazione di svariati stimoli esterni. L'effetto a memoria di forma (SME) rappresenta la peculiarità di questa famiglia di polimeri in quanto consente il passaggio da una forma permanente ad una temporanea, e viceversa. Rispetto agli altri materiali a memoria di forma, i polimeri possono essere processati tramite stampaggio ad iniezione. Questa caratteristica facilita la loro produzione, permettendo lo stampaggio di un elevato numero di pezzi plastici a memoria di forma, in tempi e costi molto ridotti. Tuttavia, la complessità del processo di trasformazione, dalla materia prima fino alla realizzazione del prodotto finito, può portare al mancato raggiungimento dei volumi di produzione e degli standard di qualità richiesti. Per questo motivo, al fine di ottenere un processo produttivo ottimizzato e ripetibile, risulta necessario controllare le condizioni del materiale durante il processo di trasformazione con l'utilizzo di sensori. All'interno di questo contesto, lo scopo della tesi è individuare il miglior modo di processare un polimero a memoria di forma, tramite stampaggio a iniezione. La domanda di ricerca vuole determinare quali parametri influiscono maggiormente sulla qualità di un prodotto (in particolare riguardo l'estetica), sulla qualità dimensionale e sulle proprietà meccaniche. A tal fine, è stato progettato uno stampo per la realizzazione di provini per test di trazione. Lo stampo è stato, inoltre, attrezzato con sensori di pressione e di temperatura in cavità, i quali hanno permesso un monitoraggio diretto durante tutte le fasi del processo. Grazie all'utilizzo di simulazioni numeriche di processo tramite il software Moldex3D, la progettazione dello stampo è stata valutata, e il processo è stato analizzato in ogni singola fase. L'attività di ricerca si focalizza sullo studio delle proprietà meccanica e quelle a memoria di forma, le quali vengono determinate effettuando un ciclo termomeccanico ben definito. Per questo motivo è stata effettuata una campagna sperimentale finalizzata a comprendere meglio l'effetto di differenti parametri a cui può essere soggetto il materiale (cioè temperatura, deformazione e velocità di deformazione), sull'effetto a memoria di forma. In particolare, l'influenza dei parametri citati sulla capacità del materiale di mantenere e recuperare una forma temporanea è stata valutata su un polimero a memoria di forma a base poliuretanica (SMPU). Successivamente, un modello costitutivo, presente in letteratura, è stato implementato con un codice FEM commerciale per riuscire a simulare l'effetto a memoria di forma del materiale; i coefficiente richiesti dal modello sono stati calibrati mediante una serie di prove sperimentali. Infine, la convalida del modello è stata effettuata tramite il confronto di alcune prove sperimentali e quelli riprodotti numericamente.