Le prove di caratterizzazione dei compositi sono essenziali per le attività di sviluppo, produzione e controllo della qualità di un prodotto finito: i test di trazione, compressione, taglio, torsione, impatto, usura, invecchiamento termico e di caratterizzazione delle proprietà reologiche forniscono informazioni chiave alle aziende che operano nella filiera dei materiali compositi: dai produttori di fibre di carbonio e di vetroresine, ai laminatori e stampatori, agli studi di ingegneria e progettazione e così via dicendo.
A partire, infatti, dagli anni Settanta il mercato dei materiali compositi è in costante espansione: i compositi sono ampiamente apprezzati per la loro leggerezza, l’elevata resistenza meccanica, la rigidezza, l’assenza di corrosione galvanica, l’ottima coibentazione; oltre che per la loro versatilità e flessibilità di lavorazione, per la riduzione del peso e l’ottimizzazione dei costi di produzione.
Questo ha favorito un loro rapido sviluppo nei più svariati settori (automotive, aereospaziale, militare, nautico e aeronautico, sportivo biomedicale e così via) e nei più diversi ambiti di applicazione. La fibra di carbonio, ad esempio, viene sempre più spesso impiegata al posto dell’acciaio: oggi è ampiamente sfruttata per la produzione delle scocche delle auto da corsa, degli scafi delle imbarcazioni, delle strutture dei velivoli aerei e anche in molti articoli d’utilizzo sportivo, come le bici da corsa, le racchette da tennis, le calzature.
In realtà, ancora ai giorni nostri, l’evoluzione dei compositi è ancora in piena crescita. Da un lato perché i materiali compositi sono stati impiegati in settori a loro volta in fase di sviluppo, primo fra tutti quello delle energie rinnovabili dove le pale delle turbine eoliche richiedono materiali sempre più all’avanguardia e avanzati; dall’altro lato perché è inarrestabile la richiesta da parte di certi settori industriali di poter disporre di materiali con proprietà meccaniche e stabilità chimica elevate oltre che con un ottimo rapporto rigidezza / peso.
Cosa che ha sicuramente favorito, dagli anni Novanta ad oggi, l’incessante introduzione di nuove combinazioni di materiali sempre più performanti (come la fibra aramidica) e di nuove tecnologie di produzione, come la stampa additiva.
“Il kevlar, ad esempio, è una fibra sintetica aramidica inventata nel 1965 da Stephanie Kwolek, una ricercatrice della DuPont. La sua caratteristica principale è la grande resistenza meccanica alla trazione, tanto che a parità di massa è 5 volte più resistente dell’acciaio.
Il kevlar possiede anche una grande resistenza al calore e alla fiamma. Per le sue caratteristiche di resistenza viene utilizzato come fibra di rinforzo per la costruzione di giubbotti antiproiettile, di attrezzature per gli sport estremi e per componenti usati in aeroplani, imbarcazioni e vetture da competizione.” (Fonte)
Materiali compositi cosa sono:
Nella scienza dei materiali, i materiali compositi sono la combinazione di due o più materiali diversi, avente caratteristiche e proprietà specifiche e differenti dai singoli costituenti.
Solitamente uno dei due materiali componenti (o fasi) è discontinuo, più rigido e forte (questo materiale viene generalmente chiamato “rinforzo”), mentre il secondo materiale (o fase) è meno rigido, più debole e continuo (viene normalmente chiamato “matrice”). Le proprietà finali di un composito dipendono dalle proprietà dei costituenti, dalla geometria e dalla distribuzione delle fasi.
Tipologie di compositi:
I materiali compositi possono essere sia artificiali che naturali.
Compositi naturali
Alcuni esempi di materiali compositi presenti in natura sono il legno, in cui fibre di cellulosa sono disperse in una fase di lignina, e le ossa, in cui il collagene è rinforzato da apatite minerale.
Compositi sintetici
La fibra di carbonio e la resina epossidica sono invece chiari esempi di compositi artificiali.
Prove di caratterizzazione dei compositi: principali test di prova e strumenti
Specializzata nella fornitura di macchine di prova materiali, Amse S.r.l. propone una gamma completa di strumenti per l’esecuzione delle principali prove di caratterizzazione dei compositi.
Intaglio e preparazione dei provini
La preparazione dei provini è rilevante ai fini dell’affidabilità del test di prova in relazione agli standard previsti dalle normative di riferimento. Per quanto riguarda i compositi in particolare, diversi sono gli strumenti di preparazione utilizzati dai laboratori di prova per le attività di Ricerca e Sviluppo (R&D) e di Controllo della Qualità (QC):
Le intagliatrici manuali a coltello intercambiabile sono utilizzate per l’esecuzione dell’intaglio (Notch) su campioni usati per prove d’impatto secondo i metodi Charpy e Izod in funzione di quanto richiesto dalle normative internazionali di riferimento.
AMSE Intagliatrice motorizzata
Le intagliatrici motorizzate a coltello intercambiabile sono utilizzate per l’esecuzione dell’intaglio (Notch) su campioni usati per prove d’impatto secondo i metodi Charpy e Izod in funzione di quanto richiesto dalle normative internazionali di riferimento.
Disponibile in due modelli, lo strumento è composto da una fresatrice motorizzata e di una serie di dime di riferimento per ricavare provini in materiale polimerico.
AMSE Misuratore della profondità di intaglio
Strumento per misurare la profondità dell’intaglio dei provini per test di impatto.
Mini pressa verticale per stampo provini
La pressa ad iniezione verticale è molto utile per la produzione di un’ampia varietà di campioni di prova da laboratorio come placchette colore, provini per prove di trazione e di impatto nonché piccoli componenti da sottoporre a prove meccaniche.
Prove di impatto sui compositi
I test di impatto sono prove di caratterizzazione dei compositi utili a misurare la capacità di un materiale di resistere agli urti: questi test di prova distruttivi misurano l’energia necessaria per rompere, con un unico colpo, un provino di dimensioni normalizzate, intagliato nella sua metà più lunga e appoggiato su due sostegni.
Tra gli strumenti di prova disponibili anche sul nostro catalogo web, segnaliamo:
Disponibili in vari modelli in funzione del metodo di prova (Charpy o Izod) e del range di energia necessario (0,5J – 50 J), i pendoli sono in grado di eseguire le prove di impatto sui polimeri secondo le normative internazionali: ISO 179, ISO 180, ASTM D 256 ed altre equivalenti.
AMSE propone il pendolo modello XJLD 50 dedicato per la prova di impatto a trazione secondo la normativa internazionale: ISO 8256.
Prove meccaniche e funzionali sui compositi
Queste prove di caratterizzazione dei compositi forniscono informazioni importanti sulle proprietà meccaniche di un materiale sottoposto a forze statiche o dinamiche, quali ad esempio:
- La resistenza-deformazione di un materiale sottoposto a carichi diversi di schiacciamento (Resistenza alla compressione)
A questo proposito ti rinviamo alla lettura di questo articolo:
Prova di compressione su materiali compositi secondo ASTM D6641
La prova di trazione è una prova di caratterizzazione che riveste una grande importanza, perché consente di esaminare il comportamento dei materiali polimerici sottoposti a prove di resistenza a trazione e valutarne la struttura.
- La capacità di resistere alla scalfittura e all’abrasione (Durezza)
- La capacità di resistere frattura (Tenacità)
- La resistenza alla trazione (Snervamento / Rottura)
- La resistenza alla fatica
- La resistenza alle alte temperature (temperatura di inflessione per calore HDT e la temperatura di fusione o rammollimento del polimero Vicat).
Molte prove meccaniche e funzionali dei compositi possono essere eseguite grazie all’impiego di un unico strumento versatile, completo, disponibile, universale.
SHIMADZU Dinamometro elettromeccanico
Disponibile in svariati modelli a seconda della gamma di prove e dell’ambito di utilizzo:
Serie AGV-X
Macchine a doppia colonna caratterizzate da una elevata rigidità strutturale. Disponibili in versione da banco e da pavimento con capacità a partire da 10 kN per arrivare fino a 600 kN. Sono particolarmente adatte per applicazioni in cui è richiesta un’alta frequenza di campionamento dati.
Serie AGS-X
Strumenti a doppia colonna utilizzabili per eseguire prove di trazione, compressione, flessione a 3 e 4 punti e di peeling. Ideale per innumerevoli tipologie di applicazioni e materiali quali metalli, polimeri, gomma, legno, ceramica, vetro, compositi e molti altri.
Serie EZ Test
Serie mono colonna, ideale in qualsiasi ambito in cui le forze in gioco siano relativamente basse.
Altri strumenti utili per l’esecuzione delle prove meccaniche sui compositi sono:
AMSE propone una gamma completa di strumenti scientifici per la determinazione delle temperature HDT e Vicat dei materiali polimerici. Normative di riferimento: ISO 75, ISO 306, ASTM D648, ASTM D1525 ed altre equivalenti.
AMSE Environmental Stress Cracking (ESCR)
L’Environmental Stress Cracking è la causa più comune di rottura dei manufatti in plastica. L’ESC può essere definito come l’accelerazione dello stress cracking dovuta al contatto con un fluido (liquido o vapore, per esempio soluzioni caustiche sul polipropilene) o con agenti “rigonfianti” senza degradazione chimica.
SHIMADZU Macchine per prove a fatica Serie Servopulser
Disponibili in modelli elettromeccanici ed idraulici in funzione dei carichi e delle frequenze da raggiungere, questi strumenti consentono di valutare la capacità di un polimero di resistere al processo di deformazione e rottura se sottoposto a determinati carichi di fatica variabili nel tempo.
Prove di densità dei compositi
La densità di un materiale composito, definita come il rapporto tra la massa e il volume occupato, costituisce uno tra i parametri caratterizzanti. Tra gli strumenti di prova utilizzabili, indichiamo:
AMSE Strumento per determinare la densità apparente
Lo strumento è progettato per determinare la densità apparente di granuli e polveri. È ideale per il controllo qualità delle materie prime.
Sono disponibili vari modelli che variano in base alla metodologia di prova prevista dalla normativa di riferimento.
Prove elettriche sui compositi
Nella maggior parte dei casi i compositi sono materiali ad elevata conducibilità elettrica. Le prove servono a misurare la capacità di un materiale di favorire il passaggio di corrente a livello superficiale o strutturale interno. Tra gli strumenti di prova indicati per l’esecuzione di questi tipi di test, segnaliamo:
Il teraohmetro HM 307 DE viene utilizzato per determinare la resistenza elettrica di superficie e di volume applicata ai materiali plastici dielettrici sottoposti a tensioni definite. Normative internazionali di riferimento: ISO284, ASTM D257, ASTM D1169 ed altre equivalenti.
Prove di invecchiamento dei compositi
Le prove di invecchiamento sono prove di caratterizzazione dei compositi utili a misurare il grado di usura e di degrado che può subire un materiale sottoposto all’azione di agenti esterni (condizioni meteorologiche, agenti chimici) o per sua stessa struttura. Rientrano in questo gruppo di prova i test di invecchiamento accelerato ai Raggi UV e alla luce artificiale – Xenon. A questo proposito segnaliamo i seguenti strumenti.
La BGD 852 è una camera da banco per prove d’invecchiamento accelerato a raggi UV, di semplice utilizzo e dal costo contenuto.
E’ dotata di tre lampade UV da 20Watt.
Camera a raggi UV- BGD 855 e 856
La BGD 855 e la BGD 856 sono camere d’invecchiamento accelerato da pavimento che utilizzano lampade fluorescenti a raggi UV. La temperatura e l’umidità interna possono essere adeguatamente controllate per consentire di effettuare una valutazione completa.
La BGD 862 è una camera per test di invecchiamento accelerato con lampada Xenon caratterizzata da grandi dimensioni della camera di prova, alta potenza della lampada e ampia superficie di esposizione all’irraggiamento.
La BGD 865 è una piccola camera allo Xenon, molto semplice ed economica. Utilizza una lampada raffreddata ad aria a bassa potenza, sufficiente per produrre un considerevole irraggiamento in un piccolo spazio.
Tutti gli altri parametri (irraggiamento, tempo di test, Black Panel Temperature, etc.) sono modificabili direttamente tramite touch screen. Tutti i dati possono essere esportati su un PC tramite interfaccia USB.
La camera BGD 867 B-SUN utilizza 3 lampade e comprende sia il sistema di controllo per l’umidità che il generatore d’acqua pura.
Prove termiche sui compositi
Data la varietà dei compositi naturali e sintetici presenti sul mercato, studiare il comportamento di un materiale sottoposto a variazione di temperatura fornisce informazioni essenziali come:
- la sua dilatazione termica
- la sua capacità termica
- la sua conduttività termica
- la sua resistenza a temperatura
- la sua resistenza allo shock termico.
Il principio di funzionamento di queste prove consiste nel ricavare informazioni sul materiale riscaldandolo o raffreddandolo in maniera controllata e verificandone così la risposta in termini di temperatura. Tra gli strumenti utili per l’esecuzione delle prove termiche sui compositi segnaliamo:
Forni a muffola per trattamento termico con vari intervalli di temperatura e capacità fino a 1300ºC.
Soddisfano tutte le applicazioni termostatiche di piccola entità. Disponibili nelle versioni da 8 Litri e 20 Litri.
Incubatori ad alta tecnologia adatti a tutte le applicazioni di incubazione dove si necessita una particolare precisione.
Incubatore adatto a tutte le applicazioni di incubazione dove è necessario lavorare ad una temperatura inferiore all’ambiente.
