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La Split Hopkinson Bar del NIST facilita negli USA la trasformazione della prassi di produzione nella modellazione su basi scientifiche, processo decisionale e produzione.

Quale parte della ricerca, il NIST ha sviluppato una estremamente precisa Split Hopkinson Bar – o Split-Hopkinson Pressure Bar – associata ad un sistema di riscaldamento rapido. Il dispositivo è stato sviluppato per fornire maggiori informazioni sulle proprietà dei materiali, al fine di migliorare la modellazione ad elementi finiti dei processi di lavorazione ad alta velocità. 

La Split Hopkinson Bar del NIST comprende due barre di acciaio ad alta resistenza, lunghe 1,5 m, con diametro 15 mm, montate su cuscinetti per consentire il facile scorrimento assiale mentre resistono alla flessione nelle altre direzioni. Esse sono denominate Barra Incidente e Barra Trasmittente. In aggiunta c'è una terza barra – chiamata Striker (Percussore) – realizzata con lo stesso materiale delle due barre principali. Quest'ultima ha lo stesso diametro ma è molto più corta delle due barre principali e può scorrere facilmente.

Quando si effettuano gli esperimenti, viene inserito un campione cilindrico del materiale in prova fra le due barre, allineandolo accuratamente per la simmetria assiale. Ciò significa che, ignorando gli effetti radiali, tutti i dati raccolti possono essere analizzati usando la teoria ondulatoria monodimensionale. Un cannone ad aria compressa lancia poi il Percussore (Striker) contro la Barra Incidente. 

L'impatto del Percussore trasmette una sollecitazione di compressione lungo la Barra Incidente ed il provino. Usando questo criterio, si ottiene che il provino sia rapidamente investito dalla sollecitazione ondulatoria di compressione. Quando l'onda di compressione giunge al provino, la differenza di impedenza fra la barra ed il provino divide in due parti l'onda d'ingresso.

Una parte è un'onda di trazione che si riflette indietro lungo la Barra Incidente. La seconda parte continua come onda di compressione che – rapidamente e permanentemente – deforma plasticamente il provino. Indi, l'onda di compressione si propaga nella Barra Trasmittente. La Split Hopkinson Bar del NIST è progettata in modo tale che solo il provino sia affetto dalla deformazione plastica.

I costruttori degli Stati Uniti utilizzano l'acquisizione dati rapida per migliorare la capacità di produzione

Così come le aziende manifatturiere di tutto il mondo cercano di migliorare la qualità dei loro prodotti, i ricercatori USA hanno utilizzato l'apparecchiatura di acquisizione dati HBM per assicurarsi la competitività internazionale.

Nel loro sforzo di rimanere globalmente competitivi, i costruttori USA stanno intraprendendo cambiamenti fondamentali che si concentrano sulla progettazione e costruzione di beni di alta qualità complessi ed altamente personalizzati. La domanda globale richiede che questi siano costruiti rapidamente per soddisfare le mutevoli esigenze del mercato. I produttori devono abbreviare i cicli di sviluppo del prodotto ed incrementare la flessibilità e velocità dei sistemi di produzione lungo la filiera di fornitura. Ciò deve essere completato riducendo nel contempo le richieste di energia e l'impatto ambientale.

La maggior sfida che i costruttori USA affrontano è la capacità di prevedere con precisione i migliori parametri di produzione per un particolare processo ed un certo materiale di lavoro.

Questo è stato l'oggetto di importanti ricerche negli USA, il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha sviluppato i processi e metodi tecnologici avanzati e gli strumenti per aumentare la comprensione scientifica dei processi di produzione esistenti.

Obiettivi della ricerca

La ricerca si propone di stabilire le basi per lo sviluppo delle nuove applicazioni industriali che rafforzeranno la competitività internazionaledegli Stati Uniti. 

Sono stati sviluppati diversi processi che dovrebbero essere di importanza cruciale per numerose procedure di fabbricazione e, che secondo il NIST, richiedono criteri metrologici generali. 

  • I fenomeni di processo comuni indagati dal NIST includono la miglior comprensione delle forze, temperature, proprietà dei materiali, e le trasformazioni del materiale particolarmente sulle interfaccia degli utensili.
  • Un altro obiettivo è l'indagine del modo di ridurre l'impatto dell'usura degli utensili, mediante considerazioni sulla prestazione, attrito e vibrazione nel processo di produzione. 

L'impatto di questi cambiamenti richiede la trasformazione da pratiche di produzione basate sull'esperienza umana alla modellazione su basi scientifiche, processo decisionale e produzione. Il programma NIST sta sviluppando misure fondamentali, normative ed utensili per aiutare i produttori USA a conseguire questa trasformazione.

I provini nella Split Hopkinson Bar

Il riscaldamento ad impulso

Inoltre, il dispositivo NIST è stato associato ad un sistema di riscaldamento resistivo regolato che offre una prospettiva esclusiva sulla metrologia dei campioni di prova.

Il sistema di riscaldamento fu originariamente sviluppato per misurare le proprietà fisiche dei metalli ad alta temperatura, quali il punto di fusione critico dei metalli puri. Esso è stato ora migliorato per preriscaldare in modo estremamente rapido un provino sperimentale, usando gli impulsi precisamente controllati di una corrente elettrica continua (CC), dopo aver piazzato il provino da esaminare.

La Split Hopkinson Bar del NIST può riscaldare il provino a temperature intorno ai 1.000 ºC in meno di un secondo. Queste temperature elevate possono essere mantenute per alcuni secondi prima di interrompere velocemente la corrente, per consentire di effettuare le prove di compressione dinamica sui provini riscaldati rapidamente, con rateo di deformazione fino a 104 s-1.

La combinazione della NIST Split Hopkinson Bar con il provino preriscaldato consente ai ricercatori di investigare l'influenza dei ratei di riscaldamento e del tempo, a qualsiasi temperatura designata, sul flusso di sollecitazione dell'acciaio al carbonio, al fine di simulare le operazioni di lavorazione ad alta velocità.

Sebbene il rateo di riscaldamento ad impulso sia inferiore a quello che normalmente si trova nei processi di lavorazione ad alta velocità, esso è molto più rapido del preriscaldamento dei provini usando metodi più tradizionali. Questo è un vantaggio perché consente di ottenere le misure del flusso di sollecitazione, dato che si ha minor tempo affinché abbiano luogo i processi microstrutturali attivati termicamente – quali la dislocazione di ricottura, l'accrescimento dei grani, e le trasformazioni di fase allo stato solido.

Importanza dell'acquisizione dati

Risulta fondamentale che la NIST Split Hopkinson Bar sia monitorata con strumentazione di acquisizione ed analisi dati ad alte prestazioni, dato che lo scopo primario di queste prove è la raccolta di dati che faciliteranno lo sviluppo di metodi ed utensili avanzati per i processi metrologici. 

In genere vengono condotte da cinque a dieci prove per ogni singolo materiale, per cui le prove devono essere ripetibili ed il sistema di acquisizione dati deve essere in grado di assicurare prontamente il confronto dei dati provenienti dalle diverse prove. Inoltre, ogni prova è distruttiva, dato che i provini sono alquanto sottili e vengono deformati permanentemente durante l'esperimento. 

Ciò impone numerosi vincoli alla struttura del sistema per garantire che tutti i dati importanti vengano rilevati correttamente e successivamente analizzati, dato che l'intervallo di tempo durante le prove è solo di pochi millisecondi.

La soluzione: Genesis HighSpeed

La tecnologia di acquisizione dati Genesis HighSpeed della HBM è il cuore degli esperimenti del NIST.
Nell'ambito dell'esperimento vengono usate telecamere ad alta velocità per garantire la messa in relazione delle informazioni visive con i dati rilevati dal sistema Genesis HighSpeed della HBM.
HBM’s Genesis HighSpeed data acquisition technology lies at the heart of the NIST experiments
High speed cameras are used as part of the experiment to ensure visual information relates to data captured by HBM’s Genesis HighSpeed

L'analisi dei dati resa facile

Storicamente, gli ingegneri hanno analizzato i dati provenienti da esperimenti similari usando linguaggi e script procedurali statici quali il Fortran od il Matlab. Ora, il Genesis HighSpeed ed il software HBM ad esso associato, con le eccellenti interfaccia utente grafiche (GUI) offrono agli ingegneri nuovi utensili da utilizzare.

Anche gli ingegneri tendono ad effettuare prove, analizzare i dati e poi rendere disponibili solo i dati già elaborati. Perciò la HBM fornisce un'ampia banca dati relazionale che consente ai ricercatori di salvare i dati originali insieme ai parametri di lavorazione, e di rielaborare i dati in tempo reale a seconda delle necessità. Ciò è molto utile allorché si ricavino curve di sollecitazione / deformazione dai dati della Split Hopkinson Bar data. Con lo strumento Genesis HighSpeed si può accedere ai dati da una rete mediante un file server, oppure, se installato su un PC laptop ed utilizzandolo in modo autonomo, esso consente di recuperare prontamente tutti i record della prova.

Un esempio dell'utilità di questa caratteristica è il Data PADS, che consente di ricalcolare in modo interattivo le relazioni sollecitazione / deformazione ed altre curve di dati sotto varie ipotesi, memorizzando sia i dati grezzi degli estensimetri che i metadati che descrivono come i dati degli estensimetri debbano essere elaborati. Il Data PADS sviluppato dal NIST include anche una banca dati (database) comprendente video visibili ad alta velocità, video di telecamere termiche, dati di pirometri ad alta velocità, dati del sensore sulla velocità del proiettile, ed anche documenti tecnici e le informazioni ad esse associate. Inoltre, il software consente l'accesso a più utenti i quali possono effettuare diversi tipi di prove col sistema in varie configurazioni.

Oltre ai normali dati monodimensionali quali le costanti di taratura e le condizioni di prova, l'apparecchiatura NIST Split Hopkinson Bar fornisce un'ampia gamma di dati bidimensionali rispetto al tempo quali la corrente, la temperatura, la posizione del proiettile ed i dati degli estensimetri. Per completare la gamma di dati, possono essere prodotti anche dati tridimensionali quali le immagini termiche e le immagini della luce visibile in funzione del tempo.

Conclusioni

L'impiego dell'apparato NIST Split Hopkinson Bar ha consentito di effettuare simulazioni sul problema fondamentale della formazione del truciolo. Durante la formazione del truciolo, il pezzo in lavorazione interagisce con l'utensile da taglio in condizioni estreme di pressione e temperatura. Ciò provoca la formazione di grandi deformazioni plastiche con un tasso di deformazione molto alto, sia nella sottile zona primaria di taglio che in quella secondaria lungo la interfaccia utensile / pezzo di lavoro, quando il materiale appena asportato scorre sulla faccia dell'utensile.

In alcuni materiali, la temperatura durante il taglio ad alta velocità può anche avvicinarsi alla temperatura di fusione. Sebbene la modellazione e simulazione abbiano fatto progressi notevoli grazie ai pacchetti di software ad elementi finiti amichevoli per l'utente, lo sviluppo dell'apparato NIST Split Hopkinson Bar aiuta ad esaudire la necessità di miglioramento delle proprietà dei materiali e di incremento della precisione ed affidabilità della modellazione e simulazione dei processi di lavorazione.