Quest'articolo descrive l'applicazione di un sistema automatico a foratura per la misurazione delle sollecitazioni residue su materiale polimerico pressofuso.  Per il sistema di misura automatico Restan MTS3000 è stato sviluppato un accessorio, consistente essenzialmente in un motore elettrico a velocità molto bassa ed un sistema di controllo elettronico

1. Introduzione

Negli ultimi cinquant'anni l'industria della plastica si è sviluppata enormemente, superando quella siderurgica anche nelle applicazioni tecnologiche. Le nuove sostanze sintetiche stanno progressivamente sostituito i materiali tradizionali inducendo al ripensamento formale delle strutture, delle forme ergonomiche e dei processi di produzione. 

Il motivo per cui questi materiali abbiano una così larga diffusione è essenzialmente il fatto che sono economici, leggeri, facili da lavorare, oltre alla possibilità di progettarne le proprietà meccaniche desiderate. Risulta perciò necessario incrementarne l'accurata e approfondita caratterizzazione meccanica, ed è in tale contesto che sorge l'esigenza di conoscere e studiare l'entità delle sollecitazioni residue indotte dai processi di lavorazione di questi materiali. 

Anche fattori come il flusso dei polimeri fusi, la ripartizione della pressione, il campo di temperatura non uniforme e la distribuzione della densità, causano tutti delle sollecitazioni residue nei polimeri pressofusi e tali sollecitazioni, influenzando le  proprietà meccaniche delle parti di plastica, possono alterare la forma finale e ridurre significativamente l'aspettativa di vita del prodotto, oltre ad aumentare il rischio di instabilità dimensionale e la formazione di cricche e fessurazioni. Sebbene le plastiche presentino comunemente delle sollecitazioni residue, la loro entità è difficilmente prevedibile, poiché essa dipende da un'ampia gamma di variabili, tra cui la forma dello stampo, il materiale ed i parametri del processo. Di conseguenza, è importante possedere una tecnica affidabile per valutare le sollecitazioni esistenti nei componenti di plastica. 

Il metodo a foratura con estensimetri consente la misurazione delle sollecitazioni residue in un'ampia gamma di plastiche pressofuse. Esso offre il vantaggio che le  misurazioni possano essere effettuate aree più piccole. Una speciale rosetta di estensimetri viene incollata sulla superficie del provino e viene fresato un foro precisamente attraverso il centro della rosetta.  Le deformazioni misurate sulla superficie corrispondono alle sollecitazioni rilasciate durante il processo di foratura. Utilizzando le deformazioni misurate e dei modelli appropriati (p. es. ASTM E837) è possibile calcolare le sollecitazioni lungo i due assi principali e la loro direzione.

2. Sistema di misura

Fig 1: a) sistema MTS3000 modificato per la misurazione di sollecitazioni residue in materiali plastici
b) utensile di foratura specificamente progettato
c) fresetta con 2 taglienti

La figura 1a mostra la configurazione meccanica del sistema di foratura. Essa si basa sul noto sistema combinato Restan - MTS 3000 sviluppato dalla SINT Technology e commercializzato in collaborazione con la HBM.

La figura 1b mostra l'utensile di foratura di speciale progettazione, che consente di fresare fori a velocità inferiore a 200 giri/minuto. Questa velocità minimizza il riscaldamento locale e le ulteriori sollecitazioni da lavoro indotte nel materiale da analizzare. L'utensile di foratura è mostrato in figure 1c. Si tratta di una fresetta elicoidale con diametro di 1,6 mm e due taglienti normali alla direzione di avanzamento, che produce fori a fondo piatto con modesta velocità di avanzamento. 

Il sistema di foratura è alimentato e regolato automaticamente da un dispositivo elettronico e dal software di controllo della foratura, rendendo così il processo di foratura completamente automatico. L'intero apparato di misura può essere controllato a distanza: opzione consigliabile poiché consente di minimizzare l'influenza esterna dell'operatore durante il processo di misura. 

La figura 2 mostra una rosetta di estensimetri a tre griglie del tipo precablato, preferibile per queste prove poiché non solo di più rapida installazione, ma anche perché non genera calore pe la saldatura dei fili. Le sollecitazioni residue esistenti nel componente in prova vengono determinate partendo dai valori di deformazione misurati dalle griglie della rosetta incollata sulla superficie del componente. 

I dati acquisiti vengono elaborati utilizzando una speciale versione del software EVAL, prodotto dalla SINT Technology srl specificamente per la gestione delle deformazioni nelle materie plastiche. Questa versione applica inizialmente una interpolazione polinomiale ottimizzata delle deformazioni misurate. Le misurazioni delle deformazioni vengono elaborate in conformità alle disposizioni della norma ASTM E837.

Figura 2 - Rosetta: HBM K-RY61-1.5/120R-3 precablata

3. Procedura di prova

Di seguito sono descritte le operazioni principali da svolgere quando si utilizza il metodo a foratura con estensimetri per le materie plastiche.

  • Pulire la superficie con un agente detersivo adatto, rimuovendo qualsiasi sporcizia che potrebbe impedire la buona adesione degli estensimetri sulla superficie del polimero. 
  • Fissare gli estensimetri sulla superficie del polimero usando un collante che non influenzi le caratteristiche del polimero. Un collante cianoacrilico è adatto per la maggior parte delle applicazioni. 
  • Per quanto sia possibile, usare rosette di estensimetri precablate. Esse eliminano l'effetto sulla distribuzione delle sollecitazioni residue nel polimero provocato dal calore della saldatura dei fili. Se ciò non fosse possibile, si consiglia di utilizzare un supporto per gli estensimetri e di ridurre al minimo il tempo di saldatura. 
  • Montare il sistema di foratura sul provino assicurandosi che l'asse di foratura sia perpendicolare alla superficie. 
  • Usando un microscopio ottico, allineare il reticolo a croce sin modo che sia perfettamente sul centro della rosetta. 
  • Sostituire il microscopio con l'utensile di foratura e forare con precisione attraverso il centro della rosetta.
  • Applicare un nastro adesivo conduttivo di spessore dato sull'estensimetro, facendo attenzione a non coprire tutte le tracce di riferimento. 
  • Far avanzare l'utensile di foratura fino a toccare il nastro conduttivo.  Farlo avanzare ulteriormente fino a perforare il nastro conduttivo ed il supporto della rosetta.  Questo punto corrisponde allo “zero” della profondità di foratura. 
  • Dopo aver atteso un tempo sufficiente alla stabilizzazione del segnale (tempo di ritardo), registrare le letture di ogni estensimetro con la fresetta sulla superficie.
  • Nel sistema automatico impostare la velocità di avanzamento stabilita, la massima profondità, il numero di passi di foratura ed il tempo di ritardo. I fori vengono solitamente effettuati con incrementi di circa 0,05 mm, in conformità alle disposizioni della norma ASTM E837.
  • Per ogni singolo passo di foratura vengono registrate le letture dei tre estensimetri e la profondità del foro.
  • Sostituire il sistema di foratura con il microscopio e misurare il diametro e l'eccentricità del foro, effettuando quattro traslazioni sui due assi perpendicolari.

3.1 Preparazione della superficie e collaggio

Si deve analizzare e prendere in considerazione l'affinità chimica di ogni materia plastica con i solventi ed i collanti utilizzati nell'installazione. I collanti e gli agenti di pulitura non adatti possono effettivamente danneggiare l'installazione degli estensimetri e perfino il componente sotto analisi. Per irruvidire e pulire la superficie è consigliabile un metodo di trattamento meccanico .

A puro scopo di esempio, la tabella 1 indica i requisiti per la corretta installazione degli estensimetri sulle materie plastiche.

Tabella 1 . Preparazione dell'installazione di estensimetri su alcune materie plastiche.

3.2 Determinazione della quota di contatto (impostazione dello "zero")

La determinazione della quota di partenza è un aspetto chiave per la corretta misurazione delle sollecitazioni residue con il metodo a foratura.

Nei materiali metallici, questo punto viene determinato dal contatto elettrico. In modo totalmente automatico, il sistema MTS3000 arresta la fresetta quando viene raggiunta la superficie del componente dopo aver forato il supporto di poliammide della rosetta di estensimetri.

Non essendo conduttive, non si può determinare semplicemente mediante contatto elettrico il punto zero  con le materie plastiche. Tuttavia, per la determinazione del punto "zero", si possono utilizzare metodi alternativi”.

Essenzialmente si può 

  • determinare la quota “zero” manualmente, fermando la fresetta quando essa inizia a forare la plastica (figura 3, a sinistra), oppure
  • usare uno speciale nastro adesivo di alluminio per determinare automaticamente la quota “zero”. Dopo aver determinato il punto “zero”, è necessario trasporre il sistema ad una distanza eguale alla somma dello spessore della rosetta con quello dello speciale nastro adesivo di alluminio (figura 3, a destra).
Figura 3. Tecniche per la determinazione della quota iniziale di foratura.

4. Determinazione dei parametri operativi

La misurazione delle sollecitazioni residue nelle materie plastiche col metodo a foratura interessa aspetti molto diversi dall'applicazione dello stesso metodo con materiali metallici. Nelle materie plastiche il modulo elastico è inferiore e perciò le deformazioni misurate sono, a parità di carico applicato, molto maggiori, ed il materiale è più sensibile all'operazione della sua rimozione. La velocità di foratura, velocità di avanzamento  e tempo di ritardo nell'acquisizione delle deformazioni devono essere scelti in modo conseguentemente appropriato. 

4.1 Velocità di rotazione durante la foratura

La velocità di foratura è indubbiamente uno dei parametri di maggior influenza nella misurazione delle sollecitazioni residue nelle materie plastiche col metodo a foratura. La foratura ad alta velocità con turbinette ad aria, tecnica normalmente utilizzata per la misurazione delle sollecitazioni residue su materiali metallici, non può essere applicata poiché il calore generato causa la fusione della materia plastica ed aumenta considerevolmente la temperatura nella zona in cui sono installati gli estensimetri.

Quale esempio, la figura 4a mostra un foro effettuato su una materia plastica usando un sistema ad alta velocità con turbina ad aria: la fusione del materiale plastico nei bordi del foro è chiaramente evidente. L'abbassamento della pressione dell'aria compressa, rallentando la turbina può solo ridurre quest'effetto, ma non è sufficiente per eliminarlo.

Ne consegue che la velocità di foratura deve essere molto bassa. In figura 4b si può notare la qualità del foro effettuato con un sistema di foratura a bassa velocità (sotto i 200 giri/minuto), progettato per la misurazione delle sollecitazioni residue nelle materie plastiche.

Figura 4: a) foro effettuato con una turbina alimentata ad aria compressa alla pressione di 4 bar
b) foro effettuato con un motore elettrico a bassa velocità
c) rosetta di estensimetri durante il processo di foratura

4.2 Velocità di avanzamento

Poiché le materie plastiche sono fortemente sensibili alle sollecitazioni meccaniche, furono effettuate numerose prove sperimentali per determinare la velocità di foratura ottimale.

I risultati delle prove mostrarono che l'utensile di foratura doveva avanzare molto lentamente al fine di ridurre il tempo di instabilità dopo la foratura. Ridurre la velocità di avanzamento significa aumentare il tempo necessario alla misurazione delle sollecitazioni residue: per determinare la velocità di foratura ottimale nelle materie plastiche si doveva trovare il giusto  compromesso fra questi due aspetti. 

La tabelle 2 mostra il tempo necessario per la foratura ed il tempo medio di stabilizzazione per ogni velocità di avanzamento analizzata: il miglior compromesso fu ottenuto con la velocità di avanzamento di 0,1 mm/minuto.

Tabella 2. Tempo necessario per la misurazione delle sollecitazioni residue su materiali plastici.

4.3 Scelta del tempo di ritardo

I tempi di ritardo servono a consentire l'acquisizione delle letture della deformazione quando il provino torna allo stato di equilibrio termico e meccanico dopo che il foro è stato effettuato. Le prove hanno dimostrato che l'equilibrio termico, influenzato dal processo di foratura, viene raggiunto entro pochi secondi di ritardo. 

Per valutare il tempo necessario a raggiungere l'equilibrio meccanico del componente, furono necessarie delle prove per misurare la tendenza delle deformazioni durante l'intera fase di foratura della materia plastica.

Usando un amplificatore QuantumX ed il software di acquisizione dati catman prodotto dalla HBM, fu quindi possibile misurare la tendenza delle deformazioni misurate durante l'intera operazione di foratura: i risultati, visibili in figura 5, mostrano che il sistema è meccanicamente instabile durante il processo di foratura e che è necessario attendere circa 90 secondi prima che esso torni alla stabilità. Con un sufficiente tempo di ritardo, si  possono osservare le normali curve deformazione / profondità per ogni griglia della rosetta. Le curve sono riferite ad una velocità di avanzamento di 0,2 mm/minuto.

Le stesse prove sperimentali furono ripetute durante la foratura di materiali metallici (acciaio ed alluminio): i risultati mostrarono lo stesso comportamento del sistema, ma con un più rapido tempo di stabilizzazione (3-5 secondi). Nelle Figure 6 e 7 si può osservare in dettaglio la tendenza delle deformazioni in un materiale metallico (acciaio) ed in un materiale plastico (policarbonato).

Figura 5. A sinistra, acquisizione delle deformazioni nel tempo. A desta, le deformazioni in funzione della profondità di foratura.

4.4 Verifica della variazione di temperatura nei componenti plastici

Dopo aver progettato il sistema di foratura, si voleva misura la temperatura del componente di plastica (policarbonato) durante il processo di foratura. Fu effettuato un foro profondo 2 mm ed acquisita la temperatura del provino con una termocoppia tipo K installata alla stessa distanza delle griglie della rosetta e contrapposta alla griglia 2 (o B).

La Figura 8 mostra la temperature in funzione della profondità del foro. Per la prova fu scelta l'impostazione del tempo di ritardo fra i passi di foratura di 20 secondi e quella della velocità di avanzamento di 0,2 mm/minuto (velocità standard per le prove sui materiali metallici come l'acciaio).

I risultati mostrarono che la fresetta di foratura non genera riscaldamento eccessivo delle griglie della rosetta. La massima variazione della temperatura registrata alla fine del passo di foratura restava sotto 1 °C.

Inoltre, durante il tempo di ritardo, si osservava una rapida riduzione della temperatura del componente ed il ritorno alla temperatura iniziale. In fatti, dopo 20 secondi si poteva vedere che la temperatura raggiungeva il suo valore iniziale: la massima variazione misurata rispetto alla temperatura iniziale fu di 0,24 °C.

Figura 6. Tendenza della deformazione durante la foratura di materiale metallico.
Figura 7. Tendenza della deformazione durante la foratura di materiale plastico.
Figura 8: A sinistra, tendenze della temperatura misurata. A destra, massime variazioni della temperatura misurata per ogni intervallo.
Figura 9. Posizione dei punti di misura nelle prove effettuate con policarbonato.
Figura 10. Passi di foratura nelle prove effettuate con policarbonato.

5. Prove effettuate e risultati ottenuti

Fu provato un componente plastico di policarbonato di un elettrodomestico. Per questo materiale furono considerati un modulo elastico (di Young) di 2650 MPa, coefficiente di Poisson di 0,37 e resistenza alla trazione di 80 MPa..

Per il sistema automatico di misura furono adottate le seguenti condizioni di prova

  • Massima profondità: 2 mm
  • Passo di foratura: 0,05 mm
  • Numero di passi di foratura: 40
  • Tendenza del passo di foratura: lineare
  • Velocità di avanzamento: 0,1 mm/minuto
  • Tempo di ritardo: 90 s
  • Rosetta di estensimetri: HBM K-RY61-1.5/120R-3
    precablata, collegata a 3 fili
  • Amplificatore per estensimetri HBM Spider 8-30

Furono configurati 3 punti di misura. Le posizioni sono mostrate in figura 9 e due fasi di foratura si possono vedere in figura 10.

Quale esempio, la figura 11 mostra i risultati ottenuti con la misurazione delle sollecitazioni residue del punto 1. I grafici mostrano la tendenza delle deformazioni, le sollecitazioni principali e l'angolo alfa, misurate in conformità alle disposizioni della norma ASTM E837. Risultati simili furono ottenuti per gli altri punti di misura, qui non mostrati per ragioni di brevità.

 

 

 

Figura 11a. Deformazioni rispetto alla  profondita Figura 11b. Prova di uniformità (ASTM E837-08)
Figura 11c. Sollecitazioni principali e sollecitazione ideale rispetto alla profondità Figura 11d. Angolo alfa rispetto alla profondità

6. Conclusioni

L'uso di un sistema automatico per la rilevazione delle sollecitazioni residue delle materie plastiche si è dimostrato indispensabile per effettuare misurazioni affidabili sul materiale analizzato. In effetti, la foratura manuale od i metodi di foratura ad alta velocità non consentono misurazioni affidabili.

Sono stati definiti i parametri ottimali per il processo di foratura e di acquisizione dei valori di deformazione per applicare il metodo a foratura ai componenti di plastica pressofusa. Considerando l'elevata sensibilità degli estensimetri ed altri fattori esterni, il  controllo remoto del sistema di acquisizione dati automatico ha dimostrato la sua estrema efficacia. 

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