Por que há um interesse crescente em testes viscoelásticos?
Carros, aviões, dispositivos médicos e produtos de consumo estão utilizando cada vez mais polímeros e materiais compostos em seus projetos. Com o uso crescente de componentes estruturais feitos de polímeros e compósitos, a compreensão das propriedades viscoelásticas desses materiais torna-se crítica. Elastômeros e polímeros apresentam um comportamento viscoso significativo que pesquisadores e projetistas precisam entender para garantir que o material seja apropriado para seu uso final pretendido.
Atualmente, as ferramentas de Análise de Elementos Finitos (FEA) estão usando informações sobre as propriedades viscoelásticas de um material para prever com mais precisão como os projetos que contêm esses polímeros ou elastômeros irão se comportar. Por exemplo, o uso expandido de compósitos de matriz de polímero (comumente chamados de fibra de carbono, ou plástico reforçado com fibra de carbono) requer uma análise mecânica dinâmica extensiva do componente de polímero para prever como a tensão será compartilhada entre a matriz de polímero e as fibras de reforço.
O que é uma aplicação típica de teste para caracterização viscoelástica?
A Análise Mecânica Dinâmica (DMA) é uma forma comum de medir o comportamento elástico (mola) e viscoso (amortecimento) de materiais e componentes. Esta medição é obtida submetendo o corpo de prova de teste a uma tensão (ou deformação) cíclica controlada e medindo a força e o deslocamento e sua relação de fase.
O teste DMA pode ser tão simples quanto um teste em uma única frequência à temperatura ambiente para medir a Rigidez Dinâmica (K*), Rigidez Elástica (K') e/ou Rigidez de Perda (K") de um componente ou material. O DMA também pode ser muito complicado com varreduras de frequência de excitação, estresse, tensão e temperatura, incluindo o aninhamento dessas varreduras em conjunto para usar um método de análise chamado Time Temperature Superposition (TTS). O TTS pode ser usado para prever o comportamento de um material a temperaturas e frequências que não são viáveis de serem testadas na prática.
Quais são alguns dos desafios com os testes DMA?
Os testes DMA têm um desafio principal, que é saber se os dados que você coletou são precisos. Esse problema não é exclusivo dos testes DMA, mas a precisão dos dados é especialmente difícil de ser alcançada com materiais viscoelásticos. É difícil saber se os dados são precisos porque os elastômeros e polímeros são muito sensíveis a muitos fatores diferentes incluindo processamento de fabricação, envelhecimento, temperatura, composição (diferentes lotes de materiais), tensão/formação pré-carga e tensão/formação cíclica. Dadas estas variáveis, às vezes é difícil saber se dados inesperados se devem a uma amostra ruim, a um protocolo de teste ruim ou se a máquina realmente produz resultados imprecisos.
A variação de temperaturas durante a Análise Mecânica Dinâmica gera outro conjunto de desafios. Os dois maiores desafios são manter o sistema de controle (ajuste) do sistema de teste à medida que as propriedades do corpo de prova mudam e garantir que a temperatura do corpo de prova seja uniforme e no valor esperado.
Historicamente, como os engenheiros têm lidado com os desafios dos testes DMA?
Os desafios dos testes DMA têm sido abordados em diferentes graus, dependendo do tipo de máquina de teste e dos requisitos de teste. A Análise Mecânica Dinâmica como uma aplicação está se expandindo além de uma ferramenta de pesquisa química usada principalmente por cientistas de materiais, para se tornar uma ferramenta de projeto cada vez mais importante usada por engenheiros. As máquinas DMA que estão sendo usadas para Controle de Qualidade tipicamente precisam apenas avaliar se as propriedades da amostra estão dentro de um intervalo. Algumas máquinas adotam a abordagem "caixa preta", o que torna a máquina muito fácil de operar, mas pode mascarar os possíveis problemas que podem gerar dados DMA imprecisos. Os desenvolvedores de produtos e engenheiros precisam de resultados muito mais precisos e exatos do que os fornecidos por este tipo de máquina.
Como os desenvolvedores e engenheiros de produtos podem maximizar a precisão dos dados?
Há muitos aspectos do sistema de teste que podem influenciar a precisão dos testes. Um bom sistema de teste DMA deve ser muito rígido para evitar que ressonâncias indesejadas tenham impacto sobre os dados. Ele também deve ter um sistema de controle robusto, ser capaz de medir com precisão forças e deslocamentos, e ter um software poderoso para tirar o máximo proveito de todas esses recursos.
Também é importante validar a exatidão da medição de um sistema. Por exemplo, cada sistema de teste MTS Acumen Test System é testado para atender à especificação de medição dinâmica com um padrão dinâmico antes de deixar a fábrica. Essa verificação da precisão dinâmica é realizada no final da instalação para garantir que a máquina esteja produzindo dados precisos uma vez instalada no local do cliente. Como todo sistema Acumen DMA inclui o padrão dinâmico por predefinição, o cliente pode repetir a medição da precisão dinâmica conforme desejado para verificar se o sistema ainda está produzindo dados precisos.
Além de elevar a necessidade de maior precisão de medição, de que outra forma os engenheiros de projeto tiveram impacto sobre as exigências da Análise Mecânica Dinâmica?
Os engenheiros que utilizam elastômeros e polímeros em seus projetos também precisarão conhecer a resistência e as propriedades de fadiga desses materiais. Entretanto, máquinas dedicadas exclusivamente à DMA não são capazes de realizar estes tipos de testes. Como as equipes de projeto de engenharia exigem mais do que apenas dados DMA de sua máquina de testes, um impacto tem sido uma necessidade maior de múltiplos sistemas ou de um sistema de testes mais versátil.
Existem outras influências que estão mudando os testes DMA?
Tem havido uma tendência para tamanhos maiores de corpos de prova que está sendo impulsionada por vários fatores. A primeira é o uso crescente de materiais compostos nas indústrias automotiva, aeroespacial e de construção. Além disso, para compósitos e polímeros preenchidos, são necessárias amostras de tamanho maior para que a seção transversal dos materiais tenha uma estrutura estatisticamente representativa. Finalmente, as medidas de propriedade viscoelástica podem ser sensíveis ao tamanho da amostra, por isso é ideal testar amostras de material que se assemelham muito ao componente de uso final.
Como a tendência para tamanhos maiores de corpos de prova afetou os testes DMA?
O principal impacto dos corpos de prova maiores é a necessidade de máquinas maiores e mais potentes. As máquinas DMA de antigamente eram capazes de aplicar apenas alguns quilos (~30 Newtons) de força. Corpos de prova maiores podem exigir centenas, às vezes até milhares de Newtons de força.
Quais são as suas previsões para o futuro da caracterização viscoelástica, e especificamente para os testes DMA?
Tanto a necessidade de múltiplos tipos de testes quanto a tendência de testar corpos de prova maiores conduzirá a um aumento das máquinas multiuso para testes viscoelásticos, inclusive para aplicações DMA. No entanto, nem todos os sistemas de teste de materiais podem ser classificados como um sistema DMA. Algumas máquinas que são comercializadas como adequadas para o DMA, ignoram os requisitos críticos de precisão e apenas relatam os resultados. Alguns fabricantes simplesmente acrescentam cálculos a uma máquina de teste de fadiga e depois a chamam de máquina DMA. Normalmente as máquinas multiuso exigem um número significativo de alterações, mas algumas, como o Sistema de Teste MTS Acumen, estão equipadas para fornecer resultados precisos para testes DMA, monotônicos e de fadiga, permitindo um nível de versatilidade sem precedentes para um laboratório de teste.
Carros, aviões, dispositivos médicos e produtos de consumo estão utilizando cada vez mais polímeros e materiais compostos em seus projetos. Com o uso crescente de componentes estruturais feitos de polímeros e compósitos, a compreensão das propriedades viscoelásticas desses materiais torna-se crítica. Elastômeros e polímeros apresentam um comportamento viscoso significativo que pesquisadores e projetistas precisam entender para garantir que o material seja apropriado para seu uso final pretendido.
Atualmente, as ferramentas de Análise de Elementos Finitos (FEA) estão usando informações sobre as propriedades viscoelásticas de um material para prever com mais precisão como os projetos que contêm esses polímeros ou elastômeros irão se comportar. Por exemplo, o uso expandido de compósitos de matriz de polímero (comumente chamados de fibra de carbono, ou plástico reforçado com fibra de carbono) requer uma análise mecânica dinâmica extensiva do componente de polímero para prever como a tensão será compartilhada entre a matriz de polímero e as fibras de reforço.
O que é uma aplicação típica de teste para caracterização viscoelástica?
A Análise Mecânica Dinâmica (DMA) é uma forma comum de medir o comportamento elástico (mola) e viscoso (amortecimento) de materiais e componentes. Esta medição é obtida submetendo o corpo de prova de teste a uma tensão (ou deformação) cíclica controlada e medindo a força e o deslocamento e sua relação de fase.
O teste DMA pode ser tão simples quanto um teste em uma única frequência à temperatura ambiente para medir a Rigidez Dinâmica (K*), Rigidez Elástica (K') e/ou Rigidez de Perda (K") de um componente ou material. O DMA também pode ser muito complicado com varreduras de frequência de excitação, estresse, tensão e temperatura, incluindo o aninhamento dessas varreduras em conjunto para usar um método de análise chamado Time Temperature Superposition (TTS). O TTS pode ser usado para prever o comportamento de um material a temperaturas e frequências que não são viáveis de serem testadas na prática.
Quais são alguns dos desafios com os testes DMA?
Os testes DMA têm um desafio principal, que é saber se os dados que você coletou são precisos. Esse problema não é exclusivo dos testes DMA, mas a precisão dos dados é especialmente difícil de ser alcançada com materiais viscoelásticos. É difícil saber se os dados são precisos porque os elastômeros e polímeros são muito sensíveis a muitos fatores diferentes incluindo processamento de fabricação, envelhecimento, temperatura, composição (diferentes lotes de materiais), tensão/formação pré-carga e tensão/formação cíclica. Dadas estas variáveis, às vezes é difícil saber se dados inesperados se devem a uma amostra ruim, a um protocolo de teste ruim ou se a máquina realmente produz resultados imprecisos.
A variação de temperaturas durante a Análise Mecânica Dinâmica gera outro conjunto de desafios. Os dois maiores desafios são manter o sistema de controle (ajuste) do sistema de teste à medida que as propriedades do corpo de prova mudam e garantir que a temperatura do corpo de prova seja uniforme e no valor esperado.
Historicamente, como os engenheiros têm lidado com os desafios dos testes DMA?
Os desafios dos testes DMA têm sido abordados em diferentes graus, dependendo do tipo de máquina de teste e dos requisitos de teste. A Análise Mecânica Dinâmica como uma aplicação está se expandindo além de uma ferramenta de pesquisa química usada principalmente por cientistas de materiais, para se tornar uma ferramenta de projeto cada vez mais importante usada por engenheiros. As máquinas DMA que estão sendo usadas para Controle de Qualidade tipicamente precisam apenas avaliar se as propriedades da amostra estão dentro de um intervalo. Algumas máquinas adotam a abordagem "caixa preta", o que torna a máquina muito fácil de operar, mas pode mascarar os possíveis problemas que podem gerar dados DMA imprecisos. Os desenvolvedores de produtos e engenheiros precisam de resultados muito mais precisos e exatos do que os fornecidos por este tipo de máquina.
Como os desenvolvedores e engenheiros de produtos podem maximizar a precisão dos dados?
Há muitos aspectos do sistema de teste que podem influenciar a precisão dos testes. Um bom sistema de teste DMA deve ser muito rígido para evitar que ressonâncias indesejadas tenham impacto sobre os dados. Ele também deve ter um sistema de controle robusto, ser capaz de medir com precisão forças e deslocamentos, e ter um software poderoso para tirar o máximo proveito de todas esses recursos.
Também é importante validar a exatidão da medição de um sistema. Por exemplo, cada sistema de teste MTS Acumen Test System é testado para atender à especificação de medição dinâmica com um padrão dinâmico antes de deixar a fábrica. Essa verificação da precisão dinâmica é realizada no final da instalação para garantir que a máquina esteja produzindo dados precisos uma vez instalada no local do cliente. Como todo sistema Acumen DMA inclui o padrão dinâmico por predefinição, o cliente pode repetir a medição da precisão dinâmica conforme desejado para verificar se o sistema ainda está produzindo dados precisos.
Além de elevar a necessidade de maior precisão de medição, de que outra forma os engenheiros de projeto tiveram impacto sobre as exigências da Análise Mecânica Dinâmica?
Os engenheiros que utilizam elastômeros e polímeros em seus projetos também precisarão conhecer a resistência e as propriedades de fadiga desses materiais. Entretanto, máquinas dedicadas exclusivamente à DMA não são capazes de realizar estes tipos de testes. Como as equipes de projeto de engenharia exigem mais do que apenas dados DMA de sua máquina de testes, um impacto tem sido uma necessidade maior de múltiplos sistemas ou de um sistema de testes mais versátil.
Existem outras influências que estão mudando os testes DMA?
Tem havido uma tendência para tamanhos maiores de corpos de prova que está sendo impulsionada por vários fatores. A primeira é o uso crescente de materiais compostos nas indústrias automotiva, aeroespacial e de construção. Além disso, para compósitos e polímeros preenchidos, são necessárias amostras de tamanho maior para que a seção transversal dos materiais tenha uma estrutura estatisticamente representativa. Finalmente, as medidas de propriedade viscoelástica podem ser sensíveis ao tamanho da amostra, por isso é ideal testar amostras de material que se assemelham muito ao componente de uso final.
Como a tendência para tamanhos maiores de corpos de prova afetou os testes DMA?
O principal impacto dos corpos de prova maiores é a necessidade de máquinas maiores e mais potentes. As máquinas DMA de antigamente eram capazes de aplicar apenas alguns quilos (~30 Newtons) de força. Corpos de prova maiores podem exigir centenas, às vezes até milhares de Newtons de força.
Quais são as suas previsões para o futuro da caracterização viscoelástica, e especificamente para os testes DMA?
Tanto a necessidade de múltiplos tipos de testes quanto a tendência de testar corpos de prova maiores conduzirá a um aumento das máquinas multiuso para testes viscoelásticos, inclusive para aplicações DMA. No entanto, nem todos os sistemas de teste de materiais podem ser classificados como um sistema DMA. Algumas máquinas que são comercializadas como adequadas para o DMA, ignoram os requisitos críticos de precisão e apenas relatam os resultados. Alguns fabricantes simplesmente acrescentam cálculos a uma máquina de teste de fadiga e depois a chamam de máquina DMA. Normalmente as máquinas multiuso exigem um número significativo de alterações, mas algumas, como o Sistema de Teste MTS Acumen, estão equipadas para fornecer resultados precisos para testes DMA, monotônicos e de fadiga, permitindo um nível de versatilidade sem precedentes para um laboratório de teste.
