SFIDA DEL CLIENTE
I prodotti e i componenti realizzati con processi di produzione additiva hanno spesso forme complesse con spessore delle pareti variabile e sezioni sottili difficili da testare. Cercare di crearepiù campioni di dimensioni standard dei materiali utilizzati in questi prodotti o componenti èlungo e costoso. Può anche essere problematico a causa di una potenziale storia termica diversa durante la produzione, un effetto dimensionale in cui pareti sottili nell'intervallo di decimi di millimetro mostreranno proprietà diverse rispetto a quelle di un campione di dimensioni maggiori. Per valutare le effettive proprietà meccaniche del materiale, i campioni devono essere rappresentativi, il che significa che devono essere estratti da un componente reale, oppure realizzati nella stessa posizione con lo stesso orientamento e nella stessa gamma di dimensioni. Per tutti questi motivi, i test su esemplari di piccole dimensioni possono fornire una rappresentazione più precisa delle proprietà del materiale.
COMTES FHT, un istituto di ricerca privato in Repubblica Ceca, ha perfezionato tecniche di test su esemplari di piccole dimensioni per più di 15 anni. Il Prof. Ing. Jan Džugan, Direttore dell'ReS presso COMTES FHT, ha istituito il laboratorio di test meccaniche nel 2006 e i metodi di test su piccole dimensioni sono stati il primo progetto di ricerca a lungo termine presso l'istituto. Attualmente, Džugan è alla guida degli sforzi per implementare i requisiti di test per campioni di piccole dimensioni negli standard per i test uniassiali secondo ASTM E28 e per la produzione additiva secondo ASTM F42. La sua tesi di dottorato di ricerca supervisionato così come molti dei suoi articoli scientifici sono incentrati sui test su campioni di piccole dimensioni.
"Prima di parlare maggiormente di esemplari di piccole dimensioni, sarebbe bene chiarire cosa ciò significa per noi", afferma Džugan. "Poiché gli esemplari di dimensioni standard per ogni test sono diversi, possiamo affermare in modo approssimativo che il volume dell'esemplare di piccole dimensioni è di circa 100 volte più piccolo". Nel campo dei test su piccole dimensioni ci sono essenzialmente due gruppi di test: test diretti con esemplari di dimensioni ridotte o metodi indiretti che misurano una certa quantità legata ai test standard da una correlazione specifica. Noi di COMTES FHT siamo più interessati al primo gruppo di metodi di test."
La prima ricerca di COMTES FHT nel campo dei metodi di test dei mini campioni si è incentrata sugli Small Punch Tests (SPT) con cui Džugan aveva precedenti esperienze. "Tuttavia, dopo qualche tempo ci siamo chiesti perché dovessimo eseguire gli SPT, quando avremmo potuto eseguire test di trazione sullo stesso volume di materiale", riferisce Džugan. "Questa si è rivelata una mossa di successo e abbiamo sviluppato procedure di test basate sulla miniaturizzazione degli esemplari standard piuttosto che sulla correlazione tra campioni di diverse modalità di carico e velocità di deformazione. Nel corso degli anni, il nostro team composto dai seguenti ricercatori: il Dr. Pavel Konopík, la Dott.ssa Eva Chvostová, il Dr. Radek Procházka, Martin Rund e Jindrich Vokac ha sviluppato o adottato metodi di test per determinare le proprietà di trazione, la temperatura di transizione basata sull'impatto, la resistenza alla frattura, test di velocità di crescita delle cricche da fatica, test di fatica a basso e alto numero di cicli e test di scorrimento. La maggior parte di questi test ora si può anche eseguire in condizioni di test non ambientali."
Sebbene le tecniche di test su esemplari di piccole dimensioni siano state originariamente sviluppate per valutare la durata residua nel settore energetico, è evidente che le tecniche basate su campioni di piccole dimensioni erano particolarmente applicabili ai materiali di test realizzati con la produzione additiva.
REQUISITI DI TEST
I test su esemplari di piccole dimensioni di materiali prodotti in modo additivo presentano sfide specifiche che determinano alcuni requisiti:
Telaio di carico: i test su mini esemplari richiedono basse velocità a velocità di estensione standard, quindi la stabilità a queste velocità di attuatore molto basse è fondamentale.
Misurazione di estensione: gli estensimetri clip-on meccanici di solito non si adattano tra i morsetti, quindi è preferibile la misurazione dell'estensione ottica. COMTES FHT utilizza soluzioni DIC sia 2D sia 3D. Džugan afferma: "Per piccoli oggetti piatti ed estensioni piuttosto piccole, 2D DIC funziona bene e non è necessaria così tanta potenza di computer".
Allineamento: l'attuale standard ASTM E1012 non è completamente applicabile all'allineamento del mini campione di trazione. COMTES FHT attualmente utilizza sistemi DIC per controllare e regolare l'allineamento dell'esemplare durante la presa e il caricamento e prevede che sarà necessario un ulteriore sviluppo del processo per specificare parametri rappresentativi per l'allineamento del mini campione.
Presa: "Attualmente non vi sono morsetti disponibili in commercio per i test di trazione su mini campioni, quindi abbiamo dovuto svilupparli da soli", spiega Džugan. "Una presa corretta è un punto critico perché può verificarsi la plastificazione dell'esempalre, quindi deve essere eseguita con particolare attenzione".
SOLUZIONE MTS
COMTES FHT utilizza le soluzioni MTS nel proprio laboratorio dal 2006. La loro prima macchina MTS era un sistema personalizzato progettato per la simulazione termomeccanica dei processi di formatura dei metalli. Il loro secondo sistema MTS era uno speciale sistema Bionix® ad alta velocità con un attuatore assiale/torsionale principale più un attuatore laterale. Grazie alle sue versatilità, precisione e prestazioni, questo sistema è stato utilizzato per gran parte dello sviluppo dei metodi di test su mini campioni. Džugan afferma: "Su questo sistema abbiamo messo a punto i test di trazione quasi statici e dinamici (la velocità dell'attuatore del sistema è superiore a 1m/s). Abbiamo anche eseguito i nostri primi test di trazione con unità di riscaldamento induttivo e test di fatica a basso e alto numero di cicli a temperatura ambiente e a temperature elevate. Abbiamo utilizzato questo sistema anche per condurre test di resistenza alla frattura su mini campioni. Dopo che gran parte dello sviluppo è stata completata, abbiamo acquistato macchine dedicate per questi test".
VANTAGGI PER IL CLIENTE
I benefici dei test su esemplari di piccole dimensioni di materiali prodotti in modo additivo sono evidenti. I mini campioni semplificano la valutazione precisa delle proprietà locali. Gli esemplari di piccole dimensioni fanno risparmiare sui costi perché richiedono meno materiale e un tempo di deposizione minimo. Il metodo dell'esemplare di piccole dimensioni è l'ideale anche nei casi in cui vi sia una carenza di materiale sperimentale.
Oggi, COMTES FHT è leader nell'utilizzo di test su esemplari di piccole dimensioni per materiali prodotti in modo additivo; ed è lieto di lavorare con i sistemi di test MTS per raggiungere i propri obiettivi di test. Džugan afferma: "Lavoro con MTS da più di 25 anni in Europa e in Asia e ho avuto esperienze molto positive, motivo per cui ho cercato di stabilire un rapporto più stretto con MTS nel campo dello sviluppo. Abbiamo già ottimi rapporti con gli attuali rappresentanti locali e con il personale di MTS a Berlino e Minneapolis. Apprezzo molto il supporto di MTS e la stabilità e l'affidabilità delle loro attrezzature per test e non vedo l'ora di lavorare con loro in futuro".
