Perché c'è un interesse crescente per i test viscoelastici?
Sempre più polimeri e materiali compositi vengono usati nei progetti di automobili, aerei, dispositivi medici e beni di consumo. Con il crescente uso di componenti strutturali ottenuti da polimeri e compositi, diventa fondamentale la comprensione delle proprietà viscoelastiche di questi materiali. Elastomeri e polimeri hanno un comportamento viscoso significativo, che ricercatori e progettisti devono comprendere per assicurarsi che il materiale sia appropriato per l'uso finale previsto.
Oggi, gli strumenti di analisi degli elementi finiti (FEA) usano le informazioni sulle proprietà viscoelastiche di un materiale per prevedere con maggiore precisione le prestazioni dei progetti che contengono questi polimeri o elastomeri. Ad esempio, l'uso diffuso di compositi a matrice polimerica, comunemente noti come fibra di carbonio, o plastica rinforzata con fibra di carbonio, richiede un'approfondita analisi meccanica dinamica del componente polimerico per prevedere come verrà condivisa la sollecitazione tra la matrice polimerica e le fibre di rinforzo.
Qual è una tipica applicazione di test per la caratterizzazione viscoelastica?
L'analisi meccanica dinamica (DMA) è un metodo comune per misurare il comportamento elastico (molla) e viscoso (smorzamento) di materiali e componenti. Questa misurazione si ottiene sottoponendo il campione di test a una sollecitazione ciclica controllata (o deformazione) e misurando la forza, lo spostamento e la loro relazione di fase.
Il test di DMA può essere semplice come un test a una singola frequenza a temperatura ambiente, al fine di misurare la rigidità dinamica (K*), la rigidità elastica (K'), e/o la rigidità di perdita (K”) di un componente o materiale. La DMA può anche essere molto complicata con scansioni di frequenza di eccitazione, sollecitazione, deformazione e temperatura, incluso l'annidamento di tali scansioni per usare un metodo di analisi chiamato sovrapposizione tempo-temperatura (TTS). Il TTS può essere utilizzato per prevedere il comportamento di un materiale a temperature e frequenze che non possono essere testate in modo concreto.
Quali sono alcune delle sfide con i test di DMA?
Il test di DMA ha una sfida principale, vale a dire sapere se i dati raccolti sono accurati. Questo problema non è esclusivo dei test di DMA, ma l'accuratezza dei dati è particolarmente difficile da ottenere con i materiali viscoelastici. È difficile sapere se i dati sono accurati in quanto elastomeri e polimeri sono molto sensibili a tanti fattori diversi, tra cui il processo di produzione, invecchiamento, temperatura, composizione (diversi lotti di materiali), sollecitazione o deformazione da pre-carico, sollecitazione o deformazione cicliche. Considerate queste variabili, talvolta è difficile sapere se i dati imprevisti sono dovuti a un campione sbagliato, a un protocollo di test sbagliato o se la macchina produce effettivamente risultati imprecisi.
La variazione delle temperature durante l'analisi meccanica dinamica da origine a un'altra serie di sfide. Le due maggiori sfide consistono nel mantenere il sistema di controllo (regolazione) del sistema di test al variare delle proprietà del campione, nonché nel garantire che la temperatura del campione sia uniforme e al valore previsto.
Storicamente, in che modo gli ingegneri hanno affrontato le sfide dei test di DMA?
Le sfide dei test di DMA sono state affrontate a vari livelli, a seconda del tipo di apparecchiatura di test e dei requisiti di test. L'analisi meccanica dinamica in quanto applicazione si sta diffondendo: oltre a essere uno strumento di ricerca chimica usato principalmente dagli scienziati dei materiali, sta diventando uno strumento di progettazione sempre più importante usato dagli ingegneri. Le macchine di DMA utilizzate per il controllo qualità in genere devono solo valutare se le proprietà del campione rientrano all'interno di un intervallo. Alcune macchine adottano l'approccio della "scatola nera", che rende la macchina molto facile da usare ma può mascherare i potenziali problemi in grado di generare dati di DMA imprecisi. Gli sviluppatori di prodotto e gli ingegneri hanno bisogno di risultati molto più precisi e accurati rispetto a quelli forniti da questo tipo di macchina.
In che modo gli sviluppatori di prodotto e gli ingegneri possono massimizzare l'accuratezza dei dati?
Ci sono molti aspetti del sistema di test che possono influenzare l'accuratezza del test. Un buon sistema di test di DMA deve essere molto rigido per evitare che risonanze indesiderate influiscano sui dati. Deve inoltre disporre di un robusto sistema di controllo, essere in grado di misurare con precisione forze e spostamenti e disporre di un software potente per sfruttare appieno tutte queste caratteristiche.
Anche convalidare l'accuratezza della misurazione di un sistema è importante. Ad esempio, ogni sistema di test MTS Acumen viene testato per soddisfare le specifiche di misurazione dinamica con uno standard dinamico prima di lasciare la fabbrica. Tale verifica dell'accuratezza dinamica viene eseguita alla fine dell'installazione per garantire che la macchina produca dati accurati una volta installata presso la sede del cliente. Dal momento che ogni sistema Acumen DMA include lo standard dinamico per impostazione predefinita, il cliente può ripetere la misurazione dell'accuratezza dinamica nel modo desiderato per verificare che il sistema stia ancora producendo dati accurati.
Oltre ad aumentare la necessità di una maggiore precisione di misurazione, in che modo i progettisti hanno dato il loro contributo riguardo i requisiti dell'analisi meccanica dinamica?
Gli ingegneri che usano elastomeri e polimeri nei loro progetti dovranno anche conoscere le proprietà di resistenza e fatica di tali materiali. Tuttavia, le macchine utilizzate esclusivamente per la DMA non sono in grado di eseguire questo tipo di test. Dato che i team di progettazione ingegneristica richiedono più di semplici dati da DMA dalla loro macchina di test, il loro contributo è stato una maggiore necessità di sistemi multipli o di un sistema di test più versatile.
C'è qualcos'altro che sta influenzando i test di DMA?
C'è stata una tendenza verso campioni di dimensioni maggiori, determinata da diversi fattori. Il primo è il crescente uso di materiali compositi nelle industrie automobilistica, aerospaziale e delle costruzioni. Inoltre, quando si ha a che fare con compositi e polimeri caricati, sono necessari campioni di dimensioni maggiori, in modo che la sezione trasversale dei materiali abbia una struttura statisticamente rappresentativa. Infine, le misurazioni delle proprietà viscoelastiche possono essere sensibili alle dimensioni del campione, pertanto è preferibile testare campioni realizzati in materiali che assomiglino molto al componente finale.
In che modo la tendenza verso campioni di dimensioni maggiori ha influenzato i test di DMA?
La conseguenza principale delle maggiori dimensioni dei campioni è la necessità di macchine più grandi e più potenti. Le vecchie macchine di DMA erano in grado di applicare solo qualche chilo di forza (~30 Newton). I campioni di dimensioni maggiori possono richiedere centinaia, a volte persino migliaia di Newton di forza.
Quali previsioni avete per il futuro della caratterizzazione viscoelastica e in particolare per i test di DMA?
Sia la necessità di tipi multipli di test sia la tendenza a testare campioni di dimensioni maggiori porteranno a un aumento delle macchine multiuso per i test viscoelastici, comprese le applicazioni di DMA. Tuttavia, non tutti i sistemi di test dei materiali possono essere classificati come sistema di DMA. Alcune macchine commercializzate come idonee per DMA ignorano i fondamentali requisiti di precisione e riportano solo i risultati. Alcuni produttori aggiungono semplicemente calcoli a una macchina per test di fatica e poi la chiamano macchina di DMA. Solitamente le macchine multiuso richiedono un numero significativo di compromessi, ma alcune, come il sistema di test MTS Acumen, sono attrezzate per fornire risultati accurati per DMA, test monotonici e di fatica, consentendo un livello di versatilità senza precedenti per un laboratorio di test.
Sempre più polimeri e materiali compositi vengono usati nei progetti di automobili, aerei, dispositivi medici e beni di consumo. Con il crescente uso di componenti strutturali ottenuti da polimeri e compositi, diventa fondamentale la comprensione delle proprietà viscoelastiche di questi materiali. Elastomeri e polimeri hanno un comportamento viscoso significativo, che ricercatori e progettisti devono comprendere per assicurarsi che il materiale sia appropriato per l'uso finale previsto.
Oggi, gli strumenti di analisi degli elementi finiti (FEA) usano le informazioni sulle proprietà viscoelastiche di un materiale per prevedere con maggiore precisione le prestazioni dei progetti che contengono questi polimeri o elastomeri. Ad esempio, l'uso diffuso di compositi a matrice polimerica, comunemente noti come fibra di carbonio, o plastica rinforzata con fibra di carbonio, richiede un'approfondita analisi meccanica dinamica del componente polimerico per prevedere come verrà condivisa la sollecitazione tra la matrice polimerica e le fibre di rinforzo.
Qual è una tipica applicazione di test per la caratterizzazione viscoelastica?
L'analisi meccanica dinamica (DMA) è un metodo comune per misurare il comportamento elastico (molla) e viscoso (smorzamento) di materiali e componenti. Questa misurazione si ottiene sottoponendo il campione di test a una sollecitazione ciclica controllata (o deformazione) e misurando la forza, lo spostamento e la loro relazione di fase.
Il test di DMA può essere semplice come un test a una singola frequenza a temperatura ambiente, al fine di misurare la rigidità dinamica (K*), la rigidità elastica (K'), e/o la rigidità di perdita (K”) di un componente o materiale. La DMA può anche essere molto complicata con scansioni di frequenza di eccitazione, sollecitazione, deformazione e temperatura, incluso l'annidamento di tali scansioni per usare un metodo di analisi chiamato sovrapposizione tempo-temperatura (TTS). Il TTS può essere utilizzato per prevedere il comportamento di un materiale a temperature e frequenze che non possono essere testate in modo concreto.
Quali sono alcune delle sfide con i test di DMA?
Il test di DMA ha una sfida principale, vale a dire sapere se i dati raccolti sono accurati. Questo problema non è esclusivo dei test di DMA, ma l'accuratezza dei dati è particolarmente difficile da ottenere con i materiali viscoelastici. È difficile sapere se i dati sono accurati in quanto elastomeri e polimeri sono molto sensibili a tanti fattori diversi, tra cui il processo di produzione, invecchiamento, temperatura, composizione (diversi lotti di materiali), sollecitazione o deformazione da pre-carico, sollecitazione o deformazione cicliche. Considerate queste variabili, talvolta è difficile sapere se i dati imprevisti sono dovuti a un campione sbagliato, a un protocollo di test sbagliato o se la macchina produce effettivamente risultati imprecisi.
La variazione delle temperature durante l'analisi meccanica dinamica da origine a un'altra serie di sfide. Le due maggiori sfide consistono nel mantenere il sistema di controllo (regolazione) del sistema di test al variare delle proprietà del campione, nonché nel garantire che la temperatura del campione sia uniforme e al valore previsto.
Storicamente, in che modo gli ingegneri hanno affrontato le sfide dei test di DMA?
Le sfide dei test di DMA sono state affrontate a vari livelli, a seconda del tipo di apparecchiatura di test e dei requisiti di test. L'analisi meccanica dinamica in quanto applicazione si sta diffondendo: oltre a essere uno strumento di ricerca chimica usato principalmente dagli scienziati dei materiali, sta diventando uno strumento di progettazione sempre più importante usato dagli ingegneri. Le macchine di DMA utilizzate per il controllo qualità in genere devono solo valutare se le proprietà del campione rientrano all'interno di un intervallo. Alcune macchine adottano l'approccio della "scatola nera", che rende la macchina molto facile da usare ma può mascherare i potenziali problemi in grado di generare dati di DMA imprecisi. Gli sviluppatori di prodotto e gli ingegneri hanno bisogno di risultati molto più precisi e accurati rispetto a quelli forniti da questo tipo di macchina.
In che modo gli sviluppatori di prodotto e gli ingegneri possono massimizzare l'accuratezza dei dati?
Ci sono molti aspetti del sistema di test che possono influenzare l'accuratezza del test. Un buon sistema di test di DMA deve essere molto rigido per evitare che risonanze indesiderate influiscano sui dati. Deve inoltre disporre di un robusto sistema di controllo, essere in grado di misurare con precisione forze e spostamenti e disporre di un software potente per sfruttare appieno tutte queste caratteristiche.
Anche convalidare l'accuratezza della misurazione di un sistema è importante. Ad esempio, ogni sistema di test MTS Acumen viene testato per soddisfare le specifiche di misurazione dinamica con uno standard dinamico prima di lasciare la fabbrica. Tale verifica dell'accuratezza dinamica viene eseguita alla fine dell'installazione per garantire che la macchina produca dati accurati una volta installata presso la sede del cliente. Dal momento che ogni sistema Acumen DMA include lo standard dinamico per impostazione predefinita, il cliente può ripetere la misurazione dell'accuratezza dinamica nel modo desiderato per verificare che il sistema stia ancora producendo dati accurati.
Oltre ad aumentare la necessità di una maggiore precisione di misurazione, in che modo i progettisti hanno dato il loro contributo riguardo i requisiti dell'analisi meccanica dinamica?
Gli ingegneri che usano elastomeri e polimeri nei loro progetti dovranno anche conoscere le proprietà di resistenza e fatica di tali materiali. Tuttavia, le macchine utilizzate esclusivamente per la DMA non sono in grado di eseguire questo tipo di test. Dato che i team di progettazione ingegneristica richiedono più di semplici dati da DMA dalla loro macchina di test, il loro contributo è stato una maggiore necessità di sistemi multipli o di un sistema di test più versatile.
C'è qualcos'altro che sta influenzando i test di DMA?
C'è stata una tendenza verso campioni di dimensioni maggiori, determinata da diversi fattori. Il primo è il crescente uso di materiali compositi nelle industrie automobilistica, aerospaziale e delle costruzioni. Inoltre, quando si ha a che fare con compositi e polimeri caricati, sono necessari campioni di dimensioni maggiori, in modo che la sezione trasversale dei materiali abbia una struttura statisticamente rappresentativa. Infine, le misurazioni delle proprietà viscoelastiche possono essere sensibili alle dimensioni del campione, pertanto è preferibile testare campioni realizzati in materiali che assomiglino molto al componente finale.
In che modo la tendenza verso campioni di dimensioni maggiori ha influenzato i test di DMA?
La conseguenza principale delle maggiori dimensioni dei campioni è la necessità di macchine più grandi e più potenti. Le vecchie macchine di DMA erano in grado di applicare solo qualche chilo di forza (~30 Newton). I campioni di dimensioni maggiori possono richiedere centinaia, a volte persino migliaia di Newton di forza.
Quali previsioni avete per il futuro della caratterizzazione viscoelastica e in particolare per i test di DMA?
Sia la necessità di tipi multipli di test sia la tendenza a testare campioni di dimensioni maggiori porteranno a un aumento delle macchine multiuso per i test viscoelastici, comprese le applicazioni di DMA. Tuttavia, non tutti i sistemi di test dei materiali possono essere classificati come sistema di DMA. Alcune macchine commercializzate come idonee per DMA ignorano i fondamentali requisiti di precisione e riportano solo i risultati. Alcuni produttori aggiungono semplicemente calcoli a una macchina per test di fatica e poi la chiamano macchina di DMA. Solitamente le macchine multiuso richiedono un numero significativo di compromessi, ma alcune, come il sistema di test MTS Acumen, sono attrezzate per fornire risultati accurati per DMA, test monotonici e di fatica, consentendo un livello di versatilità senza precedenti per un laboratorio di test.
