Una guida alle tecniche di prova dei materiali compositi

di Alan Thomas, marketing, ZwickRoell UK

Rispetto ai materiali convenzionali, i materiali compositi avanzati possono offrire vantaggi come un migliore rapporto resistenza/peso e una maggiore durata dei componenti. Tuttavia, prima di essere introdotti nel processo di produzione, questi materiali devono essere testati approfonditamente e le loro prestazioni convalidate.

La caratterizzazione completa delle proprietà dei materiali compositi da utilizzare in applicazioni impegnative richiede l'esecuzione di una serie di test meccanici. La determinazione delle proprietà meccaniche richiede prove di trazione, compressione e taglio.

Nella qualificazione e nello sviluppo dei materiali, altri test vengono utilizzati per determinare proprietà più complesse, come tensione/compressione a foro aperto, resistenza alla frattura interlaminare, compressione dopo l'impatto e fatica. I test devono essere condotti in un intervallo di temperature su campioni che potrebbero essere stati condizionati in una varietà di condizioni ambientali come elevata umidità o immersione in fluidi.

I test sui compositi per applicazioni aerospaziali rappresentano una delle aree di test più impegnative. I laboratori che effettuano test sui compositi per applicazioni aerospaziali devono affrontare sfide significative che includono: garantire che i test siano condotti in conformità con l’ampia gamma di standard; essere in grado di dimostrare l'allineamento accurato di morsetti e dispositivi e la capacità di modificare i dispositivi di prova in modo efficiente per coprire un'ampia gamma di test e garantire il corretto ambiente di prova.

Le procedure di test compositi sono state standardizzate da varie organizzazioni. I principali standard internazionali di test sui compositi sono quelli pubblicati da ASTM, ISO e CEN.

Oltre agli standard riconosciuti a livello internazionale, esistono standard "interni" dei produttori di uso comune, tra cui quelli di Airbus e Boeing. In molti casi, i metodi di prova descritti da standard diversi sono fondamentalmente gli stessi, ma esistono alcune differenze significative nelle dimensioni del provino e dell'attrezzatura.

Inoltre, organismi di controllo come Nadcap definiscono ulteriormente i criteri di prestazione, ad esempio l'allineamento delle apparecchiature di prova.

La prova di trazione nel piano di laminati compositi semplici è probabilmente la prova più comune, ma le prove di trazione vengono eseguite anche su fasci di fibre impregnati di resina, provini a tutto spessore e sezioni di materiali con anima sandwich.

I provini per test di trazione hanno lati paralleli con linguette incollate per evitare che le ganasce di presa danneggino il materiale e causino guasti prematuri. Le disposizioni di presa includono pinze a cuneo manuali e idrauliche e per test aerospaziali impegnativi, le soluzioni di presa a cuneo idrauliche sono generalmente preferite per la loro controllabilità e ripetibilità.

Tuttavia, anche le impugnature meccaniche a cuneo ben progettate possono fornire buoni livelli di allineamento. Le soluzioni di presa idraulica per i test non ambientali spesso posizionano i componenti idraulici all'esterno della camera termica per garantire sicurezza e affidabilità.

L'allineamento accurato delle pinze e del provino è estremamente importante quando si testano materiali compositi poiché le proprietà anisotrope, come il modulo e la resistenza del materiale, differiscono a seconda della direzione della sollecitazione applicata e sono spesso di natura fragile. I dispositivi di allineamento regolabili garantiscono che i sistemi di prova soddisfino i criteri di allineamento richiesti per prove affidabili sui compositi e come richiesto da specifici programmi di audit riconosciuti dalle industrie aerospaziali, come Nadcap.

I dispositivi di allineamento devono consentire la regolazione sia della concentricità che dell'angolarità mentre la catena di carico della macchina è sotto carico. Il metodo ampiamente accettato per verificare l'allineamento sotto carico consiste nell'utilizzare un provino di allineamento estensimetrico. Il provino di allineamento dovrebbe avere dimensioni il più vicino possibile a quelle dei provini da testare e sarà dotato di gruppi di estensimetri.

È disponibile un software appositamente progettato per fornire una visualizzazione degli errori di flessione, concentricità e angolarità. Il software identifica le regolazioni necessarie e ne visualizza l'effetto, consentendo una configurazione rapida e precisa della macchina di prova.