- Tradotto con IA
Materiali compatibili con ambienti controllati
Materiali compatibili con le camere bianche
Procedure di test e classificazione
Per supportare l’industria nella costruzione di impianti di produzione per microsistemi sensibili alla contaminazione, sono necessari materiali di base e di rivestimento conformi alla purezza. A livello mondiale non sono disponibili liste di materiali, quindi nella scelta dei materiali appropriati si fa affidamento esclusivamente su criteri ottici e non scientificamente validati. Questa situazione viene contrastata con una procedura di prova standardizzata per valutare la compatibilità con le camere bianche dei materiali.
1 Introduzione
Le esigenze di qualità di tutti i prodotti sono in continuo aumento. Un numero crescente di settori e i loro prodotti richiedono quindi una produzione conforme alla purezza. Nella “produzione pura” è necessario controllare tutti i fattori di contaminazione rilevanti per il prodotto. Soprattutto in settori come l’industria dei semiconduttori, l’industria alimentare o quella farmaceutica, la prevenzione di contaminazioni particellari riveste un ruolo di particolare importanza. I mezzi di produzione impiegati in ambienti puri spesso contribuiscono significativamente alla contaminazione dell’ambiente “puro”.
I processi che portano alla generazione di emissioni di particelle sui mezzi di produzione sono riconducibili a fenomeni di attrito e vibrazione. Da sottolineare: i fenomeni di attrito causati dal movimento relativo delle superfici dei mezzi di produzione rappresentano la quota più alta. Attualmente non esiste un modello scientifico consolidato che permetta di prevedere la selezione dei materiali per le produzioni pure già in fase di sviluppo dei mezzi di produzione, in relazione alla generazione di particelle sulle superfici tecniche di contatto.
Non sono noti studi di ricerca che approfondiscano le correlazioni tra le proprietà tecniche delle coppie di materiali e la generazione di contaminazioni, in particolare delle particelle trasportate dall’aria sui mezzi di produzione.
Per classificare il comportamento di contaminazione di materiali di base o rivestimenti superficiali, è necessario sviluppare una procedura per determinare la compatibilità con le camere bianche delle coppie di materiali.
2 Prioritizzazione dei tipi di contaminazione
Oltre al comportamento elettrostatico di contaminazione o alla emissione di sostanze organiche volatili leggere, riveste particolare importanza l’emissione di particelle trasportate dall’aria, di dimensioni microniche o sub-microniche. Se si esclude la fonte di particelle “umano”, quest’ultimo processo ha il maggiore impatto sull’inquinamento del prodotto (con circa il 30-40% di tutte le contaminazioni indesiderate presenti in camera bianca). Un’indagine rappresentativa condotta su circa 270 aziende ha evidenziato che le contaminazioni di forma particellare sono al primo posto in termini di necessità di ricerca:
- Due terzi di tutte le richieste riguardano la riduzione o l’assenza di particelle.
- Connessa all’emissione di particelle, si pone anche la qualità superficiale dei materiali impiegati (vedi figura 1).
Le particelle emesse dai mezzi di produzione si originano a causa di vibrazioni di materiale o di movimenti relativi di almeno due materiali a contatto. In questi accoppiamenti di attrito tra componenti dei mezzi di produzione, le superfici dei sistemi di produzione esercitano un’influenza decisiva sulla generazione di particelle.
3 Obiettivi principali
3.1 Sviluppo di una procedura di prova
Per chiarire il comportamento di emissione di particelle di diversi accoppiamenti di materiali, si svilupperà una procedura di prova standardizzata. Per la realizzazione pratica, si utilizzerà un banco di prova per materiali, che consenta di esaminare i materiali destinati all’uso in ambienti di camera bianca senza contaminazioni. Lo sviluppo di una procedura di prova scientificamente fondata garantisce:
- Reproduttibilità
- Comparabilità
- Validità e
- Interpretazione dei risultati di misura.
3.2 Schema di valutazione e classificazione
Per analizzare e classificare i dati di misura ottenuti, devono essere sviluppati e applicati meccanismi di valutazione. In parte, si può fare riferimento a linee guida e standard già esistenti nel settore dei semiconduttori e delle camere bianche. Gli algoritmi di analisi dei dati di misura devono chiaramente evidenziare l’idoneità dei vari accoppiamenti di materiali per l’uso in ambienti puri.
3.3 Ottimizzazione degli accoppiamenti di materiali
L’approccio si suddivide in:
- Analisi dello stato attuale (prima valutazione dello stato di contaminazione),
- Modifica dell’accoppiamento di materiali (ottimizzazione del sistema tribologico),
- Analisi di verifica (nuova valutazione dello stato di contaminazione).
Questa suddivisione permette uno sviluppo sistematico degli accoppiamenti di materiali in funzione dei requisiti di purezza. Analizzando la contaminazione particellare trasportata dall’aria, si possono formulare giudizi sull’idoneità degli accoppiamenti di materiali per le classi di purezza dell’aria esistenti, poiché questa tipologia di contaminazione è l’unica a essere presa in considerazione negli standard internazionali di purezza dell’aria. Ciò aumenta significativamente l’accettazione nazionale e internazionale della procedura di prova e dei suoi risultati.
4 Sviluppo del metodo
Quasi tutti i movimenti nelle apparecchiature di produzione portano a fenomeni di attrito tra due materiali. L’attrito, a sua volta, è la causa più frequente di formazione di particelle. Per rendere questo aspetto scientificamente misurabile, è necessario rilevare e valutare le emissioni di particelle tramite strumenti di misura. Il primo passo consiste nell’identificare la principale fonte di emissione su componenti reali o parti di essi. Per ridurre al minimo le influenze esterne sui risultati delle misurazioni delle principali fonti di emissione, si devono eliminare quante più fonti di disturbo possibili. Ciò si ottiene meglio rimuovendo e separando la zona di contatto di attrito dal componente reale. A tal fine, la zona di contatto deve essere riprodotta in un banco di prova in condizioni di laboratorio standardizzate e riproducibili (vedi figura 2). La procedura di valutazione della purezza dei materiali testati deve fornire due indicazioni:
- In quali classi di purezza dell’aria (secondo standard internazionali di valutazione della purezza dell’aria) possono essere impiegate le coppie di materiali “separate”?
- In che misura i risultati ottenuti in laboratorio sono trasferibili a componenti reali.
Le componenti reali vengono valutate secondo la procedura consolidata VDI 2083 foglio 8 “Compatibilità con le camere bianche delle apparecchiature”, che si applica alla valutazione di componenti complessi. Tuttavia, questa procedura non è adatta per lo studio di singoli accoppiamenti di materiali.
Trasferimento dei risultati a componenti reali
Dopo aver identificato le zone di attrito e averle riprodotte in un banco di prova di laboratorio, si adattano le sollecitazioni alle condizioni di carico tipiche delle componenti reali. Si effettuano misurazioni di classificazione e analisi secondo VDI 2083 foglio 8 (componenti reali) e secondo il modello di classificazione per gli accoppiamenti di materiali, considerando un insieme di tre condizioni di carico rappresentative. Per verificare la trasferibilità dei risultati di classificazione ottenuti, è necessario sviluppare un modello. Questo può essere fatto solo successivamente, una volta che il modello di classificazione per la valutazione della compatibilità con le camere bianche degli accoppiamenti di materiali nei banchi di prova sia stato stabilito. Tutti i dati di misura e le conclusioni devono essere convalidati tramite metodi statistici appropriati.
5 Progettazione di un banco di prova per materiali
5.1 Fenomeni di attrito
L’attrito tra due corpi può essere realizzato con i seguenti tre metodi (vedi figure 3 e 4).
- Nel “test sfera-disco”, una sfera viene premuta contro la superficie di un disco. La zona di contatto è puntiforme, la sfera è fissa.
- Nel “test disco-disco”, un disco rotante viene avvicinato lateralmente a un altro disco motorizzato e rotola su di esso. La zona di contatto è lineare, entrambe le superfici sono curve nella zona di contatto.
- Nel “test rullo-disico”, un rullo (ad esempio in acciaio inossidabile o PA6) viene premuto contro la superficie di un disco rivestito con il materiale da esaminare. Questo metodo viene impiegato per studiare rivestimenti o rivestimenti superficiali su cui, in condizioni reali, rotano rulli. Ad esempio, il “test rullo-disico” si utilizza per verificare i pavimenti di ambienti di camera bianca su cui circolano carrelli motorizzati.
5.2 Principio di prova
Poiché il “test sfera-disco” è molto diffuso in letteratura e in pratica, sono disponibili ampi dati di correlazione tra questo test e la generazione di particelle. Un ulteriore vantaggio è che il contatto tra i materiali è puntiforme, garantendo un elevato livello di standardizzazione. Per le considerazioni successive si utilizza il “metodo sfera-disco”. In questo, una superficie di prova ruota con frequenza f sotto una sfera di diametro d, premuta contro di essa con una forza normale FN e un raggio r. Alla zona di contatto tra sfera e disco si verifica un’usura del materiale, accompagnata dall’emissione di particelle. Si forma una traccia di usura. Le caratteristiche di questa traccia e della zona di contatto possono essere analizzate in funzione delle forze di carico applicate su componenti reali (superficie di pressione, lunghezza del percorso, carichi multipli su tratti di percorso) per valutare e distinguere le diverse condizioni di usura.
5.3 Identificazione dei parametri principali
Nel “test sfera-disco”, i corpi di prova (sfera e disco) costituiscono un sistema di usura. Questo può essere descritto tramite un insieme di parametri. Per i test condotti, i parametri principali del sistema di usura, in accordo con DIN 50320 (vecchio), sono illustrati in figura 5.
In letteratura non sono disponibili dati riguardanti l’emissione particellare specifica di accoppiamenti di attrito o la correlazione tra grandezze tribologiche e emissione di particelle osservata. La norma DIN 50324 (vecchia) descrive un test a anello in cui vengono esaminate coppie di acciai inossidabile mediante il “test sfera-disco”. I parametri di ingresso usati in questo test sono stati un punto di partenza per i pre-test.
Nei pre-test si è studiata la dipendenza delle grandezze di interesse (emissione di particelle, grandezze tribologiche) dalla forza normale e si è monitorato l’andamento nel tempo su un periodo prolungato.
5.4 Implementazione del concetto di banco di prova
Figura 6 mostra il concetto di un banco di prova basato sul “test sfera-disco”, che deve rispettare i requisiti di compatibilità con le camere bianche e di purezza del banco stesso.
5.5 Integrazione delle analisi delle particelle con la determinazione delle grandezze tribologiche
Parallelamente allo studio dell’emissione di particelle, vengono determinate le grandezze tribologiche. Per confrontare i risultati, si utilizza come riferimento l’emissione di particelle. Dai valori di misura delle diverse classi di particelle (> 0,2 µm; > 0,3 µm; > 0,5 µm e > 5,0 µm) si può derivare il “volume di particelle”.
Le grandezze tribologiche vengono analizzate singolarmente e in forma combinata (ad esempio come volume della traccia di usura) rispetto a questa grandezza. In questo modo si può valutare la relazione tra le grandezze tribologiche e i valori di emissione di particelle.
6 Modello di classificazione per accoppiamenti di materiali
L’obiettivo principale è monitorare e caratterizzare l’emissione di particelle durante il carico tribologico. I contatori ottici di particelle utilizzati forniscono i dati di conteggio in modo differenziale, cioè come eventi di conteggio per intervallo di tempo o di volume di misura. Nei pre-test si è osservato che la rappresentazione grafica dei valori di particella rispetto al numero di rotazioni mostra un comportamento molto instabile, rendendo i dati in questa forma inadatti per una caratterizzazione affidabile (vedi figura 7).
Durante la prima rotazione della sfera sulla superficie di prova, questa si muove su una traccia ancora intatta, con emissione di particelle molto bassa. Nelle rotazioni successive, la sfera percorre tracce già usurate, con emissioni di particelle più elevate. Questo effetto si ripete nelle rotazioni successive, spiegando il comportamento disomogeneo dei valori di emissione nel tempo totale. Di conseguenza, le condizioni per un’analisi statistica con metodi come Student-t o Poisson, richiesti dalla VDI 2083 foglio 8, non sono più soddisfatte.
In generale, si osserva un trend di aumento dei valori di misura con il numero di rotazioni (vedi figura 7). Se si sommano tutte le particelle generate fino a un certo numero di rotazioni discreto, si ottiene una rappresentazione integrale dei valori di emissione. Le curve risultanti in questa rappresentazione mostrano un andamento continuo (vedi figura 8).
Attraverso questa rappresentazione integrale, si possono generare grafici utili come base per la caratterizzazione dell’emissione di particelle.
Per spiegare l’aumento osservato dei valori di emissione nel tempo si ipotizza che già durante la prima rotazione della coppia di materiali si generino particelle come abrasivi. Nelle rotazioni successive, la coppia di materiali, insieme alle particelle già generate, produce ancora più particelle, creando un effetto a valanga. Matematicamente, si tenta di rappresentare questa crescita a valanga dell’emissione di particelle con un modello esponenziale::
Dopo aver approssimato i grafici cumulativi di emissione di particelle tramite regressione non lineare, le curve possono essere analizzate con precisione matematica. I parametri a e b, o la coppia di valori (a/b) delle curve di regressione, rappresentano un indice di confronto per il tasso di emissione e, di conseguenza, per la compatibilità con le camere bianche.
Poiché il numero di particelle generate è direttamente correlato al numero di rotazioni e solo in misura minore al tempo trascorso, si utilizza come variabile di avanzamento il numero di rotazioni anziché il tempo di misura. Convertendo i limiti massimi consentiti di particelle per le classi di purezza dell’aria secondo DIN EN ISO 14644-1 in funzione del numero di rotazioni, si ottiene un diagramma di classificazione della purezza dell’aria adattato al problema (vedi figura 9).
Le curve di regressione che attraversano i valori cumulativi di particelle sempre tagliano le linee limite delle classi di purezza dell’aria. Per ridurre la coppia di parametri (a/b) a un singolo parametro e ottenere una valutazione univoca della compatibilità con le camere bianche, è necessario fissare un numero di rotazioni. Nell’esempio mostrato, la coppia di materiali analizzata, alla rotazione di riferimento N=500, si trova tra le linee limite delle classi ISO 5 e ISO 6, quindi può essere considerata idonea per ambienti ISO-Classe 6.
7 Vantaggi del metodo di classificazione
Di seguito vengono riassunti i vantaggi del modello di classificazione per la valutazione della compatibilità con le camere bianche di qualsiasi coppia di materiali::
8 Prospettive
Nelle ricerche future si approfondiranno principalmente le relazioni tra i risultati di classificazione di componenti reali — come quelli classificati secondo la VDI 2083 foglio 8 — e le coppie di materiali “separate” in banchi di prova di laboratorio.
Procedure di test e classificazione
Per supportare l’industria nella costruzione di impianti di produzione per microsistemi sensibili alla contaminazione, sono necessari materiali di base e di rivestimento conformi alla purezza. A livello mondiale non sono disponibili liste di materiali, quindi nella scelta dei materiali appropriati si fa affidamento esclusivamente su criteri ottici e non scientificamente validati. Questa situazione viene contrastata con una procedura di prova standardizzata per valutare la compatibilità con le camere bianche dei materiali.
1 Introduzione
Le esigenze di qualità di tutti i prodotti sono in continuo aumento. Un numero crescente di settori e i loro prodotti richiedono quindi una produzione conforme alla purezza. Nella “produzione pura” è necessario controllare tutti i fattori di contaminazione rilevanti per il prodotto. Soprattutto in settori come l’industria dei semiconduttori, l’industria alimentare o quella farmaceutica, la prevenzione di contaminazioni particellari riveste un ruolo di particolare importanza. I mezzi di produzione impiegati in ambienti puri spesso contribuiscono significativamente alla contaminazione dell’ambiente “puro”.
I processi che portano alla generazione di emissioni di particelle sui mezzi di produzione sono riconducibili a fenomeni di attrito e vibrazione. Da sottolineare: i fenomeni di attrito causati dal movimento relativo delle superfici dei mezzi di produzione rappresentano la quota più alta. Attualmente non esiste un modello scientifico consolidato che permetta di prevedere la selezione dei materiali per le produzioni pure già in fase di sviluppo dei mezzi di produzione, in relazione alla generazione di particelle sulle superfici tecniche di contatto.
Non sono noti studi di ricerca che approfondiscano le correlazioni tra le proprietà tecniche delle coppie di materiali e la generazione di contaminazioni, in particolare delle particelle trasportate dall’aria sui mezzi di produzione.
Per classificare il comportamento di contaminazione di materiali di base o rivestimenti superficiali, è necessario sviluppare una procedura per determinare la compatibilità con le camere bianche delle coppie di materiali.
2 Prioritizzazione dei tipi di contaminazione
Oltre al comportamento elettrostatico di contaminazione o alla emissione di sostanze organiche volatili leggere, riveste particolare importanza l’emissione di particelle trasportate dall’aria, di dimensioni microniche o sub-microniche. Se si esclude la fonte di particelle “umano”, quest’ultimo processo ha il maggiore impatto sull’inquinamento del prodotto (con circa il 30-40% di tutte le contaminazioni indesiderate presenti in camera bianca). Un’indagine rappresentativa condotta su circa 270 aziende ha evidenziato che le contaminazioni di forma particellare sono al primo posto in termini di necessità di ricerca:
- Due terzi di tutte le richieste riguardano la riduzione o l’assenza di particelle.
- Connessa all’emissione di particelle, si pone anche la qualità superficiale dei materiali impiegati (vedi figura 1).
Le particelle emesse dai mezzi di produzione si originano a causa di vibrazioni di materiale o di movimenti relativi di almeno due materiali a contatto. In questi accoppiamenti di attrito tra componenti dei mezzi di produzione, le superfici dei sistemi di produzione esercitano un’influenza decisiva sulla generazione di particelle.
3 Obiettivi principali
3.1 Sviluppo di una procedura di prova
Per chiarire il comportamento di emissione di particelle di diversi accoppiamenti di materiali, si svilupperà una procedura di prova standardizzata. Per la realizzazione pratica, si utilizzerà un banco di prova per materiali, che consenta di esaminare i materiali destinati all’uso in ambienti di camera bianca senza contaminazioni. Lo sviluppo di una procedura di prova scientificamente fondata garantisce:
- Reproduttibilità
- Comparabilità
- Validità e
- Interpretazione dei risultati di misura.
3.2 Schema di valutazione e classificazione
Per analizzare e classificare i dati di misura ottenuti, devono essere sviluppati e applicati meccanismi di valutazione. In parte, si può fare riferimento a linee guida e standard già esistenti nel settore dei semiconduttori e delle camere bianche. Gli algoritmi di analisi dei dati di misura devono chiaramente evidenziare l’idoneità dei vari accoppiamenti di materiali per l’uso in ambienti puri.
3.3 Ottimizzazione degli accoppiamenti di materiali
L’approccio si suddivide in:
- Analisi dello stato attuale (prima valutazione dello stato di contaminazione),
- Modifica dell’accoppiamento di materiali (ottimizzazione del sistema tribologico),
- Analisi di verifica (nuova valutazione dello stato di contaminazione).
Questa suddivisione permette uno sviluppo sistematico degli accoppiamenti di materiali in funzione dei requisiti di purezza. Analizzando la contaminazione particellare trasportata dall’aria, si possono formulare giudizi sull’idoneità degli accoppiamenti di materiali per le classi di purezza dell’aria esistenti, poiché questa tipologia di contaminazione è l’unica a essere presa in considerazione negli standard internazionali di purezza dell’aria. Ciò aumenta significativamente l’accettazione nazionale e internazionale della procedura di prova e dei suoi risultati.
4 Sviluppo del metodo
Quasi tutti i movimenti nelle apparecchiature di produzione portano a fenomeni di attrito tra due materiali. L’attrito, a sua volta, è la causa più frequente di formazione di particelle. Per rendere questo aspetto scientificamente misurabile, è necessario rilevare e valutare le emissioni di particelle tramite strumenti di misura. Il primo passo consiste nell’identificare la principale fonte di emissione su componenti reali o parti di essi. Per ridurre al minimo le influenze esterne sui risultati delle misurazioni delle principali fonti di emissione, si devono eliminare quante più fonti di disturbo possibili. Ciò si ottiene meglio rimuovendo e separando la zona di contatto di attrito dal componente reale. A tal fine, la zona di contatto deve essere riprodotta in un banco di prova in condizioni di laboratorio standardizzate e riproducibili (vedi figura 2). La procedura di valutazione della purezza dei materiali testati deve fornire due indicazioni:
- In quali classi di purezza dell’aria (secondo standard internazionali di valutazione della purezza dell’aria) possono essere impiegate le coppie di materiali “separate”?
- In che misura i risultati ottenuti in laboratorio sono trasferibili a componenti reali.
Le componenti reali vengono valutate secondo la procedura consolidata VDI 2083 foglio 8 “Compatibilità con le camere bianche delle apparecchiature”, che si applica alla valutazione di componenti complessi. Tuttavia, questa procedura non è adatta per lo studio di singoli accoppiamenti di materiali.
Trasferimento dei risultati a componenti reali
Dopo aver identificato le zone di attrito e averle riprodotte in un banco di prova di laboratorio, si adattano le sollecitazioni alle condizioni di carico tipiche delle componenti reali. Si effettuano misurazioni di classificazione e analisi secondo VDI 2083 foglio 8 (componenti reali) e secondo il modello di classificazione per gli accoppiamenti di materiali, considerando un insieme di tre condizioni di carico rappresentative. Per verificare la trasferibilità dei risultati di classificazione ottenuti, è necessario sviluppare un modello. Questo può essere fatto solo successivamente, una volta che il modello di classificazione per la valutazione della compatibilità con le camere bianche degli accoppiamenti di materiali nei banchi di prova sia stato stabilito. Tutti i dati di misura e le conclusioni devono essere convalidati tramite metodi statistici appropriati.
5 Progettazione di un banco di prova per materiali
5.1 Fenomeni di attrito
L’attrito tra due corpi può essere realizzato con i seguenti tre metodi (vedi figure 3 e 4).
- Nel “test sfera-disco”, una sfera viene premuta contro la superficie di un disco. La zona di contatto è puntiforme, la sfera è fissa.
- Nel “test disco-disco”, un disco rotante viene avvicinato lateralmente a un altro disco motorizzato e rotola su di esso. La zona di contatto è lineare, entrambe le superfici sono curve nella zona di contatto.
- Nel “test rullo-disico”, un rullo (ad esempio in acciaio inossidabile o PA6) viene premuto contro la superficie di un disco rivestito con il materiale da esaminare. Questo metodo viene impiegato per studiare rivestimenti o rivestimenti superficiali su cui, in condizioni reali, rotano rulli. Ad esempio, il “test rullo-disico” si utilizza per verificare i pavimenti di ambienti di camera bianca su cui circolano carrelli motorizzati.
5.2 Principio di prova
Poiché il “test sfera-disco” è molto diffuso in letteratura e in pratica, sono disponibili ampi dati di correlazione tra questo test e la generazione di particelle. Un ulteriore vantaggio è che il contatto tra i materiali è puntiforme, garantendo un elevato livello di standardizzazione. Per le considerazioni successive si utilizza il “metodo sfera-disco”. In questo, una superficie di prova ruota con frequenza f sotto una sfera di diametro d, premuta contro di essa con una forza normale FN e un raggio r. Alla zona di contatto tra sfera e disco si verifica un’usura del materiale, accompagnata dall’emissione di particelle. Si forma una traccia di usura. Le caratteristiche di questa traccia e della zona di contatto possono essere analizzate in funzione delle forze di carico applicate su componenti reali (superficie di pressione, lunghezza del percorso, carichi multipli su tratti di percorso) per valutare e distinguere le diverse condizioni di usura.
5.3 Identificazione dei parametri principali
Nel “test sfera-disco”, i corpi di prova (sfera e disco) costituiscono un sistema di usura. Questo può essere descritto tramite un insieme di parametri. Per i test condotti, i parametri principali del sistema di usura, in accordo con DIN 50320 (vecchio), sono illustrati in figura 5.
In letteratura non sono disponibili dati riguardanti l’emissione particellare specifica di accoppiamenti di attrito o la correlazione tra grandezze tribologiche e emissione di particelle osservata. La norma DIN 50324 (vecchia) descrive un test a anello in cui vengono esaminate coppie di acciai inossidabile mediante il “test sfera-disco”. I parametri di ingresso usati in questo test sono stati un punto di partenza per i pre-test.
Nei pre-test si è studiata la dipendenza delle grandezze di interesse (emissione di particelle, grandezze tribologiche) dalla forza normale e si è monitorato l’andamento nel tempo su un periodo prolungato.
5.4 Implementazione del concetto di banco di prova
Figura 6 mostra il concetto di un banco di prova basato sul “test sfera-disco”, che deve rispettare i requisiti di compatibilità con le camere bianche e di purezza del banco stesso.
5.5 Integrazione delle analisi delle particelle con la determinazione delle grandezze tribologiche
Parallelamente allo studio dell’emissione di particelle, vengono determinate le grandezze tribologiche. Per confrontare i risultati, si utilizza come riferimento l’emissione di particelle. Dai valori di misura delle diverse classi di particelle (> 0,2 µm; > 0,3 µm; > 0,5 µm e > 5,0 µm) si può derivare il “volume di particelle”.
Le grandezze tribologiche vengono analizzate singolarmente e in forma combinata (ad esempio come volume della traccia di usura) rispetto a questa grandezza. In questo modo si può valutare la relazione tra le grandezze tribologiche e i valori di emissione di particelle.
6 Modello di classificazione per accoppiamenti di materiali
L’obiettivo principale è monitorare e caratterizzare l’emissione di particelle durante il carico tribologico. I contatori ottici di particelle utilizzati forniscono i dati di conteggio in modo differenziale, cioè come eventi di conteggio per intervallo di tempo o di volume di misura. Nei pre-test si è osservato che la rappresentazione grafica dei valori di particella rispetto al numero di rotazioni mostra un comportamento molto instabile, rendendo i dati in questa forma inadatti per una caratterizzazione affidabile (vedi figura 7).
Durante la prima rotazione della sfera sulla superficie di prova, questa si muove su una traccia ancora intatta, con emissione di particelle molto bassa. Nelle rotazioni successive, la sfera percorre tracce già usurate, con emissioni di particelle più elevate. Questo effetto si ripete nelle rotazioni successive, spiegando il comportamento disomogeneo dei valori di emissione nel tempo totale. Di conseguenza, le condizioni per un’analisi statistica con metodi come Student-t o Poisson, richiesti dalla VDI 2083 foglio 8, non sono più soddisfatte.
In generale, si osserva un trend di aumento dei valori di misura con il numero di rotazioni (vedi figura 7). Se si sommano tutte le particelle generate fino a un certo numero di rotazioni discreto, si ottiene una rappresentazione integrale dei valori di emissione. Le curve risultanti in questa rappresentazione mostrano un andamento continuo (vedi figura 8).
Attraverso questa rappresentazione integrale, si possono generare grafici utili come base per la caratterizzazione dell’emissione di particelle.
Per spiegare l’aumento osservato dei valori di emissione nel tempo si ipotizza che già durante la prima rotazione della coppia di materiali si generino particelle come abrasivi. Nelle rotazioni successive, la coppia di materiali, insieme alle particelle già generate, produce ancora più particelle, creando un effetto a valanga. Matematicamente, si tenta di rappresentare questa crescita a valanga dell’emissione di particelle con un modello esponenziale::
Dopo aver approssimato i grafici cumulativi di emissione di particelle tramite regressione non lineare, le curve possono essere analizzate con precisione matematica. I parametri a e b, o la coppia di valori (a/b) delle curve di regressione, rappresentano un indice di confronto per il tasso di emissione e, di conseguenza, per la compatibilità con le camere bianche.
Poiché il numero di particelle generate è direttamente correlato al numero di rotazioni e solo in misura minore al tempo trascorso, si utilizza come variabile di avanzamento il numero di rotazioni anziché il tempo di misura. Convertendo i limiti massimi consentiti di particelle per le classi di purezza dell’aria secondo DIN EN ISO 14644-1 in funzione del numero di rotazioni, si ottiene un diagramma di classificazione della purezza dell’aria adattato al problema (vedi figura 9).
Le curve di regressione che attraversano i valori cumulativi di particelle sempre tagliano le linee limite delle classi di purezza dell’aria. Per ridurre la coppia di parametri (a/b) a un singolo parametro e ottenere una valutazione univoca della compatibilità con le camere bianche, è necessario fissare un numero di rotazioni. Nell’esempio mostrato, la coppia di materiali analizzata, alla rotazione di riferimento N=500, si trova tra le linee limite delle classi ISO 5 e ISO 6, quindi può essere considerata idonea per ambienti ISO-Classe 6.
7 Vantaggi del metodo di classificazione
Di seguito vengono riassunti i vantaggi del modello di classificazione per la valutazione della compatibilità con le camere bianche di qualsiasi coppia di materiali::
8 Prospettive
Nelle ricerche future si approfondiranno principalmente le relazioni tra i risultati di classificazione di componenti reali — come quelli classificati secondo la VDI 2083 foglio 8 — e le coppie di materiali “separate” in banchi di prova di laboratorio.
