Qualificare la leggerezza attraverso la tomografia computerizzata

Fig. 1: Al KUZ è disponibile il Tomografo Computerizzato (TC) Werth TomoScope® XS.

Fig. 2: Tomografia computerizzata di un composito a fibre lunghe di PP. Le ellissi rosse mostrano la distribuzione dell'orientamento delle fibre. Per questo, lo spessore della parete del campione di 2 mm è stato suddiviso in 10 strati. La freccia blu indica la direzione di flusso durante lo stampaggio ad iniezione. / Fig. 3: Dalla tomografia computerizzata del campione di fibre lunghe di PP sono state selezionate le fibre. Ciò consente, tra l'altro, di determinare la frazione di volume locale delle fibre.

Fig. 4: In questa sezione longitudinale di un campione PA6GF30 sono rappresentate la distribuzione della densità, la struttura delle bolle e l'orientamento delle fibre (da sinistra a destra).

Fig. 5: a sinistra: nuvola di punti (file STL); a destra: misurazione precisa (scostamento circa 3 µm)

Fig. 6: Connessioni con rivetti di diverse forme di testa. Porosità nella testa del rivetto (a sinistra). Saldature di fissaggio nell'area di contatto tra testa del rivetto e perno (al centro e a destra).

I materiali plastici sono materiali destinati a essere utilizzati per applicazioni leggere. Per sfruttare al massimo l'effetto di leggerezza del materiale, è necessario rendere i loro potenziali utilizzabili in modo mirato.

I valori meccanici dipendono dalla direzione. In primo piano, la disposizione delle fibre gioca un ruolo importante. Nel pressofusione di schiuma termoplastica (TSG), inoltre, sono rilevanti differenze locali come la densità e la geometria delle bolle per il comportamento meccanico del pezzo stampato. Tenendo conto di ciò, è possibile generare pezzi stampati molto leggeri e rigidi alla flessione. Per comprendere meglio gli effetti e le correlazioni nel processo TSG, il Centro di Plastica di Lipsia (KUZ) esamina i pezzi stampati con la tomografia computerizzata (CT). Con questa tecnologia è possibile rappresentare e analizzare dettagliatamente le fibre, le bolle e la distribuzione della densità dei pezzi stampati.

Alla traccia delle fibre

Con l'ausilio di una potente CT (TomoScope® XS di Werth) e di software di analisi all'avanguardia (Avizo di FEI), le scansioni CT, con una risoluzione di 2 µm, possono essere selezionate e misurate nelle componenti dei pezzi scansionati. In questo modo, è possibile determinare, ad esempio, l'orientamento delle fibre e la loro quota volumetrica. Nell'immagine 2 è mostrata una scansione di un campione di fibra lunga di polipropilene. In essa, le fibre sono visibili in toni di grigio chiari, mentre la matrice di polipropilene in toni di grigio scuri.

Il campione è stato suddiviso in 10 strati di uguale spessore di 2 mm lungo la parete. In ogni strato, l'orientamento delle fibre è stato determinato con Avizo e rappresentato con un ellissoide rosso. La lunghezza dell'asse più lungo dell'ellissoide indica la direzione preferenziale media delle fibre. Le altre due assi dell'ellissoide sono perpendicolari a questa direzione preferenziale. Più fibre sono orientate in una certa direzione, più lungo appare quell'asse. Se tutte le fibre sono teoricamente allineate nella stessa direzione, l'ellissoide diventa una linea. Se le fibre sono distribuite uniformemente in tutte le direzioni spaziali, l'ellissoide si trasforma in una sfera.

La freccia nell'immagine 2 indica la direzione di flusso. È possibile osservare che, tipicamente per lo stampaggio a iniezione, le fibre nel bordo (zona di taglio) sono preferenzialmente orientate nella direzione di flusso, mentre le fibre al centro sono perpendicolari. Nell'immagine 3, le fibre sono selezionate come volume. Ciò permette di determinare localmente la quota volumetrica delle fibre e di considerare anche le differenze all’interno del pezzo stampato.

Esaminare la schiuma

I pezzi stampati TSG si caratterizzano per strati di rivestimento compatto e un nucleo schiumato. Di conseguenza, i pezzi schiumati hanno un’elevata rigidità alla flessione specifica in rapporto al peso. Nell'immagine 4 sono visualizzate le tre principali proprietà strutturali. Si vede una sezione longitudinale di un pezzo in nylon 6 con il 30% di fibre di vetro corte. In alto e in basso sono visibili gli strati di rivestimento compatto, con al centro il nucleo schiumato. A sinistra nell'immagine 4 è rappresentata la densità. I toni di grigio chiari indicano aree di alta densità negli strati di rivestimento, mentre i toni di grigio scuri rappresentano zone di bassa densità nel nucleo di schiuma. Al centro nell'immagine 4 sono selezionate le bolle. La geometria di ogni bolla può essere misurata singolarmente e ulteriormente analizzata. Infine, a destra, è visualizzata la distribuzione dell’orientamento delle fibre, come già descritto sopra.

Con queste informazioni, è possibile, ad esempio, confrontare i risultati con le simulazioni di stampaggio a iniezione. Inoltre, si possono qualificare simulazioni meccaniche con materiali anisotropi, cioè con valori di proprietà dipendenti dalla direzione.

Altre potenzialità della tomografia computerizzata

La CT consente di esplorare ulteriori importanti questioni nell’ingegneria dei materiali plastici. Come per l’analisi di bolle e fibre, è possibile studiare anche additivi funzionali come, ad esempio, particelle metalliche.

Grazie all’ispezione senza contatto e non distruttiva, la CT permette la misurazione tridimensionale di contorni esterni e interni non accessibili, il controllo delle posizioni in assemblaggi e il confronto tra il modello CAD e il pezzo reale. L'immagine 5 mostra un ingranaggio in cui sono stati misurati i segmenti rilevanti.

Anche nell’analisi dei danni, la CT mostra le sue potenzialità. È possibile individuare inhomogeneità come porosità, cavità, crepe o linee di giunzione. Con l’ampia esperienza del KUZ, è possibile sviluppare strategie per risolvere i problemi e migliorare i processi.