Qualifica dei Materiali Compositi? In Bercella la facciamo così

Un percorso iniziato ormai dieci anni fa ma che, come l’azienda, è in continua e costante evoluzione. Un progetto di crescita, dunque, che ha portato Bercella ad essere una delle poche realtà europee a disporre di un proprio Laboratorio interno per il test e la qualifica dei materiali; molto più di un semplice Controllo Qualità in-house.

Le analisi che vengono condotte sulle materie prime (prepreg) consentono di arricchire a mano a mano una banca dati sempre più ampia relativa alle proprietà di questi materiali. I dati così raccolti diventano poi fondamentali per il reparto progettazione, che su di essi impronta il design di un particolare componente in modo da ottimizzare le prestazioni degli stessi. Il Laboratorio ha anche una funzione educational – se vogliamo chiamarla così, partecipando alla formazione di un know-how aziendale sempre più ampio. Di fatti, così come è chiaro che i Compositi abbiano caratteristiche differenti dai metalli, vale la pena sottolineare come anche i Materiali Compositi stessi siano sostanzialmente diversi gli uni dagli altri, rendendo necessario testare ogni nuovo materiale per definirne le prestazioni. Il solo Data Sheet, cioè la documentazione che riassume le caratteristiche di un dato materiale, può essere utile per effettuare delle stime di massima sul comportamento dei componenti, ma non basta per avere un quadro completo e garantire una progettazione corretta. È proprio in queste situazioni che la capacità di effettuare test in maniera rapida ed efficace, in aggiunta ad una banca dati interna diventa cruciale sia per la conoscenza della materia prima sia per l’ottima riuscita del progetto nel suo complesso. Le attività svolte nel Material Testing Lab di Bercella si possono racchiudere principalmente in due categorie, test meccanici e test fisici, e in tre scopi, incoming inspection, campagne di caratterizzazione, e controlli di produzione.

Incoming Inspection

L’obiettivo dell’Incoming Inspection, o Controllo in Accettazione, è quello di verificare la conformità di un materiale o componente alle specifiche con cui è stato acquistato. Questa verifica viene svolta su tutti i materiali critici, oppure laddove il cliente lo indichi come necessario anche su materiali standard. Il materiale/componente grezzo viene studiato attraverso l’utilizzo di un suo campione, denominato provino (Coupon) che può essere realizzato sia da materiale non curato (ad esempio nel caso dei prepreg) sia curato (in quest’ultimo caso è già stato effettuato il ciclo di polimerizzazione in autoclave, detto ciclo di cura) e su questo vengono eseguiti test per verificare che le sue proprietà meccaniche e chimico-fisiche effettive corrispondano a quelle attese.

Campagne di caratterizzazione

Vengono lanciate quando ci si trova di fronte a materiali nuovi oppure quando si renda necessario determinare le prestazioni meccaniche dei materiali che dovranno essere utilizzate per la progettazione, per essere in grado a priori di gettare delle basi solide per il progetto a venire. In questo ambito vengono effettuate ulteriori prove di trazione, compressione e flessione a supporto della fase di Design, sia sui cosiddetti laminati solidi (costituiti dalla sola Fibra di Carbonio), sia sui pannelli sandwich (lastre di Fibra di Carbonio con al loro interno un’anima – core – realizzata secondo specifiche procedure). Queste prove, effettuate in associazione a degli estensimetri, permettono di determinare numerosi fondamentali parametri come Modulo di Young, Carico di Rottura, Modulo di Poisson, Interlaminar Shear Strenght and Stress, modulo di compressione, etc.

Controlli di produzione

In parallelo alla realizzazione di un componente, tipicamente nel settore Aerospace, vengono realizzati dei witness sample (testimoni), che sono realizzati contestualmente al processo di produzione, e che consentono la validazione di una particolare fase (laminazione, incollaggio ecc.): le loro prestazioni saranno quindi rappresentative dei risultati attendibili dal componente “reale”. Il Controllo di produzione, quindi, fa sempre parte del filone del Controllo Qualità ma non si tratta più di test su materie prime, bensì di test volti a validare la qualità e/o ripetibilità dei processi di produzione interni. Ciò deriva dalle caratteristiche dei nostri processi produttivi, definiti processi speciali, i quali sono per la quasi totalità delle volte diversi tra loro e che necessitano quindi di continui e accurati controlli.

TEST MECCANICI

I test meccanici appena descritti sono possibili grazie alla presenza di due macchinari principali. Il primo, del 2017, è la Zwick Roell Z100 ed è una macchina universale dotata di un fondo scala molto ampio (100kN) e di un software di gestione avanzato. Questo macchinario permette molta flessibilità anche lato cliente, soprattutto per la sua versatilità: infatti, è dotata di una serie di accessori (attrezzature e pacchetti software) che ne arricchiscono il funzionamento in base ai test da effettuare (trazione, flessione, compressione) o ai materiali che si vanno a studiare. Garantisce quindi una molteplicità di applicazioni e una vasta gamma di miglioramenti, un po’ come un software open source che può essere rimaneggiato e arricchito molte volte. L’altro macchinario in dotazione al Laboratorio è stato acquistato nel 2011, quindi in concomitanza con la nascita del Lab, si chiama METROCOM ed è una macchina di trazione di taglia inferiore (50kN).

TEST CHIMICO – FISICI

I Materiali Compositi si chiamano così perché sono formati da due elementi: le fibre e la matrice. Mentre i test meccanici visti in precedenza vanno a misurare le proprietà delle fibre, quelli chimico-fisici testano invece le prestazioni della matrice; Bercella è specializzata nell’uso della resina epossidica, di gran lunga la più diffusa e prestante nel mondo della tecnologia Prepreg e Autoclave. Questa resina termoindurente, fluida e appiccicosa a temperatura ambiente, indurisce quando raggiunge una determinata temperatura, avendo così la funzione di consolidare le fibre, conferendo al pezzo la sua forma e assolvendo alla funzione di trasferimento del carico. È importante testare le caratteristiche della matrice in quanto, oltre una certa temperatura, essa perde di proprietà e una volta che questo succede, nonostante le fibre possano ancora essere integre, non sono più in grado di trasferire carico tra di loro e quindi il materiale non lavora più con le prestazioni attese.

La macchina più importante in questo campo serve per i test DSC (calorimetria differenziale a scansione), cioè la principale tecnica di analisi termica utilizzabile per caratterizzare molti tipi di materiali tra cui appunto i compositi. Il principio di base di questa tecnica consiste nel ricavare informazioni sul materiale riscaldando o raffreddando in maniera controllata un piccolissimo campione e permette di caratterizzare la risposta in temperatura della resina, sia curata sia non curata, cioè sia prima sia dopo l’avvenuto processo di cura in autoclave. Successivamente, confrontando i risultati ottenuti sia sul campione di materiale non curato sia sul campione curato, si evince se i risultati ottenuti sono da ritenersi in linea con quelli attesi. Gli obiettivi possono essere molteplici: analizzare se un adesivo multicomponente sia stato miscelato con le giuste proporzioni, verificare se un ciclo di cura in autoclave ha portato a piena polimerizzazione la resina, ecc.

Un’altra macchina fondamentale viene usata per i test DMA (analisi meccanica dinamica), che invece applica una forza costante al provino, aumentando al tempo stesso la temperatura al suo interno. In questo caso si vede come, entro un certo range di temperatura, il provino perda quasi del tutto le sue proprietà meccaniche; questo range viene denominato temperatura di transizione vetrosa (TG). Così facendo viene determinata la temperatura di esercizio massima di quel pezzo. Per esempio, se una resina ha una temperatura di transizione vetrosa di 120° – 130°C, posso affermare che un componente prodotto con quel materiale potrà essere utilizzato in un ambiente che non superi quella temperatura.

Ovviamente, anche la bilancia è uno degli strumenti più utili in Laboratorio in quanto dalle variazioni di peso si può evincere la densità del materiale: le nostre sono estremamente accurate, con un fondo scala di 220gr e una divisione di 0,0001 grammi!

Da ultimo, il forno a muffola è un forno che raggiunge temperature di 700°C e serve per misurare, tra le altre cose, la percentuale di impregnazione. Nel concreto, il supplier fornisce i preimpregnati con delle percentuali di resina prestabilite, in base alle quali le proprietà del materiale possono cambiare anche sensibilmente. È perciò molto importante misurare le percentuali delle fibre e della resina che compongono il provino, in quanto potrebbero spiegare delle variazioni di prestazione. Il provino curato viene quindi misurato a temperatura ambiente, poi messo in forno ad alta temperatura che, degradando la resina, restituisce solo le fibre. A questo punto, pesando le fibre e facendo la differenza rispetto al peso del provino, si verifica se la percentuale di impregnazione sia allineata alle aspettative. In conclusione, grazie al forno a muffola si verifica sia il materiale fornito, sia la qualità del processo di cura interno.

Matteo Menoni, Material Testing Lab Manager, racchiude così i vantaggi derivanti dall’avere questa tecnologia in-house: “Come detto in precedenza, sicuramente disporre di un Material Testing Lab interno all’azienda consente alla stessa di sviluppare un proprio know-how sia sui materiali che sui processi, che aumenta di pari passo con i progetti sui cui siamo coinvolti, con i test svolti e con i materiali di volta in volta qualificati. Inoltre, vengono garantiti al cliente una maggiore rapidità, un più efficace controllo dei costi di test prima e di produzione poi, realizzando i provini con gli stessi impianti che verranno poi utilizzati per la produzione dei componenti, e garantendo una maggiore flessibilità operativa. Allo stesso tempo, infine, si può dire che il Laboratorio porti alla nascita di un reparto di Ricerca e Sviluppo interno e viceversa, in un circolo di influenze sicuramente positive e fondamentali per un’azienda vocata all’innovazione come la nostra.”

Riassumendo, i test eseguibili all’interno del Material Testing Lab di Bercella (e le relative normative di riferimento) sono:

Test sui laminati solidi
Prove di: