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Prove su compositi

Un materiale composito è la combinazione di due o più materiali incollati tra loro. Questa combinazione determina proprietà dei materiali precise, quali durezza e rigidità in direzioni specifiche, riuscendo a mantenere un peso contenuto e permettendo così di sviluppare sempre nuove applicazioni.

I materiali compositi in fibra stanno trovando nuovi impieghi in molti prodotti diversi, il che a sua volta aumenta l'importanza di testarne le proprietà. I velivoli come l'Airbus A380 e A350 o il Boeing 787 sono esempi concreti nel settore dell’aviazione civile in cui viene impiegata un'alta percentuale di compositi in fibra di carbonio. I telai delle automobili BMW I3 e I8 sono costituiti interamente da materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio CFRP. Essi hanno un peso talmente ridotto da poter essere facilmente trasportati da due sole persone. Anche nelle auto da corsa sono stati utilizzati per diverso tempo compositi rinforzati con fibre. Le pale delle grandi turbine eoliche sono realizzate con diversi tipi di compositi: i compositi con fibre unidirezionali assorbono le forze centrifughe, le superfici esterne sono realizzate con compositi con fibre multidirezionali e la struttura generale ha un design a sandwich. Non dimentichiamo l’importanza che hanno questi materiali anche nell'ambito dell'ingegneria medicale, come ad esempio nella realizzazione delle protesi e nel settore edilizio, dove vengono utilizzati come materiali multiformi per la costruzione di ponti e nell'ingegneria delle facciate.

Nel settore aerospaziale, un argomento di grande interesse è lo stoccaggio dell'idrogeno liquido a temperature criogeniche. L'obiettivo del test è identificare le caratteristiche e scoprire nuove conoscenze sul comportamento dei materiali a temperature molto basse.

Prove su compositi Tipi di compositi Requisiti delle prove sui compositi Sistema di prova modulare Progetti cliente Brochure compositi Test sui compositi criogenici

Video: Introduzione alle prove sui compositi

Registrazione del webinar Introduzione alle prove sui compositi:
Per saperne di più sui metodi di prova fondamentali e sugli strumenti di prova utilizzati nelle prove sui materiali compositi per la garanzia della qualità e la progettazione di strutture in composito:

  • Applicazioni dei materiali compositi (da 3:28)
  • Prove di trazione e allineamento (a partire da 15:32)
  • Prove di compressione (da 20:25)
  • Prove di taglio (da 31:07)
  • Prove di flessione (da 37:58)
  • ILSS / resistenza al taglio interlaminare (da 42:21)
  • Macchine per prove statiche e strumenti di prova (da 45:26)
  • Misurazione dell'allungamento e della deflessione (da 49:40)

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Prove di trazione sui compositi

Le prove di trazione sui compositi sono utilizzate per determinare i valori caratteristici elastici del modulo di trazione e dell’indice di Poisson, nonché la resistenza alla trazione nelle principali direzioni del materiale dei materiali plastici rinforzati con fibra.

  • I metodi di prova più comuni per le prove di trazione sui compositi sono ISO 527-4 e ISO 527-5, ASTM D3039, nonché EN 2561 e EN 2597.
  • La normativa Airbus AITM 1-0007 include i requisiti di prova sia per le prove di trazione su laminati multidirezionali senza intaglio che per le prove di trazione con intaglio per la determinazione della resistenza alla trazione utilizzando i metodi di prova a foro aperto (OHT) e a foro riempito (FHT) . Le prove di trazione a foro aperto e a foro riempito sono eseguite principalmente per applicazioni aerospaziali per determinare i fattori di riduzione dei laminati multidirezionali sotto carico di trazione a foro aperto o chiuso. Altri metodi di prova standardizzati per la determinazione della resistenza alla trazione a foro aperto e a foro riempito sono ASTM D5766 e ASTM D6742.
Prove di trazione sui compositi
ISO 527-4, ISO 527-5
a Prove di trazione sui compositi
Prove di trazione sui compositi
ASTM D3039
a Prove di trazione sui compositi

Prove di compressione sui compositi e prove di compressione su provini con intaglio

Le prove di compressione sui compositi sono utilizzate per determinare il modulo di compressione e la resistenza alla compressione nelle principali direzioni del materiale dei materiali plastici rinforzati con fibra. Poiché la resistenza alla compressione nella direzione delle fibre del laminato è spesso inferiore alla resistenza alla trazione e le modalità di rottura di un laminato FRP sotto carico di trazione e compressione sono molto diverse, la prova di compressione svolge un ruolo importante nelle prove sui compositi.

Per le prove di compressione sui compositi è disponibile un'ampia gamma di metodi e norme di prova, in cui si stabilisce una distinzione tra tre principi di applicazione del carico:

  • Compressione carico assiale secondo ASTM D695, DIN EN 2850 tipo B, Boeing BSS 7260 tipo III e IV
  • Prove di compressione con shear loading secondo ASTM D3410, ISO 14126 Metodo 1, DIN EN 2850 tipo A e Airbus AITM 1-0008 provino tipo A
  • Prove di compressione con combinate loading secondo ASTM D6641, ISO 14126 Metodo 2, e Airbus AITM 0008 provino tipo A

Oltre ai metodi di prova sopra citati per la determinazione dei valori di compressione dei laminati non intagliati, esistono prove di compressione con intaglio standardizzate sui compositi per la determinazione della secondo ASTM D6484 e della resistenza alla compressione a foro riempito (FHC) secondo ASTM D6742.
Oltre alle proprietà di compressione del laminato non intagliato, è possibile determinare i corrispondenti fattori di riduzione per i laminati multidirezionali sotto carico di compressione. Le prove di compressione con intaglio sono ulteriormente descritte negli standard industriali Airbus AITM 1.0008 e nei campioni di tipo B, D e C, nonché nel Boeing BSS 7260 di tipo I.

Prove di compressione carico assiale
ASTM D695, DIN EN 2850 Tipo B o Boeing BSS 7260 Tipo III e IV
Compressione con carico assiale: per prove su materiali compositi rinforzati con fibre continue
a Prove di compressione carico assiale
Prove di compressione con applicazione del carico di taglio
ISO 14126 Metodo 1, ASTM D3410 o DIN EN 2850 Tipo A
Compressione con carico di taglio (Shear load compression): per materiali compositi unidirezionali con resistenza inferiore nella direzione della fibra, e per tessuti e laminati compositi multidirezionali.
a Prove di compressione con applicazione del carico di taglio
Prove di compressione con applicazione del carico combinato
ISO 14126 (Metodo 2), ASTM D6641, Airbus AITM 1.0008
Compressione con carico combinati (combined load compression): Prove di compressione su compositi con sezioni trasversali più grandi e prove di compressione con laminati compositi unidirezionali rinforzati con fibre di carbonio ad alta resistenza
a Prove di compressione con applicazione del carico combinato
Compressione su provini con foro aperto, Compressione su provini con foro riempito, test di compressione su provini con intaglio
ASTM D6484, ASTM D6742, Boeing BSS 7260 tipo I, AITM1-0008
Determinazione dell'influenza di un foro sulla resistenza alla compressione di un provino laminato.
a Compressione su provini con foro aperto, Compressione su provini con foro riempito, test di compressione su provini con intaglio

Prove di taglio sui compositi

Le prove di taglio sui compositi sono utilizzate per determinare le caratteristiche di taglio in piano dei materiali plastici fibrorinforzati, come il modulo di taglio e la resistenza al taglio. Per i materiali FRP con valori caratteristici diversi nelle principali direzioni del materiale, il modulo di taglio deve sempre essere determinato tramite prove di taglio separate e non può essere calcolato da altri valori caratteristici elastici, come avviene ad esempio per i materiali isotropi.

Sono stati stabiliti tre diversi metodi di prova per la determinazione delle caratteristiche di taglio e del relativo comportamento:

Per la prova di trazione con un laminato a ±45° (in-plane shear test), è possibile utilizzare un set-up di prova identico a quello utilizzato per le prove di trazione. Tuttavia, per calcolare la deformazione di taglio è necessario acquisire la deformazione trasversale, oltre a quella assiale.

Per la prova Iosipescu e la prova rail shear con intaglio a v sono necessari provini con intaglio e dispositivi di prova corrispondenti. Anche in questo caso è necessaria la misurazione della deformazione biassiale. Si utilizzano spesso strain gage biassiali. In alternativa, la deformazione può essere misurata anche con la correlazione digitale delle immagini (DIC).
Le prove di taglio con intaglio a V possono essere utilizzate anche per determinare i valori caratteristici di taglio out-of-plane, quando sono disponibili laminati di spessore adeguato.

test IPS (in-plane shear) prove di taglio in piano
possono essere eseguite tramite le prove di trazione o compressione a ± 45° verso la direzione della fibra.
a test IPS (in-plane shear) prove di taglio in piano
Prove di taglio su provini con intaglio a V
sono utilizzate per la caratterizzazione delle proprietà di taglio in piano.
a Prove di taglio su provini con intaglio a V

Prove di flessione su compositi

Grazie alla relativa semplicità della configurazione di prova, alla geometria e alla lavorazione dei provini e alle condizioni in cui vengono eseguite le prove, i test di flessione sui compositi sono spesso utilizzati come parte del controllo qualità o per un rapido confronto tra materiali. Tuttavia, è necessario fare una distinzione tra le prove di flessione a 3 e a 4 punti. I metodi di prova standardizzati più comuni per le prove di flessione sui materiali plastici fibrorinforzati sono:

Se la rigidità della configurazione di prova è sufficiente, o se la flessibilità del dispositivo di prova può essere determinata e corretta nel software di prova, l'uso della corsa della macchina di prova è spesso accettato nella prova di flessione a 3 punti.
Tuttavia, per la prova di flessione a 4 punti, sarà necessario misurare la deflessione al centro del provino utilizzando un sistema di misurazione della corsa adeguato.

Prove di flessione
ISO 14125, ASTM D7264
Le prove di flessione su compositi (prove di flessione a 3 e 4 punti) vengono eseguite per determinare facilmente le caratteristiche meccaniche importanti.
a Prove di flessione
Prove di flessione a 3 punti, ASTM D 790
La ASTM D790 descrive le prove di flessione a 3 punti su materie plastiche rigide e semirigide, così come sui compositi compositi rinforzati con fibre lunghe.
a Prove di flessione a 3 punti, ASTM D 790

Resistenza al taglio interlaminare ILSS

La prova per la determinazione della resistenza al taglio interlaminare (ILSS) è uno dei test statici più comuni per i materiali plastici rinforzati con fibra ed è spesso utilizzata nell'ambito del controllo qualità. Il provino richiesto è relativamente piccolo, la prova è rapida e semplice da eseguire e la forza massima determinata durante la prova è sufficiente per la valutazione.

Gli standard di prova stabiliti per il test ILSS sono ISO 14130, EN 2377, EN 2563 e ASTM D2344.

I quattro standard descrivono un provino rettangolare, ma utilizzano dimensioni diverse per la lunghezza, la larghezza e lo spessore del provino. La norma ASTM D2344 definisce un provino curvo, come quello che potrebbe essere ricavato da un recipiente a pressione o dalla parete di un tubo.

Il dispositivo di prova utilizzato per il test ILSS deve essere in grado di soddisfare i severi requisiti di tolleranza richiesti dagli standard per ciò che concerne la configurazione.

Resistenza al taglio interlaminare ILSS
ASTM D2344, ISO 14130, EN 2377, EN 2563
descrive la resistenza al taglio tra i piani laminati dei compositi e viene determinata tramite una prova di taglio a trave corta (short beam shear test).
a Resistenza al taglio interlaminare ILSS

Prove per la determinazione del tasso di rilascio dell'energia interlaminare

Per comprendere il comportamento di delaminazione dei laminati compositi, vengono determinati il tasso di rilascio dell'energia interlaminare e il tasso di rilascio dell'energia interlaminare in caso di propagazione continua tramite test meccanici della frattura. Per la produzione dei campioni di prova è necessario un laminato in cui viene creato uno strappo artificiale nel piano centrale del laminato per mezzo di un film plastico molto sottile e non adesivo (spesso vengono utilizzati film di teflon).

I principali metodi di prova utilizzati sono la propagazione della cricca legata a un carico di trazione perpendicolare alla superficie della cricca (modo I) e la propagazione della cricca legata a un carico di taglio nella sezione trasversale del laminato (modo II). Per calibrare i metodi numerici di calcolo della propagazione delle cricche in un laminato, viene proposto anche un metodo di prova per carichi misti modo I+II:

  • Modo I test double cantilever beam (DCB) secondo ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 e Boeing BSS 7273
  • Modo II test end-notched flexure (ENF) secondo ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 e Boeing BSS 7273
  • Modo II test calibrato end-loaded split (C-ELS) secondo ISO 15114
  • Modo misto I+II test mixed-mode bending (MMB) secondo ASTM D6671
Tasso di rilascio di energia G (secondo Griffith)
Il tasso di rilascio di energia appartiene ai valori caratteristici della meccanica della frattura e viene solitamente determinato attraverso due modi di carico: Modo I e Modo II.
a Tasso di rilascio di energia G (secondo Griffith)

Prove di compressione dopo l'impatto (CAI) test

La prova di compressione dopo impatto (CAI) è un metodo di prova utilizzato per determinare la resistenza residua alla compressione di un laminato dopo un danno causato da un impatto. Il provino da testare viene pre-danneggiato con energie d'impatto specificate nel rispettivo standard di prova. Questo metodo consente di trarre conclusioni sulla tolleranza al danneggiamento di un laminato composito, al fine di garantire la sicurezza e l'affidabilità dei componenti, soprattutto nelle strutture composite potenzialmente sottoposte a carichi di impatto nell'industria aerospaziale.

Per il test CAI sono stati stabiliti i seguenti metodi di prova: ASTM D7136 e ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 e Boeing BSS 7260 tipo II.

Prove di compressione dopo l'impatto CAI
ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1.0010, Boeing BSS 7260 tipo II
Le prove CAI vengono eseguite per la caratterizzazione del danno che può avvenire, ad esempio, ad aerei o veicoli a causa dell'impatto con pietre, uccelli o in seguito ad altri incidenti.
a Prove di compressione dopo l'impatto CAI

Resistenza del cuscinetto e dei giunti

Oltre alle proprietà meccaniche dei laminati plastici fibrorinforzati, per la progettazione di strutture in composito sono necessarie anche prove per determinare la resistenza dei giunti.

I metodi di prova standardizzati utilizzati a questo scopo possono essere suddivisi a grandi linee in tre aree:

Prove di taglio a sovrapposizione
ASTM D5868, EN 6060, Airbus AITM 1-0019
Le prove di taglio sono utilizzate per mettere a paragone gli incollaggi di laminati.
a Prove di taglio a sovrapposizione

Prove di fatica su compositi

Per determinare il comportamento a fatica dei laminati compositi e ricavare le curve S-N, si eseguono solitamente prove cicliche dinamiche sotto carico di trazione pulsante. Le prove dinamiche standardizzate sui compositi applicabili sono la ASTM D3479 e la ISO 13003. La norma ISO 13003 descrive inoltre la prova di fatica dei compositi sotto carico ciclico dinamico di flessione.

Altri metodi di prova dinamici standardizzati per compositi sono:

  • Secondo ASTM D7615: “Open hole tension and open hole compression fatigue”
  • Secondo ASTM D6115: “Interlaminar crack growth under mode I fatigue load”
  • Secondo ASTM D6873 e Airbus AITM 1-0074: “Fatigue of bolted connections and dynamic bearing response tests”
  • Airbus AITM 1-0075 contiene informazioni sintetiche su come eseguire le prove di fatica ILSS, ILTS, OHT e OHC, FHT e FHC, pull-through, CAI e lap-shear.
Metodi per prove cicliche e dinamiche
vengono usati per determinare la durabilità di provini, elementi strutturali e componenti.
a Metodi per prove cicliche e dinamiche

Sistemi di prova modulari per compositi

I grandi laboratori con alti volumi di produzione utilizzano diverse macchine di prova per ciascun metodo, in modo da ridurre al minimo i tempi e i costi necessari per il riallestimento. I metodi di prova standard possono essere divisi a seconda dei seguenti range di prova:

  • Carichi fino a 1 kN: prove di flessione, tenacità a frattura, prove di trazione su filamenti singoli
  • Carichi fino a 10kN: prove di taglio, per esempio IPS, ILSS e V-notch, prove di trazione sulle sezioni dei filamenti, prove di trazione a 90° sui compositi unidirezionali, prove di trazione nella direzione dello spessore
  • Carichi fino a 100 kN prove di trazione a 0°, prove di trazione MD su laminati con spessore ridotto, prove di compressione in accordo alle normative ISO, ASTM ed EN, prove di compressione con intaglio e prove di pressione sui cuscinetti
  • Carichi oltre 100 kN: prove di trazione e compressione in accordo alle normative Airbus con spessore del laminato corrispondente, prove di compressione dopo l'impatto.

Se i volumi di produzione non sono alti o abbastanza consistenti da poter investire in diverse macchine di prova, l'alternativa ideale è allestire una singola macchina di prova in modo da poter eseguire più metodi con il minor sforzo di riallestimento possibile.

Per far fronte a tutte queste diverse necessità, ZwickRoell ha sviluppato macchine di prova elettromeccaniche e servoidrauliche con design modulare. I vantaggi dei sistemi modulari sono indiscutibili: tutti gli accessori e le attrezzature, gli estensimetri, il software, i pannelli di protezione e le camere climatiche sono modulari e progettati per lavorare insieme. Il fatto che ogni componente possa essere adattato in un secondo momento rende questo sistema a prova di futuro.

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