Tecniche di caratterizzazione delle laminazioni di prodotti di composito fibrorinforzato

Il costante incremento nell’utilizzo di materiali compositi in impieghi strutturali ha generato la necessità di monitorare precisamente le caratteristiche dei laminati. In questo articolo sono analizzate le differenti tipologie di strumenti utili per la osservazione sperimentale delle caratteristiche interne di componenti in materiale composito per fini industriali. Le apparecchiature utilizzate spaziano dalla tomografia industriale computerizzata, alla microscopia ottica, fino al microscopio elettronico a scansione SEM.

Modello CAD del telaio analizzato.
Modello CAD del telaio analizzato.

di Enrica Riva (Corresponding author) e Antonio Testa – Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Parma.

Reverse engineering, failure analysis e individuazione dei difetti sono i principali settori in cui è nata l’esigenza di disporre di metodologie di esame specifiche per i materiali compositi. L’osservazione a diversi livelli di dettaglio delle laminazioni fornisce le informazioni necessarie per la rilevazione delle caratteristiche interne del laminato quali spessore delle singole pelli, orientazione delle fibre, eventuali difetti di fabbricazione, cricche e interazioni fibre/matrice, composito/composito. In questa attività si è scelto di esaminare, in ottica controllo di qualità, un telaio per bicicletta da corsa in composito fibrorinforzato al carbonio di alta gamma. La particolare struttura monoscocca e la complessità della laminazione, tipiche di questo tipo di componenti, lo rendono un perfetto banco di prova per tecnologie di analisi del materiale.

Tomografia computerizzata (CT) industriale

La tomografia computerizzata è una metodologia diagnostica relativamente recente.  Storicamente utilizzata in campo medico diagnostico, questa tecnologia è stata adattata alle applicazioni industriali così da consentire l’analisi di strutture interne ed esterne dei componenti. La tomografia consiste nella scansione di un oggetto con un fascio di raggi-x catturando con un detector l’intensità del fascio che lo ha attraversato. In una scansione viene acquisito un gran numero di immagini relative a sezioni 2D dell’oggetto mentre questo ruota o roto-trasla. Successivamente le immagini vengono elaborate al fine di ottenere un volume 3D gestibile come modello CAD. La tomografia industriale sta diventando un metodo standard per la digitalizzazione del volume, ad esempio per comparare le dimensioni del prototipo di un nuovo prodotto rispetto alle dimensioni nel modello CAD prima di iniziarne la produzione in serie. I dati 3D possono essere utilizzati per l’analisi automatica dei difetti, per l’identificazione di spessori critici nell’oggetto, per la determinazione di dimensioni di parti non accessibili, per una failure analysis e per un’analisi statistica di caratteristiche dei materiali, quale la densità. Le scansioni tomografiche assicurano un’efficace messa a punto dei processi di costruzione additiva, fusione, saldatura, stampaggio e laminazione di compositi. Per le scansioni del telaio di bicicletta è stato utilizzato il tomografo North Star Imaging X5000 CT. Tale strumento permette l’acquisizione, in una singola scansione, di oggetti di dimensioni contenibili in un volume cilindrico di 810 mm di diametro x 1210 mm in lunghezza. Per poter rilevare gli spessori viene eseguito, in primo luogo, il riconoscimento delle superfici. L’operatore attraverso il software dedicato è in grado di distinguere le superfici interna ed esterna del componente e, successivamente, mediante uno specifico algoritmo di calcolo, valutare gli spessori in ogni punto della parte scansionata. Il software permette anche la visualizzazione dell’intera parte identificando i diversi spessori mediante una scala di colori. Questo tipo di analisi garantisce una grande praticità nella lettura dei valori puntuali di spessore mediante apposito puntatore e una accuratezza non ottenibile con la rilevazione manuale dalle sezioni 2D. Nell’analisi di un manufatto in materiale composito il rilevamento degli spessori permette il confronto tra plybook di laminazione e laminazione del pezzo reale. Questo dato ha diverse valenze dal punto di vista progettuale nel caso di reverse engineering o di verifica di conformità nella stesura delle pelli. Per quanto concerne l’analisi difettologica la tomografia risulta essere uno strumento estremamente potente. Innanzitutto, essendo un tipo di controllo non distruttivo (CND), è possibile osservare le parti senza doverle preventivamente sottoporre a lavorazioni meccaniche di taglio.  In tal modo tutti i difetti rilevati nelle scansioni sono propri dell’oggetto e non eventualmente generati nell’operazione di taglio. Questa caratteristica è molto importante quando si lavora con materiali compositi nei quali sono facilmente innescabili cricche interlaminari o delaminazioni con lavorazioni meccaniche invasive. Le funzionalità del software per l’analisi consentono di caratterizzare, con elevato dettaglio, le discontinuità del materiale: porosità da gas, irregolarità della matrice dovute a presenza di particelle indesiderate (inclusioni), fessurazioni e cricche.  La possibilità di evidenziare le aree difettose in un ambiente virtuale tridimensionale consente di attuare azioni di miglioramento e di ottimizzazione durante la produzione dei componenti. Nello studio difettologico applicato ai materiali compositi sono utili anche le scansioni bidimensionali del componente. Dalle immagini 2D, ovvero sezioni dell’oggetto, sono chiaramente individuabili delaminazioni interne, delaminazioni su superfici interne, inclusioni di aria o altri materiali e grinze nelle pelli. Integrando le informazioni ricavabili dalle immagini 3D con quelle 2D è possibile osservare la forma, le dimensioni e la distribuzione dei difetti all’interno di prodotti o localizzare zone particolarmente critiche ove sono concentrate difettosità tali da poter compromettere le funzionalità del prodotto. È possibile anche supportare il progettista nelle fasi di industrializzazione del prodotto e nel percorso di sviluppo ed ottimizzazione del processo produttivo.

Microscopia ottica

Il microscopio ottico è un tipo di microscopio che opera nel campo delle lunghezza d’onda dello spettro visibile. L’esame al microscopio dei materiali può essere compiuto utilizzando luce riflessa piuttosto che trasmessa, in quanto la luce riflessa offre l’unica possibilità di conoscere la struttura e la morfologia del materiale con un’accurata indagine superficiale. La luce viene riflessa all’interno del sistema di lenti del microscopio dai differenti componenti della superficie del campione in modo diverso e caratteristico del componente stesso.  Successivamente la luce passa nel sistema ottico del microscopio e raggiunge l’oculare, una macchina fotografica o una telecamera collegata ad uno schermo o ad un computer permettendo l’osservazione del campione e l’acquisizione di immagini. Il microscopio ottico permette di ottenere ingrandimenti fino a 1500x senza immersione e fino a 2500x con immersione. L’analisi con microscopio ottico è di tipo distruttivo, infatti implica il prelievo di un campione di materiale dal componente. Il campione successivamente viene inglobato in un supporto di resina e lappato. I provini devono avere dimensioni contenute, conformi sia alla macchina inglobatrice sia al piano di osservazione del microscopio (indicativamente in un provino di 40mm di diametro può essere inglobato un campione di dimensioni massime pari a 25mm x 25 mm). Questo requisito rappresenta il limite maggiore di questa metodologia di controllo, sopratutto se il componente sotto esame è di grandi dimensioni come un telaio ciclistico. Sarà infatti necessario prelevare un gran numero di campioni per esplorare tutte le caratteristiche della laminazione. Le osservazioni devono essere svolte con livelli di ingrandimento progressivamente maggiori per cogliere localmente le diverse peculiarità della stratificazione. Le informazioni locali ottenute con questo tipo di osservazione possono essere sfruttate in diversi ambiti, dalla verifica qualitativa al reverse engineering.

Osservazioni con microscopio elettronico a scansione

Il microscopio elettronico a scansione SEM non sfrutta la luce come sorgente di radiazioni, ma un fascio di elettroni primari focalizzati che colpiscono il campione. Tale fascio effettua una scansione della superficie, cioè si muove con regolarità sulla zona di interesse del provino.  Nell’interazione tra il fascio primario e gli atomi costituenti il campione, vengono emesse numerose particelle, fra le quali gli elettroni secondari, che catturati da uno speciale rivelatore e convertiti in impulsi elettrici, vengono inviati in tempo reale ad un monitor dove viene eseguita simultaneamente una scansione analoga. Il risultato è un’immagine in bianco e nero ad elevata risoluzione e grande profondità di campo, che ha caratteristiche simili a quelle di una normale immagine fotografica.  Proprio grazie alla grande profondità di campo del microscopio elettronico a scansione, le immagini hanno caratteristiche quasi tridimensionali.  Il potere di risoluzione di un normale microscopio elettronico SEM si aggira intorno ai 5 nm, ma alcuni modelli arrivano a 1 nm. Nell’ambito dei materiali compositi l’utilizzo del SEM è dedicato allo studio delle interazioni tra i diversi materiali (interazioni composito/composito e fibra/matrice) e all’analisi dei meccanismi di rottura. Nella osservazione di una superficie in composito lappata si possono ottenere informazioni analoghe a quelle ottenibili con la microscopia ottica ma con definizione e profondità di campo decisamente superiori. Per cogliere l’interazione tra i diversi materiali spesso è preferibile effettuare una lucidatura grossolana o non effettuare nessun trattamento della superficie da osservare, in modo da permettere alle fibre di spuntare dalla matrice. Sono inoltre osservabili effetti micro-meccanici come la superficie di frattura di una singola fibra. Il costo delle osservazioni e il livello di dettaglio raggiungibile nelle analisi con microscopio SEM giustificano l’utilizzo di questa tecnologia in ambito industriale solo per la soluzione di particolari problemi tecnologici o in quello della ricerca.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano l’Ing. Scanavini di Tech-EuroLab, il Dott. Giancarlo Salviati e il Dott. Filippo Fabbri dell’istituto IMEM CNR di Parma per il supporto fornito nelle attività di ricerca.

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