Allestimento ed esecuzione della prova

In questa fase sono comprese tutte quelle operazioni che servono a impostare i dati nei software di controllo della macchina di prova e in quello di acquisizione dati; inoltre si deve posizionare il provino con il corretto allineamento, collegare la strumentazione all’apparato di misura e infine serrare le viti degli afferraggi per bloccare il provino, riscaldarlo se la prova deve essere eseguita in temperatura e infine procedere con la prova. Tutte queste operazione devono essere eseguite entro 30 minuti dall’estrazione del provino da testare dalla camera climatica (tempo richiesto dall’azienda commissionante la campagna prove), per limitare così la perdita di umidità assorbita e poter ottenere ancora una prova di tipo WET.

Allineamento del sistema

L’allineamento del provino con il sistema di prova è un fattore determinante nel ridurre la dispersione dei dati sperimentali e nell'evitare rotture premature dei provini. Solamente nel caso ideale si può ottenere il perfetto allineamento, nella realtà basta poco per non ottenere questa condizione, infatti è difficile che gli assi degli afferraggi siano perfettamente

98 allineati o che il provino sia simmetrico rispetto al proprio asse. La Standard Practice E1012 fornisce le linee guida per la verifica del sistema di misura, [33]. L'allineamento del sistema è effettuato durante l'installazione della macchina, dei suoi equipaggiamenti e ogniqualvolta venga cambiata la sua configurazione operativa. La presenza di variazioni impulsive del carico trasmesso e dei fenomeni di usura richiede la continua valutazione dell'allineamento dell'apparato, che, qualora si dimostri insoddisfacente, è necessario ripristinare.

Un possibile metodo di verifica dell’allineamento consiste nel testare un provino a sezione rettangolare avente dimensioni e rigidezza simili a quelle del materiale di interesse. Il coupon di allineamento viene dotato di tre estensimentri longitudinali: due posizionati sulla faccia anteriore ed uno in quella posteriore, come mostrato in Fig. 5.2.

Fig.5. 2: Coupon di allineamento strumentato

Ogni differenza nelle deformazioni da essi rilevate quantifica l'entità del momento flettente presente nei piani di spessore (By) e larghezza (Bz). È opportuno eseguire il controllo

99 dell'allineamento con il coupon inserito in ogni possibile orientazione; in questa maniera, si ottiene un'indicazione su quale possa essere la fonte del problema. Momenti flettenti di elevata intensità possono causare rotture durante il serraggio e generare un'alta dispersione nei dati sperimentali. È quindi necessario monitorare l'andamento delle deformazioni nel corso delle operazioni di serraggio e di applicazione del carico.

Le seguenti equazioni permettono di valutare i rapporti percentuali tra le deformazioni flessionali e quella media longitudinale:

dove By e Bz sono degli indici percentuali proporzionali, rispettivamente, al momento

flettente attorno all'asse y e all'asse z; εave rappresenta la deformazione media nella

direzione longitudinale ed è pari a

Un sistema di prova adeguatamente progettato dovrebbe essere in grado di limitare queste quantità in un range compreso tra il 3% e il 5% per piccole deformazioni (1000 μm).

Dispositivo di acquisizione dati

Per l’acquisizione dei dati è stato usato il dispositivo HBM Spider8. Questo strumento è un'unità di misura digitale messa in comunicazione con un calcolatore che immagazzina i dati acquisiti. Ogni canale dello Spider8 fornisce l'alimentazione per i trasduttori passivi (ponti estensimetrici e LVDT), l'amplificatore, i filtri e il suo proprio convertitore A/D. L'apparecchiatura è gestita dal software proprietario Catman Professional, che permette la configurazione dei parametri di prova, la visualizzazione in tempo reale dei dati e il loro salvataggio. Il setup dello Spider8 necessita della regolazione delle seguenti grandezze:

100 Canali attivi Il numero di canali attivi dipende dal tipo di prova e dalla strumentazione di cui è dotato l'apparato sperimentale. Nel caso in esame, si riservano due canali per la misura della forza applicata e dello spostamento della traversa di carico, a cui si aggiunge un canale per ogni estensimetro montato sul provino. Praticamente si impiegano 4 o 6 canali a seconda che il campione sia strumentato, rispettivamente, con 2 o 4 strain gage. Nelle prove eseguite si è sempre fatto uso di due soli estensimetri.

Sensibilità di misura La sensibilità di misura rappresenta la massima risoluzione con cui può essere percepita una variazione di tensione ed è di solito espressa in mV/V. Per i trasduttori della cella di carico e di spostamento è sufficiente impostare un'accuratezza di 12mV/V, mentre per i ponti estensimetrici è necessario utilizzare una sensibilità di 3mV/V.

Parametri di conversione È necessario specificare i coefficienti di conversione, i quali consentono il passaggio dalle tensioni misurate alle quantità di interesse. In particolare, si deve fornire il valore del gage factor di ogni estensimetro impiegato.

Frequenza di acquisizione Per le prove sui compositi, le normative raccomandano di utilizzare una frequenza di campionamento di almeno 2 - 3 Hz e di raccogliere almeno 100 dati per ogni prova. Per tutti i test svolti, si è fatto uso di una frequenza di acquisizione di 25 Hz.

Serraggio del coupon

Il coupon è munito di tab non rastremati in acciaio e di due cravatte metalliche per permettere una più graduale introduzione delle forze, evitando di creare zone di concentrazione delle tensioni. I morsetti mantengono in posizione i tab durante la prova e introducono il carico per attrito. Le operazioni da eseguire per una corretta installazione del provino sono:

101 Passo 1 Si avvia il calcolatore di controllo della macchina e si fornisce pressione al martinetto idraulico. Dopo aver fatto eseguire una serie di cicli alternati di riscaldamento (per consentire all’olio di arrivare alla temperatura di esercizio e garantire il corretto funzionamento della macchina) si impostano i valori necessari, tempo Secman e spostamento man, a far eseguire alla macchina di prova una rampa con velocità costante di 2 mm/min. La campagna prove prevedeva l’uso di provini di composito unidirezionale, tipo C, e di provini con orientamento delle fibre a ±45°, tipo E. I primi necessitano di un man di 10 mm mentre gli altri di 20 mm. Questa differenza risiede nel fatto che i provini C hanno un allungamento a rottura di 2-3 mm mentre i provini di tipo E hanno allungamenti maggiori, oltre i 10 mm. Per questo motivo, poiché le prove vengono eseguite in controllo di spostamento, si deve impostare una rampa abbastanza lunga da consentire un escursione degli afferraggi ampiamente maggiore dell’allungamento a rottura, evitando così che l’esecuzione della rampa si arresi prima di aver raggiunto la rottura del provino.

Passo 2 Agendo sul comando di spostamento, si porta la traversa di carico nella posizione che consente l'inserimento del coupon.

Passo 3 Si passa con delicatezza della carta abrasiva sulle estremità del provino per aumentarne la rugosità. In seguito, con due strisce di nastro adesivo si fissano provvisoriamente i tab al coupon.

Passo 4 Si inserisce il provino nell'afferraggio superiore e lo si blocca stringendo a mano le viti di serraggio. Si posizionano le due piastrine metalliche nella cavità dell'afferraggio inferiore.

Passo 5 Si introducono le viti di serraggio e si stringono fin quando non iniziano ad opporre resistenza alla rotazione. A questo punto, si rimuove il nastro adesivo e si procede con il montaggio delle cravatte alle estremità del campione.

102 Passo 6 Facendo uso di chiavi dinamometriche, si serrano le viti delle cravatte e degli afferraggi. Per tutte le prove condotte, si è impostata una coppia di serraggio di 8 Nm per le cravatte e di 70 Nm per gli afferraggi (questi valori sono stati definiti mediante tentativi in precedenti attività di tesi sperimentale e sono dei valori ottimali che riescono a ridurre il numero di rotture dei coupon all’interno delle zone di afferraggio).

Collegamento all’apparato di acquisizione dei dati

Prima di dare inizio alla prova si deve collegare gli estensimetri all’apparato di acquisizione dati; ciò si effettua saldando, mediante una brasatura a stagno, i cavi degli estensimetri ai rispettivi cavi dei circuiti a ponte. La saldatura è l’unico modo di collegamento che consente un contatto elettrico diretto. Successivamente si azzerano tutti i canali di misura dello Spider8 e si fa partire un'acquisizione dati di verifica per controllare la corretta trasmissione dei dati. Eventuali malfunzionamenti possono essere causati o dalla mancanza di continuità elettrica nella connessione del trasduttore o, nelle circostanze peggiori, dalla rottura dell'estensimetro.

Fino a questo punto la procedura di allestimento è la stessa sia per le prove a temperatura ambiente, RT, che per quelle a 120°C. Per quest’ultime prima di dare inizio alla prova si ha un’ulteriore fase: quella del riscaldamento con il forno elettrico.

Riscaldamento con forno elettrico per le prove 120W

Di seguito si riporta i passi da seguire per le prove con questa condizione ambientale:

Passo 1 Si fissa mediante un morsetto a vite in legno una sonda, termocoppia, sul provino all’altezza della strain region, la zona cui siamo interessati ad avere la temperatura voluta per misurare le proprietà del materiale. La sonda serve a

103 monitorare la temperatura che raggiunge il materiale e fornisce un segnale elettrico per il controllo di feedback del forno.

Passo 2 successivamente si posiziona il forno aperto attorno all’apparto di prova; dopo aver centrato l’asse del forno con quello degli afferraggi si procede alla sua chiusura.

Passo 3 si accende il forno andando a impostare la temperatura voluta. Successivamente, si posizionano le manopole di controllo delle tre resistenze, ciascuna sul proprio indice di intensità. L’obiettivo è cercare di mantenere la temperatura voluta nella zona degli estensimetri che coincide con il centro del forno stesso, così si cerca di limitare le dispersioni di calore, ottimizzando il processo di riscaldamento. Poiché il calore trasportato dall’aria nell’intercapedine fra le pareti interne e il provino tende a fluire verso l’alto, le manopole sono impostate in modo da far generare maggiore potenza alla resistenza inferiore e minore a quella superiore, la resistenza mediana è regolata in modo da fornire una potenza media fra queste due. Una volta avviato il riscaldamento, l’operatore deve monitorare a intervalli regolari di tempo, 2 - 5 minuti, la temperatura rilevata dalla sonda per avere a livello qualitativo una curva che mostri come aumenti la temperatura del provino. Un problema che sorge in questa fase è quello dello shock termico, ovvero un repentino aumento della temperatura potrebbe degradare la matrice del composito testato. Al contrario un aumento troppo lento di temperatura potrebbe causare l’essiccazione del provino andando a falsare l’esito della prova, in quanto non è più una prova di tipo Hot/Wet, ma una Hot/Dry.

Passo 4 l’operatore deve inoltre monitorare gli effetti della dilatazione termica degli afferraggi. Questi, infatti, riscaldandosi si dilatano andando a fornire al coupon un precarico di compressione che deve essere eliminato compensando la dilatazione con la variazione dell’offset dell’afferraggio mobile.

Passo 5 una volta raggiunta la temperatura voluta, si procede immediatamente con l’esecuzione della prova.

104

Esecuzione della prova

Infine, si azzerano nuovamente tutti i canali, si dà inizio all'acquisizione dati e si fa eseguire alla macchina una rampa di carico alla velocità fissata fino alla rottura del provino. I test sono svolti in controllo spostamento ad una velocità del martinetto pari a 2 mm/min, come prescritto dalle normative. Dopo la rottura del provino, si ferma la macchina, si interrompe l'acquisizione dati e si procede al salvataggio dei dati registrati per la successiva elaborazione. La durata del test varia a seconda del provino in esame e se la prova richiede temperatura ambiente o riscaldamento in forno: per le condizioni ambientali di temperatura ambiente un coupon per prove di trazione collassa in 2 - 3 min, mentre un provino per prove di taglio può impiegare anche più di 10 min a rompersi. Per le condizioni ambientali che richiedono l’utilizzo del forno si ha un tempo di riscaldamento variabile a seconda della temperatura iniziale del provino e se il forno è al primo riscaldamento e quindi parte anch’esso dalla temperatura ambiente. Generalmente servono 20 - 35 minuti per poter raggiungere 120°C. Dopo di che i tempi di esecuzione delle prove sono gli stessi di quelli a temperatura ambiente.