Prove meccaniche di compressione con endcaps ed analisi ottica

precarico alla forza massima (F4) calcolata per ciascun campione (come esposto nella sezione precedente) e 4 rampe di carico ai valori di forza (F1, F2, F3, F4) riportati in

Tabella 2.4. Anche in questo caso le prove sono state condotte in controllo di forza imponendo una velocità pari a 0.01 mm/s. L’analisi ottica è stata eseguita durante le 4 rampe di carico utilizzando per l’acquisizione delle immagini uno stereomicroscopio Nikon SMZ800 (specifiche elencate in Tabella 2.5), una fotocamera Nikon, due lampade LED per l’illuminazione del provino ed il software d’acquisizione Nikon NIS-Elements D.

Sistema ottico Sistema di zoom ottico parallelo

Zoom Range Da 1x a 6.3x

Zoom Ratio 6:3:1

Distanza tra gli assi ottici 22 mm

Tabella 2.5 - Specifiche tecniche Stereomicroscopio Nikon SMZ800.

Per questa prova non sono stati utilizzati tutti i campioni di partenza ma solo 5 di essi (3 bovini e 2 equini): in particolare, sono stati scelti i campioni di dimensioni maggiori in modo tale da avere una sufficiente superficie del campione libera dagli endcaps. Per l’analisi ottica è infatti necessario che ci sia una discreta parte del provino non inclusa negli endcaps in modo che il sistema di acquisizione delle immagini possa visualizzare la Altezza [mm] Lunghezza [mm] Larghezza [mm] Area [mm^2] Forza F1 [N] Forza F2 [N] Forza F3 [N] Forza F4 [N]

Bovino 9 13.93 11.51 6.48 74.58 56 112 168 224 Bovino 10 13.72 11.51 6.77 77.92 58 117 175 234 Bovino 12 10.75 8.68 6.97 60.50 45 91 136 181 Bovino 16 15.66 11.43 5.13 58.64 44 88 132 176 Equino 4 14.95 9.09 8.78 79.81 140 279 419 559 Equino 6 8.76 8.90 8.12 72.30 127 253 380 506 Equino 8 9.54 9.18 8.01 73.53 129 257 386 515 Equino 15 13.04 9.84 7.41 72.91 128 255 383 510

85 deformazione del campione. Inoltre, anche per questa prova i campioni sono parallelepipedi in quanto l’analisi 2D-DIC (2D Digital Image Correlation) può essere effettuata solo su superfici piane. Infatti con la tecnica 2D-DIC, che utilizza una singola camera come sistema d’acquisizione dell’immagine, si riescono a misurare principalmente le deformazioni che avvengono in un piano specifico, nel nostro caso il piano frontale. Gli endcaps utilizzati consistono di un cilindro cavo in ottone, con diametro nominale di 12 mm, sul quale viene vincolato un secondo cilindro in acciaio di diametro inferiore che permette il posizionamento del dispositivo sulla macchina di prova (Figura 2.16).

Figura 2.16 - Endcaps utilizzati per la prova di compressione.

I campioni sono stati fissati all’interno degli endcaps attraverso una resina acrilica (Technovit 6091, Kulzer, Figura 2.17) che consente di eliminare tutti i gradi di libertà tranne lo spostamento lungo l’asse verticale del provino e di minimizzare gli effetti di bordo. Il PMMA penetra per qualche decimo di millimetro all’interno delle cavità trabecolari della superficie del provino e costituisce dunque un’interfaccia rigida tra le trabecole del campione e la testina dell’endcap. In questo modo è garantita la corretta trasmissione dei carichi in quanto si limita la concentrazione di tensioni sulle trabecole all’estremità del provino.

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Figura 2.17 - Resina acrilica utilizzata per incollare le estremità del campione all’interno degli endcaps: polvere e monomero liquido (Technovit 6091, Kulzer).

Inoltre, per poter in seguito realizzare l’analisi 2D-DIC è necessario creare sulla superficie frontale del campione un pattern ad elevato contrasto che consenta l’individuazione univoca dei punti della superficie nelle immagini acquisite. Nel presente lavoro il pattern è stato ottenuto cospargendo la superficie selezionata con balsamo per capelli e soffiando della polvere di toner per stampanti: il balsamo permette alle particelle di toner di aderire alla superficie del campione. La quantità di entrambi i componenti è cruciale per la qualità del pattern e, conseguentemente, per l’attendibilità dei risultati forniti dall’analisi 2D-DIC: il balsamo deve essere abbondante in modo da conferire brillantezza all’immagine, mentre la polvere di toner deve essere minima ma distribuita il più uniformemente possibile in modo da creare contrasto. Sono, infatti, questi (brillantezza e contrasto) i due fattori che il software di elaborazione Ncorr 2D-DIC MATLAB sfrutta per calcolare le deformazioni subite dal campione attraverso le immagini.

Per realizzare la prova di compressione con endcaps è dunque necessario effettuare i seguenti step:

§ Montare la testina porta-campione sull’afferraggio superiore della macchina;

§ Preparare il cemento acrilico: il PMMA in polvere deve essere miscelato con metacrilato di metile (MMA) liquido per formare un composto pastoso che

87 indurisce in pochi minuti. È pertanto opportuno versarlo tempestivamente nella testina dell’endcap ed inserire il campione: maggiore è la quantità di componente liquida utilizzata, maggiori sono i tempi di cementazione e quindi maggiore è l’intervallo di tempo per posizionare in modo preciso il campione all’interno dell’endcap;

§ Versare il PMMA nella testina inferioreed inserire il campione al suo interno; § Versare il PMMA nella testina superiore precedentemente montata sulla macchina

di prova;

§ Abbassare l’attuatore in modo da far entrare l’estremità superiore del provino nella testina dell’endcap e consentire quindi la cementazione anche dell’estremità superiore;

§ Azzerare i valori di forza e spostamento ed impostare i parametri di prova;

§ Mettere a fuoco lo stereomicroscopio al fine di ottenere un’immagine nitida del campione, visualizzata tramite il software Nikon NIS-Elements D (Figura 2.18).

Figura 2.18 - Campione visualizzato mediante il software Nikon NIS-Elements D in seguito alla messa a fuoco dello stereomicroscopio.

§ Avviare la prova di compressione (Figura 2.19).

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Figura 2.19 - Setup della prova ottica con endcaps e zoom sul campione.

Sono state acquisite 5 immagini: una del campione a riposo (prima dell’inizio della prova, alla fine dell’ultimo ciclo di precondizionamento) e le altre alla fine di ciascuna delle 4 rampe di carico. Il protocollo di prova utilizzato prevede che il carico sia mantenuto per un minuto alla fine di ciascuna rampa in modo da avere il tempo di salvare la relativa immagine dal software Nikon NIS Elements D. Trascorso questo intervallo di tempo, il valore di forza ricomincia a crescere raggiungendo in successione gli altri valori di carico impostati in precedenza.

Le 5 immagini ottenute (Figura 2.20), sono state in seguito elaborate dal software Ncorr 2D-DIC MATLAB per misurare le mappe degli spostamenti e delle deformazioni.

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Figura 2.20 - Esempio di immagine acquisita durante la prova.

Terminata la prova, il campione viene estratto dagli afferraggi insieme agli endcaps e per rimuovere il cemento ed il provino incollati nelle testine (Figura 2.21) si ricorre ad una lavorazione al tornio che pulisce gli endcaps riportandoli nella condizione iniziale.

Figura 2.21 - Endcaps con campione cementato come appare al termine della prova.