Capitolo 3 Valutazione critica dei Drop weight tester disponibili

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Capitolo 3

Valutazione critica dei Drop weight

tester disponibili

Il mercato delle macchine di prova propone già da alcuni decenni drop weight tester. Con una ricerca online sono stati individuati alcuni produtto-ri che si sono maggiormente imposti nella fornitura e assistenza post vendi-ta di drop weight tester.

3.1 Drop weight tester presi in esame

Un drop weight tester tipicamente è costituito da due parti sovrapposte collegate rigidamente fra loro:

• Parte inferiore

o Base di supporto della parte superiore

o Telaio per il supporto, il fissaggio e il posizionamento dell'og-getto da provare

• Parte superiore

o Carrello impattatore

o Dispositivi di guida della corsa dell'impattatore o Sistema per il posizionamento dell'impattatore o Dispositivo di sgancio dell'impattatore

o Sistema per misurare la velocità di inizio impatto o Sistema per evitare rimbalzi multipli

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Più avanti verranno esaminate le principali caratteristiche tecniche e le soluzioni architetturali di alcune macchine per drop weight test disponibili sul mercato, soffermandosi più nel dettaglio sui sistemi e i dispositivi in-stallati nella parte superiore e in quella inferiore. Le macchine ritenute più interessanti dal punto di vista delle soluzioni impiegate sono:

a. Instron CEAST 9340 b. Instron CEAST 9350 c. Zwick-Roell HIT 230F

d. Wance DIT 183E e Instron Dynatup 9250 G e. Imatek IM10R-20

È bene precisare che alcuni dati tratti dalle specifiche operative, imma-gini e schemi utilizzati nel seguito per le descrizioni, non presentano lo stesso livello di dettaglio in merito alle varie parti di ciascuna macchina. Il suddetto materiale informativo, infatti, proviene da cataloghi destinati a potenziali clienti.

Si omettono i dati di prestazione relativi alla velocità di posizionamento dell'impattatore. Essi dipendono dal servomotore, dal riduttore e dalla ca-tena cinematica che trasmette il moto alla traversa di mobile dell'impattato-re.

Per il drop weight tester relativo all'argomento della tesi, si preferirà un sistema manuale per la movimentazione e il posizionamento della traversa di sgancio per contenere il più possibile i costi.

3.2 Instron CEAST 9340

In Figura 3.1 e in Tabella 3.1 sono indicate le parti principali e le specifi-che del sistema Instron CEAST 9340 estratte dal catalogo Serie CEAST 9300 [2].

In Figura 3.1 si notano: la struttura esterna realizzata con travi estruse di lega di alluminio; la piastra che separa la parte superiore da quella inferio-re; uno dei possibili telai per il supporto dell'oggetto da provainferio-re; il carrello

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impattatore; le colonne per guidare la corsa del carrello impattatore; la tra-versa che comprende il sistema di sgancio dell'impattatore.

In Tabella 3.1 sono riportati i valori di: energia d'impatto minima e mas-sima che è possibile produrre; velocità d'impatto minima e masmas-sima, legata all'altezza di caduta dell'impattatore; massa minima e massima dell'impat-tatore; dimensioni dell'area di prova, ingombro e peso.

La macchina è completamente chiusa con una struttura di contenimento in policarbonato trasparente. Energia J 0,30 - 405 Velocità d'impatto m/s 0,77 - 4,65 Altezza di caduta m 0,03 - 1,10 Capacità di carico Kg 1 - 37.5 Incrementi di carico Kg 0,5

Dimensioni area di prova mm 490x450x565 Dimensioni macchina mm 980x610x2620

Peso macchina Kg 340

Tabella 3.1: caratteristiche principali del sistema CEAST 9340.

Impattatore con pesi addizionali

Sistema anti-rimbalzo

Sistema per il posiziona-mento dell'impattatore

Base di supporto per la parte superiore Telaio per il fissaggio

dell'oggetto da provare

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22 3.2.1 Carrello impattatore

Per il sistema CEAST 9340 sono previsti due carrelli impattatori: uno leggero (Figura 3.2a) e uno standard (Figura 3.2b). Sul carrello standard è anche possibile caricare dei pesi addizionali che portano la massa comples-siva dell'impattatore fino a 37,5 Kg. In Tabella 3.2 sono riportati, estratti dal catalogo di accessori Instron CEAST [3], i valori minimi e massimi di mas-sa, di energia e di velocità d'impatto che si possono ottenere con il sistema CEAST 9340.

Il carrello leggero è realizzato quasi interamente in un unico pezzo di lega di alluminio, alleggerito nella parte centrale con asole. I tre fori circola-ri nella parte centrale verticale vengono probabilmente impiegati anche per fissare i pesi addizionali. Alla struttura principale sono collegate quattro piastrine profilate che permettono lo scorrimento del carrello tra due co-lonne verticali che ne guidano la corsa. Un perno orizzontale sulla sommità funge da gancio per sollevare l'impattatore all'altezza stabilita per la prova. Un elemento a forcella è installato in prossimità della piastrina di guida in alto a destra. Questo ha lo scopo di attivare un sensore fotoelettrico che mi-sura il tempo trascorso tra il passaggio della prima e della seconda asticella della forcella.

(a) Impattatore leggero (b) Impattatore standard

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Nota la distanza fra le asticelle si può determinare quindi un'approssi-mazione della velocità istantanea dell'impattatore. La posizione della for-cella e del sensore fotoelettrico sono tali da misurare la velocità del carrello immediatamente prima dell'urto. L'impattatore leggero, senza pesi addi-zionali, ha una massa di 1 Kg di cui 0,5 Kg competono alla sola struttura del carrello e 0,5 Kg alla punta comprensiva di cella di carico e percussore. A seconda del particolare test da eseguire è possibile scegliere il percussore della forma più adatta. Nel caso della prova standard ASTM D 7136 è pre-visto un percussore emisferico del diametro di 16 mm.

3.2.2 Dispositivi di guida della corsa dell'impattatore

La guida della corsa di caduta, così come il movimento per il

posizio-Massa [Kg] Energia [J] Velocità [m/s]

min max min max min max

Impattatore leggero 1,0 3,5 0,30 37,8 0,77 4,65

Impattatore standard 3,0 22,5 0,88 243 0,77 4,65

Pesi addizionali per

impattatore standard 37,5 405 0,77 4,65

NOTA: i valori di massa riportati in tabella includono un percussore di 0,5 Kg.

Tabella 3.2: caratteristiche e prestazioni dei due impattatori per il sistema CEAST 9340.

Figura 3.3:carrello impattatore standard per il sistema CEAST 9340, caricato con pesi ad-dizionali, sospeso alla traversa di sgancio.

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namento dell'impattatore prevede due colonne rettificate, cromate e lubrifi-cate poste ai lati del carrello e incastrate alla base e all'estremità superiore della macchina. Su queste colonne scorrono quattro piastrine profilate, cia-scuna delle quali costituisce un vincolo di appoggio. Due piastrine sono collocate sulla traversa superiore del carrello e su quella inferiore [3].

3.2.3 Sistema per il posizionamento e lo sgancio dell'impattatore

Come si può notare in Figura 3.3, l'impattatore è dotato di un gancio a-zionato da un attuatore pneumatico a doppio effetto. Quest'ultimo è prov-visto di una molla precaricata che evita il rilascio dell'impattatore in caso di avaria all'impianto pneumatico o elettrico. Il gancio ruota lasciando cadere l'impattatore. L'azionamento è impulsivo e sono trascurabili trasferimenti di forze all'impattatore da parte del sistema di attuazione. Il tutto è fissato a una traversa che trasla sulle stesse colonne che guidano la corsa dell'impat-tatore. Il movimento della traversa di sgancio avviene grazie a una catena azionata da un servomotore.

3.2.4 Sistema per misurare la velocità di inizio impatto

La misurazione della velocità immediatamente prima dell'urto avviene nel momento in cui due barrette solidali all'impattatore passano d'avanti a un sensore fotoelettrico. Nota la distanza fra le due barrette, avendo misu-rato il tempo trascorso tra il transito della prima e della seconda barretta, è possibile stimare la velocità istantanea dell'impattatore.

3.2.5 Dispositivi per la messa in sicurezza dell'area di prova

La macchina è completamente chiusa con una struttura di contenimento in policarbonato trasparente. Interruttori di sicurezza impediscono lo sgan-cio del carrello impattatore qualora vi siano sportelli aperti.

3.3 Instron CEAST 9350

La struttura del sistema CEAST 9350 è molto simile a quella del CEAST 9340. In Tabella 3.3 sono riportate le specifiche estratte dal catalogo

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Serie CEAST 9300 [2]. In questa macchina la traversa di sgancio viene mo-vimentata da una slitta motorizzata posta al centro dietro la traversa stessa scorrendo, come nel sistema CEAST 9340, sempre sulle stesse guide dell'impattatore. La struttura superiore è formata da quattro travi estruse di lega di alluminio ed è completamente chiusa con pannelli in policarbonato trasparente dotati di interruttori di sicurezza per il blocco degli sportelli.

In Figura 3.4 è rappresentato un dettaglio del sistema per evitare rim-balzi multipli. Essenzialmente è formato da due barrette poste a una certa distanza fra loro e incernierate a un'estremità. Queste sono collegate fra lo-ro da tre alberini costituendo nel lolo-ro insieme un corpo rigido incernierato, in prossimità di un'estremità, al telaio della macchina. Su un alberino all'e-stremità è inanellato lo stelo di un attuatore pneumatico a doppio effetto. Quando il percussore, terminato l'urto, si è separato dall'oggetto in prova e

Energia J 0,59 - 757

Velocità d'impatto m/s 0,77 - 4,65

Altezza di caduta m 0,03 - 1,10

Capacità di carico Kg 2 - 70

Incrementi di carico Kg 0,5

Tabella 3.3: specifiche del sistema CEAST 9350.

Figura 3.4: dettaglio del dispositivo per evitare rimbalzi multipli installato sul si-stema CEAST 9350. Alberino Barretta Barretta Alberino Stelo dell'attuatore

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l'impattatore ha iniziato il rimbalzo, viene retratto lo stelo dell'attuatore. Il corpo rigido, essendo incernierato, ruota sollevando l'estremità dal lato op-posto all'attuatore. Il corpo rigido, in questa posizione, costituisce quindi un ostacolo alla corsa di discesa dell'impattatore che non andrà più ad im-pattare sull'oggetto in prova.

3.4 Zwick-Roell HIT 230F

La parte strutturale di questa macchina è formata da due grosse travi e-struse collegate con piastre che coprono i dispositivi alloggiati in alto e nel-la parte centrale delnel-la macchina. Quattro travi più piccole poste più inter-namente, unite da una piastra centrale, conferiscono rigidità alla struttura.

Ancora più all'interno si trovano le due colonne cromate e rettificate che guidano la corsa dell'impattatore. Quest'ultimo è inanellato con quattro boccole sulle barre di guida. Accanto alle quattro travi di irrigidimento, verso l'interno della macchina, vi sono due viti a ricircolo di sfere per posi-zionare la traversa di sgancio.

L'impattatore è realizzato con un elemento cilindrico verticale e due tra-versine orizzontali alle cui estremità sono imbullonate le sedi per le bocco-le. Sull'albero verticale si impilano i pesi addizionali di forma cilindrica, con un'asola che ne facilita l'inserimento e tre fori per avere il baricentro sull'as-se del cilindro. Una ghiera provvede a mantenere in posizione i pesi addi-zionali caricati.

Il rilascio dell'impattatore è di tipo pneumatico e richiede 20 litri di aria a 6 bar per ogni impatto. L'esecuzione della prova necessita dell'uso con-temporaneo di entrambe le mani per ragioni di sicurezza. Schermi in poli-carbonato trasparente circondano solo la zona dove scorre l'impattatore. Il particolare stato della macchina durante il posizionamento del provino as-sicura l'incolumità dell'operatore anche senza la presenza di portelli di si-curezza intorno al provino.

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L'anti-rimbalzo è realizzato con due robuste sbarrette incernierate a un componente a forma di U rovesciata, appena sopra i morsetti che bloccano il provino (vedi Figura 3.6b). All'estremità di ciascuna sbarretta vi è un in-serto di materiale elastico. Quando le barrette si trovano in posizione diva-ricata il percussore è libero di scendere fino a colpire la superficie del

pro-Figura 3.5: sistema Zwick-Roell HIT 230 F.

Energia J 10 - 120

Velocità d'impatto m/s fino a 4,4 (altezza di caduta 1 m)

Capacità di carico Kg fino a 12,3 Kg

Dimensioni macchina mm 2600x1235x695

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vino. Azionato il dispositivo anti

zione verticale interrompendo la seconda corsa di discesa dell'impattatore. Mentre l'operatore posiziona il provino sull'apposito supporto, le due ba rette del meccanismo anti

po il componente a U rovesciata rimane sollevato consentendo di operare senza pericolo di ferimento causato da un accidentale sgancio dell'impatt tore.

Per misurare la forza d'impatto, nelle prove conformi alla n ASTM D 7136, il sistema HIT

co piezoelettrica da 50

misurata con un sensore ottico. Maggiori dettagli in

3.5 Wance DIT 183E / Instron

In Figura 3.7a e Figura

e Instron Dynatup 9250G. Costruiti da produttori diversi, hanno tuttavia grande affinità in quanto a prestazioni e soluzioni tecniche adottate. Si tiene utile quindi attingere alla documentazione tecnica di entrambe le macchine in [5]e [6] preferendo, volta per volta, quella più chiara e dett gliata. Le specifiche tecniche sono elencate in

Su entrambe le macchine la traversa di sgancio trasla grazie a due viti a ricircolo di sfere montate, sull

accanto alle colonne di guida dell'impattatore. Un servomotore con ridutt re e trasmissione a cinghia, installato sulla piastra superiore di chiusura

(a) particolare del caricamento dei pesi a dizionali sull'impattatore.

Figura 3.6: alcune immagini di dettaglio del sistema Zwick

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ionato il dispositivo anti-rimbalzo, le barrette si portano in pos zione verticale interrompendo la seconda corsa di discesa dell'impattatore. Mentre l'operatore posiziona il provino sull'apposito supporto, le due ba rette del meccanismo anti-rimbalzo sono in posizione verticale e al conte po il componente a U rovesciata rimane sollevato consentendo di operare senza pericolo di ferimento causato da un accidentale sgancio dell'impatt

Per misurare la forza d'impatto, nelle prove conformi alla n

7136, il sistema HIT 230F ha, inserita nella punta, una cella di car co piezoelettrica da 50 kN. La velocità reale poco prima dell'impatto viene misurata con un sensore ottico. Maggiori dettagli in [4].

183E / Instron Dynatup 9250G

Figura 3.7b sono rappresentati i sistemi Wance DIT e Instron Dynatup 9250G. Costruiti da produttori diversi, hanno tuttavia grande affinità in quanto a prestazioni e soluzioni tecniche adottate. Si tiene utile quindi attingere alla documentazione tecnica di entrambe le

preferendo, volta per volta, quella più chiara e dett gliata. Le specifiche tecniche sono elencate in Tabella 3.5 e in Tabella

Su entrambe le macchine la traversa di sgancio trasla grazie a due viti a ricircolo di sfere montate, sulla Dynatup, in una struttura di contenimento accanto alle colonne di guida dell'impattatore. Un servomotore con ridutt re e trasmissione a cinghia, installato sulla piastra superiore di chiusura

(a) particolare del caricamento dei pesi ad-attatore.

(b) particolare del meccanismo per evitare rimbalzi multipli.

: alcune immagini di dettaglio del sistema Zwick-Roell HIT 230F.

rimbalzo, le barrette si portano in posi-zione verticale interrompendo la seconda corsa di discesa dell'impattatore. Mentre l'operatore posiziona il provino sull'apposito supporto, le due

bar-in posizione verticale e al contem-po il comcontem-ponente a U rovesciata rimane sollevato consentendo di operare senza pericolo di ferimento causato da un accidentale sgancio

dell'impatta-Per misurare la forza d'impatto, nelle prove conformi alla normativa 230F ha, inserita nella punta, una cella di cari-kN. La velocità reale poco prima dell'impatto viene

i sistemi Wance DIT 183E e Instron Dynatup 9250G. Costruiti da produttori diversi, hanno tuttavia grande affinità in quanto a prestazioni e soluzioni tecniche adottate. Si ri-tiene utile quindi attingere alla documentazione tecnica di entrambe le

preferendo, volta per volta, quella più chiara e detta-Tabella 3.6. Su entrambe le macchine la traversa di sgancio trasla grazie a due viti a

a Dynatup, in una struttura di contenimento accanto alle colonne di guida dell'impattatore. Un servomotore con ridutto-re e trasmissione a cinghia, installato sulla piastra superioridutto-re di chiusura

(b) particolare del meccanismo per evitare

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della macchina, mette in rotazione le viti a ricircolo di sfer 3.8). La posizione della traversa di sgancio viene misurata con un coder. Più in basso sempre in

ro, le viti a ricircolo di sfere e in posizione più interna le colonne di guida. La Figura 3.9 mostra la disposizione dell'attuatore pneumatico che azi na il gancio sulla traversa. Si può notare anche la cella di carico per misur re automaticamente la massa complessiva dell'impattatore

Il dispositivo anti-rimbalzo è realizzato con due quadrilateri articolati (vedi Figura 3.10) il cui scopo è quello di far traslare orizzontalmente e ve ticalmente due colonnine che impediscono al percussore di urtare sul pr vino. Un lato lungo di ciascun quadrilatero è fissato al telaio della macchina mentre sull'altro vi è la colonnina, la cui altezza si può regolare in base al percussore impiegato. L'estremità della

assorbire l'energia del rimbalzo.

(a) SistemaWance DIT 183E.

Figura 3.7: Sistemi Wance e Instron

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la macchina, mette in rotazione le viti a ricircolo di sfere (vedi ). La posizione della traversa di sgancio viene misurata con un

. Più in basso sempre in Figura 3.8 si notano all'esterno, di colore sc ro, le viti a ricircolo di sfere e in posizione più interna le colonne di guida. mostra la disposizione dell'attuatore pneumatico che azi na il gancio sulla traversa. Si può notare anche la cella di carico per misur re automaticamente la massa complessiva dell'impattatore.

rimbalzo è realizzato con due quadrilateri articolati ) il cui scopo è quello di far traslare orizzontalmente e ve e colonnine che impediscono al percussore di urtare sul pr vino. Un lato lungo di ciascun quadrilatero è fissato al telaio della macchina mentre sull'altro vi è la colonnina, la cui altezza si può regolare in base al percussore impiegato. L'estremità della colonnina è di materiale elastico per

sorbire l'energia del rimbalzo.

183E. (b) Sistema Instron Dynatup 9250G con basamento largo S3 e camera climat ca.

: Sistemi Wance e Instron Dynatup.

e (vedi Figura ). La posizione della traversa di sgancio viene misurata con un rotary

en-si notano all'esterno, di colore scu-ro, le viti a ricircolo di sfere e in posizione più interna le colonne di guida.

mostra la disposizione dell'attuatore pneumatico che azio-na il gancio sulla traversa. Si può notare anche la cella di carico per misura-rimbalzo è realizzato con due quadrilateri articolati ) il cui scopo è quello di far traslare orizzontalmente e ver-e colonninver-e chver-e impver-ediscono al pver-ercussorver-e di urtarver-e sul pro-vino. Un lato lungo di ciascun quadrilatero è fissato al telaio della macchina mentre sull'altro vi è la colonnina, la cui altezza si può regolare in base al colonnina è di materiale elastico per

(b) Sistema Instron Dynatup 9250G con largo S3 e camera

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climati-30

Il movimento ai due quadrilateri viene trasmesso con un meccanismo a glifo oscillante, controllato a sua volta da un attuatore pneumatico. Il sin-cronismo nel sollevamento delle due colonnine è assicurato da un albero che collega i due glifi, sul quale è incernierato lo stelo dell'attuatore.

Figura 3.9: particolare del dispositivo anti-rimbalzo del sistema Wance DIT 183E. Figura 3.10: particolare della traversa con attuatore gancio e cella di carico del sistema

Wance DIT 183E.

Figura 3.8: sistema di movimentazione della traversa di sgancio del sistema Wance DIT 183E.

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Instron Dynatup 9250G

Impattatore leggero Energia J 2,6 - 180

Capacità di carico Kg 2,7 - 14,7

Impattatore medio Energia J 4,6 - 300

Impattatore pesante Energia J 25 - 1010

Velocità massima d'impatto m/s 5,0

Altezza massima di caduta m 1,25

Dimensioni area di prova con basamento S1 mm 483 x 508 x 533 Dimensioni area di prova con basamento S2 mm 838 x 686 x 584 Dimensioni area di prova con basamento S3 mm 1143 x 686 x 584

Dimensioni macchina mm 584 x 508 x 2858

Peso macchina Kg 336,5

Risoluzione del campionamento bit 12

Frequenza di campionamento MHz 1,17

Banda passante kHz 500

Durata massima dell'acquisizione dati ms 7

Tabella 3.5: Specifiche tecniche Instron Dynatup 9250G

Wance DIT 183E

Energia J 0,59 - 1800 Massa dell'impattatore Leggero Kg 2 - 5 Medio Kg 5 - 30 Pesante Kg 30 - 70 Incrementi di carico Kg 0,5 Velocità d'impatto m/s 0,77 - 24,0 Altezza di caduta m 0,03 - 1,20

Dimensioni area di prova mm 720 x 720 x 630

Dimensioni macchina mm 850 x 850 x 3500

Risoluzione del campionamento A/D bit 16

Frequenza di campionamento MHz 2

Banda passante kHz 500

Capacità di memorizzazione dati punti 60000

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3.6 Imatek IM10R-2

Le specifiche principali della macchina Imatek IM10R-2 sono riportate in Tabella 3.7. Il sistema di guida dell'impattatore è realizzato, su ciascuno dei quattro vertici a contatto con le colonne di guida, mediante due rotelle a sfere montate con gli assi convergenti.

La struttura esterna della macchina è fatta con travi di acciaio a sezione quadrata con spessore di 3 mm.

La traversa che solleva l'impattatore viene movimentata mediante una catena controllata da un servo motore brushless, con riduttore di giri, mu-nito di freno e di resolver per il controllo in ciclo chiuso della posizione. Nella parte inferiore della traversa vi è un gancio rotante per il rilascio dell'impattatore.

La piastra inferiore di supporto dell'intera macchina è munita di scana-lature a T per il posizionamento e il fissaggio di diverse attrezzature di vin-colo per provini o altri componenti da testare.

La Imatek pubblica anche informazioni dettagliate sulla cella di carico (da 60 kN di forza nominale) e sul condizionamento del segnale di forza con un amplificatore di carica. Per i dettagli si veda in [7].

Energia J 2,5 - 588

Velocità d'impatto m/s 1,00 - 6,26

Capacità di carico Kg 5 - 30

Incrementi di carico Kg 1