6.
PROVE SPERIMENTALI DI FORATURA
6.1 Gli obiettivi delle prove di foratura
Una volta allestito il laboratorio in tutte le sue parti, sia hardware che software, è stato necessario effettuare delle prove di foratura, per verificare il corretto funzionamento di tutto il sistema. In questa fase è stato accertato che il range di misura dei vari sensori fosse sufficiente a misurare tutte le possibili sollecitazioni originate durante la foratura, sono stati affinati i programmi elaborati ed è stata stilata una procedura per compiere le prove.
6.2 Il piano degli esperimenti
Nonostante l’intento di queste prove preliminari non fosse quello di studiare aspetti particolari della foratura dei materiali compositi, è stato comunque seguito un piano sperimentale, così da ottenere risultati che coprissero un ampio range di situazioni, testando il sistema di acquisizione in una varietà notevole di situazioni.
In particolare sono state effettuate prove di foratura su diversi tipi di compositi, descritti nei paragrafi seguenti, rilevando al contempo la forza di avanzamento, la coppia, l’usura dell’utensile e il danneggiamento del pezzo.
Gli esperimenti sono stati divisi in due serie di prove.
Nella prima, trattata nel paragrafo 6.4.1, sono stati effettuati numerosi fori con la medesima punta, con parametri di taglio costanti e sullo stesso materiale. L’intento era quello di arrivare al limite massimo di usura della punta, al quale è lecito supporre che corrispondano i massimi valori di forze, coppia e danneggiamento. In questo modo si è avuta un’utile indicazione sui limiti superiori rilevabili durante le prove.
Nella seconda è stato invece investigato l’effetto della variazione dell’avanzamento su forza, coppia e danneggiamento. La velocità di taglio è stata mantenuta costante, così da eliminare una possibile fonte di variabilità: va infatti considerato che agli effetti della variazione dell’avanzamento è stato sovrapposto quello della variazione del materiale e dell’usura. I parametri utilizzati sono riportati in tabella 6.1, nei quali vengono solo indicati i livelli assunti dalle varie grandezze.
PARAMETRI LIVELLI
MATERIALE 2 (A, B)
AVANZAMENTO 3 (1, 2, 3)
VELOCITÀ DI ROTAZIONE 1 DIAMETRO PUNTA 1
tabella 6.1 piano sperimentale della seconda serie di prove
6.3 I provini utilizzati per la campagna sperimentale
I provini utilizzati nelle prove di foratura sono in materiale plastico rinforzato con fibra di carbonio. La loro forma è rettangolare (110x120 mm), tale quindi da interfacciarsi correttamente con l’attrezzatura progettata. Lo spessore è variabile, così da coprire gran parte degli spessori che possono essere incontrati nelle strutture realizzate on questo tipo di materiali.
La produzione dei provini è stata affidata alla ditta CRM Compositi, azienda con vaste esperienze nel campo dei materiali compositi e attualmente coinvolta in progetti nel campo aerospaziale, militare, biomedicale e sportivo.
6.3.1 Materiali impiegati
I materiali impiegati per la fabbricazione dei provini sono prodotti dalle più rinomate aziende del settore. I provini sono stati ottenuti partendo da fogli (ply) di tessuto preimpregnato utilizzando la tecnica del sacco a vuoto e autoclave.
Le caratteristiche delle fibre di carbonio utilizzate sono riportate nella seguente tabella.
DESIGNAZIONE TIPO DI FIBRA NUMERO DI FILAMENTI RESISTENZA ALLA ROTTURA [MPa] MODULO ELASTICO [GPa] ALLUNGAMENTO [%] MASSA PER UNITÀ DI LUNGHEZZA [g/1000m] DENSITÀ [g/cm3] 3K-T300 T300 3000 3530 230 1.5 198 1.76 6K-T800 T800 6000 5490 294 1.9 223 1.81
tabella 6.2 caratteristiche delle fibre impiegate (fonte: Toray Industries,Inc)
DESIGNAZIONE TIPO DI MATRICE COLORE TEMPERATURA- PRESSIONE DI CURA DURATA CURA DURATA A T AMBIENTE DENSITÀ [g/cm3]
MTM 49 EPOSSIDICA BIANCO 120°C-1÷7 bar 90 min 30 giorni 1.18 g/cm3
6.3.2 Processo produttivo
Il processo produttivo è tipico dei materiali preimpregnati. A causa della delicatezza dei materiali, della complessità delle operazioni e del carattere prototipale di molti manufatti in materiali compositi, il processo viene svolto interamente a mano, con utensili manuali come lame e forbici. Per assicurare l’assenza di impurità tra i vari strati ed evitare il prematuro indurimento della resina termoindurente, tutte le operazioni vengono svolte in una clean room con atmosfera controllata e temperatura costante. Ulteriori precauzioni sono adottate per evitare che gli operatori si feriscano con schegge di fibra.
6.3.2.1 Taglio del preimpregnato
Il materiale di preimpregnato si presenta sottoforma di rotoli di larghezza pari a circa 1,5 m e lunghezza variabile. Il materiale composito intriso di resina si presenta ricoperto su entrambe le superfici con una sottile lamina di materiale plastico, che ne facilita l’avvolgimento, impedendo che i vari strati del rotolo si attacchino, e ne rende più comoda la manipolazione.
La prima fase consiste nello srotolare la quantità necessaria di preimpregnato e ritagliare la forma desiderata. Per questa operazione l’operatore si avvale solitamente di una dima metallica e di lame usa e getta in acciaio o forbici speciali. Da notare che l’usura dei taglienti è elevata e rende necessario sostituire frequentemente le lame e affilare le forbici.
Nella fabbricazione dei provini i fogli di preimpregnato sono stati tagliati di dimensioni maggiori di quelle del laminato finale, così da poter ricavare dallo stesso stampo tre provini contemporaneamente e avere materiale a disposizione per eseguire una contornatura, eliminando il materiale non correttamente formato nelle zone più esterne. Come si evince dalla figura 6.1, i fogli di preimpregnato sono comunque più piccoli delle lastre che costituiscono gli stampi.
6.3.2.2 Preparazione degli stampi
La superficie degli stampi deve presentare un’ottima finitura, così da ridurre la presenza di difetti superficiali nel materiale una volta indurito. Sia che gli stampi siano in materiale composito, caso frequente quando le forme sono complesse, sia che siano in alluminio, la superficie di contatto con il pre-impregnato deve essere trattata: viene infatti ricoperta con un agente distaccante, che facilita
la sformatura del manufatto. Gli agenti distaccanti hanno differenti composizioni (cere, alcool polivinilico, teflon). In generale l’agente viene deposto sullo stampo con un pennello morbido o con un panno imbevuto, in una o più mani. Una volta essiccato lo stampo è pronto per essere utilizzato. A seconda del tipo di agente distaccante è possibile utilizzare più volte gli stampi senza dover ripetere ogni volta il trattamento, che in alcuni casi è piuttosto laborioso, richiedendo fino a cinque mani con completa essiccazione (circa 3 ore) tra una passata e l’altra.
Il tipo di distaccante influenza anche la finitura superficiale: il teflon, molto usato in campo industriale per la sua praticità, conferisce alla superficie del manufatto finale un aspetto opaco, mentre alcune cere conferiscono una notevole lucentezza.
6.3.2.3 Stratificazione
Anche la sovrapposizione degli strati è un operazione manuale, tant’è che questo processo viene indicato come hand lay-up.
La stesura dei vari strati avviene asportando la plastica protettiva su una faccia, stendendo lo strato e asportando quindi la pellicola protettiva rimanente.
figura 6.1a foglio di prepreg con pellicola protettiva figura 6.1b foglio di prepreg senza pellicola protettiva
La deposizione dei vari strati non richiede particolari interventi per favorire la fuoriuscita dell’aria, in quanto l’utilizzo del sacco a vuoto e dell’autoclave garantisce l’assenza di bolle d’aria nel laminato finale. Può invece essere richiesto di rispettare un preciso orientamento, così da ottenere una anisotropia più o meno marcata nel laminato finale.
figura 6.2 fogli di prepreg disposti sullo stampo
In questa fase, attraverso il numero di strati di preimpregnato deposti, si determina lo spessore del manufatto. Prevedere in anticipo lo spessore finale è piuttosto complicato, in quanto è generalmente incognita la quantità di resina espulsa durante il processo di cura. Nella realizzazione dei provini si sono utilizzati i seguenti valori indicativi:
MATERIALE SPESSORE UNITARIO
3k 0.2 mm
12k 0.6 mm
tabella 6.4 spessore dei prepreg
Una volta raggiunto il numero richiesto di strati si procede alla chiusura degli stampi, nel caso in esame essendo gli stampi composti da lastre piane in alluminio, è sufficiente sovrapporre la lastra superiore.
6.3.2.4 Operazioni preliminari alla solidificazione
Per assicurare che gli stampi non abbiano un movimento relativo e limitare l’espulsione della resina sotto l’azione della pressione, sulla superficie laterale degli stampi stessi viene posto un foglio di nylon forato. La presenza dei fori permette quindi sia all’aria, sia ad una ridotta quantità di resina di fuoriuscire dagli stampi (figura 6.3).
figura 6.3 fogli di prepreg disposti sullo stampo
In seguito gli stampi sono avvolti in un feltro (tessuto-non tessuto) di materiale sintetico, generalmente poliestere, detto feltro areatore (figura 6.4). Lo scopo di questo materiale è duplice: deve mantenere il sacco a vuoto distaccato dagli stampi, permettendo all’aria di venir aspirata, e deve assorbire la resina espulsa, in modo che non sia aspirata dalla pompa a vuoto, danneggiandola.
figura 6.4 stampi coperti con feltro areatore
A questo punto è possibile inserire il tutto nel sacco a vuoto. Questo sacco, in materiale plastico, polipropilene o nylon, generalmente multistrato per avere una maggior resistenza, presenta all’imboccatura una striscia di materiale adesivo che ne permette una chiusura ermetica (figura 6.5)
figura 6.5 sacco prima dell’aspirazione dell’aria
Attraverso un foro praticato dall’addetto viene collegata all’interno del sacco una pompa per il vuoto, che, aspirando l’aria, permette una prima compattazione del materiale, con una notevole riduzione della quantità di bolle d’aria presenti nel manufatto finale.
figura 6.6 sacco contenente gli stampi in cui è stato fatto il vuoto
La tenuta del sacco viene verificata scollegando l’aspirazione della pompa a vuoto dal bocchettone applicato sul sacco e collegandovi un manometro.
6.3.2.5 Indurimento del materiale composito
Per ottenere la completa solidificazione del materiale composito, nel processo qui descritto, gli stampi contenenti i fogli di preimpregnato vengono sottoposti in autoclave ad un ciclo combinato temperatura-pressione. La temperatura raggiunta è dipendente dal tipo di materiale impiegato e raggiunge i valori più elevati nel caso di carbonio da stampi. Per la preparazione dei provini è stata raggiunta una temperatura di 120°C, con una rampa iniziale della durata di un ora e il mantenimento
alla massima temperatura per un’altra ora. La pressione applicata è di 0.4 MPa Da notare che anche durante il riscaldamento in autoclave viene mantenuto il collegamento con la pompa a vuoto, così da assicurare l’evacuazione dell’aria.
Il sacco contenente gli stampi viene posto nell’autoclave adagiato su un foglio di feltro areatore, così che l’azione della pressione esterna venga esplicata al meglio (figura 6.7)
figura 6.7 sacco a vuoto nell’autoclave
Durante la fabbricazione dei provini la pressione all’interno dell’autoclave è stata raggiunta immettendo azoto, così da lavorare in condizioni di sicurezza, essendo l’azoto inerte e con notevole aumento della praticità, non richiedendo la presenza di compressori.
Una volta eseguito il ciclo previsto (rampa di riscaldamento e mantenimento alla temperatura di cura), il sacco viene estratto dall’autoclave e lasciato raffreddare, a temperatura ambiente o in un ambiente a bassa temperatura. In figura 6.8 è mostrato il sacco appena tolto dall’autoclave: è ben visibile la resina fuoriuscita che ha impregnato i feltro aeratore.
figura 6.8 sacco a vuoto appena estratto dall’autoclave
Terminato il raffreddamento gli stampi possono essere aperti e il laminato estratto.
Il laminato a questo punto deve essere dapprima rifilato, con seghe in materiale diamantato e in seguito rifinito sulle zone più esterne così da non presentare pericolose scheggiature.
6.3.2 Verifica della rispondenza dei provini alle specifiche fornite
La richiesta inoltrata al produttore dei provini ha riguardato, oltre che al materiale, soprattutto lo spessore: gli spessori richiesti erano 3 (3, 6, 10 mm), con una tolleranza di ±0,1 mm.
Da una prima analisi dei provini fabbricati con il metodo appena esposto sono però emerse alcune difformità dalle specifiche richieste:
• Spessore minore di quello richiesto • Spessore non costante
• Superfici non piane
• Struttura del tessuto deformata
• Presenza di bolle e fibre affioranti nella zona centrale Alcuni di tali difetti sono evidenziati nella figura 6.9.
TESSUTO DEFORMATO
FIBRE AFFIORANTI
RESINA
figura 6.9 difetti riscontrati nei primi provini
La presenza di questi difetti è stata spiegata con un’eccessiva fuoriuscita di resina ed una ridotta rigidezza delle lastre usate come stampi.
L’eccessiva fuoriuscita di resina è stata provocata dalla presenza di uno spazio libero, facilmente visibile nelle figure 6.1 e 6.2, attorno ai fogli di preimpregnato e nel quale la resina non ancora solidificata ha potuto accumularsi, visto che tale volume persiste anche una volta che i due stampi sono stati chiusi. Questo fenomeno ha portato ad un eccessivo impoverimento di resina, particolarmente evidente nella zona centrale, dove il tessuto è addirittura rimasto scoperto, ed è rivelato anche dallo spessore massimo del provino pari a circa 2/3 di quello preventivato. Durante il flusso, la resina ha trascinato con se le fibre disposte ortogonalmente al suo scorrimento, così che alcune zone risultano prive della trama o dell’ordito, che si sono di conseguenza accumulati sui bordi. Queste zone sono ben visibili in figura 6.9 e sono caratterizzate da una disposizione monodirezionale delle fibre. Solo la zona centrale, più lontana dai bordi e nella quale il flusso di resina è stato di minor entità, presenta una struttura del tessuto ancora regolare.
La ridotta rigidezza delle due lastre utilizzate come stampi è stata invece individuata come responsabile dell’errata geometria ottenuta. Il ridotto spessore (5mm), le notevoli dimensioni (380x150mm) unite ad un materiale dalle caratteristiche meccaniche modeste (alluminio) hanno fatto si che sotto l’azione della pressione le piastre si incurvassero, assumendo una geometria bi-convessa simile a quella illustrata in figura.
PRESSIONE UNIFORME
REAZIONE PROVINO
LASTRA DEFORMATA
figura 6.10 forze agenti sugli stampi e deformazioni
Di conseguenza anche il provino presenta una geometria caratterizzata da una convessità in entrambe le direzione e su entrambe le facce.
6.3.4 Interventi per migliorare la geometria del provino
Per ovviare agli inconvenienti evidenziati dal primo lotto di provini fabbricati sono stati realizzati nuovi stampi, più rigidi dei precedenti e con una diversa geometria.
Non è stato possibile ricorrere a stampi in acciaio, in quanto l’alluminio risulta favorito dalla maggiore conducibilità termica (circa 3 volte quella dell’acciaio), che permette riscaldamenti più uniformi.
Di conseguenza per aumentare la rigidezza, i nuovi stampi sono stati realizzati con una lastra di spessore maggiore (10 mm) e di dimensioni minori (120x130mm). Avendo scelto quindi di utilizzare una coppia di stampi per un singolo provino, per mantenere una ragionevole economicità del processo sono state lavorate due coppie di stampi.
Utilizzando gli stampi stessi come dima per il taglio dei fogli di preimpregnato è stato anche eliminato lo spazio vuoto attorno ai fogli e compreso tra i due stampi nel quale la resina era libera di fluire.
figura 6.11 stampi utilizzati come dima per il taglio del preimpregnato
figura 6.12 stampi chiusi
Per limitare ulteriormente la fuoriuscita di resina, con conseguente eccessiva riduzione di spessore, la superficie laterale degli stampi contenenti i fogli di preimpregnato è stata ricoperta con un nastro adesivo speciale, visibile in figura 6.13.
figura 6.13 stampi chiusi con nastro adesivo impermeabile
Le restanti fasi del procedimento restano le stesse precedentemente descritte.
6.3.5 I provini ottenuti con il nuovo processo produttivo
Gli interventi illustrati nel paragrafo 6.3.4 hanno sortito gli effetti desiderati. Innanzitutto le ridotte dimensioni delle piastre usate come stampi e l’aumento di spessore hanno ridotto molto le flessioni, ottenendo superfici meno convesse. L’utilizzo di un nastro capace di limitare, di fatto annullando, la fuoriuscita di resina ha permesso di eliminare gli altri inconvenienti incontrati.
Non è stato possibile ottenere un grado spinto di parallelismo tra le due facce dei provini a causa dei piccoli movimenti relativi delle piastre, non vincolate in nessun modo ad avvicinarsi mantenendosi parallele. L’utilizzo di colonne di guida, se da un lato pare molto attrattivo proprio perché potrebbe impedire questo non parallelismo tra le superfici dei provini, dall’altro lato comporterebbe un aumento della complessità delle lavorazioni meccaniche, dovendo garantire un movimento privo di impuntamenti, e renderebbe più complesso l’utilizzo del sacco a vuoto, che si lacera facilmente in presenza di sporgenze accentuate (teste di bullone, dadi, ecc).
I diversi tipi di provini fabbricati sono illustrati nella tabella 6.5
SPESSORE NOMINALE [mm] N° STRATI PREPREG IMPIEGATI N°PROVINI REALIZZATI 3k 3.5 15 3 12k 3.7 6 3 3k 7 25 3 12k 5 8 3 3k 9.5 35 3 12k 8 13 3
Procedendo con la fabbricazione è emersa anche l’impossibilità di ottenere esattamente lo spessore desiderato, a causa dello spessore degli strati di preimpregnato, che consente di ottenere solamente manufatti con spessore multiplo di quello del singolo foglio.
Comunque, poiché ciascun provino mostra una uniformità nello spessore che è stata giudicata sufficiente, è stato deciso di continuare ad utilizzare questa modalità di produzione. In questo modo è stata privilegiata la costanza di spessore all’interno del singolo provino piuttosto che all’interno della medesima “classe” di spessore
A causa delle dimensioni maggiorate degli stampi e dei fogli di preimpregnato utilizzati, è stato necessario sottoporre i provini a contornatura su fresatrice. Incidentalmente, in occasione di queste lavorazioni, è stato osservata la notevole usura provocata dalla fibra di carbonio su utensili tradizionali in HSS.
6.4 I risultati ottenuti
I seguenti paragrafi riportano i risultati ottenuti dai test di verifica del funzionamento del laboratorio.
6.4.1 La prima serie di test
Come già anticipato in questa fase i parametri di lavorazione sono stati mantenuti costanti e la punta, inizialmente nuova, è stata portata ad un limite di usura tale da rendere necessaria la sua raffilatura.
I parametri utilizzati per queste prove sono riportati in tabella 6.6
MATERIALEPROVINO PARAMETRIDITAGLIO
Fibra di carbonio Torayca T300 Diametro punta: 8mm
Tessuto twill 2x2, 3k (3000 fibre per cordone)
Materiale punta: HSS
Matrice ACG MTM49 Velocità mandrino: 2000 giri/min
Grammatura tessuto: 200g/m2
Rapporto resina/fibra preimpregnato: 42% Spessore nominale 5mm±0.2
N°strati preimpregnato: 8
Spessore strato preimpr. 0.62 mm
Avanzamento: 0.1 mm/giro
Sono stati considerati i valori di forza di avanzamento e coppia registrati con la punta completamente in presa. Facendo riferimento alla figura 6.14, nella quale è rappresentato l’andamento di forza e coppia nella foratura di un acciaio C40 condotta per prova, l’intervallo considerato è quello che va dal punto 1 al punto 2.
forza assiale e coppia
0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 mm Fx [ N ] 0 1 2 3 4 5 6 co p p ia [ N m ]
1 2
figura 6.14 forza e coppia in funzione della posizione della punta
E’ particolarmente interessante riportare il grafico dell’andamento della forza assiale a regime in funzione del numero di fori realizzato. La coppia registra un andamento simile, anche se con variazioni più contenute.
Si può notare come l’usura si manifesti fin dai primi fori, provocando un rapido aumento della forza: basti osservare come già al terzo foro la forza misurata passi subisca un raddoppio.
Con il precedere delle lavorazioni l’aumento della forza si fa più lento, attestandosi con buona approssimazione su una retta.
forza assiale 0 400 800 1200 0 10 20 n°foro 30 40 N
grafico 6.1 andamento della forza assiale a regime in funzione del numero di fori
6.4.2 La seconda serie di prove
Nella seconda serie di prove di verifica è stato investigato l’effetto dell’usura dell’utensile sia sull’andamento della forza di penetrazione che sulla delaminazione, mantenendo costante il parametro velocità di taglio e variando l’avanzamento, per due tipi diversi di materiale composito. Sono stati realizzati 12 fori per provino, iniziando ogni serie con una punta nuova. Sono stati usati i provini di massimo spessore disponibili così da massimizzare l’usura. I parametri caratteristici delle prove effettuate sono riportate in tabella 6.2
MATERIALEPROVINITIPOA MATERIALEPROVINITIPOB PARAMETRIDITAGLIO
Fibra di carbonio Torayca T700 (Hs) Fibra di carbonio Torayca T300 Diametro punta: 8mm Tessuto twill 2x2, 12k (12000 Tessuto twill 2x2, 3k (3000 Materiale punta: HSS
Matrice ACG MTM49 Matrice ACG MTM49 Velocità mandrino: 2000
Grammatura tessuto: 660 g/m2 Grammatura tessuto: 200 g/m2 Rapporto resina/fibra (preimpr.): 42% Rapporto resina/fibra (preimpr): Spessore nominale 8mm±0.2 Spessore nominale 9.5mm±0.2 N°strati preimpregnato: 13 N°strati preimpregnato: 35
Spessore strato preimpr. 0.62mm Spessore strato preimpr. 0,27 mm
Avanzamento:- 0.1 mm/giro - 0.15mm/giro - 0.2 mm/giro
tabella 6.2 seconda serie di prove
Come era prevedibile stando alle precedenti esperienze tutte le grandezze misurate, forza assiale, coppia e delaminazione, misurata da Imedio, hanno un andamento crescente con il procedere del numero di fori lavorati dalla punta.
È interessante vedere come i due materiali si comportino diversamente al variare dell’avanzamento. Nel grafico 6.2 vengono confrontati i valori a regime della forza assiale misurati a parità di metri lavorati dalla punta. Tale condizione si verifica in corrispondenza del 10° foro per i provini più
spessi (3k, T300) e del 12° foro per quelli più sottili (12k, T700), quando la punta ha tagliato circa 24 metri. La coppia presenta un andamento del tutto analogo.
forza assiale 0 400 800 1200 1600 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 avanzamento [mm/giro] [N ] 3k 12k
grafico 6.2 forza assiale
Si può affermare che le migliori caratteristiche della fibra utilizzata per i provini 12k portano ad un notevole aumento della forza assiale e della coppia, nonostante la percentuale volumetrica della resina per questi provini sia leggermente superiore.
L’andamento della forza assiale presenta inoltre una anomalia, non essendo sempre concorde con l’aumento dell’avanzamento: in corrispondenza del valore intermedio di avanzamento si registrano i massimi valori di forza. La spiegazione di tale fenomeno va oltre gli obiettivi di queste prove preliminari, ma sarà oggetto di studi futuri.
Danneggiamento 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 5 metri lavorati 10 15 Im e d io 0,10mm/giro 0,15mm/giro 0,20mm/giro
Danneggiamento 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 5 10 15 metri lavorati Im e d io 0,10mm/giro 0,15mm/giro 0,20mm/giro
grafico 6.3 danneggiamento (Imedio) dei provini 3k-T300-9.5mm
Anche il danneggiamento dei fori cresce con l’usura della punta. Il suo andamento è ancora simile a quello della forza, presentando anche la stessa anomalia per i provini con tessuto di maggior grammatura in corrispondenza del valore di avanzamento intermedio. Non è stato possibile confrontare attraverso il parametro Fd i risultati ottenuti sui due materiali in quanto nei fori ricavati sul materiale più resistente il danneggiamento è tale da rendere difficile la determinazione del centro del foro. La determinazione del parametro Fd è comunque stata effettuata per i provini 3k-T300-9.5mm ed ha confermato i limiti di questo parametro.
Danneggiamento 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 0 5 n°foro 10 15 Fa tt or e di de la m ina z ione 0,10mm/giro 0,15mm/giro 0,20mm/giro
Infatti sebbene sia possibile individuare qualitativamente una tendenza del fattore di delaminazione a crescere con l’aumentare dell’usura, la dispersione dei punti, ben illustrata dal grafico 6.4, rende difficile dare una rappresentazione analitica di tale comportamento.
Per i provini con tessuto 12k, nei quali, stando ad osservazioni dirette dello stato dell’utensile dopo la lavorazione, l’usura è molto evidente, è stata misurata sia l’usura della punta in corrispondenza del fianco, sia la riduzione del diametro.
Dal grafico 6.5 è possibile notare come anche l’area della zona usurata, abbia un andamento simile a quello della forza assiale, cioè aumenti con il numero di fori, dapprima bruscamente e poi meno rapidamente. Ancora una volta in corrispondenza del valore intermedio dell’avanzamento si hanno i massimi valori del parametro considerato, al pari di quanto riscontrato per la forza e per la delaminazione.
Il numero di punti dei grafici dell’usura è limitato a causa della procedura adottata: poiché è necessario rimuovere il portautensile dal mandrino del centro di lavoro, la misurazione può essere effettuata solo tre volte per ogni provino, cioè ogni quattro fori, quando cioè il provino viene rimosso per riposizionarlo nella nuova orientazione sulla squadra.
Usura del fianco (area)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 5 10 15 20 25 metri lavorati mm ^2 0,1mm/giro 0,15mm/giro 0,2mm/giro
grafico 6.5 usura del fianco (provini 12K-T700-8mm)
La misurazione della riduzione del diametro e dell’area della punta non ha invece fornito risultati rilevanti. Questo perché, sebbene sia sicuramente presente abrasione sia sullo spigolo che sul quadretto, l’entità di tale usura è nell’ordine della precisione del metodo di misurazione adottato, nel quale la minima variazione rilevabile è legata alla risoluzione con cui vene effutta la fotografia. Alla risoluzione adottata ad un pixel corrispondono circa 0.015mm, e di conseguenza la precisione del metodo ha tale ordine di grandezza.
Questo risultato conferma come forza assiale esercitata dall’utensile e danneggiamento siano strettamente legati e come entrambi siano a loro volta dipendenti dall’usura della punta, che costituisce un grave limite per l’utilizzo delle punte in HSS nella foratura dei CFRP.
I risultati ottenuti, più in generale, confermano che le indicazioni fornite dai sensori e le misurazioni di usura e danneggiamento condotte con il sistema ottico concordino.
6.4.3 Altre misurazioni
Fin dalle prime misurazioni, condotte anche su materiali metallici (acciaio C40 e varie leghe di alluminio) è emerso come le misure fornite da alcuni sensori non aggiungano nulla di nuovo a quanto già rilevato con la piattaforma dinamometrica e il sensore di coppia.
In particolare la misurazione della coppia attraverso la piattaforma si è dimostrata affetta da notevole rumorosità, mentre la misurazione della potenza assorbita coincide sostanzialmente con quella di coppia effettuata dal mandrino portautensile sensorizzato.
L’accelerometro, a causa della grande rigidezza sia della macchina che della attrezzatura porta-provino, soprattutto se confrontate alle forze relativamente modeste in gioco, non ha fornito misure significative.
6.5 Considerazioni sulle prove di foratura
Le prove di foratura effettuate hanno confermato il buon funzionamento di tutte le componenti del laboratorio. In particolare è significativo come lo stesso comportamento anomalo della fibra con caratteristiche di resistenza maggiori sia stato osservato nell’andamento di vari parametri (forza assiale, coppia, danneggiamento e usura della punta), confermando la congruenza dei risultati ottenuti.
I risultati ottenuti inoltre concordano con la teoria, avendo evidenziato come le caratteristiche della fibra influenzino fortemente il comportamento del materiale composito quando questo è sottoposto a foratura.
