Consigli per la selezione delle prove sui materiali

Dall’elettronica di consumo leggera ai polimeri ad alte prestazioni impiegati nei settori automotive e industriale, i materiali di oggi devono garantire un equilibrio ottimale tra resistenza meccanica, durabilità, peso, producibilità e costi.

Tuttavia, con l’evoluzione dei materiali, anche le metodologie di prova devono evolversi di pari passo. Qui Fabio Lipari, ingegnere dei materiali presso Instron, produttore di sistemi di prova per materiali, illustra come selezionare e applicare le prove sui materiali più idonee in funzione della specifica applicazione.

Tra sviluppo e produzione

Negli ultimi anni, gli ingegneri dei materiali si sono confrontati con una sfida ricorrente ma sempre più articolata: i materiali sono chiamati a offrire prestazioni sempre più elevate in applicazioni via via più severe, con margini di tolleranza sempre più ridotti. La selezione di un metodo di prova inadeguato, o l’applicazione impropria di una prova teoricamente corretta, può generare risultati fuorvianti, comportare costosi cicli di riprogettazione e, nei casi più critici, tradursi in guasti nelle applicazioni reali.

Le prove sui materiali si collocano all’intersezione tra sviluppo, produzione e QC (Quality Control). Durante le attività di ricerca e sviluppo, gli ingegneri si affidano ai test per comprendere il comportamento di un materiale, la sua risposta alle sollecitazioni e l’impatto che eventuali modifiche alla formulazione o ai processi produttivi hanno sulle prestazioni. In seguito, nei laboratori di controllo qualità, le prove assumono il ruolo cruciale: verificano che ogni lotto soddisfi le proprietà dichiarate nella scheda tecnica e mantenga un comportamento coerente e ripetibile nel tempo.

Sfida sui materiali

Sia nelle applicazioni di R&S sia in quelle di controllo qualità, le prove d’impatto rivestono spesso un ruolo centrale, in particolare per i materiali polimerici chiamati a resistere a cadute o sollecitazioni improvvise durante l’uso. Tuttavia, gli ingegneri devono riconoscere che la resistenza all’urto non è una proprietà unica e universale. Test differenti misurano aspetti diversi del comportamento del materiale, in condizioni diverse e con livelli di dettaglio molto differenti.

Metodi più semplici, come le prove di resilienza con il pendolo, forniscono un singolo valore facilmente confrontabile, ideale per un controllo qualità ad alto rendimento. Approcci più avanzati, come i test con torri di caduta strumentate, generano dataset completi che rivelano l’evoluzione di forza, spostamento ed energia durante l’intero evento d’urto.

I problemi nascono quando le prove vengono scelte per abitudine più che per esigenza reale. Spesso gli ingegneri applicano uno standard familiare senza valutare appieno se rifletta lo scenario reale che intendono simulare.

L’impatto sulla catena del valore

Piccole deviazioni possono avere grandi conseguenze. Modifiche alle dimensioni del provino, l’uso di un’energia errata o l’applicazione di uno standard concepito per un’altra classe di materiali possono alterare significativamente i risultati. Per i polimeri, in particolare, fattori come la sensibilità dei sistemi di intaglio (notching systems), la temperatura e la preparazione del campione giocano un ruolo cruciale nel determinare se il materiale si comporti in modo duttile o fragile durante l’urto.

La comprensione errata del comportamento all’impatto ha ripercussioni lungo tutta la catena del valore. Ad esempio, un produttore di materie prime potrebbe fornire un valore di resistenza all’impatto che si rivela poi irraggiungibile in pratica, generando controversie. Oppure, un produttore può scoprire tardivamente nello sviluppo che un materiale non risponde come previsto, costringendo a costose riprogettazioni o ritardi produttivi. Anche durante il controllo qualità, risultati inattesi possono bloccare completamente la produzione fino a chiarimento delle cause.

Selezione consapevole delle prove

La scelta delle prove sui materiali deve sempre mirare a selezionare il test più adatto allo scopo, e non semplicemente quello con cui si ha maggiore familiarità. I metodi di prova devono essere coerenti con il tipo di materiale, l’applicazione e la fase di sviluppo.

Per il controllo qualità di routine, le prove di resilienza con il pendolo restano una soluzione rapida, robusta e standardizzata, particolarmente utile quando si confrontano i risultati direttamente con i valori riportati nelle schede tecniche. Per le attività di R&S e le applicazioni più avanzate, i test strumentati offrono approfondimenti maggiori, permettendo agli ingegneri di comprendere come e perché un campione ha ceduto durante la prova.

Altrettanto importante è tutto ciò che avviene prima della prova. La preparazione del campione, e in particolare la realizzazione delle tacche, deve essere eseguita con precisione e coerenza. Persino il metodo utilizzato per creare il notch, sia tramite taglio sia mediante fresatura, può influenzare le proprietà locali del materiale e, in ultima analisi, i risultati del test.

L’energia d’impatto

La scelta dell’energia d’impatto rappresenta un altro fattore critico. L’uso di una mazza con un range di energia troppo elevato può mascherare le differenze tra materiali, mentre nel caso opposto, un range troppo basso può produrre dati inconcludenti.

Con l’emergere di nuovi materiali, gli ingegneri si troveranno sempre più spesso a testare al di fuori degli standard consolidati. In questi casi, costruire una correlazione significativa tra i risultati dei test e le prestazioni reali diventa fondamentale. Ciò richiede una selezione accurata dei parametri, una chiara comprensione dei limiti delle prove e una stretta collaborazione tra esperti di testing, come Instron, e sviluppatori di materiali.

In definitiva, il test giusto è quello che risponde alla domanda giusta. Partendo dall’applicazione finale, dalle condizioni di carico previste e dalle decisioni che verranno prese in base ai dati, gli ingegneri possono garantire che le prove sui materiali restino uno strumento potente, piuttosto che una fonte di incertezza.