La prova di resistenza alla trazione è un test fondamentale dell'ingegneria e della scienza dei materiali ampiamente utilizzato per una varietà di metodi di produzione come lo stampaggio a iniezione, la lavorazione CNC e la stampa 3D di livello industriale (fabbricazione additiva). Per la stampa 3D, il test fornisce informazioni sulla qualità e sul comportamento meccanico di un materiale stampato per sapere come si comporterà sotto carico. Le prove di trazione aiutano i fabbricanti a garantire che il loro processo sia coerente e in linea con gli standard di settore. Le prove di trazione sono utili da eseguire quando si svolgono attività di ricerca e sviluppo su un materiale, un metodo di produzione o un'applicazione del prodotto nuovi o in evoluzione.
Questo articolo esamina la modalità di esecuzione delle prove di trazione, mostra come vengono calcolate le curve sforzo-deformazione, rivede gli standard comunemente usati per i test sui materiali e include una tabella di confronto dei materiali con le relative resistenze alla trazione.
Considerazioni sui test dei materiali additivi
Per prima cosa, vediamo come gli ingegneri testano "l'osso di cane". Il provino o la barra di trazione, spesso utilizzati per testare le proprietà meccaniche dei materiali stampati in 3D, sono denominati "osso di cane" per la loro forma particolare. Immaginate il tipico biscottino per i cani. Il provino per i test di trazione è disegnato in modo da avere due teste opposte unite da una sezione trasversale più stretta. Ciascuna estremità viene bloccata all'interno del macchinario per prove di trazione, che applica una tensione progressiva fino a rottura del provino. La geometria della sezione trasversale più stretta è tale da costituire il punto di rottura prevedibile in una prova di trazione. La testa del provino può essere a sezione circolare o rettangolare. Pensate di spezzare a metà un biscotto per cani. Il concetto è analogo. La parte centrale è più semplice da rompere.
Molto spesso l'osso di cane viene bloccato sul tester di trazione tramite morsetti pneumatici filettati o seghettati fissati sulle celle di carico. Uno dei macchinari per prove di trazione di uso comune è quello di Instron (vedi foto). Si tratta di tester collaudati e affidabili che conducono un provino alla rottura a una velocità programmata. Il provino (o osso di cane) viene posizionato e bloccato mediante morsetti opposti. La traversa tira l'osso di cane a una velocità costante fino a quando non si deforma e si rompe nel suo punto più debole. Una cella di carico misura con precisione la tensione applicata al provino e un estensimetro ne misura l'allungamento. Questo permette alla macchina di generare una curva sforzo-deformazione per l'analisi.
Calcolo delle curve sforzo-deformazione
Si misurano la forza, lo spostamento e la deformazione (quanto il materiale si allunga) e le curve sforzo-deformazione vengono visualizzate graficamente per mostrare le molteplici proprietà dei materiali.
Le proprietà meccaniche generalmente indicate includono lo sforzo massimo di trazione (lo sforzo massimo che la parte sperimenta sotto tensione) e l'allungamento a rottura (quanto il provino si estende in lunghezza prima di rompersi). Il modulo elastico può essere calcolato a partire da questi valori dividendo lo stress per la deformazione.
Testate un numero statisticamente significativo di ossa di cane e otterrete insight per la vostra applicazione di ricerca e sviluppo o per misurazioni per il controllo della qualità.
Standard ASTM per testare i materiali
Lo standard più comunemente usato e accettato per testare le materie plastiche è l'ASTM D638 - 14 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics. Protolabs utilizza questo standard per testare materiali plastici stampati in 3D. Per alcuni processi di stampa 3D, l'orientamento della costruzione incide sui risultati delle proprietà meccaniche. Per i materiali SLA di Protolabs, i provini (o ossa di cane) sono stampati in 3D e riportati sul piano xy, il che significa che la direzione di trazione del test è in linea con le linee degli strati. Per i materiali di sinterizzazione laser selettiva di Protolabs, le ossa di cane sono stampate in 3D e i valori sono riportati su entrambi i piani xy e z.
Lo standard più comunemente usato e accettato per testare i materiali metallici è l'ASTM E8/E8M – 09 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Per i materiali metallici stampati in 3D, ci sono diversi standard ASTM specifici che valutano le proprietà meccaniche previste per le applicazioni di sinterizzazione a base di polvere. Per i materiali di sinterizzazione laser diretta dei metalli di Protolabs, le barre di trazione sono stampate in 3D verticalmente, il che significa che la direzione di trazione del test è trasversale rispetto alle linee degli strati. Di seguito sono elencati gli standard utilizzati per testare e documentare ciascun materiale metallico per la stampa 3D.
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Materiale DMLS |
Standard |
|---|---|
| Alluminio AlSi10Mg | ASTM F3318-18 |
| Cobalto-cromo | ASTM F3213-17 |
| Inconel 718 | ASTM F3055-14A |
| Acciaio inox 17-4 PH | AMS5604G |
| Acciaio inox 316L | ASTM F3184-16 |
| Titanio Ti6Al-4V | ASTM F2924-14 |
Confronto delle resistenze alla trazione: Materiali stampati in 3D
Il grafico a sinistra (clicca per ingrandire) mostra una rappresentazione dei materiali di Protolabs e la relativa resistenza alla trazione.
I materiali SLA tendono a essere duri e fragili rispetto agli equivalenti stampati a iniezione. Presentano un alto modulo elastico e pochissimo allungamento prima che l'osso di cane si rompa. I nylon SLS e MJF sono più duri dei materiali SLA, quindi tendono ad avere un modulo elastico inferiore e un allungamento maggiore. SLS, MJF e SLA presentano una certa variazione di forza a seconda dell'orientamento di costruzione del pezzo. Questo generalmente si deve a un legame più debole tra gli strati, ma da questo punto di vista tutti e tre sono superiori al Fused Deposition Modeling (FDM o FFF).
I metalli DMLS hanno caratteristiche di alta resistenza, dove l'acciaio inossidabile 17-4 è il più forte e l'alluminio AlSi10Mg il più debole.