ISO 178 / ASTM D790: prove di flessione su materie plastiche (flessione a 3 punti su PC, PVC e GFRP)

Introduzione alla norma

Questo test per misurare la forza di flessione e il modulo elastico a flessione viene impiegato per le materie plastiche rigide e semirigide, applicando una forza al centro di un provino collocato su un supporto a due punti, i quali sommati al punto di contatto con il flessore portano ad un totale di 3 punti.

L’obiettivo è quello di provocare la piegatura del campione, portandolo alla rottura o, in caso contrario, proseguendo fino al raggiungimento del 5% di deformazione flessionale, per misurare lo stress di flessione (alla rottura o al 5%), la deformazione flessionale, il modulo di flessione e la resistenza alla flessione.

Per poter registrare correttamente i dati durante la prova di flessione è necessario disporre di sistemi moderni ed efficienti come quelli proposti da Easydur, capaci di garantire frequenze di campionamento pari a 1 kHz (mille campioni raccolti al secondo).

Il metodo di prova ISO 178 definisce anche le velocità con cui eseguire il test: il Metodo A prevede una velocità costante per tutta la durata della prova, mentre il Metodo B impone di iniziare con una velocità, e di incrementarla quando si supera la regione iniziale del modulo.

La macchina di prova e gli accessori, secondo la norma ISO 178

Infine, dal momento che il metodo di prova ISO 178 presenta dei requisiti di precisione ben definiti, si noti come i sistemi di prova Easydur garantiscano l’ottemperanza a tali specifiche grazie alla precisione del movimento della traversa pari a 1 μm (modello Dyno Universal, 5 kN) superiore rispetto al minimo richiesto di 3,4 μm (l’1% di 340 μm, valore rilevante per calcolare il modulo di flessione).

Le velocità richieste per eseguire questa prova, si attestano a 1 mm/min per campioni il cui spessore rientri tra 1 e 3.5 mm, con tolleranze di +/- 20%. Le macchine di prova Easydur sono caratterizzate da velocità operative che raggiungono un minimo di 0.005 mm/min.

Anche le celle di carico, con le loro 200.000 divisioni operative, contribuiscono alle altissime prestazioni in fatto di precisione delle macchine Easydur.

L’attrezzatura per prove di flessione

Per quanto riguarda l’attrezzatura con la quale equipaggiare la macchina di prova per ottemperare alla norma ISO 178, si consideri che i due supporti laterali devono essere assemblati in modo da risultare paralleli con una tolleranza di +/- 0,2 mm sulla larghezza del provino. Inoltre, la distanza d tra i due supporti, deve poter essere regolata.

La stessa norma, indica inoltre come calcolare il corretto raggio dei bordi sia del flessore (R1), che dei due supporti laterali (R2):

R1 = 5,0 mm +/- 0,1 mm
R2 = 2,0 mm +/- 0,2 mm (per campioni dallo spessore sotto i 3 mm)
R2 = 5,0 mm +/- 0,2 mm (per campioni con spessore sopra i 3 mm)

Attrezzatura a norma iso 178 per prove di flessione su plastica

R1: raggio del bordo del flessore
R2: raggio del bordo dei supporti laterali
d: distanza (regolabile secondo norma) tra i due supporti laterali
h: altezza del campione in materiale plastico
l: lunghezza del provino
F: Forza applicata dalla macchina di prova

Riassunto tecnico della norma ISO 178

Ambito di applicazione: Si applica ai materiali plastici rigidi e semirigidi, sia sotto forma di provini standardizzati (barrette rettangolari) che di materiali ottenuti direttamente da prodotti finiti.
Metodo di prova: Prevede l’utilizzo di una macchina di prova idonea, per effettuare un test di flessione a tre punti con degli appositi accessori. Durante il test, si applica una forza al centro del campione sostenuto a entrambe le estremità (si parla di prova di flessione a 3 punti), e si misura il comportamento del materiale sotto carico.
ISO 178: parametri valutati
- Modulo di flessione: una misura della rigidità del materiale.
- Tensione di flessione: il massimo sforzo prima della rottura o della deformazione permanente.
- Deformazione di flessione: il grado di flessione al quale il materiale si rompe o supera un punto critico.

ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONI RIGUARDANTI LA NORMA ISO 178

ISO 178 E PLASTICA ESTRUSA

Il cliente in questione lavora nel settore dell’estrusione delle plastiche, e necessita di eseguire delle prove di flessione sia sui classici provini in plastica, che su alcuni prodotti finiti, sempre nello stesso materiale.

In virtù del carico massimo richiesto, pari a 500 kg (5 kN) e alle dimensioni dei provini alquanto ridotte, la scelta è ricaduta sul modello Dyno Mono C, dotato di una fixture per bending a 3 punti secondo ISO 178 con raggi fissi, in alluminio.

In alternativa, vi è la possibilità di optare per attrezzature realizzate in acciaio (anche per carichi maggiori) oltre che per soluzioni a raggio variabile, con cilindri intercambiabili.

La costante, riguardo le attrezzature per prove di flessione Easydur, è sempre la possibilità di regolare la distanza tra i supporti inferiori, così da potersi adattare facilmente ad ogni campione.

PROVA DI FLESSIONE SU PLASTICA CON VIDEO ESTENSIMETRO

In questo esempio, riportiamo la necessità di prova di un cliente nel settore dei Compositi Rinforzati a Matrice Polimerica (FRP): testare il comportamento a flessione dei provini ricavati dai materiali che producono.

In questo caso i carichi in gioco erano mediamente elevati, dunque fino ai 100 kN (10 T) (la macchina è stata predisposta non solo per i test di flessione secondo ISO 178, ma anche per eseguire delle comuni prove di flessione, e anche di trazione, tramite le apposite pinze).

Per ottenere il massimo assoluto della precisione in fase di misurazione, il macchinario è stato equipaggiato con un video estensimetro dotato dell’apposito modulo per prove di flessione, così da poter arricchire i report con tutta una serie di informazioni che non sono disponibile mediante la prova “standard”.

TESTING IN CAMPO MEDICALE: UN’APPLICAZIONE SPECIALE A “ATIPICA” DELLA ISO 178

Il caso studio qui riportato, tratta l’esperienza Easydur con un cliente nel settore delle protesi medicali, in particolare viti in materie plastiche apposite per il trattamento delle fratture (alcuni materiali prodotti dal cliente sono persino riassorbibili, così da non dover richiedere la rimozione quando l’osso si rigenera).

La norma ISO 178, in questo caso, era in un certo senso marginale (in quanto vi erano svariati altri standard specifici del settore da osservare) ma la versatilità del software Easydur, con le sue ricette di prova componibili in ogni passaggio e regolabili finemente in ogni parametro, ha concesso all’utente finale di testare i propri prodotti seguendo ogni standard che ritenesse opportuno, anche con lo scopo di poter mettere in atto i dovuti paragoni tra materiali e metodi di prova (elemento essenziale in fase di R&D).

La soluzione proposta per questa necessità di prova, è stata intercettata nel modello Dyno 2 colonne, con tre celle sempre montate (nella fattispecie da 1000, 100 e 5 kg) sulle quali è possibile montare l’attrezzatura per prove di flessione a 3 punti secondo ISO 178, come anche i pressori supplementari per la prova a 4 punti, con rulli intercambiabili (attrezzatura a raggio variabile).

• PROVA DI FLESSIONE STATICA (ISO 178) E DINAMICA PER R&D E CONTROLLO QUALITÀ

Praticamente ogni tipologia di prova (compressione, trazione, flessione, torsione e via discorrendo) può essere eseguita in due declinazioni principali: statica (si attua un ciclo, spesso con velocità ridotte) o dinamica (detta anche di fatica, ovvero quando si ripetono più volte dei cicli di prova identici, oppure differenti tra loro, spesso con velocità maggiori e frequenze nell’ordine di svariati Hz).

Lo standard di prova ISO 178 si focalizza sulle prove di flessione statiche, tuttavia sovente a queste prove standard vengono abbinate delle prove dinamiche o di fatica, specialmente in ambiti come Ricerca e Sviluppo, o come nel contesto del controllo qualità (in particolare quando si analizza il di “ciclo vita” di un prodotto, ovvero quando vengono riprodotti in successione gli stimoli tipici dell’intera vita di un dato elemento, quale ad esempio un interruttore che viene premuto milioni di volte da una macchina che lo sollecita ad alta frequenza, una molla, o un componente strutturale).

Il progetto in questione, prevedeva una struttura a doppia colonna con un attuatore elettromeccanico con tecnologia a motore lineare, in grado di applicare 16 kN (1.600 kg) sia in prova statica che in dinamica, e prevedeva la possibilità di applicare una serie di attrezzature quali piattelli, pinze e fixtures per bending, così da svolgere prove universali.