29.09.2022 by Aileen Sammler
60 anni di NETZSCH-Gerätebau: L'LFA in uso per le applicazioni spaziali
A settembre si parla di Laser Flash Analysis. Siamo orgogliosi di presentare una relazione sul campo del nostro cliente di lunga data, l'Istituto austriaco di fonderia. Leggete l'LFA in uso presso l'Austrian Foundry Institute - Thermophysics for Space Applications.
La LFA in uso presso l'Istituto austriaco di fonderia
L'Österreichische Gießerei-Institut (ÖGI; Istituto austriaco per le fonderie) è l'istituto comune di ricercaarch dell'industria austriaca delle fonderie, con circa 40 dipendenti. Si occupa di questioni relative all'industria delle fonderie e all'industria della tecnologia dei metalli. Le sue offerte di ricercaarch comprendono R&S, consulenza tecnica, test sui materiali, indagini sui materiali e sui componenti, tomografia industriale computerizzata, simulazione numerica e formazione specializzata.
"ÖGI è accreditato come centro di prova per 26 metodi di prova in conformità alla norma EN ISO/IEC 17025. Nel laboratorio di termofisica, i parametri dei materiali come la conducibilità termica, l'espansione termica e la capacità termica vengono determinati fino a temperature molto elevate. I dati sono di grande importanza per qualsiasi applicazione di sviluppo dei materiali, ma servono anche come parametri di input essenziali per le simulazioni al computer.
Tuttavia, la gamma di materiali del laboratorio di termofisica non si limita alle leghe metalliche caratterizzate allo stato solido e liquido. Tra questi vi sono i materiali da stampaggio a base di sabbia utilizzati nell'industria delle fonderie, i materiali da costruzione come il gesso, vari legni o materiali a base di legno, varietà di vetro e materiali ceramici.
Un prerequisito per coprire una gamma così ampia di materiali è disporre di strumenti di misura particolarmente affidabili. A tal fine, ÖGI collabora da decenni con NETZSCH-Gerätebau. Tutti gli strumenti del laboratorio di termofisica dell'ÖGI si sono dimostrati affidabili per un periodo di tempo straordinariamente lungo, di solito intorno ai 20 anni. Tra questi vi sono due sistemi LFA 427, il primo in funzione dal 2003 e il secondo dal 2015. Un altro vantaggio dei sistemi di NETZSCH-Gerätebau è la disponibilità a lungo termine dei pezzi di ricambio in combinazione con un servizio di assistenza eccellente e rapido.
Materiali per applicazioni spaziali
Anche i materiali per applicazioni spaziali sono diventati una parte importante della gamma di materiali di ÖGI. ÖGI è coinvolta in diversi progetti e collaborazioni internazionali di ricercaarc. Viene testata un'ampia gamma di materiali, tra cui leghe metalliche e plastiche rinforzate con fibre di carbonio utilizzate nei satelliti e negli stadi dei razzi. Ogni settimana, diverse tonnellate di materiale proveniente da veicoli spaziali abbandonati entrano nell'atmosfera terrestre. Il problema è la disintegrazione incontrollata di questi detriti spaziali. Gli accordi internazionali richiedono ora un rientro controllato o una valutazione del rischio di crash incontrollato per ogni nuovo decollo in orbita terrestre bassa. Per la valutazione del rischio vengono effettuate simulazioni numeriche del carico termico e meccanico o del burn-up durante il rientro. Per migliorare la capacità di previsione, sono necessari dati validi sui materiali fino a temperature molto elevate o fino alla fase fusa. L'ÖGI ha potuto dare un contributo significativo alla caratterizzazione di questi materiali.
I tessuti ceramici e le schiume di grafite, tuttavia, sono particolarmente difficili da caratterizzare. Questi sono utilizzati come strati compositi per gli scudi termici gonfiabili (Advanced Inflatable Thermal Protection Systems) per la Terra e per le future missioni su Marte.
Poiché la conoscenza delle caratteristiche del materiale è necessaria per temperature molto superiori a 1000°C, è possibile utilizzare solo il metodo del flash laser, l'unico strumento in grado di determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica nell'intervallo delle alte temperature. All'ÖGI vengono utilizzati due sistemi LFA 427 di NETZSCH-Gerätebau. Il vantaggio del metodo laser flash non risiede solo nell'ampio intervallo di temperatura, ma anche nella capacità di misurare i valori di tessuti e schiume di grafite a diverse pressioni e atmosfere gassose.
La metodologia di misurazione e la valutazione devono rispondere alle esigenze poste non solo dalla produzione di campioni adeguati, dallo spessore difficilmente definibile di tessuti e schiume di grafite e dalla parziale disomogeneità, ma anche a quelle poste dalla porosità dei materiali. Nell'esempio seguente, sono stati testati una schiuma di grafite e un aerogel in atmosfera di argon. La figura 3a) mostra il segnale di misura (blu) nel tempo per una schiuma di grafite; la figura 3b) per un aerogel. A causa della struttura porosa dei due materiali, l'impulso laser non viene più interamente assorbito in superficie. Per tenere conto dell'assorbimento dell'impulso laser nella struttura dei pori, nel software NETZSCH viene utilizzato il modello di penetrazione Proteus®Ò LFA in entrambi i casi. Per minimizzare gli effetti parassiti del flusso di calore, la fine dell'intervallo di adattamento della curva (in rosso) è selected è poco dopo il massimo. Nel caso di materiali radiotrasparenti, come gli aerogel, il segnale iniziale non viene preso in considerazione nella valutazione.
Oltre alla caratterizzazione termofisica di diversi tessuti e schiume di grafite, le misurazioni termofisiche sono integrate da test applicativi. Per testare la capacità termica dei compositi stratificati, questi vengono sollecitati termicamente presso la fonderia di prova ÖGI a temperature superiori a 1000°C, come previsto per l'atterraggio su Marte. In un sistema di strati protettivi termici, le termocoppie sono integrate tra i singoli strati. Per mezzo di un crogiolo di grafite con rame fuso, il composito di strati protettivi termici può essere improvvisamente caricato termicamente a circa 1100°C (figura 4a)). Le temperature tra gli strati vengono misurate, consentendo di determinare il flusso di calore attraverso il sistema di strati. Per l'isolamento termico dall'ambiente, durante l'esperimento il sistema di strati viene inserito in uno stampo, costituito da un telaio in ceramica per il fissaggio e da un materiale di stampaggio a base di sabbia a bassa conducibilità termica, prodotto da una stampante 3D interna (figura 4b)). I risultati delle misurazioni degli esperimenti sono in ottimo accordo con la simulazione numerica in cui sono stati implementati i risultati delle misurazioni LFA per i singoli strati protettivi termici (figura 5)."
Un sentito ringraziamento all'Istituto austriaco di fonderia di Leoben per questa interessantissima relazione.
Ci auguriamo di poter collaborare con successo per molti anni ancora!
