09.12.2025 by Sascha Riegler
Come l'analisi meccanica dinamica ad alta forza aiuta a comprendere il comportamento reale dei materiali
I componenti in gomma utilizzati nei settori aerospaziale, minerario, della difesa e degli sport motoristici sono sottoposti a carichi meccanici estremi durante il funzionamento reale, ben al di là di quanto possano riprodurre i test standard. Il DMA ad alta forza consente di misurare e simulare queste sollecitazioni, rivelando comportamenti critici come l'accumulo di calore, la fatica e gli effetti Payne e Mullins. Con una tecnologia di prova avanzata, i produttori possono prevedere meglio le prestazioni, prevenire i guasti e progettare materiali in gomma più sicuri e duraturi.
Il comportamento della gomma sotto carico pesante
Che si tratti di pneumatici per aerei, nastri trasportatori per miniere, tappetini per piste militari o pneumatici per gare di Formula 1, la gomma è spesso esposta a sollecitazioni meccaniche estreme. Ma come si comporta questo complesso materiale nelle condizioni reali? E come possono i produttori testare e simulare in modo affidabile questi carichi? È qui che l'analisi meccanica dinamica (DMA) ad alta forza di NETZSCH diventa essenziale.
Perché il DMA ad alta velocità?
Il DMA è un metodo di prova non distruttivo utilizzato per analizzare il comportamento meccanico dinamico dei solidi viscoelastici. Sebbene i DMA convenzionali siano adatti per i campioni small e per le prove viscoelastiche lineari, raggiungono i loro limiti quando i materiali sono esposti a forze elevate, alte frequenze o large deformazioni, tutti fenomeni comuni nelle applicazioni reali.
NETZSCH offre strumenti DMA ad alta forza come il DMA 503 Eplexor® e DMA 523 Eplexor®, in grado di applicare forze statiche fino a 6000 N e forze dinamiche fino a 4000 N. Questi sistemi consentono di testare large campioni e di simulare condizioni di carico realistiche, dai pneumatici per impieghi gravosi agli smorzatori di VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazioni.
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Accumulo di calore e fuoriuscita di aria - Elastomeri al limite
Una delle principali sfide nei test sulla gomma è l'accumulo di calore sotto carico ciclico. Gli elastomeri hanno una scarsa conducibilità termica. Quando sono sottoposti a forti sollecitazioni dinamiche, viene generato più calore di quello che può essere dissipato, con conseguente aumento della temperatura interna - un fenomeno noto come Heat Build-Up (HBU).
I test Blow-Out fanno un ulteriore passo avanti: il campione viene sollecitato dinamicamente fino al cedimento. Con il DMA ad alta forza, è possibile misurare non solo gli aumenti di temperatura, ma anche le proprietà viscoelastiche come il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo, il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita e il comportamento di smorzamento (tan δ) - tutto in un unico test.
Un esempio pratico ha rivelato che, mentre una termocoppia di superficie misurava solo un aumento di temperatura di 20°C, la temperatura interna - rilevata con una termocoppia ad ago - aumentava fino a 70°C. Queste informazioni sono fondamentali, poiché il surriscaldamento interno può portare alla formazione di cavità, alla formazione di cricche e, in ultima analisi, a guasti catastrofici.
L'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne - Quando la gomma si ammorbidisce con il movimento
L'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne descrive la diminuzione della rigidità (Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo) degli elastomeri caricati all'aumentare della deformazione dinamica. Questo effetto diventa rilevante quando componenti in gomma come pneumatici, tergicristalli o smorzatori di VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazioni sono sottoposti a deformazioni ripetute.
Utilizzando il sito NETZSCH DMA 503 Eplexor® , un test di carico ha dimostrato come il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo rimanga costante nella Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali. regione viscoelastica lineare, per poi diminuire significativamente - di quasi due terzi - una volta iniziato il comportamento non lineare. Il fattore di perdita (tan δ) è aumentato inizialmente, ha raggiunto un picco quando le reti interne di riempimento erano più danneggiate, prima di scendere nuovamente.
Quando la deformazione dinamica è stata ridotta, il materiale non è tornato allo stato originale. Al contrario, ha mostrato un'isteresi: recupero parziale, ma non ripristino completo. Ciò dimostra che l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne è solo parzialmente reversibile a breve termine - il recupero completo richiede periodi di riposo più lunghi, in quanto i legami riempitivo-riempitivo si riagglomerano.
Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.Effetto Mullins - Addolcimento irreversibile
Mentre l'Effetto PayneL'effetto Payne è la diminuzione della resistenza di un sistema di elastomeri riempiti e reticolati all'aumentare dell'ampiezza della deformazione.effetto Payne è reversibile nel tempo, l'Effetto MullinsL'effetto Mullins descrive un fenomeno tipico dei materiali in gomma.effetto Mullins descrive un ammorbidimento permanente di un elastomero caricato dopo ripetuti carichi e scarichi in condizioni quasi statiche.
Questo effetto gioca un ruolo fondamentale in applicazioni quali:
- Comportamento di rodaggio dei pneumatici
- Prestazioni di tenuta a lungo termine degli O-ring
- Cambiamenti nelle prestazioni di smorzamento dei supporti per le VibrazioniUn processo meccanico di oscillazione è chiamato vibrazione. La vibrazione è un fenomeno meccanico in cui si verificano oscillazioni intorno a un punto di equilibrio. In molti casi, le vibrazioni sono indesiderate, perché sprecano energia e creano suoni indesiderati. Ad esempio, i movimenti vibratori dei motori, dei motori elettrici o di qualsiasi dispositivo meccanico in funzione sono tipicamente indesiderati. Tali vibrazioni possono essere causate da squilibri nelle parti rotanti, da attriti non uniformi o dall'ingranamento dei denti degli ingranaggi. In genere, una progettazione accurata riduce al minimo le vibrazioni indesiderate.vibrazioni
I test DMA ad alta forza mostrano che, dopo un ciclo di carico iniziale, le successive curve di sollecitazione-deformazione seguono percorsi più morbidi. Ciò indica cambiamenti strutturali irreversibili, tra cui il danneggiamento dei legami polimero-riempitivo e il riarrangiamento delle catene polimeriche. La differenza tra le curve di sollecitazione-deformazione originali e quelle successive è nota come danno di Mullins, un parametro chiave per la modellazione predittiva e le simulazioni dei materiali.
Pensieri finali
La gomma è un materiale estremamente versatile ma complesso. Il suo comportamento sotto sforzo comporta una combinazione di effetti meccanici, termici e microstrutturali, tutti interagenti simultaneamente. La comprensione di questi effetti richiede tecniche di prova avanzate.
I sistemi DMA ad alta forza di NETZSCH Analyzing & Testing consentono a ingegneri e ricercatori di simulare le condizioni di carico del mondo reale e di acquisire dati critici su fatica, accumulo di calore, prestazioni di smorzamento e cambiamenti microstrutturali.
Come disse una volta il famoso progettista di Formula 1 Adrian Newey:
"Questi pezzi di gomma che trasmettono effettivamente l'aderenza all'asfalto sono probabilmente i meno conosciuti , eppure sono i più cruciali"
Noi di NETZSCH possiamo non avere tutte le risposte, ma forniamo gli strumenti che aiutano a fare un passo avanti nei test sui materiali e nella comprensione della gomma.
Siete interessati a saperne di più sulle soluzioni di DMA e di test ad alta forza? Non esitate a contattarci!
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