ESEMPI DI COMPOUND BASE POLIAMMIDE PER IL "METAL REPLACEMENT" E ANALISI TRAMITE MICROSCOPIA ELETTRONICA A SCANSIONE CON MICROANALISI DEGLI ELEMENTI
Una delle caratteristiche peculiari dei materiali polimerici termoplastici (quali le poliammidi alifatiche e le poliammidi semi aromatiche) e dei compound basati su questi polimeri, è quella di avere una densità decisamente inferiore a quella di metalli e leghe metalliche (nella tabella 1 sono, per esempio, riportate le densità di alcuni compound rinforzati con il 50% di fibra vetro in peso a confronto con alcuni metalli o leghe metalliche).
Questa caratteristica coniugata con la possibilità di ottenere compound (definibili come strutturali) con prestazioni meccaniche significativamente incrementate rispetto al polimero tal quale, per esempio tramite uso di rinforzi quali le fibre di vetro o le fibre di carbonio, rende tali compound (anche insieme ad altre caratteristiche dei materiali polimerici) idonei per essere considerati al posto di metalli e leghe metalliche in molte applicazioni.
In termini generali si parla quindi di sostituzione del metallo (“metal replacement”) e, fra i compound di maggior rilievo per questa sostituzione, si possono senz’altro annoverare specifici compound su base PA6, PA66, blend PA66 con poliammide semi aromatica amorfa e quelli su base poliammidi semi aromatiche.
Tabella 1: densità di alcune leghe metalliche (o metallo) a confronto con compound rinforzati con il 50% di fibra vetro
L’obiettivo nell’uso di questi compound è dunque quello di sostituire il metallo mantenendo la stessa funzionalità della parte: è necessaria quindi, come punto di partenza, un’attenta analisi dell’applicazione e dei suoi requisiti e cioè l’analisi, la più completa possibile, dell’ambiente in cui opera l’applicazione per esempio in termini di temperature (di picco e continue), di carichi (sollecitazioni meccaniche statiche, dinamiche o cicliche), di tempi in cui e per cui agiscono questi vari fattori, della presenza di agenti chimici, di umidità, di radiazioni UV, ecc.
Va detto che, anche sulla base di questa analisi, non risulta tuttavia quasi mai fattibile sostituire in maniera diretta e immediata il metallo con un compound base materiale termoplastico per una parte prodotta in metallo (o leghe metalliche): è in generale infatti necessaria una riprogettazione, in senso lato, della parte (un redesign della parte), per esempio per quanto riguarda gli spessori (modificati), l’uso di nervature (per esempio a griglia) e la necessità di evitare, nella progettazione della parte in compound base materiale termoplastico, angoli vivi e discontinuità geometriche (in specifico se la parte in materiale termoplastico è prodotta per stampaggio ad iniezione).
Sotto questo profilo, cioè quello di un appropriato redesign, entrano in gioco, e sono di grande supporto, analisi CAE (FEM), software per calcoli strutturali, nonché l’uso di software di simulazione processo (quali, per esempio, Moldflow).
Come detto la densità dei compound base poliammide è decisamente inferiore a quella dei metalli e leghe metalliche e questo è sicuramente uno dei fattori che permette il necessario redesign (per esempio tramite un incremento di spessori) della parte così che sia possibile produrre la parte finita con un compound invece che con metallo.
In effetti se consideriamo come proprietà specifica (normalizzata rispetto alla densità) lo sforzo a rottura in trazione per i compound indicati nella tabella 1 (per materiali non condizionati, cioè secchi da stampaggio o DAM dall’acronimo in inglese di “Dry As Moulded”) si hanno dei valori di sforzo specifico decisamente elevati (si veda Figura 1) rispetto ad alcune leghe metalliche (o metallo).
Figura 1: sforzo a rottura specifico per alcune leghe metalliche (o metallo) a confronto con compound rinforzati con il 50% di fibra vetro. Provini secchi da stampaggio (o DAM, “Dry As Moulded”).
I vantaggi del “metal replacement”, che quindi “spingono” e indirizzano verso questa sostituzione sono molti: si ha in primis un vantaggio notevole in termini di riduzione del costo e in specifico di costo al litro [€/lt] cioè del costo per volume di materiale (e non semplicemente di costo al kg visto che è con un dato volume di materiale che si producono un certo numero di pezzi o parti).
Si ha chiaramente anche un vantaggio in termini di peso (e quindi di consumi legati a questo).
Questi vantaggi sono direttamente legati alla densità dei compound base poliammide (inclusi quelli base blend poliammidi e poliammidi semi aromatiche).
Si ha poi un impatto ambientale (dalla LCA cioè “Life Cycle Assessment”) ridotto, una notevole flessibilità di disegno, la possibilità di integrazioni di funzioni, un’ottima estetica, un assemblaggio facilitato e post lavorazioni ridotte, specifiche resistenze chimiche (per esempio alla corrosione) e una migliore processabilità (anche intesa come temperature di processo in gioco).
Ma quali possono essere dei compound considerabili per questa sostituzione?
Alcuni sono quelli indicati nella tabella 1 (e Figura 1) ma si possono considerare anche compound ancora più specifici come, per esempio, quelli indicati e descritti di seguito, nella tabella 2.
Tabella 2: specifici compound base poliammide (e blend) considerabili per sostituzione metallo
Nella tabella 3, per i materiali indicati nella tabella 2, sono riportati, oltre alla densità, anche una serie di proprietà meccaniche quali il modulo a trazione, lo sforzo a rottura in trazione, la deformazione a rottura in trazione e lo sforzo a rottura in flessione (per i materiali condizionati a 23°C/50%UR per 24h).
Tabella 3: densità e proprietà meccaniche di alcuni compound base poliammide (e blend) considerabili per sostituzione metallo (materiali condizionati a 23°C/50%UR per 24h)
I dati riportati nella tabella 3 sono stati ottenuti da materiali (compound) con composizione come indicato nella tabella 2: i materiali testati sono stati prodotti con il medesimo estrusore e i provini, utilizzati per la valutazione delle prestazioni meccaniche, sono stati ottenuti usando la stessa pressa ad iniezione.
Inoltre i test meccanici, come pure tutte le analisi microscopiche riportate di seguito, sono stati eseguiti con i medesimi strumenti e dagli stessi operatori.
Una valutazione delle caratteristiche morfologiche e dimensionali dei rinforzi presenti in questi compound (rinforzi che, come detto, permettono di ottenere elevate prestazioni meccaniche) può, per esempio, essere condotta tramite microscopia elettronica a scansione con microanalisi degli elementi.
Di seguito sono riportate delle immagini ottenute con questa tecnica su placche stampate ad iniezione per alcuni dei compound citati.
Immagine 1: analisi dimensionale (puntuale) e morfologica effettuata su parte di provino stampato ad iniezione con un compound base blend PA66, PA6 e PA semi aromatica amorfa (tipo PA6I/6T) con 70% fibra vetro speciale (a sezione ellissoidale) definita “flat fiber” o fibra piatta
In questa immagine sono evidenziabili e verificabili alcune peculiarità della speciale fibra di vetro utilizzata: si può valutare per esempio la specifica morfologia della fibra (fibra piatta) come pure verificare, sebbene puntualmente, la dimensione dell’asse maggiore (che risulta di circa 26-27 micron a fronte di un valore nominale di 28 micron).
Immagine 2: analisi dimensionale (puntuale), morfologica e mappatura degli elementi effettuata su parte del provino stampato ad iniezione con un compound base blend PA66 e PA semi aromatica amorfa (tipo PA6I/6T) con 65% fibra vetro avente diametro 6 micron
Da questa immagine è possibile verificare che il diametro medio della fibra vetro impiegata è effettivamente dell’ordine dei 6 micron (coerente con il valore nominale) e, dalla mappatura degli elementi, visualizzare distintamente le fibre vetro nella matrice.
Immagine 3: analisi dimensionale (puntuale) e morfologica effettuata su parte del provino stampato ad iniezione con un compound base blend PA66 e PA semi aromatica amorfa (tipo PA6I/6T) con 40% fibra carbonio.
Da questa immagine, oltre a visualizzare le fibre di carbonio presenti, si può avere un’idea del diametro medio della fibra di carbonio presente nel compound ovvero 6-7 micron (a fronte di un valore nominale di 7 micron).
Immagine 4: analisi dimensionale (puntuale), morfologica e mappatura elementi effettuata su parte provino stampato ad iniezione con un compound base poliammide semi aromatica (PA6T/6I) con 55% fibra vetro e elevata stabilizzazione termica
Da questa immagine, è possibile valutare che il diametro medio della fibra vetro impiegata è dell’ordine dei 10 micron (valore in linea con quello nominale, cioè 10 micron, della fibra).
Anche in questo caso, tramite mappatura degli elementi, è possibile inoltre visualizzare distintamente le fibre vetro nella matrice.
In RDLab137 è disponibile un microscopio elettronico di ultima generazione che è stato utilizzato nei casi descritti e che è utilizzabile per valutazioni di questo tipo e per quelle ulteriori valutazioni legate alle potenzialità della tecnica (come indicate al link https://rdlab137.it/it/laboratorio/microscopiaelettronica-sem-edx.html).
Ing. Luca Ciceri - RDLAB137 srl
Ultima revisione: 29/08/2022
