Come il Gruppo Baowu ha risolto le prove di fatica a frequenza variabile con ElectroPuls®™
Di fronte alle nuove esigenze di prova derivanti dall'ascesa dei veicoli a nuove energie, l'Istituto Centrale di Ricerca del Gruppo Baowu necessitava di una soluzione per le prove di fatica in condizioni di ampiezza, frequenza e temperatura variabili — condizioni che le tradizionali macchine servoidrauliche e a risonanza elettromagnetica non erano in grado di gestire. L'Instron ElectroPuls® E10000 ha combinato la capacità ad alta frequenza con prove ad ampiezza variabile programmabili in un sistema compatto e a bassa manutenzione, fornendo al team di Baowu uno strumento versatile per materiali che spaziano dall'acciaio alle plastiche leggere.
Informazioni
Baosteel e WISCO — leader dell'industria siderurgica cinese — si sono fuse nel settembre 2016 per formare il Baowu Iron & Steel Group, oggi il più grande gruppo siderurgico in Cina. Baowu sta perseguendo tre strategie di trasformazione: dall'acciaio ai materiali, dalla produzione al servizio, e da leader in Cina a leader nell'industria siderurgica mondiale.
Sede
Cina
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Per conformarsi alle sue tre strategie di trasformazione, il Laboratorio di Meccanica dell'Istituto Centrale di Ricerca (Centro Tecnico) di Baowu ha compiuto sforzi significativi nel campo dei materiali industriali — in particolare i materiali per le nuove energie — attraverso la valutazione delle proprietà meccaniche e lo sviluppo di metodi di prova per le materie prime siderurgiche.
La ricerca e lo sviluppo di materiali e applicazioni devono tenere il passo con le richieste del mondo reale. Si consideri cosa accade quando un veicolo accelera: il meccanismo di guida accelera, raggiunge una velocità di marcia stabile, quindi frena e decelera. Questo comportamento ciclico espone i materiali a frequenze di carico che passano da alte a basse, fino a diventare costanti. Un'applicazione tipica è l'acciaio utilizzato nei macchinari elettrici dei veicoli a nuove energie. Le tradizionali prove di fatica che utilizzano ampiezza e frequenza costanti non possono più affrontare le sfide tecniche poste da questi nuovi materiali — i cambiamenti di ambiente, velocità, ampiezza e frequenza sono diventati temi centrali nella ricerca sui materiali automobilistici per le nuove energie.
“Gli studi sulle prestazioni meccaniche a lungo termine dei materiali in condizioni di frequenza e ampiezza variabili saranno la tendenza futura”, ha affermato il Dr. Fang. “Tuttavia, in Cina, seguiamo ancora lo standard di prova GB/T 15248-2008, Prove di fatica a basso numero di cicli di materiali metallici in condizioni di ampiezza costante assiale, che chiaramente non può soddisfare i requisiti di prova di questi nuovi materiali. Esiste già uno standard internazionale — ISO 12110-1:2013, Materiali metallici — Prove di fatica — Prove di fatica ad ampiezza variabile — Parte 1: Principi generali, metodo di prova e requisiti di rendicontazione — per testare questo tipo di materiale, ma non è ancora stato rilasciato un corrispondente standard cinese.”
Con l'ascesa dei veicoli a nuove energie e il sostegno del governo cinese, molti noti produttori di veicoli — tra cui Tesla, Volkswagen e General Motors — hanno già stabilito i propri standard per le prove di fatica dei materiali. Nuovi concetti come le prove ad ampiezza variabile, frequenza variabile e temperatura variabile pongono nuove richieste ai fornitori globali di materiali. Per i fornitori di materiali, tra cui Baowu Steel, trovare rapidamente le giuste soluzioni di prova è diventata una nuova sfida pressante.
“Le proprietà meccaniche a lungo termine dei materiali in condizioni di frequenze e ampiezza variabili saranno una tendenza in futuro. Per una macchina servoidraulica tradizionale, l'intervallo di frequenza è troppo limitato, i costi di manutenzione sono elevati e c'è molto rumore durante l'esecuzione di una prova. Se vogliamo testare la fatica di acciai ultrasottili, anche le tradizionali macchine per prove di fatica ad alta frequenza a risonanza elettromagnetica sono difficili da controllare. Entrambe le sfide ci spingono a trovare nuove soluzioni.”
Dr. Jian Fang
Ingegnere capo delle prove meccaniche, Istituto Centrale di Ricerca, Gruppo Baowu
Ricerca di una nuova soluzione di prova
Trattandosi di una sfida emergente, superare i metodi di prova tradizionali per trovare soluzioni efficienti è fondamentale. In qualità di tecnico capo, il Dr. Fang apporta una vasta esperienza nel testare i materiali metallici — e a suo avviso, sebbene esistano molti modi per eseguire prove di fatica, pochi dispositivi possono misurare accuratamente in condizioni di ampiezza, frequenza e temperatura variabili simultaneamente.
Le macchine per prove di fatica servoidrauliche sono comunemente utilizzate per le prove di fatica dei materiali in condizioni di ampiezza, frequenza e temperatura variabili, ma la loro capacità di frequenza è limitata a poche decine di hertz — insufficiente per le esigenze di prova ad alta frequenza e inefficiente. Le macchine per prove di fatica ad alta frequenza a risonanza elettromagnetica possono gestire prove ad alta frequenza, ma mancano della capacità di testare in condizioni di frequenza e ampiezza variabili — una sfida particolare quando si testano materiali leggeri.
“Da un lato, le tradizionali macchine servoidrauliche per prove di fatica sono inefficienti, poiché la stazione di pompaggio idraulico è costosa da mantenere e genera molto rumore”, ha spiegato il Dr. Fang. “Dall'altro lato, le tradizionali macchine per prove di fatica ad alta frequenza a risonanza elettromagnetica sono difficili da controllare quando si eseguono prove di fatica su alcuni acciai ultrasottili di tipo consumer. Queste sfide ci hanno spinto a trovare nuove soluzioni per le prove di fatica.”
Le macchine elettroniche per prove di fatica dinamiche e statiche hanno costi di manutenzione ridotti e possono testare in condizioni di ampiezza e frequenza variabili, combinando la capacità ad alta frequenza delle macchine a risonanza elettromagnetica con l'ampiezza e la frequenza variabili programmabili delle macchine per prove di fatica a basso numero di cicli. Ciò le rende particolarmente adatte alle prove meccaniche di materiali ultrasottili e leggeri. Occupano inoltre un ingombro ridotto, sono facili da mantenere e non richiedono acqua di raffreddamento o olio idraulico — funzionando invece con un'alimentazione monofase a basso consumo energetico. Il Dr. Fang è stato immediatamente attratto dalla macchina per prove elettroniche dinamiche e statiche di Instron, versatile e ben progettata, in occasione di una fiera di settore.
Testare per il futuro, non solo per il presente
“Per le prove di fatica tradizionali, spesso sceglievamo frequenze il più elevate possibile, sperando di raggiungere il limite di fatica in un breve periodo”, ha affermato il Dr. Fang. “Ma le prove di fatica per i nuovi materiali sono cambiate — ora siamo curiosi di sapere cosa accadrà alle proprietà di fatica dell'acciaio in condizioni di ampiezza variabile o frequenza variabile.”
“Tutte queste prove possono essere eseguite utilizzando l'Instron E10000 e i risultati sono stati ben accolti dai nostri clienti”, ha affermato il Dr. Fang. “Oltre ai materiali metallici, utilizziamo l'E10000 anche per testare materiali leggeri e plastiche per uso alimentare. In sintesi, dalle prove statiche a bassa velocità alle prove dinamiche a circuito chiuso ad alta frequenza, la macchina per prove statiche e dinamiche ElectroPuls® può soddisfare tutti i nostri requisiti di prova.”
Il Dr. Fang ha inoltre sottolineato che un vantaggio significativo della collaborazione con Instron è che gli accessori possono essere condivisi in tutta la linea di prodotti — celle di carico, afferraggi ed estensimetri possono essere configurati tutti sulla stessa serie di strumenti, facendo risparmiare tempo e costi ai clienti. “Ad esempio, l'estensimetro Instron AVE può essere utilizzato in tutto il nostro laboratorio, da una macchina statica da 1 tonnellata a una macchina dinamica da 25 tonnellate”, ha affermato il Dr. Fang.
Sebbene l'Instron E10000 fosse stato installato e in uso da meno di un anno al momento della stesura, i tecnici di Baowu avevano già accumulato una significativa esperienza nelle prove di fatica ad ampiezza e frequenza variabili utilizzando il sistema. Con la continua crescita del settore delle nuove energie, si prevede che le macchine per prove statiche e dinamiche ElectroPuls® di Instron troveranno una gamma ancora più ampia di applicazioni.
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