Failure Analysis su valigia

RUBRICA | Come si è rotto? #09

TEC EUROLAB

#09

Failure Analysis su Valigia da viaggio

NUOVA RUBRICA | Come si è rotto?

failure analysis su perno filettato | rubrica come si è rotto

L’oggetto

L’oggetto di cui si indagano le cause di rottura è una valigia da viaggio. Essa risulta non conforme sul lato anteriore, caratterizzato dalla presenza di anomalie (cricche, graffi…) mentre sul lato posteriore non presenta danneggiamenti. Dalle informazioni fornite dal committente la valigia non è stata mai utilizzata, ma è stata sottoposta ad un test di tenuta. Il test in questione consisteva nel far compiere alla valigia un viaggio in aereo, eseguire manipolazioni (apertura/chiusura) e trascinamento a terra.

Le anomalie, osservate soltanto sul lato frontale della valigia, hanno portato il nostro cliente a volere indagare le possibili differenze di questa valigia rispetto a quelle prodotte in passato, le quali erano caratterizzate da una maggior resistenza alle sollecitazioni in esercizio.

Le analisi

Le analisi svolte per determinare le cause di rottura del componente sono:

Studio frattografico. Osservazioni con l’utilizzo del microscopio elettronico (SEM) e lo stereo-microscopio
Contatto con i fluidi per manifestazione delle tensioni interne
Analisi termica DSC (Calorimetria differenziale a scansione)
Analisi termogravimetrica (TGA)

Le analisi DSC e TGA indicano che la valigia è costituita da un mix di materiale termoplastico: poliestereterftalato amorfo riclitato, ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene) e blend di ABS e policarbonato (PC). Tutti i materiali coinvolti sono materiali polimerici, caratterizzati da macromolecole che interagiscono tra di loro attraverso legami di tipo fisico (forze di Van der Waal e ponti d’idrogeno). Questa caratteristica permette di avere dei materiali che potranno essere riciclati. Tale riciclo dovrà essere eseguito in modo corretto, rispettando i parametri termici di resistenza del materiale, per non causare danneggiamento (perdita del peso molecolare) nel materiale.

Studio frattografico

La valigia come consegnataci dal committente è caratterizzata dalla presenza di difetti (cricche) al centro del lato anteriore. Non sono presenti difetti simili né sul retro della valigia né sulle sue parti laterali. Ogni parte del manufatto in esame è costituita da uno strato plastico ruvido blu all’esterno ed uno strato liscio grigio all’interno. Dalle prime osservazioni sotto lo stereo-microscopio, si osserva che il difetto si sviluppa fondamentalmente sullo strato esterno ruvido blu.

Osservazioni allo stereo-microscopio della valigia come consegnata. Zona con difetto (lato anteriore blu della superficie frontale della valigia)

osservazioni con stereo-microscopio e eds

Spettro EDS del residuo riscontrato all’interno della cricca

Spettro EDS di una zona integra del lato frontale della valigia

Osservazioni allo stereo-microscopio della valigia come consegnata. Zona con difetto (lato posteriore grigio della superficie frontale della valigia)

osservazioni stereo-microscopio lato grigio

Per quanto riguarda le osservazioni al microscopio elettronico (SEM), esse sono state effettuate sia frontalmente al componente che dopo aver aperto la superficie di frattura di una delle cricche. Dalle osservazioni frontali, occorre segnalare che la fine di ogni cricca è caratterizzata da deformazione plastica, correlabile all’azione causata da un utensile e/o altro con un effetto di incisione sulla superficie della valigia.

Immagini SEM del lato frontale nella zona del difetto

Per quanto concerne la superficie di frattura, essa è caratterizzata da una morfologia duttile, deformata plasticamente e con dei segni correlabili ad un fenomeno di abrasione del materiale.

Immagini SEM della superficie di frattura

Occorre segnalare che tutti i difetti riscontrati sono attribuibili alla manipolazione e movimentazione che la valigia ha subito nel test di tenuta.

Contatto con determinati fluidi per la verifica delle tensioni interne

I materiali costituenti le due parti della valigia sono materiali termoplastici amorfi. Questa tipologia di materiale plastico è caratterizzata dalla possibilità di accumulo di tensioni interne a livello macromolecolare. Tali tensionamenti hanno origine durante il processo di trasformazione, cioè durante l’ottenimento della valigia stessa. Purtroppo, le tensioni interne che mostrano questi materiali sono a volte la causa di rotture in esercizio. Per questo motivo è consigliato condurre un detensionamento del materiale per eliminare le tensioni. Nel caso particolare della valigia, alcune porzioni della parte frontale e posteriore sono state sottoposte al contatto con alcuni fluidi, adatti a far emergere in superficie zone tensionate. Dalle analisi condotte, il materiale delle due parti del campione in esame non mostra tensionamenti interni. Per questo motivo, si ritiene che il materiale non sia tensionato e non sia questa la causa delle rotture avvenute.

Analisi termica DSC e termogravimetrica (TGA)

Le analisi in questione hanno le seguenti funzioni:

L’analisi DSC è una verifica del comportamento termico del materiale. Dal grafico otterremo parametri termici tipici di un materiale termoplastico amorfo, cioè, la sua temperatura di transizione vetrosa (Tg).
L’analisi termogravimetrica (TGA) fornisce a livello quantitativo tutte le frazioni che compongono il compound polimerico: frazione dei volatili e semi-volatili, frazione polimerica, e frazione inorganica (carica e/o rinforzo).

Dalle analisi condotte, non si sono riscontrate delle differenze qualitative tra le due parti che compongono la valigia. Entrambe sono costituite dal mix indicato in precedenza (RPET, ABS e blend ABS/PC). Occorre però segnalare che con le analisi suddette si è riscontrato una differenza percentuale tra i materiali polimerici del mix. In particolare, sulla parte frontale della valigia è presente un maggior contenuto del blend ABS/PC ed un minor contenuto di ABS rispetto a quanto riscontrato sulla parte posteriore, che ricordiamo è quella che non ha avuto alcun danneggiamento.

Termogramma DSC delle due parti della valigia

Termogramma TGA

Conclusioni

Dai risultati ottenuti, le due parti costituenti la valigia mostrano una differenza quantitativa delle frazioni polimeriche costituenti. Questa differenza è responsabile del diverso comportamento che le due parti hanno riguardo a due sollecitazioni importanti durante l’utilizzo: resistenza all’usura e coefficiente di attrito. Per un buon comportamento fisico-meccanico, entrambe le parti della valigia dovrebbero mostrare un’alta resistenza all’usura ed un basso coefficiente di attrito. Se consideriamo le caratteristiche di ogni materiale del mix, rispetto ai parametri fisico-meccanici suddetti, il materiale plastico con maggior proprietà di resistenza all’usura ed il minor coefficiente di attrito è il R-PET. Invece, per quanto riguarda il materiale ABS ed il blend ABS/PC, quest’ultimo è caratterizzato da un comportamento peggiore riguardo i parametri suddetti. Essendo la parte frontale, quella con maggior contenuto di blend ABS/PC si spiega che essa si comporti peggio durante i test di tenuta subito dalla valigia stessa.