Compound autolubrificanti: come misurare attrito e usura con il tribometro

Come la caratterizzazione tribologica aiuta a confrontare i materiali plastici autolubrificanti e a selezionare il compound più adatto alle reali condizioni applicative.

Quando due componenti lavorano a contatto e sono sottoposti a movimento relativo, attrito e usura diventano parametri fondamentali nella scelta del materiale.

Ridurre questi fenomeni significa migliorare l’efficienza del sistema, limitarne il deterioramento nel tempo e, in molte applicazioni, ridurre o eliminare la necessità di ricorrere a lubrificanti esterni.

È proprio per rispondere a queste esigenze che LATI sviluppa LATILUB, la famiglia di compound termoplastici autolubrificanti progettata per applicazioni nelle quali scorrimento, contatto e durata del componente rappresentano requisiti determinanti.

Ma scegliere il materiale con il coefficiente di attrito più basso non è sufficiente. Il comportamento tribologico dipende dal sistema nel suo complesso: materiale, controparte, pressione, velocità, temperatura, geometria e tipologia di movimento.

Per questo la caratterizzazione mediante tribometro rappresenta uno strumento importante nello sviluppo e nella selezione dei compound autolubrificanti.

Compound termoplastici autolubrificanti: cosa sono e come funzionano

I compound termoplastici autolubrificanti sono materiali nei quali specifici additivi funzionali vengono dispersi all’interno della matrice polimerica con l’obiettivo di controllare attrito e usura generati dal movimento relativo tra due o più superfici.

La gamma LATILUB comprende formulazioni sviluppate utilizzando differenti sistemi autolubrificanti, selezionati in funzione delle prestazioni richieste e delle condizioni operative dell’applicazione.

Tra le soluzioni utilizzate rientrano, ad esempio:

• grafite, bisolfuro di molibdeno e olio di silicone, per intervenire sul comportamento all’attrito;
• fibre aramidiche, per contribuire al controllo dell’usura;
• fibre di carbonio e cariche ceramiche, per incrementare il limite PV;
• formulazioni basate su PTFE
• soluzioni alternative PFAS-free.

La scelta della formulazione dipende quindi dal problema tribologico da risolvere e dalle condizioni nelle quali il componente dovrà realmente operare.

Non esiste, in altre parole, un compound autolubrificante universalmente migliore: esiste una formulazione più o meno adatta a uno specifico sistema tribologico.

Vantaggi dei compound autolubrificanti nelle applicazioni in movimento

Uno dei principali vantaggi dei compound autolubrificanti è la possibilità di operare senza lubrificazione esterna mediante oli o grassi, quando le condizioni applicative lo consentono.

Questo può contribuire a:

• ridurre le esigenze di manutenzione;
• mantenere i sistemi più puliti;
• limitare l’accumulo di polvere e contaminanti associato alla presenza di lubrificanti tradizionali.

A questi vantaggi si aggiungono quelli tipici dei materiali termoplastici:

• possibilità di ottenere geometrie complesse mediante stampaggio a iniezione;
• integrazione di più funzioni nello stesso componente;
• riduzione delle masse rispetto a molte soluzioni metalliche;
• possibilità di realizzare componenti destinati ad ambienti tecnicamente impegnativi;
• controllo di attrito, usura e rumorosità nelle applicazioni in movimento.

I materiali autolubrificanti trovano quindi applicazione in componenti come ingranaggi, boccole, bronzine, piani di scorrimento, guide lineari, camme, perni, sistemi di automazione, pompe e valvole, oltre che negli accoppiamenti tra parti plastiche e metalliche.

Coefficiente di attrito e usura: perché un solo valore non basta

Quando si parla di tribologia, una delle prime grandezze considerate è spesso il coefficiente di attrito.

Tuttavia, chiedere semplicemente “qual è il coefficiente di attrito di questo materiale?” raramente è sufficiente per prevederne il comportamento in un componente reale.

Le prestazioni tribologiche dipendono infatti da numerosi parametri, tra cui:

• temperatura di esercizio;
• pressione o carico applicato;
• velocità relativa;
• geometria del contatto;
• finitura superficiale;
• materiale della controparte;
• condizioni ambientali;
• durata e tipologia del movimento.

Anche attrito e usura, pur essendo strettamente collegati, rappresentano fenomeni differenti.

Un materiale caratterizzato da un coefficiente di attrito particolarmente basso non è necessariamente quello che offre anche la minore usura nelle medesime condizioni.

Per questo LATI raccomanda di utilizzare coefficienti di attrito e fattori di usura soprattutto per confrontare materiali differenti nelle stesse condizioni di prova, evitando di considerarli automaticamente come valori assoluti di progetto.

È qui che la caratterizzazione sperimentale assume un ruolo centrale.

Tribometro: come si misurano attrito e usura dei materiali plastici

Il tribometro è uno strumento utilizzato per caratterizzare il comportamento tribologico di materiali e coppie di materiali in condizioni controllate di contatto e movimento.

Attraverso prove definite è possibile studiare fenomeni come attrito e usura, confrontare differenti formulazioni e analizzare come il comportamento del materiale varia modificando i parametri del sistema tribologico.

Il valore di una prova tribologica deriva proprio dalla possibilità di controllare le condizioni del test.

Carico, velocità, temperatura, distanza percorsa, geometria del contatto, materiale della controparte e caratteristiche superficiali devono essere definiti con attenzione affinché i risultati siano significativi rispetto all’applicazione che si vuole studiare.

Più le condizioni operative reali sono conosciute, più è possibile costruire una prova capace di fornire indicazioni utili per la selezione del materiale.

Prove tribologiche rotative e lineari: cosa cambia

Le possibilità di caratterizzazione del tribometro utilizzato da LATI sono state recentemente ampliate attraverso l’introduzione di un nuovo modulo lineare.

Il sistema permette di affiancare alle prove caratterizzate da movimento rotatorio test con movimento lineare alternato, o reciprocante.

Nel moto reciprocante, il contatto percorre ripetutamente una determinata traccia e il senso del movimento viene periodicamente invertito.

Questa configurazione permette di rappresentare condizioni cinematiche differenti rispetto alla rotazione continua e di studiare più da vicino applicazioni nelle quali i componenti lavorano attraverso scorrimenti avanti-indietro.

Disporre di entrambe le configurazioni amplia quindi le condizioni nelle quali possono essere caratterizzati i compound LATILUB.

L’obiettivo non è semplicemente raccogliere un numero maggiore di dati, ma ottenere informazioni più rappresentative del sistema tribologico reale che si vuole analizzare.

Per approfondire il significato di questa evoluzione dal punto di vista dello sviluppo dei materiali, ne parliamo con Annacarla Cereti, Product Development Technician in LATI

Test tribologici sui LATILUB: cinque domande al laboratorio LATI

Anna, partiamo dalle basi: che cos’è un tribometro e cosa ci permette di capire sul comportamento di un materiale plastico autolubrificante?

Un tribometro è uno strumento di laboratorio utilizzato per misurare l’attrito e l’usura tra due superfici a contatto e in movimento relativo. Nel caso di un materiale plastico autolubrificante, permette di capire quanto facilmente il materiale scorre contro un’altra superficie, quanto si consuma e quanto è efficace la sua capacità di ridurre l’attrito senza lubrificanti esterni.

Come viene impostata una prova tribologica e quali sono le variabili che possono influenzarne maggiormente il risultato?

In LATI utilizziamo un tribometro in configurazione pin-on-disc, in cui il pin in acciaio viene premuto con un certo carico contro un disco di materiale plastico, che ruota a una data velocità. Il sistema misura il coefficiente di attrito e consente di quantificare l’usura dopo una determinata distanza percorsa. I fattori che influenzano la prova sono quindi il carico applicato, la velocità di rotazione, la temperatura, la rugosità della superficie e la durata della prova.

Recentemente il nostro tribometro è stato dotato di un nuovo modulo lineare. Che cosa permette di fare rispetto alla configurazione precedente?

Nella classica configurazione pin-on-disc, il movimento del disco è rotatorio e il pin lascia una traccia circolare che viene percorsa sempre nello stesso verso durante la prova. Il modulo lineare consente di trasformare questa rotazione in un movimento lineare alternato, in cui la traccia lasciata è una linea, percorsa avanti e indietro.

 

In che modo la possibilità di realizzare prove a movimento alternato amplia la caratterizzazione dei materiali LATILUB?

Poiché le prestazioni tribologiche di un materiale non sono del solo materiale, ma di tutto il sistema in cui esso si trova a operare, essere in grado di fare test in configurazioni diverse permette di studiare sistemi diversi e di ottenere più informazioni sul possibile comportamento del materiale.

Dal laboratorio al componente reale: come possono queste prove aiutare progettisti, stampatori e sviluppatori nella scelta del compound più adatto?

I valori ottenuti in laboratorio non possono essere usati come dati di progetto, quanto piuttosto per confrontare materiali diversi testati in condizioni simili. La caratterizzazione può essere fatta con modulo rotatorio o con quello lineare in base all’applicazione del cliente, tuttavia l’ideale sarebbe creare una situazione di test (tipo di contatto, carichi, velocità, geometria, … ) il più simile possibile al sistema reale.

Dal test tribologico alla scelta del compound

Quando si affronta un problema tribologico, scegliere semplicemente il materiale con il coefficiente di attrito più basso raramente è sufficiente.

Occorre considerare contemporaneamente:

• attrito;
• usura;
• condizioni di contatto;
• tipo di movimento;
• velocità;
• pressione o carico;
• temperatura;
• materiale della controparte;
• ambiente operativo;
• requisiti strutturali e durata prevista del componente.

La formulazione del compound rappresenta quindi il punto di partenza. La caratterizzazione sperimentale permette invece di comprenderne il comportamento, confrontare soluzioni differenti e individuare quelle più promettenti per le condizioni applicative considerate.

Con l’introduzione del modulo lineare, LATI amplia ulteriormente le proprie capacità di analisi, affiancando alle prove rotative test a movimento alternato e aumentando così le possibilità di studiare i materiali LATILUB in scenari più vicini alle reali esigenze applicative.

Il laboratorio diventa quindi non soltanto uno strumento di verifica delle proprietà del materiale, ma un supporto concreto alla progettazione e alla selezione del compound.

Hai un’applicazione caratterizzata da problemi di attrito o usura? Tipo di movimento, velocità, carico o pressione di contatto, temperatura, controparte, condizioni ambientali e obiettivi prestazionali sono informazioni fondamentali per impostare correttamente la selezione del materiale e la sua caratterizzazione. Contatta il team LATI per approfondire la scelta e la caratterizzazione dei compound LATILUB per la tua applicazione.

FAQ

Cos’è un compound autolubrificante?

Un compound autolubrificante è un materiale termoplastico formulato con additivi funzionali destinati a controllare attrito e usura nelle applicazioni caratterizzate dal movimento relativo tra superfici, riducendo o eliminando in determinati casi la necessità di lubrificanti esterni.

Come si misura il coefficiente di attrito di un materiale plastico?

Il coefficiente di attrito può essere valutato mediante prove tribologiche eseguite in condizioni controllate di carico, velocità, temperatura, geometria del contatto e materiale della controparte. Il risultato deve sempre essere interpretato in relazione alle condizioni specifiche del test.

Qual è la differenza tra attrito e usura?

L’attrito descrive la resistenza al movimento relativo tra due superfici, mentre l’usura riguarda il progressivo deterioramento o la perdita di materiale dovuta al contatto. Un basso coefficiente di attrito non comporta necessariamente una bassa usura.

A cosa serve un tribometro?

Un tribometro permette di caratterizzare l’interazione tra superfici sottoposte a movimento relativo e di confrontare il comportamento di differenti materiali in condizioni tribologiche definite.

Quali informazioni servono per scegliere un materiale plastico autolubrificante?

È importante conoscere almeno tipo di movimento, velocità, carico o pressione di contatto, temperatura, materiale della controparte, condizioni ambientali, geometria del componente e durata richiesta.