modelling

Ricerche sui cuscinetti su scala atomica

L’articolo offre una panoramica sulle quattro principali linee di ricerca SKF nel campo della modellazione, riguardanti: acciaio per cuscinetti, meccanismi della fatica, progettazione polimeri e tribologia

Autori:
Sebastián Echeverri Restrepo, ­ricercatore, SKF Engineering & Research Centre (ERC), SKF B.V., Nieuwegein, Olanda

Altra industria Altri prodotti Ricerca e teoria

Se si potesse diventare così piccoli da penetrare all’interno di un materiale che serve per fabbricare prodotti e macchine, il vederne gli atomi, la loro struttura, le reciproche interazioni, i movimenti, le reazioni quando si applica una forza esterna e le variazioni di proprietà e configurazione al variare della temperatura esterna, consentirebbe di migliorare agevolmente la scelta, i processi di lavorazione e la progettazione del materiale stesso.

Presso l’SKF Engineering and Research Centre (ERC) in Olanda, la ricerca viene condotta con l’obiettivo di penetrare virtualmente nei materiali di cui sono costituiti i prodotti SKF, nell’intento di comprenderne meglio il comportamento. Questo per rispondere alle richieste dei clienti e, aspetto ancora più importante, realizzare nuovi materiali che consentano ai prodotti di possedere maggiore qualità, durata e proprietà specifiche distintive.

Nella maggior parte dei casi i metodi sperimentali sono sufficienti per comprendere come gli agenti esterni influiscono sui materiali per poter trovare soluzioni preventive o prevedere contromisure.

Tuttavia, anche adottando gli ultimi ritrovati della tecnica sperimentale, non è sempre possibile acquisire conoscenze sufficienti sugli effetti che certi fenomeni hanno sui materiali. Inoltre, in certi casi, come per esempio nuovi materiali o prodotti in fase di sviluppo, gli strumenti disponibili in laboratorio richiedono tempi lunghi e sono costosi. Per questo motivo vengono in aiuto i metodi computazionali.

Nel caso di componenti meccanici, come ad es. cuscinetti volventi, molti progetti possono essere condotti usando tecniche di simulazione su “larga scala”, come quelle comunemente note come FEM. Tuttavia spesso ci si trova a dover andare al di là delle capacità di tali strumenti di modellazione e bisogna ricorrere a metodi mesoscopici o microscopici di simulazione.

Per approfondire la conoscenza dei prodotti SKF e riuscire ad affrontare i fenomeni che possono avere origine in particolari momenti e su scale diverse, gli scienziati SKF sviluppano costantemente il loro know-how nell’utilizzo e nel progresso dei metodi di simulazione multi-scala; questo significa che si possono usare strumenti diversi per comprendere i fenomeni che determinano il comportamento applicativo di un materiale (è come usare lenti con diverse capacità d’ingrandimento). Per questo motivo i metodi di simulazione applicati dalla SKF spaziano dalla meccanica quantistica al metodo degli elementi finiti (fig. 1).

Nelle simulazioni, quanto più s’intende penetrare nel materiale tanto maggiore è la potenza di calcolo e il tempo necessari. Per tale motivo nei laboratori SKF si usano cluster di computer ad alte prestazioni con 1.536 processori. Attualmente ci sono quattro linee di ricerca per le quali si impiegano metodi su meso- e micro-scala.

Studi sull’acciaio
La prima linea di ricerca fa parte del progetto “MultiHy” [1], abbreviazione di Multiscale Modelling of Hydrogen Embrittlement. Questo progetto fa capo a un consorzio formato da vari partner universitari e industriali, è finanziato dall’UE e si basa sull’ampia evidenza sperimentale della diminuzione della durata dei cuscinetti e degli acciai per le strutture provocata dalla presenza di idrogeno[2]. Questo effetto è noto tra gli specialisti come infragilimento. L’interesse della SKF nel MultiHy sta nella possibilità di prevedere in che modo l’idrogeno si diffonde attraverso gli acciai per cuscinetti e, cosa ancora più importante, scoprire in che modo la diffusione dell’idrogeno possa essere bloccata per neutralizzare l’impatto che ha l’infragilimento sulla durata dei cuscinetti.

Le simulazioni sulla mobilità dell’idrogeno e sui suoi effetti sulla durata a fatica si abbinano ad altre ricerche in corso, relative alle varie origini dell’idrogeno, ad esempio gli ambienti umidi e il degrado dei lubrificanti.

A livello atomico, le simulazioni sono condotte utilizzando un metodo meccanico di modellazione quantistica computazionale, denominato teoria del funzionale della densità (Density Functional Theory, DFT), comunemente impiegato per indagare sulla struttura elettronica di sistemi multibody (fig. 2). Più specificamente, le simulazioni sono indirizzate a valutare l’influenza dell’idrogeno e le proprietà meccaniche di un nuovo acciaio sperimentale per cuscinetti contenente vanadio (fig. 3) nel quale l’idrogeno stesso viene “imprigionato” per evitare l’infragilimento [3]. I risultati del progetto MultiHy dovranno servire per lo sviluppo finale del nuovo acciaio, che potrà essere preso in considerazione nelle applicazioni in cui si richiedano maggiori prestazioni.

Meccanismi di fatica
La seconda linea di ricerca ha l’obiettivo di dettagliare a livello atomico la microstruttura degli acciai per cuscinetti e la sua influenza sul comportamento del materiale a fronte di fatica da contatto volvente.

In questo progetto si adotta il metodo delle simulazioni di dinamica molecolare (Molecular Dynamics, MD) per studiare in che modo gli atomi si muovono e interagiscono reciprocamente quando una cricca si innesca e si propaga attraverso l’acciaio (fig. 4). La comprensione del fenomeno consentirà alla SKF di trovare il modo di aumentare la durata e le prestazioni dei suoi prodotti.

Progettazione dei polimeri
La terza ricerca si occupa di studiare i materiali in gomma rinforzata usati nella fabbricazione delle guarnizioni di tenuta e ha lo scopo di identificare e quantificare i fenomeni fisici che, manifestandosi su scale differenti, influenzano il comportamento tenso-deformativo quasi-statico e dinamico della gomma rinforzata. Il progetto è portato avanti dalla SKF in collaborazione con gli scienziati della Tsinghua University in Cina e con l’Università di Barcellona.

In questo caso si usa la dinamica dissipativa delle particelle (Dissipative Particle Dynamics, DPD), uno strumento di simulazione su meso-scala che consente l’analisi delle proprietà dinamiche dei fluidi e dei polimeri (fig. 5) andando oltre alla scala consentita dal metodo MD. Con il DPD, si possono considerare in modo esauriente, nel comportamento meccanico statico e dinamico dei materiali delle guarnizioni di tenuta, gli effetti di vari fattori quali l’interazione tra le particelle del rinforzo nelle catene di polimeri e i cambiamenti topologici nelle rete dei polimeri.

Tribologia
L’ultima ricerca si occupa del contatto lubrificato tra due superfici [4], come quello che si ha tra un corpo volvente e la pista di un cuscinetto ibrido. Il metodo usato in questo lavoro è anch’esso di tipo MD e ha l’obiettivo di spiegare le differenze fondamentali in termini di attrito e usura tra le superfici acciaio su acciaio e acciaio su ceramica, nell’intento di migliorare le prestazioni dei cuscinetti ibridi. Sono prese in considerazione anche le reazioni chimiche tra il lubrificante e le superfici.

La modellazione ha dimostrato che, in termini di attrito e usura, ci sono differenze sostanziali tra i contatti acciaio su acciaio e quelli ibridi. Come del resto prevedibile, è stato confermato che nei contatti ibridi l’attrito è minore che nei contatti acciaio su acciaio.

Bibliografia
[1] http://www.multihy.eu.
[2] R. A. Oriani, Annual Review of Materials Science 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter, and P. Rivera-Diaz-del Castillo, Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio, Nanoscale phenomena in lubrication: from atomistic simulations to their integration into continuous models, Ph.D. thesis, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

Fig. 1: Scale di riferimento per i diversi metodi di simulazione SKF: DFT (Density Functional Theory), MD (Molecular Dynamics), DPD (Dissipative Particle Dynamics) e FEM (Finite Element Method). Fig. 2. Struttura del carburo di vanadio (VC), che comprende sezioni bidimensionali della densità di carica. Immagine prodotta con il software XCrySDen.Fig. 3: Atomi di idrogeno presenti al confine tra il ferro e un precipitato composto da vanadio e carbonio. Immagine prodotta con il software XCrySDen. Fig. 4. Particolare del fronte di una cricca che si propaga nel ferro. I colori degli atomi rappresentano la deformazione atomica. Immagine prodotta con il software AtomEye. Fig. 5. Esempio di modello usato per la simulazione di un polimero con il metodo DPD (Dissipative Particle Dynamics). Le particelle blu scuro rappresentano la sostanza di rinforzo, mentre quelle amaranto rappresentano le catene di polimeri. Immagine prodotta con il software Ovito.

Contenuto correlato