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AN-VI: UN NUOVO ELASTOMERO CHE ASSORBE LE VIBRAZIONI

1 Le vibrazioni e i loro effetti ..................................................................................................................... 2

2 Cos’è AN-VI ............................................................................................................................................. 2

3 Colpi ed impatti delle vibrazioni ............................................................................................................ 2

4 Assorbimento del colpo .......................................................................................................................... 2

5 Vibrazioni continue ................................................................................................................................. 2

6 Qualche prova comparativa .................................................................................................................. 3

7 L’elasticità di rimbalzo AN-VI ................................................................................................................ 4

8 Le proprietà di smorzamento di AN-VI ................................................................................................ 5

9 AN-VI nei fenomeni transitori ................................................................................................................ 6

10 Caratteristiche meccaniche di AN-VI ................................................................................................... 8

11 Esempi di mescole AN-VI ...................................................................................................................... 9

12 Resistenza di AN-VI agli agenti chimici ............................................................................................. 11

13 Caratteristiche Elettriche di AN-VI ...................................................................................................... 12

14 Dove può essere utilizzato AN-VI ....................................................................................................... 12

15 Cosa ne pensano… .............................................................................................................................. 13

16 Formati Disponibili ................................................................................................................................ 13

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1 Le vibrazioni e i loro effetti

Le macchine utensili, o in generale le apparecchiature con parti in movimento, con la loro azione, producono vibrazioni. Le vibrazioni propagandosi attraverso le strutture risultano dannose per le stesse e possono originare ricorrenti e a volte pericolose problematiche quali fastidiosi rumori, perdita di precisione e addirittura usura.

2 Cos’è AN-VI

AN-VI è un nuovo prodotto della famiglia della gomma con caratteristiche sostanzialmente diverse da quelle dei tradizionali elastomeri. Presenta l’elasticità di una buona gomma, ma la sua principale caratteristica è una inusuale capacità di smorzamento essendo un materiale elastico che, come un ammortizzatore, assorbe e dissipa l’energia deformandosi in maniera non permanente.. Una parte di energia viene convertita in calore, mentre l’altra parte viene restituita lentamente attenuando per gran parte gli effetti dinamici. In forma compatta, AN-VI può essere usato per ridurre le vibrazioni da colpi ed impatti accentuando gli effetti ammortizzanti, mentre espanso trova impieghi per carichi non eccessivamente pesanti.

3 Colpi ed impatti delle vibrazioni

Confrontiamo cosa succede quando una piccola sfera di metallo cade su un pannello di AN-VI o, alternativamente, su un pannello di qualche altro materiale elastico. Nell’esperimento, il pannello tradizionale è compresso ed “eccitato”: l’energia ricevuta è subito restituita alla sfera, e come effetto si ha il classico “rimbalzo”. Ripetendo la stessa prova utilizzando un pannello di AN-VI, si può notare che l’azione di rimbalzo della pallina viene neutralizza grazie all’effetto di deformazione e l’energia d’urto viene “dissipata” all’interno di AN-VI stesso. L’energia assorbita non viene quindi restituita alla sfera e la superficie sottostante risulta preservata.

4 Assorbimento del colpo

Caratteristica saliente di AN-VI è la sua capacità di assorbimento dei colpi. AN-VI è il materiale per eccellenza da utilizzare per contrastare vibrazioni da shock che si aggiungono a vibrazioni continue.

5 Vibrazioni continue

Come regola generale, le macchine dovrebbero essere isolate dalla loro base tramite supporti anti vibrazioni. Il sistema macchina più supporto ha una naturale frequenza di oscillazione determinata dalla massa della macchina e dall’elasticità dei supporti. In movimento, il macchinario vibra con una frequenza che varia a seconda della velocità di rotazione. Se la frequenza di vibrazione è superiore alla frequenza naturale, AN-VI assorbe l’energia e riduce sensibilmente la trasmissione delle vibrazioni alla base.. Quando la frequenza di vibrazione è vicina alla frequenza naturale, come ad esempio nelle fasi di partenza ed arresto della macchina, AN-VI agisce come un vero e proprio ammortizzatore, limitando l’oscillazione. Accade spesso che le vibrazioni della macchina vengano trasmesse alla copertura dei pannelli di metallo, che quindi agiscono come cassa di risonanza. Il rumore può essere attenuato smorzando le vibrazioni con opportuni pannelli, in modo tale che l’energia meccanica associata con le vibrazioni venga convertita in calore e dissipata. In questi casi un foglio di espanso AN-VI in abbinamento al pannello di metallo è la soluzione: un pannello a sandwich in metallo riempito con AN-VI è un ottimo attenuatore del rumore.

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6 Qualche prova comparativa

Diversi test effettuati dimostrano che AN-VI riduce gli effetti d’urto e attenua le vibrazioni da impatto generate dai ripetuti colpi di metallo su metallo. I grafici mostrano la forza che una biglia in acciaio in caduta libera trasmette ad una cellula di prova. Dei pezzi di caucciù perforati (RUBBER), di Etilvinil-Acetato (E.V.A.) e di AN-VI sono stati interposti tra la biglia d’acciaio e gli strumenti di misura. I risultati mostrano che, alla stessa altezza di caduta della biglia e per la stessa quantità di materiale, AN-VI assorbe totalmente l’energia generata dallo shock (non ci sono effetti di rimbalzo) e riduce l’impatto sulla superficie inferiore dello strumento di misura.

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RZ

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89

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I valori di picco di forza riscontrati sono stati:

Gomma: 144 N

E.V.A.: 120 N

AN-VI: 100 N

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7 L’elasticità di rimbalzo AN-VI

Uno dei principali differenziatori fra AN-VI e gli altri elastomeri di buona qualità è la sua elasticità di rimbalzo. Questa quantità è il parametro che esprime la capacità del materiale di dissipare energia meccanica. Si è misurata per mezzo di uno strumento chiamato “il ritorno del pendolo” la quantità di energia meccanica restituita ad una sfera d’acciaio lasciata cadere da una determinata altezza su un campione del materiale in esame. Con AN-VI, per temperature comprese tra 0° e 30°C, meno del 5% della originaria energia potenziale della sfera è restituita alla stessa, mentre il restante 95% viene assorbito da AN-VI. Nella figura accanto l’elasticità di rimbalzo di AN-VI viene rappresentata graficamente in confronto con altri comuni elastomeri in funzione della temperatura. Nella gamma di temperatura da -20° a +60°C, che comprende la maggior parte delle applicazioni normali, l’elasticità di rimbalzo AN-VI è decisamente inferiore a quella di tutti gli altri elastomeri.

La figura accanto mostra il comportamento di AN-VI in funzione della frequenza di vibrazione, confrontato con atri elastomeri. Il grafico è stato ricavato dal Politecnico di Torino - Laboratorio Interdipartimentale di Meccatronica nel corso di una sperimentazione effettuata utilizzando AN-VI per la stabilizzazione di un gruppo Rotore-Cuscinetto Elettrodinamico. La sperimentazione ha dimostrato che l’utilizzo di AN-VI rappresenta la soluzione laddove l’utilizzo di altri elastomeri evidenzia limiti di diversa natura.

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8 Le proprietà di smorzamento di AN-VI

AN-VI ha una elevata capacità di smorzamento delle vibrazioni sia da impulsi o transitori che da sollecitazioni costanti o pseudo-costanti, come evidenziato dal suo comportamento isteretico.

Assumiamo il modello di un oscillatore:

TABELLA SIMBOLI

Grandezza Simbolo Unità

tempo

frequenza

pulsazione

spostamento

velocità

accelerazione

forza

massa

rigidità elastica

smorzamento viscoso

rigidità isterica

unità immaginaria

fattore di smorzamento viscoso

fattore di smorzamento isterico

pulsazione naturale

frequenza naturale

periodo naturale

fattore di smorzamento naturale

t

f

w = 6,28 f

s(t)

v(t) = ds(t) / dt

a(t) = dv (t) / dt

F (t)

M

K

B

C

i

nv = B / (2 Sqr (K/M))

ni= C/2K

wo= Sqr (K/M)

fo= (1/6,28) Sqr (K/M)

To= 1/fo

no=nv + ni

S

Hz

rad/s

m

m/s

(m/s)/s

N

Kg

N/m

N /(m/s)

N/m

ad

ad

rad/s

Hz

s

ad

l’equazione del moto è:

F (t) = Ma(t) + Bv(t) + (K + iC) s (t) Sottoponendo campioni di materiali vari ad uno schiacciamento s(t) di ampiezza unitaria (1 cm), variabile in base alla legge armonica con pulsazione w si ottiene:

s(t) = (1 cm) sin (wt)

E’ definita la relazione tra lo schiacciamento (s) e la forza (F) necessaria per produrre tale schiacciamento Il comportamento mostrato nel primo grafico della figura seguente è relativa a materiali perfettamente elastici, come l’acciaio. Il rapporto tra (s) e (F) è una retta la cui pendenza (K) rappresenta la rigidità elastica del campione d’acciaio:

F(t) = K s(t) = K ((1 cm) sin (w t))

L’energia elastica ( Ee ) necessaria per realizzare la fase di schiacciamento (mezzo cerchio)

Ee = ½ K (2 cm)

2

è restituita totalmente nella fase di espansione. Il comportamento degli elastomeri, rappresentato negli altri grafici della figura seguente, si discostano da quelle dell’acciaio, in quanto la linea retta dell’acciaio diventa una curva chiusa (ciclo di isteresi) sul piano Forza/Spostamento (s/F). L’area delimitata dalla curva è una misura dell’energia di isteresi (E), dissipata in un ciclo del sistema. Il rapporto ( Ri ) tra l’energia di isteresi (Ei) e l’energia associata al semiciclo elastico (Ee) è un indice della capacità dissipativa del materiale isteretico:

Ri = Ei / Ee

Le proprietà di isteresi dei materiali sono espresse in termini di rigidità di isteresi (C), o coefficiente di smorzamento di isteresi, il quale ha le stesse dimensioni della, rigidità elastica (K).

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La forza totale (F) da applicare al campione per produrre il ciclo è quindi data da:

F(t) = (K + iC) x (t) = K (1 cm) sin (wt) + C (1 cm) cos(wt)

Il rapporto (2 nl) tra le due rigidità rappresenta il fattore di perdita o fattore di smorzamento per isteresi. Il parametro

nl = C / (2K)

è collegato al rapporto tra energie (Rl) con la formula

Rl = (3,14) nl Più grande è la capacità di dissipazione di energia meccanica da isteresi maggiore è l’area del ciclo. Con il test, la differenza tra i comportamenti di AN-VI e altri elastomeri può essere quantificata. Dato che tutte le gomme di buona qualità hanno dei buoni fattori di smorzamento (nl), quello di AN-VI è particolarmente elevato.

ACCIAIO GOMMA AN-VI Forza (N)

Spostamento (cm)

Forza (N)

Spostamento (cm)

Forza (N)

Spostamento (cm)

PARAMETRI GOMMA AN-VI

Elasticità di rimbalzo a 20°C

Fattore di Smorzamento 2ni = C / K

Fattore di Isteresi ni = C / (2K)

Rapporto Energetico Ri = Ei / Ee

Dal 20% al 40%

Dal 10% al 30%

Dal 5% al 15%

Dal 16% al 47%

Dal 2% al 5%

Dal 120% all’ 80%

Dal 60% al 90%

Dal 188% al 283%

9 AN-VI nei fenomeni transitori

I fenomeni transitori hanno la loro origine in eventi che durano solo per un tempo molto breve. Un esempio teorico, schematicamente molto semplice, è l’impulso rettangolare illustrato nella figura, derivante dall’applicazione di un carico (F), che rimane costante per un periodo di tempo (T). In realtà la risposta del sistema meccanico è di solito caratterizzato da complessi fenomeni oscillatori durante la fase di carico, nel passaggio da (0) a (F). Questi fenomeni scompaiono tanto più rapidamente quanto più elevato è il fattore di smorzamento naturale (no) del sistema. I diagrammi che seguono mostrano le differenze di comportamento tra una normale gomma (no = 30%) e AN-VI (no = 60%). L’entità dello spostamento dipende dalla rigidità (K) del sistema. L’ampiezza della oscillazione di risposta a(t) è inversamente proporzionale alla massa (M). I diagrammi confermano che, attraverso l’uso di AN-VI, si ottengono favorevoli e significativi effetti nel caso di fenomeni transitori causati dalle oscillazioni di sistema. Ciò avviene sia per la fase di caricamento sia in fase di scarico. Il tempo più breve di oscillazione riduce anche il rischio di pericolosi battimenti dovuti alla sovrapposizione di onde di ritorno e onde di uscita.

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Le figure seguenti mostrano la risposta al fenomeno transitorio per i vari materiali.

Forza (N)

Tempo (s)

GOMMA AN-VI Spostamento (cm)

Tempo (s)

Spostamento (cm)

Tempo (s)

Accelerazione (cm/s2)

Tempo (s)

Accelerazione (cm/s2)

Tempo (s)

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10 Caratteristiche meccaniche di AN-VI

Caratteristica Normativa Valore u.m.

Densità (peso specifico) ASTM D1817 1.20 +/- 0.02 g/cm3

Carico a rottura ASTM D412, UNI 6065 >15 N/mm2

Allungamento a rottura ASTM D412, UNI 6065 >400 %

Durezza ASTM D2240, UNI 4916 60 +/- 3 Shore A

Resistenza alla lacerazione ASTM D624, UNI 4914 >40 N/mm

Deformazione residua

ASTM D395 UNI 4913 (Compressione, metodo B)

1) 24h a 25°C

2) 24h a 70°C

3) 24h a 100°C

< 22

< 30

< 50

%

%

%

Resistenza a alte temperature

ASTM D573, UNI 5408 (7gg a 100°C in aria)

1) Var. carico rottura

2) Var. durezza

< 10

< 25

%

Shore A

Assorbimento acqua ionizzata

ASTM D471, UNI 5411 (7gg)

3) Var. peso 7gg a 23°C

4) Var. peso 7gg a 100°C

< 2

< 5

%

%

Resistenza all’abrasione DIN 53516, UNI/CG 0123

Perdita di volume con peso 1Kg < 200 mm3

Elasticità di rimbalzo a 20°C DIN 53512, UNI 771 < 5 %

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11 Esempi di mescole AN-VI

Per ottenere diverse caratteristiche del materiale in funzione dell’utilizzo, ad esempio differenti peso specifico o elasticità e durezza, è possibile realizzare delle mescole con diverse percentuali di AN-VI. Si riportano a titolo di esempio le caratteristiche meccaniche di 4 diverse mescole e la risposta in frequenza della mescola M4 alle temperature di -20°C, +20°C e +80°C:

PRODOTTO: M1 M2 M3 M4

Densità 1,02 1,07 1,14 1,19

kg/dm³

Durezza (DIN 53505) 36 41 51 58

Shore A

100% Modulo di Young (DIN53504) 0,73 1,06 1,85 2,79

MPa

300% Modulo di Young (DIN53504) 1,93 4,5 6,67 10,66

MPa

Resistenza alla Trazione (DIN53504) 12,43 13,76 13,79 12,73

MPa

Resistenza all’Abrasione (DIN 53516) - 231 149 84

mm³

Elasticità (DIN 53512) 5 0,5 6 1

%

Allungamento alla rottura (DIN 53504) 681 470 444 320

%

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12 Resistenza di AN-VI agli agenti chimici

Sostanza Chimica

Variazione di Volume

(%)

Variazione di Durezza

(Sh A)

Resistenza

70h a 70°C, ASTM 471

OLIO ASTM – Minerale (punto di anilina 124°C)

< -6 < 20% Buona

OLIO ASTM – Minerale (punto di anilina 70°C)

< -30 < 50% Scarsa

70h a 23°C, ASTM 471

OLIO ASTM – Minerale (punto di anilina 14°C)

< -6 < 5% Eccellente

OLIO ASTM – Minerale (punto di anilina 70°C)

< -4 < 10% Buona

Combustibile A: 100% Isoottano (solventi alifatici)

< -20 < 20% Media

Combustibile B: 70% Isoottano + 30% Toluolo (solventi debolmente aromatici)

< -30 < 50% Scarsa

Combustibile C: 50% Isoottano + 50% Toluolo (punto di anilina 124°C)

< -40 < 100% Cattiva

ALCOL METILICO < 4 < 5% Eccellente

ALCOL ETILICO < 2 < 5% Eccellente

MEK 100% METILETILCHTONE < -20 < .10% Scarsa

PETROLIO < -40 < 100% Cattiva

OLIO D’OLIVA < -4 < 5% Eccellente

BURRO < -6 < 5% Buona

GRASSO DI MAIALE < +/-1 < 5% Eccellente

ACIDO SOLFORICO DILUITO < +/-1 < 5% Eccellente

ACIDO CLORIDRICO < +/-1 < 5% Eccellente

IDROSSIDO DI POTASSIO CONCENTRATO < +/-1 < 5% Eccellente

CLORURO DI AMMONIO CONCENTRATO < -4 < 5% Eccellente

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13 Caratteristiche Elettriche di AN-VI

AN-VI è classificabile da un punto di vista elettrico come MATERIALE ISOLANTE. Nonostante ciò, pur non essendo classificabile come materiale a protezione ESD, la quantità di carica generata per effetto triboelettrico è estremamente limitata: sottoposto ad un energico strofinamento AN-VI presenta un accumulo inferiore ai 500V, contro valori di decine di migliaia di Volt ottenuti sulle normali plastiche isolanti. Date le caratteristiche elettriche indicate, il materiale risulta particolarmente idoneo per l’utilizzo in ambito elettrico ed elettronico a diretto contatto con la circuiteria senza particolari rischi di conduzione o di scariche elettrostatiche.

14 Dove può essere utilizzato AN-VI

Qualche suggerimento AN-VI è una soluzione idonea a risolvere i problemi di vibrazione in un gran numero di macchine utensili, organi in moto e strutture meccaniche più complesse. Le principali applicazioni riguardano le macchine che operano colpendo metallo su metallo o i meccanismi con moto alternativo, nonché macchine di precisione che necessitino di essere protette contro le vibrazioni provenienti da meccanismi contigui. Applicazioni per AN-VI Settore industriale Smorzatori delle vibrazioni da moto alternativo e rotatorio, rivestimenti per tramogge e contenitori soggetti a colpi dalla caduta di materiali, dosatori e separatori a vibrazione, pannelli fonoassorbenti, copri manopole, isolatori per macchine utensili portatili. Veicoli a motore Automotive, Treni , Aerospaziale, Navale e Yachts Rivestimenti e coperture, paraurti, interni auto da corsa, isolatori per ammortizzatori. cuscinetti e giunti. Sovrastrutture ferroviarie Poltrone, supporti rotaie, sostegni delle piattaforme strutturali, box di segnalazione e smistamento connessioni. Edilizia Supporti solette, pavimenti, rivestimenti, supporti pavimenti galleggianti. Elettronica e Strumentazione di Precisione Sistemi di misura, isolamento schede elettroniche allocate in prossimità di fonti vibranti (es: passaggi ferroviari). Hi-Fi Coperture, supporti e fissaggi per casse acustiche e registratori/riproduttori. Idraulica Ancoraggio di tubazioni, pompe scoperte, giunti di tenuta. Macchine per ufficio Supporti e basi per stampanti e computer. Aeronautica Piattaforme di atterraggio per elicotteri.

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15 Cosa ne pensano…

Il mondo della ricerca - Politecnico di Torino – Laboratorio di Meccatronica

“I test effettuati con una massa differente hanno permesso di variare la frequenza naturale del sistema mettendo in evidenza che nel campo di frequenza analizzato il comportamento del materiale si mantiene inalterato“

“I test svolti in diverse condizioni operative mostrano che il comportamento del materiale, dal punto di vista di fattore di smorzamento e di modulo elastico si mantiene inalterato lavorando a trazione, a compressione e a taglio“

“Parlando di materiali antivibranti, il fattore di smorzamento può essere eccessivamente influenzato dalla temperatura e dalla frequenza; la resistenza alla trazione può essere inadeguata; i formati disponibili possono essere troppo sottili. Non essendo afflitto da questi problemi AN-VI è la soluzione”

Il mondo dell’industria – Azimut Yachts – Avigliana (TO) “La riduzione del fenomeno vibratorio con la gomma AN-VI è migliorato del 12,6%

(riduzione del 21,9) rispetto al valore raggiunto dalla gomma NBR (9,3%), nonostante gli spessori rispettivamente di 3mm per AN-VI e 10mm per la gomma NBR“

“I valori di vibrazione rilevati hanno presentato più di una frequenza caratteristica, ma con valori estremamente bassi. Valori troppo bassi per fare qualunque considerazione“

“La gomma AN-VI ha mostrato le sue ottime caratteristiche, è risultata sempre superiore come performance“

16 Formati Disponibili

AN-VI in forma espansa (bassi carichi statici) è distribuito in fogli di dimensioni varie e spessori 1, 2 e 4 mm, la cui struttura è visibile ingrandita in figura a destra.

In forma compatta, per carichi maggiori, sono disponibili cubi da 40mm di spigolo facilmente lavorabile con tecnologia water-jet per ottenere la forma desiderata in funzione dello specifico utilizzo.

Ancora in forma compatta sono disponibili piastrine di dimensioni 40x40mmq e spessori 2,3,4 e 5mm, che possono essere utilizzate tal quali o fustellate per ottenere le forme volute.

Si possono infine realizzare con il materiale in forma solida particolari a disegno in funzione delle esigenze Cliente, anche con interventi sulla mescola per ottenere le caratteristiche elastiche più appropriate.