Come funziona il controllo qualità? Uno sguardo ai test su filo e cavo elettrico
I fili e i cavi elettrici rivestono un ruolo cruciale nella trasmissione di forze meccaniche, energia elettrica e dati elettronici. Per questo motivo, vengono utilizzati in ogni settore delle società industrializzate. Tra le destinazioni più comuni troviamo, ad esempio, l'energia, l'automotive, il trasporto e l'ingegneria edile.
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I fili e i cavi elettrici difettosi possono causare danni ingenti, anche potenzialmente mortali. Per questo è fondamentale che vengano sottoposti a vari test di qualità prima, durante e dopo il processo di produzione. Questi controlli servono a garantire il rispetto degli standard di qualità e delle specifiche dei clienti. Inoltre, il controllo qualità aiuta a individuare eventuali debolezze nei processi di produzione e a ridurre gli scarti.
Principi del controllo qualità su fili e cavi elettrici
Il controllo qualità mira a valutare il comportamento di materiali, semilavorati o prodotti finiti in diverse condizioni. I risultati vengono utilizzati per determinare se il provino prescelto per la misurazione è idoneo a determinate applicazioni e rispetta gli standard di sicurezza e qualità richiesti. L'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) e la American Society for Testing and Materials (ASTM) sono due esempi di organizzazioni che stabiliscono le regolamentazioni dei vari test di qualità per diversi materiali, compresi fili e cavi elettrici. Queste prove si distinguono in test distruttivi o non distruttivi (NDT): i primi comportano la distruzione del campione durante il processo, mentre i secondi ne preservano le condizioni senza causare danni. Date le ampie applicazioni di fili e cavi elettrici, è necessario che essi soddisfino diversi requisiti fisici. Pertanto, oltre ai metodi standard, potrebbero essere richiesti anche specifici test di qualità. È fondamentale notare che alcune misurazioni devono essere effettuate persino prima di procedere con il processo di trafilatura del filo e le successive lavorazioni. Ad esempio, è vitale controllare la composizione chimica della lega impiegata e la presenza di inclusioni, cavità di ritiro, segregazioni, bolle di gas e crepe nella microstruttura della vergella.
Un metodo di controllo qualità standard: la prova di trazione
Il test di controllo qualità per antonomasia è la prova di trazione. Il suo principio funzionale può essere riscontrato in molti altri test meccanici. Lo scopo principale di questa prova di caratterizzazione meccanica è determinare il carico massimo che il provino può sopportare senza subire deformazioni plastiche, oltre ad accertare il suo punto di rottura. Le prove di trazione vengono normalmente eseguite a temperatura ambiente. Tuttavia, possono anche essere effettuate in condizioni speciali, come a temperature più alte o più basse, o in un ambiente corrosivo. Il test viene eseguito utilizzando una macchina specifica per questo tipo di prova o una macchina universale dotata di due traverse (una fissa e l'altra mobile, guidata da uno o due mandrini azionati idraulicamente o elettricamente).
Vediamo come funziona: un carico agisce su un campione di materiale (in molti casi normato) in una direzione e con una velocità specifica. Il provino, bloccato tra le traverse, subisce una forza di trazione data dalla traversa mobile che si sposta a velocità costante in una direzione. Di conseguenza, l'oggetto si allunga fino a rompersi o creparsi. L'allungamento viene misurato da un estensimetro: oggi è comune utilizzare estensimetri ottici digitali, che consentono la misurazione senza contatto. Esistono anche test di trazione non distruttivi: in questi casi, il pezzo è sottoposto a una forza di trazione fino a quando non viene raggiunto un certo carico. In entrambi i casi, la forza e l'allungamento vengono continuamente misurati, registrati e visualizzati sul monitor del PC della macchina come una curva di trazione. Attraverso la curva registrata, è possibile trarre conclusioni sulle caratteristiche meccaniche del campione, quali la resistenza alla trazione e allo snervamento, nonché sul suo comportamento fisico (ad esempio, duttilità o fragilità). Di solito, i valori misurati vengono anche registrati in un documento.
Test di trazione e altre prove sul filo metallico
Dal momento che i fili metallici sono troppo sottili per poter essere posizionati all’interno della macchina, è necessario utilizzare dei provini opportunamente dimensionati, che richiedono un particolare dispositivo di serraggio o di presa. Il semplice serraggio di sezioni di filo tra le morse può causare errori di misurazione. Oltre alla prova di trazione, esistono ulteriori metodi per valutare le proprietà meccaniche dei fili, come la resistenza alla flessione, alla torsione, al taglio e allo scorrimento viscoso (talvolta chiamato in inglese creep), la resistenza alla fatica e la durezza. Con metodi di prova appositamente sviluppati, è possibile misurare anche altre caratteristiche e proprietà geometriche, come l’ovalità, la qualità superficiale, la resistenza chimica e alla corrosione. I conduttori in filo per cavi elettrici devono anche avere determinate proprietà elettrofisiche che dipendono dal materiale e dalla sua purezza.
Rilevatore di diffetti superficiali per filo SQM di CERSA-MCI
Test di qualità su cavi elettrici
I cavi elettrici comprendono una vasta gamma di tipologie, tra cui cavi di alimentazione a bassa, media, alta o altissima tensione, cavi dati, segnale, automotive e speciali. Inoltre, esistono cavi in fibra ottica e cavi ibridi che incorporano sia fibre ottiche che fili di rame nella stessa guaina. A causa di questa diversità, è necessaria una vasta gamma di test. Alcuni di questi sono non distruttivi e vengono eseguiti durante la produzione, inclusi la verifica delle dimensioni complessive e il test di tensione.
Altri richiedono test distruttivi su campioni, il che implica l’intenzionale bruciatura, cottura o danneggiamento in vari modi del campione di prova, per comprendere i limiti delle prestazioni, al di là delle normali condizioni operative. Queste valutazioni comprendono fattori come resistenza a trazione, all’allungamento, agli urti a basse temperature, alle fiamme e valutazione delle emissioni di gas acidi. I campioni di cavi elettrici sono anche sottoposti a simulazioni di invecchiamento per prevedere come essi si comporteranno col passare del tempo. Questi possono coinvolgere test di stabilità UV, resistenza all'abrasione e flessione continua. Queste valutazioni comprendono fattori come resistenza a trazione e allungamento, resistenza agli urti a basse temperature, resistenza alle fiamme e valutazione delle emissioni di gas acidi. I campioni di cavi elettrici sono anche soggetti a simulazioni di invecchiamento per prevedere come i cavi si comporteranno nel tempo. Questi possono coinvolgere test di stabilità UV, resistenza all'abrasione e flessione continua.
Test delle proprietà geometriche
I cavi elettrici devono essere sagomati con precisione per poter essere collegati con componenti finali o elementi di connessione. Inoltre, lo spazio di installazione è di solito limitato. È quindi di fondamentale importanza continuare a misurare il diametro e la rotondità (o ovalità) del rivestimento del cavo e rilevare difetti geometrici o crepe durante il processo di estrusione. Il test viene effettuato mediante strumenti di misurazione basati su laser installati sulla linea di produzione che lavorano con uno o più assi di misurazione. Questi strumenti forniscono informazioni in tempo reale sulla geometria del cavo e consentono eventuali regolazioni immediate dei parametri. In questo modo è possibile ridurre al minimo gli sprechi di materiale. Oltre all'ovalità, gli strumenti di misurazione a raggi X possono anche determinare la concentricità del cavo e lo spessore della parete dell'isolamento o della guaina durante il processo di estrusione.
Test delle proprietà di isolamento ed elettriche
L'isolamento del cavo è uno strato protettivo di materiali isolanti che riveste i conduttori e i cavi elettrici e garantisce la trasmissione sicura ed efficiente di energia o informazioni all'interno del cavo. Come materiali isolanti e rivestimento vengono utilizzati diversi tipi di plastica, la cui composizione dipende dai requisiti specifici dell'applicazione del cavo. Criteri di importante valutazione possono essere la resistenza alla trazione, l'allungamento a rottura, la resistenza all'abrasione, la costante dielettrica, la resistività, la tensione di rottura, così come la resistenza alla temperatura, al fuoco, alle radiazioni (ad esempio la luce UV), ai prodotti chimici, all'olio e alla corrosione.
Avere un materiale isolante puro e privo di difetti è un aspetto cruciale per garantire la qualità dell'isolamento del cavo. La contaminazione, ad esempio da particelle metalliche o altre impurità, può causare danni ai sistemi di produzione, come alla testa dell'estrusore, o portare al guasto del cavo nel corso del tempo. Per questo motivo, il materiale di isolamento deve essere ispezionato e analizzato per diversi tipi di difetti prima di procedere con l’estrusione. Mentre i sistemi di ispezione ottica sono in grado di controllare solo la superficie dei materiali, gli scanner a raggi X forniscono un esame più approfondito e consentono di scoprire disomogeneità, contaminazioni, difetti e differenze all'interno del materiale.
Altri criteri essenziali sono le buone proprietà isolanti e la resistenza dielettrica. Durante il processo di estrusione o di riavvolgimento, l'isolamento del cavo viene ispezionato da spark tester per individuare eventuali difetti. Il cavo passa attraverso il tester dove l'isolamento è esposto a una determinata tensione. Se ci sono difetti o imperfezioni nell'isolamento, questi disturberanno il campo elettrico e creeranno una corrente, segnalando che il cavo è difettoso. Gli spark tester sono di solito dotati di contatori che indicano il numero di difetti. Esistono vari metodi di controllo materiali, tra cui test ad alta tensione, a bassa tensione e a corrente continua (CC) per verificare la totale funzionalità dei cavi o rilevare eventuali difetti. Mentre i test tradizionali forniscono risultati "si / no", i metodi di diagnosi consentono una comprensione più approfondita della condizione attuale del cavo. Con alcuni test, è persino possibile individuare con precisione la posizione del difetto nell'isolamento prima del guasto.
Test di reazione al fuoco
In caso di incendio in un’installazione di cavi, possono verificarsi danni gravi e ingenti. I cavi bruciati cesseranno rapidamente di funzionare, e i supporti o le passerelle portacavi potrebbero bruciare intensamente. A seconda del tipo di cavo, dei polimeri e degli additivi utilizzati nella sua realizzazione, potrebbero anche generarsi fumo e gas tossici. Di conseguenza, sono state sviluppate procedure di test standardizzate per valutare la resistenza al fuoco. Questi test prendono in considerazione criteri come l'integrità dell'isolamento, l’infiammabilità, il rilascio di calore, la propagazione della fiamma, le particelle incendiate rilasciate dal cavo durante la combustione, la generazione di fumo, la quantità e la densità del fumo, il contenuto di gas tossici (come gli acidi idracidi alogeni), nonché l'acidità e la corrosività del fumo e altro ancora. Secondo la Regolamentazione sui Prodotti da Costruzione Europea (CPR) per la sicurezza antincendio negli edifici, i cavi sono classificati in sette categorie in base alla propagazione della fiamma e al rilascio di calore.
Bibliografia:
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Le informazioni sono state compilate dall’Ing. Konrad Dengler, giornalista tecnico e traduttore specializzato in temi industriali.