Origine dei difetti e cause di guasto nei manufatti in gomma

Approfondimento di carattere tecnico-scientifico

La rubrica “Cerisie risponde” si propone di fornire soluzioni, indicazioni e informazioni di carattere tecnico-scientifico che siano d’aiuto alle imprese per inquadrare meglio rischi e opportunità partendo dai problemi che incontrano nel loro lavoro quotidiano. Un approccio corale da parte dello staff del Laboratorio Italiano della Gomma, da sempre a disposizione delle aziende del settore

La ricerca e l’identificazione delle origini delle cause di un guasto o di un difetto nei manufatti sono d’importanza prioritaria per le aziende che producono, stampano e commercializzano prodotti in gomma.

La presenza di un difetto non è sempre causa di un guasto, ma la sua previsione e il relativo controllo permettono di minimizzare la possibilità che un guasto avvenga. L’insorgere di un guasto in un manufatto può anche essere fonte di controversie legali fra produttore, fornitore e cliente ed è per questo che diventa fondamentale identificarne l’origine e, se possibile, prevenirne la causa.

A tale scopo è opportuno analizzare più nel dettaglio le possibili origini dei difetti e dei guasti di un manufatto (o, in alcuni casi, di un componente o del prodotto stesso) e chiarire la differenza tra un manufatto difettoso e uno guasto.

Per manufatto difettoso s’intende una sua “non conformità a un requisito di progettazione/produzione e di stoccaggio”, che può derivare da un errore (vedi tabella 1, colonna di sinistra). Sebbene un difetto non conduca sempre a un guasto, è importante la sua individuazione a monte. Infatti, per guasto s’intende lo stato finale raggiunto da un manufatto (o prodotto/sistema) durante il suo utilizzo da parte dell’utente finale (o anche durante la produzione, o test, del prodotto contenente il manufatto), inteso come “anomalia che compromette l’idoneo funzionamento” (vedi tabella 1, colonna di destra).

Questo articolo tratta quindi una delle problematiche più diffuse nel settore dei manufatti/articoli in gomma: l’esame di eventuali difettosità e la ricerca delle cause che portano a un guasto durante l’utilizzo. Il laboratorio Cerisie svolge da anni attività in questo settore, proponendo ai clienti un servizio sempre più rispondente alle esigenze specifiche delle aziende.

Nei paragrafi che seguono vengono illustrati alcuni esempi sia di origine dei difetti sia di causa dei guasti, e si concluderà con il processo di valutazione che viene svolto presso il Cerisie.

Scelta delle materie prime e formulazione La scelta della mescola più idonea per realizzare un manufatto specifico per una determinata applicazione non è un’attività semplice e raramente una mescola soddisfa pienamente tutti i requisiti necessari, in quanto occorre tener conto anche del complesso bilanciamento tra efficienza e costi produttivi. Infatti, possono influire negativamente sulle prestazioni del manufatto: un’errata scelta delle materie prime (polimero, cariche, acceleranti ecc.), sia per caratteristiche che per qualità, e/o un errato valore del loro “phr” (parts per hundred rubber) all’interno della mescola (errata formulazione). Un altro aspetto importante da prendere in considerazione potrebbe essere anche la possibile interazione complessa di

Fig. 1 - Esempio di manufatto difettoso

TAB. 1 - DIFETTI E GUASTI Alcune origini dei difetti Progettazione del manufatto/prodotto in gomma Scelta delle materie prime e formulazione Processo produttivo Condizioni di stoccaggio

differenti proprietà durante l’uso, come la necessità di cointeragire con acqua (molecola polare) e idrocarburi (molecole apolari). Ricordiamo, ad esempio, le applicazioni che usano interfacce gomma/metallo, mediante l’utilizzo di “primer”; quest’ultimi dovranno essere scelti accuratamente perché sono soggetti a precoce indurimento, con una conseguente riduzione della loro resistenza/adesione.

Processo produttivo Eventuali errori in fase di produzione possono introdurre complicazioni che hanno un effetto negativo sulle prestazioni del prodotto. Per esempio, una non corretta dispersione delle materie prime può rendere la mescola non altamente omogenea, mentre la mancanza del rispetto dei tempi raccomandati e un errato valore della temperatura durante le varie fasi di mescolatura possono, in aggiunta, provocare un anticipo del processo di vulcanizzazione. Anche i processi di vulcanizzazione/stampaggio costituiscono step importanti, che devono essere condotti rispettando i parametri predisposti per un determinato tipo di manufatto. Condizioni di stampaggio non corrette e contaminazioni con particelle estranee, sia in fase di produzione che di stampaggio, rappresentano possibili origini di difetti.

Condizioni di stoccaggio Può rappresentare un’origine di difetti anche un errato stoccaggio in magazzino delle mescole in attesa della vulcanizzazione/stampaggio e/o dei manufatti finiti e, quindi, incorrere in un loro invecchiamento precoce diventando meno performanti, o addirittura inefficienti, quando saranno poi utilizzati. È bene ricordare che le proprietà fisico-meccaniche della gomma dipendono sia dal tempo che da: condizioni ambientali, temperatura, umidità, luce, ossigeno e ozono. Quindi, l’esposizione ad ambienti non idonei può peggiorare le caratteristiche di una mescola o di un manufatto in gomma. Su quest’ultimo, per esempio, può causare variazione di durezza o creare screpolature, rendendolo inadatto all’uso finale e riducendo significativamente la sua durata.

Fig. 2 - Difetti dovuti a un utilizzo improprio

Esempi di cause dei guasti Manufatto/prodotto con difetto Uso improprio, non rispondente alle specifiche date Ambiente operativo non conforme alle specifiche

Uso improprio Un errato uso del manufatto in gomma, o della strumentazione e/o linea di produzione nella quale è installato, può essere un motivo di danneggiamento. In tal caso, può compromettere l’efficienza dei macchinari di un impianto, oppure danneggiare le sue apparecchiature, rallentando o arrestando la produzione. Basti immaginare delle guarnizioni che possono causare perdite durante il funzionamento di un impianto industriale. Un ulteriore uso improprio riguarda l’utilizzo del manufatto oltre il tempo di vita stimato. Per esempio, nei prodotti in cui l’aspetto estetico è importante, anche un deterioramento dell’aspetto esteriore del manufatto in gomma può essere considerato un guasto, come la variazione di colore a causa di una sovraesposizione alla radiazione solare oltre il tempo considerato in fase progettuale.

Ambiente operativo non conforme Un altro processo di degradazione che può portare a un guasto di un manufatto può avvenire durante il suo utilizzo in un ambiente operativo non più conforme alle specifiche progettuali: • il contatto termico del manufatto in elastomero con un elemento del sistema in cui è inserito, che per un suo malfunzionamento si trova a una temperatura superiore a quella di progetto (degradazione termica accelerata); • valori superiori dell’intensità di radiazione e/o della concentrazione di alcune specie chimiche presenti nell’ambiente; • repentine diminuzioni della pressione di un gas o vapore (decompressione gassosa rapida) al di sotto del valore minimo di progetto, che possono causare cedimenti strutturali nella forma di vesciche, screpolature interne e spaccature, in applicazioni ad alta pressione del manufatto; • un’estrusione indesiderata del manufatto in gomma a causa di un errato dimensionamento degli alloggiamenti in cui è installato.

Il processo di valutazione (vedi figura 3) inizia sempre con un audit presso il cliente (responsabile del processo di produ-

zione, della qualità e/o dell’uso del manufatto), al fine di registrare tutte le informazioni/osservazioni sull’utilizzo di un manufatto e sulla catena del valore, comprendere le condizioni operative e le temperature alle quali il manufatto (componente/prodotto) è stato utilizzato. Successivamente, una volta ottenuti alcuni campioni, si passa alla loro analisi visiva comparandoli con analoghi campioni in buono stato, al fine di rilevare eventuali diff erenze. Infatti, i manufatti possono presentare difettosità sia a livello macroscopico che a livello microscopico. Alcuni, per esempio, possono mostrare rigonfiamenti, contenere piccoli difetti simili a crepe macroscopiche visibili, o presentare screpolature superficiali e/o microfessure interne (sono le più dannose perché non facilmente individuabili a occhio nudo, però, sotto carico possono portare a una rapida rottura del manufatto). Terminate le osservazioni visive è possibile formulare una prima ipotesi sulle cause del guasto e, quindi, organizzare ed eseguire i più appropriati test/analisi ed esaminarne i risultati. In linea generale, l’individuazione delle origini dei difetti e/o delle cause di guasto richiede, oltre a un esame approfondito al microscopio, test delle proprietà fisico/meccaniche e analisi chimiche, anche al fine di verificare che le materie prime utilizzate siano conformi all’eventuale descrizione riportata nella scheda tecnica del manufatto. Infine, dopo la verifica/convalida dell’ipotesi proposta, viene redatta una relazione di prova conclusiva sull’esito dei test eff ettuati sui campioni.

Fig. 3 - Schema della procedura di ricerca del guasto