Foams of polymeric material are commonly employed in different types of applications and industrial fields. Thanks to their thermal and mechanical properties and their lightness (high surface/volume ratio), they are widely used in the manufacture of insulating materials, absorbing layers for impact protection, floats, furnishings etc. Their properties strongly depend on the three-dimensional cell structure. X-ray computed tomography appears as the more suitable analysis technique to characterize the foams. In fact, thanks to the high depth of penetration of X-rays, it is able to provide complete information on the internal structure of the analyzed objects, as well as on their outer surfaces. Unlike metallic foams, however, the resolution of the reconstructed structural features is hampered by the weak X-ray absorption in the polymer, giving as a result low contrast images. For this reason, the fine tuning of the experimental conditions is critical. The intent of this report is to show how it was possible to carry out a thorough microstructural investigation of these materials and to accurately characterize their internal porosity, starting from the tomographic dataset and employing advanced image processing techniques. The 3D visualization and analysis software Avizo Fire, combined with a custom-made application software, was used. Furthermore, the tomographic analysis has been used to evaluate the mechanical and structural properties of the foams subjected to in situ compression loading. The latter analysis was possible thanks to a particular compression stage integrated with the CT system. The complete system constitutes a powerful facility suitable for the analysis of items having a complex internal geometry like foams - as in this case study - or parts built by additive manufacturing processes.

Schiume di materiale polimerico sono comunemente impiegate in numerose applicazioni e settori industriali. Grazie alle loro proprietà termiche e meccaniche e alla loro leggerezza (alto rapporto superficie/volume) esse sono largamente usate per realizzare materiali isolanti, strati protettivi in caso di urti, galleggianti, imbottiture per mobili e altro. Le loro proprietà non dipendono solo dalla composizione chimica del materiale di base, ma sono fortemente influenzate dalla struttura tridimensionale delle celle. La tomografia computerizzata a raggi X appare la tecnica d’indagine più adatta all’analisi delle schiume, per via delle note proprietà di penetrazione dei raggi X, capaci conseguentemente di fornire informazioni sia sulla struttura interna che sulla superficie degli oggetti esaminati. A differenza però delle schiume metalliche, nel caso di quelle polimeriche la ricostruzione dei dettagli strutturali più fini è ostacolata dal basso contrasto nelle immagini dovuto al debole assorbimento dei raggi X nel polimero; pertanto, la scelta delle condizioni sperimentali più appropriate è critica. Lo scopo di questo rapporto tecnico è mostrare come sia stato possibile eseguire una completa analisi della microstruttura della schiuma esaminata, caratterizzando accuratamente la sua porosità interna, partendo dai dati tomografici, utilizzando sofisticate tecniche di elaborazione di immagini. Allo scopo è stato utilizzato il software di visualizzazione e analisi 3D Avizo Fire, insieme ad un software applicativo realizzato dagli autori. Inoltre, l’analisi tomografica è stata usata anche per valutare le proprietà meccaniche e strutturali delle schiume sottoposte a test di compressione in situ. Quest’ultimo tipo di analisi è stato possibile grazie a una cella di carico integrabile con lo scanner tomografico. Questo insieme strumentale costituisce una importante risorsa ENEA per l’analisi di oggetti aventi una complessa geometria interna come le schiume del caso esaminato o parti finite realizzate mediante processi di fabbricazione additivi.

Analisi morfologica/strutturale di schiume polimeriche mediante micro-tomografia a raggi X e test meccanici in situ

Marseglia, Daniele;Nacucchi, Michele;De Pascalis, Fabio
2017-02

Abstract

Schiume di materiale polimerico sono comunemente impiegate in numerose applicazioni e settori industriali. Grazie alle loro proprietà termiche e meccaniche e alla loro leggerezza (alto rapporto superficie/volume) esse sono largamente usate per realizzare materiali isolanti, strati protettivi in caso di urti, galleggianti, imbottiture per mobili e altro. Le loro proprietà non dipendono solo dalla composizione chimica del materiale di base, ma sono fortemente influenzate dalla struttura tridimensionale delle celle. La tomografia computerizzata a raggi X appare la tecnica d’indagine più adatta all’analisi delle schiume, per via delle note proprietà di penetrazione dei raggi X, capaci conseguentemente di fornire informazioni sia sulla struttura interna che sulla superficie degli oggetti esaminati. A differenza però delle schiume metalliche, nel caso di quelle polimeriche la ricostruzione dei dettagli strutturali più fini è ostacolata dal basso contrasto nelle immagini dovuto al debole assorbimento dei raggi X nel polimero; pertanto, la scelta delle condizioni sperimentali più appropriate è critica. Lo scopo di questo rapporto tecnico è mostrare come sia stato possibile eseguire una completa analisi della microstruttura della schiuma esaminata, caratterizzando accuratamente la sua porosità interna, partendo dai dati tomografici, utilizzando sofisticate tecniche di elaborazione di immagini. Allo scopo è stato utilizzato il software di visualizzazione e analisi 3D Avizo Fire, insieme ad un software applicativo realizzato dagli autori. Inoltre, l’analisi tomografica è stata usata anche per valutare le proprietà meccaniche e strutturali delle schiume sottoposte a test di compressione in situ. Quest’ultimo tipo di analisi è stato possibile grazie a una cella di carico integrabile con lo scanner tomografico. Questo insieme strumentale costituisce una importante risorsa ENEA per l’analisi di oggetti aventi una complessa geometria interna come le schiume del caso esaminato o parti finite realizzate mediante processi di fabbricazione additivi.
Foams of polymeric material are commonly employed in different types of applications and industrial fields. Thanks to their thermal and mechanical properties and their lightness (high surface/volume ratio), they are widely used in the manufacture of insulating materials, absorbing layers for impact protection, floats, furnishings etc. Their properties strongly depend on the three-dimensional cell structure. X-ray computed tomography appears as the more suitable analysis technique to characterize the foams. In fact, thanks to the high depth of penetration of X-rays, it is able to provide complete information on the internal structure of the analyzed objects, as well as on their outer surfaces. Unlike metallic foams, however, the resolution of the reconstructed structural features is hampered by the weak X-ray absorption in the polymer, giving as a result low contrast images. For this reason, the fine tuning of the experimental conditions is critical. The intent of this report is to show how it was possible to carry out a thorough microstructural investigation of these materials and to accurately characterize their internal porosity, starting from the tomographic dataset and employing advanced image processing techniques. The 3D visualization and analysis software Avizo Fire, combined with a custom-made application software, was used. Furthermore, the tomographic analysis has been used to evaluate the mechanical and structural properties of the foams subjected to in situ compression loading. The latter analysis was possible thanks to a particular compression stage integrated with the CT system. The complete system constitutes a powerful facility suitable for the analysis of items having a complex internal geometry like foams - as in this case study - or parts built by additive manufacturing processes.
Tomografia X;Elaborazione digitale immagini;Schiume polimeriche
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/20.500.12079/6771
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