Che cos'è un test di caduta?

Un test di caduta è uno studio controllato di ciò che accade a un prodotto quando viene lasciato cadere su una superficie dura da una serie specifica di altezze di caduta e orientamenti. Gli ingegneri misurano la grandezza dell'impatto, l'effetto sulla funzionalità e qualsiasi danno estetico dopo ogni test. Queste informazioni vengono utilizzate per migliorare il progetto o determinare se la configurazione è accettabile.

Sebbene la maggior parte delle persone abbia familiarità con i test sui prodotti elettronici di consumo, come i telefoni cellulari, gli ingegneri utilizzano i test di caduta in un'ampia gamma di settori, tra cui quello aerospaziale, dei beni di consumo, dei macchinari pesanti, dei dispositivi medici e persino del trasporto di materiale nucleare.

L'obiettivo di qualsiasi test di caduta è quello di garantire che la progettazione del prodotto e della confezione consenta al prodotto di resistere a un numero ragionevole di cadute, rimanendo sicuro, funzionante e senza danni estetici. Oltre ai test fisici, la maggior parte delle aziende utilizza la simulazione per eseguire virtualmente i test di caduta nelle prime fasi del processo di progettazione e a un costo inferiore.

I test di caduta esaminano i potenziali danni ai prodotti in due aree di proprietà. La prima avviene durante il trasporto e lo stoccaggio prima dell'uso, mentre la seconda avviene quando il dispositivo è in uso. Il prodotto si trova solitamente in un qualche tipo di imballaggio durante la fase di pre-utilizzo, quindi viene eseguito un test di caduta della confezione per valutare la resistenza del packaging. Viene quindi testato da solo per vedere cosa succede se l'utente finale lo fa cadere. 

La chiave per un test di caduta efficace e informativo è stabilire una procedura di test di caduta conforme agli standard del settore, fornire informazioni utili al team di progettazione e stabilire la convalida del packaging e della progettazione del prodotto. 

Obiettivi del test di caduta

Il primo passo in qualsiasi progetto di test di caduta è stabilire gli obiettivi e le finalità del test. In alcuni casi, l'unico obiettivo è soddisfare gli standard richiesti da spedizionieri come FedEx o da distributori come Amazon o Sam's Club. In altri casi, i team di progettazione utilizzano i dati dei test per ottimizzare la progettazione del prodotto o del confezione. Gli obiettivi devono essere documentati chiaramente e utilizzati per sviluppare il piano del test. 

Variabili utilizzate nei test di caduta

I prodotti possono cadere da un numero infinito di altezze, con molti orientamenti diversi e in una moltitudine di condizioni ambientali. Queste sono tutte variabili che possono essere definite dagli standard o dal team di progettazione. Un test di caduta efficace dovrebbe includere definizioni chiare delle variabili seguenti: 

• Altezza di caduta: la gravità accelera un oggetto in caduta libera, quindi l'altezza della caduta determina la velocità del campione del test quando colpisce la superficie d'impatto e, di conseguenza, l'energia dell'impatto. 
• Orientamento del prodotto: quando un oggetto atterra su un angolo o su un bordo, il carico sull'oggetto è concentrato e il danno è maggiore rispetto a quando atterra su una superficie ampia e piatta. Ecco perché i test di caduta includono più orientamenti. 
• Numero di cadute: un prodotto o un pacchetto può sopravvivere a una o due cadute, ma ogni volta che subisce un impatto, possono verificarsi danni aggiuntivi. Molti test hanno uno specifico numero di cadute che l'oggetto deve superare per diverse altezze. 
• Materiale della superficie di impatto: il materiale della superficie d'impatto piatta influisce in modo significativo sulla quantità di energia trasferita nell'oggetto che viene fatto cadere. Alcune superfici comuni per i test di caduta sono cemento, cemento levigato, acciaio, compensato su cemento e piastrelle in vinile su cemento. 
• Temperatura e umidità: una variabile importante, specialmente per il packaging in cartone, è la temperatura e l'umidità nella cella del test. Entrambe le variabili determinano le proprietà del materiale del prodotto, del packaging e della superficie di caduta. 

Standard per i test di caduta

Esiste un'ampia gamma di standard per i test di caduta. Alcuni sono stabiliti dalle industrie, altri dalle aziende che spediscono o distribuiscono i prodotti e altri ancora da gruppi di standard internazionali. Alcuni dei più comuni sono: 

• ASTM D5276: metodo di test standard per il test di caduta di contenitori caricati mediante caduta libera
• ASTM D7386: procedura standard per il test delle prestazioni degli imballaggi per i sistemi di consegna di pacchi singoli
• ISTA 3A: spedizioni del sistema di consegna fino a 70 kg (150 lb)
• ISO 2248: test di impatto verticale tramite caduta
• IEC 60068-2-31: Test - Test Ec: urti da manipolazione aggressiva, principalmente per campioni di attrezzatura
• MIL-STD-810G 516.6: considerazioni sull'ingegneria ambientale e test di laboratorio: Test: Shock

Apparecchiatura per test di caduta

I test di caduta verticale generalmente utilizzano un piccolo set di apparecchiature per eseguire il test e misurare i risultati. I pianificatori dei test devono specificare le apparecchiature in grado di gestire le dimensioni e la quantità degli oggetti di test, misurare con precisione le variabili di input per il test e acquisire i dati necessari dal test. 

Tester di caduta

Un tester di caduta viene utilizzato per far cadere costantemente l'oggetto di test utilizzando i parametri desiderati per altezza, orientamento e superficie di impatto. È costituito da una superficie di impatto e da un meccanismo che mantiene e rilascia l'oggetto di test all'altezza e all'orientamento desiderati. La maggior parte delle macchine automatizza il sollevamento e il rilascio dei campioni di test. 

Tester di caduta a tamburo rotante

I piccoli componenti elettronici e i dispositivi come i telefoni cellulari sono testati con una macchina di test a tamburo rotante. L'oggetto di test viene inserito in un tamburo che ruota, sollevando e facendo cadere ripetutamente l'oggetto di test. Le aziende utilizzano questo tipo di apparecchiatura per verificare che ogni potenziale orientamento di caduta venga controllato durante i test. 

Accelerometri

L'accelerazione è un elemento chiave di informazioni di cui gli ingegneri hanno bisogno per capire quali carichi un prodotto subisce durante un evento di impatto. I tester utilizzano accelerometri per misurare l'accelerazione nel packaging e nelle posizioni chiave del prodotto. 

Ispettori ottici

Gli ingegneri devono inoltre conoscere il danno estetico e la deformazione fisica dell'oggetto di test dopo l'impatto. Questo può essere fatto attraverso l'ispezione visiva da parte di un tecnico che utilizza vari strumenti di misura calibrati, attraverso telecamere di alta qualità o con la scansione ottica della luce per ottenere la superficie deformata. 

Apparecchiature per il test del prodotto

Quando la funzionalità del prodotto è uno dei requisiti di test, vengono utilizzati apparecchiature di test per automatizzare i test funzionali. 

Fasi tipiche di un test di caduta

1. Pianificazione: Gli ingegneri addetti ai test utilizzano obiettivi, specifiche del prodotto e standard di settore o aziendali per pianificare il set di test più efficiente che soddisfa tutti i requisiti.
2. Calibratura e impostazione dell'attrezzatura: l'apparecchiatura per il test di caduta deve essere calibrata e configurata per i test. Ciò include la risoluzione dei problemi di sicurezza e l'implementazione dell'automazione e dell'acquisizione dei dati laddove necessario. 
3. Preparazione dei campioni: i tecnici devono quindi preparare l'oggetto del test. Può trattarsi di un prototipo del packaging e del prodotto o di campioni prelevati dalla produzione per il test. Vengono applicati gli accelerometri e, se necessario, vengono applicati i contrassegni. Durante questa fase deve essere controllata anche la massa. 
4. Esecuzione: Il test viene eseguito utilizzando l'apparecchiatura di test descritta nel piano del test di caduta. È importante che ogni fase dell'esecuzione sia coerente e segua la pianificazione di test. 
5. Ispezione e analisi: Dopo ogni test di caduta, tecnici e ingegneri ispezionano l'oggetto di test e acquisiscono eventuali modifiche geometriche, estetiche o funzionali. I risultati vengono inoltre analizzati per ottenere i dati richiesti dal test o dal team tecnico. 
6. Documentazione e report: L'output di qualsiasi programma di test è un report completo e dettagliato di ciò che è stato fatto, dei dati ottenuti e di eventuali eccezioni alla pianificazione di test. 

Quando un nuovo prodotto è in fase di sviluppo, il team di progettazione si concentra sul suo corretto funzionamento durante il normale utilizzo. Il normale utilizzo include il numero di cadute del dispositivo in più punti durante il ciclo di vita del prodotto. I test di caduta sono diventati una parte fondamentale della qualità dei prodotti per una serie di motivi, tra cui:

1. Sicurezza

Il vantaggio più importante dei test di caduta è la sicurezza del prodotto. Se l'integrità strutturale di un prodotto risulta danneggiata dopo una caduta, potrebbe perdere sostanze chimiche, surriscaldarsi, prendere fuoco o funzionare in modo tale da provocare danni. I team di progettazione utilizzano il test di caduta o la simulazione del test di caduta per ottimizzare il materiale e la struttura del prodotto e del relativo packaging per soddisfare le specifiche di sicurezza.

2. Durata e funzionalità del prodotto

Dopo aver soddisfatto i requisiti di sicurezza, l'obiettivo successivo del test di caduta è verificare che il prodotto sia sufficientemente resistente da funzionare correttamente dopo le cadute. Ciò dipende dal prodotto sottoposto a test. Un sensore IoT può essere ammaccato e graffiato, ma finché continua a raccogliere dati accurati, è considerato funzionale. 

La funzionalità diventa fondamentale nel settore medico e della difesa, in cui la perdita di funzionalità può avere un impatto significativo su pazienti e militari. I test di caduta consentono ai team di progettazione di convalidare la durata della progettazione in caso di un numero ragionevole di cadute. 

3. Soddisfazione del cliente

Lo stato di un prodotto dopo una caduta può avere un impatto significativo sul modo in cui un cliente si sente riguardo a un prodotto e a un marchio, soprattutto se la funzionalità viene ridotta. Inoltre, la condizione estetica della confezione alla consegna o del prodotto stesso dopo una caduta ha un impatto significativo sulla soddisfazione del cliente. Ammaccature, graffi e incrinature potrebbero non influire sulla funzionalità, ma influiscono negativamente sull'impressione del cliente sul prodotto. 

Il test di caduta non solo può evitare tali danni, ma può anche aiutare il team di progettazione a lavorare con il marketing e l'assistenza clienti per definire le aspettative dell'utente finale su ciò che è una caduta sostenibile. 

4. Riduzione di dimensioni, materiali, spedizione e costi di stoccaggio

Il modo più semplice per far sopravvivere un prodotto a cadute libere da varie altezze è aggiungere materiale alla confezione e al prodotto stesso. Tuttavia, ciò aumenta il costo complessivo del prodotto a causa dell'aumento dei costi di materiali, spedizione e stoccaggio. I test di caduta consentono agli ingegneri di verificare se il loro progetto per il packaging e il prodotto riducono al minimo i costi pur rispettando i requisiti di caduta. 

5. Riduzione dei costi di sostituzione, riparazione e garanzia

Il costo della sostituzione di prodotti danneggiati durante la spedizione o l'utilizzo può aumentare rapidamente. I test di caduta possono aiutare a stabilire quali tipi di cadute sono coperti dalla garanzia e quali sono i requisiti per gli spedizionieri. Inoltre, i test di caduta possono migliorare la durata del prodotto e del packaging per ridurre i costi potenziali associati a cadute dannose. 

Il test di caduta fisico è una parte ben compresa ed efficace della garanzia di qualità, ma il test fisico può essere eseguito solo dopo la progettazione del packaging e l'esistenza di una versione testabile del prodotto. È anche costoso e dispendioso in termini di tempo, per non parlare del costo di una modifica della progettazione così avanzata nel processo di sviluppo. Per questo motivo molte aziende utilizzano la simulazione per eseguire test di caduta virtuali come parte del processo di progettazione del prodotto e non come una fase successiva al completamento del processo. 

Il software Ansys LS-DYNA® è lo strumento di simulazione standard per la simulazione di test di caduta nella maggior parte dei settori. Si tratta di una piattaforma di analisi a elementi finiti (FEA) che si risolve nel dominio del tempo e tiene conto di massa, moto, materiali complessi e condizioni di contatto complesse, proprio ciò di cui hanno bisogno gli ingegneri per simulare i test di caduta. La simulazione non solo può aiutare gli ingegneri a comprendere il comportamento di caduta dei prodotti e del packaging, ma può anche condurre rapidamente studi teorici parametrici per guidare tali progetti.

Una simulazione ha il vantaggio aggiuntivo di offrire agli ingegneri un modo per guardare all'interno dell'imballaggio o del prodotto e visualizzare il comportamento interno nel tempo durante un evento di impatto, fornendo una visione più approfondita rispetto a un test fisico. Gli ingegneri che implementano la simulazione per i test di caduta possono accedere ad accelerazioni, sollecitazioni, deformazioni, forze di contatto, deformazione plastica e spostamento in qualsiasi punto del loro assieme.

Quando si utilizza la simulazione per eseguire virtualmente i test di caduta, gli ingegneri devono prendere in considerazione le best practice seguenti:

• Creare una mesh accurata e di alta qualità utilizzando elementi esaedrici dove possibile, elementi sufficienti per tutto lo spessore ed elementi di ordine superiore quando necessario. Inoltre, è fondamentale che le dimensioni degli elementi siano relativamente uniformi. Nella suite Ansys sono disponibili diversi strumenti di mesh che possono aiutare con questo processo. 
• È stato utilizzato il contatto vincolato per collegare i componenti che sono attaccati l'uno all'altro nel prodotto, mentre il contatto di attrito viene usato per rappresentare le superfici che potrebbero scivolare l'una rispetto all'altra durante un evento di impatto. Nel software LS-DYNA sono disponibili numerosi strumenti per stabilire e gestire le connessioni di contatto. 
• Sfrutta le nuove funzioni aggiunte al software LS-DYNA in ogni nuova versione. Funzionalità come la modellazione multicaso, i materiali in cartone e i nuovi strumenti di mesh migliorano la capacità e l'esperienza utente per i test di caduta. 
• Sfrutta il computing ad alte prestazioni (HPC) sul hardware o su Cloud. Il software LS-DYNA supporta l'elaborazione parallela multicore, consentendo modelli più grandi e tempi di risoluzione più brevi.

Le aspettative dei clienti e dei partner di distribuzione sono in continua evoluzione, favorendo la tecnologia e le aspettative relative ai test di caduta. La sostenibilità ha un impatto significativo anche sui materiali utilizzati dai prodotti e sulle modalità di confezionamento. 

Ecco cinque tendenze che gli ingegneri devono considerare quando pianificano i futuri test di caduta.

Sostenibilità

La sostenibilità sta guidando i principali cambiamenti nei sistemi in cui i prodotti vengono confezionati. In alcuni casi, l'aspettativa dei consumatori e dei partner al dettaglio è quella di poter spedire i prodotti con il proprio imballo senza alcun imballaggio protettivo per la spedizione. Le preoccupazioni ambientali spingono inoltre a utilizzare materiali più sostenibili e a utilizzare meno materiale in generale per i prodotti e il packaging.

Riduzione dei costi

I costi di produzione, packaging e spedizione possono essere considerevoli e le aziende sono costantemente alla ricerca di modi per ridurre i costi ovunque sia possibile. I test di caduta svolgeranno un ruolo ancora più importante, in particolare la simulazione per i test di caduta, nell'aiutare gli ingegneri ad apportare modifiche alla progettazione per ridurre il costo di prodotti e del packaging, assicurandosi al contempo che la loro durata d'impatto soddisfi le specifiche. 

Maggiori aspettative degli utenti

Gli utenti continuano ad aumentare le loro aspettative riguardo all'aspetto estetico del packaging e alla capacità dei prodotti di resistere a cadute da altezze sempre maggiori. Gli ingegneri devono utilizzare i test di caduta simulati nelle prime fasi del processo di progettazione per soddisfare queste aspettative e dare ai propri prodotti un vantaggio competitivo. 

Visibilitàdello scaffale ed esperienza di disimballaggio

Un'altra area di crescente aspettativa da parte degli utenti è l'aspetto dei prodotti sugli scaffali fisici e virtuali e l'esperienza di disimballaggio. Queste preoccupazioni estetiche avranno un'influenza crescente sulle caratteristiche di progettazione necessarie per la durata degli impatti. Questo è anche il punto in cui i test di caduta simulati possono fornire agli ingegneri gli strumenti di cui necessitano per provare progettazioni di packaging più piacevoli fin dalle prime fasi del ciclo di sviluppo. 

Simulazione multifisica

Nell'area della simulazione, si spinge fortemente a sfruttare le capacità multifisiche di strumenti come il software LS-DYNA, associandolo al software Ansys Mechanical™, allo strumento Ansys Sherlock™, al software Ansys Icepak® e all'applicazione Ansys Fluent®. In questo modo si valuta in che modo il carico e la deformazione dovuti a una caduta influiscono sulle prestazioni e sull'affidabilità del prodotto. 

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