Accelerated life testing in mechanical design

The introduction of new products on the market is a time-consuming process, which typically includes both design and testing phases. Often, the experimental validation phase significantly affects the overall process time. Indeed, in many industrial sectors, the product development procedure is based on trial and error methodologies. Intermediate validation tests are performed on full-scale physical prototypes and, based on their outcome, the design is updated (in the case of a negative result) or validated (if the result is positive). The efficiency of this method in terms of time-resources is notoriously sub-optimal. To improve the efficiency of this process it is, for example, possible to exploit accelerated test methodologies, which consist in subjecting the product to test conditions that exceed its actual working conditions. In this way, a reduction in the number of cycles necessary to bring the component to final failure can be achieved, with obvious beneficial effects on the efficiency of the process. Another way to accelerate the test is to switch from testing the top-level assembly to performing tests on subassemblies or individual components. It is however mandatory, to ensure that the results obtained with these test methods are useful for the design, to take appropriate precautions. For example, it is essential to preserve the original failure mode of the component. To do this, it is necessary, among other things, to know the relationship between the boundary conditions of the entire assembly and the stresses of the individual components. In the present paper, the methodology described above is illustrated with reference to its application to locking industry components (demonstrator). Several experimental tests have been carried out, in order to characterize the fatigue life and wear resistance of the materials involved in the construction of the demonstrator. Numerical FEM models were also developed to determine the stresses of the sub-assemblies and components of the demonstrator during the test phase. Combining the experimental results with the numerical ones, it was possible to develop an analytical model. Such model allows estimating the endurance of the demonstrator when subjected to accelerated tests. The model has shown a good correlation with experimental results. The principles underlying this procedure can be applied, without any loss in terms of generality, to many sectors of the industry.

L'introduzione di nuovi prodotti sul mercato è un processo di lunga durata, che comprende tipicamente sia fasi di progettazione che di sperimentazione. Sovente, la fase di validazione sperimentale condiziona notevolmente i tempi complessivi del processo. Infatti, in molti settori industriali, la procedura di sviluppo prodotto è basata su metodologie di tipo trial and error. Prove di validazione intermedie vengono eseguite su prototipi fisici in scala reale, ed in base all'esito di queste il design viene rielaborato (in caso di esito negativo) o validato (se l'esito è positivo). L'efficienza di tale metodo sotto il profilo temporale è, notoriamente, sub-ottimale. Per migliorare l'efficienza di tale processo è, ad esempio, possibile sfruttare metodologie di prova accelerate, che consistono nel sottoporre il prodotto ad una condizione di prova più gravosa rispetto alle normali condizioni di lavoro. In tale modo, si può conseguire una riduzione del numero di cicli necessari a portare a rottura il componente, con evidenti ricadute vantaggiose sull'efficienza del processo. Un'ulteriore modalità di accelerazione della prova consiste nel passare da prova sull'assieme globale a prova sui sottoassiemi o singoli componenti. È tuttavia obbligatorio, affinché i risultati ottenuti mediante tali metodologie di prova siano utili per la progettazione, adottare opportune precauzioni. Ad esempio, è fondamentale preservare la modalità di rottura originaria del componente. Per fare ciò, si rende necessario, fra le altre cose, conoscere la relazione tra le condizioni al contorno dell'intero assieme e le sollecitazioni dei singoli componenti. Nel presente elaborato, la metodologia sopra descritta viene illustrata facendo riferimento alla sua applicazione a componenti del settore serraturiero (dimostratore). Sono stati effettuati numerosi test sperimentali, per caratterizzare la vita a fatica e la resistenza all'usura dei materiali coinvolti nella costruzione del dimostratore. Sono inoltre stati sviluppati modelli numerici FEM per determinare le sollecitazioni dei sottoassiemi e componenti del dimostratore durante la fase di test. Combinando i risultati sperimentali con quelli numerici, è stato possibile sviluppare un modello analitico in grado di stimare con buona approssimazione la vita effettiva del dimostratore, quando sottoposto a prove accelerate. I principi alla base di questa procedura possono essere applicati, senza perdita di generalità, a numerosi settori dell'industria.