Materials durability in harsh environments for professional appliances

This work has the aim of developing the investigation of materials durability in the professional appliances industry. The materials applied in such applications face every day harsh environments, with presence of thermal and mechanical stresses, but also the interaction with aggressive chemicals. In particular, washing and cleaning environments see the presence of strong acid and alkaline chemicals, which are commonly available in the market and used to maintain the hygienic status of professional appliances. Aiming at implementing the knowledge of such working environments and improve materials durability tests related to this issue, a structured methodology is proposed. The study of washing and cleaning environments is reported as a fundamental base of this work, allowing the development of testing protocols and set ups able to manage the big differences among chemical environments. Therefore, the motivations for the development of such testing protocols are exposed and related to the crucial role of failure analysis and materials selection in the company. The materials-centered validation process is then schematized and explained, in order to highlight the advantages of such approach and how it can be integrated into the different phases of a project. From previous considerations, MatILDE testing protocols have been developed and exposed as tunable, flexible and widely applicable set of testing methodologies able to simulate and reproduce the working environments present in professional food processing and dishwashers appliances. The application of the developed testing protocol on one industrial case study, and its correlation with the sensorial perception of aged materials, is reported in order to highlight their real applications. Time-dependent properties and failure mechanisms are discussed, considering their connection with materials durability. The role of materials properties modeling is then discussed, with the aim of integrate it in the reliability and life-testing process already in the early stage of the projects. The study of creep and its modeling is then developed as example of generation of analytical models which can be applied in the further pre-study computational engineering phases. The further improvement and next step in the development of materials durability evaluation is given by the integration of materials testing into the life-testing process, with furthermore implementation of the reliability concept. The connection between them is reported using one case study about the mechanical properties change of glass fibers reinforced polyamides in contact with foods at relatively high temperatures. Results showed that reliability curves are a representative and comprehensive tools to assess mechanical properties changes and materials durability. To furthermore develop the topic and integrate its application in industrial contexts, the testing pyramid proposed in the Building Block Approach (BBA) is used to optimize life-tests procedures and integrate materials durability testing protocols. The application of BBA is discussed in detail, together with a case study with the aim of finding the correlation between full appliances life-testing and the scaled one on single components exploiting the acceleration factors. This study provides a complete and original insight into the integration of materials durability and the development of related testing approaches useful to move a further step towards its integration in life-tests and reliability testing processes. Moreover, this thesis opens new scenarios in industrial contexts with the aim of implementing flexible and repeatable approaches able to integrate also materials selection and failure analysis in the validation process of projects at different TRL levels.

Il presente lavoro di ricerca si pone l’obiettivo di studiare la durabilità dei materiali impiegati nell’industria delle apparecchiature per cucine professionali. I materiali utilizzati in tale contesto sono esposti quotidianamente ad ambienti aggressivi non solo dal punto di vista chimico, con la presenza di stress termici e meccanici di ingente entità. L’aggressività chimica di tali ambienti è costituita dall’impiego di prodotti per la pulizia ed il lavaggio, generalmente contenenti agenti chimici fortemente alcalini od acidi, comunemente disponibili nel mercato ed impiegati con l’obiettivo di mantenere un adeguato stato igienico-sanitario. Una metodologia strutturata viene quindi proposta in questo elaborato, nell’ottica di sviluppare la conoscenza degli ambienti di lavoro a cui i materiali sono esposti ed implementare metodologie di test aventi l’obiettivo di valutare la durabilità dei materiali in tali ambienti. Questo elaborato è suddiviso in 3 capitoli, ciascuno dei quali sviluppa il tema centrale della durabilità dei materiali con differenti approcci e metodologie. Nel primo capitolo, la necessità di uno studio degli ambienti di lavaggio, a cui i materiali sono esposti nell’applicazione industriale considerata, viene affrontata valutando quali siano i fattori maggiormente impattanti la durabilità. Tra questi, gli agenti chimici ed in genere i prodotti per pulizia vengono valutati in termini di composizione chimica e funzione dei loro componenti nel contesto dei processi di lavaggio. La necessità di avere uno studio basato sui prodotti realmente disponibili sul mercato, porta ad una classificazione funzionale, basata sull’applicazione desiderata, e chimica. Da tale analisi, l’approccio a nuove metodologie di test che comprendano l’utilizzo di un set standard di agenti chimici viene discusso. Il secondo capitolo articola un’analisi critica relativa al ruolo della failure analysis e della selezione dei materiali nel contesto industriale analizzato, considerandone le limitazioni inerenti alla valutazione della durabilità dei materiali nei confronti di agenti chimici. Con la prospettiva di superare tali limitazioni, specifici protocolli di test sono sviluppati e discussi, valutandone l’utilità sia relativamente all’applicazione industriale sia rispetto a normative di test già esistenti. L’utilizzo di tali protocolli di test viene affrontato mediante un reale caso studio. Nel terzo ed ultimo capitolo, le implicazioni del precedente sviluppo di protocolli di test per la valutazione della durabilità dei materiali nel contesto industriale vengono discusse in relazione alle attività di test di vita. In questa fase, il ruolo chiave dei concetti di affidabilità e durabilità viene spiegato, sottolineando come un approccio statistico risulti fondamentale per la valutazione delle performance dei materiali nel tempo. Dai risultati ottenuti, l’utilizzo delle curve di affidabilità per determinare le variazioni di performance dei materiali durante la loro vita di servizio risulta essere un valido strumento anche in tale contesto. Il ruolo del tempo e dei meccanismi di fallimento legati ad esso sono affrontati con l’obiettivo di spiegare l’importanza di tale valutazione per la previsione del comportamento dei materiali nel tempo. Mediante un caso studio, la modellazione analitica delle proprietà dei materiali viene introdotta come strumento utile in molte fasi del processo di sviluppo del prodotto, con l’obiettivo di prevedere i comportamento del materiale su differenti scale di tempo. Con lo scopo di implementare concretamente una metodologia di test strutturata ed ottimizzata, il Building Block Approach (BBA) è applicato per suddividere e semplificare i test di affidabilità su più livelli di struttura, dal singolo campione di materiale all’apparecchiatura completa. L’applicabilità di tale metodo è discussa mediante l’utilizzo di un caso studio avente l’obiettivo di valutare l’effettivo risparmio di tempo nei test di invecchiamento e durabilità dei materiali. Questo elaborato discute il tema della durabilità dei materiali fornendone un’analisi completa ed innovativa, affrontando la tematica dal punto di vista sia teorico che applicativo, come necessario per le applicazioni industriali analizzate. L’integrazione del concetto di durabilità dei materiali nelle metodologie e nel processo di valutazione dei test di vita risulta essere un ulteriore passo avanti nell’implementazione della metodologia proposta in un contesto industriale come quella analizzato. Infine, questo elaborato apre nuove direzioni relative allo sviluppo di metodologie di test flessibili in grado di replicare il reale utilizzo dei componenti nel campo di applicazione, integrandone le procedure di selezione dei materiali e failure analysis nello sviluppo di progetti a differenti livelli di maturità tecnologica.