التحسين الأمثل لعمليات البثق والقولبة بالحقن والطباعة ثلاثية الأبعاد للبوليمرات ومركبات البوليمر لصناعة السيارات

تأسست كلية الهندسة في جامعة روما المعروفة في إيطاليا عام 1935. في عام 2010، بعد إعادة تنظيم جامعة سابينزا، تم تقسيم كلية الهندسة إلى كليتين: هندسة المعلومات وعلوم الحاسوب والإحصاء، والهندسة المدنية والصناعية. وتضم الأخيرة في الوقت الحاضر ستة أقسام مختلفة: هندسة الملاحة الفضائية والكهربائية والطاقة، وهندسة المواد الكيميائية والهندسة البيئية، والهندسة المدنية وهندسة البناء والبيئة، والهندسة الميكانيكية والفضائية، والهندسة الإنشائية والجيوتقنية، والعلوم الأساسية والتطبيقية للهندسة.

إلى جانب الموقع الرئيسي في روما، تتكون الكلية من مكتبين فرعيين في رييتي ولاتينا. بتعبير أدق، منذ عام 1991، تستضيف مدينة لاتينا فرعًا لجامعة سابينزا في روما، والذي يضم كليات الهندسة والاقتصاد والتجارة والطب والجراحة.

يسعدنا اليوم أن نجري مقابلة مع جاكوبو تيريلو، الأستاذ المتفرغ في علوم وتكنولوجيا المواد في قسم الهندسة الكيميائية بيئة المواد في جامعة سابينزا في روما.

لديه أكثر من 15 عامًا من الخبرة في مجال علوم وتكنولوجيا المواد موثقة بأكثر من 170 منشورًا علميًا. سيطلعنا البروفيسور جاكوبو تيريلو على عمله البحثي في مختبر التحليل الحراري الجديد في لاتينا: يعمل في مجال البوليمرات ومركبات البوليمر لتحسين عمليات التصنيع مثل البثق والقولبة بالحقن والطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام أدوات التحليل الحراري NETZSCH.

ما هي الخدمات التي ستقدمونها بالتفصيل، سواء للأوساط الأكاديمية أو للصناعات؟

"يهدف مختبر التحليل الحراري الجديد إلى تقديم حزمة خدمات لكل من الأوساط الأكاديمية والصناعية تشمل أدوات عالية الجودة مقدمة من شركة NETZSCH للتحليل والاختبار إلى جانب خبرة الأساتذة والباحثين والفنيين التي اكتسبوها على مدار سنوات من الخبرة والاحترافية. ويتمثل الهدف الرئيسي في تحقيق شبكة مترابطة وفعالة مع كل من الجامعات والصناعات لضمان أعلى جودة بحثية ونمو مثمر لكل من عمليات التصنيع والمنتجات بهدف التنمية الاقتصادية للمنطقة وبشكل عام للبلد. ونحن نعمل حاليًا مع شركات مثل بريدجستون وABB وتريفيس-روي وستيلانتيس ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الأمريكية ووكالة الفضاء الأمريكية وAASI وAفيو سبيس - على سبيل المثال لا الحصر."

كيف يساعد التحليل الحراري في حل التحديات في نشاطك البحثي؟

"تعمل مجموعتنا البحثية بشكل رئيسي في مجال البوليمرات ومركبات البوليمر. ويعتمد السلوك الانسيابي والميكانيكي والأبعاد لهذه الفئات من المواد اعتمادًا كبيرًا على درجة الحرارة، وبالتالي فإن استغلال التحليل الحراري أمر أساسي لضمان نظرة عامة شاملة على المواد قيد الدراسة. على سبيل المثال، التحليل الحراري أساسي لتحديد أفضل الظروف الانسيابية لتحسين عمليات التصنيع مثل البثق والقولبة بالحقن والطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكنه يسمح بتسليط الضوء على الاختلافات في السلوك الميكانيكي للمادة مما يسمح بالتحقق من صلاحيتها أو تفريغها لتطبيق معين. ونستخدم هنا أدوات تحليل حراري مختلفة من NETZSCH، مثل مسعر المسح التفاضلي (DSC) أو المحلل الديناميكي الميكانيكي (DMA ) أو مقياس التمدد (DIL ) أو مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) المقترن بمحلل قياس الثيرموغرافيات (TGA). هذه بالتأكيد أدوات قوية وضرورية في مجال تطوير البوليمرات ومركبات البوليمر."

بروفيسور تيريلو، هل يمكنك تقديم أمثلة على كيفية استخدامك للتحليل الحراري حتى الآن؟

"في إطار مشروع "ثالاسا" (PON "R&I" 2014-2020، منحة ARS01_00293، Distretto Navtec) الممول من وزارة التعليم العالي والبحث العلمي الإيطالية، أجرت مجموعة البحث العديد من الدراسات لاقتراح حلول جديدة للمركبات القائمة على أساس حيوي. ركز أحد الأعمال البحثية على تطوير مركب صديق للبيئة لاستخدامه في صناعة السيارات باستخدام مادة البولي أميد 11 (PA11) القائمة بالكامل على أساس حيوي والمصنعة من زيت الخروع المدعّم بنسيج هجين من الكتان/البازلت للحفاظ على الطبيعة الصديقة للبيئة للمادة. قمنا هنا بدراسة مادة PA11 الملدنة مع مادة PA11 الأصلية بهدف تحسين استجابة الصدمات لهذه الهياكل (الشكل 2). أثبتت المادة PA11 الملدنة PA11 فعاليتها في توفير صلابة أعلى تؤخر ظاهرة الاختراق وتقلل من المسافة البادئة الدائمة للصفائح في درجة حرارة الغرفة، ولكنها أيضًا منحت البوليمر درجة حرارة انصهار أقل بنحو 10 درجات مئوية كما أثبت مسح DSC، انظر الشكل 2.

هذا الجانب مهم لتحسين قابلية المعالجة، ولكن أيضًا للحفاظ على الألياف النباتية المستخدمة كتعزيز والتي تتسم بحساسية حرارية عالية. إن التدهور الحراري للألياف غير مرغوب فيه إلى حد كبير لأن ذلك قد يعرض تأثيرها المقوي للخطر بشكل كبير. يمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات حول هذا العمل في مقال "بولي أميد حيوي مقوى 11 لمركبات البازلت/الكتان الهجينة المقاومة للصدمات" (DOI:10.3390/macromol2020010) المنشور على موقع Macromol في عام 2022."

شكراً لك على هذه الأفكار المثيرة للاهتمام! هل هناك أي مشروع بحثي آخر ونتائجه تود مشاركتنا به؟

"نعم، بكل سرور. تم تقديم مثال آخر يوضح أهمية التحليل الحراري في توصيف المواد في العمل الذي تم تنفيذه في إطار مشروع البحث AMICO (الرمز ARS01_00758) الممول من وزارة التعليم والجامعات والبحوث الإيطالية. وقد ركز المشروع على التصنيع الإضافي وأتمتة العمليات للمواد الهجينة والمركبة، وفي هذا السياق، تم تنفيذ عمل بحثي حول الطباعة ثلاثية الأبعاد للبازلت منخفض الملء PP و PA12، وهو الآن قيد الدراسة للنشر في مجلة علوم المركبات. التصنيع الإضافي هو تقنية آخذة في الازدياد مع إمكانات كبيرة في العديد من المجالات الصناعية بفضل العديد من المزايا مثل حرية التصميم العالية، وتقليل النفايات، والنماذج الأولية السريعة، وتخصيص المنتجات، وخفة وزن الهيكل من خلال التصميم التوليدي والتحسين الطوبولوجي. من بين جميع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتاحة، تُعد النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM)، المصممة للبوليمرات والمركبات البلاستيكية الحرارية، أرخص التقنيات مع انخفاض الاستثمار في الماكينة وتكاليف المواد الخام. على الرغم من كل هذه المزايا، تتميز المكونات البوليمرية التي يتم إنتاجها بواسطة FDM بأداء ميكانيكي أقل من تلك التي يتم إنتاجها عن طريق الحقن بالحقن بسبب المسامية العالية الناتجة عن الانقطاعات بين الطبقات المتجاورة. على هذا الأساس، اقترح العمل طريقة قابلة للتطبيق لاستغلال المزايا المستمدة من FDM مع محاولة إصلاح المشكلة الرئيسية المرتبطة بانخفاض الأداء الميكانيكي باستخدام خيوط بوليمرية منخفضة الحشو. وعلى وجه الخصوص، تم تعزيز PP و PA 12، وهما المادتان البوليمرية الرئيسيتان المستخدمتان في قطاع السيارات، بنسبة 5٪ بالوزن من الألياف البازلتية. كانت النتائج التي تم الحصول عليها جيدة مع تحسن كبير في قيم صلابة الشد والكثافة التي يمكن مقارنتها بقيم البوليمر الأنيق المعالج عن طريق القولبة بالحقن بفضل المسامية الجوهرية المستمدة من FDM. على وجه الخصوص، تميزت المكونات النهائية بكثافة 0.88 ^جم/سم3 للمركبات المملوءة بالبازلت PA12، والتي يمكن مقارنتها بكثافة 0.91 ^جم/سم3 و1.01 ^جم/سم3 للمصفوفة الأنيقة ذات الصلة المستخدمة في القولبة بالحقن.

في هذا الإطار، كانت معرفة سلوك ذوبان المواد أمرًا أساسيًا لتحسين كل من إنتاج الخيوط عن طريق البثق والطباعة ثلاثية الأبعاد للمكونات. سمح تحليل DSC بالكشف عن درجات حرارة انصهار PP وPA12، أي 165 درجة مئوية و252 درجة مئوية، وكانت درجات حرارة الطباعة المختارة 260 و300 درجة مئوية على التوالي. كانت درجة حرارة الطباعة المختارة لـ PA12 متوافقة تمامًا مع درجة حرارة انصهارها، ولكنها كانت أيضًا الحد الأعلى للطابعة ثلاثية الأبعاد. مع الأخذ في الاعتبار التأثير القوي لطول الألياف في الاستجابة الميكانيكية للمركب، تم تقييم توزيع طول الألياف لكلا التكوينين البوليمرية قبل وبعد طباعة العينات ثلاثية الأبعاد، وتظهر البيانات الناتجة في الشكل 4. تُظهر عينات PP انخفاضًا طفيفًا فقط في متوسط طول الألياف بينما أظهرت PA12 انخفاضًا أكثر أهمية في متوسط طول الألياف ربما بسبب انسيابية البوليمر. على وجه الخصوص، طُبعت خيوط PP بشكل ثلاثي الأبعاد باستخدام درجة حرارة أعلى من درجة انصهارها بمقدار 100 درجة مئوية وبالتالي ضمان سيولة جيدة للذوبان بينما طُبعت PA12 بشكل ثلاثي الأبعاد باستخدام درجة حرارة زائدة قدرها 50 درجة مئوية فقط مما يستلزم لزوجة أعلى للذوبان وزيادة في لحظات الانحناء المطبقة على الألياف.

ومرة أخرى كان التحليل الحراري أداة قوية لدعم وفهم الاختلافات المورفولوجية التي شهدها المركب وكشف عن تحسن محتمل في استجابة المادة بمجرد اختيار طابعة ثلاثية الأبعاد أكثر أداءً."

وما هي المشاريع الحالية التي تعملون عليها والتي تتضمن استخدام أدوات التحليل الحراري الخاصة بنا؟

"من الصعب في الواقع تحديد أحد مشاريعنا الجارية التي لن تستفيد من التحليل الحراري. تشارك المجموعة البحثية في مشروعين من مشاريع PRIN، أي مشروع PRIN 2023 "تصميم المواد الحيوية-المتنقلة (BOOMERANG)" ومشروع PRIN 2022 "التصنيع المضاف للمواد الخفيفة الوزن (TARGET)"، ومشروعين من مشاريع PNRR، أي Spoke 11 "المواد المبتكرة وخفة الوزن" من Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) و Spoke 3 "المنتجات والمواد الخضراء والمستدامة من مصادر خام غير حرجة وثانوية" من PE11 "صنع في إيطاليا Circolare e Sostenibile" (MICS). وعلاوة على ذلك، تم منح منحة متقدمة من المركز الأوروبي للبحث العلمي لمشروع ButterFly للبروفيسور فيليبو بيرتو.

تهدف جميع المشاريع إلى اقتراح مواد جديدة ذات استدامة محسنة وأثر بيئي أقل، وتطوير هياكل جديدة خفيفة الوزن. وفي كلتا الحالتين يعد التحليل الحراري أمرًا حاسمًا لطرح منتجات ذات أداء جيد في السوق تفي بمتطلبات المعايير وتحسين عمليات التصنيع لتقليل تأثيرها البيئي قدر الإمكان مع ضمان إنتاج عالي الجودة.

أتصور أن التعاون مع شركة NETZSCH للتحليل والاختبار سيؤدي، كما حدث بالفعل، في المستقبل أيضًا إلى التقدم التكنولوجي لمختبرنا من حيث المعدات والمعرفة.

أخيرًا، أود أن أتقدم بالشكر الجزيل لجميع أعضاء فريق البحث: البروفيسور. فابريزيو ساراسيني، والبروفيسور فيليبو بيرتو، والدكتورة كلوديا سيرجي، والدكتورة إيرين بافاسو."

البروفسور تيريلو، شكرًا جزيلاً لك على هذه الأفكار حول عملك البحثي المثير. يسعدنا أن نساهم في المستقبل، ليس فقط بأدواتنا، ولكن أيضًا بخدماتنا الاستشارية وفعالياتنا التدريبية الجديدة.

شارك هذه المقالة: