ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Оптимизиране на производствените процеси за екструдиране, инжекционно формоване и 3D принтиране на полимери и полимерни композити за автомобилната индустрия
Доклад от инженерния факултет на Римския университет
В тази история на успеха на клиента Якопо Тирило, редовен професор по материалознание и технологии в катедрата по химическа инженерна материална среда в университета "Сапиенца" в Рим, разказва за изследователската си работа по разработване на екологичен композитен материал за автомобилни приложения, използващ изцяло полиамид на биологична основа. Той също така дава представа за изследванията си в областта на адитивното производство и автоматизацията на процесите за хибридни и композитни материали, както и за работата си по 3D принтиране на нисконапълнен базалт.
“Нашата лаборатория за термичен анализ има за цел да предостави пакет от услуги както на академичните среди, така и на промишлеността, който включва висококачествени инструменти, предоставени от NETZSCH Analyzing & Testing, както и ноу-хау на професори, изследователи и техници. Основната цел е да се постигне взаимосвързана и ефективна мрежа както с университетите, така и с промишлеността, за да се гарантира най-високо качество на научните изследвания и плодотворно развитие както на производствените процеси, така и на продуктите с оглед на икономическото развитие на региона и по-общо на страната. Понастоящем работим с компании като Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI и AVIO Space - само за да назовем някои от тях.”
Инженерният факултет на известния университет в Рим, Италия, е основан през 1935 г. През 2010 г., след реорганизацията на университета "Сапиенца", Инженерният факултет е разделен на два факултета: Информационно инженерство, компютърни науки и статистика и Гражданско и промишлено инженерство. Последният днес включва шест различни факултета: Астронавтика, електротехника и енергетика, инженерство на химическите материали и околната среда, гражданско, строително и екологично инженерство, машинно и космическо инженерство, строително и геотехническо инженерство, фундаментални и приложни науки за инженерството.
Освен основното си седалище в Рим, факултетът се състои от два филиала в Риети и Латина. По-конкретно, от 1991 г. в град Латина се намира филиал на Университета Сапиенца в Рим, който включва факултетите по инженерство, икономика и търговия и медицина и хирургия.
Днес имаме удоволствието да интервюираме Якопо Тирильо, редовен професор по материалознание и технологии в катедрата по химическа инженерна материалознание в университета "Сапиенца" в Рим.
Той има повече от 15 години опит в областта на материалознанието и технологиите, документиран с над 170 научни публикации. Проф. д-р Якопо Тирило ще ни запознае с изследователската си работа в новата лаборатория за термичен анализ в Латина: той работи в областта на полимерите и полимерните композити за оптимизиране на производствените процеси като екструдиране, шприцване и 3D принтиране с помощта на инструменти за термичен анализ на NETZSCH.
Проф. Якопо Тирило, през юни 2023 г. вие и вашият екип току-що отпразнувахте откриването на новата лаборатория за термичен анализ на място в Латина, филиал на Римския университет, за изпълнение на академични проекти и осигуряване на техническа приложна и аналитична подкрепа на индустриални клиенти. Защо откриването на тази нова лаборатория е толкова иновативно за вашия регион и за вашия университет?
"Откриването на тази Лаборатория за термичен анализ представлява за Поло Понтино и за Ла Сапиенца център за високи постижения в охарактеризирането на материали и референтна точка за компании и изследователски центрове. Тази лаборатория (фиг. 1) е част от по-голям проект, в рамките на който през следващите години Поло Понтино ще се превърне в център за високи постижения в областта на анализа на материали, по-специално в областта на устойчивото развитие и възобновяемата енергия."
Кои услуги ще предлагате в детайли, както за академичните среди, така и за индустрията?
"Новата лаборатория за термичен анализ има за цел да предостави пакет от услуги както на академичните среди, така и на промишлеността, който включва висококачествени инструменти с висок стандарт, предоставени от NETZSCH Analyzing & Testing, заедно с ноу-хау на професори, изследователи и техници, придобито в продължение на години опит и професионализъм. Основната цел е да се постигне взаимосвързана и ефективна мрежа както с университетите, така и с промишлеността, за да се гарантира най-високо качество на научните изследвания и плодотворно развитие както на производствените процеси, така и на продуктите с оглед на икономическото развитие на региона и по-общо на страната. Понастоящем работим с компании като Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI и AVIO Space - и това са само някои от тях."
Как термичният анализ помага за решаване на предизвикателствата във вашата изследователска дейност?
"Нашата изследователска група работи основно в областта на полимерите и полимерните композити. Реологичното, механичното и размерното поведение на тези класове материали е силно зависимо от температурата, поради което използването на термичния анализ е от основно значение за осигуряване на 360-градусов поглед върху изследвания материал. Например, термичният анализ е от основно значение за определяне на най-добрите реологични условия за оптимизиране на производствените процеси като екструдиране, шприцване и 3D принтиране, но той позволява да се хвърли светлина върху вариациите в механичното поведение на материала, което позволява да се потвърди или отхвърли възможността за използването му за определено приложение. Тук използваме различни инструменти за термичен анализ от NETZSCH, като диференциален сканиращ калориметър (DSC), динамично-механичен анализатор (DMA),дилатометър (DIL) или инфрачервен спектрометър с преобразуване на Фурие (FT-IR ), свързан с термогравиметричен анализатор (TGA). Това определено са мощни и необходими инструменти в областта на разработването на полимери и полимерни композити."
Професор Тирило, бихте ли дали примери за това как сте използвали термичния анализ досега?
"В рамките на проекта Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, грант ARS01_00293, Distretto Navtec), финансиран от MUR (Италианското министерство на университетите и научните изследвания), изследователската група проведе много проучвания, за да предложи нови композитни решения на биологична основа. Една от научноизследователските работи беше съсредоточена върху разработването на екологичен композит за автомобилно приложение, използващ напълно биобазиран полиамид 11 (PA11), синтезиран от рициново масло, подсилен с вътрешнослойна хибридна тъкан от лен/базалт, за да се запази екологичният характер на материала. Тук ние изследвахме пластифициран PA11 заедно с нативния PA11 с оглед подобряване на реакцията на тези структури при удар (фигура 2). Пластифицираният PA11 се оказа ефективен при осигуряването на по-висока якост, забавяйки явленията на проникване и намалявайки постоянните вдлъбнатини на ламината при стайна температура, но също така дари полимера с температура на топене почти 10 °C по-ниска, както се доказа от DSC сканирането, вж. фигура 2.
Този аспект е от решаващо значение за подобряване на обработваемостта, но също така и за запазване на растителните влакна, използвани като армировка, които са силно чувствителни към топлина. Термичната деградация на влакната е крайно нежелателна, тъй като може значително да застраши техния усилващ ефект. Повече информация за тази работа можете да намерите в статията "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010 ), публикувана в Macromol през 2022 г."
Благодарим ви за тези интересни прозрения! Има ли друг изследователски проект и резултати от него, които бихте искали да споделите с нас?
"Да, с удоволствие. Друг пример, показващ значението на термичния анализ при характеризирането на материалите, е работата, извършена в рамките на изследователския проект AMICO (код ARS01_00758), финансиран от италианското Министерство на образованието, университетите и научните изследвания. Проектът беше насочен към адитивното производство и автоматизацията на процесите за хибридни и композитни материали и в този контекст беше извършена изследователска работа по 3D принтиране на нисконапълнени базалтови PP и PA12, която сега се разглежда за публикуване в Journal of Composites Science. Адитивното производство е техника, която е във възход и има голям потенциал в много индустриални области благодарение на многобройните си предимства, като по-голяма свобода на проектиране, минимизиране на отпадъците, бързо прототипиране, персонализиране на продуктите, олекотяване на структурата чрез генеративен дизайн и топологична оптимизация. Сред всички налични техники за 3D принтиране, Fused Deposition Modeling (FDM), която е предназначена за термопластични полимери и композити, е най-евтината с ниски инвестиции в машината и разходи за суровини. Въпреки всички тези предимства, полимерните компоненти, произведени чрез FDM, се характеризират с по-ниски механични характеристики от съответните такива, получени чрез леене под налягане, поради високата порьозност, породена от прекъсванията между съседните слоеве. На тази основа в работата се предлага жизнеспособен начин за използване на предимствата, произтичащи от FDM, като същевременно се прави опит да се реши основният проблем, свързан с по-ниските механични характеристики, чрез използване на полимерни нишки с ниско съдържание на пълнеж. По-конкретно, PP и PA 12, които са двата основни полимерни материала, използвани в автомобилния сектор, бяха подсилени с 5 тегловни % базалтови влакна. Получените резултати са добри със значително подобрение на твърдостта на опън и стойности на плътността, сравними с тези на чистия полимер, обработен чрез шприцване, благодарение на присъщата порьозност, получена от FDM. По-специално, крайните компоненти се характеризират с плътност от 0,88 g/cm3 за PP и 1,01 g/cm3 за композитите с базалтов пълнеж PA12, които са сравними с 0,91 g/cm3 и 1,01 g/cm3 на съответната чиста матрица, използвана при шприцване.
В тази рамка познаването на поведението на материалите при топене е от основно значение за оптимизиране както на производството на нишки чрез екструдиране, така и на компоненти за 3D печат. DSC анализът позволи да се разкрият температурите на топене на PP и PA12, т.е. 165°C и 252°C, а избраните температури за печат бяха съответно 260 и 300°C. Температурата на печат, избрана за PA12, беше напълно съвместима с температурата му на топене, но беше и горната граница на 3D принтера. Като се има предвид силното влияние на дължината на влакната при механичната реакция на композита, разпределението на дължината на влакната на двете полимерни конфигурации беше оценено преди и след 3D принтирането на образците и получените данни са показани на фигура 4. Образците от PP показват само леко намаление на средната дължина на влакната, докато PA12 показва по-значително намаление на средната дължина на влакната, което вероятно се дължи на реологията на полимера. По-специално, PP нишките са отпечатани 3D при температура със 100 °C по-висока от тази на топене, което осигурява добра течливост на стопилката, докато PA12 е отпечатан 3D при прегряване само с 50 °C, което води до по-висок вискозитет на стопилката и увеличаване на огъващите моменти, прилагани върху влакната.
Термичният анализ отново беше мощен инструмент за подкрепа и разбиране на морфологичните вариации, изпитвани от композита, и разкри потенциално подобрение на реакцията на материала, като просто избра по-ефективен 3D принтер."
А кои са текущите проекти, по които работите и които включват използването на нашите инструменти за термичен анализ?
"Всъщност е трудно да се определи един от текущите ни проекти, който няма да се възползва от термичния анализ. Изследователската група участва в два проекта по PRIN, т.е. PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" и PRIN 2022 "Additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", и два проекта по PNRR, т.е., Направление 11 "Иновативни материали и леко тегло" на Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) и направление 3 "Зелени и устойчиви продукти и материали от некритични и вторични суровини" на PE11 "Произведено в Италия Circolare e Sostenibile" (MICS). Освен това на проф. д-р Филипо Берто беше отпусната субсидия за напреднали на ERC за проекта ButterFly.
Всички проекти имат за цел да предложат нови материали с подобрена устойчивост и по-ниско въздействие върху околната среда и да разработят нови олекотени структури. И в двата случая топлинният анализ е от решаващо значение за пускането на пазара на ефективни продукти, които отговарят на изискванията на стандартите, и за оптимизиране на производствените процеси, за да се намали възможно най-много въздействието им върху околната среда, като същевременно се гарантира високо качество на продукцията.
Предполагам, че сътрудничеството с NETZSCH Analyzing & Testing ще доведе, както вече е станало, и в бъдеще до технологично усъвършенстване на нашата лаборатория както по отношение на оборудването, така и на знанията.
Накрая бих искал сърдечно да благодаря на всички членове на екипа на изследователската група: проф. Фабрицио Сарасини, проф. д-р Филипо Берто, д-р Клаудия Серги и д-р Ирене Бавасо."
Професор Тирило, благодаря ви много за запознанството с вашата вълнуваща изследователска работа. Ще се радваме да допринесем в бъдеще не само с нашите инструменти, но и с консултантските си услуги и нови обучителни събития.