Příběh úspěchu zákazníka
Optimalizace výrobních procesů vytlačování, vstřikování a 3D tisku polymerů a polymerních kompozitů pro automobilový průmysl
Zpráva z terénu vypracovaná Fakultou inženýrství Římské univerzity
V tomto příběhu o úspěchu zákazníka hovoří Jacopo Tirillò, řádný profesor v oboru materiálové vědy a technologie na katedře chemického inženýrství a materiálového prostředí na univerzitě Sapienza v Římě, o své výzkumné práci týkající se vývoje ekologického kompozitního materiálu pro automobilové aplikace využívajícího plně biologický polyamid. Rovněž poskytuje náhled na své výzkumy v oblasti aditivní výroby a automatizace procesů pro hybridní a kompozitní materiály a na svou práci na 3D tisku čediče s nízkou výplní.
“Naše laboratoř termické analýzy si klade za cíl poskytovat akademické sféře i průmyslu balíček služeb, který zahrnuje vysoce kvalitní přístroje poskytované společností NETZSCH Analyzing & Testing spolu s know-how profesorů, výzkumníků a techniků. Hlavním cílem je dosáhnout propojené a efektivní sítě s univerzitami i průmyslem, která zajistí nejvyšší kvalitu výzkumu a plodný růst výrobních procesů i produktů s ohledem na hospodářský rozvoj regionu a obecněji celé země. V současné době spolupracujeme se společnostmi jako Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI a AVIO Space - abychom jmenovali alespoň některé.”
Fakulta inženýrství na známé Římské univerzitě v Itálii byla založena v roce 1935. V roce 2010 byla po reorganizaci univerzity Sapienza rozdělena na dvě fakulty: Fakultu informačního inženýrství, informatiky a statistiky a Fakultu stavebního a průmyslového inženýrství. Druhá jmenovaná fakulta dnes zahrnuje šest různých kateder: Astronautické, elektrotechnické a energetické inženýrství, Chemické materiálové a environmentální inženýrství, Stavební, stavební a environmentální inženýrství, Strojní a letecké inženýrství, Stavební a geotechnické inženýrství, Základní a aplikované vědy pro inženýrství.
Kromě hlavního sídla v Římě se fakulta skládá ze dvou poboček v Rieti a Latině. Přesněji řečeno, ve městě Latina sídlí od roku 1991 pobočka římské univerzity Sapienza, která zahrnuje fakulty strojní, ekonomickou a obchodní a lékařskou a chirurgickou.
Dnes máme to potěšení vyzpovídat Jacopa Tirilla, řádného profesora v oboru materiálové vědy a technologie na katedře chemického inženýrství materiálového prostředí na univerzitě Sapienza v Římě.
Má více než 15 let zkušeností v oblasti materiálové vědy a technologie, které doložil více než 170 vědeckými publikacemi. Prof. Jacopo Tirillò nás seznámí se svou výzkumnou prací v nové laboratoři termické analýzy v Latině: pracuje v oblasti polymerů a polymerních kompozitů s cílem optimalizovat výrobní procesy, jako je vytlačování, vstřikování a 3D tisk, pomocí přístrojů pro termickou analýzu NETZSCH.
Prof. Jacopo Tirillò, v červnu 2023 jste se svým týmem právě oslavil otevření nové laboratoře termické analýzy v Latině, pobočce Římské univerzity, která bude realizovat akademické projekty a poskytovat technickou aplikační a analytickou podporu průmyslovým zákazníkům. Proč je otevření této nové laboratoře pro váš region a pro vaši univerzitu tak inovativní?
"Otevření této laboratoře termické analýzy představuje pro Polo Pontino a pro La Sapienzu centrum excelence v oblasti charakterizace materiálů a referenční bod pro firmy a výzkumná centra. Tato laboratoř (obr. 1) je součástí rozsáhlejšího projektu, díky němuž se Polo Pontino v příštích letech stane centrem excelence v oblasti analýzy materiálů, zejména v oblasti udržitelnosti a obnovitelných zdrojů energie."
Jaké služby budete podrobně nabízet, a to jak pro akademickou sféru, tak pro průmysl?
"Nová laboratoř termické analýzy si klade za cíl poskytovat akademické sféře i průmyslu balíček služeb, který zahrnuje vysoce kvalitní přístroje poskytované společností NETZSCH Analyzing & Testing spolu s know-how profesorů, výzkumných pracovníků a techniků získaným během let zkušeností a profesionality. Hlavním cílem je dosáhnout propojené a efektivní sítě s univerzitami i průmyslem, aby byla zajištěna nejvyšší kvalita výzkumu a plodný růst výrobních procesů i produktů s ohledem na hospodářský rozvoj regionu a obecněji celé země. V současné době spolupracujeme se společnostmi, jako jsou Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI a AVIO Space - abychom jmenovali alespoň některé."
Jak termická analýza pomáhá řešit problémy ve vaší výzkumné činnosti?
"Naše výzkumná skupina pracuje především v oblasti polymerů a polymerních kompozitů. Reologické, mechanické a rozměrové chování těchto tříd materiálů je silně závislé na teplotě, proto je využití termické analýzy zásadní pro zajištění 360stupňového přehledu o studovaném materiálu. Tepelná analýza je například zásadní pro Identify nejvhodnějších reologických podmínek pro optimalizaci výrobních procesů, jako je vytlačování, vstřikování a 3D tisk, ale umožňuje vrhnout světlo na změny mechanického chování materiálu, což umožňuje ověřit nebo vyvrátit jeho proveditelnost pro určitou aplikaci. Zde se používají různé přístroje pro termickou analýzu podle NETZSCH, jako je diferenciální skenovací kalorimetr (DSC), dynamicko-mechanický analyzátor (DMA),dilatometr (DIL) nebo infračervený spektrometr s Fourierovou transformací (FT-IR ) spojený s termogravimetrickým analyzátorem (TGA). Jedná se rozhodně o mocné a nezbytné nástroje v oblasti vývoje polymerů a polymerních kompozitů."
Prof. Tirillò, mohl byste prosím uvést příklady, jak jste dosud termickou analýzu používal?
"V rámci projektu Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, grant ARS01_00293, Distretto Navtec) financovaného MUR (italské ministerstvo pro univerzity a výzkum) provedla výzkumná skupina řadu studií s cílem navrhnout nová kompozitní řešení na bázi bio. Jedna z výzkumných prací se zaměřila na vývoj ekologického kompozitu pro automobilové aplikace využívajícího plně biologický polyamid 11 (PA11) syntetizovaný z ricinového oleje vyztužený vnitrovrstvou hybridní tkaninou ze lnu a čediče, aby byl zachován ekologický charakter materiálu. Zde jsme zkoumali plastifikovaný PA11 společně s nativním PA11 s cílem zlepšit reakci těchto struktur na náraz (obr. 2). Ukázalo se, že plastifikovaný PA11 účinně zajišťuje vyšší houževnatost zpomalující penetrační jevy a snižující trvalé vtisky laminátu při pokojové teplotě, ale také propůjčuje polymeru teplotu tání téměř o 10 °C nižší, jak prokázal DSC sken, viz obr. 2.
Tento aspekt má zásadní význam pro zlepšení zpracovatelnosti, ale také pro zachování rostlinných vláken použitých jako výztuž, která jsou velmi citlivá na teplo. Tepelná degradace vláken je velmi nežádoucí, protože může výrazně ohrozit jejich zpevňující účinek. Více informací o této práci naleznete v článku "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites "(DOI:10.3390/macromol2020010 ) publikovaném na stránkách Macromol v roce 2022."
Děkuji za tyto zajímavé postřehy! Existuje nějaký další výzkumný projekt a jeho výsledky, o které byste se s námi chtěl podělit?
"Ano, s potěšením. Dalším příkladem, který ukazuje význam termické analýzy při charakterizaci materiálů, je práce provedená v rámci výzkumného projektu AMICO (kód ARS01_00758) financovaného italským ministerstvem školství, univerzit a výzkumu. Projekt byl zaměřen na aditivní výrobu a automatizaci procesů pro hybridní a kompozitní materiály a v této souvislosti byla provedena výzkumná práce na 3D tisku nízkoplněného čedičového PP a PA12, která je nyní zvažována k publikaci v časopise Journal of Composites Science. Aditivní výroba je technika na vzestupu s velkým potenciálem v mnoha průmyslových oborech díky mnoha výhodám, jako je větší svoboda navrhování, minimalizace odpadu, rychlá tvorba prototypů, přizpůsobení výrobku, odlehčení konstrukce díky generativnímu návrhu a topologické optimalizaci. Ze všech dostupných technik 3D tisku je nejlevnější technika taveného depozičního modelování (FDM), která je určena pro termoplastické polymery a kompozity, s nízkými investicemi do stroje a náklady na suroviny. Přes všechny tyto výhody se polymerní součásti vyrobené metodou FDM vyznačují nižšími mechanickými vlastnostmi než odpovídající vstřikovací součásti, a to v důsledku vysoké pórovitosti, která vzniká nespojitostí mezi sousedními vrstvami. Na tomto základě práce navrhla schůdný způsob, jak využít výhod plynoucích z FDM a zároveň se pokusit vyřešit hlavní problém spojený s nižší mechanickou výkonností použitím polymerních vláken s nízkým obsahem náplně. Konkrétně byly PP a PA 12, což jsou dva hlavní polymerní materiály používané v automobilovém průmyslu, vyztuženy 5 hm. % čedičových vláken. Získané výsledky byly dobré s výrazným zlepšením tuhosti v tahu a hodnotami hustoty srovnatelnými s hodnotami čistého polymeru zpracovaného vstřikováním díky vlastní pórovitosti odvozené od FDM. Konkrétně se výsledné komponenty vyznačovaly hustotou 0,88 g/cm3 pro PP a 1,01 g/cm3 pro kompozity plněné čedičem PA12, které jsou srovnatelné s hodnotami 0,91 g/cm3 a 1,01 g/cm3 příbuzné čisté matrice použité při vstřikování.
V tomto rámci byla znalost chování materiálů při tání zásadní pro optimalizaci výroby vláken vytlačováním i 3D tisku komponent. Analýza DSC umožnila odhalit teploty tání PP a PA12, tj. 165 °C a 252 °C, a zvolené teploty tisku byly 260, resp. 300 °C. Teplota tisku zvolená pro PA12 byla dokonale kompatibilní s jeho teplotou tání, ale zároveň byla horní hranicí 3D tiskárny. Vzhledem k silnému vlivu délky vláken na mechanickou odezvu kompozitu bylo vyhodnoceno rozložení délky vláken obou polymerních konfigurací před 3D tiskem vzorků a po něm a výsledná data jsou uvedena na obr. 4. Vzorky PP vykazují jen mírné snížení průměrné délky vláken, zatímco PA12 vykazoval výraznější snížení průměrné délky vláken pravděpodobně v důsledku reologie polymeru. Konkrétně u PP vlákna byla při 3D tisku použita teplota o 100 °C vyšší, než je teplota tání, čímž byla zajištěna dobrá tekutost taveniny, zatímco u PA12 byl 3D tisk proveden při přehřátí pouze na 50 °C, což s sebou nese vyšší viskozitu taveniny a zvýšení ohybových momentů působících na vlákna.
Termická analýza byla opět mocným nástrojem pro podporu a pochopení morfologických změn, které se u kompozitu vyskytly, a odhalila potenciální zlepšení odezvy materiálu pouhým výběrem výkonnější 3D tiskárny."
A na jakých projektech v současnosti pracujete, které zahrnují použití našich přístrojů pro termickou analýzu?
"Je skutečně obtížné určit jeden z našich probíhajících projektů, který by nevyužil tepelnou analýzu. Výzkumná skupina je zapojena do dvou projektů PRIN, a to PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" a PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", a dvou projektů PNRR, tj, Spoke 11 Innovative Materials and LightWeighting projektu Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) a Spoke 3 "Green and sustainable products & materials from non-critical and secondary raw sources" projektu PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). Kromě toho byl Prof. Filippo Berto udělen ERC Advanced Grant na projekt ButterFly.
Cílem všech projektů je navrhnout nové materiály s vyšší udržitelností a nižším dopadem na životní prostředí a vyvinout nové odlehčené konstrukce. V obou případech je termická analýza klíčová pro uvedení na trh výkonných výrobků, které splňují požadavky norem, a pro optimalizaci výrobních procesů s cílem co nejvíce snížit jejich dopad na životní prostředí a zároveň zajistit vysokou kvalitu výstupu.
Předpokládám, že spolupráce s NETZSCH Analyzing & Testing povede, stejně jako již vedla, i v budoucnu k technologickému rozvoji naší laboratoře jak z hlediska vybavení, tak i znalostí.
Závěrem bych chtěl srdečně poděkovat všem členům týmu výzkumné skupiny: prof. Fabrizio Sarasinimu, Prof. Filippo Berto, Dr. Claudii Sergi a Dr. Irene Bavasso."
Prof. Tirillò, děkuji vám za nahlédnutí do vaší vzrušující výzkumné práce. Rádi přispějeme i v budoucnu, a to nejen našimi přístroji, ale také poradenskými službami a novými vzdělávacími akcemi.