Βελτιστοποίηση των διαδικασιών παραγωγής πολυμερών και πολυμερικών σύνθετων υλικών με εξώθηση, έγχυση και τρισδιάστατη εκτύπωση για την αυτοκινητοβιομηχανία

Η Πολυτεχνική Σχολή του γνωστού Πανεπιστημίου της Ρώμης στην Ιταλία ιδρύθηκε το 1935. Το 2010, μετά την αναδιοργάνωση του Πανεπιστημίου Sapienza, η Πολυτεχνική Σχολή χωρίστηκε σε δύο σχολές: Μηχανικών Πληροφορικής, Επιστήμης Υπολογιστών και Στατιστικής και Πολιτικών και Βιομηχανικών Μηχανικών. Η τελευταία, σήμερα περιλαμβάνει έξι διαφορετικά τμήματα: Αστροναυτική, Ηλεκτρολογική και Ενεργειακή Μηχανική, Χημική Μηχανική Υλικών και Περιβαλλοντική Μηχανική, Πολιτική, Κτιριακή και Περιβαλλοντική Μηχανική, Μηχανολογική και Αεροδιαστημική Μηχανική, Δομική και Γεωτεχνική Μηχανική, Βασικές και Εφαρμοσμένες Επιστήμες της Μηχανικής.

Εκτός από την κύρια έδρα στη Ρώμη, η σχολή διαθέτει δύο παραρτήματα στο Rieti και στη Latina. Πιο συγκεκριμένα, από το 1991, η πόλη Latina φιλοξενεί ένα παράρτημα του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης, το οποίο περιλαμβάνει τις Σχολές Μηχανικών, Οικονομικών και Εμπορικών Επιστημών και Ιατρικής και Χειρουργικής.

Σήμερα έχουμε τη χαρά να πάρουμε συνέντευξη από τον Jacopo Tirillò, τακτικό καθηγητή Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών Υλικών Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης.

Διαθέτει περισσότερα από 15 χρόνια εμπειρίας στον τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας των υλικών, η οποία τεκμηριώνεται από περισσότερες από 170 επιστημονικές δημοσιεύσεις. Ο καθηγητής Jacopo Tirillò θα μας δώσει πληροφορίες για το έργο τουarch στο νέο εργαστήριο θερμικής ανάλυσης στη Latina: εργάζεται στον τομέα των πολυμερών και των πολυμερών σύνθετων υλικών για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών παραγωγής, όπως η εξώθηση, η χύτευση με έγχυση και η τρισδιάστατη εκτύπωση, με τη χρήση οργάνων θερμικής ανάλυσης NETZSCH.

Ποιες υπηρεσίες πρόκειται να προσφέρετε λεπτομερώς, τόσο στον ακαδημαϊκό χώρο όσο και στις βιομηχανίες

"Το νέο Εργαστήριο Θερμικής Ανάλυσης στοχεύει στην παροχή ενός πακέτου υπηρεσιών τόσο προς την ακαδημαϊκή κοινότητα όσο και προς τις βιομηχανίες, το οποίο περιλαμβάνει τα υψηλής ποιότητας όργανα που παρέχει η NETZSCH Analyzing & Testing σε συνδυασμό με την τεχνογνωσία των καθηγητών, του researcτης και των τεχνικών που αποκτήθηκαν με πολυετή εμπειρία και επαγγελματισμό.arcΟ κύριος στόχος είναι η επίτευξη ενός διασυνδεδεμένου και αποτελεσματικού δικτύου τόσο με τα πανεπιστήμια όσο και με τις βιομηχανίες, ώστε να διασφαλιστεί η υψηλότερη ποιότητα και η γόνιμη ανάπτυξη τόσο των διαδικασιών παραγωγής όσο και των προϊόντων με στόχο την οικονομική ανάπτυξη της περιοχής και γενικότερα της χώρας. Επί του παρόντος συνεργαζόμαστε με εταιρείες όπως οι Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI και AVIO Space - για να αναφέρουμε μόνο μερικές"

Πώς βοηθά η θερμική ανάλυση στην επίλυση προκλήσεων στη δραστηριότητά σας research

"Η ομάδα μας research εργάζεται κυρίως στον τομέα των πολυμερών και των πολυμερών σύνθετων υλικών. Η ρεολογική, μηχανική και διαστατική συμπεριφορά αυτών των κατηγοριών υλικών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, επομένως η αξιοποίηση της θερμικής ανάλυσης είναι θεμελιώδης για να εξασφαλιστεί μια επισκόπηση 360 μοιρών για το υπό μελέτη υλικό. Για παράδειγμα, η θερμική ανάλυση είναι θεμελιώδης για τον προσδιορισμό των βέλτιστων ρεολογικών συνθηκών για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών παραγωγής, όπως η εξώθηση, η χύτευση με έγχυση και η τρισδιάστατη εκτύπωση, αλλά επιτρέπει να ρίξουμε φως στις μεταβολές της μηχανικής συμπεριφοράς ενός υλικού που επιτρέπει την επικύρωση ή την απαλλαγή από τη σκοπιμότητά του για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Εδώ, χρησιμοποιούμε διάφορα όργανα θερμικής ανάλυσης από το NETZSCH, όπως το θερμιδόμετρο διαφορικής σάρωσης (DSC), ο δυναμομηχανικός αναλυτής (DMA), το διλατόμετρο (DIL) ή το φασματόμετρο υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) σε συνδυασμό με θερμοβαρυμετρικό αναλυτή (TGA). Πρόκειται σίγουρα για ισχυρά και απαραίτητα εργαλεία στον τομέα της ανάπτυξης πολυμερών και πολυμερικών σύνθετων υλικών"

Καθηγητά Tirillò, θα μπορούσατε να δώσετε παραδείγματα για το πώς χρησιμοποιήσατε τη θερμική ανάλυση μέχρι σήμερα;

"Στο πλαίσιο του έργου Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, επιχορήγηση ARS01_00293, Distretto Navtec) που χρηματοδοτείται από το MUR (Ιταλικό Υπουργείο Πανεπιστημίων και Έρευναςarch), η ομάδα research διεξήγαγε πολλές μελέτες για να προτείνει νέες λύσεις σύνθετων υλικών βιολογικής προέλευσης. Μία από τις εργασίες research επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός σύνθετου υλικού φιλικού προς το περιβάλλον για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, αξιοποιώντας ένα πλήρως βιολογικής βάσης πολυαμίδιο 11 (PA11) που συντίθεται από καστορέλαιο και ενισχύεται με ένα υβριδικό ύφασμα λίνου/βασάλτου εντός της στρώσης για να διατηρηθεί ο φιλικός προς το περιβάλλον χαρακτήρας του υλικού. Εδώ, διερευνήσαμε ένα πλαστικοποιημένο PA11 μαζί με το εγγενές PA11 με σκοπό τη βελτίωση της απόκρισης των δομών αυτών στην κρούση (σχήμα 2). Το πλαστικοποιημένο PA11 αποδείχθηκε αποτελεσματικό ως προς την παροχή υψηλότερης ανθεκτικότητας καθυστερώντας τα φαινόμενα διείσδυσης και μειώνοντας τη μόνιμη εσοχή του ελάσματος σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά προίκισε επίσης το πολυμερές με θερμοκρασία τήξης σχεδόν 10 °C χαμηλότερη, όπως αποδεικνύεται από τη σάρωση DSC, βλέπε σχήμα 2.

Αυτή η πτυχή είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της δυνατότητας επεξεργασίας, αλλά και για τη διατήρηση των φυτικών ινών που χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση, οι οποίες είναι ιδιαίτερα θερμικά ευαίσθητες. Η θερμική υποβάθμιση της ίνας είναι άκρως ανεπιθύμητη, διότι μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ενισχυτική της δράση. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την εργασία αυτή μπορείτε να βρείτε στο άρθρο "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010) που δημοσιεύθηκε στο Macromol το 2022"

Σας ευχαριστώ για αυτές τις ενδιαφέρουσες πληροφορίες! Υπάρχει κάποιο άλλο έργο research και τα αποτελέσματά του που θα θέλατε να μοιραστείτε μαζί μας

"Ναι, με ευχαρίστηση.arcΈνα άλλο παράδειγμα που δείχνει τη σημασία της θερμικής ανάλυσης στον χαρακτηρισμό των υλικών δόθηκε στις εργασίες που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του έργου AMICO (κωδικός ARS01_00758) που χρηματοδοτήθηκε από το ιταλικό Υπουργείο Παιδείας, Πανεπιστημίων και Ερευνών (Research). Το έργο επικεντρώθηκε στην Προσθετική Κατασκευή και την αυτοματοποίηση διαδικασιών για υβριδικά και σύνθετα υλικά και, στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε μια εργασία Research για την τρισδιάστατη εκτύπωση χαμηλής πλήρωσης βασάλτη PP και PA12, η οποία εξετάζεται τώρα για δημοσίευση στο Journal of Composites Science. Η προσθετική κατασκευή είναι μια ανερχόμενη τεχνική με μεγάλες δυνατότητες σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς χάρη σε πολυάριθμα πλεονεκτήματα, όπως η μεγαλύτερη ελευθερία σχεδιασμού, η ελαχιστοποίηση των αποβλήτων, η ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων, η προσαρμογή προϊόντων, η ελαφρύτερη δομή μέσω του γενετικού σχεδιασμού και της τοπολογικής βελτιστοποίησης. Μεταξύ όλων των διαθέσιμων τεχνικών τρισδιάστατης εκτύπωσης, η τεχνική Fused Deposition Modeling (FDM), η οποία έχει σχεδιαστεί για θερμοπλαστικά πολυμερή και σύνθετα υλικά, είναι η φθηνότερη με χαμηλές επενδύσεις σε μηχανήματα και κόστος πρώτων υλών. Παρά όλα αυτά τα πλεονεκτήματα, τα πολυμερή εξαρτήματα που παράγονται με FDM χαρακτηρίζονται από χαμηλότερες μηχανικές επιδόσεις από τα αντίστοιχα της χύτευσης με έγχυση, λόγω του υψηλού πορώδους που δημιουργείται από τις ασυνέχειες μεταξύ των γειτονικών στρωμάτων. Στη βάση αυτή, η εργασία πρότεινε έναν βιώσιμο τρόπο αξιοποίησης των πλεονεκτημάτων που απορρέουν από το FDM, προσπαθώντας παράλληλα να διορθώσει το κύριο ζήτημα που συνδέεται με τη χαμηλότερη μηχανική απόδοση, χρησιμοποιώντας πολυμερή νήματα χαμηλής πλήρωσης. Συγκεκριμένα, το PP και το PA 12, τα οποία είναι τα δύο κύρια πολυμερή υλικά που χρησιμοποιούνται στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, ενισχύθηκαν με 5 % κ.β. ινών βασάλτη. Τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν ήταν καλά με σημαντική βελτίωση στην εφελκυστική δυσκαμψία και τιμές πυκνότητας συγκρίσιμες με αυτές του καθαρού πολυμερούς που επεξεργάστηκε μέσω χύτευσης με έγχυση χάρη στο εγγενές πορώδες που προέρχεται από το FDM. Συγκεκριμένα, τα τελικά συστατικά χαρακτηρίστηκαν από πυκνότητα 0,88 ^g/cm3 για το PP και 1,01 ^g/cm3 για τα σύνθετα υλικά PA12 με πλήρωση βασάλτη, οι οποίες είναι συγκρίσιμες με τις τιμές 0,91 ^g/cm3 και 1,01 ^g/cm3 της σχετικής καθαρής μήτρας που χρησιμοποιήθηκε με χύτευση με έγχυση.

Σε αυτό το πλαίσιο, η γνώση της συμπεριφοράς τήξης των υλικών ήταν θεμελιώδης για τη βελτιστοποίηση τόσο της παραγωγής νημάτων με εξώθηση όσο και των εξαρτημάτων τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η ανάλυση DSC επέτρεψε την αποκάλυψη των θερμοκρασιών τήξης PP και PA12, δηλαδή 165°C και 252°C, και οι θερμοκρασίες εκτύπωσης selected ήταν 260 και 300°C, αντίστοιχα. Η θερμοκρασία εκτύπωσης selected για το PA12 ήταν απόλυτα συμβατή με τη θερμοκρασία τήξης του, αλλά ήταν και το ανώτατο όριο του τρισδιάστατου εκτυπωτή. Λαμβάνοντας υπόψη την ισχυρή επιρροή του μήκους των ινών στη μηχανική απόκριση των σύνθετων υλικών, η κατανομή του μήκους των ινών και των δύο πολυμερικών διαμορφώσεων αξιολογήθηκε πριν και μετά την τρισδιάστατη εκτύπωση των δοκιμίων και τα δεδομένα που προέκυψαν παρουσιάζονται στο σχήμα 4. Τα δοκίμια PP εμφανίζουν μόνο μια μικρή μείωση του μέσου μήκους ινών, ενώ το PA12 εμφάνισε μια πιο σημαντική μείωση του μέσου μήκους ινών που πιθανώς οφείλεται στη ρεολογία του πολυμερούς. Συγκεκριμένα, το νήμα PP εκτυπώθηκε τρισδιάστατα χρησιμοποιώντας θερμοκρασία 100°C υψηλότερη από τη θερμοκρασία τήξης του, εξασφαλίζοντας έτσι καλή ρευστότητα του τήγματος, ενώ το PA12 εκτυπώθηκε τρισδιάστατα χρησιμοποιώντας μόνο 50°C υπερθέρμανση, η οποία συνεπάγεται υψηλότερο ιξώδες του τήγματος και αύξηση των ροπών κάμψης που ασκούνται στις ίνες.

Η θερμική ανάλυση ήταν και πάλι ένα ισχυρό εργαλείο για την υποστήριξη και την κατανόηση των μορφολογικών μεταβολών που παρουσίασε το σύνθετο υλικό και αποκάλυψε μια πιθανή βελτίωση της απόκρισης του υλικού απλά selecting έναν 3D εκτυπωτή με μεγαλύτερη απόδοση"

Και ποια είναι τα τρέχοντα έργα στα οποία εργάζεστε και τα οποία περιλαμβάνουν τη χρήση των οργάνων θερμικής ανάλυσης που διαθέτουμε

"Είναι πραγματικά δύσκολο να εντοπίσουμε ένα από τα τρέχοντα έργα μας που δεν θα επωφεληθεί από τη θερμική ανάλυση. Η ομάδα research συμμετέχει σε δύο έργα PRIN, δηλ. στο PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" και στο PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", και σε δύο έργα PNRR, δηλ, Το πεδίο 11 "Καινοτόμα υλικά και ελαφρά υλικά" του Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) και το πεδίο 3 "Πράσινα και βιώσιμα προϊόντα και υλικά από μη κρίσιμες και δευτερογενείς πρώτες ύλες" του PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). Επιπλέον, χορηγήθηκε επιχορήγηση ERC Advanced Grant για το έργο ButterFly στον καθηγητή Filippo Berto.

Όλα τα έργα αποσκοπούν στην πρόταση νέων υλικών με βελτιωμένη βιωσιμότητα και χαμηλότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις και στην ανάπτυξη νέων ελαφρών δομών. Και στις δύο περιπτώσεις, η θερμική ανάλυση είναι ζωτικής σημασίας για τη διάθεση στην αγορά προϊόντων με καλές επιδόσεις που πληρούν τις απαιτήσεις των προτύπων και για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών κατασκευής ώστε να μειωθούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους, εξασφαλίζοντας παράλληλα υψηλή ποιότητα παραγωγής.

Φαντάζομαι ότι η συνεργασία με την NETZSCH Analyzing & Testing θα οδηγήσει, όπως έχει ήδη γίνει, και στο μέλλον στην τεχνολογική πρόοδο του εργαστηρίου μας τόσο από πλευράς εξοπλισμού όσο και γνώσεων.

Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά όλα τα μέλη της ομάδας research: prof. Fabrizio Sarasini, Prof. Filippo Berto, Dr. Claudia Sergi και Dr. Irene Bavasso"

Καθηγητή Tirillò, σας ευχαριστώ πολύ για τις γνώσεις που σας έδωσαν για το συναρπαστικό έργο σας research. Είμαστε στην ευχάριστη θέση να συμβάλουμε στο μέλλον, όχι μόνο με τα όργανά μας, αλλά και με τις συμβουλευτικές μας υπηρεσίες και τις νέες εκπαιδευτικές εκδηλώσεις.

Μοιραστείτε αυτό το άρθρο: