
Témoignage de réussite d'un client
Optimisation des procédés de fabrication par extrusion, moulage par injection et impression 3D de polymères et de composites polymères pour l'industrie automobile
Un rapport de terrain de la Faculté d'Ingénierie de l'Université de Rome
Dans ce témoignage, Jacopo Tirillò, professeur titulaire en science et technologie des matériaux au département d'ingénierie chimique et d'environnement des matériaux de l'université Sapienza de Rome, parle de ses travaux de recherche concernant le développement d'un matériau composite respectueux de l'environnement pour les applications automobiles, qui exploite un polyamide entièrement biosourcé. Il donne également un aperçu de ses recherches dans le domaine de la fabrication additive et de l'automatisation des processus pour les matériaux hybrides et composites, ainsi que de ses travaux sur l'impression 3D de basalte faiblement chargé.

„Notre laboratoire d'analyse thermique vise à fournir un ensemble de services aux universités et aux industries, comprenant les instruments de haute qualité fournis par NETZSCH Analyzing & Testing, ainsi que le savoir-faire des professeurs, des chercheurs et des techniciens. L'objectif principal est de mettre en place un réseau interconnecté et efficace avec les universités et les industries afin de garantir une recherche de la plus haute qualité et une croissance fructueuse des processus de fabrication et des produits en vue du développement économique de la région et, plus généralement, du pays. Actuellement, nous travaillons avec des entreprises telles que Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI et AVIO Space - pour n'en citer que quelques-unes.“
La faculté d'ingénierie de la célèbre université de Rome, en Italie, a été fondée en 1935. En 2010, à la suite de la réorganisation de l'université Sapienza, la faculté d'ingénierie a été divisée en deux facultés : Ingénierie de l'information, informatique et statistiques, et Ingénierie civile et industrielle. Cette dernière comprend aujourd'hui six départements différents: Ingénierie astronautique, électrique et énergétique, Ingénierie des matériaux chimiques et de l'environnement, Ingénierie civile, du bâtiment et de l'environnement, Ingénierie mécanique et aérospatiale, Ingénierie structurelle et géotechnique, Sciences fondamentales et appliquées pour l'ingénierie.
Outre le site principal de Rome, la faculté comprend deux antennes à Rieti et à Latina. Plus précisément, depuis 1991, la ville de Latina accueille une antenne de l'université Sapienza de Rome, qui comprend les facultés d'ingénierie, d'économie et de commerce, et de médecine et de chirurgie.
Aujourd'hui, nous avons le plaisir d'interviewer Jacopo Tirillò, professeur titulaire en science et technologie des matériaux au département d'ingénierie chimique et d'environnement des matériaux de l'université Sapienza de Rome.
Il a plus de 15 ans d'expérience dans le domaine de la science et de la technologie des matériaux, documentée par plus de 170 publications scientifiques. Jacopo Tirillò nous donnera un aperçu de ses travaux de recherche au nouveau laboratoire d'analyse thermique de Latina : il travaille dans le domaine des polymères et des composites polymères pour optimiser les processus de fabrication tels que l'extrusion, le moulage par injection et l'impression 3D à l'aide d'instruments d'analyse thermique sur le site NETZSCH.
Jacopo Tirillò, en juin 2023, vous et votre équipe venez de célébrer l'ouverture du nouveau laboratoire d'analyse thermique sur le site de Latina, une antenne de l'Université de Rome, pour réaliser des projets académiques et fournir des applications techniques et un soutien analytique aux clients industriels. Pourquoi l'ouverture de ce nouveau laboratoire est-elle si innovante pour votre région et votre université ?
"L'ouverture de ce laboratoire d'analyse thermique représente pour le Polo Pontino et pour La Sapienza un centre d'excellence dans la caractérisation des matériaux et un point de référence pour les entreprises et les centres de recherche. Ce laboratoire (figure 1) fait partie d'un projet plus vaste qui verra le Polo Pontino devenir un centre d'excellence dans l'analyse des matériaux dans les années à venir, en particulier dans les domaines de la durabilité et des énergies renouvelables."


Quels services allez-vous offrir en détail, à la fois aux universités et aux industries ?
"Le nouveau laboratoire d'analyse thermique vise à fournir un ensemble de services aux universités et aux industries, comprenant les instruments de haute qualité fournis par NETZSCH Analyzing & Testing, ainsi que le savoir-faire des professeurs, des chercheurs et des techniciens acquis au fil des années d'expérience et de professionnalisme. L'objectif principal est de mettre en place un réseau interconnecté et efficace avec les universités et les industries afin de garantir la meilleure qualité de recherche et une croissance fructueuse des processus de fabrication et des produits en vue du développement économique de la région et, plus généralement, du pays. Nous travaillons actuellement avec des entreprises telles que Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI et AVIO Space, pour n'en citer que quelques-unes
Comment l'analyse thermique permet-elle de relever les défis de votre activité de recherche ?
"Notre groupe de recherche travaille principalement dans le domaine des polymères et des composites polymères. Le comportement rhéologique, mécanique et dimensionnel de ces classes de matériaux dépend fortement de la température, c'est pourquoi l'exploitation de l'analyse thermique est fondamentale pour assurer une vue d'ensemble à 360 degrés du matériau étudié. Par exemple, l'analyse thermique est fondamentale pour identifier les meilleures conditions rhéologiques afin d'optimiser les processus de fabrication tels que l'extrusion, le moulage par injection et l'impression 3D, mais elle permet également de mettre en lumière les variations du comportement mécanique d'un matériau, ce qui permet de valider ou d'infirmer sa faisabilité pour une certaine application. Ici, nous utilisons différents instruments d'analyse thermique par NETZSCH, tels que le calorimètre différentiel à balayage (DSC), l'analyseur dynamique-mécanique (DMA), ledilatomètre (DIL) ou le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) couplé à un analyseur thermogravimétrique (TGA). Ce sont des outils puissants et nécessaires dans le domaine du développement des polymères et des composites polymères"
Prof. Tirillò, pourriez-vous nous donner des exemples de la manière dont vous avez utilisé l'analyse thermique jusqu'à présent ?
" Dans le cadre du projet Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, subvention ARS01_00293, Distretto Navtec) financé par le MUR (ministère italien de l'Université et de la Recherche), le groupe de recherche a mené de nombreuses études pour proposer de nouvelles solutions composites biosourcées. L'un des travaux de recherche s'est concentré sur le développement d'un composite respectueux de l'environnement pour des applications automobiles, exploitant un polyamide 11 (PA11) entièrement biosourcé, synthétisé à partir d'huile de ricin et renforcé par un tissu hybride lin/basalte intra-pli, afin de conserver la nature écologique du matériau. Ici, nous avons étudié un PA11 plastifié avec le PA11 natif en vue d'améliorer la réponse à l'impact de ces structures (figure 2). Le PA11 plastifié s'est avéré efficace pour fournir une plus grande ténacité, retarder les phénomènes de pénétration et réduire l'indentation permanente du stratifié à température ambiante, mais il a également conféré au polymère une Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion inférieure de près de 10 °C, comme l'a prouvé le balayage DSC(voir figure 2).
Cet aspect est crucial pour améliorer l'aptitude au traitement, mais aussi pour préserver les fibres végétales utilisées comme renfort, qui sont très sensibles à la chaleur. La dégradation thermique de la fibre n'est pas souhaitable car elle peut compromettre de manière significative son effet de renforcement. De plus amples informations sur ce travail sont disponibles dans l'article "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010) publié sur Macromol en 2022."

Merci pour ces informations intéressantes ! Y a-t-il d'autres projets de recherche et leurs résultats que vous aimeriez partager avec nous ?
"Oui, avec plaisir. Un autre exemple montrant l'importance de l'analyse thermique dans la caractérisation des matériaux a été donné dans le cadre du projet de recherche AMICO (code ARS01_00758) financé par le ministère italien de l'éducation, de l'université et de la recherche. Le projet s'est concentré sur la fabrication additive et l'automatisation des processus pour les matériaux hybrides et composites et, dans ce contexte, un travail de recherche sur l'impression 3D de basalte PP et PA12 faiblement chargé, qui est actuellement en cours d'examen pour publication dans le Journal of Composites Science, a été réalisé. La fabrication additive est une technique en plein essor qui présente un grand potentiel dans de nombreux domaines industriels grâce à de nombreux avantages tels qu'une plus grande liberté de conception, la minimisation des déchets, le prototypage rapide, la personnalisation des produits, l'allègement des structures grâce à la conception générative et à l'optimisation topologique. Parmi toutes les techniques d'impression 3D disponibles, la modélisation par dépôt de matière fondue (FDM), conçue pour les polymères thermoplastiques et les composites, est la moins onéreuse, avec un investissement machine et des coûts de matières premières peu élevés. Malgré tous ces avantages, les composants polymères produits par FDM se caractérisent par des performances mécaniques inférieures à celles des composants correspondants moulés par injection, en raison de la forte porosité générée par les discontinuités entre les couches adjacentes. Sur cette base, le travail a proposé un moyen viable d'exploiter les avantages dérivant du FDM tout en essayant de résoudre le principal problème lié aux performances mécaniques inférieures en utilisant des filaments polymères faiblement chargés. En particulier, le PP et le PA 12, qui sont les deux principaux matériaux polymères utilisés dans le secteur automobile, ont été renforcés avec 5 % en poids de fibres de basalte. Les résultats obtenus ont été bons, avec une amélioration significative de la rigidité à la traction et des valeurs de densité comparables à celles du polymère pur traité par moulage par injection grâce à la porosité intrinsèque dérivant du FDM. En particulier, les composants finaux ont été caractérisés par une densité de 0,88 g/cm3 pour le PP et de 1,01 g/cm3 pour les composites remplis de basalte PA12, qui sont comparables aux 0,91 g/cm3 et 1,01 g/cm3 de la matrice pure correspondante utilisée dans le moulage par injection.
Dans ce cadre, la connaissance du comportement de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion des matériaux était fondamentale pour optimiser à la fois la production de filaments par extrusion et l'impression 3D des composants. L 'analyse DSC a permis de révéler les températures de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion du PP et du PA12, à savoir 165°C et 252°C, et les températures d'impression sélectionnées étaient respectivement de 260 et 300°C. La température d'impression choisie pour le PA12 était parfaitement compatible avec sa Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion, mais elle correspondait également à la limite supérieure de l'imprimante 3D. Compte tenu de la forte influence de la longueur des fibres sur la réponse mécanique du composite, la distribution de la longueur des fibres des deux configurations polymères a été évaluée avant et après l'impression 3D des échantillons et les données résultantes sont présentées dans la figure 4. Les échantillons de PP ne présentent qu'une légère diminution de la longueur moyenne des fibres, tandis que le PA12 présente une réduction plus importante de la longueur moyenne des fibres, probablement due à la rhéologie du polymère. En particulier, le filament PP a été imprimé en 3D à une température supérieure de 100°C à sa Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion, assurant ainsi une bonne fluidité de la matière fondue, alors que le PA12 a été imprimé en 3D en utilisant seulement une surchauffe de 50°C, ce qui entraîne une viscosité plus élevée de la matière fondue et une augmentation des moments de flexion appliqués sur les fibres.
L'analyse thermique s'est à nouveau avérée un outil puissant pour soutenir et comprendre les variations morphologiques subies par le composite et a révélé une amélioration potentielle de la réponse du matériau en sélectionnant simplement une imprimante 3D plus performante."


Quels sont les projets sur lesquels vous travaillez actuellement et qui impliquent l'utilisation de nos instruments d'analyse thermique ?
"Il est en fait difficile d'identifier un de nos projets en cours qui ne bénéficiera pas de l'analyse thermique. Le groupe de recherche participe à deux projets PRIN, à savoir PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign forR pAckagiNG (BOOMERANG)" et PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", ainsi qu'à deux projets PNRR, à savoir, Spoke 11 "Innovative Materials and LightWeighting" du Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) et Spoke 3 "Green and sustainable products & materials from non-critical and secondary raw sources" du PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). En outre, une subvention avancée de l'ERC pour le projet ButterFly a été attribuée au professeur Filippo Berto.
Tous les projets visent à proposer de nouveaux matériaux plus durables et à faible impact sur l'environnement, ainsi qu'à développer de nouvelles structures légères. Dans les deux cas, l'analyse thermique est cruciale pour mettre sur le marché des produits performants qui répondent aux exigences des normes et pour optimiser les processus de fabrication afin de réduire autant que possible leur impact sur l'environnement tout en garantissant une production de haute qualité.
J'imagine que la collaboration avec NETZSCH Analyzing & Testing conduira, comme elle l'a déjà fait, à une avancée technologique de notre laboratoire, tant en termes d'équipement que de connaissances.
Enfin, je tiens à remercier chaleureusement tous les membres de l'équipe du groupe de recherche : prof. Fabrizio Sarasini, Filippo Berto, Claudia Sergi et Irene Bavasso"
Prof. Tirillò, merci beaucoup de nous avoir donné un aperçu de vos passionnants travaux de recherche. Nous serons heureux d'apporter notre contribution à l'avenir, non seulement avec nos instruments, mais aussi avec nos services de conseil et nos nouveaux événements de formation.