Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
Polimerek és polimer kompozitok extrudálási, fröccsöntési és 3D nyomtatási gyártási folyamatainak optimalizálása az autóipar számára
A Római Egyetem Mérnöki Karának helyszíni jelentése
Ebben az ügyfélsikertörténetben Jacopo Tirillò, a római Sapienza Egyetem Vegyészmérnöki Anyagok Környezete Tanszékének anyagtudományi és technológiai professzora egy teljesen bioalapú poliamidot használó, autóipari alkalmazásokhoz használt környezetbarát kompozit anyag kifejlesztésével kapcsolatos kutatási munkájáról beszél. Betekintést nyújt továbbá a hibrid és kompozit anyagok additív gyártása és folyamatautomatizálása terén végzett vizsgálataiba, valamint az alacsony töltésű bazalt 3D nyomtatásával kapcsolatos munkájába.
„Hőelemző laboratóriumunk célja, hogy olyan szolgáltatási csomagot nyújtson mind a tudományos, mind az ipari szektor számára, amely magában foglalja a NETZSCH Analyzing & Testing által biztosított magas színvonalú minőségi műszereket, valamint a professzorok, kutatók és technikusok know-how-ját. A fő cél egy összekapcsolt és hatékony hálózat létrehozása mind az egyetemekkel, mind az iparral, hogy biztosítsuk a legmagasabb kutatási minőséget és a gyártási folyamatok és termékek gyümölcsöző növekedését a régió és általánosabban az ország gazdasági fejlődése érdekében. Jelenleg olyan vállalatokkal dolgozunk együtt, mint a Bridgestone, az ABB, a Treves-Roi, a Stellantis, az ESA, az ASI és az AVIO Space - hogy csak néhányat említsünk.“
A jól ismert római egyetem mérnöki karát 1935-ben alapították. 2010-ben, a Sapienza Egyetem átszervezését követően a Mérnöki Kar két karra oszlott: Informatikai Mérnöki Kar, Informatika és Statisztika, valamint Építőmérnöki és Ipari Mérnöki Kar. Ez utóbbi, ma már hat különböző tanszéket foglal magában: Asztronautikai, villamos- és energetikai mérnöki, kémiai anyag- és környezetmérnöki, építő-, épület- és környezetmérnöki, gépészeti és űrmérnöki, szerkezet- és geotechnikai mérnöki, mérnöki alap- és alkalmazott tudományok.
A római fő telephely mellett a karnak két fióktelepe van Rietiben és Latinában. Pontosabban Latina városa 1991 óta ad otthont a Római Sapienza Egyetem fióktelepének, amely a mérnöki, a gazdasági és kereskedelmi, valamint az orvosi és sebészeti karokat foglalja magában.
Ma Jacopo Tirillòval, a római Sapienza Egyetem Vegyészmérnöki Tanszékének anyagtudományi és technológiai professzorával beszélgetünk.
Több mint 15 éves tapasztalattal rendelkezik az anyagtudomány és -technológia területén, amelyet több mint 170 tudományos publikációval dokumentál. Prof. Jacopo Tirillò betekintést nyújt a Latina új hőelemző laboratóriumában végzett kutatómunkájába: a polimerek és polimer kompozitok területén dolgozik, hogy a NETZSCH hőelemző műszerek segítségével optimalizálja az olyan gyártási folyamatokat, mint az extrudálás, a fröccsöntés és a 3D nyomtatás.
Prof. Jacopo Tirillò, 2023 júniusában Ön és csapata épp most ünnepelte az új hőelemző laboratórium megnyitását a római egyetem latinai telephelyén, a Római Egyetem fióktelepén, hogy tudományos projekteket hajtson végre, és műszaki alkalmazási és analitikai támogatást nyújtson az ipari ügyfeleknek. Miért olyan innovatív az új laboratórium megnyitása az Önök régiója és az Önök egyeteme számára?
"Ennek a hőelemzési laboratóriumnak a megnyitása a Polo Pontino és a La Sapienza számára az anyagok jellemzésének kiválósági központját jelenti, és referenciapontot a vállalatok és kutatóközpontok számára. Ez a laboratórium (1. ábra) egy nagyobb projekt része, amelynek köszönhetően a Polo Pontino az elkövetkező években az anyagelemzés kiválósági központjává válik, különösen a fenntarthatóság és a megújuló energiaforrások területén."
Milyen szolgáltatásokat fog részletesen kínálni, mind az akadémiai, mind az ipari szereplők számára?
"Az új hőelemző laboratórium célja, hogy olyan szolgáltatási csomagot nyújtson mind az akadémiai, mind az ipari szektor számára, amely magában foglalja a NETZSCH Analyzing & Testing által biztosított magas színvonalú minőségi műszereket, valamint a professzorok, kutatók és technikusok több éves tapasztalattal és szakmaisággal szerzett know-how-ját. A fő cél az egyetemekkel és az iparral való összekapcsolt és hatékony hálózat létrehozása, amely biztosítja a legmagasabb kutatási minőséget, valamint a gyártási folyamatok és termékek gyümölcsöző növekedését a régió és általánosabban az ország gazdasági fejlődését szem előtt tartva. Jelenleg olyan vállalatokkal dolgozunk együtt, mint a Bridgestone, az ABB, a Treves-Roi, a Stellantis, az ESA, az ASI és az AVIO Space - hogy csak néhányat említsünk"."
Hogyan segít a termikus analízis az Ön kutatási tevékenysége során felmerülő kihívások megoldásában?
"Kutatócsoportunk elsősorban a polimerek és polimer kompozitok területén dolgozik. Ezen anyagosztályok reológiai, mechanikai és méretbeli viselkedése nagymértékben függ a hőmérséklettől, ezért a termikus analízis kiaknázása alapvető fontosságú a vizsgált anyag 360 fokos áttekintésének biztosításához. A hőelemzés például alapvető fontosságú a legjobb reológiai feltételek azonosításához az olyan gyártási folyamatok optimalizálásához, mint az extrudálás, a fröccsöntés és a 3D nyomtatás, de lehetővé teszi egy anyag mechanikai viselkedésének változásainak megvilágítását is, ami lehetővé teszi annak egy adott alkalmazásban való alkalmazhatóságának validálását vagy elvetését. Itt a NETZSCH különböző hőelemző műszereket használunk, mint például a differenciál pásztázó kaloriméter (DSC), a dinamikus-mechanikai analizátor (DMA), adilatométer (DIL ) vagy a termogravimetriás analizátorral (TGA) összekapcsolt Fourier-transzformációs infravörös spektrométer (FT-IR ). Ezek mindenképpen nagy teljesítményű és szükséges eszközök a polimerek és polimer kompozitok fejlesztése terén."
Prof. Tirillò, tudna példákat mondani arra, hogyan használta eddig a termikus analízist?
"A Thalassa projekt (PON "K+I" 2014-2020, ARS01_00293, Distretto Navtec támogatás) keretében, amelyet a MUR (Olasz Egyetemi és Kutatási Minisztérium) finanszírozott, a kutatócsoport számos tanulmányt végzett, hogy új bioalapú kompozit megoldásokat javasoljon. Az egyik kutatási munka egy környezetbarát kompozit kifejlesztésére összpontosított autóipari alkalmazásokhoz, amely egy teljesen bioalapú, ricinusolajból szintetizált poliamid 11 (PA11) felhasználásával készült, amelyet egy rétegközi len/bazalt hibrid szövettel erősítettek meg, hogy megőrizzék az anyag környezetbarát jellegét. Itt egy lágyított PA11-et vizsgáltunk a natív PA11-gyel együtt azzal a céllal, hogy javítsuk e szerkezetek ütésválaszát (2. ábra). A lágyított PA11 hatásosnak bizonyult a nagyobb szívósság biztosításában, ami késlelteti a behatolási jelenségeket és csökkenti a laminátum tartós behúzódását szobahőmérsékleten, ugyanakkor a polimert közel 10 °C-kal alacsonyabb olvadási hőmérséklettel ruházta fel, amint azt a DSC-vizsgálat is bizonyította, lásd a 2. ábrát.
Ez a szempont kulcsfontosságú a feldolgozhatóság javításához, de az erősítésként használt növényi szálak megőrzéséhez is, amelyek nagyon hőérzékenyek. A szálak termikus degradációja nagyon nem kívánatos, mert jelentősen veszélyeztetheti erősítő hatását. A munkával kapcsolatos további információk a "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010) című, a Macromol 2022-es számában megjelent cikkben olvashatók.""
Köszönöm ezeket az érdekes meglátásokat! Van még olyan kutatási projekt és annak eredményei, amit szívesen megosztana velünk?
"Igen, örömmel. Egy másik példa, amely a termikus analízis fontosságát mutatja az anyagok jellemzésében, az olasz Oktatási, Egyetemi és Kutatási Minisztérium által finanszírozott AMICO kutatási projekt (kód: ARS01_00758) keretében végzett munka. A projekt a hibrid és kompozit anyagok additív gyártására és a folyamatok automatizálására összpontosított, és ezzel összefüggésben végeztek egy kutatási munkát az alacsony töltésű bazalt PP és PA12 3D nyomtatásával kapcsolatban, amelyet most a Journal of Composites Science folyóiratban való publikálás céljából vizsgálnak. Az additív gyártás egy egyre terjedő technika, amely számos ipari területen nagy lehetőségeket rejt magában, köszönhetően számos előnyének, mint például a nagyobb tervezési szabadság, a hulladék minimalizálása, a gyors prototípusgyártás, a termék testreszabása, a szerkezetek könnyítése a generatív tervezés és a topológiai optimalizálás révén. A rendelkezésre álló 3D nyomtatási technikák közül a hőre lágyuló polimerekhez és kompozitokhoz tervezett Fused Deposition Modeling (FDM) a legolcsóbb, alacsony gépi beruházással és nyersanyagköltséggel. Mindezen előnyök ellenére az FDM eljárással előállított polimer alkatrészeket a szomszédos rétegek közötti diszkontinuitások által létrehozott nagyfokú porozitás miatt alacsonyabb mechanikai teljesítmény jellemzi, mint a megfelelő fröccsöntéses alkatrészeket. Ennek alapján a munka javaslatot tett az FDM-ből származó előnyök kiaknázására, miközben megpróbálta megoldani az alacsonyabb mechanikai teljesítménnyel kapcsolatos fő problémát alacsony töltésű polimer szálak alkalmazásával. Különösen a PP és a PA 12, amelyek az autóiparban használt két fő polimer anyag, 5 tömegszázalékos bazaltszálakkal voltak megerősítve. A kapott eredmények jók voltak, a szakítómerevség és a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség értékei jelentősen javultak, és összehasonlíthatóak voltak a fröccsöntéssel feldolgozott tiszta polimer értékeivel, köszönhetően az FDM-ből származó belső porozitásnak. Különösen a PP esetében 0,88 g/cm3, a PA12 bazalttal töltött kompozitok esetében pedig 1,01 g/cm3 SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség jellemezte a kész alkatrészeket, amelyek összehasonlíthatóak a fröccsöntéssel előállított, tisztán mátrix 0,91 g/cm3 és 1,01 g/cm3 értékével.
Ebben a keretben az anyagok olvadási viselkedésének ismerete alapvető fontosságú volt mind az extrudálással történő szálgyártás, mind az alkatrészek 3D nyomtatásának optimalizálásához. A DSC-elemzés lehetővé tette a PP és a PA12 Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékletének, azaz 165 °C és 252 °C feltárását, a kiválasztott nyomtatási hőmérséklet pedig 260 °C, illetve 300 °C volt. A PA12 esetében kiválasztott nyomtatási hőmérséklet tökéletesen összeegyeztethető volt az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékletével, ugyanakkor ez volt a 3D nyomtató felső határa is. Tekintettel a szálak hosszának a kompozit mechanikai reakciójára gyakorolt erős hatására, mindkét polimer konfiguráció szálhossz-eloszlását értékeltük a 3D nyomtatás előtt és után, és a kapott adatokat a 4. ábra mutatja. A PP próbatesteknél az átlagos szálhossz csak kismértékben csökkent, míg a PA12 esetében a szálak átlagos hossza jelentősebben csökkent, valószínűleg a polimer reológiájának köszönhetően. A PP szál 3D nyomtatásakor az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérsékleténél 100 °C-kal magasabb hőmérsékletet alkalmaztak, így biztosítva az olvadék jó folyékonyságát, míg a PA12 3D nyomtatásakor csak 50 °C-os túlmelegedést alkalmaztak, ami az olvadék nagyobb viszkozitását és a szálakra ható hajlítónyomaték növekedését eredményezi.
A hőelemzés ismét hatékony eszköz volt a kompozit által tapasztalt morfológiai eltérések támogatásához és megértéséhez, és feltárta az anyag reakciójának lehetséges javulását, egyszerűen egy nagyobb teljesítményű 3D nyomtató kiválasztásával."
És melyek azok a jelenlegi projektek, amelyeken dolgozik, és amelyekben a hőelemző műszereinket használjuk?
"Valójában nehéz olyan folyamatban lévő projektet azonosítani, amely nem részesül a hőelemzés előnyeiből. A kutatócsoport két PRIN projektben vesz részt, azaz a PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" és a PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", valamint két PNRR projektben, azaz, A Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) 11. sz. innovatív anyagok és könnyű súlyozás és a PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS) 3. sz. sz. "Zöld és fenntartható termékek és anyagok nem kritikus és másodlagos nyersanyagokból". Ezen túlmenően a ButterFly projekthez ERC Advanced Grant támogatást kapott Filippo Berto professzor.
Valamennyi projekt célja, hogy új, jobb fenntarthatóságú és kisebb környezeti hatású anyagokat javasoljon, valamint új, könnyűszerkezetes szerkezeteket fejlesszen ki. Mindkét esetben a hőelemzés kulcsfontosságú ahhoz, hogy a szabványok követelményeinek megfelelő, teljesítőképes termékeket lehessen forgalomba hozni, és hogy a gyártási folyamatokat úgy lehessen optimalizálni, hogy a lehető legnagyobb mértékben csökkentsék a környezetre gyakorolt hatásukat, miközben magas minőségű teljesítményt biztosítanak.
Elképzelésem szerint a NETZSCH Analyzing & Testing vállalattal való együttműködés, ahogyan már eddig is tette, a jövőben is laboratóriumunk technológiai fejlődéséhez fog vezetni mind a berendezések, mind a tudás tekintetében.
Végezetül szeretnék szívből köszönetet mondani a kutatócsoport minden tagjának: prof. Fabrizio Sarasininek, Prof. Filippo Bertónak, Dr. Claudia Serginek és Dr. Irene Bavassónak"
Prof. Tirillò, köszönöm szépen az izgalmas kutatómunkába való betekintést. Örömmel járulunk hozzá a jövőben, nemcsak műszereinkkel, hanem tanácsadási szolgáltatásainkkal és új képzési rendezvényeinkkel is.