Ottimizzazione dei processi produttivi di estrusione, stampaggio a iniezione e stampa 3D di polimeri e compositi polimerici per l'industria automobilistica

La Facoltà di Ingegneria della Sapienza Università di Roma è stata fondata nel 1935. Nel 2010, in seguito alla riorganizzazione dell'Università Sapienza, la Facoltà di Ingegneria è stata suddivisa in due Facoltà: Ingegneria dell'Informazione, Informatica e Statistica e Ingegneria Civile e Industriale. Quest'ultima, oggi, comprende sei diversi dipartimenti: Ingegneria Astronautica, Elettrica ed Energetica, Ingegneria Chimica dei Materiali e dell'Ambiente, Ingegneria Civile, Edile e Ambientale, Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Ingegneria Strutturale e Geotecnica, Scienze di Base e Applicate all'Ingegneria.

Oltre alla sede principale di Roma, la facoltà è composta da due sedi distaccate a Rieti e a Latina. Più precisamente, dal 1991 la città di Latina ospita una sede distaccata della Sapienza Università di Roma, che comprende le Facoltà di Ingegneria, Economia e Commercio e Medicina e Chirurgia.

Oggi abbiamo il piacere di intervistare Jacopo Tirillò, professore ordinario di Scienza e Tecnologia dei Materiali presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica Ambiente Materiali della Sapienza Università di Roma.

Ha più di 15 anni di esperienza nel campo della scienza e della tecnologia dei materiali, documentata da oltre 170 pubblicazioni scientifiche. Il Prof. Jacopo Tirillò ci darà informazioni sul suo lavoro di ricercaarcpresso il nuovo laboratorio di analisi termica di Latina: sta lavorando nel campo dei polimeri e dei compositi polimerici per ottimizzare i processi produttivi come l'estrusione, lo stampaggio a iniezione e la stampa 3D utilizzando gli strumenti di analisi termica NETZSCH.

Quali servizi offrirete nel dettaglio, sia al mondo accademico che alle industrie?

arc"Il nuovo Laboratorio di Analisi Termiche mira a fornire un pacchetto di servizi sia all'Università che all'Industria che comprende gli strumenti di alta qualità forniti da NETZSCH Analyzing & Testing insieme al know-how di professori, ricercatori e tecnici acquisito in anni di esperienza e professionalità. L'obiettivo principale è quello di realizzare una rete interconnessa ed efficiente sia con le università che con le industrie, per garantire la massima qualitàarcdi ricerca e una crescita proficua dei processi produttivi e dei prodotti, in un'ottica di sviluppo economico della regione e, più in generale, del Paese. Attualmente collaboriamo con aziende come Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI e AVIO Space, solo per citarne alcune"

In che modo l'analisi termica aiuta a risolvere le sfide nella vostra attività di ricercaarch?

"Il nostro gruppo di ricercaarch lavora principalmente nel campo dei polimeri e dei compositi polimerici. Il comportamento reologico, meccanico e dimensionale di queste classi di materiali è fortemente dipendente dalla temperatura, pertanto lo sfruttamento dell'analisi termica è fondamentale per garantire una panoramica a 360 gradi sul materiale oggetto di studio. Ad esempio, l'analisi termica è fondamentale per identificare le migliori condizioni reologiche per ottimizzare i processi produttivi come l'estrusione, lo stampaggio a iniezione e la stampa 3D, ma permette di far luce sulle variazioni del comportamento meccanico di un materiale consentendo di validarne o scaricarne la fattibilità per una determinata applicazione. In questo caso, utilizziamo diversi strumenti di analisi termica di NETZSCH, come il calorimetro differenziale a scansione (DSC), l'analizzatore dinamico-meccanico (DMA), ildilatometro (DIL) o lo spettrometro a infrarossi con trasformata di Fourier (FT-IR) accoppiato a un analizzatore termogravimetrico (TGA). Si tratta di strumenti decisamente potenti e necessari nel campo dello sviluppo dei polimeri e dei compositi polimerici"

Prof. Tirillò, potrebbe fornire esempi di come ha utilizzato finora l'analisi termica?

arc"Nell'ambito del progetto Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, grant ARS01_00293, Distretto Navtec) finanziato dal MUR (Ministero dell'Università e della Ricerca), il gruppo di ricercaarch ha condotto numerosi studi per proporre nuove soluzioni di compositi biobased. Uno dei lavori di ricercaarch si è concentrato sullo sviluppo di un composito ecologico per applicazioni automobilistiche, sfruttando una poliammide 11 (PA11) completamente biobased sintetizzata dall'olio di ricino e rinforzata con un tessuto ibrido lino/basalto intra-strato per mantenere la natura ecologica del materiale. Qui abbiamo studiato una PA11 plastificata insieme alla PA11 nativa, con l'obiettivo di migliorare la risposta all'impatto di queste strutture (figura 2). La PA11 plastificata si è dimostrata efficace nel fornire una maggiore tenacità, ritardando i fenomeni di penetrazione e riducendo l'indentazione permanente del laminato a temperatura ambiente, ma ha anche dotato il polimero di unaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione inferiore di quasi 10 °C, come dimostrato dalla scansione DSC(vedi figura 2).

Questo aspetto è fondamentale per migliorare la processabilità, ma anche per preservare le fibre vegetali utilizzate come rinforzo, che sono altamente sensibili al calore. La degradazione termica della fibra è altamente indesiderata perché può compromettere significativamente il suo effetto di rinforzo. Maggiori informazioni su questo lavoro sono disponibili nell'articolo "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010) pubblicato su Macromol nel 2022."

Grazie per questi interessanti approfondimenti! C'è qualche altro progetto di ricercaarch e i relativi risultati che vorresti condividere con noi?

"Sì, con piacere.arcarcUn altro esempio che dimostra l'importanza dell'analisi termica nella caratterizzazione dei materiali è dato dal lavoro svolto nell'ambito del Progetto di Ricerca AMICO (codice ARS01_00758) finanziato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca. Il progetto si è focalizzato sull'Additive Manufacturing e sull'automazione dei processi per materiali ibridi e compositi e, in questo contesto, è stato svolto un lavoro di ricercaarch sulla stampa 3D di basalto PP e PA12 a basso riempimento, che è ora in fase di valutazione per la pubblicazione sul Journal of Composites Science. La manifattura additiva è una tecnica in ascesa con un grande potenziale in molti campi industriali grazie a numerosi vantaggi come una maggiore libertà di progettazione, la minimizzazione degli scarti, la prototipazione rapida, la personalizzazione del prodotto, l'alleggerimento della struttura attraverso la progettazione generativa e l'ottimizzazione topologica. Tra tutte le tecniche di stampa 3D disponibili, la Fused Deposition Modeling (FDM), progettata per i polimeri termoplastici e i compositi, è quella più economica, con bassi investimenti in macchinari e costi delle materie prime. Nonostante tutti questi vantaggi, i componenti polimerici prodotti con la FDM sono caratterizzati da prestazioni meccaniche inferiori rispetto ai corrispondenti stampati a iniezione, a causa dell'elevata porosità generata dalle discontinuità tra strati adiacenti. Su questa base, il lavoro ha proposto una strada percorribile per sfruttare i vantaggi derivanti dalla FDM cercando di risolvere il problema principale legato alle minori prestazioni meccaniche utilizzando filamenti polimerici a basso riempimento. In particolare, PP e PA 12, che sono i due principali materiali polimerici utilizzati nel settore automobilistico, sono stati rinforzati con un 5 wt. % di fibre di basalto. I risultati ottenuti sono stati buoni, con un significativo miglioramento della rigidità a trazione e valori di densità paragonabili a quelli del polimero puro lavorato tramite stampaggio a iniezione grazie alla porosità intrinseca derivante dalla FDM. In particolare, i componenti finali sono stati caratterizzati da una densità di 0,88 ^g/cm3 per il PP e di 1,01 ^g/cm3 per i compositi PA12 caricati con basalto, comparabili con i valori di 0,91 ^g/cm3 e 1,01 ^g/cm3 della relativa matrice neat utilizzata nello stampaggio a iniezione.

In questo quadro, la conoscenza del comportamento diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione dei materiali è stata fondamentale per ottimizzare sia la produzione di filamenti per estrusione sia la stampa 3D dei componenti. L'analisi DSC ha permesso di rivelare le temperature diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione di PP e PA12, pari a 165°C e 252°C, mentre le temperature di stampa selectsono state rispettivamente di 260 e 300°C. La temperatura di stampa selected per il PA12 era perfettamente compatibile con la suaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione, ma era anche il limite superiore della stampante 3D. Considerando la forte influenza della lunghezza delle fibre nella risposta meccanica del composito, la distribuzione della lunghezza delle fibre di entrambe le configurazioni polimeriche è stata valutata prima e dopo la stampa 3D dei campioni e i dati risultanti sono mostrati nella figura 4. I campioni in PP mostrano solo una leggera diminuzione della lunghezza media delle fibre, mentre il PA12 presenta una riduzione più significativa della lunghezza media delle fibre, probabilmente dovuta alla reologia del polimero. In particolare, il filamento di PP è stato stampato in 3D utilizzando una temperatura di 100°C superiore a quella diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, garantendo così una buona fluidità del melt, mentre il PA12 è stato stampato in 3D utilizzando un surriscaldamento di soli 50°C che comporta una maggiore viscosità del melt e un aumento dei momenti flettenti applicati alle fibre.

L'analisi termica è stata ancora una volta un potente strumento per supportare e comprendere le variazioni morfologiche sperimentate dal composito e ha rivelato un potenziale miglioramento nella risposta del materiale semplicemente selecting una stampante 3D più performante."

E quali sono i progetti attuali a cui state lavorando, che prevedono l'utilizzo dei nostri strumenti di analisi termica?

"È difficile individuare uno dei nostri progetti in corso che non possa beneficiare dell'analisi termica. Il gruppo research è coinvolto in due progetti PRIN, ovvero il PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" e il PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", e due progetti PNRR, ovvero, Spoke 11 Innovative Materials and LightWeighting del Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) e Spoke 3 "Green and sustainable products & materials from non-critical and secondary raw sources" del PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). Inoltre, è stato assegnato un ERC Advanced Grant per il progetto ButterFly al Prof. Filippo Berto.

Tutti i progetti mirano a proporre nuovi materiali con una maggiore sostenibilità e un minore impatto ambientale e a sviluppare nuove strutture alleggerite. In entrambi i casi l'analisi termica è fondamentale per immettere sul mercato prodotti performanti che soddisfino i requisiti degli standard e per ottimizzare i processi di produzione in modo da ridurre il più possibile l'impatto ambientale, garantendo al contempo una produzione di alta qualità.

Immagino che la collaborazione con NETZSCH Analyzing & Testing porterà, come ha già fatto, anche in futuro a un avanzamento tecnologico del nostro laboratorio sia in termini di attrezzature che di conoscenze.

Infine, vorrei ringraziare di cuore tutti i membri del gruppo di ricercaarch: il prof. Fabrizio Sarasini, il prof. Filippo Berto, la dott.ssa Claudia Sergi e la dott.ssa Irene Bavasso"

Prof. Tirillò, grazie mille per gli approfondimenti sul suo entusiasmante lavoro di ricercaarch. Siamo felici di poter contribuire in futuro, non solo con i nostri strumenti, ma anche con i nostri servizi di consulenza e con nuovi eventi di formazione.

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