Optymalizacja procesów wytłaczania, formowania wtryskowego i drukowania 3D polimerów i kompozytów polimerowych dla przemysłu motoryzacyjnego

Wydział Inżynierii na znanym Uniwersytecie Rzymskim we Włoszech został założony w 1935 roku. W 2010 roku, po reorganizacji Uniwersytetu Sapienza, Wydział Inżynierii został podzielony na dwa wydziały: Inżynierii Informacyjnej, Informatyki i Statystyki oraz Inżynierii Cywilnej i Przemysłowej. Ten ostatni obejmuje obecnie sześć różnych wydziałów: Inżynieria Astronautyczna, Elektryczna i Energetyczna, Inżynieria Materiałów Chemicznych i Środowiska, Inżynieria Cywilna, Budowlana i Środowiskowa, Inżynieria Mechaniczna i Lotnicza, Inżynieria Strukturalna i Geotechniczna, Nauki Podstawowe i Stosowane w Inżynierii.

Oprócz głównej siedziby w Rzymie, wydział składa się z dwóch oddziałów w Rieti i Latinie. Dokładniej, od 1991 r. miasto Latina jest gospodarzem oddziału Uniwersytetu Sapienza w Rzymie, który obejmuje Wydziały Inżynierii, Ekonomii i Handlu oraz Medycyny i Chirurgii.

Dziś mamy przyjemność przeprowadzić wywiad z Jacopo Tirillò, profesorem zwyczajnym w dziedzinie materiałoznawstwa i technologii na Wydziale Inżynierii Chemicznej Środowiska Materiałowego Uniwersytetu Sapienza w Rzymie.

Posiada ponad 15-letnie doświadczenie w dziedzinie materiałoznawstwa i technologii udokumentowane ponad 170 publikacjami naukowymi. Prof. Jacopo Tirillò przedstawi nam swoje badaniaarch w nowym laboratorium analizy termicznej w Latinie: pracuje w dziedzinie polimerów i kompozytów polimerowych w celu optymalizacji procesów produkcyjnych, takich jak wytłaczanie, formowanie wtryskowe i drukowanie 3D za pomocą przyrządów do analizy termicznej NETZSCH.

Jakie usługi zamierzasz szczegółowo oferować, zarówno środowiskom akademickim, jak i branżom?

"Nowe Laboratorium Analizy Termicznej ma na celu zapewnienie pakietu usług zarówno dla środowiska akademickiego, jak i przemysłu, który obejmuje wysokiej jakości przyrządy dostarczane przez NETZSCH Analyzing & Testing wraz z know-how profesorów, researcherów i techników zdobytym przez lata doświadczenia i profesjonalizmu.arcGłównym celem jest osiągnięcie wzajemnie powiązanej i wydajnej sieci zarówno z uniwersytetami, jak i przemysłem, aby zapewnić najwyższą jakość badań i owocny rozwój zarówno procesów produkcyjnych, jak i produktów z myślą o rozwoju gospodarczym regionu, a bardziej ogólnie kraju. Obecnie współpracujemy z takimi firmami jak Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI i AVIO Space - by wymienić tylko kilka z nich"

W jaki sposób analiza termiczna pomaga w rozwiązywaniu wyzwań związanych z badaniamiarch?

"Nasza grupa badawczaarch pracuje głównie w dziedzinie polimerów i kompozytów polimerowych. Zachowanie reologiczne, mechaniczne i wymiarowe tych klas materiałów jest w dużym stopniu zależne od temperatury, dlatego wykorzystanie analizy termicznej ma fundamentalne znaczenie dla zapewnienia 360-stopniowego przeglądu badanego materiału. Na przykład, analiza termiczna ma fundamentalne znaczenie dla identyfikacji najlepszych warunków reologicznych w celu optymalizacji procesów produkcyjnych, takich jak wytłaczanie, formowanie wtryskowe i drukowanie 3D, ale pozwala rzucić światło na zmiany w zachowaniu mechanicznym materiału, umożliwiając walidację lub odrzucenie jego wykonalności dla określonego zastosowania. W tym przypadku korzystamy z różnych przyrządów do analizy termicznej firmy NETZSCH, takich jak różnicowy kalorymetr skaningowy (DSC), analizator dynamiczno-mechaniczny (DMA),dylatometr (DIL) lub spektrometr podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) sprzężony z analizatorem termograwimetrycznym (TGA). Są to zdecydowanie potężne i niezbędne narzędzia w dziedzinie rozwoju polimerów i kompozytów polimerowych"

Prof. Tirillò, czy mógłby Pan podać przykłady dotychczasowego wykorzystania analizy termicznej?

"W ramach projektu Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, grant ARS01_00293, Distretto Navtec) finansowanego przez MUR (włoskie Ministerstwo ds. Uniwersytetów i Badańarch), grupa research przeprowadziła wiele badań w celu zaproponowania nowych rozwiązań kompozytowych na bazie biologicznej. Jedna z prac badawczycharch koncentrowała się na opracowaniu przyjaznego dla środowiska kompozytu do zastosowań motoryzacyjnych, wykorzystującego w pełni biopochodny poliamid 11 (PA11) syntetyzowany z oleju rycynowego wzmocnionego hybrydową tkaniną lniano-bazaltową, aby zachować ekologiczny charakter materiału. Zbadaliśmy tutaj plastyfikowany PA11 wraz z natywnym PA11 w celu poprawy reakcji tych struktur na uderzenia (rysunek 2). Uplastyczniony PA11 okazał się skuteczny w zapewnianiu wyższej wytrzymałości, opóźniając zjawiska penetracji i zmniejszając trwałe wgłębienie laminatu w temperaturze pokojowej, ale także nadał polimerowi temperaturę topnienia o prawie 10 ° C niższą, co potwierdził skan DSC, patrz rysunek 2.

Aspekt ten ma kluczowe znaczenie dla poprawy przetwarzalności, ale także dla zachowania włókien roślinnych stosowanych jako wzmocnienie, które są bardzo wrażliwe termicznie. Degradacja termiczna włókna jest wysoce niepożądana, ponieważ może znacznie zagrozić jego efektowi wzmacniającemu. Więcej informacji na temat tej pracy można znaleźć w artykule "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI: 10.3390/macromol2020010) opublikowanym w Macromol w 2022 r."

Dziękujemy za te interesujące spostrzeżenia! Czy są jakieś inne badaniaarch projektu i jego wyników, którymi chciałbyś się z nami podzielić?

"Tak, z przyjemnością. Innym przykładem pokazującym znaczenie analizy termicznej w charakteryzacji materiałów były prace przeprowadzone w ramach projektu Research AMICO (kod ARS01_00758) finansowanego przez włoskie Ministerstwo Edukacji, Uniwersytetu i Research. Projekt koncentrował się na wytwarzaniu przyrostowym i automatyzacji procesów dla materiałów hybrydowych i kompozytowych i w tym kontekście przeprowadzono badaniaarch nad drukowaniem 3D nisko wypełnionego bazaltu PP i PA12, które są obecnie rozważane do publikacji w Journal of Composites Science. Wytwarzanie addytywne jest rozwijającą się techniką o dużym potencjale w wielu dziedzinach przemysłu dzięki licznym zaletom, takim jak większa swoboda projektowania, minimalizacja odpadów, szybkie prototypowanie, dostosowywanie produktu do indywidualnych potrzeb, obniżanie masy konstrukcji poprzez projektowanie generatywne i optymalizację topologiczną. Spośród wszystkich dostępnych technik druku 3D, Fused Deposition Modeling (FDM), która jest przeznaczona do polimerów termoplastycznych i kompozytów, jest najtańszą z nich, przy niskich kosztach inwestycji w maszynę i kosztach surowców. Pomimo tych wszystkich zalet, komponenty polimerowe wytwarzane metodą FDM charakteryzują się niższymi parametrami mechanicznymi niż odpowiadające im komponenty formowane wtryskowo ze względu na wysoką porowatość generowaną przez nieciągłości między sąsiednimi warstwami. Na tej podstawie w pracy zaproponowano realny sposób wykorzystania zalet wynikających z FDM, próbując jednocześnie rozwiązać główny problem związany z niższą wydajnością mechaniczną poprzez zastosowanie włókien polimerowych o niskim wypełnieniu. W szczególności, PP i PA 12, które są dwoma głównymi materiałami polimerowymi stosowanymi w sektorze motoryzacyjnym, zostały wzmocnione 5% mas. włókien bazaltowych. Uzyskane wyniki były dobre, ze znaczną poprawą sztywności na rozciąganie i wartościami gęstości porównywalnymi z wartościami czystego polimeru przetwarzanego metodą formowania wtryskowego dzięki wewnętrznej porowatości pochodzącej z FDM. W szczególności, końcowe komponenty charakteryzowały się gęstością 0,88 ^g/cm3 dla PP i 1,01 ^g/cm3 dla kompozytów wypełnionych bazaltem PA12, które są porównywalne z 0,91 ^g/cm3 i 1,01 ^g/cm3 odpowiedniej czystej matrycy stosowanej w formowaniu wtryskowym.

W tym kontekście wiedza na temat topnienia materiałów miała fundamentalne znaczenie dla optymalizacji zarówno produkcji filamentów metodą wytłaczania, jak i drukowania 3D komponentów. Analiza DSC pozwoliła ujawnić temperatury topnienia PP i PA12, tj. 165°C i 252°C, a temperatury drukowania selected wynosiły odpowiednio 260 i 300°C. Temperatura drukowania selected dla PA12 była idealnie zgodna z jego temperaturą topnienia, ale stanowiła również górną granicę drukarki 3D. Biorąc pod uwagę silny wpływ długości włókien na reakcję mechaniczną kompozytu, rozkład długości włókien obu konfiguracji polimerowych oceniono przed i po drukowaniu 3D próbek, a uzyskane dane przedstawiono na rysunku 4. Próbki PP wykazują jedynie niewielki spadek średniej długości włókien, podczas gdy PA12 wykazuje bardziej znaczącą redukcję średniej długości włókien, prawdopodobnie ze względu na reologię polimeru. W szczególności, filament PP został wydrukowany przy użyciu temperatury o 100°C wyższej niż Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia, zapewniając w ten sposób dobrą płynność stopu, podczas gdy PA12 został wydrukowany przy użyciu przegrzania tylko o 50°C, co pociąga za sobą wyższą lepkość stopu i wzrost momentów zginających przyłożonych do włókien.

Analiza termiczna była ponownie potężnym narzędziem do wspierania i zrozumienia zmian morfologicznych doświadczanych przez kompozyt i ujawniła potencjalną poprawę reakcji materiału po prostu selectw bardziej wydajnej drukarce 3D"

A nad jakimi projektami obecnie pracujesz, które obejmują wykorzystanie naszych urządzeń do analizy termicznej?

"W rzeczywistości trudno jest wskazać jeden z naszych trwających projektów, który nie skorzystałby z analizy termicznej. Grupa research jest zaangażowana w dwa projekty PRIN, tj. PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" i PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)" oraz dwa projekty PNRR, tj, Spoke 11 "Innowacyjne materiały i lekkość" Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) oraz Spoke 3 "Zielone i zrównoważone produkty i materiały z surowców niekrytycznych i wtórnych" PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). Ponadto, grant ERC Advanced Grant na projekt ButterFly został przyznany prof. Filippo Berto.

Wszystkie projekty mają na celu zaproponowanie nowych materiałów o zwiększonej trwałości i mniejszym wpływie na środowisko oraz opracowanie nowych lekkich konstrukcji. W obu przypadkach analiza termiczna ma kluczowe znaczenie dla wprowadzenia na rynek produktów spełniających wymagania norm i optymalizacji procesów produkcyjnych w celu maksymalnego zmniejszenia ich wpływu na środowisko przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości produkcji.

Wyobrażam sobie, że współpraca z NETZSCH Analyzing & Testing doprowadzi, jak to już miało miejsce, również w przyszłości do rozwoju technologicznego naszego laboratorium zarówno pod względem sprzętu, jak i wiedzy.

Na koniec chciałbym serdecznie podziękować wszystkim członkom zespołu grupy badawczejarch: prof. Fabrizio Sarasini, prof. Filippo Berto, dr Claudii Sergi i dr Irene Bavasso"

Prof. Tirillò, bardzo dziękujemy za wgląd w ekscytujące badaniaarch. Cieszymy się, że możemy wnieść swój wkład w przyszłość, nie tylko dzięki naszym instrumentom, ale także dzięki naszym usługom konsultingowym i nowym wydarzeniom szkoleniowym.

Udostępnij ten artykuł: