Otimização de processos de fabricação de extrusão, moldagem por injeção e impressão 3D de polímeros e compostos de polímeros para o setor automotivo

A Faculdade de Engenharia da conhecida Universidade de Roma, na Itália, foi fundada em 1935. Em 2010, após a reorganização da Universidade Sapienza, a Faculdade de Engenharia foi dividida em duas faculdades: Engenharia da Informação, Ciência da Computação e Estatística e Engenharia Civil e Industrial. Essa última, atualmente, inclui seis departamentos diferentes: Engenharia Astronáutica, Elétrica e de Energia, Engenharia Química de Materiais e Ambiental, Engenharia Civil, de Construção e Ambiental, Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Engenharia Estrutural e Geotécnica, Ciências Básicas e Aplicadas à Engenharia.

Além da sede principal em Roma, a faculdade é composta por duas filiais em Rieti e Latina. Mais precisamente, desde 1991, a cidade de Latina abriga uma filial da Universidade Sapienza de Roma, que inclui as Faculdades de Engenharia, Economia e Comércio, e Medicina e Cirurgia.

Hoje temos o prazer de entrevistar Jacopo Tirillò, professor titular de Ciência e Tecnologia de Materiais no Departamento de Engenharia Química e Meio Ambiente de Materiais da Universidade Sapienza de Roma.

Ele tem mais de 15 anos de experiência no campo da ciência e tecnologia de materiais, documentados por mais de 170 publicações científicas.arcO Prof. Jacopo Tirillò nos dará uma visão de seu trabalho no novo laboratório de análise térmica em Latina: ele está trabalhando no campo de polímeros e compósitos de polímeros para otimizar os processos de fabricação, como extrusão, moldagem por injeção e impressão 3D, usando instrumentos de análise térmica NETZSCH.

Quais serviços você oferecerá em detalhes, tanto para o setor acadêmico quanto para as indústrias?

arc"O novo Laboratório de Análise Térmica tem como objetivo fornecer um pacote de serviços para o setor acadêmico e para as indústrias, que inclui os instrumentos de alto padrão de qualidade fornecidos pela NETZSCH Analyzing & Testing, juntamente com o know-how de professores, pesquisadores e técnicos obtido ao longo de anos de experiência e profissionalismo.arcO principal objetivo é criar uma rede interconectada e eficiente com universidades e indústrias para garantir a mais alta qualidade e um crescimento frutífero dos processos de fabricação e dos produtos, visando ao desenvolvimento econômico da região e, de forma mais geral, do país. Atualmente, estamos trabalhando com empresas como Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI e AVIO Space - só para citar algumas."

arcComo a análise térmica ajuda a resolver desafios em sua atividade de pesquisa?

arc"Nosso grupo de pesquisa trabalha principalmente no campo de polímeros e compostos de polímeros. O comportamento reológico, mecânico e dimensional dessas classes de materiais é altamente dependente da temperatura, portanto, a exploração da análise térmica é fundamental para garantir uma visão geral de 360 graus do material em estudo. Por exemplo, a análise térmica é fundamental para identificar as melhores condições reológicas para otimizar os processos de fabricação, como extrusão, moldagem por injeção e impressão 3D, mas também permite esclarecer as variações no comportamento mecânico de um material, permitindo validar ou descartar sua viabilidade para uma determinada aplicação. Aqui, usamos diferentes instrumentos de análise térmica da NETZSCH, como o Calorímetro Diferencial de Varredura (DSC), o Analisador Dinâmico-Mecânico (DMA), o Dilatômetro (DIL) ou o Espectrômetro de Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR) acoplado a um Analisador Termogravimétrico (TGA). Definitivamente, essas são ferramentas poderosas e necessárias no campo do desenvolvimento de polímeros e compósitos poliméricos."

Prof. Tirillò, poderia dar exemplos de como você usou a análise térmica até agora?

arcarc"No âmbito do projeto Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, concessão ARS01_00293, Distretto Navtec) financiado pelo MUR (Ministério Italiano para Universidade e Pesquisa), o grupo de pesquisa realizou muitos estudos para propor novas soluções compostas de base biológica. Um dos trabalhos do research concentrou-se no desenvolvimento de um composto ecologicamente correto para aplicação automotiva, explorando uma poliamida 11 (PA11) de base totalmente biológica sintetizada a partir de óleo de rícino reforçado com um tecido híbrido de linho/basalto intrafolhado para manter a natureza ecologicamente correta do material. Aqui, investigamos um PA11 plastificado junto com o PA11 nativo com o objetivo de melhorar a resposta ao impacto dessas estruturas (Figura 2). O PA11 plastificado demonstrou ser eficaz em proporcionar uma maior resistência, retardando os fenômenos de penetração e reduzindo a indentação permanente do laminado à temperatura ambiente, mas também conferiu ao polímero umaTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). temperatura de fusão quase 10 °C mais baixa, conforme comprovado pela varredura DSC, veja a Figura 2.

Esse aspecto é crucial para melhorar a processabilidade, mas também para preservar as fibras vegetais usadas como reforço, que são altamente sensíveis ao calor. A degradação térmica da fibra é altamente indesejável, pois pode comprometer significativamente seu efeito de reforço. Mais informações sobre esse trabalho podem ser encontradas no artigo "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010) publicado na Macromol em 2022."

Obrigado por essas percepções interessantes! Há alguma outra pesquisa sobre o projetoarch e seus resultados que gostaria de compartilhar conosco?

"Sim, com prazer. Outro exemplo que mostra a importância da análise térmica na caracterização de materiais foi dado no trabalho realizado no âmbito do projeto de pesquisaarch AMICO (código ARS01_00758), financiado pelo Ministério da Educação, Universidade e Pesquisa da Itáliaarch.arcO projeto se concentrou na manufatura aditiva e na automação de processos para materiais híbridos e compostos e, nesse contexto, foi realizado um trabalho de pesquisa sobre impressão 3D de PP e PA12 com baixo teor de basalto, que agora está sendo considerado para publicação no Journal of Composites Science. A manufatura aditiva é uma técnica em ascensão com grande potencial em muitos campos industriais graças a inúmeras vantagens, como maior liberdade de design, minimização de resíduos, prototipagem rápida, personalização de produtos, redução do peso da estrutura por meio de design generativo e otimização topológica. Entre todas as técnicas de impressão 3D disponíveis, a FDM (Fused Deposition Modeling, modelagem por deposição fundida), projetada para polímeros termoplásticos e compostos, é a mais barata, com baixo investimento em máquinas e custos de matéria-prima. Apesar de todas essas vantagens, os componentes poliméricos produzidos por FDM são caracterizados por um desempenho mecânico inferior ao dos componentes correspondentes de moldagem por injeção devido à alta porosidade gerada pelas descontinuidades entre as camadas adjacentes. Com base nisso, o trabalho propôs uma maneira viável de explorar as vantagens decorrentes do FDM e, ao mesmo tempo, tentar corrigir o principal problema relacionado ao desempenho mecânico inferior usando filamentos poliméricos com baixo teor de enchimento. Em particular, o PP e o PA 12, que são os dois principais materiais poliméricos usados no setor automotivo, foram reforçados com 5 % em peso de fibras de basalto. Os resultados obtidos foram bons, com uma melhoria significativa na rigidez à tração e valores de DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade comparáveis aos do polímero puro processado por moldagem por injeção, graças à porosidade intrínseca derivada do FDM. Em particular, os componentes finais foram caracterizados por uma DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de 0,88 ^g/cm3 para PP e 1,01 ^g/cm3 para compósitos preenchidos com basalto PA12, que são comparáveis aos 0,91 ^g/cm3 e 1,01 ^g/cm3 da matriz pura relacionada usada na moldagem por injeção.

Nesse contexto, o conhecimento do comportamento deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão dos materiais foi fundamental para otimizar a produção de filamentos por extrusão e a impressão 3D dos componentes. A análise DSC permitiu revelar as temperaturas deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão do PP e do PA12, ou seja, 165°C e 252°C, e as temperaturas de impressão selected foram 260 e 300°C, respectivamente. A temperatura de impressão selected para PA12 era perfeitamente compatível com suaTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). temperatura de fusão, mas também era o limite superior da impressora 3D. Considerando a forte influência do comprimento das fibras na resposta mecânica do composto, a distribuição do comprimento das fibras de ambas as configurações poliméricas foi avaliada antes e depois da impressão 3D dos espécimes, e os dados resultantes são mostrados na figura 4. Os espécimes de PP exibem apenas uma leve diminuição no comprimento médio das fibras, enquanto o PA12 apresentou uma redução mais significativa no comprimento médio das fibras, provavelmente devido à reologia do polímero. Em particular, o filamento de PP foi impresso em 3D usando uma temperatura 100°C mais alta do que aTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). temperatura de fusão, garantindo assim uma boa fluidez do fundido, enquanto o PA12 foi impresso em 3D usando apenas um superaquecimento de 50°C, o que implica uma maior viscosidade do fundido e um aumento dos momentos de flexão aplicados às fibras.

A análise térmica foi novamente uma ferramenta poderosa para apoiar e compreender as variações morfológicas experimentadas pelo composto e revelou uma possível melhoria na resposta do material simplesmente selectem uma impressora 3D de melhor desempenho."

E quais são os projetos atuais em que está trabalhando, que envolvem o uso de nossos instrumentos de análise térmica?

"Na verdade, é difícil identificar um de nossos projetos em andamento que não se beneficiará da análise térmica. O grupo do research está envolvido em dois projetos PRIN, ou seja, PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" e PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", e dois projetos PNRR, ou seja, Spoke 11 Innovative Materials and LightWeighting do Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) e Spoke 3 "Green and sustainable products & materials from non-critical and secondary raw sources" do PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). Além disso, um ERC Advanced Grant para o projeto ButterFly foi concedido ao Prof. Filippo Berto.

Todos os projetos têm como objetivo propor novos materiais com maior sustentabilidade e menor impacto ambiental e desenvolver novas estruturas leves. Em ambos os casos, a análise térmica é fundamental para colocar no mercado produtos que atendam aos requisitos das normas e otimizar os processos de fabricação para reduzir ao máximo o impacto ambiental e, ao mesmo tempo, garantir um resultado de alta qualidade.

Imagino que a colaboração com a NETZSCH Analyzing & Testing levará, como já aconteceu, também no futuro ao avanço tecnológico de nosso laboratório, tanto em termos de equipamentos quanto de conhecimento.

Por fim, gostaria de agradecer sinceramente a todos os membros da equipe do grupo research: Prof. Fabrizio Sarasini, Prof. Filippo Berto, Dra. Claudia Sergi e Dra. Irene Bavasso."

Tirillò, muito obrigado pelas informações sobre seu empolgante trabalho de pesquisaarch. Teremos prazer em contribuir no futuro, não apenas com nossos instrumentos, mas também com nossos serviços de consultoria e novos eventos de treinamento.

Compartilhe este artigo: