Optimizarea proceselor de fabricație prin extrudare, turnare prin injecție și imprimare 3D a polimerilor și compozitelor polimerice pentru industria automobilelor

Facultatea de Inginerie din cadrul cunoscutei Universități din Roma, Italia, a fost înființată în 1935. În 2010, în urma reorganizării Universității Sapienza, Facultatea de Inginerie a fost împărțită în două facultăți: Inginerie informatică, informatică și statistică și Inginerie civilă și industrială. Aceasta din urmă, include în prezent șase departamente diferite: Inginerie astronautică, electrică și energetică, Ingineria materialelor chimice și a mediului, Inginerie civilă, a construcțiilor și a mediului, Inginerie mecanică și aerospațială, Inginerie structurală și geotehnică, Științe fundamentale și aplicate pentru inginerie.

Pe lângă locația principală din Roma, facultatea este formată din două filiale în Rieti și Latina. Mai exact, din 1991, orașul Latina găzduiește o filială a Universității Sapienza din Roma, care include facultățile de inginerie, economie și comerț și medicină și chirurgie.

Astăzi avem plăcerea de a-l intervieva pe Jacopo Tirillò, profesor titular în știința și tehnologia materialelor la Departamentul de Inginerie Chimică și Mediu Material la Universitatea Sapienza din Roma.

Are peste 15 ani de experiență în domeniul științei și tehnologiei materialelor, documentată prin peste 170 de publicații științifice. Prof. Jacopo Tirillò ne va oferi informații despre activitatea sa de cercetare la noul laborator de analiză termică din Latina: lucrează în domeniul polimerilor și al compozitelor polimerice pentru a optimiza procesele de fabricație, cum ar fi extrudarea, turnarea prin injecție și imprimarea 3D, prin intermediul instrumentelor de analiză termică NETZSCH.

Ce servicii aveți de gând să oferiți în detaliu, atât mediului academic, cât și industriei?

"Noul laborator de analiză termică își propune să ofere un pachet de servicii atât mediului academic, cât și celui industrial, care să includă instrumentele de înaltă calitate furnizate de NETZSCH Analyzing & Testing, împreună cu know-how-ul profesorilor, cercetătorilor și tehnicienilor obținut de-a lungul anilor de experiență și profesionalism. Scopul principal este de a realiza o rețea interconectată și eficientă atât cu universitățile, cât și cu industriile, pentru a asigura cea mai înaltă calitate a cercetării și o creștere fructuoasă atât a proceselor de fabricație, cât și a produselor, în vederea dezvoltării economice a regiunii și, mai general, a țării. În prezent lucrăm cu companii precum Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI și AVIO Space - pentru a numi doar câteva."

Cum contribuie analiza termică la rezolvarea problemelor din activitatea dumneavoastră de cercetare?

"Grupul nostru de cercetare lucrează în principal în domeniul polimerilor și al compozitelor polimerice. Comportamentul reologic, mecanic și dimensional al acestor clase de materiale depinde foarte mult de temperatură, prin urmare exploatarea analizei termice este fundamentală pentru a asigura o imagine de ansamblu de 360 de grade asupra materialului studiat. De exemplu, analiza termică este fundamentală pentru a identifica cele mai bune condiții reologice pentru a optimiza procesele de fabricație, cum ar fi extrudarea, turnarea prin injecție și imprimarea 3D, dar permite și punerea în lumină a variațiilor comportamentului mecanic al unui material, permițând validarea sau descărcarea fezabilității acestuia pentru o anumită aplicație. Aici, folosim diferite instrumente de analiză termică de la NETZSCH, cum ar fi calorimetrul diferențial cu baleiaj (DSC), analizorul dinamico-mecanic (DMA),dilatometrul (DIL) sau spectrometrul infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR) cuplat la un analizor termogravimetric (TGA). Acestea sunt cu siguranță instrumente puternice și necesare în domeniul dezvoltării polimerilor și compozitelor polimerice."

Prof. Tirillò, ați putea da exemple de utilizare a analizei termice până în prezent?

"În cadrul proiectului Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, grant ARS01_00293, Distretto Navtec) finanțat de MUR (Ministerul italian al Universității și Cercetării), grupul de cercetare a efectuat numeroase studii pentru a propune noi soluții compozite pe bază biologică. Una dintre lucrările de cercetare s-a axat pe dezvoltarea unui compozit ecologic pentru aplicații auto care exploatează o poliamidă 11 (PA11) complet biologică, sintetizată din ulei de ricin, armată cu o țesătură hibridă de in/basalt intrațesută pentru a păstra natura ecologică a materialului. Aici, am studiat o PA11 plastifiată împreună cu PA11 nativă, cu scopul de a îmbunătăți răspunsul la impact al acestor structuri (figura 2). PA11 plastifiat s-a dovedit a fi eficient pentru a oferi o duritate mai mare, întârziind fenomenele de penetrare și reducând indentarea permanentă a laminatului la temperatura camerei, dar, de asemenea, a conferit polimerului o Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). temperatură de topire cu aproape 10 °C mai mică, după cum demonstrează scanarea DSC, a se vedea figura 2.

Acest aspect este esențial pentru îmbunătățirea prelucrabilității, dar și pentru conservarea fibrelor vegetale utilizate ca armătură, care sunt foarte sensibile la căldură. Degradarea termică a fibrelor este extrem de nedorită, deoarece poate compromite semnificativ efectul de ranforsare al acestora. Mai multe informații despre această lucrare pot fi găsite în articolul "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010) publicat pe Macromol în 2022."

Vă mulțumim pentru aceste informații interesante! Există vreun alt proiect de cercetare și rezultatele acestuia pe care ați dori să le împărtășiți cu noi?

"Da, cu plăcere. Un alt exemplu care arată importanța analizei termice în caracterizarea materialelor a fost dat de activitatea desfășurată în cadrul proiectului de cercetare AMICO (cod ARS01_00758) finanțat de Ministerul italian al educației, universității și cercetării. Proiectul s-a axat pe fabricarea aditivă și automatizarea proceselor pentru materiale hibride și compozite și, în acest context, a fost realizată o lucrare de cercetare privind imprimarea 3D a PP bazaltic cu umplutură redusă și PA12, care este acum luată în considerare pentru publicare în Journal of Composites Science. Fabricarea aditivă este o tehnică în creștere, cu un mare potențial în multe domenii industriale datorită numeroaselor avantaje, cum ar fi o mai mare libertate de proiectare, minimizarea deșeurilor, prototiparea rapidă, personalizarea produselor, ușurarea structurii prin proiectare generativă și optimizare topologică. Dintre toate tehnicile de imprimare 3D disponibile, Fused Deposition Modeling (FDM), care este concepută pentru polimeri termoplastici și compozite, este cea mai ieftină, cu investiții reduse în mașini și costuri reduse pentru materii prime. În ciuda tuturor acestor avantaje, componentele polimerice produse prin FDM sunt caracterizate de performanțe mecanice mai scăzute decât cele corespunzătoare turnării prin injecție, din cauza porozității ridicate generate de discontinuitățile dintre straturile adiacente. Pe această bază, lucrarea a propus o modalitate viabilă de a exploata avantajele care decurg din FDM, încercând în același timp să rezolve problema principală legată de performanța mecanică mai scăzută prin utilizarea filamentelor polimerice cu umplutură redusă. În special, PP și PA 12, care sunt principalele două materiale polimerice utilizate în sectorul automobilelor, au fost ranforsate cu un procent de 5 % în greutate de fibre de bazalt. Rezultatele obținute au fost bune, cu o îmbunătățire semnificativă a rigidității la tracțiune și valori ale densității comparabile cu cele ale polimerului pur prelucrat prin turnare prin injecție, datorită porozității intrinseci derivate din FDM. În special, componentele finale au fost caracterizate de o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate de 0,88 ^g/cm3 pentru PP și de 1,01 ^g/cm3 pentru compozitele umplute cu bazalt PA12, care sunt comparabile cu cele de 0,91 ^g/cm3 și 1,01 ^g/cm3 ale matricei neat aferente utilizate în turnarea prin injecție.

În acest cadru, cunoașterea comportamentului de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a materialelor a fost fundamentală pentru a optimiza atât producția de filamente prin extrudare, cât și imprimarea 3D a componentelor. Analiza DSC a permis dezvăluirea temperaturilor de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire ale PP și PA12, și anume 165°C și 252°C, iar temperaturile de imprimare selectate au fost 260 și, respectiv, 300°C. Temperatura de imprimare selectată pentru PA12 a fost perfect compatibilă cu temperatura sa de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, dar a fost, de asemenea, limita superioară a imprimantei 3D. Având în vedere influența puternică a lungimii fibrelor în răspunsul mecanic al compozitului, distribuția lungimii fibrelor din ambele configurații polimerice a fost evaluată înainte și după imprimarea 3D a probelor, iar datele rezultate sunt prezentate în figura 4. Specimenele PP prezintă doar o ușoară scădere a lungimii medii a fibrelor, în timp ce PA12 a prezentat o reducere mai semnificativă a lungimii medii a fibrelor, probabil din cauza reologiei polimerului. În special, filamentul PP a fost imprimat 3D folosind o temperatură cu 100°C mai mare decât cea de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, asigurând astfel o bună fluiditate a topiturii, în timp ce PA12 a fost imprimat 3D folosind o supraîncălzire de numai 50°C, ceea ce implică o vâscozitate mai mare a topiturii și o creștere a momentelor de îndoire aplicate fibrelor.

Analiza termică a fost din nou un instrument puternic pentru a susține și a înțelege variațiile morfologice experimentate de compozit și a dezvăluit o potențială îmbunătățire a răspunsului materialului prin simpla selectare a unei imprimante 3D mai performante."

Și care sunt proiectele actuale la care lucrați, care implică utilizarea instrumentelor noastre de analiză termică?

"De fapt, este dificil să identificăm unul dintre proiectele noastre în curs care nu va beneficia de analiza termică. Grupul de cercetare este implicat în două proiecte PRIN, și anume PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" și PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", și două proiecte PNRR, și anume, Spoke 11 Innovative Materials and LightWeighting al Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) și Spoke 3 "Green and sustainable products & materials from non-critical and secondary raw sources" al PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). În plus, Prof. Filippo Berto a primit un grant avansat ERC pentru proiectul ButterFly.

Toate proiectele urmăresc să propună noi materiale cu o durabilitate îmbunătățită și un impact redus asupra mediului și să dezvolte noi structuri ușoare. În ambele cazuri, analiza termică este esențială pentru a introduce pe piață produse performante care îndeplinesc cerințele standardelor și pentru a optimiza procesele de fabricație în vederea reducerii pe cât posibil a impactului acestora asupra mediului, asigurând în același timp o producție de înaltă calitate.

Îmi imaginez că colaborarea cu NETZSCH Analyzing & Testing va conduce, așa cum a făcut-o deja, și în viitor la progresul tehnologic al laboratorului nostru, atât în ceea ce privește echipamentele, cât și cunoștințele.

În cele din urmă, aș dori să mulțumesc din suflet tuturor membrilor echipei grupului de cercetare: prof. Fabrizio Sarasini, Prof. Filippo Berto, Dr. Claudia Sergi și Dr. Irene Bavasso."

Prof. Tirillò, vă mulțumim foarte mult pentru perspectiva asupra activității dvs. de cercetare interesante. Suntem bucuroși să contribuim în viitor, nu numai cu instrumentele noastre, ci și cu serviciile noastre de consultanță și noile evenimente de formare.

Distribuiți acest articol: