История успеха клиента
Оптимизация процессов экструзии, литья под давлением и 3D-печати полимеров и полимерных композитов для автомобильной промышленности
Отчет о работе инженерного факультета Римского университета
В этой истории успеха клиента Якопо Тирилло, профессор кафедры материаловедения и технологии материалов химико-технологического факультета Римского университета Сапиенца, рассказывает о своей работеarc, связанной с разработкой экологически чистого композитного материала для автомобильной промышленности на основе полностью биологического полиамида. Он также рассказывает о своих исследованиях в области аддитивного производства и автоматизации процессов для гибридных и композитных материалов и о своей работе по 3D-печати из базальта с низким содержанием наполнителя.
„Наша лаборатория термического анализа стремится предоставить академическим и промышленным кругам пакет услуг, включающий в себя высококачественные приборы, предоставляемые компанией NETZSCH Analyzing & Testing, а также ноу-хау профессоров, специалистов по исследованиюarcи техников.arcОсновной целью является создание взаимосвязанной и эффективной сети с университетами и промышленными предприятиями для обеспечения высокого качества исследований и плодотворного развития производственных процессов и продукции с целью экономического развития региона и, в целом, страны. В настоящее время мы сотрудничаем с такими компаниями, как Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI и AVIO Space - и это лишь некоторые из них.“
Инженерный факультет известного университета Рима, Италия, был основан в 1935 году. В 2010 году, после реорганизации университета Сапиенца, инженерный факультет был разделен на два факультета: информационных технологий, компьютерных наук и статистики, а также гражданского и промышленного строительства. Последний в настоящее время включает в себя шесть различных отделений: Астронавтика, электротехника и энергетика, химические материалы и экологическая инженерия, гражданская, строительная и экологическая инженерия, механическая и аэрокосмическая инженерия, структурная и геотехническая инженерия, фундаментальные и прикладные науки для инженерии.
Помимо главного офиса в Риме, факультет состоит из двух филиалов в Риети и Латине. Точнее, с 1991 года в городе Латина находится филиал Римского университета Сапиенца, в который входят инженерный, экономический и торговый факультеты, а также медицинский и хирургический.
Сегодня мы с удовольствием берем интервью у Якопо Тирилло, профессора кафедры материаловедения и технологии материалов химико-технологического факультета Римского университета Сапиенца.
Он имеет более чем 15-летний опыт работы в области материаловедения и технологии, подтвержденный более чем 170 научными публикациями.arcПрофессор Якопо Тирилло расскажет нам о своей работе в новой лаборатории термического анализа в Латине: он работает в области полимеров и полимерных композитов, оптимизируя производственные процессы, такие как экструзия, литье под давлением и 3D-печать, с помощью приборов термического анализа NETZSCH.
Профессор Якопо Тирилло, в июне 2023 года вы и ваша команда только что отпраздновали открытие новой лаборатории термического анализа в Латине, филиале Римского университета, для выполнения академических проектов и оказания технической прикладной и аналитической поддержки промышленным клиентам. Почему открытие этой новой лаборатории является таким инновационным для вашего региона и университета?
"Открытие лаборатории термического анализа представляет собой для Polo Pontino и La Sapienza центр передового опыта в области определения характеристик материалов и ориентир для компаний и центров research. Эта лаборатория (рис. 1) является частью проекта larger, благодаря которому в ближайшие годы Поло Понтино станет центром передового опыта в области анализа материалов, в частности, в сфере устойчивого развития и возобновляемых источников энергии"
Какие услуги вы собираетесь предлагать в деталях, как академическим, так и промышленным кругам?
arc"Новая лаборатория термического анализа призвана предоставить академическим и промышленным кругам пакет услуг, включающий в себя высококачественные приборы, предоставляемые компанией NETZSCH Analyzing & Testing, а также ноу-хау профессоров, специалистов и техников, накопленные за годы опыта и профессионализма.arcОсновной целью является создание взаимосвязанной и эффективной сети с университетами и промышленными предприятиями для обеспечения высокого качества исследований и плодотворного развития производственных процессов и продукции с целью экономического развития региона и, в целом, страны. В настоящее время мы сотрудничаем с такими компаниями, как Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI и AVIO Space - и это лишь некоторые из них"
Как термический анализ помогает решать задачи в вашей исследовательскойarch деятельности?
"Наша группа research работает в основном в области полимеров и полимерных композитов. Реологические, механические и размерные характеристики этих классов материалов сильно зависят от температуры, поэтому использование термического анализа является основополагающим для обеспечения 360-градусного обзора исследуемого материала. Например, термический анализ необходим для определения наилучших реологических условий для оптимизации производственных процессов, таких как экструзия, литье под давлением и 3D-печать, но он позволяет пролить свет на изменения в механическом поведении материала, что позволяет подтвердить или опровергнуть его пригодность для определенного применения. Здесь мы используем различные приборы для термического анализа NETZSCH, такие как дифференциальный сканирующий калориметр (DSC), динамико-механический анализатор (DMA),дилатометр (DIL) или инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (FT-IR) в сочетании с термогравиметрическим анализатором (TGA). Это, безусловно, мощные и необходимые инструменты в области разработки полимеров и полимерных композитов"
Профессор Тирилло, не могли бы вы привести примеры того, как вы использовали тепловой анализ до сих пор?
arc"В рамках проекта Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, грант ARS01_00293, Distretto Navtec), финансируемого MUR (Министерство по делам университетов и научных исследований Италии), группа research провела множество исследований, чтобы предложить новые композитные решения на биооснове.arcОдна из работ была посвящена разработке экологически чистого композита для автомобильной промышленности на основе полиамида 11 (PA11), синтезированного из касторового масла и армированного внутрислойной гибридной тканью из льна и базальта для сохранения экологичности материала. Здесь мы исследовали пластифицированный PA11 вместе с нативным PA11 с целью улучшения ударного отклика этих структур (рис. 2). Пластифицированный PA11 оказался эффективным в обеспечении более высокой жесткости, замедляя явления проникновения и уменьшая постоянное вдавливание ламината при комнатной температуре, но он также наделил полимер температурой плавления почти на 10 °C ниже, что подтверждается сканированием методом ДСК, см. рис. 2.
Этот аспект имеет решающее значение для улучшения технологичности, а также для сохранения растительных волокон, используемых в качестве армирующего материала, которые обладают высокой термической чувствительностью. Термическая деградация волокна крайне нежелательна, так как может значительно ухудшить его армирующий эффект. Более подробную информацию об этой работе можно найти в статье "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010), опубликованной на Macromol в 2022 году."
Спасибо за эти интересные идеи! Есть ли еще какой-нибудь проект research и его результаты, которыми вы хотели бы поделиться с нами?
да, с удовольствием".arcarcЕще одним примером, демонстрирующим важность термического анализа для определения характеристик материалов, является работа, выполненная в рамках проекта AMICO (код ARS01_00758), финансируемого Министерством образования, университетов и научных исследований Италии. Проект был посвящен аддитивному производству и автоматизации процессов для гибридных и композитных материалов, и в этом контексте была проведена исследовательскаяarch работа по 3D-печати низконаполненных базальтовых ПП и ПА12, которая в настоящее время рассматривается для публикации в Journal of Composites Science. Аддитивное производство - это набирающая обороты технология с большим потенциалом во многих промышленных областях благодаря многочисленным преимуществам, таким как большая свобода проектирования, минимизация отходов, быстрое прототипирование, кастомизация изделий, облегчение структуры за счет генеративного дизайна и топологической оптимизации. Среди всех доступных технологий 3D-печати Fused Deposition Modeling (FDM), предназначенная для термопластичных полимеров и композитов, является самой дешевой, с низкими инвестициями в оборудование и стоимостью сырья. Несмотря на все эти преимущества, полимерные компоненты, изготовленные с помощью FDM, характеризуются более низкими механическими характеристиками, чем соответствующие компоненты, полученные литьем под давлением, из-за высокой пористости, возникающей из-за разрывов между соседними слоями. Исходя из этого, в данной работе был предложен эффективный способ использования преимуществ FDM при попытке решить основную проблему, связанную с более низкими механическими характеристиками, путем использования полимерных нитей с низким содержанием наполнителя. В частности, ПП и ПА 12, которые являются двумя основными полимерными материалами, используемыми в автомобильном секторе, были усилены базальтовыми волокнами в количестве 5 масс. %. Полученные результаты оказались хорошими: благодаря присущей FDM пористости значительно повысилась жесткость на разрыв, а показатели плотности сравнялись с аналогичными показателями чистого полимера, полученного методом литья под давлением. В частности, конечные компоненты характеризовались плотностью 0,88 г/см3 для ПП и 1,01 г/см3 для композитов с базальтовым наполнителем PA12, что сопоставимо с 0,91 г/см3 и 1,01 г/см3 соответствующей чистой матрицы, используемой при литье под давлением.
В этой связи знание особенностей плавления материалов является основополагающим для оптимизации как производства нитей методом экструзии, так и 3D-печати компонентов. Анализ ДСК позволил определить температуры плавления PP и PA12, а именно 165°C и 252°C, а температуры печати selected составили 260 и 300°C, соответственно. Температура печати selected для PA12 была полностью совместима с температурой плавления, но при этом являлась верхним пределом для 3D-принтера. Учитывая сильное влияние длины волокон на механические характеристики композита, распределение длины волокон в обеих полимерных конфигурациях было оценено до и после 3D-печати образцов, и полученные данные показаны на рисунке 4. Образцы ПП демонстрируют лишь незначительное уменьшение средней длины волокон, в то время как ПА12 демонстрирует более значительное уменьшение средней длины волокон, вероятно, из-за реологии полимера. В частности, при 3D-печати полипропилена использовалась температура на 100°C выше температуры плавления, что обеспечило хорошую текучесть расплава, в то время как при 3D-печати PA12 использовался перегрев всего на 50°C, что привело к повышению вязкости расплава и увеличению изгибающих моментов, действующих на волокна.
Термический анализ снова стал мощным инструментом для поддержки и понимания морфологических изменений, происходящих с композитом, и выявил потенциальное улучшение реакции материала, просто selectиспользуя более производительный 3D-принтер"
А над какими текущими проектами вы работаете, в которых используются наши приборы для термического анализа?
"На самом деле трудно выделить один из наших текущих проектов, в котором бы не использовался термический анализ. Группа research участвует в двух проектах PRIN, а именно PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" и PRIN 2022 "Additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", а также в двух проектах PNRR, а именно, Направление 11 "Инновационные материалы и облегчение веса" Национального центра мобильности и устойчивости (MOST) и Направление 3 "Экологичные и устойчивые продукты и материалы из некритичных и вторичных источников сырья" проекта PE11 "Сделано в Италии цирколярно и устойчиво" (MICS). Кроме того, профессору Филиппо Берто был предоставлен грант ERC на реализацию проекта ButterFly.
Все проекты направлены на создание новых материалов с повышенной устойчивостью и меньшим воздействием на окружающую среду, а также на разработку новых облегченных конструкций. В обоих случаях термический анализ имеет решающее значение для вывода на рынок продукции, отвечающей требованиям стандартов, и оптимизации производственных процессов с целью максимального снижения воздействия на окружающую среду при обеспечении высокого качества продукции.
Я полагаю, что сотрудничество с NETZSCH Analyzing & Testing приведет, как это уже произошло, и в будущем к технологическому прогрессу нашей лаборатории как в плане оборудования, так и в плане знаний.
Наконец, я хотел бы сердечно поблагодарить всех членов команды группы research: проф. Фабрицио Сарасини, профессора Филиппо Берто, доктора Клаудию Серджи и доктора Ирене Бавассо"
Профессор Тирилло, большое спасибо за знакомство с вашей интересной работой в рамках исследованияarch. Мы будем рады и в будущем вносить свой вклад, не только нашими приборами, но и нашими консультационными услугами и новыми обучающими мероприятиями.