Kundens framgångshistoria
Optimering av tillverkningsprocesser för extrudering, formsprutning och 3D-printning av polymerer och polymerkompositer för fordonsindustrin
En fältrapport från den tekniska fakulteten vid Roms universitet
I den här kundberättelsen berättar Jacopo Tirillò, professor i materialvetenskap och -teknik vid institutionen för kemiteknik och materialmiljö vid Sapienza-universitetet i Rom, om sitt forskningsarbete med att utveckla ett miljövänligt kompositmaterial för fordonstillämpningar med hjälp av en helt biobaserad polyamid. Han ger också en inblick i sina undersökningar inom Additive Manufacturing och processautomation för hybrid- och kompositmaterial samt sitt arbete med 3D-printing av lågfylld basalt.
“Vårt laboratorium för termisk analys syftar till att tillhandahålla ett servicepaket till både universitet och industrier som inkluderar de högkvalitativa instrument som tillhandahålls av NETZSCH Analyzing & Testing tillsammans med kunskapen hos professorer, forskare och tekniker. Huvudmålet är att skapa ett sammanlänkat och effektivt nätverk med både universitet och industrier för att säkerställa högsta forskningskvalitet och en fruktbar tillväxt av både tillverkningsprocesser och produkter med sikte på den ekonomiska utvecklingen i regionen och mer allmänt i landet. För närvarande arbetar vi med företag som Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI och AVIO Space - för att bara nämna några.”
Tekniska fakulteten vid det välkända universitetet i Rom, Italien, grundades 1935. År 2010, efter omorganisationen av Sapienza University, delades den tekniska fakulteten upp i två fakulteter: Informationsteknik, datavetenskap och statistik samt Byggnads- och industriteknik. Den senare omfattar numera sex olika avdelningar: Astronautisk, elektrisk och energiteknik, Kemisk material- och miljöteknik, Byggnads-, anläggnings- och miljöteknik, Mekanisk och flygteknisk teknik, Strukturell och geoteknisk teknik, Grundläggande och tillämpad teknikvetenskap.
Förutom huvudkontoret i Rom består fakulteten av två filialkontor i Rieti och Latina. Närmare bestämt har staden Latina sedan 1991 varit värd för en filial till Sapienza University of Rome, som omfattar fakulteterna för teknik, ekonomi och handel samt medicin och kirurgi.
Idag har vi nöjet att intervjua Jacopo Tirillò, professor i materialvetenskap och teknik vid institutionen för kemiingenjörsmaterialmiljö vid Sapienza-universitetet i Rom.
Han har mer än 15 års erfarenhet inom materialvetenskap och -teknik, vilket dokumenterats i över 170 vetenskapliga publikationer. Prof. Jacopo Tirillò kommer att ge oss en inblick i sitt forskningsarbete vid det nya laboratoriet för termisk analys i Latina: han arbetar med polymerer och polymerkompositer för att optimera tillverkningsprocesser som extrudering, formsprutning och 3D-utskrift med hjälp av NETZSCH instrument för termisk analys.
Prof. Jacopo Tirillò, i juni 2023 firade du och ditt team just öppnandet av det nya laboratoriet för termisk analys på platsen i Latina, en filial till Roms universitet, för att genomföra akademiska projekt och tillhandahålla teknisk tillämpning och analytiskt stöd till industrikunder. Varför är öppnandet av detta nya laboratorium så innovativt för er region och för ert universitet?
"Öppnandet av detta laboratorium för termisk analys innebär för Polo Pontino och för La Sapienza ett kompetenscentrum för karakterisering av material och en referenspunkt för företag och forskningscentra. Laboratoriet (figur 1) är en del av ett större projekt som innebär att Polo Pontino under de kommande åren kommer att bli ett kompetenscentrum för materialanalys, i synnerhet inom områdena hållbarhet och förnybar energi."
Vilka tjänster kommer ni att erbjuda i detalj, både till den akademiska världen och till industrin?
"Det nya laboratoriet för termisk analys syftar till att tillhandahålla ett servicepaket till både den akademiska världen och industrin, vilket inkluderar de högkvalitativa instrument som tillhandahålls av NETZSCH Analyzing & Testing tillsammans med den kunskap som professorer, forskare och tekniker besitter efter många års erfarenhet och professionalism. Huvudmålet är att uppnå ett sammankopplat och effektivt nätverk med både universitet och industrier för att säkerställa högsta forskningskvalitet och en fruktbar tillväxt av både tillverkningsprocesser och produkter med tanke på den ekonomiska utvecklingen i regionen och mer allmänt i landet. För närvarande arbetar vi med företag som Bridgestone, ABB, Treves-Roi, Stellantis, ESA, ASI och AVIO Space - för att bara nämna några."
Hur kan termisk analys bidra till att lösa utmaningar i din forskningsverksamhet?
"Vår forskargrupp arbetar huvudsakligen med polymerer och polymerkompositer. Det reologiska, mekaniska och dimensionella beteendet hos dessa materialklasser är starkt temperaturberoende, och därför är utnyttjande av termisk analys grundläggande för att säkerställa en 360 graders översikt över det material som studeras. Termisk analys är till exempel grundläggande för Identify de bästa reologiska förhållandena för att optimera tillverkningsprocesser som extrudering, formsprutning och 3D-utskrift, men det gör det också möjligt att belysa variationerna i ett materials mekaniska beteende, vilket gör det möjligt att validera eller avfärda dess genomförbarhet för en viss tillämpning. Här använder vi olika instrument för termisk analys från NETZSCH, t.ex. differentiell skanningskalorimeter (DSC), dynamisk-mekanisk analysator (DMA) , dilatometer (DIL ) eller Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR) kopplad till en termogravimetrisk analysator (TGA). Dessa är definitivt kraftfulla och nödvändiga verktyg inom området för utveckling av polymerer och polymerkompositer."
Prof. Tirillò, kan du ge exempel på hur du hittills har använt termisk analys?
"Inom ramen för projektet Thalassa (PON "R&I" 2014-2020, bidrag ARS01_00293, Distretto Navtec) som finansieras av MUR (italienska ministeriet för universitet och forskning) genomförde forskargruppen många studier för att föreslå nya biobaserade kompositlösningar. Ett av forskningsarbetena fokuserade på utvecklingen av en miljövänlig komposit för fordonstillämpningar som utnyttjar en helt biobaserad polyamid 11 (PA11) syntetiserad från ricinolja förstärkt med ett hybridväv av lin/basalt för att behålla materialets miljövänliga karaktär. Här undersökte vi en mjukgjord PA11 tillsammans med den ursprungliga PA11 i syfte att förbättra slagresponsen hos dessa strukturer (figur 2). Den mjukgjorda PA11 visade sig vara effektiv för att ge en högre seghet som fördröjer penetrationsfenomen och minskar laminatets permanenta intryck vid rumstemperatur, men den gav också polymeren en Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur som var nästan 10 °C lägre, vilket framgår av DSC-skanningen, se figur 2.
Denna aspekt är avgörande för att förbättra processbarheten, men också för att bevara de vegetabiliska fibrer som används som förstärkning och som är mycket värmekänsliga. Den termiska nedbrytningen av fibern är mycket oönskad eftersom den kan äventyra dess förstärkande effekt avsevärt. Mer information om detta arbete finns i artikeln "Toughened Bio-Polyamide 11 for Impact-Resistant Intraply Basalt/Flax Hybrid Composites" (DOI:10.3390/macromol2020010 ) som publicerades på Macromol 2022."
Tack för dessa intressanta insikter! Finns det något annat forskningsprojekt och resultaten av det som du skulle vilja dela med dig av till oss?
"Ja, med nöje. Ett annat exempel som visar vikten av termisk analys vid materialkarakterisering är det arbete som utfördes inom ramen för forskningsprojektet AMICO (kod ARS01_00758) som finansierades av det italienska ministeriet för utbildning, universitet och forskning. Projektet fokuserade på additiv tillverkning och processautomation för hybrid- och kompositmaterial, och i detta sammanhang genomfördes ett forskningsarbete om 3D-utskrift av lågfylld basalt PP och PA12, som nu övervägs för publicering i Journal of Composites Science. Additiv tillverkning är en teknik på frammarsch med stor potential inom många industriella områden tack vare många fördelar, t.ex. större designfrihet, avfallsminimering, snabb prototypframtagning, produktanpassning, lättviktsstrukturer genom generativ design och topologisk optimering. Bland alla tillgängliga 3D-utskriftstekniker är FDM (Fused Deposition Modeling), som är utformad för termoplastiska polymerer och kompositer, den billigaste med låga maskininvesteringar och råvarukostnader. Trots alla dessa fördelar kännetecknas de polymera komponenter som produceras med FDM av lägre mekanisk prestanda än motsvarande formsprutade komponenter på grund av den höga porositet som genereras av diskontinuiteterna mellan intilliggande lager. På grundval av detta föreslog arbetet ett genomförbart sätt att utnyttja fördelarna med FDM och samtidigt försöka lösa huvudproblemet med lägre mekanisk prestanda genom att använda lågfyllda polymerfilament. I synnerhet PP och PA 12, som är de två huvudsakliga polymera material som används inom fordonssektorn, förstärktes med 5 vikt% basaltfibrer. De erhållna resultaten var goda med en betydande förbättring av dragstyvheten och densitetsvärden som var jämförbara med värdena för den rena polymeren som bearbetats via formsprutning tack vare den inneboende porositeten som härrör från FDM. I synnerhet kännetecknades de slutliga komponenterna av en TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet på 0,88 g/cm3 för PP och 1,01 g/cm3 för PA12 basaltfyllda kompositer, vilket är jämförbart med 0,91 g/cm3 och 1,01 g/cm3 för den relaterade rena matrisen som används vid formsprutning.
Inom detta ramverk var kunskapen om materialens smältbeteende grundläggande för att optimera både filamentproduktion genom extrudering och 3D-utskrift av komponenter. DSC-analysen avslöjade smälttemperaturerna för PP och PA12, dvs. 165°C och 252°C, och de valda trycktemperaturerna var 260°C respektive 300°C. Utskriftstemperaturen som valdes för PA12 var helt kompatibel med dess Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur, men det var också 3D-skrivarens övre gräns. Med tanke på fiberlängdens starka inverkan på kompositens mekaniska respons utvärderades fiberlängdsfördelningen för båda polymerkonfigurationerna före och efter 3D-utskrift av provkropparna och de resulterande uppgifterna visas i figur 4. PP-prover visar bara en liten minskning av den genomsnittliga fiberlängden medan PA12 visade en mer signifikant minskning av fibrernas genomsnittliga längd, troligen på grund av polymerreologi. I synnerhet 3D-printades PP-filament med en temperatur som var 100°C högre än dess Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur, vilket säkerställde en god flytbarhet hos smältan, medan PA12 3D-printades med en överhettning på endast 50°C, vilket medför en högre viskositet hos smältan och en ökning av de böjmoment som appliceras på fibrerna.
Termisk analys var återigen ett kraftfullt verktyg för att stödja och förstå de morfologiska variationerna i kompositen och avslöjade en potentiell förbättring av materialresponsen genom att helt enkelt välja en 3D-skrivare med bättre prestanda."
Och vilka är de aktuella projekten som du arbetar med, som involverar användning av våra instrument för termisk analys?
"Det är faktiskt svårt att identifiera ett av våra pågående projekt som inte kommer att dra nytta av termisk analys. Forskargruppen är involverad i två PRIN-projekt, dvs. PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG (BOOMERANG)" och PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs (TARGET)", och två PNRR-projekt, dvs, Spoke 11 "Innovative Materials and LightWeighting" inom Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile (MOST) och Spoke 3 "Green and sustainable products & materials from non-critical and secondary raw sources" inom PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile" (MICS). Dessutom tilldelades professor Filippo Berto ett ERC Advanced Grant för ButterFly-projektet.
Alla projekt syftar till att föreslå nya material med förbättrad hållbarhet och lägre miljöpåverkan och till att utveckla nya lättviktsstrukturer. I båda fallen är termisk analys avgörande för att få ut produkter på marknaden som uppfyller standardkraven och för att optimera tillverkningsprocesserna så att de minskar miljöpåverkan så mycket som möjligt samtidigt som de håller hög kvalitet.
Jag föreställer mig att samarbetet med NETZSCH Analyzing & Testing kommer att leda till, som det redan har gjort, även i framtiden till teknisk utveckling av vårt laboratorium både när det gäller utrustning och kunskap.
Slutligen vill jag rikta ett stort tack till alla medarbetare i forskargruppen: prof. Fabrizio Sarasini, Prof. Filippo Berto, Dr. Claudia Sergi och Dr. Irene Bavasso."
Prof. Tirillò, tack så mycket för inblicken i ditt spännande forskningsarbete. Vi är glada att kunna bidra i framtiden, inte bara med våra instrument, utan också med våra konsulttjänster och nya utbildningsevenemang.