L`evoluzione dei materiali alla ricerca di nuove

CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
L’evoluzione dei materiali alla ricerca
di nuove prestazioni
e maggiore eco-sostenibilità
Luca Tomesani
Università di Bologna, CIRI-MAM
Sala Conferenze CNA Bologna, 14 dicembre 2011
RETE ALTA TECNOLOGIA DELL’EMILIA-ROMAGNA
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Costituita da Laboratori di ricerca industriale e da Centri per
l’innovazione, raggruppa le istituzioni accademiche e i centri di ricerca pubblici
della regione per offrire competenze, strumentazioni e risorse al sistema
produttivo.
Organizzata in 6 Piattaforme Tematiche
nate per assicurare che la conoscenza
generata dalla ricerca sia convertita prima in
tecnologie e processi, quindi in prodotti e
servizi commercializzabili per le imprese.
Coordinata da ASTER, il Consorzio tra la
Regione Emilia-Romagna, le Università, gli
Enti di ricerca nazionali operanti sul territorio
- CNR ed ENEA - l'Unione regionale delle
Camere di Commercio e le Associazioni
imprenditoriali regionali
I CIRI dell’Università di Bologna
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
7 C.I.R.I. – Centri Interdipartimentali di Ricerca Industriale
MECCANICA AVANZATA E
MATERIALI
AERONAUTICA
EDILIZIA E COSTRUZIONI
CIRI - MAM
ENERGIA E AMBIENTE
AGROALIMENTARE
- Automazione, robotica e
meccatronica
ICT
- Modellazione sperimentale di sistemi
SCIENZE DELLA VITA
meccanici
- Materiali avanzati e applicazioni per
la nautica
120 docenti
- Materiali avanzati per la
progettazione e applicazioni fotoniche
20 ricercatori full-time
- Materiali strutturati e/o compositi per
Attrezzature proprie
applicazioni avanzate
- Tecnologie Innovative per la Moda
Varietà e complessità
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MATERIALI
TECNOLOGIE
COMPONENTI
PRODOTTI E
SISTEMI
SETTORI
INDUSTRIALI
MODA
PACKAGING
AUTOMOTIVE
PIATTAFORME TRASVERSALI
• Polimeri: POLY – LAB
• Compositi: COMPOSITE – LAB
• Processi tradizionali: DIEM – TECH
• Processi Innovativi: LASER, PLASMA, ELETTROFILATURA
• Progettazione avanzata: STRUCTURE - LAB
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Le strade della eco-sostenibilità
Riduzione del peso
Migliori caratteristiche (meccaniche, fisiche, durabilità)
dei materiali
Soluzioni tecnologiche innovative
Utilizzazione di materie prime
da fonti rinnovabili
da riciclo
Processi efficienti
Bassa energia
Semplicità - Ciclo produttivo breve
Bio-degradabilità
Certificazione
POLY - LAB
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
E’ stato recentemente fondato il POLY-LAB, laboratorio che unifica le
principali competenze sui polimeri dell’Università di Bologna:
POLY-LAB
nasce dalla fusione dei principali centri di competenza sui
polimeri e dell’ingegneria industriale dell’Università degli Studi di Bologna:
• per sviluppare la conoscenza e l’innovazione in un’area tecnologica
particolarmente critica per la competitività dell’industria manifatturiera.
• AREE DI COMPETENZA
• Sintesi e Modifica
• Caratterizzazione di materiali e componenti
• Tecnologie e processi
• Durabilità e ciclo di vita
POLY - LAB
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Compositi classici Polimeri derivati dal petrolio + Fibre vetro
Alleggerimento
Sostituzione fibre vetro (densità 2.5) con
Fibre vegetali (densità 1.5)
già in uso nell’ industria automobilistica
INNOVAZIONE
polimeri da fonti rinnovabili + fibre vegetali
(Progetto EU con Fiat)
POLY - LAB
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Sintesi di monomeri e polimeri da fonti rinnovabili
POLY - LAB
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Estrusione di materiali polimerici
Potenzialità:
•Estrusione reattiva per la preparazione di nuovi materiali
polimerici;
•Dispersione di additivi (ad es. tenacizzanti, plastificanti,
fibre di rinforzo…) in matrici polimeriche;
•Preparazione di nanocompositi a matrice polimerica con
fillers nanometrici (nanoclays, nanotubi di carbonio, …)
Micrografia TEM di PBT
con 5% nanoclay
Applicazioni:
•Miglioramento proprietà meccaniche e barriera (5% nanoclay in PBT)
•Materiali polimerici conduttivi e con proprietà di schermo di
radiazione e.m. (EMI shielding);
•Miglioramento della resistenza alla fiamma (nanoclays o idrotalciti)
POLY - LAB
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Plastiche biodegradabili (compostabili)
fertilizzante
COMPOSTAGGIO
Raccolta differenziata
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POLY - LAB
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I.L.P.A. Srl - Divisione ILIP
Progetto realizzato dall’Università di Bologna per ILPA Srl
Sostituzione del polistirene con PLA (acido polilattico) da fonti rinnovabili (mais)
Danone ha incrementato la sua packaging carbon footprint per il brand Activia
del 25% e userà il 43% in meno di risorse fossili
POLY – LAB
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Infurno Jacket
Idrorepellente, antivento e
altamente traspirante . Il
rivestimento esterno è
realizzato al 100% in poliestere
riciclato post consumo (PCR),
mentre lo strato isolante
interno è riciclato post
consumo al 86% nel corpo e al
70% nelle maniche.
Moquette
composta
prevalentemente da nylon
riciclato, con una base di
gomma
caricata
con
minerali
naturali.
Prodotta
in
Gran
Bretagna, è disponibile in
numerose
varianti
cromatiche.
EcoCase™ 26"
EcoCase è fatta di
plastica riciclata al 100%
(ABS) per la massima
leggerezza e resistenza
agli urti
Materiale vergine:
14% nylon e gomma
Materiale ricilato
pre-consumo:
86% nylon
Tecnologie Meccaniche
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Processi fusori, di deformazione, di asportazione, di trattamento
termico
Monitoraggio e simulazione
• SIMULAZIONE
Con le moderne tecniche di simulazione e
progettazione si possono ottenere enormi
riduzioni di peso con un aumento della
efficienza e della affidabilità dei componenti
del processo di produzione
(testata del motore Ferrari)
• PROCESSI INNOVATIVI
• Processi in semisolido
• Processi di formatura composita
• Processi con nuovi materiali
Oggi le principali aziende leader
regionali e tutta la loro rete di
fornitori utilizzano questa tecnica
per la progettazione dei nuovi
prodotti
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Tecnologie Meccaniche
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Processi di lavorazione: trasferimento tecnologico
Per le migliaia di aziende che realizzano
processi di trasformazione viene attuata una
capillare azione di trasferimento
tecnologico per portare nelle aziende le
tecniche di simulazioni di processo
- Service
- Corsi di formazione
- Assegni di ricerca
I ricercatori del CIRI
vengono assunti
stabilmente dalle aziende
come responsabili UT
Ieri: commessa di
20.000 forcelle a BMW
I prodotti vengono simulati
sistematicamente dalle
aziende, con grande
incremento della competitività
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Tecnologie Laser
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Tecnologie Laser per il trattamento e la saldatura
Laser beam： Power, P : 75 -1500 W
Wavelength, λ : 800−1.064 nm
Plastics
(PA, PET, PC, PP)
Shielding gas: Ar (N2) 50 l/min
Reinforced Plastics
(40% Fiber Glass,
30% Fiber Carbon)
Welding speed, v
7.5 – 60 mm/s
Defocused distance, fd
0 ～40 mm
Metals
Welding direction
(Steels, Al and Ti alloys)
Sono possibili le combinazioni:
• Plastica - Plastica
• Metallo - Plastica
Tecnologie Laser
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Il laser può essere utilizzato per realizzare
indurimenti superficiali direttamente
nell’ultima fase del ciclo in macchina:
Va
Vr
Notevole risparmio energetico rispetto agli induttori
Tempra di spessori attorno al millimetro
Si tempra senza ausilio di mezzo raffreddante
Anche direttamente post-lavorazione meccanica
Tecnologie Laser
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Laser assisted machining
(Es. Inconel 718-2)
Risultati:
•Incremento della velocità di asportazione
fino a 620 C.
•Riduzione dell’energia specifica del 25%
•Aumento della finitura
•Aumento dal 200-300% della vita
dell’utensile in materiale ceramico
•Risparmio economico
Fonte: Purdue University
Tecnologie Laser
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Pallinatura laser
Utilazzando un raggio laser opportuno si possono eliminare le
tensioni positive post saldatura (pallinatura laser)
Cordone di testa
Tensioni trasversali post
saldatura
Macchine Utensili
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
MU: eco-profile
Da un punto di vista strettamente energetico focus sull‘utilizzo delle MU*
*ISO/CD 14955/1 “Machine Tools: envinronmental evaluation of machine tools”
Macchine Utensili
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Profili di consumo energetico
*ISO/CD 14955/1 “Machine Tools: envinronmental evaluation of machine tools”
Macchine Utensili
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Focus sul controllo degli azionamenti
Coordinare le velcità di
spostamento assi può
portare un vantaggio nei
consumi
Mori et al. “A study on energy efficiency improvement for machine tools” CIRP Annals (2011)
Progettazione, Alleggerimento e
Materiali compositi
• Simulazione di impatto
• Ottimizzazione del telaio
• Sviluppo di assorbitori d’urto
ultraleggeri
• Previsione delle caratteristiche
meccaniche dei componenti
autoprodotti
• Omologazione del veicolo
Courtesy of
Tazzari Group
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Materiali Compositi: laboratori
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Laboratorio di Materiali, Strutture, Tecnologia
Della 2° Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna per
applicazioni nei settori nautico, aeronautico e meccanico.
MaSTeR Lab è centro di eccellenza regionale per lo studio
dei materiali compositi (fibre di carbonio, vetro, naturali)
grazie alla sue dotazioni di laboratorio.
Autoclavi
Camera
bianca
Taglio a filo caldo, Centro di lavoro CNC a 4 assi, CND
Acustico, Estensimetria
December 12, 2011
Macchina Drop-weight
per analisi di impatto
Materiali Compositi: prodotti innovativi
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Prodotti ibridi
e adesivi strutturali
Assorbitori d’urto
Cambio di
materiale di
un supporto
elica
December 12, 2011
Valutazione della Sostenibilità
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La metodologia LCA
•
•
•
Life Cycle Assessment è uno strumento di valutazione dell’impatto
ambientale e sociale di un prodotto e/o di un processo attraverso l’intero ciclo
di vita (in una prospettiva “dalla culla alla tomba”)
LCA si è sviluppato e diffuso nel mondo a seguito dello sviluppo degli
standard metodologici da parte della ISO (International Standards
Organization) (ISO 14040 – ISO 14044)
Le principali applicazioni riguardano:
• Dichiarazioni Ambientali di Prodotto
• Scelte progettuali di minor impatto ambientale relative a prodotti e
processi (Design for Environment (DFE)–Design for Disassembly (DFD))
• Progettazione di sistemi e impianti di servizio (i.e.: produzione di energia e
di trattamento dei rifiuti)
• Valutazione di scenari di recupero e di
trattamento a fine vita
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Valutazione della Sostenibilità
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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
La metodologia LCA
•
L’analisi LCA prevede 4 fasi:
ANALISI DI INVENTARIO (LCI)
VALUTAZIONE DI IMPATTO (LCIA)
SYSTEM
ENVIRONMENT
Material Flow
RAW MATERIAL
ACQUISITION
WELDING
ACTIVITIES
Power
Flow
ASSEMBLING
ACTIVITIES
POWER
SOURCE
USE
WASTE
TREATMENT
INTERPRETAZIONE
INTERPRETAZIONE
DEFINIZIONE DI OBIETTIVI E CONFINI
RECYCLING/RE
USE
Electric
Energy
Heat
SECONDARY
MATERIAL
Material
Flow
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Valutazione della Sostenibilità
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La metodologia LCA
•
•
La VALUTAZIONE di IMPATTO può essere svolta con diversi metodi:
• Cumulative Energy Demand (CED)
• Ecological Footprint (Occupazione diretta e indiretta di terra, legata
all’uso di energia nucleare e alle emissioni di CO2 da energia fossile)
• Ecological Damage Potential (EDP)
• Eco-Indicator 99 (Impatto su Resources, Ecosystem Quality, Human
Health)
• Environmental Design of Industrial Product (EDIP)
• Global Warming Potential (IPCC 2001)
Sono inoltre possibili:
• ANALISI DI SENSITIVITA’ (confronto tra diverse modalità
progettuali)
• ANALISI MONTECARLO (in caso di incertezza dei dati)
• ANALISI DI DIVERSI SCENARI DI FINE VITA
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Valutazione della Sostenibilità
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La metodologia LCA – SCENARIO DI FINE VITA
•
…in ottica di CLOSED-LOOP SUPPLY CHAIN
Supply chain diretta
• Estrazione di materie prime Produzione – Trasporto - Utilizzo
+
Supply chain inversa
• Raccolta – Ispezione / separazione RIUSO – RICICLO –
RiPROCESSAMENTO - Smaltimento
•Minori costi di smaltimento
•Riduzione di rifiuti, di emissioni e di impatto negativo sulla salute umana
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Valutazione della Sostenibilità
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Esempi applicativi:
•
Materiali impiegati (meno
inquinanti, riciclabili al 100%)
LCA DI PRODOTTI (Design for Environment)
•
AEE (Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche)
• valutazione di modifiche progettuali
sul prodotto (D.lgs 151/05)
• valutazione di nuove tecnologie
di trattamento a fine vita
Maggiore facilità di
disassemblaggio e recupero
materiali
Miglioramento dei consumi
energetici delle AEE
Migliore % di purezza dei materiali
recuperati
Minore impiego di energia nella
triturazione (Ex: triturazione a
catena vs triturazione a lame)
•
PC (Ex: Apple)
• analisi della Greenhouse gas
emission (970 kg CO2e)
• modifiche progettuali (materiali
efficienti, efficienza energetica,
packaging,…)
Maggiore efficacia ambientale dei
sistemi di condensazione
Recycling, 1%
Transport, 5%
Production, 36%
Customer use, 58%
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Esempi applicativi:
•
Gruppo Elettrogeno
• valutazione di modifiche progettuali sul prodotto:
•
•
•
modifica al sistema di iniezione
modifica dei materiali per le tenute interne alla pompa iniezione
prefiltri del combustibile con elemento riscaldante interno
•
passaggio da giunto bisupporto a monosupporto
Valutazione della Sostenibilità
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Esempi applicativi:
•
LCA di PROCESSI E SERVIZI
•
LCA di un packaging riutilizzabile
• valutazione di impatto del
packaging multiuso (circa 100 cicli
stimati)
Carbon footprint
differenziale:
•Confronto con packaging usa e getta
- 45.83 Tons eq Co2
con il sistema multiuso
Schema packaging usa e getta
Schema packaging multiuso