La rivoluzione negli handling system

Il progetto europeo ECOPAT Development of a cost-effective and lightweight hand pallet truck for application in material handling è stato avviato per progettare e sviluppare una nuova generazione di transpallet leggeri, chimicamente inerti e competitivi nel costo per l’impiego nella movimentazione delle merci. I potenziali vantaggi legati all’introduzione di materiali polimerici più leggeri nella produzione dei transpallet comprendono il basso peso a vuoto, che si traduce in una maggiore manovrabilità che migliora le condizioni operative dei lavoratori, la riduzione di materie prime e dei costi di produzione, l’elevato contenuto tecnico e tecnologico che impedisce l’esportazione del ciclo produttivo in paesi a basso costo di manodopera, l’elevata inerzia chimica che riduce i rischi di corrosione e contaminazione nel caso di utilizzi nell’industria alimentare e farmaceutica in ambienti umidi/salini dove si impiegano ad oggi transpallet in acciaio inossidabile. Completano la lista la significativa riduzione del rumore, l’eco-compatibilità, il miglioramento dell’ergonomia funzionale.

Risultati
Il progetto ECOPAT si basa sullo sviluppo di plastiche autorinforzate (SRP) per la produzione di componenti strutturali dei transpallet.
Le plastiche autorinforzate sono una nuova classe di materiali innovativi in cui una matrice polimerica è rinforzata con fibre o nastri ad elevata tenacità della stessa famiglia polimerica, come polipropilene rinforzato da fibre di polipropilene, creando così un materiale più resistente e rigido di circa 3-5 volte rispetto al polimero non rinforzato. Ciò consente di utilizzare meno materiale per realizzare un componente, a parità di proprietà meccaniche. Inoltre, a differenze delle plastiche rinforzate con vetro o carbonio, le plastiche autorinforzate non sono contaminate da elevati livelli di fibre minerali, per cui hanno lo stesso livello di riciclabilità e densità del polimero di base.
Di seguito si riportano in dettaglio i risultati scientifici e tecnologici che il progetto ECOPAT ha permesso di ottenere. In breve, lo studio ha considerato metodi alternativi per ottenere materiali compositi autorinforzati a partire sia da granuli che da fogli, che sono stati successivamente testati per valutare l’influenza dei parametri di processo sulle proprietà meccaniche finali.

Granuli e fogli da fibre bi-componenti commerciali
Per produrre fogli semi-finiti e granuli autorinforzati per, rispettivamente, i macchinari di stampaggio a compressione e iniezione, sono state usate inizialmente fibre bi-componenti commerciali.
A partire da questi materiali, sono stati prodotti tessuti non tessuti semi-finiti attraverso il processo di giunzione termica derivato dall’industria tessile (fig.1 – sinistra). Il processo riscalda le fibre fino alla loro temperatura di rammollimento, per cui le proprietà del tessuto sono le stesse del materiale di partenza.
I granuli sono stati invece ottenuti attraverso estrusione. Dato che tale processo prevede un cambio di fase del materiale, soggetto a temperature e pressioni elevate, sono stati eseguiti test di caratterizzazione morfologica e fisica per valutare la presenza di fibre di rinforzo e le proprietà reologiche del granulo.
Successivamente, si sono eseguiti test di stampaggio ad iniezione con i granuli e di stampaggio a compressione sia con i granuli sia con i tessuti per ottimizzare le condizioni di processo dei materiali (fig.1 – destra).
I risultati dei test meccanici e fisici sui provini stampati a compressione (fig.2) mostrano che:

  • le fibre di rinforzo in PP consentono un aumento della resistenza a trazione del composito autorinforzato fino all’86% rispetto alla matrice in PP di bassa resistenza, caratterizzata da una resistenza a rottura di 44,7 MPa

  • il modulo elastico diminuisce; il valore minimo del modulo elastico è stato riscontrato per il provino con la resistenza a trazione più alta. Rispetto alla matrice in PP di bassa resistenza, il modulo elastico del composito autorinforzato decresce fino al 18%

  • l’elongazione a rottura del composito autorinforzato è molto più bassa rispetto alla matrice e decresce di circa il 57-64%.

I risultati dei test meccanici e fisici sui provini stampati ad iniezione mostrano che:

  • le condizioni termodinamiche di processo degradano le fibre di rinforzo

  • le proprietà meccaniche dei provini sono confrontabili con quelle del materiale non rinforzato.

L’approccio di utilizzare fibre bi-componenti commerciali come materiale di partenza per le tecnologie di stampaggio ad iniezione e compressione è stato un metodo efficace ed a basso costo per ottenere compositi autorinforzati. L’utilizzo iniziale di queste fibre commerciali ha consentito ai partner di progetto di approfondire le proprie conoscenze sul comportamento e sulle condizioni termodinamiche in lavorazione delle plastiche autorinforzate.

Fogli da polimeri puri
Fogli semi-finiti in composito autorinforzato sono stati ottenuti dal polimero Metocene HM648T (nota 1) per la matrice e dal polimero enucleato Moplen HP500N (nota 2) come rinforzo. Attraverso un processo di avvolgimento motorizzato, sono stati prodotti in laboratorio fogli autorinforzati in modo uni-direzionale e bi-direzionale e per diverse combinazioni di strati di rinforzo (fig.3 – sinistra). I fogli semi-finiti sono stati successivamente pressati e riscaldati attraverso sistemi sia resistivi che induttivi.
Il metodo applicato, ovvero la compressione e il contemporaneo riscaldamento di strati di fibre di polipropilene orientate alternati a strati di PP basso fondente, ha portato alla produzione di compositi autorinforzati con proprietà meccaniche accettabili (fig.3 – destra). Quando viene utilizzato come matrice del composito, il PP Metocene consente di ridurre la temperatura di processo del composito. Ad ogni modo, è richiesta una selezione accurata delle condizioni termodinamiche per garantire una connessione appropriata fibra-matrice e preservare le ottime proprietà meccaniche delle fibre. Altri aspetti cruciali per ottenere un composito autorinforzato con proprietà meccaniche vantaggiose sono la scelta dello spessore più opportuno dello strato di matrice ed il numero di strati di rinforzo.
I risultati dei test di trazione si possono ritenere soddisfacenti. In effetti, pur con una quantità ridotta di fibre orientate di PP incluse nella matrice di PP, si nota un incremento significativo della resistenza a trazione del composito
rispetto alla matrice pura. In particolare, se il contenuto di fibra nel composito è di circa il 30% la resistenza a trazione raggiunge i 130 MPa (circa 225% in più rispetto alla matrice pura) mentre il modulo di Young è di circa 1,7 MPa (20% in più rispetto alla matrice pura). Ad ogni modo, le proprietà meccaniche del composito autorinforzato dipendono in modo sostanziale dalla disposizione delle fibre di rinforzo. Le fibre disposte in direzione parallela a quella di applicazione del carico rendono il materiale più resistente e rigido in misura evidente. Una disposizione delle fibre ortogonale, al contrario, indebolisce il materiale. I test a trazione dei provini ottenuti per stampaggio a compressione con il sistema di riscaldamento induttivo, nonostante alcuni problemi tecnici, come il riscaldamento non uniforme e la fuoriuscita di polimero fuso dallo stampo, forniscono risultati consistenti e simili a quelli già descritti.

Granuli da polimeri puri
Il co-polimero Lumicene (nota 3) come matrice e il polimero enucleato Moplen HP500N come rinforzo sono stati usati per produrre granuli attraverso il processo di co-estrusione. Dato che il materiale subisce un cambio di fase durante il processo ed è soggetto a temperature e pressioni elevate, è stato necessario eseguire una caratterizzazione morfologica e fisica per determinare la presenza di fibre e le proprietà reologiche del composito. Un controllo accurato delle condizioni termodinamiche di processo garantisce la presenza delle fibre all’interno dei granuli.
I granuli sono stati successivamente usati per produrre provini con il processo di stampaggio ad iniezione, eseguito su una semplice pressa a pistone da laboratorio riscaldata sia con sistemi a resistenza sia ad induzione.
I test di caratterizzazione meccanica e fisica dei provini in composito autorinforzato hanno dato esito soddisfacente (fig.4). Se il contenuto delle fibre nel composito è di circa il 35% la resistenza a trazione equivale a 30 MPa (un 7% in più rispetto alla matrice pura) mentre il modulo di Young 1.5 GPa (circa il 10% in più rispetto alla matrice pura). Si ottengono gli stessi risultati con la metà delle fibre. Molto probabilmente questo comportamento inaspettato è dovuto a fenomeni di aggregazione delle fibre nel provino per elevate quantità di fibre. I test a trazione eseguiti su provini prodotti per stampaggio ad iniezione con sistema di riscaldamento ad induzione forniscono risultati analoghi.

Riscaldamento ad induzione applicato a presse di stampaggio a compressione da laboratorio
I test eseguiti con sistema di riscaldamento ad induzione confermano che questa tecnologia è più efficiente di quella a resistenza, in particolare per i tempi di ciclo che possono essere drasticamente ridotti grazie al rapido riscaldamento dello stampo con una potenza uguale o addirittura inferiore. Allo stesso tempo, il controllo della temperatura è più accurato ed è possibile mantenere una temperatura praticamente costante durante la compressione – la deviazione non supera i 0,5° C. Tuttavia il problema principale di questo metodo è la distribuzione non uniforme di temperatura sulla superficie dello stampo, che dipende fortemente dallo stampo e dal design dell’induttore. Per risolvere il problema, è necessario ottimizzare la geometria dell’induttore attraverso analisi FE del processo di riscaldamento.

Riscaldamento ad induzione applicato a presse di stampaggio ad iniezione da laboratorio
Prove sperimentali del sistema di riscaldamento ad induzione eseguite su una pressa ad iniezione a pistone mostrano come questa tecnologia può essere facilmente adattata e applicata ai macchinari di stampaggio ad iniezione esistenti. A differenza dello stampaggio a compressione in cui il design dell’induttore e i parametri termodinamici dipendono fortemente dalla forma del componente da stampare e vanno settati ad hoc per ciascun caso, la progettazione di un sistema di riscaldamento ad induzione per il cilindro di plastificazione dei macchinari ad iniezione dipende soltanto dalla geometria del cilindro, dal numero e dalla collocazione delle zone riscaldanti e dalle condizioni termodinamiche di processo delle plastiche. Le analisi numeriche FE e le prove in laboratorio mostrano come questo sistema di riscaldamento sia altamente efficiente ed in grado di generare una distribuzione di temperature molto uniforme.

Prototipi del transpallet
La progettazione e la prototipazione del telaio e del gruppo pompa del transpallet sono state eseguite prendendo a riferimento le caratteristiche del poliammide rinforzato con fibre di vetro. Sono state eseguite sia analisi strutturali statiche che dinamiche ad impatto per il materiale di riferimento e il polipropilene autorinforzato (fig.5). La capacità di carico è stata ridotta da 1000 kg a 200 kg per riflettere la riduzione delle proprietà meccaniche del PP autorinforzato quando i componenti vengono prodotti per stampaggio ad iniezione.
Sono state inoltre eseguite analisi numeriche del processo di stampaggio ad iniezione per entrambi i materiali (fig.6).

I prototipi del progetto, ovvero:

  • il telaio e il gruppo pompa in composito rinforzato con fibre di vetro

  • la versione assemblata del transpallet in composito rinforzato con fibre di vetro

  • la leva del gruppo idraulico in PP autorinforzato

sono stati prodotti con successo (figure da 7 a 9) e testati su banco prova. Il transpallet completo è stato anche utilizzato per dimostrazioni e operazioni pratiche affidandolo a trasportatori che hanno caricato e trasportato agilmente pallet di peso medio pari a 700/800 kg.

Conclusioni
Gli obiettivi tecnico-scientifici del progetto ECOPAT sono stati raggiunti con la produzione di un prototipo di transpallet in scala reale in composito rinforzato con fibre di vetro, che ha permesso di valutare le performance del prodotto ed i benefici sulle condizioni di salute e sicurezza nei reparti di movimentazione merci. Il nuovo transpallet è più leggero del 55% rispetto a quelli tradizionali in acciaio e consente di semplificarne l’uso, di migliorarne la manovrabilità e di ridurre il rumore. Inoltre, il nuovo transpallet è caratterizzato da migliori qualità estetiche, facilità di pulizia e ottima resistenza alla corrosione. Pertanto, la nuova soluzione ha migliorato notevolmente le performance della movimentazione merci rispetto ai prodotti esistenti, consentendo il sollevamento in sicurezza di carichi fino a 1000 kg.
In parallelo, è stata condotta una ricerca sulle plastiche autorinforzate e sui loro processi di produzione, con lo scopo futuro di applicare questa nuova categoria di materiali alla produzione di transpallet. A partire da granuli e fogli in composito autorinforzato, sono stati realizzati provini per stampaggio a compressione e ad iniezione, utilizzati per la caratterizzazione delle proprietà fisiche e meccaniche del materiale. Inoltre, sono stati applicati due metodi di riscaldamento, il sistema classico a resistenza e il sistema d’avanguardia ad induzione. I provini sono stati confrontati rispetto a percentuale ed orientazione delle fibre di rinforzo, architettura degli strati e condizioni termodinamiche di processo. La ricerca ha portato alle seguenti conclusioni:

  • Nonostante la differenza di temperature tra matrice polimerica basso fondente e fibre di rinforzo alto fondenti sia ridotta e indipendentemente dal sistema di riscaldamento, le fibre sono presenti nei provini testati.

  • I provini stampati ad iniezione sono caratterizzati da proprietà meccaniche solo marginalmente migliori dei provini non rinforzati a causa di fenomeni quali il rilassamento, la parziale degradazione e l’agglomeramento delle fibre. È necessario proseguire la ricerca di base per migliorare le proprietà dei granuli in composito autorinforzato e dei processi di co-estrusione e di stampaggio ad iniezione prima di consentire il trasferimento delle tecnologie e l’applicazione del materiale a livello industriale.

  • I provini stampati a compressione presentano proprietà meccaniche notevolmente superiori a quelle dei provini non rinforzati, in particolare quando le fibre di rinforzo sono orientate nella direzione del carico. Non è necessario proseguire la ricerca di base, i processi tecnologici di produzione dei fogli semi-finiti e di stampaggio per compressione possono essere estesi dal laboratorio al livello industriale.

  • Il sistema di riscaldamento ad induzione consente di ridurre i cicli di lavorazione e i consumi di energia, di migliorare la velocità di risposta del controllo termodinamico senza influire sulle proprietà del composito autorinforzato. Se applicato agli stampi per il ciclo a compressione, questa tecnologia deve essere opportunamente progettata attraverso analisi numeriche per garantire un riscaldamento uniforme dei componenti. Al contrario, può essere facilmente applicata ai macchinari di stampaggio ad iniezione portando ad un risparmio di energia.

di Sergio Segreto – D’Appolonia

Gianmario Rossi – OMP

Alessio Luschi – Lifter

Thomasz Sterzynski – Poznan University of Technology, Poland

Janusz Krasucki – CIM-mes, Poland

Nota 1:da Basell Orlen Polyolefins

Nota 2:da Basell Orlen Polyolefins

Nota 3:da Total Petrochemicals

Ringraziamenti
Si ringrazia il supporto e il contributo finanziario forniti dalla Commissione Europea per il progetto ECOPAT “Development of a cost-effective and lightweight hand pallet truck for application in material handling” nell’ambito del 7° Programma Quadro e dello schema “Projects to the benefits of Small and Medium Enterprises”.


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