Materiali speciali e approccio progettuale per un design innovativo: un binomio essenziale nella

sostituzione dei metalli

Erico SPINI - Marketing & Application Development Director (Radici Plastics)

14 NOVEMBRE 2013 - JUST HOTEL LOMAZZO FIERA Lomazzo (CO)

Approccio metodologico al design con polimeri per uso ingegneristico :

� l’analisi funzionale

� l’analisi di impatto ambientale (eco-design)

� l’analisi dei costi

Sommario

�l’approccio FEA (design virtuale)

Esempi Applicativi :

� Poliammidi speciali per la sostituzione del metallo : staffa reazione

� Poliammide per coprimotore estetico per motore turbo

� Poliammidi per componenti estetici sedie stadio

Design con materie plastiche per applicazioni ingegneristiche

Obiettivo

Minimizzare il tempo necessario al raggiungimento del design ottimale di un prodotto tramite la riduzione delle iterazioni necessarie alla corretta definizione sia del materiale che della forma geometrica

� Definire le proprietà che si aspettano dall’applicazione tramite un confronto stretto tra progettista e fornitore di materia plastica (necessità implicite ed esplicite)

Analisi funzionale : comprendere le esigenze dell’ applicazione classificandole per ordine di importanza

� Definire eventuali funzioni aggiuntive che possano rendere l’applicazione ancora più attrattiva a confronto con la soluzione eventualmente già esistente (vantaggio competitivo)

Analisi funzionale : le funzioni dell’ applicazione sono descritte identificando in quale fase di vita si troverà

l’oggetto da progettare

Fase1• Trasformazione (iniezione, soffiaggio, estrusione)

Fase2

• Post lavorazione (montaggio, saldatura, verniciatura)Fase2 saldatura, verniciatura)

Fase3• Utilizzo

Fase4

• Fine utilizzo (riciclaggio, smaltimento)

Un processo in tre “steps” fondamentali

�Per ogni funzione associata alla fase di vita dell’oggetto andrà assegnato un fattore di importanza.

Analisi funzionale : traslare le funzioni richieste dall’applicazioni in proprietà del polimero

�Successivamente si procederà a tradurre le esigenze funzionali in proprietà associate al materiale da proporre.

�Sulla base delle caratteristiche richieste al materiale si proporranno formulazioni già esistenti o si procederà a definire una nuova formulazione

Questo approccio è parte integrante della politica del Gruppo Radici volto al miglioramento della “performance ambientale” dei propri prodotti e processi

Analisi impatto ambientale

• Radici aderisce allo standard internazionale GRI (Global ReportingInitiative).

GRI :

• Esprime, attraverso una struttura di indicatori interconnessi, una visione sistemica ed integrata della sostenibilità di business.

• I documenti informativi, dal 2011, sono certificati da un soggetto esterno indipendente

LCA

Life Cycle

Assessment

PCR

Product

Category Rule

EPD

Environmental

Product Declaration

Analisi impatto ambientale

Product

Category RuleProduct Declaration

La funzione fornita dal prodotto da confrontare, i dati e le metriche, sono regolati dalle Product Category Rules e riportati inDichiarazioni Ambientali di Prodotto, applicando la metodologia ed effettuando le misure in accordo con LCA (Life Cycle Assessment)

Life Cycle Assessment è definito dalla norma ISO 14040 come:“Classificazione e valutazioni degli input, degli output e dei potenziali impatti ambientali di un sistema di prodotto durante il

Analisi impatto ambientale

potenziali impatti ambientali di un sistema di prodotto durante il suo ciclo di vita”

Negli studi LCA comparativi non sono i prodotti stessi che costituiscono la base per il confronto, ma la funzione fornita da questi prodotti.

Radici Plastics ha implementato attività volte all’ottenimento di

Dichiarazioni Ambientali dei prodotti principali Radilon® certificate da un ente indipendente (EPD, Environmental Product Declaration)

Obiettivo :

Collegare la prestazione tecnica a quella

Analisi impatto ambientale

Collegare la prestazione tecnica a quella ambientale, scegliendo tra diverse alternative formulative e/o di processo quella a minore

impatto ambientale

Analisi impatto ambientale : esempio di confronto indicatori LCA

100

63

93

100 100

80

66

100 100

81

95100

LCA Indicators - EPD model PA Grade 1 PA Grade2

63

Global Warming

(GWP 100)

Ozone Layer

Depletion

Photochemical

Oxidation

Acidification Eutrophication Non

renewable, fossil

Esempio di confronto relativo a diverse categorie di impatto ambientale per due formulazioni a confronto : i dati relativi ai polimeri di base si riferiscono ai valori misurati riferendosi ai processi specifici di Radici

Esempi di sostituzione metallo per applicazioni strutturali

Sostituzione Metallo : criteri di selezione dei materialiper un design ottimale

�Analisi funzionale in stretta cooperazione con il cliente

�Selezionare il/i materiali candidati o progettare un prodottosu misura

�Effettuare l’analisi comparativa dei costi

�FEA per ottimizzazione geometria (design virtuale)

Esempio di re-design da metallo a plastica : staffa reazione scatola cambio

Fase Vita Funzione Importanza Proprietà richieste

al materiale

Trasformazione Produttività ** Fluidità

Uso Carico Abuso **** Resistenza a trazione a 23°C RH50

Uso Vibrazioni **** Resistenza a faticaUso Vibrazioni **** Resistenza a fatica

Uso Invecchiamento termico **** Resistenza meccanica dopo invecchiamento 120 °C, 3000 ore

Uso Condizioni operative (innesto/disinnesto marce)

**** Resistenza a fatica

Fine utilizzo Riciclaggio ** Riutilizzo comepost consumer

* Importanza marginale, **** Richiesta imprescindibile

Esempio di re-design da metallo a plastica : staffa reazione scatola cambio auto

Nome del componente : Staffa Reazione Scatola Cambio

Parti/anno : 150000Durata temporale della produzione : 6 anniMateriali : Radilon® A RV500RW versus Alluminio

Costi Relativi Radilon® A RV500RWN. cavità : 2

AllluminioN. cavità : 2

Materiale 100 80

Processo 30 110

Assemblaggio 15

Post lavorazioni 35

Ammortamento attrezzature

10 28

Costo totale 155 253

Costo Soluzione in poliammide -38%

Esempio di re-design da metallo a plastica : staffa reazione scatola cambio auto

STEP 1 STEP 2

Esempio di

progettazione

“virtuale” da metallo

a plastica attraverso

“steps” successivi di

ottimizzazione.

Ottimizzazione

Geometria del

Manufatto

Simulazione

Riempimento

Stampo

Stress

Analisi

Esempio di design nuovo componente in PA: coperchio motore turbo

Fase Vita Funzione Importanza Proprietà richieste al

materiale

Trasformazione Produttività *** Alta fluidità

Trasformazione Aspetto estetico **** Alta fluidità, tipologia additivi

Trasformazione Depositi stampo *** Sistema FR appropriato

* Importanza marginale, **** Richiesta imprescindibile

Post lavorazione Verniciatura (alcune versioni)

**** Adesione PA-Vernice

Uso Vibrazioni *** Resistenza a fatica

Uso Invecchiamento termico **** 65% resistenza a trazione dopo 1000 ore a 170 °C

Uso Resistenza alla fiamma **** UL V0 a 0,8 mm dopo 3000 ore a 170 °C in aria (norma GMV 16864)

Fine utilizzo Riciclaggio *** Recupero come post consumer

Esigenze funzionali e formulazione su misura: esempio di coprimotore innovativo per motore turbo

Sulla base degli input provenienti dall’analisi funzionale si è provveduto allo screening di diverse formulazioni tramite test interni e presso il cliente.

Prodotto omologato :Prodotto omologato :

Radiflam® A RV150HHR AF 3700 BK(PA66-15% FV, con elevatissima protezione all’invecchiamento termico , alta fluidità, aspetto superficiale superiore, ritardante alla fiamma UL-V0)

Tempo necessario allo sviluppo :1 anno circa

Esempio di design nuovo componente in PA: sedute stadi Brasile 2014

Fase Vita Funzione Importanza Proprietà richieste al

materiale

Trasformazione Produttività *** Alta fluidità

Trasformazione Aspetto estetico **** Alta fluidità, selezione additivi

Trasformazione Colorabilità in diverse tonalità (seduta)

**** No fosforo rosso

Uso Resistenza UV **** 10 anni esposizioneUso Resistenza UV **** 10 anni esposizione

Uso Resistenza alla fiamma **** UL-V0 a 3 mm spessore

Uso Resistenza Meccanica (Bracciolo)

*** Resistenza rottura a trazione

Uso, Fine utilizzo (Rispetto Normative ambientali)

No alogeni **** No sistemi antifiamma con alogeni

Fine utilizzo Riciclaggio *** Recupero come post consumer

* Importanza marginale, **** Richiesta imprescindibile

Sulla base degli input provenienti dall’analisi funzionale si è provveduto allo screening di diverse formulazioni tramite test interni e presso il cliente.

Prodotti omologati :

Esigenze funzionali e formulazione su misura: esempio di sedute per stadio mondiali di calcio Brasile 2014

Prodotti omologati :

. Radiflam® S RV120UK HF per le sedute (PA6-FV12, stabilizzataUV, colori diversi, esteticaeccellente)

. Radiflam ®S RV300UK HF Bkper i braccioli (PA6-FV30, stabilizzata UV, esteticaeccellente, resistenzameccanica elevata)

Tempo necessario allo sviluppo : 18 mesi circa

Conclusioni

�Come dimostrato in questi esempi applicativi la poliammide è uno dei materiali plastici più versatili adatto per innumerevoli applicazioni in settori industriali con esigenze anche molto diversificate

�La versatilità e la grande flessibilità nel formulare prodotti su misura permette un approccio progettuale e di design con pochi limiti imposti al progettista e/o designerlimiti imposti al progettista e/o designer

�Per progetti complessi, sia nella sostituzione dei metalli che per nuove soluzioni partendo dalla plastica, l’analisi funzionale, di impatto ambientale, dei costi e il supporto FEA possono essere fattori decisivi nel centrare il materiale più idoneo da subito

�Radici sta introducendo un nuovo approccio nella scelta del polimero più corretto ponendo grande attenzione all’impatto ambientale. Il concetto di eco-design potrebbe a breve diventare un fattore imprescindibile nella scelta dei materiali

Grazie per l’attenzione

Erico SPINI - Marketing & Application Development Director (Radici Plastics)

14 NOVEMBRE 2013 - JUST HOTEL LOMAZZO FIERA Lomazzo (CO