Materiali speciali e approccio progettuale per un design innovativo: un binomio essenziale nella...
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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)
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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
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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
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� 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)
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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)
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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
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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
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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)
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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.
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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
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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
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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)
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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
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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%
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Grazie per l’attenzione
Erico SPINI - Marketing & Application Development Director (Radici Plastics)
14 NOVEMBRE 2013 - JUST HOTEL LOMAZZO FIERA Lomazzo (CO