Il primo obiettivo pratico per la filiera lombarda degli Advanced Polymers – riunita in Afil (Associazione Fabbrica Intelligente Lombardia) – è quello di dar vita ad un white paper della community, e cioè un documento condiviso che descriva le priorità e la specializzazione regionale in tema di plastronica e di materiali polimerici e compositi che siano “smart”. La prima consiste nell’integrazione di componenti elettronici nella plastica; la seconda si riferisce invece a materiali che hanno caratteristiche tali da renderli “intelligenti”, in quanto in grado di comportarsi in maniera pre-stabilita, reagendo a determinati contesti applicativi. Tale capacità è necessaria, oltre che a rendere i materiali più performanti, anche ad implementare logiche di economia circolare. Il white paper è necessario per “mettere nero su bianco e presentare compiutamente le eccellenze della Regione Lombardia in questo ambito di specializzazione – dice Giacomo Copani, Cluster Manager di Afil -, oltre che per darsi un piano di sviluppo basato su una strategia lombarda chiara e condivisa”. Si prevede di terminarlo entro luglio 2022 poi presentarlo alla Regione Lombardia per favorire l’applicazione di strumenti di finanziamento sul territorio.
Per conseguire l’obiettivo, la filiera degli Advanced Polymers ha definito un programma di incontri periodici tra tutti gli stakeholder interessati. Afil è l’associazione che, guidata dal presidente Diego Andreis, porta all’attenzione della Regione le priorità della ricerca e innovazione della manifattura. I motori della progettualità di Afil sono le strategic community, comunità di esperti di imprese che individuano le esigenze di settore per consentire all’ente territoriale di sviluppare una programmazione di medio e lungo termine; inoltre, implementano iniziative di R&I in ottica di filiera e sfruttano le opportunità di finanziamento offerte dallo scacchiere regionale, ma anche nazionale ed europeo. Ed è appunto a queste opportunità che guarda la strategic community “Advanced polymers”, già attiva in Afil e che riunisce, secondo il cluster manager dell’associazione Giacomo Copani, i campioni dell’innovazione lombarda. È un gruppo aperto, nella consapevolezza che le opportunità si colgono più facilmente quando si dà vita ad una massa critica importante. Pertanto, la community punta ad un constante allargamento.
Al di là del white paper, tra gli altri obiettivi strategici della community si possono segnalare: l’incremento della competitività regionale nelle plastiche intelligenti con azioni di networking cross-settoriale; lo sviluppo di nuove filiere trasversali, per incrementare il valore aggiunto di materiali polimerici e compositi; la realizzazione di partnership con stakeholder europei di riferimento; infine, istituire cordate per la partecipazione ai citati bandi di finanziamento pubblico. Di tutto questo, peraltro, si è parlato ad una riunione della strategic community “Advanced Polymers”. Sono intervenuti, oltre a Copani, il docente al Politecnico di Milano (dipartimento di chimica, materiali e ingegneria chimica “Giulio Natta”) Gianmarco Griffini, il docente di ingegneria industriale e dell’informazione dell’università di Brescia Emilio Sardini.
La strategic community “advanced polymers”: sfide e tematiche target
1) Lombardia leader europea nella plastica
La Lombardia è fra le principali Regioni europee per la produzione e la trasformazione della plastica. Il Vecchio Continente copre circa il 16% della produzione mondiale di plastica, e la Lombardia, realizza e trasforma 50,7 milioni di tonnellate. Peraltro la Lombardia emerge sia per la produzione di materie plastiche che per quella di compositi avanzati (diretta ai mercati dell’automotive, della nautica e dell’aerospaziale), che per quella delle macchine della lavorazione di questi materiali.
2) Le sfide della community
Secondo Griffini, nell’ambito dell’industria 4.0 acquistano sempre maggiore importanza le tecnologie in grado di aggiungere funzionalità ai prodotti a base di materiali polimerici e compositi: queste, infatti, consentono l’integrazione in piattaforme intelligenti, capaci di favorire la transizione verso logiche di economia circolare. Dunque gli ambiti di interesse sono questi: anzitutto, l’impiego di precursori bioderivati e sostenibili per la produzione dei citati materiali; l’accesso a scenari di vita più sostenibili, con riciclo, riparazione, riuso e remanufacturing; infine, il monitoraggio delle prestazioni del prodotto durante la vita utile con strategie innovative di sensorizzazione.
3) Le tematiche target della community
Quanto alle tematiche target, sono quelle dei materiali (polimerici e compositi) bioderivati; di quelli intelligenti per compositi riprocessabili, riparabili, riciclabili; le tecnologie di lavorazione e produzione dei componenti di base; i prodotti integrati con sensori embedded e la gestione dei dati provenienti dagli oggetti intelligenti, per la progettazione ottimizzata e la manutenzione predittiva.
4) Il percorso della community
Quanto al percorso studiato per realizzare il citato White Paper, sono previsti incontri periodici, della durata di due ore con periodicità mensile. Tra un incontro e l’altro, i partecipanti svolgono task condivisi, con il supporto e la facilitazione delle persone del Cluster Afil. Ogni incontro prevede, a turno, la presentazione delle competenze e delle esperienze dei membri del gruppo di lavoro. Sarà così possibile mettere a sistema le capacità regionali, fare filiera, mappare gli attori lombardi attivi su questo tema, definire le principali linee progettuali, realizzare indagini di mercato per identificare le opportunità e valutare tutte le chance di finanziamento percorribili.
5) Le opportunità offerte dall’Europa
Quanto ai progetti pilota di Vanguard, sono “Smart plastronic components” (guidato dalla Alvernia-Rodano-Alpi e dalla Catalogna); “Nano-functionalised polymer products” (Catalogna); “Sustainable coating and surface treatments on polymers for demanding applications” (Lombardia, Navarra); “Polymeric bio-based solutions” (Alvernia-Rodano-Alpi e Navarra); “Advanced lightweight polymer composites” (East Netherlands). Ci sono altri progetti europei in tema di questi polimeri o compositi: BioMac, che si occupa di nanomateriali bio-based; FiberEUse, a proposito di economia circolare sistemica dei compositi in fibra di vetro e di carbonio; Poliste, che riguarda i polimeri avanzati basati su lignina; e Composer, circa i materiali compositi carbo-rinforzati. «Altre Regioni, soprattutto l’Alvernia-Rodano-Alpi e la Catalogna, che conoscono la forza industriale e le capacità di innovazione della Lombardia, ci chiedono di essere della partita e di portare avanti questi use case insieme a loro. Noi aderiamo alla sfida, perché pensiamo di essere in grado di sostenerla» – afferma Copani.
La plastronica e la funzionalizzazione dei prodotti
1) Il contesto
La plastronica (chiamata in inglese Molded Interconnect Device, o Mid) è un metodo per combinare plastica ed elettronica. Questa tecnologia permette di integrare circuiti elettronici direttamente su particolari stampati ad iniezione termoplastici. Si ottengono dispositivi leggeri e flessibili innestabili in prodotti dalle geometrie complesse funzionalizzati con materiali poco costosi e realizzabili su larga scala. Secondo Sardini «si assiste all’avanzata delle tecnologie digitali, che sono in grado di portare valore aggiunto a processi e prodotti tradizionali. La loro forza consiste nell’utilizzo di dati generati da sensori che acquisiscono i valori di grandezze fisiche a fini diagnostici, di manutenzione predittiva e altro. Oggi l’additive manufacturing (AM) consente, con il deposito di materiali specifici e con tecniche di natura elettronica, la funzionalizzazione dei prodotti, e quindi la realizzazione di oggetti che dispongono delle capacità tipiche dei sensori». Questi oggetti sono detti «smart object».
2) Smart object attivi e passivi
Gli smart object attivi sono quelli che, oltre ai sensori, dispongono di tutta l’elettronica di elaborazione dei dati, dei dispositivi di comunicazione nonché delle sorgenti di energia. In pratica: chip, power supply unit, transceiver e altro. Misurano, elaborano e trasmettono. Gli smart object passivi, invece, sono più poveri di componentistica. Alcuni dispongono del solo sensore. Tuttavia, sono ugualmente in grado di eseguire funzioni di misurazione. Come? Con la Readout unit. In pratica, ci si avvicina all’oggetto con uno smatphone o con un tablet, e le informazioni vengono recuperate sui device. L’elemento di trasmissione è completamente passivo.
3) Possibili applicazioni della plastica intelligente
«Grazie agli smart object, possiamo ottenere il monitoraggio dello stato dell’oggetto, ad esempio sulla deformazione della struttura portante, anche realizzata in compositi. Ma si possono anche misurare i parametri che interessano l’ambiente nel quale l’oggetto si trova. Si pensi ad un contenitore di plastica che misura lo stato di conservazione degli alimenti. In generale, tutte queste informazioni abilitano servizi e funzioni come la manutenzione predittiva, la collaborazione tra oggetti e l’assistenza da remoto» – afferma Sardini.
4) A Brescia il primo sistema di Aerosol Jet Printing
«Nei laboratori dell’università di Brescia abbiamo realizzato il primo esempio di un sistema di Aerosol Jet Printing» – afferma il ricercatore al dipartimento di Ingegneria Industriale Edoardo Cantù. Si tratta di una tecnologia innovativa per la deposizione selettiva di materiali (dielettrici, conduttivi, biologici) su scala micron, e su qualsiasi substrato o anche non piatto, 3D o flessibile. In pratica, dopo la realizzazione di un pattern geometrico in ambiente Cad, un particolare inchiostro viene atomizzato; si ottiene un aerosol che viene indirizzato tramite un ugello di scrittura verso un substrato. Si possono realizzare forme disparate, come angoli e trincee. Nel modello realizzato a Brescia, si dà vita a tracce da 10 micron a qualche millimetro, con uno spessore da 100 nanometri a qualche millimetro. «È una tecnica versatile, con un range ampio di viscosità, ed è questo che consente di lavorare su materiali moto diversi tra di loro» – afferma Cantù. Va detto che per la realizzazione di elettronica stampata si associa all’Aerosol Jet Printing anche il Flash Lamp Annealing, un metodo di lavorazione termica in cui le superfici vengono riscaldate con durate tipiche del trattamento da diversi microsecondi fino ad alcuni millisecondi. «In questo modo non si verificano bruciature, distorsione dei substrati o ossidazione» – afferma Cantù. Grazie a questi sistemi, «riusciamo ad integrare in oggetti anche tipici della realtà industriale sensori, circuiti, elettronica, antenne».
4) I fotopolimeri
Un altro campo interessante è quello dei fotopolimeri, materiali con gruppi fotofunzionali che modificano la propria struttura chimica quando vengono esposti a piccole quantità di energia luminosa. Possono essere utilizzati per la realizzazione di piste conduttive, microcanali e microstrutture con una geometria ottimizzata per ridurre le perdite ohmiche (conversione dell’energia elettromagnetica in termica).
5) Il sensore di deformazione nell’oggetto smart
Questa tecnica potrebbe rivelarsi particolarmente utile nella robotica. Per questo è importante la manutenzione predittiva, che può essere realizzata grazie al sensore di deformazione. Ma come si innesta il sensore nella plastica? Lo si “inserisce” associando la citata tecnica Aerosol Jet Printing con il photonic curing, e cioè con l’elaborazione termica ad alta temperatura di un film sottile utilizzando la luce pulsata di una lampada flash. Con la prima si depositano le piste, con il secondo queste sono funzionalizzate.
Materiali polimerici e compositi intelligenti al servizio dell’economia circolare
1) Rapporti tra materiali polimerici e compositi ed economia circolare
Polimeri e compositi sono strettamente legati alle logiche dell’economia circolare. Quest’ultima si basa sull’idea che i “rifiuti” di un processo possano diventare “alimenti” per un altro. In questo modo, una materia trasformata in prodotto trova una seconda vita come sottoprodotto. Ciò comporta strategie industriali che prevedano il riutilizzo, la condivisione, la riparazione, il rinnovo, la rigenerazione e il riciclaggio per creare un sistema a circuito chiuso. Perché il meccanismo funzioni, bisogna mobilitare e collegare in rete le parti interessate di tutti i settori relativi ad una certa risorsa. I costi e i tempi di produzione di polimeri e compositi spiegano da soli l’importanza di questo modello per questi materiali. In questo contesto, assumono rilievo tecnologie in grado di aggiungere ai prodotti a base di polimeri e compositi funzionalità aumentate, in grado di inserire i prodotti in una logica di economia circolare. Sono stati pertanto individuati tre ambiti di azione. Anzitutto, l’allungamento della vita del prodotto. In secondo luogo, l’accesso a scenari di vita del prodotto più sostenibili, con riciclo, riparazione, riuso e rimanifattura. In terzo luogo, l’impiego e la lavorazione di precursori intrinsecamente sostenibili.
2) Polimeri e compositi funzionali, intelligenti e bioderivati
Quanto appenda detto a proposito dei tre ambiti, porta alla realizzazione di polimeri e compositi anzitutto funzionali. Si fa l’esempio di sistemi polimerici micro-strutturati, dotati di micro-capsule che a seguito di rottura possono rilasciare elementi fotocromici, termocromici e luminescenti, in grado di rendere visibile il danno. Con il colore rendono manifesta la lesione. O altrimenti di rivestimenti polimerici intrinsecamente durevoli, perché antigraffio, anti-appannamento o ad alta durezza. Quanto ai polimeri e ai compositi intelligenti, si pensi ai materiali in grado di riparare un danneggiamento meccanico a seguito di stimolo termico o fotochimico; o ai rivestimenti o ai componenti contenenti microcapsule meccanico-responsive con capacità auto-riparanti, che rilasciano sostanze che “curano” il bene lì dove si è prodotta una lesione; o infine a materiali termoindurenti (che in genere non possono essere riciclati) reversibili, che a seguito di impulsi termici modificano la struttura intrinseca dei materiali.
Quanto infine ai polimeri e ai compositi bioderivati, sono quelli intrinsecamente sostenibili e (anche) potenzialmente biodegradabili. «Queste plastiche presentano impieghi a 360 gradi» – afferma Griffini. Ad esempio, nei rivestimenti protettivi e decorativi, nelle colate per lo stampaggio, e altro. Tra le sostanze che si possono utilizzare, la lignina, le microalghe, gli olii vegetali, gli amidi, i poli-idrossi-alcanoati, i composti furanici e altro. La Strategic Community “Advanced Polymers” del Cluster Afil è aperta a tutte le imprese, organismi di ricerca, fornitori di tecnologie, società di trasferimento tecnologico e Associazioni Industriali che vogliano fare filiera e massa critica intorno a questo tema, insieme al Cluster e alla Regione Lombardia. Unirsi al Cluster e alla Community è molto semplice e lo si può fare attraverso il sito web di Afil.
