La filiera lombarda degli Advanced Polymers si riunisce in Afil (Associazione Fabbrica Intelligente Lombardia) per condividere e vagliare le priorità industriali di interesse sul tema: il fine è quello di cogliere le opportunità derivanti dal Pnrr e soprattutto dalla progettualità europea. Tra le tecnologie di frontiera emergenti la plastronica e quella dei polimeri e compositi intelligenti. 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 ad implementare logiche di economia circolare. La Lombardia è fra le principali Regioni europee per la produzione e la trasformazione della plastica.
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.
Si pensi a all’iniziativa europea Vanguard, che offre una piattaforma a imprese, cluster e istituti scientifici per unire le forze nella ricerca di soluzioni innovative. Ad oggi hanno aderito 39 tra le regioni industriali più avanzate del Vecchio Continente. Nella pratica, in Vanguard si implementano progetti pilota, che poi vengono internazionalizzati. Ci sono cinque use case in tema di Advanced Polymers, guidati da altre Regioni -la Catalonia e la Auvergne Rhone Alpes-, che hanno chiesto espressamente alla Lombardia di essere della partita per via delle sue competenze industriali sulla plastica. Quanto alle opportunità offerte dal Pnrr, il Piano nazionale di ripresa e di resilienza «è aperto alle specializzazioni regionali» – afferma Copani.
Ora, «se la strategic community è il contenitore, bisogna definire i contenuti» – afferma Copani. Quanto alla plastronica, sembra un campo molto promettente. È una tecnologia che, utilizzando materiali poco costosi, permette di ottenere degli oggetti smart, funzionalizzati, in grado di misurare, elaborare e trasmettere dati e grandezze; e, di conseguenza, di abilitare servizi come la manutenzione predittiva o l’assistenza da remoto. Quanto ai polimeri e compositi intelligenti, si tratta di individuare quelle tecnologie in grado di conferire ai prodotti funzionalità aumentate, perché possano inserirsi nella citata economia circolare. Bisogna pertanto agire su tre fronti: quello dell’allungamento della vita del prodotto, quello della sua riciclabilità e quello della sua intrinseca sostenibilità. Di tutto questo, peraltro, si è parlato al webinar “La filiera lombarda degli advanced polymers si riunisce in Afil”. 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 leadership europea della Lombardia nella plastica
L’Europa copre circa il 16% della produzione mondiale di plastica, e la Lombardia, con una realizzazione e trasformazione di 50,7 milioni di tonnellate, è fra le regioni più importanti nel Vecchio Continente. In effetti 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.
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.
Frontiere della plastronica
1) La Plastronica: la funzionalizzazione dei prodotti
La Plastronica consente di ottenere dispositivi leggeri e flessibili innestabili in prodotti dalle geometrie complesse funzionalizzati con materiali poco costosi e realizzabili su larga scala. Attualmente, però, è più una linea di ricerca che un’attività produttiva. «Assistiamo – afferma Sardini – alla potente 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) A che serve la 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».
5) Il sensore di deformazione nell’oggetto smart
Secondo la ricercatrice di ingegneria industriale dell’informazione Michela Borghetti «questa tecnica potrebbe rivelarsi particolarmente utile nella robotica. Il braccio di plastica dei robot tende infatti a deformarsi nel caso in cui debba operare con carichi importanti. 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
«Quando si parla di polimeri e di compositi non si può prescindere dalle logiche dell’economia circolare» – afferma Griffini. 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.
Pertanto bisogna agire in tre ambiti. Anzitutto, sull’allungamento della vita del prodotto, utilizzando materiali in grado di proteggere i beni, di fornire funzionalità sensoristica senza l’aggiunta di elementi esterni. In secondo luogo, sull’accesso a scenari di vita del prodotto più sostenibili, con riciclo, riparazione, riuso e rimanifattura. In terzo luogo, sull’impiego e sulla 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.
3) Obiettivi per la strategic community lombarda in tema di polimeri e compositi intelligenti
In materia di polimeri e compositi intelligenti, gli obiettivi per la strategic community lombarda sono, secondo Griffini, tre: «Incrementare la competitività regionale nell’ambito delle plastiche intelligenti attraverso azioni di networking cross-settoriale; sviluppare nuove filiere trasversali mirate all’incremento del valore aggiunto di materiali e prodotti; e infine, istituire cordate per la partecipazione a bandi di finanziamento pubblico a livello regionale, nazionale ed europeo». La Community è aperta: le imprese interessate sono pregate di unirsi ad Afil.
