Ridurre le emissioni di CO2 con i biopolimeri fibrorinforzati

L’industria vuole e deve dimezzare le proprie emissioni di CO2entro il 2030, in linea con i requisiti del governo federale tedesco. Il design leggero può dare un contributo significativo in questo senso, consentendo di risparmiare molte tonnellate di CO2 all’anno.

Nell’ambito del progetto Cooperate (acronimo di CO₂-neutral, lifetime-optimized, short-fiber-reinforced thermoplastics for dynamic applications), i partner stanno lavorando per ridurre le emissioni di CO₂ nella progettazione di componenti leggeri per veicoli che devono essere in grado di sopportare elevati carichi meccanici e dinamici. Si tratta, ad esempio, di componenti in plastica portanti, come i supporti del motore o le barre di accoppiamento, che fanno parte del telaio.

Dalle plastiche a base fossile ai biopolimeri

Per ridurre la necessità di CO₂ nella produzione di componenti in plastica, i partner del progetto stanno combinando due approcci. In primo luogo, stanno sostituendo le plastiche a base fossile con quelle a base biologica (cioè i biopolimeri rinforzati con fibre). Questi ultimi sono prodotti da materie prime rinnovabili, come i sottoprodotti agricoli. Un aspetto del progetto riguarda l’ottimizzazione di una biopoliammide derivata dall’olio di lino da utilizzare in componenti durevoli e leggeri soggetti a vibrazioni. In secondo luogo, i ricercatori stanno riducendo le emissioni di gas serra dannose per l’ambiente sviluppando un design specifico per il materiale e riducendo la quantità di materiale utilizzato.

I partner stanno quindi sviluppando metodi migliori per la progettazione di componenti che favoriscano un uso più economico dei materiali. La resistenza alle sollecitazioni del materiale è uno dei fattori da considerare in questo processo. L’obiettivo è ridurre la quantità di materiale utilizzato del 20-30%. Ciò comporterà a sua volta una riduzione dell’energia necessaria per riscaldare e fondere i materiali nel processo di produzione.

“I sostituti ecologici possono ridurre le emissioni di CO₂ di oltre il 50% nell’intero ciclo di vita. Ci stiamo concentrando sul materiale della matrice nella composito e stiamo dimezzando le emissioni rispetto alle plastiche convenzionali, ottenendo 4,5 kg di CO₂ per kg di peso del prodotto contro 9 kg di CO₂ per kg di peso del prodotto”, afferma Georg Stoll, responsabile del progetto e ricercatore del Fraunhofer LBF di Darmstadt. “La conseguente diminuzione del peso del veicolo significa anche che è necessaria una minore potenza di trazione, che a sua volta riduce l’impronta di carbonio”.

Il Fraunhofer LBF sta lavorando all’ottimizzazione del processo di progettazione e alla sostituzione dei materiali di origine fossile insieme a Boge Elastmetall (produttore di sistemi di controllo delle vibrazioni e di componenti in plastica per l’industria automobilistica), Tecnaro (azienda che sviluppa biopolimeri e biocompositi a partire da materie prime rinnovabili) e alla cattedra di compositi di carbonio (LCC) dell’Università tecnica di Monaco. Il Ministero federale tedesco per gli Affari economici e l’Azione per il clima (Bmwk) finanzia il progetto.

Migliore valutazione del ciclo di vita

Nell’ambito del progetto sono stati sviluppati nuovi metodi di calcolo che tengono conto delle influenze della produzione sul comportamento quasi statico e ciclico dei materiali. Grazie a questi metodi di simulazione migliorati, è possibile stimare le proprietà dei materiali, come la rigidità e la resistenza, basandosi ad esempio sulla disposizione delle fibre nel componente.

“Stiamo simulando sia il processo di produzione che il comportamento del componente. Questo ci permette di determinare, fin dal processo di progettazione e sviluppo virtuale, come progettare il componente in modo da utilizzare meno materiale”, spiega il ricercatore.

Il Fraunhofer LBF e il LCC dell’Università Tecnica di Monaco stanno sviluppando i modelli necessari per caratterizzare il comportamento del materiale nel componente finito, che si basano sui dati sperimentali raccolti dal Fraunhofer LBF e sui dati forniti da Boge Elastmetall.

Caratteristiche e prestazioni

Le geometrie dei campioni realizzati con il biopolimero vengono attualmente prodotte con il processo di stampaggio a iniezione e caratterizzate sui banchi di prova del Fraunhofer LBF. I test stanno fornendo importanti indicazioni sull’influenza della temperatura, dell’umidità e dei raggi di intaglio nella geometria del componente sulla rigidità e sulla durata strutturale del materiale.

Vengono prese in considerazione anche le caratteristiche acustiche e vibrazionali, per poter ridurre efficacemente o sopprimere completamente le vibrazioni indesiderate e i rumori molesti. In fin dei conti, le future finiture in plastica o i pannelli delle portiere non devono tintinnare e qualsiasi rumore interno deve essere idealmente impercettibile per gli occupanti del veicolo. Sono in corso test su un prototipo di barra di accoppiamento. L’obiettivo è ottimizzare la sua forma nel corso del progetto per ridurre l’uso di materiale.

“Le prestazioni dei biopolimeri sono in continuo miglioramento e oggi le plastiche a base biologica hanno quasi le stesse proprietà delle loro controparti a base fossile, che sono state ottimizzate per decenni. Tuttavia, progettare un componente sostenibile che possa sostenere gli stessi carichi di un componente realizzato con materiali ad alta intensità di gas serra, pur pesando meno, è ancora una grande sfida”, spiega Stoll.

I partner del progetto intendono utilizzare i nuovi metodi, efficienti dal punto di vista delle risorse, e le migliori proprietà dei materiali per la progettazione leggera per aprire la strada all’uso dei biopolimeri in altri settori tecnologici e campi di applicazione, come l’ingegneria meccanica.