Progetto composer

INIZIATIVE E PROGETTI PER UN MANIFATTURIERO LOMBARDO CIRCOLARE

di Andrea Mazzoleni, AFIL; Eleonora Manarin, Gianmarco Griffini, POLIMI-CMIC; Marcello Colledani, Marco Diani, POLIMIMECC; Maryam Mirpourian, CNR-STIIMA; Giacomo Copani, CNR-STIIMA/AFIL

COMPOSER “Carbon-fiber reinforced cOMPOsites for Sustainable circular Economy models based on Repair and Remanufacturing for Reuse” è un progetto di ricerca finanziato da Fondazione Cariplo, iniziato nel 2018 e della durata di tre anni, coordinato dal Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano e che vede la partecipazione del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano e C dell’Istituto di Sistemi e Tecnologie Industriali Intelligenti per il Manifatturiero Avanzato (STIIMA) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR).

COMPOSER si concentra sull’implementazione dei principi dell’Economia Circolare per dimostrare la sostenibilità economica e ambientale di catene del valore innovative basate sul riciclo e recupero di prodotti in materiale composito a matrice polimerica e fibre di carbonio.

Nello specifico, il progetto ha lo scopo di sviluppare tecnologie in grado di consentire una riduzione dell’utilizzo di fibre di carbonio vergini e di implementare logiche di riparazione, riutilizzo e riciclo della matrice polimerica e delle fibre di carbonio, promuovendo un approccio sistemico alla valorizzazione di prodotti a fine vite in materiale composito.

Nell’ultimo decennio, l’utilizzo di materiali compositi a matrice polimerica termoindurente rinforzati con fibre di carbonio (conosciuti come CFRPs : Carbon Fiber Reinforced Polymers) è cresciuto significativamente in diversi settori di mercato (trasporti, costruzioni, beni di consumo, sport, etc).

Con la crescente quantità di CFRPs utilizzati in tutto il mondo, i corrispondenti rifiuti, inclusi gli scarti di produzione e i

componenti a fine vita, stanno lentamente ma costantemente raggiungendo livelli significativi, portando ad una crescente richiesta di attuazione di strategie per la loro gestione. Tuttavia, a causa della natura termoindurente della matrice polimerica usata, il recupero dei componenti non può essere intrapreso impiegando processi convenzionali di termoformatura o fusione come nel caso dei polimeri termoplastici. Inoltre, l’intrinseca natura eterogenea di questi materiali rappresenta un ulteriore grande ostacolo al loro riciclo e riutilizzo. Attualmente, la gestione dei rifiuti CFRPs è tipicamente basata sullo smaltimento in discarica o sull›incenerimento, che tuttavia richiedono sforzi economici sempre più ingenti a causa dei costi non trascurabili associati a questi processi. Un altro problema riguarda le crescenti preoccupazioni ambientali che hanno portato negli anni a severe condizioni di gestione circa lo smaltimento dei rifiuti in materiale composito (si pensi alle direttive UE 1999/31/CE e 2000/53/CE).

Oltre a queste considerazioni, un altro fattore determinante per il riutilizzo e la rimanifattura di parti in CFRPs è legato agli attuali costi elevati delle fibre di carbonio (FC) vergini, nell’ordine di 20-50 $/ kg. Inoltre, l’energia di produzione richiesta per la loro produzione è attualmente stimata nell’ordine di 198-594 MJ/kg, ben al di sopra della quantità equivalente necessaria per ottenere fibre di carbonio riciclate (11-36 MJ/kg).

Questo scenario ha aumentato la consapevolezza ambientale ed economica sulla necessità di percorsi sostenibili per la gestione e la valorizzazione dei rifiuti CFRPs, e di conseguenza la necessità di definire una corretta strategia di gestione dei rifiuti verso una vera e propria Economia Circolare.

In risposta alle attuali sfide e alle nuove necessità appena descritte, il progetto COMPOSER si pone l’obbiettivo di sviluppare un approccio olistico per il trattamento dei rifiuti CFRPs nella loro integrità (riparazione, demanifattura, rimanifattura e riutilizzo del componente in CFRP, recupero completo sia delle fibre di carbonio sia della matrice termoindurente), il tutto inquadrato all’interno di nuovi modelli di business propri dell’Economia Circolare, economicamente validi e ambientalmente sostenibili. L’approccio multidisciplinare del progetto è incentrato su quattro punti fondamentali:

Sviluppo di matrici epossidiche innovative, termicamente reattive e intelligenti, progettate per permettere la riparazione e la demanifattura/rimanifattura del composito rinforzato con fibra, consentendone un effettivo riutilizzo a fine vita;

Ottimizzazione di efficienti protocolli di riparazione e demanifattura/rimanifattura dei CFRPs per il recupero e il riutilizzo di componenti e materiali;

Implementazione di opportuni protocolli di analisi e ispezione non distruttiva dei componenti in CFRP;

Messa a punto di nuovi modelli di business basati sui paradigmi fondamentali dell’Economia Circolare attraverso l’analisi di diverse opzioni di logistica inversa nell’ambito dei CFRPs.

In questo quadro, il Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano ha messo a punto una serie di azioni innovative per lo sviluppo di nuovi polimeri termoindurenti termicamente reversibili da impiegare come matrici polimeriche per CFRPs. In particolare, nella fase di progettazione e produzione del materiale sono state introdotte nuove funzionalità chimiche in grado di promuovere processi di demanifattura e rimanifattura nei CFRPs.

Tali funzionalità sfruttano la presenza di legami dinamici termicamente reattivi che ne consentono la riparazione, la saldatura, la rimanifattura e il riutilizzo senza comprometterne la fruibilità e le prestazioni in fase d’uso.

Nello specifico, durante le attività sono stati progettati due nuovi sistemi epossidici intelligenti. Il primo è basato sulla reazione reversibile dissociativa Diels-Alder (D-A) tra una specie diene e una specie dienofila. A temperature sufficientemente elevate (>120 °C), la struttura polimerica è soggetta a una depolimerizzazione reversibile, che ne permette il riutilizzo, la termoformabili e il recupero.

Il secondo è basato su una nuova classe di materiali associativi macromolecolari chiamati vitrimeri, caratterizzati da legami capaci di riorganizzarsi tramite reazioni di scambio attivate da specifici catalizzatori a temperature sufficientemente elevate (>150 °C), che ne permettono la termoformatura, il riutilizzo e la riparazione. Per questa seconda classe, sono stati impiegati reagenti bio-derivati in sostituzione alla controparte di origine fossile comunemente impiegata in quest’ambito, in un’ottica di ulteriore incremento della sostenibilità del materiale in fase di sviluppo e d’uso.

Considerate le possibilità aperte da queste nuove resine, è previsto che il loro utilizzo in ambito industriale cresca notevolmente in futuro, con una conseguente crescita di rifiuti e scarti industriali prodotti con questi materiali.

Per questo motivo, il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano ha lavorato seguendo due soluzioni di economia circolare differenti, basate su due approcci fondamentali per il recupero di componenti e materiali critici.

Il primo obiettivo è stato quello di defi-

nire e sviluppare un preliminare ma innovativo processo laser per il trattamento di difetti superficiali. Il vantaggio di questo approccio, nonostante sia ancora in studio a scala di laboratorio, è quello di poter lavorare localmente. In questo modo, si può rigenerare la superficie di un componente danneggiato, evitando così soluzioni ad alto impatto ambientale e basso recupero del suo valore residuo, come conferimento a discarica e incenerimento.

Quando un prodotto o componente non può essere riparato, invece, deve essere mandato a riciclo. Con l’obiettivo finale di recuperare la maggior parte del valore residuo del materiale, sono stati testati due processi innovativi di riciclo. Il primo è un processo termochimico, il quale permette di ottenere in uscita non solo le fibre pulite ma anche la resina della matrice, entrambi riutilizzabili per la creazione di nuovi componenti. Il secondo, invece, chiamato elettro-frammentazione, sfrutta la creazione di scariche elettriche ad alto voltaggio in un lasso breve di tempo per andare a lavorare all’interfaccia fra due materiali, ottenendo un effetto combinato di frantumazione e liberazione attraverso un processo puramente meccanico. In parallelo, l’Istituto per le Tecnologie Industriali e l’Automazione del Consiglio Nazionale delle Ricerche (STIIMA/CNR) ha valutato i criteri aziendali per l’adozione dei nuovi compo-

Il Cluster AFIL

Associazione Fabbrica Intelligente sin dal 2015 la transizione del dell’Economia Circolare attraverso attività del Gruppo di Lavoro (GdL) “Demembri in rappresentanza di Aziende, Industriali, tra cui CNR-STIIMA e progetto COMPOSER. Le tematiche discusse dal GdL, che si è evoluto in “Strategic Community De-and Remanufacturing for Circular Economy”, riguardano tecnologie innovative per la gestione di prodotti e materiali a fine vita per massimizzare il valore residuo attraverso opportune pratiche di riuso, re-manufacturing e riciclo. Tra le varie attività, AFIL, su mandato di Regione Lombardia, coordina il Pilot “Efficient and Sustainable Manufacturing (ESM)” all’interno dell’iniziativa Vanguard. Tra le attività sviluppate nel Pilot vi è un demo-case, coordinato da AFIL, sul tema “De-and Remanufacturing” il cui obiettivo è contribuire alla creazione di nuove catene del Lombardia – promuove e valorizza manifatturiero regionale verso il modello il coivolgimento dei propri Soci nelle and Remanufacturing”, che raccoglie RTOs, Università e Associazioni il Politecnico di Milano, partner del

valore circolare in Europa, indirizzando casi industriali rilevanti a livello comunitario, tra i quali il recupero e il riuso dei materiali compositi, delle batterie dei veicoli elettrici e di componenti ad alto valore derivanti dai prodotti elettronici. I membri della Strategic Community sono attivamente coinvolti in questa iniziativa contribuendo allo sviluppo del demo-case “De-and Remanufacturing” e alla realizzazione di specifici progetti di R&I, come ad esempio: SCREEN, FiberEUse, CarE-Service e DigiPrime, finanziati dal programma H2020. Per maggiori informazioni: comunicazione@afil.it

siti carbon fiber e delle nuove tecnologie.

A tale riguardo, sono stati ipotizzati alcuni potenziali settori per identificare le applicazioni industriali di utilizzo dei CFRC rigenerati e riparati. Le ipotesi sono state integrate e convalidate da un ampio studio di mercato attraverso ricerche documentali e prove empiriche mediante interviste con un produttore di componenti compositi attivi nell’ industria automobilistica avente sede in Lombardia. I risultati hanno permesso al CNR di formulare specifici modelli di business.

Successivamente a ciò è stata effettuata una valutazione economica per valutare la sostenibilità finanziaria del modello proposto. In particolare, grazie alla riparabilità e riciclabilità del materiale si possono definire due nuovi modelli di business per due diversi attori della filiera: la riparazione lato produttore di componenti compositi e il modello aziendale di riciclaggio termico e/o meccanico lato riciclatore.

Per quanto riguarda la riparazione, il modello di business si concentra sul caso di un produttore di componenti automobilistici che integra i nuovi CFRP nel processo produttivo. Grazie alle caratteristiche dei nuovi compositi, è possibile riparare le parti difettose. È importante sottolineare che, sulla base dell’intervista condotta, il tasso di difettosità delle parti realizzate in composito CF è relativamente alto.

Pertanto, il nuovo modello di business può portare a un notevole risparmio sui costi attraverso la riparazione della difettosità. Le analisi di sensibilità e la valutazione economica hanno mostrato che il modello di business è promettente. Lato riciclatore, lo studio ha esaminato le nuove soluzioni composite EoL – End of Life -, in cui il riciclatore riceverebbe i compositi a fine vita grazie alla riciclabilità del materiale. Il profitto deriva dalla vendita delle fibre di carbonio secondo una logica di seconda applicazione. La valutazione economica indica che il riciclaggio meccanico non è redditizio, mentre il riciclaggio termico può esserlo ma in determinate condizioni. Sono state pertanto proposte alcune strategie gestionali in termini di partnership con gli stakeholder della filiera per diminuire i rischi di approvvigionamento e le incertezze che incidono sulla sostenibilità economica. 

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