M. Ventre, L. Nicolais

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1 M. Ventre, L. Nicolais IMCB Institute of Composites and Biomedical Materials National Research Council DIMP Department of Materials and Production Engineering, University of Naples Federico II IMAST Technological District on Engineering of Polymeric Composite Materials and Structures Center for Advanced Biomaterials for Health Care Italian Institute of Technology

2 L evoluzione biologica La selezione naturale agisce attraverso una procedura molto lenta ma estremamente efficiente che consiste nel sottoporre continuamente le strutture a verifiche basate sull approccio trial and error allo scopo di sviluppare i materiali migliori per ogni prestazione funzionale L EVOLUZIONE PROSEGUE modifica di successo stadio evolutivo n modifica modifica errata stadio evolutivo n+1 ESTINZIONE Haversian channel Collagen fibre Concentric lamellae (3-7 µm) Apatite crystals (20-40 nm)

3 Materiali Compositi per applicazioni industriali Macro compositi Micro compositi Nano compositi Cemento armato dimensione fibra ~ 1 cm Resina rinforzata dimensione fibra ~ 10 µm Matrice polimerica nanocaricata dimensione carica ~ 10 nm Modulo [Gpa] Resistenza a trazione [GPa] Peso specifico [g/cm³] Modulo specifico [GPa cm³/g] Resistenza specifica [GPa cm³/g] Acciaio Leghe alluminio Vetro Vetro-Epoxy 60 * 1.8 * Carbonio-Epoxy 140 * 2.0 * * lungo la direzione del rinforzo

4 Evoluzione dei compositi nell industria aeronautica Concorde 787 Sopwith Camel DC-3 B-2B Legno (compositi naturali) Leghe metalliche leggere MILITARE Compositi avanzati CIVILE fibra boro vetro grafite matrice polimerica ceramica metallica

5 Progettazione e produzione di compositi avanzati Problemi di Processo chemoreologia modelli modulari Problemi di invecchiamento acqua libera acqua legata Problemi di design tolleranza del danno Altri problemi rumore infiammabilità

6 Problemi di processo Descrizione di un problema complesso che coinvolge: trasporto di massa, energia e quantità di moto reazioni chimiche simultanee in sistemi multifase propretà dei materiali e condizioni al contorno tempodipendenti

7 Problemi di processo - chemoreologia Parametri operativi nel processo dei termoindurenti Viscosità [Poise] Temperatura Viscosità Temperatura [ C] Pressione 40 Gelificazione 0, Tempo [min]

8 Modello del processo di gelazione Problemi di processo Punto di gelo teorico Aumento del numero di particelle di gel Inversione di fase Formazione resina Bulk polimerico Particelle di gel Aumento del peso molecolare

9 Problemi di processo - ottimizzazione Off-Line On-Line Descrizione stampo Sub-modello Cinetica Sub-modello Trasporto di calore Descrizione pezzo Programmazione Stratificazione laminato Sub-modello Viscosità Sub-modello Flusso Sub-modello Sviluppo microvuoti Modello master del curing Simulatore di processo Descrizione autoclave Ottimizzatore cura Controllo in tempo reale Cura in autoclave Controllo di qualità

10 Modello teorico della produzione dei compositi Problemi di processo - chemoreologia quantità di moto u massa α u T α T energia

11 Problemi di processo

12 Problemi di invecchiamento Interazione tra molecole d acqua e matrici termoindurenti ad alte prestazioni Concentrazione di acqua assorbita Adsorbimento su microvuoti e/o siti di interazione specifica: acqua legata Dissoluzione nel bulk del polimero: acqua libera Clustering di molecole Attività vapor d acqua

13 Problemi di invecchiamento Plasticizzazione ad opera dell acqua in resine epossidiche: riduzione della Tg e fenomeni di rilassamento a tempi lunghi

14 Possible moisture sorption locations and mechanisms in polymer matrix composites State of water molecules affects matrix plasticization It can be analysed experimentally by combination of gravimetric and IR spectroscopy methods and modelled theoretically

15 Combination of gravimetric and in-situ FTIR experiments allows for the quantitative assessment of self- and cross-hydrogen bonding of water molecules in a polymer matrix Water-Polyester system Water-Polyimide system Self- hydrogen Bonding (clustering) Self- hydrogen Bonding (clustering) Cross- hydrogen bonding Crosshydrogen bonding

16 Water-polymer systems can be modeled using lattice fluid theories explicitly accounting for presence of specific interactions Modeling Fitting of water sorption isotherms in polyimides with different degree of fluorination (PMDA-ODA, 6FDA-ODA, 6FDA- 6pDA) Quantitative predicting capability of cross- and self-hydrogen bonding (data from infrared analysis) Amount of self- hydrogen Bonding (clustering) 6FDA-ODA at 30 C F Cross-hydrogen bonding Self- hydrogen bonding (clustering) Amount of cross- hydrogen bonding

17 Problemi di design

18 Compositi nell industria aeronautica 1981 materiali convenzionali Boeing 767 materiali compositi

19 Compositi nell industria aeronautica 2009 Compositi come materiale strutturale primario Boeing 787 Carbon laminate Carbon sandwich Other composites Aluminum Titanium Titanium/steel/aluminum Titanium 15% Steel 10% Aluminum 20% Other 5% Composites 50%

20 Stabilimento di Grottaglie Compositi nell industria aeronautica

21 Compositi avanzati nel settore automobilistico Ferrari F150 Lamborghini Murcielago Porsche Carrera GT Ferrari 599

22 HMS Shoreham Compositi avanzati nel settore navale Materiali -Composito con fibre di vetro Tecnologia di produzione - Resin infusion Produttore - Vosper Thornycroft Visby Corvette Materiali -Fibre di carbonio in resina vinil ester Tecnologia di produzione - Vacuum assisted sandwich infusion Produttore - Kockums AB

23 Tecnologia e teaming processo Caratterizzazione specializzazione Scaling Comprensione Teaming produzione eterogeneo anisotropo viscoelastico Utilizzo cliente eterogeneo globale co-operativo

24 Integrazione di concetti processo specializzazione prestazione scienza proprietà comunicazione scienza psicosocializzazione cinetica Concetti di scaling termo dinamica competenze Concetti di teaming principi costi operativi costi capitali innovazione normative struttura economia design prodotto valore processo produzione cliente

25 Materiali nanostrutturati Regime mesoscopico Dimensione Atomi e molecole 1nm 10nm 100nm Solidi massivi Dimensione Tavola periodica degli elementi in tre dimensioni Esempi di nuove proprietà: 1. Super-paramagnetismo; 2. Risonanza di plasma di superfice; 3. Effetto super-catalitico; 4. Semiconduttività nei metalli; Risonanza di plasma di cluster d oro inglobati in vetro.

26 Materiali nanostrutturati Le proprietà di un materiale possono essere progettate su misura manipolando la sua struttura a diverse scale dimensionali, da quella atomico-molecolare fino a giungere alla scala macroscopica Livello macrostrutturale mm Livello microstrutturale mm Micro attuatore Livello molecolare mm Livello atomico mm particelle colloidali

27 Idrogeli superassorbenti -Assorbimento di 2 l di acqua per grammo di hydrogel -Derivato da cellulosa (biodegradabile)

28 Caratteristiche dei tessuti naturali Il processo di evoulzione ha conferito ai tessuti biologici proprietà uniche: - Eterogeneità - Anisotropia - Viscoelasticità

29 Eterogeneità pelle I tessuti sono costituiti da: Fase liquida cornea Fase solida Fase cellulare tendine Microscopia ottica Microscopia elettronica

30 Wood: an assembling machine of structures from nano to micro Cellulose nanofiber bundles ~28nm jupiter.phys.ttu.edu/corner/1999/dec99.pdf

31 Multifunctional lightweight materials having porous and reinforcement phases hierarchically organized from nano to micro scale Controlled generation of microcellular structure into the polymeric matrix and between fibers through nanoparticles LARGE AMOUNT OF IMPACT ENERGY: Deformation mechanism involving both the foamed matrix (combination of compression and shear) and the glass fiber fabric layers plastic deformation of the foamed matrix in a large area around the falling weight

32 Anisotropia Ramo 45 E=17GPa 135 E=11GPa Mandibola anteriore 0 E=21GPa 90 E=12GPa Femore E longitudinale = 20GPa E radiale = 12GPa

33 Viscoelasticità forza τ= E ε Solido Elastico deformazione f δ forza τ= η ε. Liquido viscoso velocità di deformazione

34 Viscoelasticità velocità deformazione sforzo Componente τ= + elastica Componente viscosa

35 Viscoelasticità osso muscolo capsula sinovia menisco cartilagine tendine legamento osso liquido sinoviale I fluidi biologici sono costituiti da macromolecole ad alto peso molecolare (HA, glicosamminoglicani)

36 Viscoelasticità Hyalgan Mw= MDa G' G'' G ω Liquido Sinoviale Patologico + Hyalgan 10-1 G', G'' [Pa] G =0.001Pa G = 0.05 Pa Frequency [Hz ] Liquido Sinoviale Patologico Iniezioni di Hyalganpromuovono la sintesi di HMwHA

37 Protesi composite Mandibola Disco intervertebrale Tendini e legamenti Anca

38 L evoluzione dei dispositivi protesici Hyaff scaffold IVD menisco 1983 legamenti 2003 BIOMATERIALI hip tooth restorative disc cage mandible 2005 salt leaching phase inversion 2015 SCAFFOLD 2008 molecular imprintig filament winding CaP scaffold Scaffold customizzati electrospinning

39 Ingegneria dei Tessuti Estrazione cellulare bioreattori Impianto Espansione in vitro Paziente Coltura in vitro Cellule (2D) Semina in costrutti (3D)

40 Ingegneria dei Tessuti effetto del materiale sulla risposta cellulare LASERSKIN membrana di HYAFF7 Cellule stabilizzate di intestino CaCo2 38 giorni di coltura su Laserskin villi funzionali 38 giorni di coltura su poliuretano villi non funzionali

41 Ingegneria dei Tessuti Rigenerazione della pelle pelle normale epidermide in vitro: cheratinociti su scaffold in Hyaff11 pelle ingegnerizzata pelle in vitro: Co-coltura di cheratinociti e fibroblasti in scaffold di collagene e glicosamminoglicani innesto autologo

42 Ingegneria dei Tessuti Rigenerazione del tessuto osseo Scaffold poroso in PCL / PLA Impianto in vivo Formazione di tessuto osseo ed assenza di capsula fibrotica NB C 1.25x S 4x NB C S

43 Ingegnerizzazione di Scaffold Innovativi Bioplotting macro-scala meso-scala cm mm micro-scala 400 µm 3D Bioplotting & solvent casting/ phase inversion nano-scala 30 µm Fibre porose

44 Ingegnerizzazione di Scaffold Innovativi Fibre cave µct SEM Strutture custom con risoluzione spaziale micrometrica Modulazione della microstruttura interna per il tramite delle caratteritiche chimico fisiche di polimeri

45 Ingegneria dei Tessuti Rigenerazione del Nervo Peripheral nerve regeneration proximal Tubular and porous scaffold, made of collagen and glycosaminoglycan distal Freeze dried scaffold Radial and open porosity

46 Tessuti come scaffold - Decellularizzazione Coltura di cardiomiociti da cuore decellularizzato Taylor D University of Minnesota

47 materiali bioattivi ricognizione biologica Soluble factors ECM molecules Focal adhesion Le cellule comunicano con i materiali usando un linguaggio molecolare basato su segnali biochimici (ricognizione biologica)

48 materiali bioattivi ricognizione biologica La comprensione del linguaggio cellulare apre nuove frontiere per l ingegnerizzazione di piattaforme bioattive per il controllo dell attività cellulare micro-patterning con laminina per il controllo dell adesione e migrazione cellulare Strisce di laminina fibroblasti

49 materiali bioattivi ricognizione biologica Adesione su substrati di PEG funzionalizzati effetto del gradiente del tripeptide RGD Sviluppo di modelli sperimentali per controllare e guidare la risposta cellulare in scaffold bioattivi controllo Traiettorie cellulari Aumento della pendenza del gradiente di segnale

50

51 biomimetica molecolare Nell ultimo trentennio il concetto di materiale ha subito una trasformazione notevole passando da materiale quasi inerte a materiale quasi vivente capace di interagire con l ambiente e reagire in risposta a stimoli

52 futuro dei materiali quasi organici Integrazione di conoscenze Chimica Bioscienze Nanotecnologia Tecnologia dell informazione Scienze cognitive Medicina Fisica Ingegneria Bioetica

53 Le grandi trasformazioni Sistema industriale Man powered Brain powered Sistema politico Stato unico centralizzato Stato leggero devoluto Sistema universitario Sistema autoreferenziale Sistema aperto

54 Cambiamenti Accelerazione delle trasformazioni Globalizzazione delle economie e delle produzioni Multietnicità delle compagini sociali: il glocale come identità Scienza e tecnologia trainano l economia e configurano la società post industriale Le PMI da subcommittenti a partners tecnologici La modernità è sintesi di una complessità diffusa

55 Le nuove sfide Mantenere la competitività e la leadership dei sistemi produttivi locali investendo nei fattori immateriali e qualitativi a basso tasso di imitazione Collegare le imprese e i produttori di conoscenze su piattaforme comuni o interfacce, sostenute e orientate dal soggetto pubblico su settori strategici Sviluppare la Società della Conoscenza

56 Il contesto italiano e la competitività: principali criticità Ridotta dimensione d impresa Scarsa attenzione all innovazione Organizzazione e funzionamento della P.A. Scarsi investimenti in R&S Presenza di eccellenze spot Scarsa presenza di reti Incapacità della P.A. di partecipare ai processi di innovazione

57 Sviluppo territoriale, saperi, innovazione L'innovazione nasce da un processo di integrazione delle conoscenze Per questo, lo sviluppo territoriale passa necessariamente per l accumulazione di competenze, conoscenze, creatività e talenti Stimolare questa concentrazione è un processo che richiede una governance multilivello

58 Il modello della Multilevel Good Governance i

59 L agglomerazione come strategia L agglomerazione, spaziale o virtuale, facilita, rafforza e intensifica i flussi di idee favorendo la competitività imprenditoriale e la crescita territoriale come passaggio da processi di apprendimento singoli - di individui o di organizzazioni -a quelli collettivi come sintesi di politiche pubbliche di spilloverdi conoscenze e competenze come caratteristica determinante di una learning region

60 Il modello della Governance orizzontale Politiche economiche Politiche della conoscenza Politiche industriali Politiche per l innovazione e semplificazione Politiche ambientali

61 La crisi del modello distrettuale tradizionale Crisi del modello di crescita (dimensione d impresa, capitalizzazione) Crisi del modello competitivo dinanzi alle sfide dei nuovi big players internazionali Crisi del modello di business (basato sulla preponderanza dei fattori materiali)

62 La filiera della conoscenza Politiche strutturali per la formazione e la ricerca Politiche industriali Politiche economiche Sviluppo Forma- Alta Ricerca Innova- Qualità zione formazione scientifica zione Competitività Occupazione Attenzione alla cultura scientifica; sviluppo della mentalità di ricerca; investimenti sulla persona Crescita delle competenze; investimenti sulla persona; valorizzazione dei talenti Investimenti sulle strutture; creazione di valore; catalizzazione di interessi, ambiente dinamico e tollerante Crescita e aumento della competitività territoriale; nuovi modelli di sviluppo; attrazione imprese, benefici sociali

63 Dalle infrastrutture materiali a quelle immateriali Il futuro dipenderà sempre più dall uso sociale dei saperi e dal rafforzamento delle reti locali della conoscenza Per questo l Italia necessita di politiche strutturali di lungo periodo che valorizzino la ricerca reti di interfacce che aiutino i diversi attori a comprendersi e a cooperare

64 Il recupero di competitività: una visione olistica Il recupero di competitività del Paese richiede la realizzazione simultanea e coordinata di interventi di policy che impattino su struttura produttiva struttura sociale ricerca formazione architettura e prassi della PA finanza

65 Modelli di sviluppo e interfacce Da A Distretti industriali Industrial Liaison Offices Centri di Competenza Reti di laboratori pubblici e pubblico-privati di ricerca Network virtuali Distretti tecnologici Metadistretti

66 Dinamiche evolutive Comunità di pratiche Distretto tecnologico Network virtuale Liaison office Parchi ST Centro di competenza

67 Technological District on Engineering of polymeric composite MAterials and STructures

68 IMAST: the consortium company MEMBERS Università Federico II CNR ENEA Politecnico di Torino Università di Salerno Alenia Aeronautica SpA AnsaldoBreda SpA AvioSpA Centro Ricerche FIAT Cetena SpA for FINCANTIERI group CIRA Cytec srl DompèSpA Elasis ScpA EsaoteSpA MapeiSpA MBDA SpA Selex Sistemi Integrati SpA STMicroelectronics srl Public institutions Advanced companies Boeing Company ASSOCIATED MEMBERS Sanpaolo Banco di Napoli Istituto Fondazione Banco di Napoli Financial institutions

69 IMAST: application fields AEROSPAZIO NAVALE AUTOMOTIVE FERROVIARIO POLIMERI CONDUTTIVI DISPOSITIVI BIOMEDICALI ING CIVILE

70 IMAST: Mission Principali obiettivi Campo di azione Raggiungere l eccellenza internazionale nel campo della ricerca Attrarre e trainare persone di talento Aggregazione fisica di competenze avanzate nel campo dell ingegneria dei polimeri e dei compositi Concentrazione su attività di ricerca sui temi di grande interesse industriale Management e organizzazione di un sistema di knowhow e di programmi complessi e multisettoriali Attrazione di giovani talenti e ricercatori Fromazione post laurea in sistemi di ricerca misti pubblico privati Promuovere il distretto e un imprenditorialità basata sulle nuove tecnologie Attrarre società leader di livello internazinale Stimolare e supportare lo start-up e lo sviluppo di nuove imprese ad alto contenuto tecnologico Stimolare progetti innovativi nelle società locali

71 IMAST Production Value Man power anno 2006 anno 2007 anno 2008 anno 2009 anno Member s employees Temporary

72 IMAST: future activities Structural Composites Functional Composites Fire Engineering Green Technology Manufacturing technologies Thermoplastics evolution of a previous project including natural fibres Nanocomposites Biosensors Development of comprehensive predictive models Materials for renewable energies Adhesives evolution of a previous project Tissue Engineering Multilayered structures Low impact components Repairing New materials/additives Recycling

73 Attraction in Campania of new industrial R&D Labs

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