Tread optimization to reduce microplastic pollution

Microplastic (MP) pollution has emerged as a critical environmental concern, with tire wear particles (TWPs) recognised as a major contributor. Generated through the friction between tires and road surfaces, these particles accumulate in various environmental compartments, posing potential risks to ecosystems and human health. Despite their significance, TWPs remain challenging to regulate due to the complexity of the tire wear process and the lack of standardised evaluation methodologies. Recent regulations, such as the EU’s requirement for a tire abrasion index, underscore the urgent need for improved wear assessment techniques. This research addresses the problem of TWPs by focusing on the role of tire tread geometry and its evolution throughout the tire's lifecycle. Tread geometry directly influences contact pressure distribution, frictional stresses, and, consequently, abrasion rates. However, existing experimental and numerical studies often overlook its dynamic evolution. This thesis proposes an integrated methodology combining experimental measurements and numerical simulations to analyse and predict tread wear progression. Two identical tires are tested, at controlled conditions, on a drum indoor wear machine. A novel data processing algorithm has been developed to extract local wear information from 3D laser scans, overcoming the limitations of conventional wear assessment techniques that primarily rely on weight loss or tread depth measurements. The algorithm categorises raw scan data into discrete levels using a combination of first derivative analysis and discrete data binning, enabling a precise distinction between different tread features. The effectiveness of this approach has been validated across multiple tire patterns, demonstrating its ability to correctly identify tread levels even in the presence of noise and complex geometries. The categorized data are leveraged to transform wear analysis from a global assessment to a localised evaluation, enabling a more detailed visualisation of abrasion depth distribution across the tire tread. Additionally, an iterative simulation framework has been implemented to incorporate tread geometry modifications within finite element (FE) models, refining the accuracy of virtual wear predictions. The findings demonstrate that while numerical simulations can qualitatively replicate wear mechanisms — such as heel and toe patterns and asymmetric wear distributions — they tend to overestimate material loss over time. Experimental results reveal an initial non-linear abrasion phase, which is not fully captured by the simulation process. This suggests that factors beyond tread geometry evolution, such as material property changes and structural deformations, influence the early-stage wear behaviour. Nevertheless, the study confirms the necessity of updating tread geometry in virtual simulations to achieve realistic wear predictions. The methodologies developed in this thesis provide valuable tools for improving tire wear assessments, optimising tread design for sustainability, and reducing TWP emissions.

L'inquinamento da microplastiche (MP) è ormai una delle principali emergenze ambientali, e le particelle di usura degli pneumatici (TWP) rappresentano una delle fonti più rilevanti. Queste particelle si generano a seguito dell’attrito tra pneumatico e asfalto e si accumulano nell’ambiente, con potenziali rischi per gli ecosistemi e la salute umana. Nonostante la loro rilevanza, la regolamentazione delle TWP è ancora complessa a causa della natura multifattoriale del fenomeno di usura e dell'assenza di metodologie standardizzate per la valutazione delle performance di abrasione dello pneumatico. Recenti normative, come l'introduzione di un indice di abrasione per gli pneumatici da parte dell'Unione Europea, evidenziano la necessità di sviluppare strumenti più avanzati per analizzare e prevedere l'usura del battistrada. Questa ricerca affronta il problema delle TWP concentrandosi sul ruolo della geometria del battistrada e sulla sua evoluzione nel corso della vita dello pneumatico. La forma del battistrada incide direttamente sulla distribuzione della pressione di contatto, sulle sollecitazioni di attrito e, di conseguenza, sui meccanismi di usura. Tuttavia, gli studi sperimentali e numerici disponibili trascurano spesso il cambiamento progressivo della geometria nel tempo. Per colmare questa lacuna, la tesi propone un approccio innovativo che combina misure sperimentali e simulazioni numeriche per analizzare e prevedere l'evoluzione dell'usura. Due pneumatici identici sono stati testati sperimentalmente con macchina di usura indoor, mantenendo il controllo delle condizioni di test. È stato sviluppato un algoritmo per l'elaborazione delle scansioni laser 3D, in grado di estrarre informazioni dettagliate sulla distribuzione dell'usura lungo il battistrada. Questo metodo supera i limiti delle tecniche tradizionali, basate principalmente sulla perdita di peso o sulla misura della profondità del battistrada, permettendo di passare da una valutazione globale dell’usura a un'analisi locale più dettagliata. L’algoritmo categorizza i dati grezzi in livelli distinti, riconoscendo con precisione le diverse sezioni del battistrada anche in presenza di rumore o geometrie complesse. La sua efficacia è stata verificata su diversi disegni di pneumatici, dimostrando la capacità di individuare correttamente i livelli di usura e migliorare la comprensione del processo di abrasione. Oltre all’analisi sperimentale, è stato implementato un modello numerico iterativo che aggiorna progressivamente la geometria del battistrada nelle simulazioni agli elementi finiti (FE), migliorando la capacità predittiva della modellazione dell'usura. I risultati mostrano che, sebbene le simulazioni siano in grado di riprodurre qualitativamente i meccanismi di usura, come il pattern heel and toe e l’usura asimmetrica, tendono a sovrastimare la perdita di materiale nel tempo. I test sperimentali hanno evidenziato una fase iniziale di usura non lineare, che le simulazioni non riescono a catturare completamente. Ciò suggerisce che, oltre all’evoluzione della geometria, entrano in gioco altri fattori, come la variazione delle proprietà del materiale e le deformazioni strutturali, che influenzano l’usura nelle fasi iniziali. Nonostante queste limitazioni, lo studio conferma l'importanza di aggiornare la geometria del battistrada nei modelli numerici per ottenere previsioni più realistiche. Le metodologie sviluppate in questa ricerca offrono strumenti innovativi per migliorare la valutazione dell’usura degli pneumatici, ottimizzare la progettazione del battistrada in ottica di sostenibilità e ridurre le emissioni di TWP, contribuendo così a limitare l’impatto ambientale di questa fonte di inquinamento.