Method for the homologation and industrialization of new plastic materials in the automation sector

The increasing demand for reliable, cost-competitive, and regulation-compliant polymeric materials has underscored the need for structured methodologies to guide the homologation and industrialization of new materials in an industrial context. This thesis proposes a comprehensive and iterative approach, developed within a company specializing in the production of special cables for industrial automation. Through an inductive method, starting from the specific case of replacing a standard material, a rigorous methodology was established by integrating knowledge in materials science, experimental testing, and industrial prototyping. After an in-depth analysis of the existing compound and its critical issues, attention was focused on the objectives to be achieved, considering the specifications and stringent regulatory requirements and investigating the cause-effect relationship between the compound components and the performance of the finished product. A new formulation was then proposed, characterized by a reduced variety of components, improved plasticizers, lower antimony content, and enhanced compatibility with the production process. The experimental phase involved chemical, physical, and mechanical characterization of both materials (standard and new), including the analysis of true stress-strain curves after air and oil aging. The new PVC formulation demonstrated improved or at least compliant performance in all key tests, including high-temperature resistance and oil aging (properties not possessed by the traditional material). Moreover, it showed better processability, allowing lower processing temperatures, higher productivity, and reduced energy consumption. During the final industrial validation phase, the material was tested on real production orders, and a detailed economic analysis was conducted. This analysis confirmed the real sustainability of adopting the new formulation, justifying the investment. Furthermore, the potential extension of the material to additional cable families further amplified these benefits. In conclusion, this work validated a replicable, data-driven method for the approval of new polymer compounds, capable of linking research and development decisions to performance and industrial outcomes, thus supporting an informed, sustainable, and industrially applicable material selection process.

La crescente domanda di materiali polimerici affidabili, competitivi nei costi e conformi alle normative ha reso sempre più necessario disporre di metodologie strutturate in grado di guidare l’omologazione e l’industrializzazione di nuovi materiali anche in ambito industriale. La presente tesi propone un approccio completo e iterativo, sviluppato all’interno di un’azienda produttrice di cavi speciali per l’automazione industriale. Attraverso un metodo induttivo, partendo cioè dal caso specifico dell’esigenza di sostituire un materiale standard si è giunti ad un metodo rigoroso, integrando competenze di scienza dei materiali, prove sperimentali e prototipazione industriale. Dopo un’analisi approfondita del composto esistente e delle sue criticità, ci si è soffermati sugli obiettivi da raggiungere tenendo conto delle specifiche e delle stringenti normative da rispettare e indagando il rapporto causa-effetto tra i componenti della miscela e le prestazioni del prodotto finito. È stata proposta poi una nuova formulazione caratterizzata da una minore varietà di componenti, plasticizzanti migliorati, ridotto contenuto di antimonio e maggiore compatibilità con il processo produttivo. La fase sperimentale ha previsto la caratterizzazione chimica, fisica e meccanica di entrambi i materiali (standard e nuovo), includendo anche l’analisi delle curve sforzo-deformazione reale dopo invecchiamento in aria e in olio. La nuova formulazione in PVC ha mostrato prestazioni migliorate o comunque conformi in tutti i test principali, tra cui la resistenza alle alte temperature e all’invecchiamento in olio (non possedute dal materiale tradizionale). Inoltre, ha evidenziato una migliore processabilità, permettendo temperature di lavorazione inferiori, maggiore produttività e ridotto consumo energetico. Nella fase finale di validazione industriale, il materiale è stato testato su reali lotti di produzione ed è stata condotta un’analisi economica dettagliata. Questa ha confermato la reale sostenibilità dell’utilizzo della nuova formula giustificandone l’investimento e la potenziale estensione del materiale a ulteriori famiglie di cavi ha amplificato ulteriormente tali benefici. In conclusione, il lavoro ha permesso di validare un metodo replicabile e basato sui dati per l’omologazione di nuovi composti polimerici, capace di collegare le scelte di ricerca e sviluppo ai risultati prestazionali e industriali, e di supportare una selezione dei materiali informata, sostenibile e applicabile in ambito industriale.