Photonic packaging: transforming silicon photonic integrated circuits into photonic devices

Dedicated multi-project wafer (MPW) runs for photonic integrated circuits (PICs) from Si foundries mean that researchers and small-to-medium enterprises (SMEs) can now afford to design and fabricate Si photonic chips. While these bare Si-PICs are adequate for testing new device and circuit designs on a probe-station, they cannot be developed into prototype devices, or tested outside of the laboratory, without first packaging them into a durable module. Photonic packaging of PICs is significantly more challenging, and currently orders of magnitude more expensive, than electronic packaging, because it calls for robust micron-level alignment of optical components, precise real-time temperature control, and often a high degree of vertical and horizontal electrical integration. Photonic packaging is perhaps the most significant bottleneck in the development of commercially relevant integrated photonic devices. This article describes how the key optical, electrical, and thermal requirements of Si-PIC packaging can be met, and what further progress is needed before industrial scale-up can be achieved.

System innovation and life cycle thinking in packaging value chain: the circularity of plastics.

Compared to other, plastic materials have registered a strong acceleration in production and consumption during the last years. Despite the existence of waste management systems, plastic_based materials are still a pervasive presence in the environment, with negative consequences on marine ecosystem and human health. The recycling is still challenging due to the growing complexity of product design, the so-called overpackaging, the insufficient and inadequate recycling infrastructure, the weak market of recycled plastics and the high cost of waste treatment and disposal. The Circular economy package, the European Strategy for plastics in a circular economy and the recent European Green Deal include very ambitious programmes to rethink the entire plastic value chain. As regards packaging, all plastic packaging will have to be 100% recyclable (or reusable) and 55% recycled by 2030. Regions are consequently called upon to set up a robust plan able to fit the European objectives. It takes on greater importance in Emilia Romagna where the Packaging valley is located. This thesis supports the definition of a strategy aimed to establish an after-use plastics economy in the region. The PhD work has set the basis and the instruments to establish the so-called Circularity Strategy with the aim to turn about 92.000t of plastic waste into profitable secondary resources. System innovation, life cycle thinking and participative backcasting method have allowed to deeply analyse the current system, orientate the problem and explore sustainable solutions through a broad stakeholder participation. A material flow analysis, accompanied by a barrier analysis, has supported the identification of the gaps between the present situation and the 2030 scenario. Eco-design for and from recycling (and a mass _based recycling rate (based on the effective amount of plastic wastes turned into secondary plastics), valorized by a value_based indicator, are the key-points of the action plan.

Nuovo copoliestere multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico contenente sequenze PEG-like per la realizzazione di film compostabili per il packaging flessibile ecosostenibile

La società civile pone oggi particolare attenzione al tema della sostenibilità ambientale, di qui la crescente necessità di progettare e sviluppare imballaggi ecosostenibili e/o biodegradabili con elevate prestazioni. I materiali polimerici, in particolare i poliesteri, presentano sicuramente una valida soluzione. Un monomero proveniente da fonti rinnovabili che consente la realizzazione di polimeri dalle eccellenti proprietà meccaniche e barriera è l'acido 2,5-furandicarbossilico. Tuttavia, i poliesteri furan-based non possiedono le caratteristiche di biodegradabilità desiderate, inoltre sono materiali duri e fragili e quindi non idonei per l’imballaggio flessibile. In tale contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo la realizzazione di un nuovo poli(estere uretano) multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico, caratterizzato da proprietà migliorate rispetto all’omopolimero di partenza (poli(esametilene 2,5-furanoato)), il quale presenti una maggiore velocità di degradazione, combinata con un comportamento meccanico elastomerico, e eccellenti proprietà barriera. Per questo sono state prese in considerazione due diverse unità copolimeriche: una cosiddetta “hard” il poli(esametilene 2,5-furanoato) e l’altra “soft” il poli(trietilene 2,5-furanoato). L’alternanza di queste due porzioni ha permesso di realizzare un copolimero tenace, con un’elevata temperatura di fusione (dovuta all’elevato grado di cristallinità del segmento hard), e con un basso modulo elastico ed un elevato allungamento a rottura (tipici invece del segmento soft). I risultati ottenuti hanno evidenziato come la copolimerizzazione abbia aumentato la flessibilità del materiale, la velocità di degradazione, entrambi grazie al ridotto grado di cristallinità. Infine il copolimero presenta eccellenti proprietà barriera, grazie alla presenza di una fase bidimensionale ordinata (mesofase).

Nuovi copoliesteri statistici 100% biobased con eccellenti proprietà meccaniche e barriera, per un packaging ecosostenibile

L’incremento mondiale nel consumo di materie plastiche registrato negli ultimi ottant’anni, ha portato all’insorgere di diverse problematiche ambientali, legate allo smaltimento dei rifiuti e all’eccessivo sfruttamento dei giacimenti petroliferi. La situazione risulta particolarmente difficoltosa nel settore di massimo utilizzo delle plastiche: il food packaging. Una delle possibili soluzioni è l’utilizzo di bioplastiche, soprattutto quelle derivanti da biomassa. Fra queste, di particolare interesse sono i biopolimeri a base di acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), come il poli(butilene furanoato) (PBF) dotato di ottime proprietà meccaniche, termiche e barriera, ma caratterizzato al contempo da eccessiva rigidità. Il presente lavoro di Tesi Magistrale si propone di modulare le proprietà del PBF, mediante copolimerizzazione con acido isoftalico, monomero biobased e in grado di conferire buone proprietà barriera al materiale finale. I due monomeri aromatici, in diversa percentuale molare, sono stati polimerizzati con 1,4-butandiolo, ottenendo un sistema copolimerico poli(butilene furanoato-co-isoftalato) 100% biobased. I materiali sintetizzati sono stati sottoposti a caratterizzazione molecolare (1H-NMR, 13C-NMR e GPC), termica (TGA e DSC), diffrattometrica (WAXS), analisi meccanica e prove barriera. Essi hanno mostrato ottime proprietà meccaniche, con riduzione del modulo elastico e aumento dell’allungamento a rottura all’aumentare della percentuale di unità isoftalica impiegata, ottima stabilità termica (oltre 350°C) e proprietà barriera confrontabili con quelle dei polimeri di derivazione petrolchimica, attualmente utilizzati nel campo degli imballaggi. I risultati ottenuti mostrano come la copolimerizzazione abbia permesso di migliorare le proprietà non soddisfacenti del PBF, senza andare a detrimento di quelle già buone, nell’ottica dell’applicazione finale.

Nuovo copolimero multiblocco a base di acido polilattico e acido 2,5-furandicarbossilico 100% biobased e compostabile per packaging sostenibile

Questo progetto di tesi sperimentale è incentrato sulla sintesi di un copolimero multiblocco alifatico/aromatico a partire da reagenti aventi origine da fonti rinnovabili. L’applicazione proposta per il prodotto è nell’ambito del packaging sostenibile. E’ stato prima sintetizzato il poli(pentametilene furanoato) idrossil-terminato (PPeF-OH) a partire dall’acido 2,5-furandicarbossilico; esso è stato poi sottoposto ad una reazione di estensione di catena con acido poli-L-lattico (PLLA) parzialmente depolimerizzato. L’innovativa strategia di sintesi utilizzata è in linea con i principi della green chemistry, partendo da building block bio-based ed evitando l’uso di solventi. Il copolimero finale, definito P(LLA50PeF50)-CE, è stato caratterizzato dal punto di vista molecolare, strutturale e termico attraverso, rispettivamente, analisi NMR e GPC, WAXS, TGA e DSC. Sono state anche effettuate prove a trazione, test delle proprietà barriera e valutazione della compostabilità. I risultati dimostrano che la stabilità termica del PLLA è stata migliorata, determinando anche un allargamento della finestra di processabilità del materiale; la rigidità e la fragilità del PLLA sono state ridotte, rendendo il nuovo materiale idoneo alla realizzazione di film per imballaggi flessibili. La permeabilità all’ossigeno del PLLA è stata migliorata del 40% circa e un analogo miglioramento è stato riscontrato anche rispetto all’anidride carbonica. Infine, la compostabilità del PLLA non è stata compromessa.

Natural Wax-Based Water Vapour Barrier Coatings on PLA for MAP Food Packaging

PLA is a bio-based polymer that is obtained from renewable resources and it is very promising for a sustainable packaging manufacturing. However, its gas and vapour barrier properties are not enough to comply with the requirements of MAP packaging of fresh foods, which need specific concentration of water and oxygen to avoid spoilage and to keep the organoleptic properties unaltered throughout their shelf-life. The use of waxes from natural renewable sources such as plants (e.g., candelilla wax, carnauba wax, rice bran wax, sunflower wax) or animals (e.g., beeswax) could tackle down the permeation of water vapour through the packaging without affecting its bio-based content. The core of this work is developing wax-based coatings with enhanced thermo-mechanical properties so that they can undergo thermoforming and a proper adhesion to the PLA substrate can be ensured. Chemical modifications and crosslinking of waxes are performed to produce wax-based alkyd resins. The synthesised materials are characterised both by DSC and FTIR. Films of the wax-based alkyds are produced in order to assess their water vapour permeability.

Nuovi copoliesteri statistici cicloalifatici contenenti acido canforico per applicazioni nel food packaging

Il presente progetto di Tesi ha come obiettivo il design di nuovi copolimeri statistici bio-based, caratterizzati da idonee proprietà meccaniche e barriera per impieghi come film sottili nell’imballaggio alimentare. I materiali sintetizzati appartengono alla classe dei poliesteri alifatici, caratterizzati dalla facilità di sintesi in assenza di solventi, relativamente economici, caratterizzati da proprietà modulabili in funzione della struttura chimica. Come omopolimero di partenza è stato scelto il poli(butilene trans-1,4-cicloesanoato) (PBCE), un poliestere potenzialmente bio-based con elevata resistenza ad alte temperature, umidità, radiazioni UV e buone proprietà meccaniche e barriera, e, benchè non ancora disponibile in commercio, molto interessante. Esso risulta troppo rigido per la realizzazione di film flessibili. Il PBCE è stato quindi copolimerizzato introducendo l’(1R,3S)-(+)-Acido Canforico, un monomero bio-based ottenibile dalla canfora. L’obiettivo del lavoro è modulare la cristallinità, le proprietà termiche, meccaniche e barriera dell’omopolimero di partenza. Dopo la sintesi, effettuata mediante policondensazione in massa a due stadi, tali copolimeri sono stati sottoposti a caratterizzazioni molecolari, termiche e meccaniche per valutare l’effetto dell’introduzione di comonomero nella catena macromolecolare del PBCE.

Nanocellulose films activated with essential oils for active packaging applications

The study focused on the analysis of the state of the art of active packaging and on the development of an innovative active packaging system for food application based on the use of nanocellulose matrix embedded with essential oils. The solubility and diffusivity of thyme, cinnamon and oregano essential oils in three nanocellulose films, endowed with different carboxymethylation degree, were analysed. The antimicrobial and antioxidant activity of those films was also analyzed. Firstly, the activity against model pathogenic bacteria was tested and the minimum inhibitory concentration of each oil was determined (0.37 – 0.68 mg/mg of matrix). This initial validation was then followed by experimental settings aimed at testing the system directly on clamshell type packed raspberries. It was observed that thyme and oregano essential oils were more effective in maintaining firmness and reduce weight loss than cinnamon essential oil or controls, through 12 days storage at 1ºC. From the results obtained, it is possible to conclude that the dispersion of thyme and oregano essential oils in nanocellulose matrix is a promising technology to improve shelf-life of raspberries or other fresh fruits.

Packaging and food waste preventing strategies for sustainable food supply chain networks

The central aim of this dissertation is to introduce innovative methods, models, and tools to enhance the overall performance of supply chains responsible for handling perishable products. This concept of improved performance encompasses several critical dimensions, including enhanced efficiency in supply chain operations, product quality, safety, sustainability, waste generation minimization, and compliance with norms and regulations. The research is structured around three specific research questions that provide a solid foundation for delving into and narrowing down the array of potential solutions. These questions primarily concern enhancing the overall performance of distribution networks for perishable products and optimizing the package hierarchy, extending to unconventional packaging solutions. To address these research questions effectively, a well-defined research framework guides the approach. However, the dissertation adheres to an overarching methodological approach that comprises three fundamental aspects. The first aspect centers on the necessity of systematic data sampling and categorization, including identifying critical points within food supply chains. The data collected in this context must then be organized within a customized data structure designed to feed both cyber-physical and digital twins to quantify and analyze supply chain failures with a preventive perspective.

New biomaterials for packaging: a green approach to biopolymers and biocomposites

The impellent global environmental issues related to plastic materials can be addressed by following two different approaches: i) the development of synthetic strategies towards novel bio-based polymers, deriving from biomasses and thus identifiable as CO2-neutral materials, and ii) the development of new plastic materials, such as biocomposites, which are bio-based and biodegradable and therefore able to counteract the accumulation of plastic waste. In this framework, this dissertation presents extensive research efforts have been devoted to the synthesis and characterization of polyesters based on various bio-based monomers, including ω-pentadecalactone, vanillic acid, 2,5-furan dicarboxylic acid, and 5-hydroxymethylfurfural. With the aim of achieving high molecular weight polyesters, different synthetic strategies have been used as melt polycondensation, enzymatic polymerization, ring-opening polymerization and chain extension reaction. In particular, poly(ethylene vanillate) (PEV), poly(ω-pentadecalactone) (PPDL), poly(ethylene vanillate-co-pentadecalactone) (P(EV-co-PDL)), poly(2-hydroxymethyl 5-furancarboxylate) (PHMF), poly(ethylene 2,5-furandicarboxylate) (PEF) with different amount of diethylene glycol (DEG) unit amount, poly(propylene 2,5-furandicarboxylate) (PPF), poly(hexamethylene 2,5-furandicarboxylate), (PHF) have been prepared and extensively characterized. To improve the lacks of poly(hydroxybutyrate-co-valerate) (PHBV), its minimal formulations with natural additives and its blending with medium chain length PHAs (mcl-PHAs) have been tested. Additionally, this dissertation presents new biocomposites based on polylactic acid (PLA), poly(butylene succinate) (PBS), and PHBV, which are polymers both bio-based and biodegradable. To maintain their biodegradability only bio-fillers have been taken into account as reinforcing agents. Moreover, the commitment to sustainability has further limited the selection and led to the exclusive use of agricultural waste as fillers. Detailly, biocomposites have been obtained and discussed by using the following materials: PLA and agro-wastes like tree pruning, potato peels, and hay leftovers; PBS and exhausted non-compliant coffee green beans; PHBV and industrial starch extraction residues.

Realizzazione grafica del catalogo di nuovi materiali biocompositi con applicazione progettuale nel packaging cosmetico

Il primo capitolo introduce l’importante problema dei rifiuti plastici e l’impatto che hanno nell’ambiente, esaminando sia i rifiuti plastici di grandi dimensioni sia le microplastiche. A riguardo, un documento molto significativo è quello della New Plastics Economy: questo raccoglie rilevanti informazioni sull’andamento della produzione e dei rifiuti plastici negli anni e va a delineare dei suggerimenti, delle linee guida che dovrebbero essere adottate per migliorare questa attuale condizione di crisi ambientale dovuta proprio alle materie plastiche. Il secondo capitolo ha il compito di introdurre i trentasei nuovi biocompositi in fase di produzione e sperimentazione e con loro il primo progetto grafico di tesi del catalogo per l’azienda Arianna Fibers. Una prima parte affronta il tema della valorizzazione dello scarto. Ed è qui che i gusci di frutta secca hanno l’opportunità di trasformarsi da rifiuto in risorsa, da materia di scarto in materia prima. Karà bio-compositi sono dei nuovi materiali composti da una matrice di bioplastica biodegradabile e da scarti di gusci di frutta secca. Il mio obiettivo è stato quello di progettare un catalogo di questi materiali che raccoglie campioni materici, informazioni, foto, render e applicazioni. Il terzo capitolo riguarda la progettazione del packaging cosmetico come applicazione dei nuovi materiali biocompositi precedentemente descritti. Si parla dunque di Impronta Ambientale, LCA ed Ecodesign del packaging cosmetico e da queste ed altre valutazioni su casi studio presenti sul mercato nasce Karà bio-cosmetics: una linea di packaging cosmetici sostenibili realizzati con i materiali biocompositi biodegradabili. La tipologia di materiale scelto è quella dei biocompositi a matrice PHA, unica bioplastica biodegradabile in ambiente aperto. Si tratta di una linea di diversi pezzi associabili a vari tipi di cosmetici che l’utente potrà poi personalizzare.

Ottimizzazione della Scheda Prodotto nei sistemi informativi gestionali in un’azienda nel settore del packaging farmaceutico

Questo elaborato è stato svolto all'interno della Marchesini Group, nell'Headquarter di Pianoro al secondo piano nell'ufficio analisi ordini. Nella prima parte di questo documento è stata fatta una profonda analisi di quello che è il contesto industriale di riferimento, packaging farmaceutico, dell'industria 4.0 e di come l'Azienda si approccia a tutto ciò. Prosegue con una breve descrizione dell'azienda e delle normative di rifermento. Nella seconda parte dell'elaborato è stata svolta una profonda analisi del processo che va dalla ricezione dell'ordine alla spedizione della macchina/linea al cliente, quindi dell'intero ciclo di vita della commessa. Attraverso questa analisi sono state analizzate le criticità delle diverse attività svolte, da diverse risorse e gli strumenti, utilizzati, attraverso cui vengono portate a termine. La figura del Project coordinator, la scheda prodotto, la macro-pianificazione e il cruscotto sono gli elementi che sono stati maggiormente analizzati. Sono stati analizzati i loro punti deboli e proposte soluzioni migliorative. E' stato analizzato il modo di introdurle e valutato il loro impatto a livello economico nel breve periodo. Alla fine c'è una piccola considerazione su quali aspetti andrebbero ulteriormente approfonditi.

Progettazione e implementazione in ambiente virtuale di una attrezzatura a supporto dell’industria del packaging

Lo studio effettuato durante il lavoro di tirocinio, da cui nasce la tesi, verte sulla progettazione ed implementazione in ambiente virtuale di una tavola rotante customizzata per la saldatura di supporti per gruppo bobine, contrappeso e guida rulli su anelli calandrati, richiesta da un fornitore dell’azienda Pieri s.r.l. presso la quale si è svolto il tirocinio medesimo. Il fornitore, infatti, si occupa di effettuare operazioni di saldatura su componenti delle macchine avvolgipallet, sviluppate e progettate dall’azienda Pieri. Per soddisfare la richiesta, si è ingegnerizzato il processo tanto che la macchina progettata facilita l’operatore nelle lavorazioni che deve effettuare, riducendo così il suo affaticamento, migliorando i tempi e la qualità di lavorazione. Dopo il tirocinio in azienda, il progetto è stato implementato in ambiente virtuale all’interno del laboratorio di Realtà Virtuale della sede di Ingegneria di Forlì, utilizzando il visore Meta Quest 2, con il quale si è creata un’applicazione che ha permesso al fornitore di fare più opportune valutazioni riguardanti la macchina sviluppata. Nell’ambiente virtuale, infatti, si può interagire non solo tramite visualizzazione, ma esiste la possibilità di gestire il funzionamento della macchina stessa ed apprezzare le configurazioni relative alle tre tipologie di anelli calandrati processati. Inoltre, permette di effettuare training in merito alle operazioni di saldatura e su alcune azioni relative al montaggio e smontaggio della macchina.

Caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma freddo per trattamento di packaging alimentare

I plasmi freddi a pressione atmosferica (CAP) generati da scariche a barriera dielettrica (DBD) sono oggetto di studio e sviluppo per una gamma sempre più ampia di applicazioni in ambito biomedico e industriale come la sanificazione di alimenti e di packaging termosensibili. La sorgente sviluppata in questo progetto di tesi viene definita PASS, Plasma Assisted Sanification System essa è composto da una sorgente di plasma sDBD (surface dielectric barrier discharge), una camera di trattamento, un sistema di raffreddamento e un generatore di alta tensione. Questo progetto si concentra sulla caratterizzazione fisico-chimica di una sorgente di plasma sDBD sviluppata dal gruppo di ricerca in Applicazioni Industriali dei Plasmi (AIP - DIN - Alma Mater Studiorum). In primo luogo è stata svolta una caratterizzazione elettrica della sorgente variando la potenza agendo direttamente sul duty cycle da 100% a 10% tramite due metodi: un metodo convenzionale e con il metodo di Lissajous inserendo una capacità monitor C0 pari a 90,95 nF . Successivamente è stata studiata la cinetica delle concentrazioni di O3 e NO2 in fase gas mediante misure OAS. È stata inoltre monitorata la temperatura all’interno della camera di trattamento per verificare l’ipotesi di assenza di effetti termici durante il trattamento. Un’altra importante applicazione della sorgente di plasma utilizzata in questo è la produzione di acqua attivata al plasma (Plasma Activated Water, PAW). Le specie reattive dell’ossigeno (Reactive Oxygen Species, ROS) e dell’azoto (Reactive Nitrogen Species, RNS), vengono assorbite dal liquido dando origine a ulteriori reazioni chimiche come NO3-, NO2-, H2O2. I RONS influenzano e controllano molti processi nelle piante e sono responsabili del miglioramento della crescita delle piante. Per ogni campione di acqua attivata (PAW) sono stati misurati pH, conducibilità confrontati con la soluzione non trattata e concentrazione di specie reattive quali: H2O2, NO2- e NO3- .

studio ed ottimizzazione del modello di valutazione del rapporto fra risorse ed obiettivi di consegna in un’azienda leader nel settore del packaging farmaceutico e cosmetico

Il presente elaborato di tesi riguarda uno studio che è stato portato avanti durante il tirocinio curriculare svolto nell’ufficio Engineering di Marchesini Group S.p.A., azienda leader nella produzione di macchine automatiche per il packaging di prodotti farmaceutici e cosmetici. Dopo aver riscontrato alcune criticità nelle modalità con le quali vengono attualmente pianificate e gestite le risorse appartenenti ai team produttivi e con le quali vengono valutati i carichi di lavoro, si sono elaborati dei modelli e degli strumenti che permettono di migliorare ed ottimizzare l’assegnazione delle risorse ai gruppi e di visualizzare in tempo reale la distribuzione dell’impegno di lavoro dei reparti in relazione alla disponibilità in produzione. Le proposte supportano il trend dell’attuale contesto produttivo di garantire un elevato livello di servizio al cliente rispettandone le richieste e i tempi stabiliti. Difatti, un’assegnazione corretta delle risorse in produzione consente di ridurre i ritardi e le inefficienze e, di conseguenza, di migliorare i lead time. In aggiunta, una correlazione chiara e strutturata fra le risorse e gli obiettivi raggiungibili permette di conseguire con maggiore sicurezza i risultati economici stabiliti, evitando di perdere parte del valore potenzialmente collaudabile.