Los compuestos de fibra de carbono corta amplían el alcance de los compuestos termoplásticos

Se está utilizando una familia de compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono corto (CFRTP) formulados específicamente para el moldeo por inyección para ampliar las capacidades de los compuestos termoplásticos en una variedad de tamaños y complejidades de piezas. Curiosamente, se ha demostrado que estos materiales superan a los compuestos termoplásticos de fibra larga (LFT) (en fibra de vidrio o fibra de carbono), así como a los metales en una creciente gama de aplicaciones, desde artículos deportivos y piezas de automóviles hasta dispositivos médicos y componentes aeroespaciales.

Moldeadora convertida en mezclador

Los materiales son formulados y vendidos por Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokio, Japón). MCAM combina varios negocios previamente separados adquiridos por la empresa matriz durante la última década. Estos incluyen la antigua Quadrant AG (Lenzburg, Suiza), un productor de materiales compuestos termoplásticos de esterilla de vidrio (GMT) y láminas orgánicas, así como formas de ingeniería termoplástica, y lo que había sido Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, EE. UU.), Que comenzó vida como moldeador de inyección y productor de piezas mecanizadas de precisión, y luego se expandió a compuestos CFRTP personalizados, primero para su propio uso y luego para otros moldeadores.

Alrededor de 2012, Piper era un moldeador de inyección personalizado de tamaño mediano que prestaba servicios a una base de clientes en el sector aeroespacial y de artículos deportivos / equipos recreativos. El liderazgo de la empresa quería hacer crecer su negocio de fabricación de piezas, pero tenía dos desafíos. En primer lugar, tenía problemas para obtener los tipos de compuestos que, según el equipo, permitirían a la empresa competir en segmentos de mercado de mayor rendimiento. En segundo lugar, la empresa quería ingresar al mercado automotriz, pero no tenía suficiente capacidad de moldeo disponible para competir en programas importantes.

El primer problema se resolvió aplicando un esfuerzo de I + D centrado en varias resinas base y tecnologías de encolado de fibras, lo que condujo al desarrollo de una familia de compuestos CFRTP moldeables por inyección de alto rendimiento denominada KyronMAX. Estos materiales cuentan con matrices como poliamida 6/6 (PA6 / 6), poliftalamida (PPA), polieterimida (PEI), sulfuro de polifenileno (PPS), polieteretercetona (PEEK) y poliariletercetona (PAEK) reforzada con fibra de carbono cortada corta. Los compuestos, la mayoría de los cuales ofrecen un alto rendimiento térmico, amplia resistencia química, buena mecánica y valores bajos de llama / humo / toxicidad (FST), se formularon no solo para reemplazar los grados de moldeo por inyección cortos reforzados con fibra de vidrio y rellenos de minerales, sino también Compuestos LFT (con una longitud de fibra inicial promedio de 13 milímetros) e incluso metales.

"En una hoja de datos, los compuestos LFT se ven más fuertes, pero a menudo no pueden llenar los tipos de geometría de piezas que podemos llenar con tecnología de fibra de carbono corta", explica Alex Wojtysiak, gerente de cuentas clave de MCAM:compuestos. "Debido a que nuestro flujo es mucho mayor, podemos llenar mejor geometría intrincada, por lo que nuestros compuestos producen piezas que son dramáticamente más fuertes".

"No es tanto que nos propusimos crear una amplia gama de compuestos CFRTP, sino que cada uno fue desarrollado para satisfacer las necesidades específicas de un cliente en particular", agrega Clint Newell, gerente de tecnología de compuestos globales de MCAM. "A medida que nuestras capacidades de formulación crecieron, ingresamos a nuevos mercados, nos reunimos con nuevos clientes, les preguntamos qué necesitaban y nos dispusimos a crear un compuesto perfecto para satisfacer esas necesidades".

Como era de esperar, porque estos compuestos fueron formulados inicialmente por un moldeador para un moldeador, fueron diseñados para proporcionar propiedades que los hicieran fáciles de procesar y para producir constantemente piezas de mayor calidad y mejor rendimiento. “Formulamos nuestra línea de productos KyronMAX para proporcionar mayor flujo e interacción de fibras, menores tensiones internas, menos anisotropía, líneas de soldadura más fuertes, menos marcas de hundimiento, menos tendencia a la deformación y mayor precisión dimensional, independientemente de si las secciones de la pared eran gruesas o delgadas”. señala Dave Wilkinson, director de I + D de MCAM. “Además de nuestro trabajo de formulación y tecnología de dimensionamiento única, también hicimos nuestras propias modificaciones en la prensa para ejecutar estos materiales de manera más eficiente”.

¿Por qué el nombre de producto inusual? “En los antiguos mitos griegos, Kyron (también escrito Quirón) era en parte centauro y en parte humano”, explica Randy White, director de innovación de MCAM. “Kyron usó sus habilidades personales únicas para elevarse por encima de su naturaleza bestial. Lo comparamos con nuestros compuestos, que son mitad fibra de carbono y mitad resina, por lo que son tan fuertes como un caballo y tan inteligentes como un ser humano para facilitar su procesamiento ”.

A medida que crecía la experiencia en formulación, la empresa llamó la atención de Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokio, Japón), que adquirió Piper en 2016. MCHC realizó de inmediato una importante inversión multimillonaria para aumentar el tamaño de la línea de compuestos en Arizona. , automatiza las operaciones e incorpora sus propias tecnologías de corte y tamaño de fibra de carbono para permitir que los compuestos KyronMAX se produzcan más rápido y con mayor consistencia y eficiencia. Posteriormente, se estableció una segunda línea de capitalización en Michigan y una tercera en Japón. Esta capacidad ampliada significó que los grados KyronMAX podrían competir por el negocio automotriz en América del Norte y Asia. Le siguieron otros mercados.

Oferta de productos ampliada, nuevas oportunidades de mercado

Ahora, con una mayor capacidad de producción y acceso a una gama más amplia de polímeros y materiales de fibra de carbono, el equipo de MCAM ha estado ocupado desarrollando una gama de nuevos productos, varios de ellos formulados específicamente para el mercado automotriz. Uno de los más interesantes es KyronMAX ES 4240, que se dice que es el primer compuesto de moldeo por inyección de fibra de carbono corta del mundo que rompe la barrera de resistencia a la tracción de 414 MPa (60.000 psi). Ese grado, que se presentó en la Conferencia de plásticos de ingeniería automotriz de la SPE 2019 (AutoEPCON) en los suburbios de Detroit, es un PPA reforzado con fibra de carbono con una fracción de peso de fibra (FWF) del 40% que también ofrece valores de módulo de tracción de 41,2 GPa, valores de módulo de flexión. de 34,5 GPa y valores de resistencia a la flexión de 552 MPa. El PPA es una forma especializada de poliamida con mejor resistencia térmica y química más amplia y una tendencia a la hidrólisis mucho menor que la PA6 y PA6 / 6 convencionales.

Otros grados automotrices presentados en el SPE AutoEPCON 2019 incluyen un grado PPA reforzado con fibra de carbono de alta temperatura desarrollado específicamente para aplicaciones debajo del capó. Se dice que ese grado tiene una temperatura de transición vítrea (T _g ) y temperatura de uso continuo (CUT) que rivaliza con la de PEEK, pero es más fácil de moldear. Dada la sensibilidad a los costos de las industrias de gran volumen como la automotriz y los pequeños electrodomésticos, no sorprende saber que el equipo también está trabajando en un producto KyronMAX basado en polipropileno (PP).

A medida que su línea de productos se ha expandido, también lo han hecho los mercados en los que se utilizan estos materiales. Además del negocio automotriz deseado desde hace mucho tiempo, la compañía ahora brinda servicios a dispositivos médicos (tanto duraderos como desechables), pequeños electrodomésticos y electrónica de consumo (estuches / cubiertas de reemplazo de metal). La aviación / aeroespacial sigue siendo importante, al igual que la industria de artículos deportivos, que ha crecido hasta incluir aplicaciones en bicicletas de carrera, bicicletas de montaña, palos de golf, armas de fuego, arcos compuestos y otras piezas de tiro con arco. Con varios productos que ofrecen valores de coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE) similares a los del aluminio y magnesio moldeados por inyección de metal (MIM), aunque con mejor tenacidad, peso más liviano y menor costo, el equipo se encuentra reemplazando metales en una gama cada vez mayor de aplicaciones .

¿Que sigue? Con acceso a la organización más amplia de Mitsubishi a nivel mundial, el equipo de MCAM puede acceder a la tecnología que representa una cartera de compuestos más amplia que abarca tanto termoplásticos como termoendurecibles, con una variedad de tipos y longitudes de refuerzo. Por ejemplo, otro grupo Mitsubishi produce un compuesto de moldeo forjado reforzado con fibra de carbono para remolque dividido y cortado (FMC), una forma avanzada de compuesto de moldeo en láminas (SMC) que ayuda a cerrar la brecha de rendimiento y procesamiento entre el SMC corto de vidrio o reforzado con fibra de carbono y el preimpregnado continuo reforzado con fibra de carbono. Otro grupo más produce materiales preimpregnados reforzados con fibra de carbono tejida y no tejida y materiales de moldeo por compresión (PCM) preimpregnado de curado rápido.

Dentro de MCAM, otra tecnología que está a punto de comercializarse es una nueva familia de preimpregnados secos reforzados con textiles (no tejidos, tejidos y unidireccionales) con termoplásticos matrices llamadas KyronTEX. Actualmente, estos productos se están probando estratégicamente.

Finalmente, el verano pasado, MCAM adquirió carbonNXT GmbH y su empresa hermana CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG (ambas Wischhafen, Alemania), incorporando una línea completa de tecnología de reciclaje de fibra de carbono a la oferta de productos del grupo. Se dice que el equipo de MCAM está probando múltiples fórmulas utilizando fibra de carbono reciclada antes de los productos comerciales calificados.