Lanzamiento del programa ENLIGHTEN para acelerar la industrialización de los compuestos termoplásticos

Cuanto más ligero es un vehículo, menos combustible consume y menos CO ₂ se emite. Los materiales livianos que son lo suficientemente fuertes como para garantizar la seguridad de los pasajeros también son populares entre los fabricantes de automóviles y aviones. Los compuestos termoplásticos (plásticos reforzados con fibra que se ablandan cuando se calientan) son ligeros, resistentes, fáciles de trabajar y fáciles de reciclar. Algunos componentes de los fuselajes y las alas de los aviones ya se están fabricando con este material relativamente nuevo. Sin embargo, todavía no se utilizan de forma más generalizada.

El objetivo de ENLIGHTEN: Habilitación de estructuras ligeras integradas en grandes volúmenes - es encontrar una manera de producir estructuras completas confiables utilizando este material de una manera predecible, reproducible y rentable. Este proyecto de cinco años y 6 millones de euros está siendo lanzado por la Universidad de Twente (UT, Twente, Países Bajos) y el Dr. Remko Akkerman, científico de UT y del Centro de Investigación de Compuestos Termoplásticos (TPRC, Twente, Países Bajos) como parte de Perspective con sede en los Países Bajos , que desafía a los científicos a establecer nuevas líneas de investigación innovadoras que puedan tener un impacto económico y social genuino. Establecido por el Consejo de Investigación Holandés (NWO) y el Ministerio de Asuntos Económicos y Clima, seis Perspectiva Se están creando consorcios en los Países Bajos, con 138 empresas y organizaciones que aportan 10 millones de euros de su propia financiación para igualar los 22 millones de euros disponibles del gobierno holandés.

Desarrollo de detalles de varias escalas

CW hablé con Akkerman para comprender mejor lo que realmente implica ENLIGHTEN. “ CompositesWorld los lectores están muy familiarizados con el trabajo realizado en TPRC, donde nos enfocamos en el procesamiento rápido de termoplásticos, incluida la soldadura, el sobremoldeo y también el reciclaje ”, dice Akkerman. “Hemos publicado muchos resultados estudiando materiales, procesos y desempeño. Pero, ¿cómo afecta el proceso a la distribución de la matriz de fibra y la porosidad en el compuesto? ¿Cómo afecta eso, a su vez, el rendimiento mecánico de la pieza? ¿Cómo afectan estos procesos la iniciación de fisuras y el crecimiento en servicio? Es necesario comprender estos aspectos para madurar los compuestos termoplásticos para un uso industrial más amplio ”.

Es por eso que ENLIGHTEN es un programa tan grande, que involucra a especialistas en polímeros, micromecánica compuesta y modelado digital multiescala, así como en ciencia de datos digitales. “Nuestro objetivo es desarrollar conocimientos que luego podamos utilizar para optimizar estos procesos de compuestos termoplásticos para un rendimiento optimizado”, dice Akkerman. "También integraremos la supervisión de procesos, porque la calidad del material depende de su capacidad para controlar el proceso, y el aprendizaje automático para acelerar esta optimización".

ENLIGHTEN incluye las tres universidades técnicas de los Países Bajos (Universidad de Twente, Universidad Tecnológica de Delft y Universidad Tecnológica de Eindhoven), así como empresas de las cadenas de suministro automotriz y aeroespacial, incluidos fabricantes de equipos originales, proveedores de nivel y pymes. También participan organizaciones fuera de los Países Bajos, incluido el WMG Center for High Value Manufacturing de la Universidad de Warwick como parte del programa CATAPULT del Reino Unido y Jaguar Land Rover, una subsidiaria del fabricante mundial de automóviles Tata Motors (Mumbai, India).

Esta micrografía muestra cierta migración de fibras por encima de la línea de soldadura entre una pieza en bruto reforzada con fibra continua y el sobremoldeo por inyección reforzado con fibra corta. Cómo esto afecta la fuerza y ​​el desempeño del papel es una pregunta entre muchas que debe responder ENLIGHTEN.

“Los procesos que investigaremos incluyen la soldadura por inducción y ultrasónica, así como el sobremoldeo, que también tiene una interfaz de soldadura, cada uno con los mismos fenómenos físicos pero a diferentes velocidades”, señala Akkerman. "Entonces, todos los mismos fenómenos con respecto al movimiento de la fibra, el estrés y la iniciación de grietas también se aplican aquí". Pero, ¿las estructuras de compuestos termoplásticos soldadas no han estado volando en aviones comerciales durante más de 30 años? “Sí, pero ninguna de esas estructuras usa inducción o soldadura ultrasónica con cintas unidireccionales”, señala, “lo cual es mucho más difícil de entender y controlar, pero también más económico de producir si podemos predecir completamente los procesos”.

El modelado multiescala y las pruebas físicas desempeñarán un papel clave en el proyecto ENLIGHTEN. “Es imposible entender un material compuesto sin mirar el proceso de fabricación utilizado para crearlo”, dice Akkerman. “A través del modelado digital, podemos formular hipótesis y luego realizar experimentos en paralelo para validar nuestros resultados y refinar nuestra comprensión. Por ejemplo, esto incluye observar la formación de estructuras cristalinas en el nivel micro, cómo se mueven las fibras durante el proceso de soldadura en el nivel meso y cómo estos fenómenos interactúan para afectar el desarrollo de esfuerzos, microfisuras y las cargas finales de la estructura en el nivel macro. nivel. Este nivel de investigación muy profundo pero combinado no lo he visto todavía en nuestra industria ”.

Pero, ¿dónde entra en juego el aprendizaje automático? “Cada uno de los elementos de análisis en los paquetes de trabajo 1 y 2 tarda horas en ejecutarse”, dice Akkerman, “y debe repetirse para cada material, pieza y proceso específicos. Si desea lograr la optimización en todas estas escalas y modelos, le llevará miles de horas. Sin embargo, al hacer esto, acumularemos datos sobre cómo todos estos fenómenos se relacionan entre sí. Luego podemos entrenar redes neuronales para reconocer conexiones en estos datos, completamente en línea con la física subyacente ".

En cuanto al alcance del trabajo que se muestra a continuación, explica, “habrá conexiones de izquierda a derecha y de arriba a abajo. Basándonos en todos estos análisis, nuestro objetivo es desarrollar algoritmos que se puedan utilizar de una manera más general y flexible sin tener que empezar desde cero cada vez. En otras palabras, estos algoritmos se pueden aplicar a su pieza dada, ayudándole a optimizar sus parámetros de proceso y elecciones de materiales. Piense en el aprendizaje automático como un tipo de ajuste de curvas con muchas, muchas variables ". Admite que esta no es una analogía perfecta, pero el resultado es efectivamente similar, ya que la curva, que en este caso es más una hiper-superficie multidimensional, mostrará las correlaciones y causalidades que señalan el camino a seguir.

Materiales, difusión y objetivo final

La finalización de los materiales a estudiar es una de las primeras tareas del proyecto ENLIGHTEN. “Lo más probable es que se estudie la poliamida 6 (PA6, nailon) para la automoción y la poliariletercetona de bajo punto de fusión (LM PAEK) para la industria aeroespacial”, dice Akkerman. "Evaluaremos otros materiales y veremos todos y cada uno de los datos disponibles". Esto puede incluir, por ejemplo, lo que ha sido generado por otros programas, como MECATESTERS en Clean Sky 2, que ha realizado una cantidad significativa de pruebas con cinta LM PAEK UD reforzada con fibra de carbono. Mientras tanto, el programa Clean Sky 2 STUNNING generará una gran cantidad de datos con respecto a la soldadura ultrasónica a medida que ensambla la mitad inferior del multifuncional Fuselage Demonstrator (MFFD). Akkerman destaca los proyectos COMPeTE llevados a cabo en TPRC, que han estudiado el sobremoldeo para muchas combinaciones de materiales diferentes.

En cuanto a la difusión de los resultados del proyecto, el consorcio ENLIGHTEN tendrá reuniones generales anualmente y los subgrupos de cada paquete de trabajo se reunirán según sea necesario para alcanzar los hitos establecidos. Se realizarán presentaciones individuales en conferencias nacionales e internacionales durante el transcurso del proyecto y se organizará una sesión dedicada o una conferencia internacional completa en el último año del proyecto para compartir los resultados generales.

El objetivo final, dice Akkerman, es lograr para los compuestos termoplásticos lo que la industria de los metales tiene con su enfoque de diseño de materiales para metales monocristalinos en motores aeronáuticos, por ejemplo. “Su objetivo era lograr un rendimiento necesario para el futuro de los aviones. Vemos el mismo mandato para una mayor movilidad. Estamos tratando de diseñar procesos de soldadura y sobremoldeo para optimizar el rendimiento de compuestos termoplásticos ligeros para estructuras aeroespaciales y automotrices, pero todavía tenemos mucha variabilidad. El resultado son factores de seguridad excesivos y menos eficiencia que la que realmente ofrecen las tecnologías. Sí, tenemos piezas de compuestos termoplásticos volando, pero nos llevó 30 años llegar tan lejos. Europa se ha fijado el objetivo de ser neutra en carbono para 2050, es decir, menos de 30 años. Si seguimos nuestro mismo camino, que todavía implica mucho ensayo y error, no alcanzaremos los objetivos necesarios para luchar contra el cambio climático. Vemos un camino diferente y más eficiente a través de ENLIGHTEN y ahora es el momento de actuar ”.