Compuestos de fibra de carbono corta amplían aplicaciones de compuestos termoplásticos

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

De moldeador a compounder

Los materiales son formulados y vendidos por Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokio, Japón). MCAM combina varios negocios previamente separados adquiridos por la matriz en la última década. Estos incluyen la antigua Quadrant AG (Lenzburg, Suiza), productora de compuestos de termoplástico reforzado con esteras de vidrio (GMT) y organosheets, así como perfiles termoplásticos de ingeniería, y lo que era Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, EE. UU.), que comenzó como moldeador por inyección y productor de piezas mecanizadas de precisión, y luego se expandió al compounding personalizado de CFRTP – primero para su propio uso y luego para otros moldeadores.

Alrededor de 2012, Piper era un moldeador por inyección personalizado de tamaño medio que servía a una base de clientes en aeroespacial y artículos deportivos/equipo recreativo. La dirección quería hacer crecer su negocio de fabricación de piezas pero tenía dos desafíos. Primero, tenía problemas para conseguir los tipos de compuestos que el equipo consideraba que permitirían a la empresa competir en segmentos de mayor rendimiento. Segundo, la empresa quería entrar en el 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 enfocado en varias resinas base y tecnologías de apizamiento de fibra, lo que llevó al desarrollo de una familia de compuestos CFRTP de alto rendimiento, moldeables por inyección, llamados KyronMAX. Estos materiales presentan matrices como poliamida 6/6 (PA6/6), poliftalamida (PPA), poliéterimida (PEI), polifenileno sulfuro (PPS), poliéteretercetona (PEEK) y poliariletercetona (PAEK) reforzados con fibra de carbono corta picada. Los compuestos – la mayoría de los cuales ofrecen alto rendimiento térmico, amplia resistencia química, buenas propiedades mecánicas y bajos valores de llama/humo/toxicidad (FST) – fueron formulados no solo para reemplazar grados de moldeo por inyección reforzados con fibra de vidrio corta y rellenos minerales, sino también compuestos LFT (con longitud inicial promedio de fibra de 13 mm) e incluso metales.

"En una ficha técnica, los compuestos LFT parecen más fuertes, pero a menudo no pueden llenar el tipo de geometría de pieza que nosotros podemos llenar con tecnología de fibra de carbono corta", explica Alex Wojtysiak, gestor de cuentas clave – compuestos de MCAM. "Debido a que nuestro flujo es mucho mayor, somos más capaces de llenar geometrías intrincadas, por lo que nuestros compuestos producen piezas que son dramáticamente más fuertes."

"No es tanto que nos propusiéramos crear una amplia gama de compuestos CFRTP, sino que cada uno se desarrolló para satisfacer las necesidades específicas de un cliente particular", añade Clint Newell, gestor global de tecnología de compuestos de MCAM. "A medida que crecieron nuestras capacidades de formulación, entramos en nuevos mercados, nos reunimos con nuevos clientes, preguntamos qué necesitaban y nos propusimos crear un compuesto perfecto para satisfacer esas necesidades."

No es sorprendente, porque estos compuestos fueron formulados inicialmente por un moldeador para un moldeador, fueron diseñados para proporcionar propiedades que los hicieran fáciles de procesar y que rindieran consistentemente piezas de mayor calidad y mejor rendimiento. "Formulamos nuestra línea de productos KyronMAX para proporcionar mayor flujo e interacción de fibra, menores tensiones internas, menos anisotropía, líneas de soldadura más fuertes, menos marcas de hundimiento, menor tendencia al alabeo y mayor precisión dimensional – independientemente de si las secciones de pared eran gruesas o delgadas", señala Dave Wilkinson, director de I+D de MCAM. "Además de nuestro trabajo de formulación y tecnología de apizamiento única, también hicimos nuestras propias modificaciones de prensa para procesar estos materiales de manera más eficiente."

¿Por qué el nombre inusual del producto? "En los mitos griegos antiguos, Kyron (también escrito Quirón) era parte centauro y parte humano", explica Randy White, director de innovación de MCAM. "Kyron usó sus habilidades personales únicas para elevarse sobre su naturaleza bestial. Asimilamos eso a nuestros compuestos, que son mitad fibra de carbono y mitad resina, tan fuertes como un caballo y tan inteligentes como un humano para la facilidad de procesamiento."

A medida que creció la experiencia en formulación, la empresa atrajo la atención de Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokio, Japón), que adquirió Piper en 2016. MCHC hizo inmediatamente una inversión sustancial de varios millones de dólares para aumentar el tamaño de la línea de compounding en Arizona, automatizar operaciones e incorporar sus propias tecnologías de apizamiento y picado de fibra de carbono para permitir que los compuestos KyronMAX se produjeran más rápido y con mayor consistencia y eficiencia. Posteriormente, se estableció una segunda línea de compounding en Míchigan y una tercera en Japón. Esta capacidad expandida significó que los grados KyronMAX pudieran competir por negocios automotrices en Norteamérica y Asia. Otros mercados siguieron.

Oferta de productos expandida, nuevas oportunidades de mercado

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

Otros grados automotrices introducidos en el AutoEPCON 2019 de SPE incluyen un grado de PPA reforzado con fibra de carbono de alta temperatura desarrollado específicamente para aplicaciones bajo capó. Se dice que ese grado tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) y temperatura de uso continuo (CUT) que rivalizan con la de PEEK, pero es más fácil de moldear. Dada la sensibilidad al coste de industrias de alto volumen como la automotriz y 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 tan deseado, la empresa ahora sirve a dispositivos médicos (tanto duraderos como desechables), pequeños electrodomésticos y electrónica de consumo (carcasas/cubiertas de reemplazo de metal). La aviación/aeroespacial sigue siendo importante, al igual que la industria de artículos deportivos, que ha crecido para incluir aplicaciones en bicicletas de carrera, bicicletas de montaña, palos de golf, armas de fuego, arcos compuestos y otras piezas de arquería. Con varios productos que ofrecen valores de coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE) similares a los de aluminio y magnesio moldeados por inyección de metal (MIM) – aunque con mejor tenacidad, menor peso y menor coste – el equipo se encuentra reemplazando metales en una gama creciente de aplicaciones.

¿Qué sigue?

Con acceso a la organización Mitsubishi más amplia globalmente, el equipo de MCAM puede acceder a tecnología que representa una cartera de compuestos más amplia que abarca químicas termoplásticas y termoestables, con una gama de tipos y longitudes de refuerzo. Por ejemplo, otro grupo de Mitsubishi produce compuesto de moldeo forjado (FMC) reforzado con fibra de carbono split y picado, una forma avanzada de compuesto de moldeo en lámina (SMC) que ayuda a cerrar la brecha de rendimiento y procesamiento entre SMC reforzado con fibra de vidrio o carbono corta y prepreg reforzado con fibra de carbono continua. Otro grupo produce prepreg reforzado con fibra de carbono tejido y no tejido y materiales de moldeo por compresión de prepreg de curado rápido (PCM).

Dentro de MCAM, otra tecnología que se acerca a la comercialización es una nueva familia de prepregs secos reforzados con textiles (no tejidos, tejidos y unidireccionales) con matrices termoplásticas llamados KyronTEX. Estos productos se están muestreando estratégicamente actualmente.

Finalmente, el verano pasado MCAM adquirió carbonNXT GmbH y la empresa hermana CFK Valley State Recycling GmbH y Co. KG (ambas en 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 usando fibra de carbono reciclada antes de calificar productos comerciales.