El sistema de tejido automatizado de WEAV3D impulsa la fabricación de compuestos de alto rendimiento y alto volumen

Una barrera persistente para la adopción generalizada de compuestos, especialmente en la industria automotriz, es la necesidad de producción de alto volumen y costes más bajos de los que son factibles con muchos tipos de procesos de fabricación de compuestos. La startup WEAV3D Inc. (Norcross, Georgia, EE. UU.) busca resolver estos problemas con sus estructuras de refuerzo de celosía compuestas termoplásticas continuas fabricadas en un proceso de tejido automatizado diseñado para ser libre de residuos, rentable y, según predice WEAV3D, un habilitador para la producción de alto volumen.

Del concepto a la comercialización

Christopher Oberste, fundador y CEO de WEAV3D Inc., desarrolló el concepto inicial de su tecnología mientras obtenía su doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech, Atlanta) en 2014. Sus estudios en ingeniería de polímeros y fibras y una pasantía cooperativa en GKN Aerospace North America (Tallassee, Alabama, EE. UU.) despertaron su interés en termoplásticos y procesos de alto volumen como moldeo por compresión y compuestos aeroespaciales. Este trabajo llevó al desarrollo de su primera iteración para un proceso de tejido automatizado de alta velocidad para estructuras de refuerzo de celosía compuestas termoplásticas. Con la ayuda y apoyo de su asesor doctoral, el Dr. Ben Wang, Oberste solicitó y recibió financiación para desarrollar y comercializar su idea de Georgia Research Alliance y el programa Innovation Corps (NSF I-Corps) de la National Science Foundation.

Durante los dos años siguientes, Oberste trabajó con estudiantes de MBA y derecho para comercializar la tecnología a través de un programa colaborativo en Georgia Tech llamado TI:GER (Technological Innovation: Generating Economic Results). Para 2017, con financiación adicional de Megawatt Ventures y un premio U.S. Department of Energy Clean Tech University Prize, Oberste y el cofundador Lewis Motion, ex piloto de helicóptero de la Guardia Costera de EE. UU., fundaron WEAV3D Inc.; hoy, la empresa emplea tres personas a tiempo completo y cuatro a tiempo parcial.

Dado el trasfondo aeroespacial de Oberste y Motion, el plan inicial era calificar los materiales compuestos termoplásticos de WEAV3D como estructuras de refuerzo en componentes aeroespaciales. Sin embargo, Oberste explica que, como parte de la subvención NSF I-Corps, él y su equipo tuvieron que realizar una serie de 100 entrevistas con potenciales clientes industriales, lo que los llevó a tomar una dirección diferente. «Hicimos muchas entrevistas de descubrimiento en aeroespacial... pero oímos una y otra vez que el camino para startups que entran en aeroespacial, especialmente con un nuevo proceso de fabricación, es muy difícil. El tiempo de adopción es realmente largo y es muy costoso. Muchas empresas mueren antes de siquiera llegar al mercado», explica.

Tras hablar con empresas de otras industrias, Oberste y su equipo decidieron cambiar su enfoque a los mercados automotriz y de construcción. Dice: «Una vez que empezamos a hablar con gente [en automoción], nos dimos cuenta de que había una necesidad realmente grande no satisfecha en ese espacio, en que la gente de automoción tiene mucha presión para reducir peso, pero también son sensibles al precio. Nos dijeron que la mayoría de los procesos de fabricación de compuestos convencionales disponibles no podían proporcionar el volumen que necesitaban a los costes que querían». A partir de ahí, Oberste se propuso evolucionar su tecnología para ser una solución habilitadora para producir piezas compuestas de alto volumen a bajo coste.

El resultado es el concepto patentado de WEAV3D «Rebar for Plastics» (Armadura para plásticos). Usando un proceso de tejido y consolidación automatizado, WEAV3D fabrica estructuras de celosía compuestas termoplásticas dimensionalmente ajustables, diseñadas para integrarse fácilmente como material de refuerzo en una pieza de plástico o hormigón mediante moldeo por compresión, sobremoldeo por inyección u otros procesos comunes de alto volumen. Basándose en modelos de simulación, Oberste dice que este enfoque permite la producción de piezas de automoción con rendimiento a la par del acero o aluminio en chapa, pero más ligeras y un 30-75 % menos costosas de producir frente a piezas compuestas formadas vía organosheet, colocación automática de cinta (ATL) o procesos de colocación manual.

El proceso WEAV3D

El proceso WEAV3D comienza con cintas unidireccionales (UD) termoplásticas estándar. Oberste dice que el proceso puede manejar cualquier tipo de termoplástico y fibra de refuerzo: «Nuestro punto óptimo para la mayor parte del trabajo que hemos estado haciendo en automoción y construcción está en el espacio del polipropileno [PP], policarbonato [PC], tereftalato de polietileno [PET] o poliamida [PA]. Somos muy agnósticos en términos de fibras de refuerzo, aunque la fibra de vidrio y carbono son, por supuesto, las más populares». Dice que el equipo también ha hecho algunos trabajos con cintas metálicas conductoras e investiga cintas con fibras ópticas integradas.

La máquina piloto a escala completa de WEAV3D está estandarizada para procesar cintas de 25 milímetros o 1 pulgada de ancho, aunque Oberste dice que la máquina puede manejar cintas tan pequeñas como 5 milímetros (0,2 pulgadas) de ancho con el uso de adaptadores, y cintas más anchas con reequipamiento. En la máquina actual, los celosías pueden producirse hasta 1,5 metros de ancho (60 pulgadas), y hasta cinco capas de espesor, a cualquier longitud requerida por la aplicación.

La patente de noviembre de 2017 de la empresa describe el sistema WEAV3D como «una máquina para fabricar continuamente un compuesto tejido con geometría de tela interna controlable». Desde bobinas cargadas en la máquina, las cintas UD se enhebran en una serie de cabezales de urdimbre controlables independientemente. Cada cabezal contiene múltiples canales de cinta, formando una abertura de urdimbre, un espacio entre las cintas de urdimbre para que las cintas en dirección de trama sean enhebradas. Una pila insertadora dispensa cintas unidireccionales en dirección de trama a través de la abertura de urdimbre para formar un tejido compuesto. La celosía tejida se tira entonces bajo una fuente de luz infrarroja (IR) y luego a través de rodillos de compresión para consolidar y unir las capas de cintas en los puntos de entrelazado. Dependiendo de los requisitos del cliente, la estructura resultante se proporciona como lámina plana o en rollo, o WEAV3D ofrece servicios adicionales de recorte y preformado.

Uno de los beneficios más importantes del proceso de WEAV3D, dice Oberste, es el alto nivel de ajustabilidad de la estructura de celosía para diferentes aplicaciones. Esto incluye mezclar diferentes materiales en diferentes ubicaciones, así como ajustar la densidad, o distancia entre las cintas, de la estructura de celosía. «Realmente podemos optimizar la estructura de celosía para los requisitos del producto final mientras minimizamos los costes globales».

Una vez entregadas al cliente, las celosías pueden integrarse en componentes de hormigón polimérico, o moldearse por compresión, termoformarse o sobremoldearse por inyección para formar una pieza compuesta de automoción final. El proceso WEAV3D también puede acomodar diversos niveles de complejidad. Oberste explica que para piezas relativamente simples, «esta celosía puede combinarse con un proceso de laminación y luego termoformarse, solo como un paso de coformado. Para piezas moderadamente complejas, podemos hacer coformado o preformado en moldeo por compresión, ya sea moldeo por compresión termoplástico o SMC. Y luego para las piezas muy complejas, en realidad podemos preformar la celosía en la forma que necesite, colocarla en una herramienta y luego hacer sobremoldeo por inyección en esa pieza».

«El gran enfoque para nosotros en el ecosistema de compuestos es que somos un cambio de juego para la producción de alto volumen», añade. El volumen exacto depende de la aplicación, pero Oberste estima que para piezas de celosía dimensionadas para reforzar paneles de puertas de automoción, las máquinas de WEAV3D pueden producir entre 200.000 y 500.000 unidades al año.

Además, el producto WEAV3D también ha exhibido propiedades mecánicas mejoradas al reforzar una pieza compuesta o de plástico. «Combinar una celosía WEAV3D con plásticos de fibra corta existentes o compuestos de fibra larga puede aumentar significativamente la resistencia, rigidez y tenacidad del producto resultante», dice Oberste, aunque añade que la cantidad de aumento varía ampliamente según los materiales específicos usados y el diseño de una pieza particular. «En algunas aplicaciones, este rendimiento aumentado permite reducir sustancialmente el espesor o las nervaduras de la pieza, lo que se traduce en reducción de peso».

Zanjas de hormigón reforzado: Primera aplicación comercial

Durante los primeros años, el enfoque de la startup ha sido producir un método de fabricación y materiales adecuados para la industria automotriz específicamente, aunque Oberste tiene ideas sobre cómo esta tecnología podría usarse en componentes interiores aeroespaciales comerciales, aviones no tripulados de defensa, ferrocarril, transporte de carga y aplicaciones marinas.

Para su primera aplicación comercial anunciada en noviembre de 2020, sin embargo, WEAV3D comenzó con el mercado de la construcción, usando refuerzos de fibra de vidrio/PET para un sistema de zanjas de hormigón polimérico fabricado por Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Georgia, EE. UU.).

El sistema de zanjas de Oldcastle, usado para tender cables de servicios en áreas urbanas, estaciones de tren o plantas industriales, debe ser capaz de soportar cargas de 16.000 libras de vehículos que pasan por encima. Anteriormente, la zanja se reforzaba con jaulas de alambre de acero soldadas a medida embebidas en el hormigón. Sin embargo, según Oberste, estas jaulas de acero eran tanto costosas de fabricar a medida como, dado que Oldcastle fabrica zanjas de varios tamaños diferentes, las jaulas de acero no siempre tenían las dimensiones correctas para reforzar adecuadamente los orificios de drenaje de la zanja. «Con nuestro proceso, como realmente podemos optimizar la celosía para los requisitos de la aplicación, pudimos ajustar la geometría de la celosía —por ejemplo, para asegurarnos de añadir refuerzo alrededor de los orificios de drenaje en el fondo de la zanja, y refuerzo en los extremos de la zanja para que esté protegida contra impactos durante la manipulación», dice.

Además, uno de los aspectos más desafiantes del proyecto, dice Oberste, fue identificar un material de cinta termoplástica que pudiera formar un enlace adhesivo con el hormigón polimérico, en lugar de depender solo de una interfaz mecánica, como ocurre con los refuerzos de jaula de acero. El material de tereftalato de polietileno glicol (PETG) que WEAV3D seleccionó forma una verdadera interfaz adhesiva entre los dos materiales, lo que ayuda con la transferencia de tensión y disminuye la probabilidad de fractura. «Incluso si ocurre la fractura», añade, «esa fractura es mucho menos probable que se propague a través de la estructura porque tiene que superar esa interfaz adhesiva».

WEAV3D produce las celosías diseñadas para esta aplicación como un preformado en canal U, que Oldcastle coloca luego en un molde de fundición donde se vierte hormigón polimérico sobre él, seguido de curado y desmoldeo para producir la estructura de hormigón reforzado final.

Dentro de la construcción, WEAV3D tiene planes de expandir sus celosías a otras aplicaciones de hormigón polimérico como recintos y tapas. En octubre de 2020, WEAV3D, en una propuesta conjunta con la Universidad de Western Ontario y la firma de ingeniería estructural Entuitive, recibió una subvención del Consejo de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá para investigar el uso de las celosías de WEAV3D como refuerzo en hormigón Portland tradicional también. El objetivo es desarrollar celosías que puedan usarse como refuerzos para losas y fachadas de edificios no residenciales, dice Oberste.

WEAV3D de próxima generación: Velocidades automotrices

Una versión de próxima generación de la máquina WEAV3D, diseñada para satisfacer las necesidades de la fabricación automotriz, está en desarrollo con financiación de investigación de NSF. Oberste dice que probablemente estará en línea en 2022. Las mejoras en el nuevo sistema están dirigidas a triplicar la velocidad de producción del sistema actual, incluyendo el reemplazo del calentamiento IR y rodillos de compresión con soldadura ultrasónica más eficiente.

Al mismo tiempo, Oberste y su equipo han comenzado conversaciones con Tier 1s y OEMs estadounidenses y europeos en la industria automotriz sobre el uso de productos WEAV3D para reforzar paneles de plástico, desde componentes interiores hasta portones traseros de camionetas. «Uno de los objetivos es añadir una celosía como esqueleto estructural dentro de componentes moldeados de plástico para mejorar su resistencia y rigidez y reemplazar los soportes y refuerzos metálicos en los que confían actualmente los diseñadores», dice Oberste. WEAV3D también está trabajando en artículos de demostración de paneles de carrocería y otros componentes para mostrar los beneficios del material.