Industrialización del epoxi termoplástico: innovaciones y aplicaciones de la serie K de Cecence

Cecence (Salisbury, Reino Unido) se fundó en 2014 por tres socios con décadas de experiencia en compuestos. El director Mike Orange tenía amplia trayectoria en aparejos y mástiles de CFRP para yates. El jefe de innovación Humphrey Bunyan fue anteriormente jefe de innovación en Future Fibres (Valencia, España). “Fabricaban aparejos compuestos para la Copa América y otros barcos de regatas, así como amarras de CFRP para sujetar ruedas en coches de Fórmula 1”, explica Orange. “Entendíamos las ventajas de la ligereza, pero nos relacionábamos con otros sectores que carecían de nuestra experiencia y luchaban con costes, escalado de fabricación y normativas contra incendios.”

Enfoque en resistencia al fuego, fabricación industrializada y sostenibilidad

Así nació Cecence (se pronuncia “see-sense”, como sentido común con compuestos de fibra de carbono) centrada en resistencia al fuego, fabricación industrializada y sostenibilidad. Esto derivó en desarrollos como un respaldo de asiento para aviones de pasajeros moldeado por compresión en compuesto de fibra de carbono/biorresina que pesaba solo 7,5 kg, reducía el grosor del asiento a menos de 20 mm y aumentaba el espacio y confort del pasajero, cumpliendo todos los requisitos de fuego, humo y toxicidad (FST).

Epoxi termoplástico: la tecnología K_Series

La velocidad de fabricación y la sostenibilidad fueron claves cuando Cecence descubrió un sistema de resina epoxi termoplástica hace varios años. “Este termoplástico con componentes epoxi al final de sus cadenas poliméricas lo usaba una empresa textil que no veía su potencial en compuestos”, explica Orange. Cecence desarrolló un prepreg basado en esta tecnología y una familia de productos bajo la marca K_Series: K_Rod enrollable, K_Plate semi-preg de 0,25-1,98 mm y compuesto de moldeo K_Chip. “Hemos prensado componentes en menos de tres minutos”, dice Orange, “y demostramos una variante FR que cumple requisitos FST para interiores de aviones.” También desarrollaron un sistema de línea aérea compuesta (COHLE) para ferrocarriles eléctricos que reduce a la mitad los postes de soporte y reduce costes de instalación y operación en 100.000 £ (124.200 $) por kilómetro.

Ventajas del epoxi termoformable

“Con termoplásticos típicos, la alta viscosidad dificulta la impregnación de fibras”, explica Bunyan. “Pero el epoxi termoformable K_Series tiene viscosidad muy baja —80 centipoise a 100 °C—. Esto permite preimpregnar refuerzos de vidrio, carbono y fibras naturales con excelente distribución resina-fibra y típicamente 60% de fibra en peso. También podemos usar fibras con apresto para epoxi, normalmente incompatible con termoplásticos.” Es un verdadero termoplástico, permitiendo reformar piezas terminadas a 180-200 °C sin reacción química ni exotermia.

“Como el epoxi, se adhiere bien a la fibra, sin separación fibra-matriz incluso con altas presiones de moldeo”, señala Orange. K_Plate procesa a 150-220 °C, ofrece temperatura de servicio de 100 °C para exposiciones cortas y uso continuado a 90 °C. K_Chip se prens a 240 °C. Los procesos K_Series son rápidos: en JEC 2016 demostraron el termoplástico de formado más rápido visto por RocTool, con ciclo de 2 min 40 seg para capó de coche.

Además, los componentes epoxi facilitan pintar y unir piezas sin imprimaciones especiales requeridas por termoplásticos tradicionales. “Se pueden unir secundariamente con adhesivos estándar”, añade Bunyan. “También se obtienen buenas propiedades de cizallamiento interlaminar y estructuras tenaces y absorbentes de energía gracias al termoplástico.”

Catenaria de CFRP para ferrocarriles eléctricos de menor coste

La doble naturaleza de este epoxi termoplástico se ejemplifica en un sistema de línea aérea (OHLE) desarrollado por Cecence usando una catenaria de CFRP con K_Rod. La catenaria y el hilo de contacto son los dos cables principales en el OHLE ferroviario. La catenaria actúa como puente colgante entre pilonas (cada 25 m). El hilo de cobre cuelga de la catenaria mediante cables verticales.

“Al usar K_Rod como catenaria, esta queda solo 70 mm sobre el hilo de contacto”, indica Orange. “El sistema es más compacto con menor impacto visual.” Los sistemas OHLE actuales usan cables de acero que cambian longitud con la temperatura: en verano se alargan hasta 400 mm/km, requiriendo contrapesos de hormigón que añaden coste. El cable de CFRP cambia solo 7 mm/km en verano por la expansión térmica despreciable de la fibra de carbono, creando un compuesto térmicamente estable. Es 80% más ligero que el acero, no se hunde y permite espaciar pilonas a 50 m, reduciendo a la mitad su número y los correspondientes brazos en voladizo y cables de anclaje.

Además, los sistemas convencionales usan componentes metálicos que requieren aislantes. “El COHLE de Cecence no necesita todos esos aislantes porque usa postes y brazos de compuesto de fibra de vidrio (GF) no conductores y cables de anclaje compuestos no conductores”, explica Orange. “También usamos separadores intermedios de ácido poliláctico (PLA) impreso en 3D. A diferencia del metal, los postes no necesitan pintura regular y los compuestos resistentes a corrosión requieren menos mantenimiento.”

El epoxi termoplástico juega papel clave en la catenaria de CFRP: se usa en el núcleo de fibra de carbono K_Rod y en la cubierta sobreeentrenzada de GF. Resultado: cable ligero, alta resistencia, aislado, enrollable y que une bien al pegarse en una toma, resolviendo el difícil problema de terminación de cables compuestos de carbono. Gracias a la transferencia de carga del núcleo a la toma a través del sobreeentrenzado, no se necesita toma larga y el sistema es fácil de instalar en campo por técnicos ferroviarios.

Aunque el cable de CFRP cuesta tres veces el de acero, el coste global del sistema se reduce de 512.000 £ a 413.000 £ por kilómetro, dice Orange. Estos costes, calculados con Atkins (Londres), incluyen ahorros de operación/mantenimiento de 400.000 £ a 3,4 millones £ por kilómetro durante la vida del sistema.

Otras aplicaciones y desarrollos de K_Series

Más allá de OHLE, Cecence explora otras oportunidades. “Hemos trabajado en proyectos donde cables K_Rod se usaron como anclajes para talud rocoso en Suiza”, dice Orange. “Perforaban agujeros de 80 m, insertaban cables CFRP y rellenaban con hormigón. Hubo resultados asombrosos, pero el socio académico nunca conectó con la industria para desarrollar más allá de escala de laboratorio. Buscamos otras demostraciones; este sistema es anticorrosión y tiene buena transferencia de carga. Podría aplicarse como anclajes para construcciones antisísmicas.”

Videos en YouTube y web de Cecence demuestran la termoformabilidad de K_Plate. “También hay conversaciones para explorar aplicaciones en perfiles alares de geometría variable/morfing con empresa aeroespacial británica”, dice Orange. Cecence demostró material automotriz rentable usando K_Chip con toques compuestos picados como material híbrido CF/GF/epoxi termoplástico, manteniendo proporción 2:1 de carbono a vidrio, confirmado por pruebas.

La empresa desarrolló K_Series de alta temperatura con Tg de 250-300 °C que procesa a 360-400 °C. “Se usó para fabricante automotriz que quería piezas CFRP que sobrevivieran a su proceso de pintura E-Coat a 180 °C”, dice Orange. “Tenemos material K-FR que pasa requisitos FST de aviación (quemado vertical, liberación calor, toxicidad humo), y estudiamos amortiguación de vibraciones para reducir ruido en cabinas. Podemos ajustar el termoplástico y añadir capas elastoméricas para reducción significativa de ruido.”

Reciclabilidad y economía circular

Samantha Bunyan, tercera fundadora y jefa de compromiso industrial, destaca la reciclabilidad como área clave. Cecence forma parte del consorcio ReDisCoveR Composites, operado por el Centro Nacional de Compuestos (Bristol, Reino Unido), establecido en abril 2019 con 24 proyectos en cuatro áreas: reciclaje, desmontaje, materiales circulares y reutilización. “Dentro de estos proyectos, estudiamos desmontaje de componentes y demostramos la real reciclabilidad de compuestos termoplásticos”, dice Bunyan. “La industria finalmente se ve obligada a probar la reciclabilidad que ha reivindicado años. Cecence ve beneficios en reciclar productos K_Series, pero debe demostrar procesos y viabilidad económica.”

“Creemos que hay mucho espacio para compuestos sostenibles en transporte masivo: interiores de aviones, asientos y aplicaciones ferroviarias”, dice Orange, añadiendo que Cecence no es solo socio de desarrollo sino también de fabricación. “Hemos fabricado 2.500 respaldos compuestos para aviones A320 y estábamos en camino a producir los más ligeros y finos del sector antes del COVID-19. Residuos de asientos compuestos pueden reusarse en reposapiés y reposabrazos. Reciclado también puede usarse en piezas auxiliares que usan plásticos vírgenes. Todo esto ayuda a reducir consumo de combustibles fósiles y emisiones, facilitar electrificación y aumentar sostenibilidad.”

En compuestos, señala Samantha Bunyan, “sostenibilidad es triple: materiales, procesamiento (rápido y bajo en energía) y cadena de suministro. Alteramos las tres, trabajando con innovadores globales que no se ven porque la mayoría mira solo a grandes empresas. El mundo necesita nuevas soluciones que funcionen para la industria. Esto es lo que hace Cecence.”