Fibra de carbono reciclada: panorama actual y perspectivas futuras

El caso de la fibra de carbono reciclada es complejo. La industria se basa en la esperanza de resolver problemas —principalmente, el deseo de mantener los residuos de fibra de carbono fuera de los vertederos y cubrir un posible hueco entre la oferta y la demanda de fibra de carbono. Se estima comúnmente que alrededor del 30% de la fibra de carbono producida acaba como residuo. Mientras tanto, a medida que material valioso termina en vertederos, la mayoría de los analistas coinciden en que la demanda anual del material podría superar la capacidad de producción actual en los próximos años. La demanda media global estimada de fibra de carbono ronda las 65.000-85.000 toneladas métricas al año, con una capacidad nominal global (que es superior a la capacidad real) de unas 150.000 toneladas métricas, según estimaciones presentadas por Brett Schneider, presidente de fibras globales de Hexcel (Stamford, Conn., EE. UU.) y Dan Pichler, director gerente de CarbConsult GmbH (Hofheim am Taunus, Alemania) en la conferencia de Fibra de Carbono de diciembre de 2018. Según informó la colaboradora de CW Amanda Jacob en marzo, algunos analistas estiman que la demanda de fibra de carbono podría superar la oferta en unas 24.000 toneladas métricas para 2022. (Véase «Generando confianza en la fibra de carbono reciclada».)

Y aunque los proveedores comerciales de fibra de carbono reciclada (rCF) apuntan al material recuperado y reutilizado como posible solución a esta brecha de oferta y demanda, la industria del rCF tiene sus propios desafíos. Si bien la tecnología para reciclar compuestos de fibra de carbono existe desde hace varios años y es capaz de producir un material con propiedades mecánicas muy cercanas a las del material virgen, la industria del reciclado de compuestos es relativamente joven y aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo de mercados para los materiales que produce a partir del reciclado. A medida que aumenta la confianza en la calidad de la fibra producida por los recicladores, las preguntas sobre coste y disponibilidad han pasado a primer plano. Quizás el mayor desafío para la industria es la preocupación por la seguridad de la cadena de suministro.

«Las tecnologías están ahí y existen desde hace tiempo, pero la cadena de suministro simplemente no ha sido validada», dice Andrew Maxey, CEO de Vartega (Golden, Colorado, EE. UU.). «Sin las piezas adecuadas unidas, puedes tener la mejor tecnología del mundo, pero no tendrás material para reciclar ni productos donde usarlo».

Los proveedores comerciales suelen mirar a la industria aeroespacial como fuente de residuos de producción y material al final de su vida útil para usar como reciclado, sin embargo, aunque la cantidad de residuos generados por la industria aeroespacial es grande en términos de lo que va a vertederos, muchos OEM y fabricantes han sido reacios a confiar en ella como fuente constante de suministro para una línea de productos de alto volumen.

Por otro lado, se están logrando avances. En diciembre de 2018, Boeing anunció que suministrará a ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido) residuos de fibra de carbono curados y sin curar para ser reciclados y usados en productos secundarios para otras aplicaciones de fabricación de compuestos. El acuerdo es la primera relación formal de suministro de material entre un reciclador de fibra de carbono y un importante OEM aeroespacial y parece ser un buen augurio para la industria.

No solo preocupaciones medioambientales

El argumento para usar rCF va más allá de la sostenibilidad. La reducción de costes también es un beneficio. Por ejemplo, el rCF de ELG Carbon Fibre cuesta alrededor de un 40% menos que la fibra de carbono virgen de grado industrial. Otros proveedores comerciales afirman que su material es entre un 20% y un 40% más barato que la fibra de carbono virgen. Además, para muchas aplicaciones hay necesidad de formatos de fibra discontinua —lo que sugiere una oportunidad donde el rCF podría ofrecer una alternativa más sostenible y económica al material virgen.

«Dondequiera que la industria use fibra de carbono discontinua o picada, la fibra reciclada debería ser la primera consideración», dice Maxey. «Gastamos todo este dinero para fabricar fibra de carbono virgen en formato continuo... ¿por qué luego la picamos para ponerla en termoplástico? Si ya tenemos un formato discontinuo en esos residuos, ese es el mejor material para usar, en mi opinión, para esos compuestos de moldeo donde de todos modos la vas a picar».

Además, la calidad del rCF producido ha demostrado, en algunos casos, estar a la par de la fibra virgen. ELG Carbon Fibre, que recupera fibras de carbono mediante pirólisis, dice que su fibra retiene típicamente al menos el 90% de su resistencia a la tracción sin cambio en el módulo. Vartega usa un proceso de reciclaje químico y afirma que su fibra exhibe las mismas propiedades mecánicas que la fibra de carbono virgen. Shocker Composites (Wichita, Kansas, EE. UU.) usa un proceso de solvólisis en línea para recuperar la fibra y afirma alta calidad sin daño aparente a las fibras.

Según Vamsidhar Patolla, estudiante de doctorado en la Universidad Estatal de Wichita y fundador de Shocker Composites, el desafío consiste en bajar el coste a un nivel comparable al de otros materiales como el aluminio. «La procesabilidad debe igualar la escala de producción de alto volumen», dice. El proceso de Shocker Composites ofrece esta ventaja porque es un proceso en línea, no por lotes. (Más información en el artículo «Reciclaje sostenible en línea de fibra de carbono».)

Dadas las mejoras recientes en los últimos años en el procesamiento y la calidad de la fibra rCF, los proveedores comerciales han comenzado a cambiar su enfoque desde el downcycling del rCF hacia productos de menor rendimiento y más hacia la búsqueda de aplicaciones apropiadas que se beneficien de las propiedades del material.

«Nunca desplazaremos completamente la fibra virgen, especialmente en aeroespacial donde hay requisitos de alta resistencia y rigidez, pero la gente está entendiendo que la fibra reciclada no es solo fibra reciclada con potenciales débiles», dice Benjamin Andrews, ingeniero de servicios técnicos de campo de ELG Carbon Fibre. «Tiene sus propios beneficios que son superiores a las fibras vírgenes en algunas aplicaciones. La drapeabilidad y el acabado superficial son mejores que los de la fibra virgen... esto no es solo un material reutilizable; es un material que tiene sus propios beneficios».

¿Qué pasa con la automoción?

En cuanto a mercados, la industria automotriz parece la que debería tener más potencial para usar rCF. La capacidad del material para combinar aligeración con buen acabado superficial lo hace un ajuste natural para paneles de carrocería, sin mencionar varios componentes interiores. Los proveedores comerciales de rCF han mirado a la industria con expectación, esperando una adopción generalizada, pero aún no ha llegado el punto de inflexión. El tiempo de proceso y el coste siguen siendo obstáculos para la industria.

Mark Mauhar, CEO de Carbon Conversions (Lake City, Carolina del Sur, EE. UU.), argumenta que estas preocupaciones son un poco una excusa dado el progreso realizado, y considera que la principal barrera para la adopción en cualquier mercado es en realidad la aversión al riesgo.

«Nadie quiere ser el primero en adoptar un nuevo ecosistema de materiales», dice. También subraya que la adopción a gran escala del rCF por la industria automotriz no es necesariamente deseable, señalando que la adopción por una docena de plataformas automotrices importantes podría consumir rápidamente el suministro global de rCF. Dice que el enfoque debe ser dirigirse a programas de nicho, lo que a su vez hará que la cadena de suministro sea más robusta desde una perspectiva empresarial.

Panel de puerta automotriz fabricado con prepreg hecho de re-Evo MCF de Carbon Conversions.

Foto CW | Scott Francis

«Vale la pena ser inteligente sobre dónde lo pones en automoción», dice. «Elegir piezas específicas en modelos específicos de coches que tengan sentido».

Mauhar espera que la automoción sea el primer gran espacio de mercado en consumir una fracción decente de la fibra de carbono reciclada disponible. «En los próximos 24 meses empezaremos a ver movimiento ahí», predice.

Los compuestos, en general, se están abriendo camino en la industria automotriz incrementalmente en forma de piezas como cajas de baterías, vasos a presión, muelles de ballesta e incluso sistemas de portón trasero. Tendría sentido que el rCF siguiera la misma trayectoria.

Este suelo de vehículo moldeado por compresión usa la estera no tejida re-Evo MCF de Carbon Conversions.

Foto CW | Scott Francis

Un ejemplo interesante de tal enfoque de nicho es ProDrive Composites (Milton Keynes, Reino Unido), fabricante de compuestos ligeros avanzados para aplicaciones que van desde automoción y motorsport hasta aeroespacial y defensa. La empresa ha estado colaborando con el Centro de Investigación de Fabricación Avanzada de la Universidad de Sheffield (AMRC, Sheffield, Reino Unido) y ELG Carbon Fibre en su proceso P2T (Primario a Terciario), un nuevo proceso que usa una resina termoplástica reactiva para fabricar componentes compuestos reciclables. Un monómero plástico reacciona con un catalizador en presencia de fibras recicladas para producir un laminado curado, fuera del autoclave.

Ejemplo de una pieza terciaria producida usando el proceso P2T de ProDrive.

Foto CW | Scott Francis

«[Hemos] demostrado que paneles compuestos reciclables pueden producirse a una velocidad y coste que se adaptan a muchas industrias», dice John McQuilliam, ingeniero jefe de ProDrive Composites.

La empresa dice que P2T permite que un material compuesto se use tres o más veces. Al final de la vida de la pieza primaria, las fibras y potencialmente la resina pueden reciclarse, suministrando materia prima para una pieza secundaria termoplástica, como un panel de carrocería. Cuando esa pieza llega a su fin de vida, puede picarse y remodelarse en nuevas piezas. (Más información en el artículo «Proceso P2T posicionado para el reciclaje».)

Mientras tanto, Vartega lidera un proyecto del Instituto para la Innovación en Fabricación de Compuestos Avanzados (IACMI, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) centrado en la industria automotriz. La colaboración técnica de dos años está diseñada para abordar los desafíos de crear termoplásticos reforzados con fibra de carbono reciclada consistentes para uso en aplicaciones de aligeración de vehículos. Maxey dice que el proyecto está progresando hacia un conjunto de datos robusto que ofrece una caracterización completa de materiales, desde la interfaz de fibra hasta propiedades de pieza final.

Por supuesto, al considerar la industria automotriz, la mejor apuesta podría ser en tecnologías emergentes relacionadas. Vehículos eléctricos, autónomos y aspectos de conectividad en coches traen nuevas piezas y oportunidades de aplicación donde los compuestos probablemente jugarán un papel importante.

Maxey ofrece su evaluación de hacia dónde se dirige la industria automotriz: «Ha habido mucho en los últimos un par de años en la industria automotriz, donde el enfoque cambiará de la economía de combustible a otras prioridades dependiendo de cuáles sean las regulaciones y lo que diga la [administración presidencial]», dice. «[No] vemos ninguna retirada importante en aligeración, pero tal vez la motivación para ella evolucione. Creo que lo que verás en la industria es el enfoque en aligeración para aplicaciones de movilidad».

¿Puede la aeroespacial cerrar el ciclo?

La industria aeroespacial genera la mayor cantidad de residuos de fibra de carbono, y los proveedores comerciales de rCF a menudo miran a la industria aeroespacial como fuente de reciclado. El material excedente, típicamente prepreg de compuesto termofijo sin curar, se recoge y la resina se elimina mediante calor (pirólisis) o un disolvente químico (solvólisis) para obtener fibra que se muele, pica o peletiza.

A medida que la industria avanza hacia un mayor uso de compuestos termoplásticos (TPC), ese material presenta un nuevo conjunto de oportunidades de reciclaje. Como los polímeros termoplásticos pueden refundirse y remodelarse, la industria aeroespacial tiene más oportunidad de reabsorber parte de sus propios residuos en aplicaciones secundarias, potencialmente reutilizando tanto fibra como matriz. Thomas de Bruijn, investigador en el Centro de Aplicación de Compuestos Termoplásticos (TPAC, Enschede, Países Bajos) —un centro de I+D de compuestos termoplásticos que trabaja junto al Centro de Investigación Termoplástica (TPRC, Enschede, Países Bajos) a nivel de investigación aplicada— señala los esfuerzos en la industria para reciclar el material internamente.

«Desde un punto de vista de factibilidad, para compuestos termoplásticos, un enfoque interno tiene mucho más sentido», dice.

Según de Bruijn, los OEM aeroespaciales son más propensos a reciclar internamente que recurrir a un proveedor comercial de rCF. La principal razón es la trazabilidad. Igualar tipos de polímero a una aplicación dada se vuelve mucho más difícil cuando el suministro se saca fuera de la empresa.

Johan Meuzelaar, especialista en ingeniería de tensiones en GKN Fokker (Hoogeveen, Países Bajos), piensa que la respuesta es intentar encontrar tantas aplicaciones como sea posible dentro de su propio entorno de producción. «Si miro el tipo de componentes termoplásticos que hacemos de material virgen, hay muchas partes en ellos que podríamos hacer recicladas», dice. «[Podríamos] ciertamente usar una cantidad significativa de residuos que generamos».

«Ya tenemos las instalaciones», añade Guillaume Vincent, ingeniero de compuestos termoplásticos en el TPRC. Explica que el reciclaje interno encaja en las cadenas de proceso normales y que la mayoría del equipo ya está en su lugar, lo que lo convierte en la vía más asequible. «[Encaja] en actividades que tenemos en un entorno de producción normal».

Ruta de reciclaje TPC-Cycle

Fuente | TPRC, TPAC

De Bruijn, Vincent y Meuzelaar participan en el proyecto TPC-Cycle, operado por TPAC y TPRC. El proyecto apunta a la reutilización de residuos de producción del procesamiento de compuestos termoplásticos para aeroespacial y aplicaciones de alto volumen. El objetivo es retener las altas propiedades mecánicas de los compuestos termoplásticos y reducir el impacto ambiental global a un coste asequible. El TPC-Cycle presume de tiempos de ciclo cortos y se dice que permite la producción de formas complejas.

Panel de acceso demostrador para rotorcraft desarrollado usando el proceso TPC-Cycle.

Fuente | TPRC, TPAC, GKN Fokker

Varios socios industriales, incluyendo GKN Fokker, Toray Advanced Composites (Morgan Hill, California, EE. UU.; Nijverdal, Países Bajos), Cato Composite Innovations (Rheden, Países Bajos), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Países Bajos) y Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Países Bajos), participan en el proyecto TPC-Cycle, representando diferentes segmentos en la cadena de valor desde material, fabricación, diseño y aplicación.

Según de Bruijn, el proyecto TPC-Cycle está ahora analizando la finalización de análisis de costes y de ciclo de vida para demostrar que el proceso es económicamente beneficioso.

Además, programas como la Iniciativa Conjunta Clean Sky 2 (financiada por el programa Horizonte 2020 de la UE) están fomentando I+D que se centra en cerrar el ciclo para los residuos aeroespaciales. Los OEM buscan el potencial de usar residuos de fábrica reciclados para piezas interiores, paneles de acceso, componentes pequeños e incluso clips y soportes de estructura aérea.

El Dr. Bas Veldman, director de programa de GKN Fokker para la mitad inferior de un Demostrador de Fuselaje Multifuncional Termoplástico, está fomentando este concepto lanzando una convocatoria de propuestas bajo el programa Clean Sky 2 sobre clips y soportes. Un elemento importante en el desarrollo del demostrador es reducir el impacto ambiental mediante el uso de residuos de fábrica para tales productos como clips y soportes de estructura. El demostrador también busca reemplazar remaches con soldadura, ahorrando materiales, energía y coste mientras contribuye al aligeramiento.

Según Meuzelaar, GKN Fokker está investigando cómo la tecnología de reciclaje podría ser parte del concepto de fuselaje del mañana de la empresa. Dice que el concepto potencialmente usará muchos compuestos termoplásticos, lo que a su vez podría generar muchos residuos que podrían usarse para soportes, accesorios y piezas no estructurales reciclados.

«La razón para mirar un fuselaje termoplástico es el coste, y pensamos que este es un método de producción económicamente viable, que también incorpora reciclaje», dice.

Meuzelaar dice que el objetivo a alto nivel es hacer productos aeroespaciales más asequibles y sostenibles. Aunque se están dando pasos hacia la producción en serie en termoplásticos, esto también generará residuos (como es desafortunadamente el caso de los compuestos en general). Pero él cree que esos residuos pueden ser comercialmente viables y dice que la mezcla de baja cizalla/moldeo por compresión de TPC de fibra de carbono reciclada ofrece libertad de diseño no ofrecida por el laminado tradicional con fibras continuas. «Obtienes muchas opciones adicionales para hacer piezas no estructurales muy interesantes como paneles, pequeños carenados o soportes de sistemas que usualmente en aeroespacial tienden a ser sobrediseñados en términos de materiales usados, aleaciones usadas, [y] sistemas de producción usados», explica.

Él cree que la oportunidad reside principalmente en piezas no estructurales de tamaño y complejidad media, que siguen siendo una parte significativa del coste total de los componentes mayores.

«No haremos alas de termoplástico reciclado en un futuro próximo», dice Meuzelaar. «Pero dentro del ala, hay piezas que podemos hacer que tienen sentido económico».

Todo eso dicho, es un poco prematuro predecir el impacto que los compuestos termoplásticos tendrán en la industria del reciclaje.

«El porcentaje de residuos probablemente disminuirá debido a nuevos métodos de producción como colocación de cinta o blanks a medida, que probablemente produzcan menos residuos que los típicos procesos de anidado y estampado que vemos», dice de Bruijn. «Pero en general creo que habrá más residuos termoplásticos en los próximos años y décadas».

Y aunque este interés en el reciclaje interno está en aumento, siempre habrá algunos residuos que no sean utilizables y que los fabricantes no quieran o no puedan reciclar internamente. En esos casos, esos materiales podrían ser recuperados por un proveedor de materiales. El tiempo dirá qué podría significar el mayor uso de compuestos termoplásticos para la cadena de suministro. (Más información sobre el proyecto TPC-Cycle y la iniciativa Clean Sky 2 en «Compuestos termoplásticos reciclados para producción».)

Fabricación aditiva

La fabricación aditiva es otra área que tiene potencial para el rCF. Por ejemplo, Shocker Composites ha compuesto su fibra de carbono reciclada en filamento ABS reforzado al 20-40% y ha demostrado su uso exitoso con el proceso de fabricación aditiva de gran área (BAAM) de Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, EE. UU.).

Además, Vartega dice que está aprovechando su tecnología de reciclaje de fibra de carbono y experiencia en desarrollo de materiales para avanzar en materias primas de polímero para fabricación aditiva de fusión de lecho de polvo. La empresa recibió recientemente una subvención de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) de la National Science Foundation (NSF, Alexandria, Virginia, EE. UU.) para realizar I+D en el área.

Vartega afirma también estar desarrollando un proceso que permitirá que polvos termoplásticos sean reforzados con fibra de carbono asegurando que los materiales produzcan piezas funcionales en sistemas aditivos infrarrojos. Este avance permitirá supuestamente a los fabricantes digitales realizar el potencial completo de nuevas plataformas de hardware basadas en polvo para producir piezas que rindan de forma similar a materiales moldeados por inyección a tasas de producción de volumen medio.

«Al ofrecer polvos de polímero reforzados con fibra de carbono, fabricantes en sectores como UAV [vehículos aéreos no tripulados] y prótesis médicas realizarán los beneficios de impresión 3D rápida, compleja y personalizada, asegurando que su selección de material exhiba la integridad estructural requerida para su producto», dice Alice Havill, directora de operaciones de Vartega.

Otras aplicaciones

Mientras tanto, otros mercados y aplicaciones en los que la fibra de carbono reciclada puede jugar un papel continúan surgiendo.

Esta madera laminada cruzada de grado de construcción (CLT) combina madera modificada térmicamente con fibra de carbono reciclada del Centro de Tecnología de Reciclado de Compuestos.

Fuente | The Composite Recycling Technology Center

El Composite Recycling Technology Center (CRTC, Port Angeles, Washington, EE. UU.) ha estado explorando el uso de fibra de carbono reciclada en una variedad de productos, desde bancos de parque hasta artículos deportivos de alto rendimiento hasta tubos compuestos. La empresa trabaja con material prepreg sin curar recuperado de Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, EE. UU.) así como rCF de ELG Carbon Fibre.

Dave Walter, CEO del CRTC, señala la industria de la construcción como un área de crecimiento potencial. La empresa desarrolló recientemente una madera laminada cruzada de grado de construcción (CLT) bajo un proceso patentado que combina madera modificada térmicamente con fibra de carbono reciclada. El proceso de modificación térmica elimina azúcares y lignina, proporcionando resistencia a la pudrición y termitas, y luego se integran tiras de fibra de carbono para resistencia.

El CRTC también usa fibra de carbono reciclada para crear paneles unidos con chapa de madera. Estos paneles muestran la belleza de la madera con un sustrato fuerte, ligero y flexible para diversas aplicaciones interiores y exteriores, como se muestra en la imagen de abajo de una instalación de 2019 en el Benaroya Hall en Seattle.

Octave 9 Raisbeck Music Center – Benaroya Hall (Seattle, Washington, EE. UU.)

Foto | The Composite Recycling Technology Center

¿Un cambio de mentalidad para la industria?

Los grandes cambios suelen ocurrir de forma incremental, y la industria relativamente joven de la fibra de carbono reciclada continúa avanzando lentamente. Aunque el downcycling del rCF continúa, las percepciones sobre el material están empezando a cambiar. La calidad de la fibra ha sido demostrada y los procesos continúan evolucionando. La conciencia de la necesidad de reciclar fibra de carbono es alta y más actores se están involucrando.

«El anuncio de ELG y Boeing fue realmente importante; ayuda a todos a mover la pelota hacia adelante [y] a acelerar las conexiones de la cadena de suministro», dice Maxey.

«Estamos aquí para habilitar y conectar los puntos», añade, resumiendo la industria. «Tenemos esta tecnología habilitadora que está en medio de la cadena de suministro, pero realmente se trata de conectar ese activo varado en la corriente de residuos con una demanda insatisfecha aguas abajo».

El mayor cambio, según Mark Mauhar de Carbon Conversions, es que los proveedores ahora quieren ser parte de la solución. «Antes de hace dos años recibíamos múltiples llamadas a la semana de proveedores sobre deshacerse de residuos, pero sin interés en usar el material», dice. «Ahora, la gente empieza a predicar con el ejemplo. Solo recientemente, finalmente estamos empezando a ver a potenciales clientes de fibra de carbono recuperada gastar recursos significativos en cortar herramientas de moldeo, construir prototipos y maquetas, resolver problemas de proceso —todas actividades que están bien avanzadas en términos de adopción comercial».

Quizás lo que realmente se reduce es la paciencia. Detlef Drafz, CEO de ELG Carbon Fibre, señala que es útil examinar la historia del reciclaje de otros materiales tradicionales.

«Durante más de 50 años, ELG ha reciclado materias primas para la industria del acero inoxidable. Con el metal, se acepta que uses la chatarra incluso en hornos de vacío para palas de turbina... se acepta que el metal reciclado es una materia prima, que debidamente procesada puede simplemente usarse. Eso no era común en la aplicación aeroespacial hace 25 años; sin embargo, establecimos una cadena de suministro para dar las garantías de que el material rinde. Hacemos lo mismo aquí», dice.