Innovación cero residuos: nuevo proceso y equipo reciclan recortes de prepreg y cinta

Un desafío en el kitting de telas prepreg o cintas unidireccionales (UD) es averiguar qué hacer con recortes que son demasiado pequeños o cuyas fibras están mal alineadas para reutilizarlos en otro proyecto. Aunque el software de anidamiento y cortadoras han reducido significativamente el desperdicio, los recortes a menudo van a un vertedero, lo que aumenta los costes de material y pieza, así como la carga ambiental. Sin embargo, una empresa holandesa, Van Wees UD and Crossply Technology BV (Tilburg, Países Bajos), está ayudando a mejorar la sostenibilidad desarrollando una nueva tecnología —y las máquinas que la hacen posible— para reutilizar recortes de cinta termoplástica.

Raíces textiles

Fundada en 1945 y con profundas raíces en la industria textil, Van Wees es un proveedor de servicio completo que diseña, produce, instala y pone en marcha máquinas y líneas de producción para producir compuestos avanzados (termoestables o termoplásticos, fibra de carbono o vidrio) con enfoque en métodos de producción de alta calidad y alto volumen. La compañía fabrica líneas de impregnación de prepreg (incluyendo creels) —principalmente para epoxis en el lado termoestable y para materiales que van desde polipropileno (PP) hasta poliamidas de alta temperatura (PAs) en el lado termoplástico— así como máquinas de colocación de cinta UD crossply y multiaxial, que pueden procesar cintas termoplásticas o termoestables. Una empresa hermana, Eltra Engineering BV (también en Tilburg) se especializa en tecnología de automatización industrial y suministra controles eléctricos y software para máquinas Van Wees.

En su Centro de Investigación y Tecnología (I+TC), Van Wees mantiene equipo a escala de producción para su propio desarrollo de procesos así como para clientes que consideran un sistema Van Wees, o que están aprendiendo a operar equipo mientras esperan a que se construyan sus máquinas. Esto permite a los clientes producir material que pueden evaluar o, a su vez, ofrecer a sus propios clientes para evaluación. Por ejemplo, en el I+TC, los tows pueden extraerse de un creel y las fibras extenderse e impregnarse para producir cintas, que luego pueden alimentarse a través de las máquinas crossply o multiaxial UD de la compañía para producir laminados con una variedad de capas y orientaciones de fibra. (Los laminados crossply tienen al menos dos capas orientadas a 0/90 grados y los laminados UD multiaxiales tienen al menos dos capas UD orientadas en ángulos distintos de 0/90 grados). Los laminados que salen de estas máquinas se tackifican juntos para facilitar la manipulación. Luego pueden ser troquelados en preformas a forma neta que están listas para procesarse en una pieza compuesta. Aunque el enfoque del equipo de Van Wees con el equipo crossply y multiaxial UD es la producción de cintas UD termoplásticas, las máquinas pueden usarse para producir cintas con matrices termoestables y/o con tela en lugar de refuerzos UD.

Curiosamente, fue el propio problema de desperdicio de Van Wees al hacer estos productos para pruebas de clientes, así como peticiones de clientes, lo que llevó a los investigadores de la compañía a desarrollar un "proceso cero residuos" para reciclar chips/recortes de producción de preformas usando blanks de fibra adaptada. Como servicio, la compañía ofrece a los clientes la oportunidad de evaluar estos blanks basados en chips y ya ha desarrollado equipo para producirlos comercialmente a altos volúmenes de producción.

No desperdiciar, no querer

Durante operaciones de troquelado para hacer preformas a forma neta (que Van Wees llama "parches"), el material de desecho se recoge y segrega por tipo de resina y fibra. Este desperdicio tiene forma y tamaño irregulares, así que los troqueladores están diseñados para producir "chips" con un tamaño máximo de 50 por 50 milímetros. Los chips picados se prensan en una lámina consolidada (mediante moldeo por compresión o vacío), resultando en un laminado con fibras discontinuas orientadas aleatoriamente. No se necesita resina adicional para hacer la lámina, y solo se mezclan chips con resinas químicamente compatibles, aunque tanto chips reforzados con fibra de vidrio como de carbono pueden combinarse dependiendo de las propiedades deseadas en la pieza final que se formará a partir del laminado basado en chips.

Como las fibras en chips individuales dentro del laminado pueden tener hasta 50 milímetros de largo, y la orientación de fibra a lo largo de la lámina es aleatoria, los blanks adaptados 100% reciclados, cero residuos, proporcionan buena rigidez y resistencia ortotrópica —particularmente comparados con compuestos de moldeo por inyección de fibra corta. Sin embargo, como las fracciones de peso de fibra para los haces de fibra discontinua de los laminados pueden llegar al 50-70% —con formulaciones iniciales en el extremo alto de ese rango— el material apenas puede fluir en una prensa de compresión. Por lo tanto, para rellenar geometría 2.5D o 3D, el laminado basado en chips debe ser sobremoldeado con fibra corta o incluso resina pura en una máquina de moldeo por inyección. También podría ser co-moldeado con un material de fibra continua en una prensa de compresión. De cualquier manera, el laminado necesita ser precalentado antes del moldeo.

Curiosamente, Van Wees ha encontrado que los paneles basados en chips aún proporcionan la mitad de la resistencia a la flexión y el módulo de sus paneles crossply de alto rendimiento de fibra continua en la misma configuración de fibra y resina.

Demostración del concepto

Para mostrar las capacidades de sus blanks adaptados cero residuos, Van Wees ha realizado varios proyectos demostradores. Uno fue una viga de rigidización/choque para paneles internos de puerta en un coche de pasajeros. Este esfuerzo se basó en el proyecto Lipa Series, que desarrolló piezas compuestas ligeras para producción en serie para una gama de industrias. El consorcio ahora inactivo con base en Büsslingen, Suiza, se construyó sobre tecnologías centrales que involucraban preformado de compuestos organosheet/termoplástico de esterilla de vidrio (GMT) de fibra continua y luego relleno posterior con resina reforzada con fibra en una máquina de moldeo por inyección.

La viga demostradora de Van Wees (una pieza usada para pasar regulaciones de impacto lateral/intrusión) tenía aproximadamente 650 milímetros de largo, 110 milímetros de ancho, tenía un espesor nominal de 3 milímetros, y pesaba aproximadamente 450 gramos en el material de referencia, que era un GMT de tela de vidrio reforzado PA6 de 3 milímetros. La pieza también presentaba una estructura abovedada en el centro de 40 milímetros de alto. La viga de choque organosheet no proporcionó absorción de energía suficiente para cumplir los requisitos de la aplicación, así que los investigadores de Van Wees intentaron mejorar el rendimiento general en el mismo espesor de pared (ya que se usaba utillaje existente), en un tiempo de ciclo de menos de un minuto y con cero residuos.

Trabajando con varios proveedores de polímeros, Van Wees produjo cintas UD internamente usando varios polímeros y refuerzos —incluyendo fibra de vidrio/PA4/10, fibra de vidrio/PP, fibra de carbono/PP, y fibra de vidrio + carbono/PP. Compuestos de sobremoldeo por inyección de fibra corta a juego fueron producidos por los proveedores de resina. Se usó simulación para evaluar el número y orientación de capas UD individuales para blanks adaptados con el fin de cumplir o superar los requisitos de rendimiento. Luego, las cintas se usaron para producir laminados de fibra continua, a partir de los cuales se produjeron las vigas de choque. Los resultados de ingeniería asistida por computadora (CAE) predijeron que los blanks adaptados de fibra de vidrio/PA4/10 proporcionarían las mejores propiedades a menor coste que la tela/organosheet, y las pruebas físicas confirmaron esto.

Para explorar más oportunidades de reducir desperdicio y coste, los investigadores reutilizaron desecho (aproximadamente 30% de pérdidas por corte) generado al producir laminados de fibra continua para producir vigas de choque, reciclaron ese material en laminados basados en chips de 1 milímetro de espesor, y usaron ese producto como capa de núcleo (reemplazando tres capas UD) entre "pieles" de más material UD hecho en la máquina multiaxial UD. Curiosamente, en pruebas preliminares con tamaño de muestra limitado, vieron poca o ninguna pérdida de rendimiento para los laminados híbridos con una mezcla de refuerzo continuo y discontinuo comparado con los laminados totalmente reforzados continuamente.

Cálculos adicionales realizados por el equipo indicaron que sería posible cumplir los objetivos de producción de Van Wees de 2 millones de vigas de choque por año, usando el proceso de sobremoldeo compuesto de 1 minuto desarrollado por el equipo Lipa Series. Dada la velocidad a la que operan las líneas de producción de blanks adaptados de Van Wees (1.800 parches/hora en la máquina multiaxial UD y 1.260 parches/hora en la máquina crossply), añadir equipo adicional para convertir desecho en laminados basados en chips crearía un sistema de producción cero residuos y aumentaría los volúmenes de producción un 30% a 2,6 millones de piezas por año. Irónicamente, las máquinas de moldeo por inyección serían el paso limitante en esta secuencia de producción —algo que no ocurre a menudo.

Otro proyecto de respuesta rápida que los investigadores de la compañía realizaron fue desarrollar manijas de puerta compuestas para la sala de conferencias en la sede de Van Wees. Insertos compuestos finales estuvieron disponibles para que los asistentes los vieran en la conferencia de Composites Overmolding del año pasado.

"El co-desarrollo e innovación son las fuerzas impulsoras de la industria moderna", señala Rien van den Aker, director de Van Wees. "Creemos que el desarrollo conjunto con todos los actores en la cadena de compuestos es de interés principal. Los metales son los competidores de nuestra industria y se fabrican de la manera más racional. Por lo tanto, solo será con procesos y equipos inteligentes que podamos introducir productos compuestos ligeros en aplicaciones de alto volumen". Enfatiza que se necesitará un esfuerzo conjunto entre miembros de la cadena de suministro para hacer posible la producción cero residuos de piezas compuestas termoestables y termoplásticas. "Van Wees está feliz de asistir a partes interesadas con desarrollo de producto y proceso", añade.