Cero desperdicio:Nuevo proceso, el equipo recicla el preimpregnado, los despojos de la cinta

Un desafío para equipar telas preimpregnadas o cintas unidireccionales (UD) es averiguar qué hacer con los adornos que son demasiado pequeños o cuyas fibras están alineadas incorrectamente para su reutilización en otro proyecto. Aunque el software de anidamiento y las cortadoras han reducido la chatarra de manera significativa, los recortes todavía suelen ir a un vertedero, lo que aumenta los costos de material y piezas, así como la carga ambiental. Sin embargo, una empresa holandesa, Van Wees UD y Crossply Technology BV (Tilburg, Países Bajos), está ayudando a mejorar la sostenibilidad mediante el desarrollo de una nueva tecnología, y las máquinas que lo hacen posible, para reutilizar los despojos 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 encarga máquinas y líneas de producción para producir compuestos avanzados (termoestables o termoplásticos, fibra de carbono o vidrio) con un enfoque en métodos de producción de alta calidad y gran volumen. La empresa fabrica líneas de impregnación de preimpregnaciones (incluidas filetas), principalmente para epoxis en el lado termoendurecible y para materiales que van desde polipropileno (PP) hasta poliamidas de alta temperatura (PA) en el lado termoplástico, así como máquinas de colocación de cinta UD multiaxial y de reticulado , que puede procesar cintas termoplásticas o termoendurecibles. 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 (R&TC), Van Wees mantiene equipos a escala de producción para el desarrollo de su propio proceso, así como para los clientes que están considerando un sistema Van Wees o que están aprendiendo a operar equipos mientras esperan 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 su evaluación. Por ejemplo, en el R&TC, los estopas se pueden sacar de una fileta y las fibras se extienden e impregnan para producir cintas, que luego se pueden alimentar a través de las máquinas UD multiaxiales o transversales de la empresa para producir laminados con una variedad de capas de capas y orientaciones de fibras. (Los laminados entrecruzados tienen al menos dos capas orientadas a 0/90 grados y los laminados UD multiaxiales tienen al menos dos capas UD orientadas en ángulos otros que 0/90 grados.) Los laminados que salen de estas máquinas están adheridos para facilitar su manejo. A continuación, se pueden troquelar en preformas en forma de red que luego están listas para procesarse en una pieza compuesta. Aunque el enfoque del equipo de Van Wees con el equipo UD multiaxial y cruzado está en la producción de termoplástico UD cintas, las máquinas se pueden utilizar para producir cintas con matrices termoendurecibles y / o con tela en lugar de refuerzos UD.

Curiosamente, fue el propio problema de desechos de Van Wees al fabricar estos productos para las pruebas de los clientes, así como también las solicitudes de los clientes, lo que llevó a los investigadores de la empresa a desarrollar un "proceso de desperdicio cero" para reciclar astillas / despojos de la producción de preformas utilizando espacios en blanco de fibra a medida. . Como servicio, la empresa ofrece a los clientes la oportunidad de evaluar estos espacios en blanco termoplásticos basados ​​en chips y ya ha desarrollado equipos para producirlos comercialmente en grandes volúmenes de producción.

No malgastes, no quiero

Durante las operaciones de troquelado para hacer preformas en forma de red (que Van Wees llama "parches"), el material de desecho se recolecta y se separa por tipo de resina y fibra. Esta chatarra tiene forma y tamaño irregulares, por lo que las troqueladoras están diseñadas para producir "chips" con un tamaño máximo de 50 por 50 milímetros. Luego, las virutas picadas se presionan en una hoja consolidada (mediante compresión o moldeo al vacío), lo que da como resultado un laminado con fibras discontinuas orientadas al azar. No se necesita resina adicional para hacer la hoja, y solo se mezclan las virutas con resinas químicamente compatibles, aunque se pueden combinar virutas reforzadas con fibra de carbono y de vidrio dependiendo de las propiedades deseadas en la parte final que se formará a partir de las virutas. laminado.

Debido a que las fibras en las astillas individuales dentro del laminado pueden tener hasta 50 milímetros de largo y la orientación de la fibra a lo largo de la hoja es aleatoria, los espacios en blanco hechos a medida 100% reciclados y sin desperdicio brindan una rigidez y resistencia buenas y ortotrópicas, particularmente en comparación con la inyección de fibra corta. compuestos de moldeo. Sin embargo, dado que las fracciones de peso de la fibra para los haces de fibras discontinuas de los laminados pueden correr del 50 al 70 por ciento, con formulaciones iniciales en el extremo superior 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 a base de chips debe sobremoldearse con fibra corta o incluso resina pura en una máquina de moldeo por inyección. También se podría co-moldear con un material de fibra continua en una prensa de compresión. De cualquier manera, el laminado debe precalentarse antes de moldearlo.

Curiosamente, Van Wees ha descubierto que los paneles a base de virutas todavía proporcionan la mitad de la resistencia a la flexión y el módulo de sus paneles de fibra continua de alto rendimiento en la misma configuración de fibra y resina.

Prueba de concepto

Para mostrar las capacidades de sus espacios en blanco personalizados sin desperdicio, Van Wees ha llevado a cabo varios proyectos de demostración. Uno era una viga de refuerzo / choque para los paneles interiores de las puertas de un automóvil de pasajeros. Este esfuerzo se basó en el proyecto de la serie Lipa, que desarrolló piezas compuestas ligeras para la producción en serie para una variedad de industrias. El consorcio ahora inactivo con sede en Büsslingen, Suiza, se basó en tecnologías centrales que implican preformar compuestos termoplásticos de fibra de vidrio / hoja orgánica continua (GMT) y luego rellenar con resina reforzada con fibra en una máquina de moldeo por inyección.

La viga de demostración de Van Wees (una pieza utilizada para pasar las regulaciones de impacto lateral / intrusión) tenía aproximadamente 650 milímetros de largo, 110 milímetros de ancho, tenía una pared nominal de 3 milímetros y pesaba aproximadamente 450 gramos en el material de referencia, que era un 3- PA6 reforzado con tejido de vidrio milimétrico. La pieza también presentaba una estructura abovedada en el centro que tenía 40 milímetros de alto. La viga de choque de hoja orgánica no proporcionó suficiente absorción de energía para cumplir con los requisitos de la aplicación, por lo que los investigadores de Van Wees intentaron mejorar el rendimiento general en el mismo espesor de pared (ya que se usaron herramientas existentes), en un tiempo de ciclo de menos de un minuto y sin desperdicio .

Trabajando con varios proveedores de polímeros, Van Wees produjo cintas UD internamente utilizando varios polímeros y refuerzos, que incluyen fibra de vidrio / PA4 / 10, fibra de vidrio / PP, fibra de carbono / PP y vidrio + fibra de carbono / PP. Los proveedores de resina produjeron compuestos de sobremoldeo por inyección de fibra corta a juego. La simulación se utilizó para evaluar el número y la orientación de las capas de UD individuales para los espacios en blanco personalizados con el fin de cumplir o superar los requisitos de rendimiento. A continuación, se utilizaron cintas 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 espacios en blanco hechos a medida de fibra de vidrio / PA4 / 10 proporcionarían las mejores propiedades a un costo menor que la tela / lámina orgánica, y las pruebas físicas lo confirmaron.

Para explorar más a fondo las oportunidades de reducir el desperdicio y los costos, los investigadores reutilizaron la chatarra (aproximadamente un 30 por ciento de pérdidas por corte) generada por la producción de laminados de fibra continua para producir vigas de choque, reciclaron ese material en laminados a base de chips de 1 milímetro de espesor y usaron ese producto. como una capa central (reemplazando tres capas UD) entre "pieles" de más material UD fabricadas en la máquina UD multiaxial. Curiosamente, en las pruebas preliminares con un tamaño de muestra limitado, vieron poca o ninguna pérdida de rendimiento para los laminados híbridos con una mezcla de refuerzo continuo y discontinuo en comparación con los laminados completamente reforzados de forma continua.

Cálculos adicionales realizados por el equipo indicaron que sería posible cumplir con los objetivos de producción de Van Wees de 2 millones de vigas de choque por año, utilizando el proceso de sobremoldeo compuesto de 1 minuto desarrollado por el equipo de la Serie Lipa. Dada la velocidad a la que operan las líneas de producción de espacios en blanco a medida de Van Wees (1.800 parches / hora en la máquina UD multiaxial y 1.260 parches / hora en la máquina de capas cruzadas), agregar equipo adicional para convertir la chatarra en laminados a base de chips crearía un cero -sistema de producción de residuos y aumento de los volúmenes de producción en un 30 por ciento a 2,6 millones de piezas por año. Irónicamente, las máquinas de moldeo por inyección serían el paso que limita la velocidad en esta secuencia de producción, algo que no suele suceder.

Otro proyecto de cambio rápido que llevaron a cabo los investigadores de la compañía fue el desarrollo de manijas de puertas con caras compuestas para la sala de conferencias en la sede de Van Wees. Los insertos compuestos finales estaban disponibles para que los asistentes los vieran en la conferencia de sobremoldeo de materiales compuestos del año pasado.

“El codesarrollo y la 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 de la cadena compuesta es de interés primordial. Los metales son los competidores de nuestra industria y se fabrican de la manera más racional. Por lo tanto, solo con procesos y equipos inteligentes podremos introducir productos compuestos ligeros en aplicaciones de gran volumen ". Él enfatiza que será necesario un esfuerzo conjunto entre los miembros de la cadena de suministro para hacer posible la producción sin desperdicio de piezas termoendurecibles y compuestas termoplásticas. "Van Wees se complace en ayudar a las partes interesadas con el desarrollo de productos y procesos", agrega.