Producción a gran escala de compuestos termoplásticos reciclados

La reciclabilidad ha sido un beneficio prometido durante mucho tiempo del uso de compuestos termoplásticos (TPC). Pero aún no se ha utilizado comercialmente a gran escala. El proveedor de materiales TenCate Advanced Composites y el Centro de Investigación de Compuestos Termoplásticos (TPRC) se asociaron con el fabricante Nivel 1 GKN Fokker para demostrar tal proceso en 2016. El equipo desarrolló un panel de puerta de acceso usando material de desecho TenCate Cetex TC1100 de fibra de carbono/polifenileno sulfuro (CF/PPS) tejido de la producción de GKN Fokker del elevador y timón del Gulfstream G650. El residuo de producción se picó y luego se moldeó por compresión usando un proceso y molde diseñados por TPRC. El panel de puerta de acceso presentaba nervios de rigidez moldeados, variaciones de espesor y agujeros moldeados con bosses. (Un boss es una característica saliente que guía un sujetador en el agujero). El uso del material recuperado permitió una pieza ligera con mayor funcionalidad moldeada mientras formaba un proceso de fabricación de circuito cerrado, ya que el panel de puerta de acceso se usó luego en el borde de ataque del timón del Gulfstream G650. El proyecto ganó un Premio a la Innovación JEC en 2016.

Desde esa investigación, se ha establecido una nueva organización, el Centro de Aplicaciones de Compuestos Termoplásticos (TPAC). "El TPRC se formó hace diez años y trabaja principalmente en investigación fundamental de TPC para la industria aeroespacial", explica Thomas de Bruijn, investigador en estructuras ligeras en TPAC. "El TPAC se formó hace aproximadamente dos años, y tiene una forma de trabajo más aplicada. Está vinculado a la Universidad Saxion y también con PYMES. Nos centramos en reducir costes desarrollando procesos más rentables. Juntos, estos dos grupos forman TPC NL, un centro de innovación digital inteligente para tecnología TPC".

La implicación de TPAC y también la I+D continua de TenCate han demostrado que este tipo de fabricación de circuito cerrado no solo es posible, sino económicamente beneficiosa. El foco, inicialmente, está en materiales CF/PPS, y la investigación es en colaboración con socios industriales para ayudar a implementar esta producción de piezas mejorada con reciclaje de TPC.

Sin embargo, los procesos reales desarrollados difieren. TenCate se ha centrado en material de fibra más corta usado como capa de flujo para añadir características geométricas moldeadas y funcionalidad a piezas de fibra continua. Mientras tanto, TPRC y TPAC han buscado mantener mayor longitud de fibra, creando un material tipo masa que puede moldearse por compresión en piezas con propiedades mecánicas más altas que posibles con compuestos tradicionales de fibra corta.

TenCate — Piezas de organohoja mejoradas con capa de flujo

"Hace tres años, empezamos a invertir más de nuestro presupuesto de I+D en reciclaje", dice Frank ten Napel, gestor de producto de termoplásticos de TenCate. "Esto no es solo para obtener una 'etiqueta verde'. Estamos convencidos de que incorporar material reciclado en tu pieza ofrece beneficios económicos y de construcción muy reales. Podemos aplicar un nivel de geometría a una pieza que no podríamos lograr de otra manera. Al aplicar una capa de flujo de material reciclado, podemos moldear nervios de rigidez y espesor variable a lo largo de la pieza, así como bosses alrededor de agujeros, que distribuyen cargas inducidas por sujetadores. Todo esto permite usar menos material de fibra continua, para piezas más delgadas, ligeras y rentables versus solo usar material virgen". Señala que estas características moldeadas son difíciles de lograr con materiales de fibra continua, "pero al combinar ambos fibra continua más sobremoldeo localizado obtienes más libertad de diseño".

Proyecto TPC-Cycle

Este proyecto de cuatro años comenzó en septiembre de 2015 e incluye socios de toda la cadena de suministro de compuestos termoplásticos (TPC):

• TenCate Advanced Composites (Grupo Toray) – materiales
• GKN Fokker Aerostructures – diseño y fabricación Nivel 1 de estructuras y ensamblajes aeroespaciales
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) – PYME diseño y fabricación de costillas, largueros, soportes, clips, cajas aero
• Cato Composites – PYME fabricación y diseño de piezas para aero, auto, defensa, deportes y consumo
• Nido RecyclingTechniek (NRT) – tecnología para triturar y reducir tamaño de materiales/piezas a reciclar

TPC-Cycle es facilitado por TPAC y la Universidad de Ciencias Aplicadas Saxion, particularmente su grupo de investigación de estructuras ligeras, y financiado por Regieorgaan SIA, parte de la Organización Neerlandesa para la Investigación Científica (NWO).

Thomas de Bruijn es gestor del proyecto TPC-Cycle e investigador en estructuras ligeras en Saxion/TPAC. Explica que hubo muchos impulsores para iniciar el proyecto TPC-Cycle. "Podíamos ver un aumento en el uso de TPC de fibra continua, especialmente para estampado, como en clips y soportes. Con este aumento, el volumen de residuos post-industriales se vuelve sustancial. Así que el reciclaje era necesario, tanto para el medio ambiente y económicamente, y también para cumplir regulaciones. Por ejemplo, la legislación europea de fin de vida exige que el 95 % del material usado en automóviles sea reciclado". Señala que Airbus también ha establecido objetivos de reciclaje y fin de vida, y los ha comunicado a sus proveedores. "La cadena de suministro no solo debe decir que puede cumplir estos objetivos, sino también probar esa capacidad con demostradores", añade de Bruijn.

"También hemos visto TPC creciendo fuera de aeroespacial, en aplicaciones como cajas de alimentos, muebles y componentes industriales porque ofrecen tiempos de ciclo más bajos, ligereza y estructuras más inteligentes", dice de Bruijn.

Continúa: "Queríamos probar una cadena de proceso de reciclaje comercialmente viable pero no solo triturar, que es downcycling. Queríamos alto rendimiento. Así que elegimos un enfoque de mezcla de bajo cizallamiento para retener longitud de fibra de 0,5-1,0 pulgada. Para rigidez, solo necesitas un par de mm de longitud. Pero para resistencia y tenacidad al impacto, necesitas más de 0,5 pulgadas de longitud". Además de mantener la longitud de fibra, otro desafío clave era obtener buena homogeneidad en la mezcla de materiales y en el producto reciclado final.

"El objetivo es recoger residuos, triturarlos a escamas de 0,5-1,0 pulgada y transformarlos en una masa homogénea, que se extruye y transfiere directamente a una prensa de moldeo por compresión", explica el investigador de TPRC y estudiante de doctorado Guillaume Vincent. "El procesamiento de la masa se hace mediante alimentación de escamas y gránulos de polímero virgen en un mezclador de bajo cizallamiento, reduciendo la fracción de peso de fibra al 25-40 %". Señala que el proceso es muy similar a la compounding directo de termoplásticos de fibra larga (D-LFT), que es común en automoción. "Sin embargo, los procesos D-LFT requieren millones de dólares de inversión, así que solo se usan en producción de alta serie. Hemos modificado nuestro enfoque usando máquinas más pequeñas pero obtenemos resultados similares. Nuestros volúmenes son bajos vs. procesos D-LFT".

Vincent describe un ejemplo de donde incluir la cadena completa de valor de reciclaje compensa: "NRT ayudó a conectarnos con fabricantes de máquinas de triturado más grandes, como Untha". Esta es una parte clave de escalar el proceso para producción de piezas en serie.

La primera cadena de proceso desarrollada es para CF/PPS. Vincent dice que TPC-Cycle ha construido modelos de simulación y métodos de análisis para caracterizar longitud y distribución de fibra en el material reciclado. "También estamos entendiendo cómo estas características de material se transfieren a las propiedades de la pieza moldeada", observa. Esto es, de hecho, el foco de su tesis doctoral, que se publicará a finales de 2019.

Esta masa reciclada a veces se refiere como compuesto de moldeo en masa (BMC). Históricamente, BMC era una mezcla tipo masa de fibra de vidrio corta (<25 mm), pasta de resina termofija y rellenos que se moldeaba por compresión en piezas compuestas. Con menos volumen de fibra y más flujo versus compuesto de moldeo en lámina (SMC), también ofrecía propiedades mecánicas ligeramente menores. TenCate ha vendido BMC termofijo y termoplástico durante años, aunque este último es un proceso donde cintas preimpregnadas unidireccionales picadas se extienden en un molde y prensan. "Nuestro producto es en realidad bastante diferente", afirma Vincent. "Con BMC termoplástico convencional generalmente no hay mezcla y requiere un largo ciclo de calentamiento y consolidación. Encontramos que con mezcla obtienes un producto más homogéneo y menos concentraciones de tensión en la pieza, así que propiedades más altas. Con BMC termoplástico convencional, obtienes escamas más gruesas que tienen regiones ricas en matriz en los extremos que producen concentraciones de tensión en el laminado compuesto".

El proceso de mezcla de bajo cizallamiento desenreda las escamas en capas y luego separa las capas en haces y los haces en fibras sueltas. Polímero también se mezcla para disminuir contenido de fibra para obtener mejores propiedades de flujo, de modo que el material es más fácil de procesar en formas.

"La masa se extruye y luego se coloca robóticamente en un molde de compresión abierto, isotérmico [calentado]", explica de Bruijn. "Después de la mezcla, las fibras en la masa están orientadas aleatoriamente. Pero durante el prensado, el flujo de material re-orienta las fibras. Esta orientación es menor comparada con mezclas usando fibras más cortas que se moldean por inyección, pero es similar de pieza a pieza. Este es uno de nuestros temas de estudio continuo".

Coste

La cadena de proceso TPC-Cycle desarrollada hasta la fecha parece económicamente beneficiosa. "Esperamos responder cuánto podemos reducir costes de pieza para finales de 2019", dice de Bruijn. "Pero esto es complejo porque necesitas un mercado y tienes que vender el material reciclado". Señala que hay muchos factores económicos. Por ejemplo, la mayoría de fabricantes hoy simplemente tiran residuos de producción. Coste local para desechar en vertedero es 80 € por tonelada (90 $). "Pero este material que se tira tiene valor", dice de Bruijn. "También, debes contabilizar los costes para recoger el residuo, triturarlo, mezclar y luego moldear por compresión en nuevas piezas. Sin embargo, esto también es un proceso near-net-shape con tiempos de ciclo cortos debido al molde isotérmico". En otras palabras, debería haber una reducción drástica o eliminación de acabado secundario y mecanizado. De Bruijn dice que TPC-Cycle está ahora analizando completar análisis de coste y análisis de ciclo de vida.

Clean Sky RESET

Un tercer proyecto que reitera la importancia del trabajo completado por TenCate y también en el proyecto TPC-Cycle es el proyecto RESET, que funcionó de enero 2016 a diciembre 2017 y fue coordinado por el Instituto Tecnológico Leitat en Barcelona, España. Parece que RESET comenzó bajo Clean Sky (2008-2016) y se completó durante Clean Sky 2 (2017-2021).

Los programas Clean Sky y Clean Sky 2 están organizados en un nivel superior de Programas de Demostración de Aeronaves Innovadoras (ver Vehicle IADPs en la imagen de abajo) y un nivel inferior de Demostradores de Tecnología Innovadora (ver Large System ITDs en la imagen de abajo). RESET se completó como parte del ITD de Fuselaje, específicamente Paquete de Trabajo (WP) A-3.4 Eco-Diseño para Fuselaje.

Según la oficial de proyecto Clean Sky, Elena Pedone, el equipo RESET en Leitat desarrolló un proceso para reciclar material compuesto de aeronaves usado previamente y usar eso para fabricar nuevas piezas. Compararon estas piezas recicladas con las hechas comercialmente y las encontraron con características mecánicas similares. "La tecnología desarrollada en este proyecto podría comercializarse realistamente en el sector aeronáutico en los próximos años y posiblemente extenderse a otros sectores económicos", dice Pedone.

Durante el proyecto RESET, se completó trabajo para investigar efectos de materiales de matriz termoplástica PEEK y PPS y la naturaleza química del refuerzo de fibra de carbono. La forma del refuerzo se estudió, incluyendo longitud de fibra y tejido versus no tejido. El efecto de contenido de fibra (proporción polímero a fibra) también se estudió.

En un segundo paquete de trabajo, el objetivo principal fue el acondicionamiento y caracterización de CF/PPS reciclado basado en extrusión y los compuestos moldeados resultantes. Dos piezas —un soporte termoplástico y una cornamusa termoplástica— fueron creadas por moldeo por inyección y otras dos por termoformado, explica la coordinadora científica del proyecto de Leitat Claudia Aguilar. Estas piezas fueron luego probadas. "Las propiedades mecánicas del material se encontraron comparables con la contraparte comercial", dice Aguilar.

El proyecto RESET afirma haber demostrado un proceso de reciclaje que puede tomar material de desecho TPC de producción de aeronaves y usarlo como materia prima para producir nuevas piezas para aeronaves. "Hasta 70 % de material reciclado se usó para producir una nueva familia de materiales compuestos", dice Aguilar. Añade que "el proceso de reciclaje de RESET permite a la aviación europea limitar la huella ambiental y reducir costes de producción de nuevas piezas de aeronaves. Por tanto, el proyecto hace la industria aeronáutica más competitiva y verde".

El futuro de TPC empieza con el diseño

La afirmación de TenCate y TPRC/TPAC es que estos procesos de reciclaje que ahora se han demostrado no son solo verdes, sino económicamente atractivos. Entonces, ¿qué tipo de inversión se requiere? "Depende del volumen de producción", dice Ten Napel en TenCate. "Las máquinas de triturado necesarias no son grandes o caras y el proceso se ha desarrollado hasta donde es bastante sencillo". ¿El tipo de matriz afecta la reciclabilidad? "No", dice Ten Napel, "pero en términos de viabilidad económica, fibra de carbono y PPS, PEEK o PEKK son más viables que fibra de vidrio y polipropileno debido a su mayor valor versus estos últimos".

"Creo que si esto va a ser adoptado por la industria, debería empezar con el diseño", continúa. "El mayor obstáculo ahora es la mentalidad de los ingenieros. Realmente salir y diseñar con material reciclado (o diseñar estos parcialmente en un nuevo producto) es bastante nuevo para ellos".

Ten Napel concede que TenCate ni diseña ni fabrica piezas comercialmente, "pero estamos intentando inspirar a diseñadores a pensar así en el desarrollo de sus nuevas piezas y estructuras". Cita interiores de aviones y paneles de acceso y puertas de acceso como fruta al alcance para reutilizar material reciclado. "Si nosotros como industria podemos acostumbrarnos a reutilizar nuestros propios desperdicios y residuos, entonces podemos dar el siguiente paso y empezar a ver cómo abordar piezas de fin de vida".

El mantra sobre reciclaje de compuestos termoplásticos —simplemente triturar y remoldear— definitivamente puede adoptarse, dice Ten Napel, pero a menudo no tiene mucho sentido económicamente. "Hemos demostrado un proceso mejor y uno que puede crear piezas y programas en general más rentables. Hemos elegido diseminar este conocimiento, junto con TPRC y TPAC, para inspirar a la industria sobre lo que es totalmente posible con compuestos termoplásticos". Si los compuestos termoplásticos han de ser adoptados a gran escala, el reciclaje como parte inherente de la producción ya no es una opción, es una necesidad.