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#Tendencias de productos
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Cero desperdicios: Nuevo proceso, el equipo recicla el preimpregnado, despojos de cinta
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La tecnología proporciona un enfoque sostenible para reutilizar la valiosa chatarra termoplástica en laminados basados en chips.
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Uno de los retos de 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 reutilizarlas en otro proyecto. Aunque el software de anidamiento y los cortadores han reducido significativamente la chatarra, los recortes a menudo van a parar a un vertedero, lo que aumenta los costes de material y de piezas, así como la carga medioambiental. 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 de las máquinas que la 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 servicios completos que diseña, produce, instala y pone en marcha máquinas y líneas de producción para producir compuestos avanzados (termoestables o termoplásticos, de fibra de carbono o de vidrio) con un enfoque en métodos de producción de alta calidad y alto volumen. La empresa fabrica líneas de impregnación de preimpregnados (incluidas las filetas), principalmente para epoxis en el lado de los termoestables y para materiales que van desde el polipropileno (PP) hasta las poliamidas de alta temperatura (PA) en el lado de los termoplásticos, así como máquinas de colocación de cintas UD transversales y multiaxiales, que pueden procesar tanto cintas termoplásticas como termoestables. Una compañía hermana, Eltra Engineering BV (también en Tilburg) se especializa en tecnología de automatización industrial y suministra controles eléctricos y software para las máquinas Van Wees. En su Centro de Investigación y Tecnología (R&TC), Van Wees mantiene equipos a escala de producción para su propio desarrollo de procesos, así como para los clientes que están considerando un sistema Van Wees, o que están aprendiendo a operar los equipos mientras esperan a que sus máquinas sean construidas. 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 remolques pueden ser retirados de una fileta y las fibras esparcidas e impregnadas para producir cintas, que luego pueden ser alimentadas a través de las máquinas de UD transversal o multiaxial de la compañía para producir laminados con una variedad de capas de capas y orientaciones de fibra. (Los laminados transversales tienen al menos dos capas orientadas a 0/90 grados y los laminados multiaxiales UD tienen al menos dos capas UD orientadas a ángulos distintos de 0/90 grados) Los laminados que salen de estas máquinas se adhieren entre sí para facilitar su manejo. A continuación, se pueden troquelar en preformas en forma de red que luego están listas para ser procesadas en una pieza compuesta. Aunque el equipo de Van Wees se centra en la producción de cintas termoplásticas UD, las máquinas pueden ser utilizadas para producir cintas con matrices termoendurecibles y/o con refuerzos de tejido en lugar de UD.
Curiosamente, fue el propio problema de Van Wees al fabricar estos productos para las pruebas de los clientes, así como las peticiones de los clientes, lo que llevó a los investigadores de la compañía a desarrollar un "proceso de desperdicio cero" para reciclar las virutas y los despojos de la producción de preformas utilizando trozos de fibra hechos a medida. Como servicio, la empresa ofrece a sus clientes la oportunidad de evaluar estos formatos termoplásticos basados en chips y ya ha desarrollado equipos para producirlos comercialmente en grandes volúmenes de producción
Durante las operaciones de troquelado para fabricar preformas en forma de red (que Van Wees denomina "parches"), el material de desecho se recoge y separa por tipo de resina y fibra. Esta chatarra tiene una forma y un tamaño irregular, por lo que las troqueladoras están diseñadas para producir "chips" con un tamaño máximo de 50 por 50 milímetros. Las virutas cortadas son luego prensadas en una lámina consolidada (mediante moldeo por compresión o vacío), dando como resultado un laminado con fibras discontinuas orientadas al azar. No se necesita resina adicional para hacer la lámina, y sólo se mezclan virutas con resinas químicamente compatibles, aunque tanto las virutas reforzadas con fibra de vidrio como las reforzadas con fibra de carbono pueden combinarse dependiendo de las propiedades deseadas en la parte final que se formará a partir del laminado a base de virutas.
Debido a que las fibras en chips individuales dentro del laminado pueden tener hasta 50 milímetros de largo, y la orientación de las fibras a través de la lámina es aleatoria, el 100 por ciento de las piezas en bruto recicladas y sin desperdicio a la medida proporcionan una buena rigidez y resistencia ortotrópica, particularmente en comparación con los compuestos de moldeo por inyección de fibra corta. Sin embargo, debido a que las fracciones de peso de la fibra para los paquetes discontinuos de fibra de los laminados pueden correr 50-70 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 la geometría 2.5D o 3D, el laminado a base de chips debe ser sobremoldeado con fibra corta o incluso resina pura en una máquina de moldeo por inyección. También se puede co-moldear con un material de fibra continua en una prensa de compresión. De cualquier manera, el laminado necesita ser precalentado antes de ser moldeado.
Curiosamente, Van Wees ha descubierto que los paneles basados en chips todavía proporcionan la mitad de la resistencia a la flexión y el módulo de sus paneles transversales de fibra continua de alto rendimiento en la misma configuración de fibra y resina.
Concepto de prueba
Para mostrar las capacidades de sus piezas en bruto a medida de cero residuos, Van Wees ha llevado a cabo varios proyectos de demostración. Uno de ellos era una viga de refuerzo/choque para los paneles interiores de las puertas de un coche de pasajeros. Este esfuerzo se basó en el proyecto de la serie Lipa, que desarrolló piezas de composite ligeras para la producción en serie para una amplia gama de industrias. El consorcio, ahora inactivo, con sede en Büsslingen, Suiza, se basó en tecnologías básicas de preformado de compuestos termoplásticos de lámina de fibra de vidrio (GMT) y posterior relleno con resina reforzada con fibra de vidrio en una máquina de moldeo por inyección.
El haz de demostración de Van Wees (una pieza usada 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 PA6 reforzado con tela de vidrio de 3 milímetros. La pieza también presentaba una estructura abovedada en el centro de 40 milímetros de altura. La viga de choque de la hoja de organo 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 (desde que se usaron las herramientas existentes), en un tiempo de ciclo de menos de un minuto y con cero desperdicio.
Trabajando con varios proveedores de polímeros, Van Wees produjo cintas UD internamente utilizando varios polímeros y refuerzos - incluyendo fibra de vidrio/PA4/10, fibra de vidrio/PP, fibra de carbono/PP, y fibra de 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 piezas en bruto hechas a medida 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 fabricaron las vigas de choque. Los resultados de la ingeniería asistida por ordenador (CAE) predijeron que las piezas en bruto hechas a medida de fibra de vidrio/PA4/10 proporcionarían las mejores propiedades a un coste inferior al de la tela/hoja de plástico, y las pruebas físicas lo confirmaron.
Para explorar más a fondo las oportunidades de reducir el desperdicio y el costo, los investigadores reutilizaron la chatarra (aproximadamente el 30 por ciento de las pérdidas de corte) generada por la producción de laminados continuos de fibra para producir vigas de choque, reciclaron ese material en laminados a base de chips de 1 milímetro de grosor y utilizaron ese producto como capa central (reemplazando tres capas de UD) entre las "pieles" de más material de UD fabricado en la máquina multiaxial de UD. Curiosamente, en pruebas preliminares con un tamaño de muestra limitado, vieron poca o ninguna pérdida en el rendimiento de los laminados híbridos con una mezcla de refuerzo continuo y discontinuo en comparación con los laminados de refuerzo continuo completos.
Los cálculos adicionales realizados por el equipo indicaron que sería posible alcanzar los objetivos de producción de Van Wees de 2 millones de vigas de choque al año, utilizando el proceso de sobremoldeo de compuestos de 1 minuto desarrollado por el equipo de la serie Lipa. Dada la velocidad a la que operan las líneas de producción a medida de Van Wees (1.800 parches/hora en la máquina UD multiaxial y 1.260 parches/hora en la máquina crossply), añadir equipos adicionales para convertir chatarra en laminados basados en chips crearía un sistema de producción sin desperdicios y aumentaría los volúmenes de producción entre un 30 por ciento y 2,6 millones de piezas al año. Irónicamente, las máquinas de moldeo por inyección serían el paso que limitaría la velocidad en esta secuencia de producción - algo que no sucede a menudo.
Otro proyecto que los investigadores de la empresa llevaron a cabo con rapidez fue el desarrollo de tiradores de puertas con revestimiento compuesto para la sala de conferencias de la sede central de Van Wees. Los insertos compuestos finales estuvieron disponibles para que los asistentes los vieran en la conferencia de sobremoldeado de compuestos del año pasado.
"El codesarrollo y la innovación son las fuerzas motrices 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, sólo con procesos y equipos inteligentes podremos introducir productos compuestos ligeros en aplicaciones de alto volumen" Destaca que será necesario un esfuerzo conjunto entre los miembros de la cadena de suministro para hacer posible la producción de piezas de termoestables y compuestos termoplásticos sin desperdicios. "Van Wees está encantado de ayudar a las partes interesadas en el desarrollo de productos y procesos", añade.