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Compuestos: En buena forma

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Un arsenal de materiales compuestos está disponible ahora para los vehículo-fabricantes

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Aunque las ventajas de los compuestos del polímero sean bien sabido en la industria del automóvil, su uso ha sido impedido por altos costes materiales, tarifas de producción lentas, preocupaciones por reciclado, y la carencia general de la industria de la experiencia y la comodidad con el material en comparación con los metales. Los productores y los fabricantes de automóviles de los compuestos ahora están trabajando febrilmente para solucionar estos problemas, aunque siga habiendo mucho trabajo ser hecho.

Un compuesto es una combinación de dos o más materiales que posee mejores características mecánicas que sus componentes individuales. Al contrario de las aleaciones metálicas, cada material conserva sus características separadas del producto químico, físicas y mecánicas. Los dos componentes de un compuesto del polímero son un refuerzo fibroso - basado en los materiales del carbón, de cristal o naturales tales como lino - y una matriz del polímero. El refuerzo provee del compuesto su fuerza y tiesura, mientras que la matriz lleva a cabo el material junto.

Las fibras del carbón exhiben generalmente fuerza extensible y compresiva excelente, demuestran el alto módulo (tiesura), tienen características excelentes de la fatiga y no corroen. Se han utilizado en Fórmula 1 desde 1981 pero hasta hace poco tiempo eran consideradas demasiado costosas para cualquier cosa excepto los coches de alto rendimiento del camino.

El punto de partida para la producción de fibra del carbón es el precursor - polyacrylonitrile típicamente termoplástico (CACEROLA), debido a su alto nivel de orientación molecular, de punto de fusión elevada y de alta producción. En un proceso complicado e intensivo en energía, los elementos constitutivos de este precursor se quitan uno a uno, rindiendo eventual una fibra que consista en el carbón virtualmente puro con una estructura estable del grafito.

El precio de la CACEROLA se ata al precio del aceite, que es alto y ha sido inestable estos últimos años. Además, la producción de fibra del carbón explica tal pequeña cantidad del acrilonitrilo producido y vendido cada año que la industria tiene poca palancada en términos de negociación de precios más favorables con los productores del termoplástico.

En fin, la producción de fibra del carbón es un proceso costoso y - en términos ambientales - sucio en comparación con la producción de metales. Actualmente, el único coche producido en serie para ofrecer el uso intensivo de la fibra del carbón es i3 de BMW citycar.

Fibra rentable del carbón

En su planta en el lago Moses, Washington, fibras automotoras del carbón de SGL (ACF) produce las fibras del carbón para los modelos de BMWi. La empresa conjunta entre electricidad de las aplicaciones del grupo de BMW y de SGL generada localmente usando hidroelectricidad para reducir perceptiblemente costes energéticos y el impacto del proceso de producción en el ambiente.

Explotando economías a escala, el coste de producir la fibra del carbón será reducido más a fondo aumentando la producción. SGL-ACF planea triplicar la capacidad de su planta del lago Moses de 3kt al año a 9kt un año antes de 2015, en un coste alrededor de €200m ($250m). La extensión también permitirá que BMW aumente el contenido plástico fibre-reinforced del carbón (CFRP) en sus otros vehículos; en 2015, la compañía comenzará a usar el material en sus modelos 7-Series.

Fibras más baratas del carbón podrían también ser producidas usando precursores alternativos PARA FILTRAR, por ejemplo la lignina, que está siendo estudiada actualmente por los compuestos de la matriz del polímero team en el laboratorio nacional de la Oak Ridge (ORNL). Los investigadores también están desarrollando un método de producir fibras del carbón del polietileno (el PE), que rinde una mayor cantidad de carbón que la CACEROLA (el 86% comparado con el 65%), y podrían ser originarios de basura reciclada poste-consumidor.

Costo en grandes cantidades, bajo

Debido a su bajo costo, fuerza de alta resistencia, resistencia de alto impacto y buena resistencia química, fibras de vidrio se utilizan extensivamente en usos automotores en grandes cantidades. Sin embargo, demuestran el módulo relativamente bajo y poseen características de fatiga inferiores en comparación con sus primos del carbón.

Los dos tipos mas comunes de fibras de vidrio usadas en compuestos automotores son: E-Vidrio, que es barato y proporciona una buena combinación de fuerza extensible y de módulo; y S-Vidrio, que es más costoso solamente el 40% más fuerte que el E-Vidrio.

El abastecedor establecido en los Estados Unidos AGY de los materiales está intentando llenar el vacío entre estas dos formulaciones con su S1 HM vidrio. Empleando una formulación de cristal propietaria diseñó maximizar funcionamiento mientras que tenía en cuenta en grandes cantidades y la fabricación económica, las fibras del HM S1 proporciona un módulo perceptiblemente más alto y funcionamiento realzado de la fatiga en comparación con el E-Vidrio tradicional. Por ejemplo, las fibras demuestran un módulo extensible de 90GPa - el 20% más alto que el del E-Vidrio.

El encargado del desarrollo de negocios de AGY, Tim Collins, dice: “Mientras que los compuestos fibre-reinforced del carbón exhiben alta tiesura y fuerza, es también verdad que estas “referencias del alto módulo” a los compuestos del carbón son a menudo apenas código para “frágil”. Está en impacto, fatiga, resistencia del daño y tolerancia del daño que los compuestos del HM S1 eclipsan constantemente sistemas competitivos.”

Estos refuerzos se pueden incorporar en los polímeros como fibras tajadas para aumentar la fuerza de las piezas hechas usando la compresión y procesos inyección-que moldean.

Telas no tejidas

Sin embargo, para enjaezar completamente el potencial de estos refuerzos para mejorar las características mecánicas de piezas plásticas, necesitan ser incorporadas como telas tejidas o no tejidas. Estas telas son producidas por los convertidores tales como Formax establecido en el Reino Unido.

Según el director de compañía de la innovación, Tom James, puede haber construcciones de la variación amplia en el funcionamiento mecánico de telas con el mismo peso regional, pero de la diferenciación en términos de longitud de la puntada, un estilo de la puntada y orientación de la fibra. Una tela se debe probar y optimizar extensivamente con respecto a fuerza, a tiesura y a la facilidad de la infusión para determinar los mejores parámetros para un componente dado antes del funcionamiento de producción.

Cubra y la orientación de la fibra es especialmente parámetros importantes para producir los objetos semitrabajados de la fibra del carbón usados en resina-transfiere los procesos que moldean (RTM) empleados por los gustos de BMW para la producción en serie de los componentes estructurales del CFRP.

Todas estas variables presentan un dolor de cabeza significativo para los diseñadores del coche usados más al trabajo con los metales comparativamente directos. Formax está desarrollando actualmente el software que permitirá que simule el comportamiento de telas secas durante moldear, que haría el proceso de selección de la tela más directo.

El comportamiento ortotrópico de los plásticos reforzados (significado que tienen características que sean diferentes en tres direcciones mutuamente perpendiculares) puede también plantear los problemas para los diseñadores. James dice: Los “compuestos convencionales se pueden fabricar para ser cuasi-ortotrópicos [con las fibras en orientaciones múltiples en las direcciones de X y de Y] y por lo tanto pueden ocuparse de las cargas del en-plano de una manera similar como metales.

“Sin embargo, las características del por-grueso de compuestos convencionales son gobernadas generalmente por las características más bajas de la matriz, debido a la carencia de fibras en la dirección de Z, y por lo tanto éste se considera ser el talón de Achilles de compuestos. Formax está trabajando actualmente en varios proyectos de colaboración para intentar superar este problema.”

¿Qué hace la matriz?

La matriz que da a componentes compuestos su forma puede ser termoendurecible o termoplástica en naturaleza. Thermosets llega a ser substancialmente infusible e insoluble cuando es curado por medios la termal y/o del producto químico. Después de curar, un thermoset no se puede volver a su estado fresco.

Thermosets es relativamente costoso, pero demuestra de alta resistencia. Como tal, son ampliamente utilizados en la producción de compuestos fibre-reinforced de cristal discontinuos del moldeado de la hoja y del bulto (SMCs y BMCs). Estos compuestos se pueden utilizar para el moldeado en grandes cantidades de la inyección y de la compresión de una variedad de piezas automotoras non-structural.

Además, la viscosidad baja de algunos thermosets tales como epóxido los hace altamente convenientes para el uso en de alta presión resina-transfiere los procesos que moldean (HP-RTM), en los cuales un cabezal mezclador inyecta la resina en una cavidad de molde cerrada y satura el objeto semitrabajado seco de la fibra adentro bajo alta presión. De hecho, los epóxidos se prefieren actualmente para la producción de componentes estructurales.

Para producir el i3 monocasco, BMW utiliza el sistema de epoxy de Araldite LY 3585/Hardener XB 3458 de los materiales avanzados del Huntsman para la producción del CFRP monocasco en el i3. El Huntsman demanda que la viscosidad baja del sistema desempeña un papel importante en el todo el proceso, de la dosificación y de la mezcla a la derecha a través a la impregnación, y asegura la buena fibra mojada-hacia fuera en el molde. El sistema puede curar en apenas cinco minutos en 100°C.

Al contrario de los thermosets, para los cuales la reacción de la curación no puede ser invertida, la termoplástica endurece cuando está refrescado con todo conserve su plasticidad; refundirán y pueden ser formados de nuevo recalentándolos sobre su temperatura de proceso. La termoplástica tiende a ser más barata y ofrece resistencia de impacto creciente, así como el endurecimiento rápidamente en las temperaturas relativamente bajas, significando que las piezas termoplásticas reforzadas se pueden producir rápidamente con duraciones de ciclo cortas.

La termoplástica fibre-reinforced discontinua, tal como polipropileno (PP), es de uso general inyección-moldea los portadores anticipados, los portadores del tablero de instrumentos, las ayudas del panel de la puerta, las consolas y los pedales. Sin embargo, el de gran viscosidad de la termoplástica ha evitado que sean utilizados para la producción de la serie de componentes estructurales, pues los hace incompatibles con procesos de RTM.

Duraciones de ciclo acortadas

Esta situación podía cambiar rápidamente. Teijin y su socio General Motors están trabajando en los materiales y los procesos que podrían permitir la presionar-formación de componentes estructurales termoplásticos reforzados continuo-fibra en duraciones de ciclo bajo de minuto. Sereebo llamado, la tecnología se ha cubierto en secreto desde su aviso en marzo de 2011.

Bajo desarrollo en el centro del uso de los compuestos de Teijin (TCAC) en los E.E.U.U., la gama de Sereebo abarca tres materiales intermedios. El primer, llamado U Series, es un intermedio unidireccional que ofrece alta fuerza direccional. El segundo, serie de I, es un intermedio isotrópico que ofrece un equilibrio de la forma, facilidad de moldear y la fuerza multidireccional, dice Teijin. El tercero, serie de P, es una pelotilla termoplástica fibre-reinforced larga (LFT) hecha de fibra de alta resistencia del carbón y es conveniente para inyección-moldear de componentes complicados.

Poco se sabe sobre Sereebo fuera de TCAC (por lo menos por los que no han firmado un acuerdo de non-disclosure), y sigue habiendo ser considerado cómo la tecnología se desarrollará.

Reciclaje de desafíos

En teoría, el hecho de que la termoplástica pueda ser refundida los hace mucho más fáciles reciclar que thermosets. Los directorios de la fin-de-vida de la unión europea (UE) estipulan que los 80% de los materiales usados en un nuevo coche tienen que ser reciclables. Hay una manera relativamente directa de reciclar compuestos: pueden ser molidos abajo y ser utilizados como llenador en concreto. Para los plásticos llenados de poco valor, este acercamiento es viable, pero para CFRPs de alto valor no es una solución elegante. Si las fibras del carbón se podrían separar de sus matrices del polímero, podrían ser utilizadas como alternativa más barata a las fibras virginales del carbón en usos non-structural.

La reutilización de las fibras y de las telas inútiles del carbón es razonablemente establecida, con las telas hechas de fibras recicladas del carbón disponibles en el comercio. Formax vende un refuerzo, llamado la reforma, que fabrica enteramente de la basura multiaxial de la producción para una variedad de usos, incluyendo los estructurales, a través de una gama de industrias. Formax dice que la tela demuestra colmo cubre y permeabilidad, las características mecánicas cuasi-isotrópicas y estabilidad termal para los usos de los útiles.

La separación de fibras de matrices thermoset curadas y frescas para que sean reutilizadas es más desafiadora, pero varias compañías están haciendo apenas eso.

La facilidad de MIT-RCF en la ciudad del lago, Carolina del Sur, utiliza la pirolisis - en qué desecho del CFRP se calienta a 400-500°C en la ausencia de oxígeno, rindiendo una fibra limpia del carbón que mantenga 90-95% de sus características mecánicas originales - para reciclar piezas del CFRP y puede procesar 1.36-2.27kt del material al año. Tan bien como produciendo fibras tajadas del carbón, el MIT utiliza el material reclamado para fabricar los objetos semitrabajados complicados para los fabricantes de la parte vía su tridimensional propietario (3D) dirigidos realiza el proceso (3-DEP).

El vice presidente ejecutivo de compañía, marca Housley, dice: “Para las piezas estructurales modestas, el principal cañizo [al reciclaje] es esa fibra del carbón, incluso fibra reciclada del carbón, costes más por libra que el aluminio, acero y fibra de vidrio. En forma tajada, el carbón reclamado está ya disponible en una gama bastante amplia de compuestos termoplásticos, así que el diseño de la parte y los sistemas de fabricación están ya en el lugar. Así es un programa bastante directo.”

Él continúa: “En las piezas derivadas de tela del carbón le da formato es más complejo. CAE/FEA [análisis de la ingeniería automatizada/de elemento finito] modela para la utilización de la tela no tejida del carbón, formatos no es mientras que convertido como él está para haber tejido continuo y graba telas, así que diseña y los grupos de datos de la verificación se deben desarrollar sobre una base de la parte-por-parte.”

Tan entonces, los materiales compuestos plantean un sistema variado de los desafíos para los fabricantes de automóviles y sus surtidores; sin embargo, sus características mecánicas y oportunidades ligeras, excelentes para la integración de la parte les hacen una alternativa que obliga a los metales en una gama de usos estructurales y non-structural.

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