Compostos curtos de fibra de carbono expandem o alcance dos compostos termoplásticos

Uma família de compostos termoplásticos reforçados com fibra de carbono curto (CFRTP) formulados especificamente para moldagem por injeção está sendo usada para estender as capacidades dos compostos termoplásticos em uma variedade de tamanhos e complexidades de peças. Curiosamente, esses materiais têm demonstrado desempenho superior ao de compósitos termoplásticos de fibra longa (LFT) (em fibra de vidro ou fibra de carbono), bem como metais em uma gama crescente de aplicações - de artigos esportivos e peças de automóveis a dispositivos médicos e componentes aeroespaciais.

Moldador que se tornou composto

Os materiais são formulados e vendidos pela Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tóquio, Japão). MCAM combina vários negócios anteriormente separados adquiridos pela empresa controladora na última década. Isso inclui a antiga Quadrant AG (Lenzburg, Suíça), uma produtora de termoplástico de esteira de vidro (GMT) e compostos de folha orgânica, bem como formas de engenharia termoplástica, e a que havia sido a Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, EUA), que começou vida como um moldador por injeção e produtor de peças usinadas de precisão, e mais tarde expandido para compostos CFRTP customizados - primeiro para seu próprio uso e depois para outros moldadores.

Por volta de 2012, a Piper era uma moldadora por injeção personalizada de médio porte que atendia a uma base de clientes no setor aeroespacial e de artigos esportivos / equipamentos recreativos. A liderança da empresa queria expandir seus negócios de fabricação de peças, mas tinha dois desafios. Primeiro, estava tendo problemas para encontrar os tipos de compostos que a equipe achava que permitiriam à empresa competir em segmentos de mercado de alto desempenho. Em segundo lugar, a empresa queria entrar no mercado automotivo, mas não tinha capacidade de moldagem disponível suficiente para competir nos principais programas.

O primeiro problema foi resolvido aplicando um esforço de P&D focado em várias resinas de base e tecnologias de dimensionamento de fibra, o que levou ao desenvolvimento de uma família de compostos CFRTP moldáveis ​​por injeção de alto desempenho chamados KyronMAX. Esses materiais apresentam matrizes como poliamida 6/6 (PA6 / 6), poliftalamida (PPA), polieterimida (PEI), sulfeto de polifenileno (PPS), polieteretercetona (PEEK) e poliariletercetona (PAEK) reforçada com fibra de carbono picada curta. Os compostos - a maioria dos quais oferece alto desempenho térmico, ampla resistência química, boa mecânica e baixos valores de chama / fumaça / toxicidade (FST) - foram formulados não apenas para substituir os tipos de moldagem por injeção reforçados com fibra de vidro e preenchidos com minerais, mas também Compostos LFT (com comprimento médio de fibra inicial de 13 milímetros) e até metais.

“Em uma folha de dados, os compostos LFT parecem mais fortes, mas muitas vezes eles não são capazes de preencher os tipos de geometria de peça que podemos preencher com a tecnologia de fibra de carbono curta”, explica Alex Wojtysiak, gerente de contas principais MCAM - compostos. “Como nosso fluxo é muito mais alto, somos mais capazes de preencher a geometria intrincada, então nossos compostos produzem peças que são dramaticamente mais fortes.”

“Não é tanto que decidimos criar uma ampla gama de compostos CFRTP, mas que cada um foi desenvolvido para atender às necessidades específicas de um cliente em particular”, acrescenta Clint Newell, gerente global de tecnologia de compostos da MCAM. “Conforme nossas capacidades de formulação aumentaram, entramos em novos mercados, encontramos novos clientes, perguntamos o que eles precisavam e começamos a criar um composto perfeito para atender a essas necessidades”.

Sem surpresa, porque esses compostos foram inicialmente formulados por um moldador para um moldador, eles foram projetados para fornecer propriedades que os tornassem fáceis de processar e para produzir consistentemente peças de maior qualidade e melhor desempenho. “Formulamos nossa linha de produtos KyronMAX para fornecer maior fluxo e interação de fibra, menores tensões internas, menos anisotropia, linhas de solda mais fortes, menos marcas de afundamento, menos tendência para empenamento e maior precisão dimensional - independentemente de as seções de parede serem grossas ou finas”, observa Dave Wilkinson, diretor de P&D da MCAM. “Além de nosso trabalho de formulação e tecnologia de dimensionamento exclusiva, também fizemos nossas próprias modificações de prensa para operar esses materiais com mais eficiência.”

Por que o nome do produto incomum? “Nos antigos mitos gregos, Kyron (também chamado de Chiron) era parte centauro e parte humano”, explica Randy White, diretor de inovação da MCAM. “Kyron usou suas habilidades pessoais únicas para se elevar acima de sua natureza bestial. Nós comparamos isso aos nossos compostos, que são metade fibra de carbono e metade resina, tão fortes quanto um cavalo e tão inteligentes quanto um ser humano para facilidade de processamento. ”

À medida que a experiência em formulação cresceu, a empresa chamou a atenção do Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tóquio, Japão), que adquiriu a Piper em 2016. A MCHC imediatamente fez um investimento substancial de vários milhões de dólares para aumentar o tamanho da linha de composição no Arizona , automatizar operações e trazer suas próprias tecnologias de dimensionamento e corte de fibra de carbono para permitir que os compostos KyronMAX sejam produzidos mais rapidamente e com maior consistência e eficiência. Posteriormente, uma segunda linha de composição foi instalada em Michigan e uma terceira no Japão. Essa capacidade expandida significava que as classes KyronMAX poderiam competir por negócios automotivos na América do Norte e na Ásia. Outros mercados seguiram.

Oferta de produtos expandida, novas oportunidades de mercado

Agora, com maior capacidade de produção e acesso a uma gama mais ampla de materiais de polímero e fibra de carbono, a equipe MCAM tem se ocupado com o desenvolvimento de uma gama de novos produtos - vários deles formulados especificamente para o mercado automotivo. Um dos mais interessantes é o KyronMAX ES 4240, considerado o primeiro composto para moldagem por injeção de fibra curta de carbono do mundo a quebrar a barreira de resistência à tração de 414 MPa (60.000 psi). Esse grau, que foi apresentado na Conferência SPE Automotive Engineered Plastics 2019 (AutoEPCON) nos subúrbios de Detroit, é um PPA reforçado com fibra de carbono com fração de peso de fibra de 40% (FWF) que também oferece valores de módulo de tração de 41,2 GPa, valores de módulo de flexão de 34,5 GPa e valores de resistência à flexão de 552 MPa. O PPA é uma forma especializada de poliamida com melhor resistência térmica e química mais ampla e tendência muito menor para a hidrólise do que o PA6 e o ​​PA6 / 6 convencionais.

Outras classes automotivas apresentadas no 2019 SPE AutoEPCON incluem uma classe PPA reforçada com fibra de carbono de alta temperatura desenvolvida especificamente para aplicações sob o capô. Diz-se que esse grau tem uma temperatura de transição vítrea (T _g ) e temperatura de uso contínuo (CUT) rivalizando com a do PEEK, mas é mais fácil de moldar. Dada a sensibilidade de custo das indústrias de alto volume, como automotiva e de eletrodomésticos, não é nenhuma surpresa saber que a equipe também está trabalhando em um produto KyronMAX à base de polipropileno (PP).

À medida que sua linha de produtos se expandiu, também se expandiram os mercados nos quais esses materiais são usados. Além do tão desejado negócio automotivo, a empresa agora atende dispositivos médicos (duráveis ​​e descartáveis), eletrodomésticos e eletrônicos de consumo (caixas / tampas de reposição de metal). A aviação / aeroespacial ainda é importante, assim como a indústria de artigos esportivos, que cresceu para incluir aplicações em bicicletas de corrida, mountain bikes, tacos de golfe, armas de fogo, arcos compostos e outras peças de arco e flecha. Com vários produtos oferecendo coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) valores semelhantes aos de alumínio e magnésio moldados por injeção de metal (MIM) - embora com melhor tenacidade, menor peso e menor custo - a equipe se encontra substituindo metais em uma gama cada vez maior de aplicações .

Qual é o próximo? Com acesso à organização Mitsubishi mais ampla globalmente, a equipe MCAM pode acessar a tecnologia que representa um portfólio mais amplo de compostos que abrange produtos químicos termoplásticos e termofixos, com uma variedade de tipos e comprimentos de reforço. Por exemplo, outro grupo Mitsubishi produz composto de moldagem forjado reforçado com fibra de carbono dividido e picado (FMC), uma forma avançada de composto de moldagem de folha (SMC) que ajuda a preencher a lacuna de desempenho e processamento entre o vidro curto ou SMC reforçado com fibra de carbono e o pré-impregnado contínuo reforçado com fibra de carbono. Ainda outro grupo produz materiais prepreg reforçados com fibra de carbono e pré-impregnados de cura rápida (PCM).

Dentro do próprio MCAM, outra tecnologia que está se aproximando da comercialização é uma nova família de pré-impregnados secos reforçados com termoplásticos matrizes chamadas KyronTEX. Esses produtos estão sendo testados estrategicamente.

Finalmente, no verão passado, a MCAM adquiriu a carbonNXT GmbH e a empresa irmã CFK Valley State Recycling GmbH e Co. KG (ambas em Wischhafen, Alemanha), trazendo uma linha completa de tecnologia de reciclagem de fibra de carbono para a oferta de produtos do grupo. A equipe MCAM está testando várias fórmulas usando fibra de carbono reciclada antes de produtos comerciais qualificados.