Resíduos zero:Novo processo, equipamento recicla pré-impregnado, resíduos de fita

Um desafio para equipar tecidos pré-impregnados ou fitas unidirecionais (UD) é descobrir o que fazer com enfeites que são muito pequenos ou cujas fibras estão alinhadas incorretamente para reutilização em outro projeto. Embora o software de aproveitamento e os cortadores tenham reduzido significativamente o refugo, as aparas ainda vão para aterros sanitários, o que aumenta os custos de material e peças, bem como a carga ambiental. No entanto, uma empresa holandesa, Van Wees UD e Crossply Technology BV (Tilburg, Holanda), está ajudando a melhorar a sustentabilidade, desenvolvendo uma nova tecnologia - e as máquinas que tornam isso possível - para reutilizar resíduos de fita termoplástica.

Raízes têxteis

Fundada em 1945 e com raízes profundas na indústria têxtil, Van Wees é uma provedora de serviços completos que projeta, produz, instala e comissiona máquinas e linhas de produção para produzir compostos avançados (termofixos ou termoplásticos, carbono ou fibra de vidro) com foco em métodos de produção de alto volume e alta qualidade. A empresa fabrica linhas de impregnação de pré-impregnação (incluindo gaiolas) - principalmente para epóxis no lado termofixo e para materiais que variam de polipropileno (PP) a poliamidas de alta temperatura (PAs) no lado termoplástico - bem como máquinas de colocação de fita UD multiaxial e cruzada , que pode processar fitas termoplásticas ou termofixas. Uma empresa irmã, Eltra Engineering BV (também em Tilburg) é especializada em tecnologia de automação industrial e fornece controles elétricos e software para máquinas Van Wees.

Em seu Centro de Pesquisa e Tecnologia (R&TC), a Van Wees mantém equipamentos em escala de produção para o desenvolvimento de seus próprios processos e também para clientes que estão considerando um sistema Van Wees ou que estão aprendendo a operar equipamentos enquanto aguardam a construção de suas máquinas. Isso permite que os clientes produzam materiais que podem avaliar ou, por sua vez, oferecem aos seus próprios clientes para avaliação. Por exemplo, no R&TC, os reboques podem ser puxados de uma gaiola e as fibras espalhadas e impregnadas para produzir fitas, que então podem ser alimentadas através das máquinas UD multiaxiais ou de multiplicação cruzada da empresa para produzir laminados com uma variedade de camadas de dobras e orientações de fibra. (Os laminados de dobra cruzada têm pelo menos duas camadas orientadas a 0/90 graus e os laminados UD multiaxiais têm pelo menos duas camadas UD orientadas em ângulos outro do que 0/90 graus.) Os laminados que saem dessas máquinas são unidos para facilitar o manuseio. Em seguida, eles podem ser cortados em pré-formas em forma de rede que estão, então, prontos para processamento em uma peça composta. Embora o foco do equipamento de Van Wees com o equipamento UD de multiplicação cruzada e multiaxial seja na produção de UD termoplástico fitas, as máquinas podem ser usadas para produzir fitas com matrizes termofixas e / ou com tecido em vez de reforços UD.

Curiosamente, foi o próprio problema de sucata de Van Wees ao fabricar esses produtos para teste do cliente, bem como às solicitações do cliente, que levou os pesquisadores da empresa a desenvolver um "processo de desperdício zero" para reciclar cavacos / resíduos da produção de pré-formas usando pedaços de fibra sob medida . Como um serviço, a empresa está oferecendo aos clientes a oportunidade de avaliar esses blanks termoplásticos baseados em chip e já desenvolveu equipamentos para produzi-los comercialmente em altos volumes de produção.

Não desperdice, não queira

Durante as operações de corte e vinco para fazer pré-formas em forma de rede (que Van Wees chama de "remendos"), o material de sucata é coletado e segregado por tipo de resina e fibra. Esta sucata tem formato e tamanho irregulares, então os cortadores são projetados para produzir “cavacos” com um tamanho máximo de 50 por 50 milímetros. Os chips picados são então prensados ​​em uma folha consolidada (por compressão ou moldagem a vácuo), resultando em um laminado com fibras descontínuas orientadas aleatoriamente. Nenhuma resina adicional é necessária para fazer a folha, e apenas chips com resinas quimicamente compatíveis são misturados, embora ambos os chips reforçados com fibra de vidro e carbono possam ser combinados dependendo das propriedades desejadas na parte final que será formada a partir dos chips laminado.

Como as fibras em chips individuais dentro do laminado podem ter até 50 milímetros de comprimento e a orientação da fibra ao longo da folha é aleatória, os blanks sob medida 100 por cento reciclados e sem desperdício fornecem rigidez e resistência ortotrópica - particularmente em comparação com a injeção de fibra curta compostos de moldagem. No entanto, uma vez que as frações de peso da fibra para os feixes de fibras descontínuas dos laminados podem funcionar de 50-70 por cento - com as formulações iniciais na extremidade superior dessa faixa - o material mal consegue fluir em uma prensa de compressão. Portanto, para preencher geometria 2,5D ou 3D, o laminado à base de chip deve ser sobremoldado com fibra curta ou mesmo resina pura em uma máquina de moldagem por injeção. Ele também pode ser co-moldado com um material de fibra contínua em uma prensa de compressão. De qualquer forma, o laminado precisa ser pré-aquecido antes da moldagem.

Curiosamente, Van Wees descobriu que os painéis baseados em chip ainda fornecem metade da resistência à flexão e módulo de seus painéis de fibra cruzada contínua de alto desempenho na mesma configuração de fibra e resina.

Conceito comprovado

Para mostrar as capacidades de seus blanks sob medida sem desperdício, Van Wees conduziu vários projetos de demonstração. Um era uma viga de reforço / proteção para os painéis internos das portas de um carro de passageiros. Esse esforço foi baseado no projeto Lipa Series, que desenvolveu peças compostas leves para produção em série para uma variedade de indústrias. O consórcio agora inativo com base em Büsslingen, Suíça, construiu tecnologias de núcleo envolvendo a pré-formação de compósitos termoplásticos de fibra contínua / tapete de vidro (GMT) e, em seguida, o enchimento posterior com resina reforçada com fibra em uma máquina de moldagem por injeção.

O feixe demonstrador de Van Wees (uma peça usada para passar pelos regulamentos de impacto lateral / intrusão) tinha aproximadamente 650 milímetros de comprimento, 110 milímetros de largura, tinha uma parede nominal de 3 milímetros e pesava cerca de 450 gramas no material de referência, que era um 3- PA6 reforçado com tecido de vidro milimetrado. A peça também apresentava uma estrutura em cúpula no centro com 40 milímetros de altura. O feixe de impacto da folha orgânica não forneceu absorção de energia suficiente para atender aos requisitos da aplicação, então os pesquisadores de Van Wees tentaram melhorar o desempenho geral na mesma espessura de parede (desde que as ferramentas existentes foram usadas), em um tempo de ciclo de menos de um minuto e com desperdício zero .

Trabalhando com vários fornecedores de polímeros, Van Wees produziu fitas UD internamente usando vários polímeros e reforços - incluindo fibra de vidro / PA4 / 10, fibra de vidro / PP, fibra de carbono / PP e vidro + fibra de carbono / PP. Compostos de sobremoldagem por injeção de fibra curta correspondentes foram produzidos pelos fornecedores de resina. A simulação foi usada para avaliar o número e a orientação de camadas UD individuais para espaços em branco personalizados a fim de atender ou exceder os requisitos de desempenho. Em seguida, as fitas foram usadas para produzir laminados de fibra contínua, a partir dos quais os feixes de choque foram produzidos. Os resultados da engenharia auxiliada por computador (CAE) previram que os blanks feitos sob medida em fibra de vidro / PA4 / 10 forneceriam as melhores propriedades a um custo menor do que o tecido / organosheet, e os testes físicos confirmaram isso.

Para explorar ainda mais as oportunidades de reduzir o desperdício e os custos, os pesquisadores reutilizaram a sucata (perdas de corte de aproximadamente 30 por cento) gerada na produção de laminados de fibra contínua para produzir vigas de impacto, reciclaram esse material em laminados à base de cavacos com 1 milímetro de espessura e usaram esse produto como uma camada de núcleo (substituindo três camadas UD) entre as “películas” de mais material UD feito na máquina UD multiaxial. Curiosamente, em testes preliminares com um tamanho de amostra limitado, eles viram pouca ou nenhuma perda de desempenho para os laminados híbridos com uma mistura de reforço contínuo e descontínuo em comparação com os laminados totalmente reforçados continuamente.

Cálculos adicionais conduzidos pela equipe indicaram que seria possível atender às metas de produção de Van Wees de 2 milhões de vigas de choque por ano, usando o processo de sobremoldagem composta de 1 minuto desenvolvido pela equipe da Lipa Series. Dada a velocidade com que as linhas de produção de vazios sob medida da Van Wees operam (1.800 remendos / hora na máquina UD multiaxial e 1.260 remendos / hora na máquina de dobra cruzada), adicionar equipamento adicional para converter sucata em laminados à base de chips criaria um zero - desperdiçar o sistema de produção e aumentar os volumes de produção em 30 por cento, para 2,6 milhões de peças por ano. Ironicamente, as máquinas de moldagem por injeção seriam a etapa limitadora da taxa nesta sequência de produção - algo que não acontece com frequência.

Outro projeto de rápida reviravolta que os pesquisadores da empresa conduziram foi desenvolver maçanetas de portas de face composta para a sala de conferências na sede da Van Wees. Encartes de composição final estavam disponíveis para os participantes verem na conferência de moldagem de compostos do ano passado.

“O co-desenvolvimento e a inovação são as forças motrizes da indústria moderna”, observa Rien van den Aker, diretor da Van Wees. “Acreditamos que o desenvolvimento conjunto com todos os participantes da cadeia de compósitos é de interesse primordial. Os metais são os concorrentes da nossa indústria e são feitos da forma mais racional. Portanto, será apenas com processos e equipamentos inteligentes que poderemos introduzir produtos compostos leves em aplicações de alto volume. ” Ele enfatiza que será necessário um esforço conjunto entre os membros da cadeia de suprimentos para tornar possível a produção de resíduos termofixos e peças compostas termoplásticas. “Van Wees tem o prazer de ajudar as partes interessadas com o desenvolvimento de produtos e processos”, acrescenta.