Fibra de Carbono Reciclada: Cenário Atual e Perspectivas Futuras

O caso a favor da fibra de carbono reciclada é complexo. A indústria baseia-se na esperança de resolver problemas — nomeadamente, o desejo de manter resíduos de fibra de carbono fora de aterros e preencher uma possível lacuna entre oferta e demanda de fibra de carbono. Estima-se comumente que cerca de 30% da fibra de carbono produzida acaba como resíduo. Enquanto isso, à medida que material valioso vai para aterros, a maioria dos analistas concorda que a demanda anual pelo material pode superar a capacidade de produção atual dentro dos próximos anos. A demanda global média estimada de fibra de carbono gira em torno de 65.000 a 85.000 toneladas métricas por ano, com uma capacidade nominal global (que é maior que a capacidade real) de cerca de 150.000 toneladas métricas, segundo estimativas apresentadas por Brett Schneider, presidente de fibras globais da Hexcel (Stamford, Connecticut, EUA) e Dan Pichler, diretor administrativo da CarbConsult GmbH (Hofheim am Taunus, Alemanha) na conferência de Fibra de Carbono de dezembro de 2018. Conforme relatado pela colaboradora da CW Amanda Jacob em março, alguns analistas estimam que a demanda por fibra de carbono pode exceder a oferta em cerca de 24.000 toneladas métricas até 2022. (veja "Construindo confiança na fibra de carbono reciclada.")

E embora fornecedores comerciais de fibra de carbono reciclada (rCF) apontem para material recuperado e reutilizado como uma potencial solução para essa lacuna de oferta e demanda, a indústria de rCF tem seus próprios desafios. Embora a tecnologia para reciclar compósitos de fibra de carbono exista há vários anos e seja capaz de produzir um produto com propriedades mecânicas muito próximas às do material virgem, a indústria de reciclagem de compósitos é relativamente jovem e ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento de mercados para os materiais que produz a partir de reciclados. À medida que a confiança na qualidade da fibra produzida pelos recicladores aumenta, questões sobre custo e disponibilidade vêm à tona. Talvez o maior desafio para a indústria seja a preocupação com a segurança da cadeia de suprimentos.

"As tecnologias realmente existem, e existem há algum tempo, mas a cadeia de suprimentos simplesmente não foi validada," diz Andrew Maxey, CEO da Vartega (Golden, Colorado, EUA). "Sem as peças certas se unindo, você pode ter a melhor tecnologia do mundo, mas não terá material para reciclar e não terá produtos para colocá-lo."

Fornecedores comerciais frequentemente olham para a indústria aeroespacial como fonte de sucata de produção e material de fim de vida para ser usado como reciclado, mas embora a quantidade de resíduos criada pela indústria aeroespacial seja grande em termos do que vai para aterros, muitos OEMs e fabricantes têm relutado em confiar nela como fonte constante de suprimento para uma linha de produtos de alto volume.

Por outro lado, alguns progressos estão sendo feitos. Em dezembro de 2018, a Boeing anunciou que fornecerá à especialista em reciclagem de fibra de carbono ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido) resíduos de fibra de carbono curados e não curados para serem reciclados para uso em produtos secundários para outras aplicações de manufatura de compósitos. O acordo é o primeiro relacionamento formal de fornecimento de material entre um reciclador de fibra de carbono e um grande OEM de aeronaves e parece ser um bom presságio para a indústria.

Não se trata apenas de preocupações ambientais

O argumento para usar rCF vai além da sustentabilidade. Custo reduzido também é um benefício. Por exemplo, a rCF da ELG Carbon Fibre custa cerca de 40% menos que a fibra de carbono virgem de grau industrial. Outros fornecedores comerciais afirmam que seu material é de 20% a 40% mais barato que a fibra de carbono virgem. Além disso, para muitas aplicações há necessidade de formatos de fibra descontínuos — o que sugere uma oportunidade onde a rCF pode oferecer uma alternativa mais sustentável e econômica ao material virgem.

"Em qualquer lugar onde a indústria use fibra de carbono descontínua ou picada, a [fibra] reciclada deve ser a primeira consideração," diz Maxey. "Gastamos todo esse dinheiro para fabricar fibra de carbono virgem em formato contínuo... por que então pegamos isso e picamos para colocar em termoplástico? Se já temos um formato descontínuo nesses resíduos, esse é o melhor material para usar, na minha opinião, para compostos de moldagem onde você vai picar de qualquer forma."

Além disso, a qualidade da rCF produzida tem se mostrado, em alguns casos, à altura da fibra virgem. A ELG Carbon Fibre, que recupera fibras de carbono usando pirólise, diz que sua fibra normalmente retém pelo menos 90% de sua resistência à tração sem mudança no módulo. A Vartega usa um processo de reciclagem química e afirma que sua fibra exibe as mesmas propriedades mecânicas da fibra de carbono virgem. A Shocker Composites (Wichita, Kansas, EUA) usa um processo de solvólise em linha para recuperar a fibra e alega alta qualidade sem danos aparentes às fibras.

 

Tapete não tecido de fibra de carbono reciclada da ELG Carbon Fibre.

Foto CW | Scott Francis

Segundo Vamsidhar Patolla, doutorando da Wichita State University e fundador da Shocker Composites, o desafio é baixar o custo a um nível comparável ao de outros materiais, como alumínio. "A processabilidade precisa corresponder à escala de produção de alto volume," diz ele. O processo da Shocker Composites oferece essa vantagem porque é um processo em linha, não em lote. (Saiba mais no artigo "Reciclagem sustentável, em linha, de fibra de carbono.")

Dadas as melhorias recentes nos últimos anos no processamento de rCF e na qualidade da fibra, fornecedores comerciais começaram a mudar o foco do downcycling de rCF para produtos de menor desempenho e mais para encontrar aplicações apropriadas que se beneficiem das propriedades do material.

"Nunca deslocaremos completamente a fibra virgem, especialmente na aeroespacial onde há requisitos de alta resistência e rigidez, mas as pessoas estão percebendo que fibra reciclada não é apenas fibra reciclada com potenciais fracos," diz Benjamin Andrews, engenheiro de serviços técnicos de campo da ELG Carbon Fibre. "Ela tem seus próprios benefícios que são superiores às fibras virgens em algumas aplicações. Drapeabilidade e acabamento superficial são melhores que os da fibra virgem... isso não é apenas um material reutilizável; é um material que tem seus próprios benefícios."

E a indústria automotiva?

Quando se trata de mercados, a indústria automotiva parece ter o maior potencial para usar rCF. A capacidade do material de combinar leveza com bom acabamento superficial o torna um encaixe natural para painéis de carroceria, sem mencionar vários componentes internos. Fornecedores comerciais de rCF há muito olham para a indústria com expectativa, esperando adoção generalizada, mas um ponto de virada ainda não chegou. Tempo de processo e custo continuam sendo obstáculos para a indústria.

Mark Mauhar, CEO da Carbon Conversions (Lake City, Carolina do Sul, EUA), argumenta que essas preocupações são um pouco desculpas dado o progresso feito, e sente que a principal barreira para adoção em qualquer mercado é, na verdade, aversão a risco.

"Ninguém quer ser o primeiro a adotar um novo ecossistema de materiais," diz ele. Ele também enfatiza que a adoção em larga escala de rCF pela indústria automotiva não é necessariamente desejável, apontando que a adoção por uma dúzia de grandes plataformas automotivas poderia consumir rapidamente o suprimento global de rCF. Ele diz que a abordagem deve ser direcionar programas de nicho, que, por sua vez, tornarão a cadeia de suprimentos mais robusta do ponto de vista de negócios.

Painel de porta automotivo feito de pré-impregnado feito com re-Evo MCF da Carbon Conversions.

Foto CW | Scott Francis

"Vale a pena ser inteligente sobre onde colocar no automotivo," diz ele. "Escolher peças específicas em modelos específicos de carros que façam sentido."

Mauhar espera que o automotivo seja o primeiro grande espaço de mercado a consumir uma fração decente da fibra de carbono reciclada disponível. "Nos próximos 24 meses começaremos a ver algum movimento lá," prevê.

Compósitos, em geral, estão entrando na indústria automotiva incrementalmente na forma de peças como caixas de bateria, vasos de pressão, molas laminadas e até sistemas de porta traseira. Faria sentido que a rCF seguisse a mesma trajetória.

 

Este assoalho automotivo moldado por compressão usa o tapete não tecido re-Evo MCF da Carbon Conversions.

Foto CW | Scott Francis

Um exemplo interessante de tal abordagem de nicho é a ProDrive Composites (Milton Keynes, Reino Unido), fabricante de compósitos leves avançados para aplicações que vão de automotivo e automobilismo a aeroespacial e defesa. A empresa tem colaborado com o Centro de Pesquisa Avançada de Manufatura da Universidade de Sheffield (AMRC, Sheffield, Reino Unido) e a ELG Carbon Fibre em seu processo P2T (Primário para Terciário), um novo processo que usa uma resina termoplástica reativa para fabricar componentes compósitos recicláveis. Um monômero plástico é reagido com um catalisador na presença de fibras recicladas para produzir um laminado curado, fora do autoclave.

Exemplo de peça terciária produzida usando o processo P2T da ProDrive.

Foto CW | Scott Francis

"[Nós] demonstramos que painéis compósitos recicláveis podem ser produzidos a uma taxa e custo adequados a muitas indústrias," diz John McQuilliam, engenheiro-chefe da ProDrive Composites.

A empresa diz que o P2T permite que um material compósito seja usado três ou mais vezes. No fim de vida da peça primária, as fibras e potencialmente a resina podem ser recicladas, fornecendo matéria-prima para uma peça secundária termoplástica, como um painel de carroceria. Quando essa peça atinge seu fim de vida, pode ser picada e remoldada em novas peças. (Saiba mais no artigo "Processo P2T posicionado para reciclagem.")

Enquanto isso, a Vartega está liderando um projeto do Instituto para Inovação em Manufatura de Compósitos Avançados (IACMI, Knoxville, Tennessee, EUA) focado na indústria automotiva. A colaboração técnica de dois anos é projetada para enfrentar os desafios da criação de termoplásticos reforçados com fibra de carbono reciclada consistentes para uso em aplicações de leveamento veicular. Maxey diz que o projeto está progredindo em direção a um conjunto de dados robusto que oferece uma caracterização completa dos materiais, da interface da fibra às propriedades da peça final.

Claro, ao considerar a indústria automotiva, a melhor aposta pode ser em tecnologias emergentes relacionadas. Veículos elétricos, veículos autônomos e aspectos de conectividade em carros trazem novas peças e oportunidades de aplicação onde compósitos provavelmente desempenharão um grande papel.

Maxey oferece sua avaliação de para onde a indústria automotiva está indo: "Houve muita coisa nos últimos dois anos na indústria automotiva, onde o foco mudará de economia de combustível para outras prioridades dependendo do que são as regulamentações e do que a [administração presidencial] está dizendo," diz ele. "[Nós] não vemos nenhum recuo maior em leveamento, mas talvez a motivação para isso evolua. Acho que o que você verá na indústria é o foco em leveamento para aplicações de mobilidade."

A aeroespacial pode fechar o ciclo?

A indústria aeroespacial gera a maior quantidade de resíduos de fibra de carbono, e fornecedores comerciais de rCF frequentemente olham para a indústria aeroespacial como fonte de reciclado. Material excedente, tipicamente pré-impregnado termofixo não curado, é coletado e a resina é removida via calor (pirólise) ou solvente químico (solvólise) para produzir fibra que é moída, picada ou pelletizada.

À medida que a indústria avança para maior uso de compósitos termoplásticos (TPCs), esse material apresenta um novo conjunto de oportunidades de reciclagem. Como polímeros termoplásticos podem ser derretidos e remodelados, a indústria aeroespacial tem mais oportunidade de reabsorver parte de sua própria sucata em aplicações secundárias, potencialmente reutilizando tanto fibra quanto matriz. Thomas de Bruijn, pesquisador do Centro de Aplicação de Compósitos Termoplásticos (TPAC, Enschede, Países Baixos) — um centro de P&D de compósitos termoplásticos trabalhando junto com o Centro de Pesquisa Termoplástica (TPRC, Enschede, Países Baixos) em nível de pesquisa aplicada — aponta para esforços na indústria sendo feitos para reciclar o material internamente.

"Do ponto de vista de viabilidade, para compósitos termoplásticos, uma abordagem interna faz muito mais sentido," diz ele.

Segundo de Bruijn, OEMs de aeronaves são mais propensos a reciclar internamente do que recorrer a um fornecedor comercial de rCF. A principal razão para isso é rastreabilidade. Combinar tipos de polímero a uma dada aplicação torna-se muito mais difícil quando o suprimento é movido para fora da empresa.

Johan Meuzelaar, especialista em engenharia de tensões da GKN Fokker (Hoogeveen, Países Baixos), pensa que a resposta é tentar encontrar o máximo de aplicações possível dentro de seu próprio ambiente de produção. "Se eu olhar para o tipo de componentes termoplásticos que fazemos de material virgem, há muitas peças nelas que poderíamos fazer recicladas," diz ele. "[Poderíamos] certamente consumir uma quantidade significativa de resíduos que estamos gerando."

"Já temos as instalações," acrescenta Guillaume Vincent, engenheiro de compósitos termoplásticos do TPRC. Ele explica que a reciclagem interna se encaixa nas cadeias de processo normais e que a maioria dos equipamentos já está em vigor, tornando-a a via mais acessível. "[Ela] se encaixa em atividades que temos em um ambiente de produção normal."

  Rota de reciclagem TPC-Cycle

Fonte | TPRC, TPAC

De Bruijn, Vincent e Meuzelaar estão envolvidos no projeto TPC-Cycle, operado pelo TPAC e TPRC. O projeto visa a reutilização de sucata de produção de processamento de compósitos termoplásticos para aplicações aeroespaciais e de alto volume. O objetivo é reter as altas propriedades mecânicas dos compósitos termoplásticos e reduzir o impacto ambiental geral a um custo acessível. O TPC-Cycle ostenta tempos de ciclo curtos e diz permitir a produção de formas complexas.

Painel de acesso demonstrador para rotorcraft desenvolvido usando o processo TPC-Cycle.

Fonte | TPRC, TPAC, GKN Fokker

Vários parceiros industriais, incluindo GKN Fokker, Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Califórnia, EUA; Nijverdal, Países Baixos), Cato Composite Innovations (Rheden, Países Baixos), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Países Baixos) e Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Países Baixos), estão envolvidos no projeto TPC-Cycle, representando diferentes segmentos na cadeia de valor, desde material, manufatura, design e aplicação.

Segundo de Bruijn, o projeto TPC-Cycle está agora analisando a conclusão de análises de custo e ciclo de vida para provar que o processo é economicamente benéfico.

Além disso, programas como a Iniciativa Conjunta Clean Sky 2 (financiada pelo programa Horizonte 2020 da UE) estão incentivando P&D focado em fechar o ciclo para sucata aeroespacial. OEMs estão olhando para o potencial de usar resíduos de fábrica reciclados para peças internas, painéis de acesso, pequenos componentes e até clipes e suportes de estrutura aérea e sistemas.

Dr. Bas Veldman, gerente de programa da GKN Fokker para a metade inferior de um Demonstrador de Fuselagem Multifuncional Termoplástica, está fomentando esse conceito lançando uma chamada para propostas sob o programa Clean Sky 2 em clipes e suportes. Um elemento importante no desenvolvimento do demonstrador é reduzir o impacto ambiental através do uso de resíduos de fábrica para tais produtos como clipes de estrutura e suportes. O demonstrador também visa substituir fixadores por soldagem, economizando materiais, energia e custo enquanto contribui para o leveamento.

Segundo Meuzelaar, a GKN Fokker está investigando como a tecnologia de reciclagem pode fazer parte do conceito de fuselagem do amanhã da empresa. Ele diz que o conceito potencialmente usará muitos compósitos termoplásticos, que por sua vez poderiam gerar muitos resíduos que poderiam ser usados para suportes reciclados, acessórios e peças não estruturais.

"A razão para olhar para uma fuselagem termoplástica é custo, e achamos que este é um método de produção economicamente viável, que também incorpora reciclagem," diz ele.

Meuzelaar diz que o objetivo em alto nível é tornar produtos aeroespaciais mais acessíveis e sustentáveis. Embora avanços estejam sendo feitos em direção à produção em série em termoplásticos, isso também gerará resíduos (como infelizmente é o caso para compósitos em geral). Mas ele acredita que esses resíduos podem ser comercialmente viáveis e diz que a mistura de baixo cisalhamento/moldagem por compressão de TPCs de fibra de carbono reciclada oferece liberdade de design não proporcionada por laminação tradicional com fibras contínuas. "Você ganha muitas opções adicionais para fazer peças não estruturais muito interessantes como painéis, pequenos revestimentos ou suportes de sistema que geralmente na aeroespacial tendem a ser superdimensionados em termos de materiais usados, ligas usadas, [e] sistemas de produção usados," explica.

Ele acredita que a oportunidade reside principalmente em peças não estruturais de tamanho e complexidade médios, que ainda são uma parte significativa do custo total de componentes maiores.

"Não faremos asas de termoplástico reciclado no futuro próximo," diz Meuzelaar. "Mas dentro da asa, há peças que podemos fazer que fazem sentido econômico."

Tudo isso dito, é um pouco cedo para prever o impacto que os compósitos termoplásticos terão na indústria de reciclagem.

"A porcentagem de resíduos provavelmente diminuirá devido a novos métodos de produção como colocação de fita ou blanks personalizados, que provavelmente produzem menos resíduos que os processos típicos de ninho e estampagem que vemos hoje," diz de Bruijn. "Mas, em geral, acho que haverá mais resíduos termoplásticos nos próximos anos e décadas."

E embora esse interesse em reciclagem interna esteja em alta, sempre haverá alguns resíduos que não são utilizáveis e que os fabricantes não querem ou não podem reciclar internamente. Nesses casos, esses materiais podem ser recuperados por um fornecedor de material. O tempo dirá o que o aumento do uso de compósitos termoplásticos pode significar para a cadeia de suprimentos. (Saiba mais sobre o projeto TPC-Cycle e a iniciativa Clean Sky 2 em "Compósitos termoplásticos reciclados para produção.")

Manufatura aditiva

A manufatura aditiva é outra área que tem potencial para rCF. Por exemplo, a Shocker Composites compôs sua fibra de carbono reciclada em filamento ABS reforçado a 20-40% e demonstrou seu uso bem-sucedido com o processo de Manufatura Aditiva de Grande Área (BAAM) da Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, EUA).

Além disso, a Vartega diz que está aproveitando sua tecnologia de reciclagem de fibra de carbono e expertise em desenvolvimento de materiais para avançar matérias-primas poliméricas para manufatura aditiva por fusão de leito de pó. A empresa recebeu recentemente uma bolsa de Pesquisa de Inovação para Pequenas Empresas (SBIR) da Fundação Nacional de Ciência (NSF, Alexandria, Virgínia, EUA) para conduzir pesquisa e desenvolvimento (P&D) na área.

A Vartega afirma também estar desenvolvendo um processo que permitirá que pós termoplásticos sejam reforçados com fibra de carbono enquanto garantem que os materiais produzam peças funcionais em sistemas aditivos infravermelhos. Esse avanço supostamente permitirá que fabricantes digitais realizem todo o potencial de novas plataformas de hardware baseadas em pó para produzir peças que performam similarmente a materiais moldados por injeção em taxas de produção de médio volume.

"Ao oferecer pós de polímero reforçados com fibra de carbono, fabricantes em setores como UAV [veículos aéreos não tripulados] e próteses médicas realizarão os benefícios de impressão 3D rápida, complexa e personalizada, enquanto garantem que sua seleção de material exibirá a integridade estrutural necessária para seu produto," diz Alice Havill, diretora de operações da Vartega.

Outras aplicações

Enquanto isso, outros mercados e aplicações nos quais a fibra de carbono reciclada pode desempenhar um papel continuam a surgir.

Esta madeira laminada cruzada de grau de construção (CLT) combina madeira termicamente modificada com fibra de carbono reciclada do Centro de Tecnologia de Reciclagem de Compósitos.

Fonte | Centro de Tecnologia de Reciclagem de Compósitos

O Centro de Tecnologia de Reciclagem de Compósitos (CRTC, Port Angeles, Washington, EUA) tem explorado o uso de fibra de carbono reciclada em uma variedade de produtos, de bancos de parque a artigos esportivos de alto desempenho a tubos compósitos. A empresa trabalha com material pré-impregnado não curado recuperado da Toray Composite Materials America (Tacoma, Washington, EUA) bem como rCF da ELG Carbon Fibre.

Dave Walter, CEO do CRTC, aponta a indústria da construção como área de crescimento potencial. A empresa desenvolveu recentemente uma madeira laminada cruzada de grau de construção (CLT) sob processo patenteado que combina madeira termicamente modificada com fibra de carbono reciclada. O processo de modificação térmica elimina açúcares e lignina, proporcionando resistência a apodrecimento e cupins, e então tiras de fibra de carbono são integradas para resistência.

O CRTC também usa fibra de carbono reciclada para criar painéis colados com folheado de madeira. Esses painéis mostram a beleza da madeira com um substrato forte, leve e flexível para várias aplicações internas e externas, como mostrado na imagem abaixo de uma instalação de 2019 no Benaroya Hall em Seattle.

Centro de Música Octave 9 Raisbeck – Benaroya Hall (Seattle, Washington, EUA)

Foto | Centro de Tecnologia de Reciclagem de Compósitos

Uma mudança de mentalidade para a indústria?

Grandes mudanças muitas vezes acontecem incrementalmente, e a indústria relativamente jovem de fibra de carbono reciclada continua a avançar lentamente. Embora o downcycling de rCF continue, as percepções sobre o material estão começando a mudar. A qualidade da fibra foi comprovada e os processos continuam a evoluir. A conscientização sobre a necessidade de reciclar fibra de carbono é alta e mais players estão se envolvendo.

"O anúncio da ELG e Boeing foi realmente um grande negócio; ajuda todos a mover a bola para frente [e] acelerar as conexões da cadeia de suprimentos," diz Maxey.

"Estamos aqui para habilitar e conectar os pontos," ele adiciona, resumindo a indústria. "Temos essa tecnologia habilitadora que fica no meio da cadeia de suprimentos, mas é realmente sobre conectar esse ativo encalhado no fluxo de resíduos a uma demanda não atendida a jusante."

A maior mudança, segundo Mark Mauhar da Carbon Conversions, é que os fornecedores agora querem fazer parte da solução. "Antes de dois anos atrás, recebíamos várias ligações por semana de fornecedores sobre se livrar de sucata, mas sem interesse em usar o material," diz ele. "Agora, as pessoas estão começando a andar a caminhada. Apenas recentemente, finalmente estamos começando a ver potenciais clientes de fibra de carbono recuperada gastar recursos significativos em corte de ferramentas de moldagem, construção de protótipos e mock-ups, resolução de problemas de processo — todas atividades bem adiantadas em termos de adoção comercial."

Talvez o que realmente se resume é paciência. Detlef Drafz, CEO da ELG Carbon Fibre, aponta que é útil examinar o histórico de reciclagem de outros materiais legados.

"Há mais de 50 anos, a ELG recicla matérias-primas para a indústria do aço inoxidável. Com metal, é aceito que você use a sucata mesmo em fornos a vácuo para pás de turbina... é aceito que metal reciclado é uma matéria-prima, que devidamente processada pode simplesmente ser usada. Isso não era comum na aplicação aeroespacial há 25 anos; no entanto, estabelecemos uma cadeia de suprimentos para dar as garantias de que o material performa. Fazemos o mesmo aqui," diz ele.