Inovação Zero-Resíduo: Novo Processo e Equipamento Reciclam Aparas de Prepreg e Fita

Um desafio para kitting de tecidos prepreg ou fitas unidirecionais (UD) é descobrir o que fazer com aparas que são muito pequenas ou cujas fibras estão incorretamente alinhadas para reutilização em outro projeto. Embora software de nesting e cortadores tenham reduzido sucata significativamente, aparas ainda frequentemente vão para aterro, o que aumenta custos de material e peça, bem como carga ambiental. No entanto, uma empresa holandesa, Van Wees UD and Crossply Technology BV (Tilburg, Países Baixos), está ajudando a melhorar a sustentabilidade desenvolvendo uma nova tecnologia — e as máquinas que a tornam possível — para reutilizar aparas de fita termoplástica.

Raízes têxteis

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

Em seu Centro de Pesquisa e Tecnologia (P&T), a Van Wees mantém equipamentos em escala de produção para seu próprio desenvolvimento de processo, bem como para clientes considerando um sistema Van Wees, ou que estão aprendendo a operar equipamentos enquanto esperam suas máquinas serem construídas. Isso permite que clientes produzam material que podem avaliar ou, por sua vez, oferecer a seus próprios clientes para avaliação. Por exemplo, no P&T, tows podem ser puxados de um creel e fibras espalhadas e impregnadas para produzir fitas, que então podem ser alimentadas através das máquinas crossply ou multiaxial UD da empresa para produzir laminados com uma variedade de camadas e orientações de fibra. (Laminados crossply têm pelo menos duas camadas orientadas a 0/90 graus e laminados UD multiaxial têm pelo menos duas camadas UD orientadas em ângulos diferentes de 0/90 graus.) Laminados saindo dessas máquinas são unidos para facilitar o manuseio. Eles podem então ser cortados em matriz em pré-formas net-shape que estão prontas para processamento em uma peça compósito. Embora o foco do equipamento da Van Wees com equipamentos crossply e multiaxial UD seja na produção de fitas UD termoplásticas, 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 da Van Wees ao fazer esses produtos para teste de clientes, bem como solicitações de clientes, que levou pesquisadores da empresa a desenvolver um "processo zero-resíduo" para reciclar chips/aparas de produção de pré-formas usando blanks de fibra personalizados. Como serviço, a empresa está oferecendo aos clientes a oportunidade de avaliar estes blanks termoplásticos baseados em chips e já desenvolveu equipamentos para produzi-los comercialmente em altos volumes de produção.

Não desperdiçar, não querer

Durante operações de corte em matriz para fazer pré-formas net-shape (que a Van Wees chama de "patches"), material de sucata é coletado e segregado por tipo de resina e fibra. Esta sucata é irregularmente formada e dimensionada, então cortadores de matriz são projetados para produzir "chips" com tamanho máximo de 50 por 50 milímetros. Chips picados são então prensados em uma folha consolidada (via moldagem por compressão ou 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 chips reforçados com fibra de vidro e carbono possam ser combinados dependendo das propriedades desejadas na peça final que será formada a partir do laminado baseado em chips.

Como as fibras em chips individuais dentro do laminado podem ter até 50 milímetros de comprimento, e a orientação da fibra através da folha é aleatória, os blanks personalizados 100% reciclados, zero-resíduo, fornecem boa rigidez e resistência ortotrópica — particularmente comparados com compostos de moldagem por injeção de fibra curta. No entanto, como as frações de peso de fibra para os feixes de fibra descontínua dos laminados podem variar 50-70% — com formulações iniciais no extremo superior dessa faixa — o material mal pode fluir em uma prensa de compressão. Portanto, para preencher geometria 2.5D ou 3D, o laminado baseado em chips deve ser sobremoldado com fibra curta ou até resina pura em uma máquina de moldagem por injeção. Também poderia 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, a Van Wees descobriu que os painéis baseados em chips ainda fornecem metade da resistência à flexão e módulo de seus painéis crossply de alta performance, de fibra contínua, na mesma configuração de fibra e resina.

Comprovação do conceito

Para demonstrar as capacidades de seus blanks personalizados zero-resíduo, a Van Wees conduziu vários projetos demonstradores. Um foi uma viga de enrijecimento/colisão para painéis internos de porta em um carro de passageiros. Este esforço foi baseado no projeto Lipa Series, que desenvolveu peças compósitos leves para produção em série para uma gama de indústrias. O consórcio agora inativo baseado em Büsslingen, Suíça, construiu sobre tecnologias centrais envolvendo pré-conformação de compósitos organosheet/termoplástico reforçado com manta de vidro (GMT) e então preenchimento posterior com resina reforçada com fibra em uma máquina de moldagem por injeção.

A viga demonstradora da Van Wees (uma peça usada para passar regulamentos de impacto/intrusão lateral) tinha aproximadamente 650 milímetros de comprimento, 110 milímetros de largura, parede nominal de 3 milímetros, e pesava aproximadamente 450 gramas no material de referência, que era um tecido de vidro reforçado PA6 de 3 milímetros. A peça também apresentava uma estrutura abobadada no centro que tinha 40 milímetros de altura. A viga de colisão organosheet não forneceu absorção de energia suficiente para atender aos requisitos da aplicação, então pesquisadores da Van Wees tentaram melhorar o desempenho geral na mesma espessura de parede (já que ferramentas existentes eram usadas), em um tempo de ciclo inferior a um minuto e com zero resíduo.

Trabalhando com vários fornecedores de polímeros, a 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 fibra de vidro + carbono/PP. Compostos de sobremoldagem por injeção de fibra curta correspondentes foram produzidos pelos fornecedores de resina. Simulação foi usada para avaliar o número e orientação de camadas UD individuais para blanks personalizados a fim de atender ou exceder requisitos de desempenho. Em seguida, fitas foram usadas para produzir laminados de fibra contínua, a partir dos quais as vigas de colisão foram produzidas. Resultados de engenharia assistida por computador (CAE) previram que blanks personalizados de fibra de vidro/PA4/10 forneceriam as melhores propriedades a custo menor que o organosheet/tecido, e testes físicos confirmaram isso.

Para explorar ainda mais oportunidades de reduzir resíduos e custo, pesquisadores reutilizaram sucata (aproximadamente 30% de perdas de corte) gerada da produção de laminados de fibra contínua para produzir vigas de colisão, reciclaram esse material em laminados baseados em chips de 1 milímetro de espessura, e usaram esse produto como camada de núcleo (substituindo três camadas UD) entre "peles" de mais material UD feito na máquina multiaxial UD. Curiosamente, em testes preliminares com tamanho de amostra limitado, viram pouca ou nenhuma perda de desempenho para os laminados híbridos com uma mistura de reforço contínuo e descontínuo comparado aos laminados totalmente reforçados continuamente.

Cálculos adicionais conduzidos pela equipe indicaram que seria possível atingir as metas de produção da Van Wees de 2 milhões de vigas de colisão por ano, usando o processo de sobremoldagem compósito de 1 minuto desenvolvido pela equipe Lipa Series. Dada a velocidade na qual as linhas de produção de blanks personalizados da Van Wees operam (1.800 patches/hora na máquina multiaxial UD e 1.260 patches/hora na máquina crossply), adicionar equipamentos adicionais para converter sucata em laminados baseados em chips criaria um sistema de produção zero-resíduo e aumentaria volumes de produção em 30% para 2,6 milhões de peças por ano. Ironicamente, as máquinas de moldagem por injeção seriam a etapa limitante de taxa nesta sequência de produção — algo que não acontece frequentemente.

Outro projeto de resposta rápida que pesquisadores da empresa conduziram foi desenvolver puxadores de porta com face compósito para a sala de conferências na sede da Van Wees. Inserções compósitos finais estavam disponíveis para os participantes verem na conferência Composites Overmolding do ano passado.

"Co-desenvolvimento e inovação são as forças motrizes da indústria moderna", nota Rien van den Aker, diretor da Van Wees. "Acreditamos que desenvolvimento conjunto com todos os players na cadeia de compósitos é de interesse primordial. Metais são os competidores de nossa indústria e são feitos da maneira mais racional. Portanto, só será com processos e equipamentos inteligentes que poderemos introduzir produtos compósitos leves em aplicações de alto volume." Ele enfatiza que será necessário um esforço conjunto entre membros da cadeia de suprimentos para tornar possível a produção zero-resíduo de peças compósitos termofixas e termoplásticas. "A Van Wees tem prazer em auxiliar partes interessadas com desenvolvimento de produto e processo", ele adiciona.