Produção em Larga Escala de Compostos Termoplásticos Reciclados

Reciclabilidade tem sido um benefício longamente prometido do uso de compostos termoplásticos (TPCs). Mas ainda não foi usado comercialmente em larga escala. O fornecedor de materiais TenCate Advanced Composites e o Centro de Pesquisa de Compostos Termoplásticos (TPRC) fizeram parceria com o fabricante Tier 1 GKN Fokker para demonstrar tal processo em 2016. A equipe desenvolveu um painel de porta de acesso usando material de descarte TenCate Cetex TC1100 tecido fibra de carbono/polifenileno sulfeto (CF/PPS) da produção da GKN Fokker do elevador e leme do Gulfstream G650. O desperdício de produção foi picado e então moldado por compressão usando um processo e molde projetados pelo TPRC. O painel de porta de acesso apresentava nervuras de rigidez moldadas, variações de espessura e furos moldados com bosses. (Um boss é uma saliência que guia um fixador no furo). O uso do material recuperado permitiu uma peça leve com maior funcionalidade moldada enquanto formava um processo de fabricação de ciclo fechado, pois o painel de porta de acesso foi então usado na borda de ataque do leme do Gulfstream G650. O projeto ganhou um Prêmio de Inovação JEC em 2016.

Desde aquela pesquisa, uma nova organização foi estabelecida, o Centro de Aplicações de Compostos Termoplásticos (TPAC). "O TPRC foi formado há dez anos e trabalha principalmente em pesquisa fundamental de TPC para a indústria aeroespacial", explica Thomas de Bruijn, pesquisador em estruturas leves no TPAC. "O TPAC foi formado aproximadamente dois anos atrás, e tem uma forma de trabalho mais aplicada. Está ligado à Universidade Saxion e também com PMEs. Focamos em reduzir custos desenvolvendo processos mais custo-efetivos. Juntos, estes dois grupos formam TPC NL, um hub de inovação digital de indústria inteligente para tecnologia TPC."

O envolvimento do TPAC e também a P&D contínua da TenCate demonstraram que este tipo de fabricação de ciclo fechado não é apenas possível, mas economicamente benéfico. Foco, inicialmente, é em materiais CF/PPS, e a pesquisa é em colaboração com parceiros da indústria para ajudar a implementar esta produção de peças aprimorada por reciclagem de TPC.

No entanto, os processos reais desenvolvidos diferem. A TenCate focou em material de fibra mais curta usado como camada de fluxo para adicionar características geométricas moldadas e funcionalidade a peças de fibra contínua. Enquanto isso, TPRC e TPAC buscaram manter maior comprimento de fibra, criando um material semelhante a massa que pode ser moldado por compressão em peças com propriedades mecânicas mais altas que possíveis com compostos tradicionais de fibra curta.

TenCate — Peças de organofolha aprimoradas com camada de fluxo

"Há três anos, começamos a investir mais de nosso orçamento de P&D em reciclagem", diz Frank ten Napel, gerente de produto para termoplásticos da TenCate. "Não é apenas para obter um 'rótulo verde'. Estamos convencidos de que incorporar material reciclado em sua peça oferece benefícios econômicos e de construção muito reais. Podemos aplicar um nível de geometria a uma peça que não poderíamos alcançar de outra forma. Ao aplicar uma camada de fluxo de material reciclado, podemos moldar nervuras de rigidez e espessura variável pela peça, bem como bosses ao redor de furos, que distribuem cargas induzidas por fixadores. Tudo isso permite usar menos material de fibra contínua, para peças mais finas, leves e custo-efetivas versus apenas usar material virgem." Ele nota que estas características moldadas são difíceis de alcançar com materiais de fibra contínua, "mas combinando ambos fibra contínua mais sobremoldagem localizada você obtém mais liberdade de design."

Projeto TPC-Cycle

Este projeto de quatro anos começou em setembro de 2015 e inclui parceiros de toda a cadeia de suprimentos de compósitos termoplásticos (TPC):

• TenCate Advanced Composites (Grupo Toray) — materiais
• GKN Fokker Aerostructures — design e fabricação Tier 1 de estruturas e montagens aeroespaciais
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) — PME design e fabricação de nervuras, longarinas, suportes, clipes, caixas aero
• Cato Composites — PME fabricação e design de peças para aero, auto, defesa, esportes e consumo
• Nido RecyclingTechniek (NRT) — tecnologia para trituração e redução de tamanho de materiais/peças a serem reciclados

TPC-Cycle é facilitado pelo TPAC e Universidade de Ciências Aplicadas Saxion, particularmente seu grupo de pesquisa de estruturas leves, e financiado pela Regieorgaan SIA, parte da Organização Neerlandesa para Pesquisa Científica (NWO).

Thomas de Bruijn é gerente de projeto TPC-Cycle e pesquisador em estruturas leves na Saxion/TPAC. Ele explica que houve muitos impulsionadores para iniciar o projeto TPC-Cycle. "Podíamos ver um aumento no uso de TPCs de fibra contínua, especialmente para estampagem, como em clipes e suportes. Com este aumento, o volume de desperdício pós-industrial se torna substancial. Então, reciclagem era necessária, tanto para o meio ambiente e economicamente, e também para atender regulamentações. Por exemplo, legislação europeia de fim de vida exige que 95% do material usado em automóveis seja reciclado." Ele nota que a Airbus também estabeleceu metas de reciclagem e fim de vida, e comunicou estas a seus fornecedores. "A cadeia de suprimentos não deve apenas dizer que podem atender estas metas, mas também provar essa capacidade com demonstradores", adiciona de Bruijn.

"Também vimos TPCs crescendo fora de aeroespacial, em aplicações como caixas de alimentos, móveis e componentes industriais porque oferecem tempos de ciclo mais baixos, leveza e estruturas mais inteligentes", diz de Bruijn.

Ele continua: "Queríamos provar um processo de reciclagem comercialmente viável mas não apenas moagem, que é downcycling. Queríamos alto desempenho. Então, escolhemos uma abordagem de mistura de baixo cisalhamento para reter comprimento de fibra de 0,5-1,0 polegada. Para rigidez, você só precisa de alguns mm de comprimento. Mas para resistência e resistência ao impacto, você precisa de mais de 0,5 polegada de comprimento." Além de manter comprimento de fibra, outro desafio chave foi obter boa homogeneidade na mistura dos materiais e no produto final reciclado.

"O objetivo é coletar desperdício, triturá-lo em flocos de 0,5-1,0 polegada e transformá-lo em uma massa homogênea, que é extrudada e transferida diretamente para uma prensa de moldagem por compressão", explica pesquisador do TPRC e doutorando Guillaume Vincent. "O processamento da massa é feito via alimentação de flocos e grânulos de polímero virgem em um misturador de baixo cisalhamento, reduzindo a fração de peso de fibra para 25-40%." Ele nota que o processo é muito similar a compostos termoplásticos de fibra longa direta (D-LFT), que é comum no automotivo. "No entanto, processos D-LFT requerem milhões de dólares de investimento, então são usados apenas em produção de alta série. Modificamos nossa abordagem usando máquinas menores ainda obtemos resultados similares. Nossos volumes são baixos vs. processos D-LFT."

Vincent descreve um exemplo de onde incluir a cadeia de valor completa de reciclagem compensa: "NRT ajudou a nos conectar com fabricantes de máquinas de trituração maiores, como Untha. Esta é uma parte chave da escala do processo para produção de peças seriais."

A primeira cadeia de processo sendo desenvolvida é para CF/PPS. Vincent diz que TPC-Cycle construiu modelos de simulação e métodos de análise para caracterizar comprimento de fibra e distribuição de fibra no material reciclado. "Também estamos entendendo como estas características de material transferem para as propriedades da peça moldada", ele observa. Este é, de fato, o foco de sua tese de doutorado, que será publicada até o final de 2019.

"O projeto TPC-Cycled desenvolveu uma cadeia de processo completa para reciclagem de compostos termoplásticos, incluindo trituração custo-efetiva e caracterização de comprimento e distribuição de fibra."

Esta massa reciclada é às vezes referida como composto de moldagem em massa (BMC). Historicamente, BMC era uma mistura semelhante a massa de fibra de vidro curta (<25mm), pasta de resina termofixa e enchentes que era moldada por compressão em peças compostas. Com menos volume de fibra e mais fluxo versus composto de moldagem em chapa (SMC), também oferecia propriedades mecânicas ligeiramente menores. A TenCate vendeu BMC termofixo e termoplástico por anos, embora o último seja um processo onde fitas de pré-impregnado unidirecional picadas são espalhadas em um molde e prensadas. "Nosso produto é na verdade bastante diferente", afirma Vincent. "Com BMC termoplástico convencional geralmente não há mistura e requer um longo ciclo de aquecimento e consolidação. Descobrimos que com mistura você obtém um produto mais homogêneo e menos concentrações de tensão na peça, então propriedades mais altas. Com BMC termoplástico convencional, você obtém flocos mais grossos que têm regiões ricas em matriz nas extremidades que produzem concentrações de tensão no laminado composto."

O processo de mistura de baixo cisalhamento desembaraça os flocos em camadas e então separa as camadas em feixes e os feixes em fibras soltas. Polímero também é misturado para diminuir teor de fibra para obter melhores propriedades de fluxo, para que o material seja mais fácil de processar em formas.

"A massa é extrudada e então roboticamente colocada em um molde de compressão isotérmico [aquecido] aberto", explica de Bruijn. "Após mistura, as fibras na massa estão orientadas aleatoriamente. Mas durante a prensagem, o fluxo de material re-orienta as fibras. Esta orientação é menor comparada a misturas usando fibras mais curtas que são moldadas por injeção, mas é similar de peça para peça. Este é um de nossos tópicos de estudo contínuo."

Custo

A cadeia de processo TPC-Cycle desenvolvida até o momento aparece economicamente benéfica. "Esperamos responder o quanto podemos reduzir custos de peça até o final de 2019", diz de Bruijn. "Mas isso é complexo porque você precisa de um mercado e tem que vender o material reciclado." Ele nota que há muitos fatores econômicos. Por exemplo, a maioria dos fabricantes hoje simplesmente joga desperdício de produção fora. Custo local para descarte em aterro é €80 por tonelada ($90). "Mas este material jogado fora tem valor", diz de Bruijn. "Também, você deve contabilizar os custos para coletar o desperdício, triturá-lo, misturar e então moldar por compressão em novas peças. No entanto, este também é um processo near-net-shape com tempos de ciclo curtos devido ao molde isotérmico." Em outras palavras, deve haver uma redução drástica ou eliminação de acabamento secundário e usinagem. De Bruin diz que TPC-Cycle está agora olhando para completar análise de custo e análise de ciclo de vida.

Clean Sky RESET

Um terceiro projeto que reitera a importância do trabalho completado pela TenCate e também no projeto TPC-Cycle é o projeto RESET, que rodou de janeiro de 2016 até dezembro de 2017 e foi coordenado pelo Instituto Tecnológico Leitat em Barcelona, Espanha. Parece que RESET foi iniciado sob Clean Sky (2008-2016) e completado durante Clean Sky 2 (2017-2021).

Os programas Clean Sky e Clean Sky 2 são organizados em um nível superior de Programas de Demonstração de Aeronaves Inovadoras (veja Vehicle IADPs na imagem abaixo) e um nível inferior de Demonstradores de Tecnologia Inovadora (veja Large System ITDs na imagem abaixo). RESET foi completado como parte do ITD Airframe, especificamente Work Package (WP) A-3.4 Eco-Design para Airframe.

Segundo a oficial do projeto Clean Sky, Elena Pedone, a equipe RESET no Leitat desenvolveu um processo para reciclar material composto de aeronave previamente usado e usar isso para fabricar novas peças. Eles compararam estas peças recicladas com as feitas comercialmente e as encontraram com características mecânicas similares. "A tecnologia desenvolvida neste projeto poderia ser realisticamente comercializada no setor aeronáutico nos próximos anos e possivelmente transbordar para outros setores econômicos", diz Pedone.

Durante o projeto RESET, trabalho foi completado para investigar efeitos de materiais de matriz termoplástica PEEK e PPS e a natureza química do reforço de fibra de carbono. A forma do reforço foi estudada, incluindo comprimento de fibra e tecido versus não-tecido. O efeito de teor de fibra (razão polímero para fibra) também foi estudado.

Em um segundo pacote de trabalho, o objetivo principal foi o condicionamento e caracterização de CF/PPS reciclado baseado em extrusão e os compósitos moldados resultantes. Duas peças — um suporte termoplástico e um grampo termoplástico — foram criadas por moldagem por injeção e outras duas por termoformagem, explica a coordenadora científica do projeto da Leitat, Claudia Aguilar. Estas peças foram então testadas. "As propriedades mecânicas do material foram encontradas como comparáveis com a contraparte comercial", diz Aguilar.

O projeto RESET afirma ter demonstrado um processo de reciclagem que pode pegar material de desperdício TPC de produção de aeronaves e usá-lo como matéria-prima para produzir novas peças para aeronaves. "Até 70% de material reciclado foi usado para produzir uma nova família de materiais compostos", diz Aguilar. Ela adiciona que "o processo de reciclagem do RESET permite que a aviação europeia limite a pegada ambiental e reduza custos de produção de novas peças de aeronaves. Portanto, o projeto torna a indústria da aviação mais competitiva e verde."

Futuro do TPC Começa com Design

A afirmação da TenCate e TPRC/TPAC é que estes processos de reciclagem que agora foram demonstrados não são apenas verdes, mas economicamente atraentes. Então, que tipo de investimento é requerido? "Depende do volume de produção", diz Ten Napel na TenCate. "As máquinas de trituração necessárias não são grandes ou caras e o processo foi desenvolvido aonde é bastante direto." O tipo de matriz afeta a reciclabilidade? "Não", diz Ten Napel, "mas em termos de viabilidade econômica, fibra de carbono e PPS, PEEK ou PEKK são mais viáveis que fibra de vidro e polipropileno por causa de seu valor mais alto versus o último."

"Acho que se isso vai ser adotado pela indústria, deve começar com design", ele continua. "O maior obstáculo agora é a mentalidade dos engenheiros. Realmente sair e projetar com material reciclado (ou projetar estes parcialmente em um novo produto) é bem novo para eles."

Ten Napel concede que a TenCate nem projeta nem fabrica peças comercialmente, "mas estamos tentando inspirar designers a pensar desta forma no desenvolvimento de suas novas peças e estruturas." Ele cita interiores de aeronaves e painéis de acesso e portas de acesso como frutas ao alcance para reuso de material reciclado. "Se nós como indústria pudermos nos acostumar a reusar nossa própria sucata e desperdício, então podemos dar o próximo passo e começar a ver como abordar peças de fim de vida."

O mantra sobre reciclagem de compostos termoplásticos — simplesmente moer e remoldar — definitivamente pode ser adotado, diz Ten Napel, mas muitas vezes não faz muito sentido economicamente. "Demonstramos um processo melhor e um que pode realmente criar peças e programas mais custo-efetivos. Escolhemos disseminar este conhecimento, junto com o TPRC e TPAC, para inspirar a indústria sobre o que é totalmente possível com compostos termoplásticos. Se compostos termoplásticos devem ser adotados em grande escala, reciclagem como parte inerente da produção não é mais uma opção, é uma necessidade."