Zero-waste:nieuw proces, apparatuur recycleert prepreg, tape-afval

Een uitdaging bij het kitten van prepreg-stoffen of unidirectionele (UD)-tapes is uitzoeken wat te doen met te kleine afsnijdsels of waarvan de vezels niet goed zijn uitgelijnd voor hergebruik in een ander project. Hoewel nestsoftware en -snijders het schroot aanzienlijk hebben verminderd, belandt het snijafval nog steeds vaak op een stortplaats, wat de materiaal- en onderdeelkosten en de milieubelasting verhoogt. Een Nederlands bedrijf, Van Wees UD en Crossply Technology BV (Tilburg, Nederland), helpt echter de duurzaamheid te verbeteren door een nieuwe technologie te ontwikkelen - en de machines die het mogelijk maken - om afval van thermoplastische tape te hergebruiken.

Textielwortels

Opgericht in 1945 en met diepe wortels in de textielindustrie, is Van Wees een full-service provider die machines en productielijnen ontwerpt, produceert, installeert en in bedrijf stelt voor de productie van geavanceerde composieten (thermoset of thermoplast, koolstof of glasvezel) met een focus op hoogwaardige, grootschalige productiemethoden. Het bedrijf maakt prepreg-impregneringslijnen (inclusief korven) - voornamelijk voor epoxy's aan de thermohardende kant en voor materialen variërend van polypropyleen (PP) tot hoge-temperatuurpolyamiden (PA's) aan de thermoplastische kant - evenals cross-ply en multiaxiale plaatsingsmachines voor UD-tape , die zowel thermoplastische als thermohardende tapes kan verwerken. Een zusterbedrijf, Eltra Engineering BV (ook in Tilburg) is gespecialiseerd in industriële automatiseringstechniek en levert elektrische besturingen en software voor Van Wees machines.

In het Research and Technology Centre (R&TC) onderhoudt Van Wees apparatuur op productieschaal voor de eigen procesontwikkeling, maar ook voor klanten die een Van Wees-systeem overwegen of die apparatuur leren bedienen terwijl ze wachten op de bouw van hun machines. Hierdoor kunnen klanten materiaal produceren dat ze kunnen evalueren of op hun beurt aan hun eigen klanten kunnen aanbieden voor evaluatie. Bij de R&TC kunnen bijvoorbeeld kabels uit een mand worden getrokken en vezels worden uitgespreid en geïmpregneerd om tapes te produceren, die vervolgens door de cross-ply of multiaxiale UD-machines van het bedrijf kunnen worden gevoerd om laminaten te produceren met een verscheidenheid aan laaglagen en vezeloriëntaties. (Crossply-laminaten hebben ten minste twee lagen die op 0/90 graden zijn georiënteerd en multiaxiale UD-laminaten hebben ten minste twee UD-lagen die onder een hoek zijn georiënteerd andere dan 0/90 graden.) Laminaten die uit deze machines komen, zijn aan elkaar geplakt voor gebruiksgemak. Ze kunnen vervolgens worden gestanst tot netvormige preforms die vervolgens klaar zijn voor verwerking tot een composietonderdeel. Hoewel de apparatuur van Van Wees met de crossply en multiaxiale UD-apparatuur is gericht op de productie van UD thermoplastisch tapes, de machines kunnen worden gebruikt om tapes te produceren met thermohardende matrices en/of met stof in plaats van UD-versterkingen.

Interessant genoeg was het Van Wees' eigen schrootprobleem bij het maken van deze producten voor klanttests, evenals op verzoek van klanten, dat bedrijfsonderzoekers ertoe bracht een "zero-waste-proces" te ontwikkelen om chips / slachtafval van voorvormproductie te recyclen met behulp van op maat gemaakte vezelblanco's . Als service biedt het bedrijf klanten de mogelijkheid om deze op chips gebaseerde thermoplastische blanks te evalueren en heeft het al apparatuur ontwikkeld om ze commercieel te produceren met hoge productievolumes.

Verspil niet, wil niet

Tijdens het stansen om netvormige preforms te maken (die Van Wees 'patches' noemt), wordt afvalmateriaal verzameld en gescheiden op hars- en vezeltype. Dit schroot heeft een onregelmatige vorm en afmeting, dus stansmessen zijn ontworpen om "chips" te produceren met een maximale grootte van 50 bij 50 millimeter. Gehakte chips worden vervolgens tot een geconsolideerd vel geperst (via compressie of vacuümvormen), wat resulteert in een laminaat met willekeurig georiënteerde, onderbroken vezels. Er is geen extra hars nodig om de plaat te maken en alleen chips met chemisch compatibele harsen worden met elkaar gemengd, hoewel zowel glas- als koolstofvezelversterkte chips kunnen worden gecombineerd, afhankelijk van de gewenste eigenschappen in het laatste deel dat zal worden gevormd uit de op chips gebaseerde laminaat.

Omdat vezels in individuele chips in het laminaat tot 50 millimeter lang kunnen zijn en de vezeloriëntatie over het vel willekeurig is, bieden de 100 procent gerecyclede, zero-waste op maat gemaakte blanks een goede en orthotrope stijfheid en sterkte - vooral in vergelijking met injectie met korte vezels vormende verbindingen. Omdat vezelgewichtsfracties voor de discontinue vezelbundels van de laminaten echter 50-70 procent kunnen bedragen - met initiële formuleringen aan de hoge kant van dat bereik - kan het materiaal nauwelijks vloeien in een compressiepers. Om 2,5D- of 3D-geometrie te vullen, moet het op chips gebaseerde laminaat daarom worden overgoten met korte vezels of zelfs zuivere hars in een spuitgietmachine. Het zou ook samen kunnen worden gevormd met een continu vezelmateriaal in een compressiepers. Hoe dan ook, het laminaat moet vóór het vormen worden voorverwarmd.

Interessant is dat Van Wees heeft ontdekt dat de op chips gebaseerde panelen nog steeds de helft van de buigsterkte en modulus bieden van zijn hoogwaardige, ononderbroken vezelkruispanelen in dezelfde vezel- en harsconfiguratie.

Concept blijkt uit

Om de mogelijkheden van zijn afvalvrije, op maat gemaakte blanks te demonstreren, heeft Van Wees verschillende demonstratieprojecten uitgevoerd. Een daarvan was een verstijving/crashbalk voor de binnenpanelen van de portieren op een personenauto. Deze inspanning was gebaseerd op het Lipa Series-project, dat lichtgewicht composietonderdelen ontwikkelde voor serieproductie voor een groot aantal industrieën. Het nu inactieve consortium, gevestigd in Büsslingen, Zwitserland, bouwde voort op kerntechnologieën waarbij organosheet/glasmat thermoplastische (GMT) composieten worden voorgevormd en vervolgens weer gevuld met vezelversterkte hars in een spuitgietmachine.

De demonstratorbalk van Van Wees (een onderdeel dat wordt gebruikt om de voorschriften voor zijdelingse botsingen/inbraak te passeren) was ongeveer 650 millimeter lang, 110 millimeter breed, had een nominale wand van 3 millimeter en woog ongeveer 450 gram in het referentiemateriaal, dat een 3- millimeter glasweefsel versterkt PA6. Het onderdeel had ook een koepelvormige structuur in het midden van 40 millimeter hoog. De crashbalk van organosheet bood onvoldoende energieabsorptie om aan de toepassingsvereisten te voldoen, dus probeerden onderzoekers van Van Wees de algehele prestaties te verbeteren in dezelfde wanddikte (omdat bestaande tooling werd gebruikt), in een cyclustijd van minder dan een minuut en zonder afval .

In samenwerking met verschillende polymeerleveranciers produceerde Van Wees in eigen huis UD-tapes met behulp van verschillende polymeren en versterkingen - waaronder glasvezel/PA4/10, glasvezel/PP, koolstofvezel/PP en glas + koolstofvezel/PP. Bijpassende kortvezelige spuitgietmassa's werden geproduceerd door de harsleveranciers. Simulatie werd gebruikt om het aantal en de oriëntatie van individuele UD-lagen te evalueren voor op maat gemaakte blanks om aan de prestatie-eisen te voldoen of deze te overtreffen. Vervolgens werden tapes gebruikt om doorlopende vezellaminaten te produceren, waaruit de crashbalken werden geproduceerd. Computer-aided engineering (CAE) resultaten voorspelden dat de glasvezel/PA4/10 op maat gemaakte blanks de beste eigenschappen zouden bieden tegen lagere kosten dan de stof/organosheet, en fysieke tests bevestigden dit.

Om de mogelijkheden om afval en kosten te verminderen verder te onderzoeken, hergebruikten onderzoekers schroot (ongeveer 30 procent snijverliezen) gegenereerd door de productie van continue vezellaminaten om crashbalken te produceren, recyclen ze dat materiaal tot op chips gebaseerde laminaten die 1 millimeter dik waren, en gebruikten dat product als een kernlaag (ter vervanging van drie UD-lagen) tussen "huiden" van meer UD-materiaal gemaakt op de meerassige UD-machine. Interessant is dat ze in voorlopige tests met een beperkte steekproefomvang weinig of geen prestatieverlies zagen voor de hybride laminaten met een mix van continue en discontinue versterking in vergelijking met de volledig continu versterkte laminaten.

Aanvullende berekeningen uitgevoerd door het team gaven aan dat het mogelijk zou zijn om de productiedoelstellingen van Van Wees van 2 miljoen crashbalken per jaar te halen, met behulp van het 1 minuut durende composiet overmolding-proces dat is ontwikkeld door het Lipa Series-team. Gezien de snelheid waarmee de op maat gemaakte blanco productielijnen van Van Wees werken (1.800 patches/uur op de multiaxiale UD-machine en 1260 patches/uur op de crossply-machine), zou het toevoegen van extra apparatuur om schroot om te zetten in op chips gebaseerde laminaten een nul -afvalproductiesysteem en productievolumes met 30 procent verhogen tot 2,6 miljoen onderdelen per jaar. Ironisch genoeg zouden de spuitgietmachines de snelheidsbeperkende stap zijn in deze productiereeks - iets dat niet vaak gebeurt.

Een ander snel doorloopproject dat onderzoekers van het bedrijf uitvoerden, was het ontwikkelen van composiet deurklinken voor de vergaderruimte op het hoofdkantoor van Van Wees. De laatste composietinzetstukken waren beschikbaar voor aanwezigen om te bekijken op de Composites Overmolding-conferentie van vorig jaar.

“Co-development en innovatie zijn de drijvende krachten van de moderne industrie”, zegt Rien van den Aker, directeur Van Wees. “Wij geloven dat gezamenlijke ontwikkeling met alle spelers in de composietketen voorop staat. Metalen zijn de concurrenten van onze industrie en worden op de meest rationele manier gemaakt. Daarom zullen we alleen met intelligente processen en apparatuur lichtgewicht composietproducten kunnen introduceren in grootschalige toepassingen.” Hij benadrukt dat het een gezamenlijke inspanning van supply chain-leden zal vergen om zero-waste productie van thermohardende en thermoplastische composietonderdelen mogelijk te maken. “Van Wees helpt geïnteresseerden graag bij product- en procesontwikkeling”, vult hij aan.