Aflevering 29: John McQuilliam van Prodrive Composites – Engineering Lightweight Innovaties

Voorbeeld van een tertiair onderdeel geproduceerd met ProDrive's P2T proces. CW foto | Scott Francis

In deze aflevering van CWTalks intervieweert CW senior editor Scott Francis John McQuilliam, hoofdingenieur bij Prodrive Composites (Milton Keynes, VK), ontwerper en fabrikant van geavanceerde lichte composieten voor een breed scala aan toepassingen inclusief automotief, motorsport, luchtvaart, maritiem, defensie en andere specialistische sectoren.

John is een Formule Een auto-ontwerper uit de VK die heeft gewerkt met talrijke motorsportbedrijven. Hij trad Prodrive in 2017 toe als hoofdingenieur van hun composietenafdeling. John bespreekt het bedrijfs primaire-naar-tertiaire (P2T) proces, wat het bedrijf zegt dat recycling vereenvoudigt en composietmateriaal de potentie geeft om drie of meer nuttige levenscycli te vervullen.

Je kunt de volledige CW Talks interview hierboven luisteren of bezoeken:

• CW Talks: iTunes
• CW Talks: Google Play

Fragment uit de aflevering

CW: Hallo, John, en welkom bij CW talks, de composieten podcast. Terug in maart, geloof ik, bezocht ik Prodrive Composites en zag ik een beetje van jullie P2T proces, wat staat voor primary to tertiary.

JM: Dat klopt. De eerste fase is de fabricage van het primaire component, en dat is wat de meerderheid van het werk is dat we momenteel doen. Dus dit zijn onderdelen die maagdenvezel vereisen, een specialiteitshars of een bepaald type thermoharderende hars om welke reden dan ook. Dus ze zijn wat ik traditionele composietonderdelen zou noemen... ze zijn onderdelen die we niet bijzonder zouden veranderen in ontwerp of fabricage, maar we zouden ze zeker veranderen om ze makkelijker recycleerbaar te maken.

CW: Okay. En die zijn typisch de hogere prestatie soort onderdeel?

JM: Ja. Dus ze zouden gemaakt worden uit thermohars... Wat we zouden doen is simpelweg het ontwerp van hen veranderen om het afvalmateriaal van het maken van de onderdelen en uiteindelijk het onderdeel aan het einde van zijn leven recycleerbaar te maken zodat we de koolstofvezels in die onderdelen kunnen hergebruiken. Dus de thermoplast komt er in de tweede fase... de initiële fasen kunnen thermohars of thermoplast zijn, maar het belangvolle is dat het ons toestaat de vezels terug te winnen. Dus om de vezels van de primaire onderdelen terug te winnen, zoals aangeraakt, veranderen we zeker het ontwerp materialen naar iets wat makkelijker is om de vezels van terug te winnen, dus waar we echt over praten is een verhoogd gebruik van non-crimp stoffen, meer unidirectionele materialen, dingen waar de productie-afval en het onderdeel wanneer ze doorheen gaan voor het vezelherwinningsproces een betere opbrengst geven van langere hoge-kwaliteit vezels.

CW: Kun je een beetje beschrijven van het herwinningsproces dat gebeurt voor dat primaire component en wat het resulterende secundaire onderdeel kenmerkt?

JM: Ja. Dus het recyclen of het herwinningsproces voor de primaire onderdelen is een verbrandingstype proces. Dus het afval prepreg — de afsnijselen prepreg — of de end-of-life onderdelen gaan in een oven en alle hars wordt verbrand waardoor de koolstofvezels achterblijven. En die koolstofvezels worden door een serie processen omgezet in een non-woven mat van consistente dikte en willekeurige oriëntatie — dus het eindigt erin in staat te zijn om een quasi-isotrope plaquette te maken.

CW: Is dit het proces dat ELG [ELG Carbon Fibre] voor jullie doet? Handelen ze de pyrolyse?

JM: Ja, ELG doet dat deel. Dus, we sturen hen ons afval afsnijselen en enkele componentonderdelen en dan zetten ze het terug in een van de precursors, een van de onderdelen die we gebruiken om onze secundaire onderdelen te maken.

CW: Kun je me vertellen over die secundaire onderdelen en wat ze kenmerkt?

JM: Dus, de secundaire onderdelen, de versterking is voornamelijk gemaakt van de herwonnen koolstofvezels met een discreet gebruik van maagdenvezel indien vereist in bepaalde gebieden. Maar de meerderheid van de versterking is herwonnen vezels. En dan introduceren we een reactieve thermoplast. Dus, dit is een vloeibare hars die we, laten we zeggen, de versterkingen met infuseren. Dan is er een soort uithardingsproces en we krijgen een afgerond component en het proces wordt bij relatief lage temperaturen, atmosferische druk gedaan en we krijgen een goed component op die manier gemaakt.

CW: Deel van wat P2T mogelijk maakt is dit harsysteem dat je hebt beschreven als een "reactieve thermoplastische hars." Kun je iets meer uitleggen voor onze luisteraars wat je daarmee bedoelt?

JM: Dus reactieve thermoplast is op sommige manieren erg vergelijkbaar met een thermoharderende hars. Dus we mengen het direct op voordat we het component maken. En er zijn twee of drie vloeibare componenten die naar de mengsel gaan. Elke van die is een vloeistof. En wanneer ze combineren met tijd en een beetje temperatuur, polymeriseren ze eigenlijk in een echte thermoplast. En het zijn de thermoplastische eigenschappen die subsequent recycling toestaan. En voordeel van het een reactieve thermoplast zijn in plaats van een traditionele thermoplast is het feit dat we effectief een thermoplast creëren op hetzelfde moment dat we de versterkende vezels omringen is dat het een zeer lage viscositeit heeft dus het kan gevormd worden in normale traditionele, laten we zeggen, thermoharderende type processen. Het heeft niet de hoge temperatuur en de hoge drukken nodig die je krijgt met het injecteren van een gesmolten thermoplast in een vezelprevorm of het nemen van een thermoplast prepreg waar de thermoplast en de vezels al gecombineerd zijn en ze dan opnieuw monteren bij hoge temperatuur en druk, typisch in metalen moulds. Dus we vermijden de complexiteit en kosten van de mould tools vereist om thermoplasten boven het smeltpunt te verwerken en de moeilijkheden door de hoge viscositeit van gesmolten thermoplast met vervorming en verplaatsing van de versterking in de mould kaviteit.

CW: En ik gok dat dat vertaalt in kostenbesparing, tijdsbesparing en eigenlijk betekent het quite a bit voor de productie...

JM: Je hebt het, ja. Dus de productiemethode is akin aan wat we doen in traditionele thermoharderende industrie, maar de toolingkosten is veel lager dan vereist zal zijn voor het verwerken van een traditionele thermoplast. En dat is een groot voordeel voor de meeste van onze klanten. Je wilt niet de upfront investering maken in thermoplastische mould tools — of mould tools puur voor thermoplasten.

CW: Zie je dit als een enabler voor meer hoog-volume productie?

JM: Zeker, we geloven dat het een enabler is voor hogere productie. Cyclus tijden kunnen korter zijn dan hun traditionele thermoharderende in het niet vereist een opwarmen naar een verwerkingstemperatuur, een wachttijd en dan een afkoelen weer voordat je de mould kunt omdraaien. Dus we zien snelheidsvoordelen door dit proces te gebruiken vergeleken met onze traditionele oven of autoklaaf uitgeharde componenten.

CW: En natuurlijk, een van de opwindende dingen is dat je vanaf daar dit secundaire onderdeel nogmaals kunt recyclen. Wat kenmerkt dit tertiaire onderdeel in de levenscyclus van dit materiaal?

JM: Dus ik zou zeggen het secundaire onderdeel, zijnde een echte thermoplast, kan gehervormd worden in andere vormen en zou typiek in kleine stukjes gesneden worden, en dan in de kaviteit tussen verwarmde mould geperst worden in een nieuwe vorm. Dus er zal een mogelijkheid zijn om alle redundante secundaire onderdelen, al het productie-afval van de secundaire onderdelen, te hervormen in een ander vezelversterkt kunststof component of vezelversterkt polymer component.

CW: En vanaf daar, deze tertiaire onderdelen zijn niet noodzakelijk het einde van de weg voor dat materiaal, zelfs op dat moment...

JM: Dat klopt... Dus we denken dat deze tertiaire onderdelen, omdat ze thermoplast zijn, kunnen gehervormd worden, bijna oneindig veel keer. Het proces van ze in stukjes snijden in mould paletten, laten we zeggen mould stukjes, heeft wel een attritiepercentage op het vezel... dus sommige van de mechanische eigenschappen zouden dalen, maar andere mechanische eigenschappen zoals de stijfheid, de thermische uitzoetingscoëfficiënt en de vervormingstemperatuur zouden redelijk goed behouden blijven. Dus je krijgt nog steeds een hoogkwaliteit vezelversterkt component — niet met de oorspronkelijke sterkte van continu vezel component of zelfs een relatief lang vezel component — maar zeker zijn er nog steeds de voordelen in termen van stijfheid, thermische uitrekking en vervormingstemperatuur die het heel de moeite waard maken de tertiaire onderdelen keer op keer te herverwerken.