Korte Koolstofvezel Compounds Vergroten Toepassingen Thermoplastische Composieten

Een familie van korte koolstofvezel-versterkte thermoplastische (CFRTP) compounds, specifiek geformuleerd voor injectiegieten, wordt gebruikt om de mogelijkheden van thermoplastische composieten uit te breiden naar een verscheidenheid aan onderdeelformaten en complexiteiten. Interessant genoeg hebben deze materialen zich beweten superieur te zijn aan lange vezel thermoplastische (LFT) composieten (in glasvezel of koolstofvezel) en metalen in een groeiend aantal toepassingen – van sportartikelen en autondeel tot medische hulpmiddelen en luchtvaartcomponenten.

Van gieter tot compoundeur

De materialen worden geformuleerd en verkocht door Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokio, Japan). MCAM combineert diverse eerder afzonderlijke bedrijven die de moedermaatschappij de afgelopen decennium heeft overgenomen. Hierbij vallen de voormalige Quadrant AG (Lenzburg, Zwitserland), een producent van glasmat thermoplastische (GMT) en organosheet composieten alsook thermoplastische ingenieursprofielen, en wat vroeger Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, VS) was, wat begon als een injectiegieters en producer van precisiemachineonderdelen, en later uitbreidde naar custom CFRTP compounderen – eerst voor eigen gebruik en later voor andere gieters.

Rond 2012 was Piper een middelgrote custom injectiegieters die een klantenbasis diende in luchtvaart en sportartikelen/recreatieve uitrusting. Het bedrijfsleiderschap wilde het onderdelenfabricagebedrijf laten groeien, maar had twee uitdagingen. Ten eerste had het moeite de juiste compounds te vinden die het team in staat zouden stellen om te concurreren in hogere prestaties marktsegmenten. Ten tweede wilde het bedrijf de automarkt binnengaan, maar had niet voldoende beschikbare gietcapaciteit om op grote programma's te concurreren.

Het eerste probleem werd opgelost door een gerichte R&D-inspanning op diverse basisharsen en vezelafbindings technologieën, wat leidde tot de ontwikkeling van een familie van hoogpresterende, injecteerbare CFRTP compounds genaamd KyronMAX. Deze materialen hebben matrices zoals polyamide 6/6 (PA6/6), polyftalamide (PPA), polyetherimide (PEI), polyphenyleensulfide (PPS), polyetheretherketon (PEEK) en polyaryletherketon (PAEK) versterkt met korte gehakte koolstofvezel. De compounds – waarvan de meeste hoge thermische prestaties, brede chemische resistentie, goede mechanische eigenschappen en lage vlam/rook/toxiciteit (FST) waarden bieden – zijn geformuleerd niet alleen om korte glasvezel-versterkte en mineraalgevulde injectiegietgraden te vervangen, maar ook LFT compounds (met gemiddelde startvezel lengte van 13 millimeter) en zelfs metalen.

"Op een datasheet lijken LFT compounds sterker, maar vaak zijn ze niet in staat om de soort onderdeelgeometrie te vullen die we met korte koolstofvezeltechnologie kunnen vullen," legt Alex Wojtysiak, MCAM key accounts manager – composieten, uit. "Omdat onze stroming zo veel hoger is, zijn we beter in staat om ingewikkelde geometrie te vullen, dus onze compounds produceren onderdelen die dramatisch sterker zijn."

"Het is niet zoveel dat we uitgingen om een breed scala aan CFRTP compounds te creëren, maar dat elk ontwikkeld werd om aan de specifieke behoeften van een bepaalde klant te voldoen," voegt Clint Newell, MCAM global composites technology manager, toe. "Naarmate onze formulatiecapaciteiten groeiden, betraden we nieuwe markten, ontmoetten nieuwe klanten, vroegen wat ze nodig hadden en gingen we een perfect compound creëren om aan die behoeften te voldoen."

Niet verrassend, omdat deze compounds initieel door een gieter voor een gieter geformuleerd werden, werden ze ontworpen om eigenschappen te bieden die ze makkelijk te verwerken maakten en consistent hogekwaliteit, beter presterende onderdelen opleverde. "We hebben onze KyronMAX productlijn geformuleerd om hogere stroming en vezelinteractie, lagere interne spanningen, minder anisotropie, sterkere letsels, minder inzakkingen, minder neiging tot vervorming en grotere dimensionele nauwkeurigheid te bieden – ongeacht of wanddelen dik of dun waren," merkt Dave Wilkinson, MCAM R&D directeur, op. "Naast ons formulatiewerk en unieke afbindingstechnologie, maakten we ook onze eigen persmodificaties om deze materialen efficiënter te verwerken."

Waarom de ongewone productnaam? "In oude Griekse mythes was Kyron (ook gespeld als Chiron) half centaur en half mens," legt Randy White, MCAM chief innovation officer, uit. "Kyron gebruikte zijn unieke persoonlijke vaardigheden om boven zijn beestachtige natuur uit te stijgen. We vergelijken dat met onze compounds, die half koolstofvezel en half hars zijn, dus zo sterk als een paard en zo slim als een mens voor gemak van verwerking."

Naarmate de formulatie-expertise groeide, kwam het bedrijf in het zicht van Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokio, Japan), dat Piper in 2016 overnam. MCHC investeerde onmiddellijk een substantiële multi-miljard dollar bedrag om de compounderingslijn in Arizona te vergroten, de operaties te automatiseren en eigen koolstofvezel afbinding en haktechnologieën te introduceren om KyronMAX compounds sneller en met meer consistentie en efficiëntie te produceren. Vervolgens werd een tweede compounderingslijn opgesteld in Michigan en een derde in Japan. Deze uitgebreide capaciteit betekende dat KyronMAX graden konden concurreren voor automotieve zaken in Noord-Amerika en Azië. Andere markten volgden.

Uitgebreide productaanbod, nieuwe marktkansen

Nu, met grotere productiecapaciteit en toegang tot een breder scala aan polymere en koolstofvezel materialen, is het MCAM-team druk bezig met het ontwikkelen van een reeks nieuwe producten – waarvan verschillende specifiek geformuleerd voor de automarkt. Een van de meest interessante is KyronMAX ES 4240, beweerd de werelds eerste korte koolstofvezel injectiegiet compound die de 414 MPa (60.000 psi) trekksterkte drempel doorbreekt. Die graad, geïntroduceerd op de 2019 SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) in de voorsteden van Detroit, is een 40% vezelgewichts fractie (FWF) koolstofvezel-versterkte PPA die ook trekmoudulus waarden van 41,2 GPa, buigmoudulus waarden van 34,5 GPa en buigsterkte waarden van 552 MPa biedt. PPA is een gespecialiseerde vorm van polyamide met betere thermische en bredere chemische resistentie en veel lagere neiging tot hydrolyse dan conventionele PA6 en PA6/6.

Overige automobiele graden geïntroduceerd op de 2019 SPE AutoEPCON omvatten een hoge-temperatuur koolstofvezel-versterkte PPA graad specifiek ontwikkeld voor onder-de-kap toepassingen. Die graad zou een glasovergangstemperatuur (T_g) en continue-gebruikstemperatuur (CUT) hebben die rivaliseert met die van PEEK, maar makkelijker te gieten is. Gegeven de kostengevoeligheid van hoog-volume industrieën zoals auto en kleine huishoudapparaten, is het geen verrassing dat het team ook werkt aan een polypropyleen (PP)-gebaseerd KyronMAX product.

Naarmate de productlijn zich uitbreidde, deden de markten waar deze materialen in gebruikt worden dat ook. Naast de langgekoesterde automobiele zaken, dient het bedrijf nu medische hulpmiddelen (zowel duurzaam als eenmalig), kleine huishoudapparaten en consumentenelektronica (metaalvervanging behuizingen/hoesjes). Luchtvaart/ruimtevaart is nog steeds belangrijk, evenals de sportartikelenindustrie, die is gegroeid tot toepassingen op racefietsen, mountainbikes, golfclubs, vuurwapens, samengestelde bogen en andere boogschietonderdelen. Met diverse producten die coëfficiënt van lineaire thermische uitrekking (CLTE) waarden bieden vergelijkbaar met die van metaal injectiegegoten (MIM) aluminium en magnesium – alhoewel met betere zwaarte, lichter gewicht en lagere kosten – vindt het team zich zich in een toenemende reeks toepassingen metalen te vervangen.

Wat is de volgende stap? Met toegang tot de bredere Mitsubishi organisatie wereldwijd, kan het MCAM-team technologie benaderen die een breder composietportfolio vertegenwoordigt dat zowel thermoplastische als thermohars chemieën omvat, met een scala aan versterkingstypen en lengtes. Bijvoorbeeld, een andere Mitsubishi groep produceert gespleten en gehakte tow koolstofvezel-versterkte forged molding compound (FMC), een geavanceerde vorm van sheet molding compound (SMC) die helpt de prestatie- en verwerkingskloof te overbruggen tussen korte glas- of koolstofvezel-versterkte SMC en continu koolstofvezel-versterkte prepreg. Nog een andere groep produceert geweven en non-woven koolstofvezel versterkte prepreg en rapid-cure prepreg compressie molding (PCM) materialen.

Binnen MCAM zelf is een andere technologie die zich nader tot commercialisering, een nieuwe familie van textiel (non-woven, geweven en unidirectionele)-versterkte droge prepregs met thermoplastische matrices genaamd KyronTEX. Deze producten worden momenteel strategisch bemonsterd.

Ten slotte, vorige zomer nam MCAM carbonNXT GmbH en zustermaatschappij CFK Valley State Recycling GmbH en Co. KG (beide Wischhafen, Duitsland) over, waardoor een complete lijn van koolstofvezel recycling technologie in het productaanbod van de groep komt. Het MCAM-team test meerdere formules met gerecyclde koolstofvezel voorafgaand aan het kwalificeren van commerciële producten.