Zero-Waste Innovatie: Nieuw proces & apparatuur recyclen prepreg & tape-afval

Een uitdaging bij het kitting van prepreg-weefsels of unidirectionele (UD) tapes is uitvinden wat te doen met afsnijselen die te klein zijn of wiens vezels onjuist uitgelijnd zijn voor hergebruik in een ander project. Hoewel nesting-software en snijders afval significant hebben verminderd, gaan afsnijselen nog vaak op een stort, wat toevoegt aan materiaal- en deelkosten alsook milieubelasting. Echter, een Nederlands bedrijf, Van Wees UD and Crossply Technology BV (Tilburg, Nederland), helpt de duurzaamheid te verbeteren door een nieuwe technologie te ontwikkelen - en de machines die het mogelijk maken - om thermoplastische tape-afval te hergebruiken.

Textiel-wortels

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 om geavanceerde composieten (thermohardend of thermoplastisch, koolstof- of glasvezel) te produceren met focus op hoge-kwaliteit, hoog-volume productiemethoden. Het bedrijf maakt prepreg-impregnatielijnen (inclusief creels) - voornamelijk voor epoxy's aan de thermohardende kant en voor materialen variërend van polypropyleen (PP) tot high-temperature polyamiden (PA's) aan de thermoplastische kant - alsook crossply en multiaxiale UD-tape-plaatsingsmachines, die zowel thermoplastische als thermohardende tapes kunnen verwerken. Een zusterbedrijf, Eltra Engineering BV (ook in Tilburg) gespecialiseerd in industriële automatiseringstechnologie en levert elektrische besturingen en software voor Van Wees-machines.

Op zijn Research and Technology Center (R&TC) onderhoudt Van Wees productieschaal-apparatuur voor eigen procesontwikkeling alsook voor klanten die een Van Wees-systeem overwegen, of die leren om apparatuur te bedienen terwijl ze wachten op hun machines om gebouwd te worden. Dit stelt klanten in staat materiaal te produceren dat ze kunnen evalueren of, op hun beurt, aanbieden aan hun eigen klanten voor evaluatie. Bijvoorbeeld, op de R&TC, kunnen tows uit een creel getrokken worden en vezels gespreid en geïmpregneerd om tapes te produceren, die vervolgens door de crossply- of multiaxiale UD-machines van het bedrijf gevoed kunnen worden om laminaten te produceren met een verscheidenheid aan laaglagen en vezeloriëntaties. (Crossply-laminaten hebben ten minste twee lagen georiënteerd op 0/90 graden en multiaxiale UD-laminaten hebben ten minste twee UD-lagen georiënteerd op hoeken anders dan 0/90 graden.) Laminaten die deze machines verlaten, worden samengeperst voor gemakkelijke hantering. Ze kunnen vervolgens uitgezaagd worden in net-shape preforms die dan klaar zijn voor verwerking tot een composietdeel. Hoewel Van Wees' apparatuurfocus met de crossply- en multiaxiale UD-apparatuur ligt op productie van UD thermoplastische tapes, kunnen de machines gebruikt worden om tapes met thermohardende matrices en/of met weefsel in plaats van UD-versterkingen te produceren.

Interessant genoeg, was het Van Wees' eigen afvalprobleem van het maken van deze producten voor klanttesten, alsook klantverzoeken, dat bedrijfsonderzoekers leidde tot het ontwikkelen van een "zero-waste-proces" om chips/afval van preform-productie te recyclen met behulp van aangepaste-vezel-blanks. Als service biedt het bedrijf klanten de mogelijkheid om deze chip-gebaseerde thermoplastische blanks te evalueren en heeft al apparatuur ontwikkeld om ze commercieel te produceren bij hoge productievolumes.

Niets verspillen, niets missen

Tijdens uitgezaagde operaties om net-shaped preforms te maken (die Van Wees "patches" noemt), wordt afvalmateriaal verzameld en gesegregeerd op hars- and vezeltype. Dit afval is onregelmatig gevormd en gesizeerd, dus uitgezaagden zijn ontworpen om "chips" te produceren met een maximum grootte van 50 bij 50 millimeter. Gehakte chips worden dan geperst in een geconsolideerd blad (via compressie- of vacuümvorming), wat resulteert in een laminaat met willekeurig georiënteerde, discontinue vezels. Geen additionele hars is nodig om het blad te maken, en alleen chips met chemisch compatibele harsen worden gemengd, hoewel zowel glas- als koolstofvezel-versterkte chips gecombineerd kunnen worden afhankelijk van de gewenste eigenschappen in het einddeel dat gevormd zal worden van de chip-gebaseerde laminaat.

Omdat vezels in individuele chips binnen het laminaat tot 50 millimeter lang kunnen zijn, en vezeloriëntatie over het blad willekeurig is, bieden de 100% gerecyclde, zero-waste aangepaste blanks goede en orthotrope stijfheid en sterkte - met name vergeleken met korte-vezel-injectievormingscompounds. Echter, aangezien vezel-gewichts-fracties voor de laminaten's discontinue vezelbundels 50-70% kunnen lopen - met initiële formuleringen op het hoge einde van dat bereik - kan het materiaal nauwelijks vloeien in een compressiepers. Daarom, om 2.5D of 3D-geometrie te vullen, moet het chip-gebaseerde laminaat overvormd worden met korte-vezel of zelfs zuivere hars in een injectievormmachine. Het kan ook co-gevormd worden met een continu-vezel-materiaal in een compressiepers. Op welke manier dan ook, moet het laminaat voorgewarmd worden voor vorming.

Interessant genoeg, heeft Van Wees gevonden dat de chip-gebaseerde panelen nog steeds de helft van de buigsterkte en modulus van zijn high-performance, continu-vezel-crossply-panelen in dezelfde vezel- en harsconfiguratie bieden.

Concept bewijs

Om de mogelijkheden van zijn zero-waste aangepaste blanks te tonen, heeft Van Wees diverse demonstrator-projecten uitgevoerd. Een was een verstevigings/crash-balk voor deur-binnenpanelen op een personenauto. Deze inspanning was gebaseerd op het Lipa Series-project, dat lichtgewicht composietonderdelen voor serieproductie voor een reeks industrieën ontwikkelde. Het nu-inactieve consortium gevestigd in Büsslingen,Zwitserland, bouwde op kerntechnologieën betreffende pre-vormen van continu-vezel-organosheet/glas-mat-thermoplast (GMT) composieten en dan terugvullen met vezel-versterkte hars in een injectievormmachine.

Van Wees' demonstrator-balk (een deel gebruikt om zij-impact/intrusie-reglementen te halen) was ongeveer 650 millimeter lang, 110 millimeter breed, had een nominale wand van 3 millimeter, en woog ruwweg 450 gram in de benchmark-materiaal, wat een 3-millimeter glasweefsel-versterkte PA6 was. Het deel had ook een koepelstructuur in het midden die 40 millimeter hoog was. De organosheet-crash-balk bood niet voldoende energie-absorptie om aan de toepassingseisen te voldoen, dus Van Wees-onderzoekers probeerden de algehele prestaties in dezelfde wanddikte (bestaande tooling werd gebruikt) te verbeteren, in een cyclus-tijd van minder dan één minuut en met zero waste.

Werken met diverse polymer-leveranciers, produceerde Van Wees UD-tapes in-house met diverse polymeren en versterkingen - inclusief glasvezel/PA4/10, glasvezel/PP, koolstofvezel/PP, en glas + koolstofvezel/PP. Matchende korte-vezel-injectie-overvormingscompounds werden geproduceerd door de hars-leveranciers. Simulatie werd gebruikt om het aantal en de oriëntatie van individuele UD-lagen voor aangepaste blanks te evalueren om aan of boven prestatie-eisen te voldoen. Vervolgens werden tapes gebruikt om continu-vezel-laminaten te produceren, waaruit de crash-balken geproduceerd werden. Computer-aided engineering (CAE) resultaten voorspelden dat glasvezel/PA4/10 aangepaste blanks de beste eigenschappen zouden bieden bij lagere kosten dan het weefsel/organosheet, en fysieke testen bevestigden dit.

Om verdere kansen om afval en kosten te verminderen te verkennen, hergebruikten onderzoekers afval (ongeveer 30% snijverliezen) gegenereerd door het produceren van continu-vezel-laminaten om crash-balken te produceren, recycleden dat materiaal in chip-gebaseerde laminaten die 1-millimeter dik waren, en gebruikten dat product als een kernlaag (vervangend drie UD-lagen) tussen "schillen" van meer UD-materiaal gemaakt op de multiaxiale UD-machine. Interessant genoeg, in voorlopige testen met een beperkte steekproefgrootte, zagen ze weinig of geen verlies in prestaties voor de hybride laminaten met een mix van continue en discontinue versterking vergeleken met de volledig continu-versterkte laminaten.

Extra berekeningen uitgevoerd door het team gaven aan dat het mogelijk zou zijn om Van Wees' productiedoelen van 2 miljoen crash-balken per jaar te halen, met behulp van het 1-minuut composiet-overvormingsproces ontwikkeld door het Lipa Series-team. Gegeven de snelheid waarmee de Van Wees aangepaste-blank-productielijnen opereren (1.800 patches/uur op de multiaxiale UD-machine en 1.260 patches/uur op de crossply-machine), zou het toevoegen van additionele apparatuur om afval om te zetten in chip-gebaseerde laminaten een zero-waste-productiesysteem creëren en productievolumes 30% verhogen tot 2,6 miljoen onderdelen per jaar. Ironisch, de injectievormmachines zouden de rate-limiting-stap in deze productie-sequentie zijn - iets wat niet vaak gebeurt.

Een ander snel-opgeleverd project dat bedrijfsonderzoekers uitvoerden was het ontwikkelen van composiet-gezichts-deurklinken voor de conferentieruimte op Van Wees-hoofdkwartier. Finale composiet-inlagen waren beschikbaar voor deelnemers om te bekijken op vorig jaar's Composites Overmolding-conferentie.

"Co-ontwikkeling en innovatie zijn de drijvende krachten van moderne industrie," merkt Rien van den Aker, Van Wees-directeur, op. "We geloven dat gezamenlijke ontwikkeling met alle spelers in de composiet-keten van primair belang is. Metalen zijn de concurrenten van onze industrie en worden op de meest rationele manier gemaakt. Daarom zal het alleen met intelligente processen en apparatuur mogelijk zijn om lichtgewicht composietproducten in hoog-volume-toepassingen te introduceren." Hij benadrukt dat het een gezamenlijke inspanning onder toeleveringsketenleden zal kosten om zero-waste-productie van thermohardende en thermoplastische composietonderdelen mogelijk te maken. "Van Wees is blij geïnteresseerde partijen te helpen met product- en procesontwikkeling," voegt hij toe.