Grootschalige productie van gerecyclde thermoplastische composieten

Recycleerbaarheid is een lang beloofd voordeel van het gebruik van thermoplastische composieten (TPC). Maar het is nog niet commercieel op grote schaal gebruikt. Materialenleverancier TenCate Advanced Composites en het ThermoPlastic composites Research Center (TPRC) gingen een partnerschap aan met Tier 1 fabrikant GKN Fokker om zo'n proces in 2016 te demonstreren. Het team ontwikkelde een toegangsdruppaneel met gebruik van restmateriaal TenCate Cetex TC1100 geweven koolstofvezel/polyfeenyleensulfide (CF/PPS) van GKN Fokker's productie van de Gulfstream G650 elevator en roer. Het productie-afval werd gehakt en vervolgens compressiegevormd met een proces en vorm ontworpen door TPRC. Het toegangsdruppaneel had gevormde verstevigingsribben, diktevariaties en gevormde gaten met bussen. (Een bus is een uitstekend kenmerk dat een bevestigingselement in het gat leidt). Gebruik van het herwonnen materiaal maakte een lichtgewicht onderdeel met grotere gevormde functionaliteit mogelijk, terwijl een gesloten-lus productieproces gevormd werd, aangezien het toegangsdruppaneel vervolgens gebruikt werd op de voorrand van de Gulfstream G650 roer. Het project won een JEC Innovatieprijs in 2016.

Sinds dat onderzoek is een nieuwe organisatie opgericht, het ThermoPlastic composites Applications Center (TPAC). "De TPRC werd tien jaar geleden opgericht en werkt voornamelijk in fundamenteel TPC-onderzoek voor de luchtvaartindustrie", legt Thomas de Bruijn uit, onderzoeker in lichte structuren bij TPAC. "De TPAC werd ongeveer twee jaar geleden opgericht, en heeft een meer toepgepaste manier van werken. Het is verbonden met de Saxion Hogeschool en ook met MKB's. We focussen op het verlagen van kosten door het ontwikkelen van meer kosteneffectieve processen. Samen vormen deze twee groepen TPC NL, een slimme industrie, digitale innovatiehub voor TPC-technologie."

De betrokkenheid van de TPAC en ook TenCates voortgezette R&D hebben gedemonstreerd dat dit type gesloten-lus productie niet alleen mogelijk is, maar economisch gunstig. De focus is aanvankelijk op CF/PPS-materialen, en het onderzoek is in samenwerking met industriële partners om deze TPC-recycling-verbeterde onderdeelenproductie te implementeren.

Echter, de daadwerkelijke processen die ontwikkeld zijn, verschillen. TenCate heeft zich gericht op kortere vezelmateriaal gebruikt als een stroomlaag om gevormde geometrische kenmerken en functionaliteit toe te voegen aan continue vezelonderdelen. Ondertussen hebben TPRC en TPAC gezocht om grotere vezellengte te behouden, een deeg-achtig materiaal creërend dat gecomprimeerd kan worden tot onderdelen met hogere mechanische eigenschappen dan mogelijk met traditionele korte-vezel compounds.

TenCate — Stroomlaag versterkte organoveldeel onderdelen

"Drie jaar geleden begonnen we meer van ons R&D-budget in recycling te investeren", zegt Frank ten Napel, TenCate productmanager voor thermoplastieken. "Dit is niet alleen om een 'groen label' te krijgen. We zijn overtuigd dat het incorporeren van gerecyclde materiaal in je onderdeel zeer reële economische en constructieve voordelen biedt. We kunnen een niveau van geometrie aan een onderdeel toevoegen dat we anders niet konden bereiken. Door een stroomlaag van gerecycld materiaal toe te passen, kunnen we verstevigingsribben en variabele dikte over het onderdeel vormgeven, alsook bussen rond gaten, die belasting door bevestigingsmiddelen spreiden. Al dit stelt in staat om minder continu vezelmateriaal te gebruiken, voor dunner, lichter en meer kosteneffectieve onderdelen versus alleen virgine materiaal te gebruiken." Hij merkt op dat deze gevormde kenmerken moeilijk te bereiken zijn met continue vezelmaterialen, "maar door zowel continue vezel plus gelokaliseerd overmolden te combineren krijg je meer ontwerpvrijheid."

TPC-Cycle Project

Dit vierjarig project begon in september 2015 en omvat partners doorheen de thermoplastische composiet (TPC) toeleveringsketen:

• TenCate Advanced Composites (Toray Group) – materialen
• GKN Fokker Aerostructures – Tier 1 ontwerp en productie van luchtvaartstructuren en assemblages
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) – MKB ontwerp en productie van luchtvaartribben, stringers, beugels, klemmen, dozen
• Cato Composites – MKB productie en ontwerp van onderdelen voor aero, auto, defensie, sport en consumentenmarkten
• Nido RecyclingTechniek (NRT) – technologie voor slijten en verkleinen van materialen/onderdelen te recyclen

TPC-Cycle wordt gefaciliteerd door TPAC en Saxion Hogeschool Toegepaste Wetenschappen, met name de onderzoeksgroep lichte structuren, en gefinancierd door Regieorgaan SIA, onderdeel van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Thomas de Bruijn is TPC-Cycle projectmanager en onderzoeker in lichte structuren bij Saxion/TPAC. Hij legt uit dat er veel drijfveren waren voor het starten van het TPC-Cycle-project. "We zagen een toename in het gebruik van continue vezel TPC's, met name voor stampvorming, zoals in klemmen en beugels. Met deze toename, wordt het volume van post-industriële afval substantieel. Dus recycling was nodig, zowel voor het milieu en economisch, en ook om aan regelgeving te voldoen. Bijvoorbeeld, Europese end-of-life wetgeving eist dat 95% van het materiaal dat in auto's gebruikt wordt gerecycled wordt." Hij merkt op dat Airbus ook recycling- en end-of-life doelen heeft gesteld, en deze aan hun leveranciers gecommuniceerd. "De toeleveringsketen moet niet alleen zeggen dat ze deze doelen kunnen halen, maar ook die capaciteit bewijzen met demonstrators", voegt de Bruijn toe.

"We hebben ook TPC's zien groeien buiten de luchtvaart, in toepassingen zoals voedselkratten, meubelen en industriële componenten omdat ze lagere cyclus tijden, lichtgewicht en slimme structuren bieden", zegt de Bruijn.

Hij vervolgt: "We wilden een commercieel haalbare recyclingsprocesketen bewijzen maar niet alleen malen, wat downcycling is. We wilden hoge prestaties. Dus we kozen een lage-schermengbenadering om 0,5-1,0 inch vezellengte te behouden. Voor stijfheid heb je maar een paar mm lengte nodig. Maar voor sterkte en inslagweerstand heb je meer dan 0,5 inch lengte nodig." Naast het behouden van vezellengte, was een andere cruciale uitdaging om goede homogeniteit in het mengen van de materialen en in het eindgerecyclde product te krijgen.

"Het doel is om afval te verzamelen, te slijten tot 0,5-1,0 inch vlokken en te transformeren in een homogene deeg, die geëxtrudeerd en direct overgebracht wordt naar een compressievormpers", legt TPRC-onderzoeker en Ph.D.-student Guillaume Vincent uit. "De verwerking van de deeg gebeurt via het voeden van vlokken en virgine polymergranulae in een lage-schermenger, het vezelgewichtsgehalte te verlagen tot 25-40%." Hij merkt op dat het proces zeer vergelijkbaar is met direct compounderen van lange vezel thermoplastieken (D-LFT), wat algemeen is in auto. "Echter, D-LFT-processen vereisen miljoenen dollar investering, dus ze worden alleen gebruikt in hoge-serie productie. We hebben onze benadering aangepast door kleinere machines te gebruiken, maar we krijgen vergelijkbare resultaten. Onze volumes zijn laag vs. D-LFT-processen."

Vincent beschrijft een voorbeeld van waar het includeren van de complete recycling waarderketen zich uitbetaalt: "NRT heeft ons geholpen te verbinden met fabrikanten van grotere slijtmachines, zoals Untha." Dit is een sleutelonderdeel van het schalen van het proces voor seriële onderdeelenproductie.

De eerste procesketen die wordt ontwikkeld is voor CF/PPS. Vincent zegt dat TPC-Cycle simulatiemodellen en analysemethoden heeft gebouwd om vezellengte en vezelverdeling in het gerecyclde materiaal te karakteriseren. "We begrijpen ook hoe deze materiaalkenmerken overgaan naar de eigenschappen van het gevormde onderdeel", observeert hij. Dit is, in feite, de focus van zijn Ph.D.-thesis, die eind 2019 gepubliceerd zal worden.

Deze gerecyclde deeg wordt soms aangeduid als bulk molding compound (BMC). Historisch was BMC een deeg-achtige mengsel van korte glasvezel (<25mm), thermohardende hars pasta en vullers die gecomprimeerd werd tot composietonderdelen. Met minder vezelvolume en meer stroom versus sheet molding compound (SMC), bood het ook iets lagere mechanische eigenschappen. TenCate heeft al jaren thermohardende en thermoplastische BMC verkocht, hoewel de laatste een proces is waarbij gehakte unidirectionele prepreg-banden in een vorm worden verspreid en geperst. "Ons product is eigenlijk heel anders", stelt Vincent. "Met conventionele thermoplastische BMC is er doorgaans geen menging en vereist een lange verhittings- en consolidatiecyclus. We vonden dat met mengen je een homogener product krijgt en minder spanningsconcentraties in het onderdeel, dus hogere eigenschappen. Met conventionele thermoplastische BMC krijg je dikke vlokken die matrix-rijke gebieden aan de uiteinden hebben die spanningsconcentraties in het composietlaminaat produceren."

Het lage-schermengproces ontwarrt de vlokken in lagen en scheidt de lagen in bundels en de bundels in losse vezels. Polymer wordt ook gemengd om het vezelgehalte te verlagen om betere stromingseigenschappen te krijgen, zodat het materiaal makkelijker in vormen verwerkt kan worden.

"De deeg wordt geëxtrudeerd en dan robotisch in een open, isothermale [verhitte] compressievorm geplaatst", legt de Bruijn uit. "Na mengen zijn de vezels in de deeg willekeurig georiënteerd. Maar tijdens persen, heroriënteert de stroom van het materiaal de vezels. Deze oriëntatie is minder vergeleken met mengsels met kortere vezels die gespuitgoten worden, maar het is vergelijkbaar van onderdeel tot onderdeel. Dit is een van onze onderwerpen van voortgezet onderzoek."

Kosten

De TPC-Cycle procesketen die tot nu toe ontwikkeld is, lijkt economisch gunstig. "We hopen later in 2019 te beantwoorden hoeveel we de onderdeelkosten kunnen verlagen", zegt de Bruijn. "Maar dit is complex omdat je een markt nodig hebt en het gerecyclde materiaal moet verkopen." Hij merkt op dat er veel economische factoren zijn. Bijvoorbeeld, de meeste fabricanten gooien vandaag de dag productie-afval gewoon weg. Lokale kosten om op stort te dumpen is €80 per ton ($90). "Maar dit materiaal dat weggegooid wordt heeft waarde", zegt de Bruijn. "Ook moet je rekening houden met de kosten om het afval te verzamelen, te slijten, te mengen en dan te compressievormen tot nieuwe onderdelen. Echter, dit is ook een near-net-shape proces met korte cyclus tijden door de isothermale vorm. Met andere woorden, er zou een drastische reductie of eliminatie van secundaire afwerking en bewerking moeten zijn." De Bruin zegt dat TPC-Cycle nu kijkt naar het afronden van kostenanalyse en levenscyclusanalyse.

Clean Sky RESET

Een derde project dat het belang van het werk dat door TenCate en ook in het TPC-Cycle-project voltooid is, herhalen is het RESET-project, dat liep van januari 2016 tot december 2017 en gecoördineerd werd door het Leitat Technologisch Instituut in Barcelona, Spanje. Het lijkt erop dat RESET begon onder Clean Sky (2008-2016) en voltooid werd tijdens Clean Sky 2 (2017-2021).

De Clean Sky en Clean Sky 2 programma's zijn georganiseerd in een top-tier van Innovatieve Vliegtuig Demonstratie Programma's (zie Voertuig IADPs in de afbeelding hieronder) en een lagere tier van Innovatieve Technologie Demonstrators (zie Groot Systeem ITDs in de afbeelding hieronder). RESET werd voltooid als onderdeel van de Airframe ITD, specifiek Work Package (WP) A-3.4 Eco-Design voor Airframe.

Volgens Clean Sky projectofficier, Elena Pedone, ontwikkelde het RESET-team bij Leitat een proces om eerder gebruikte vliegtuigcomposietmaterialen te recyclen en te gebruiken om nieuwe onderdelen te produceren. Ze vergelijken deze gerecyclde onderdelen met commerciële en vonden ze vergelijkbare mechanische kenmerken. "De technologie die in dit project ontwikkeld is, kan realistisch gecommercialiseerd worden in de luchtvaartsector in de komende jaren en mogelijk overspoelen naar andere economische sectoren", zegt Pedone.

Tijdens het RESET-project werd werk voltooid om effecten te onderzoeken van PEEK en PPS thermoplastische matrixmaterialen en de chemische aard van koolstofvezelversterking. De versterkingsvorm werd bestudeerd, inclusief vezellengte en geweven versus non-geweven. Het effect van vezelinnhoud (polymer tot vezelverhouding) werd ook bestudeerd.

In een tweede werkpakket was het hoofddoel de conditionering en karakterisering van gerecyclde CF/PPS gebaseerd op extrusie en de resulterende gevormde composieten. Twee onderdelen – een thermoplastische beugel en een thermoplastische klem – werden gecreëerd door spuitgieten en nog twee door thermovorming, legt Leitats wetenschappelijke coördinator van het project Claudia Aguilar uit. Deze onderdelen werden dan getest. "De mechanische eigenschappen van het materiaal bleken vergelijkbaar met de commerciële tegenhanger", zegt Aguilar.

Het RESET-project claimt een recyclingsproces gedemonstreerd te hebben dat TPC-afvalmateriaal van vliegtuigproductie kan nemen en als grondstof gebruiken om nieuwe onderdelen voor vliegtuigen te produceren. "Tot 70% gerecyclde materiaal werd gebruikt om een nieuwe familie van composietmaterialen te produceren", zegt Aguilar. Ze voegt toe dat "het recyclingsproces van RESET de Europese luchtvaart in staat stelt de milieuvoetafdruk te beperken en de productiekosten van nieuwe vliegtuigonderdelen te verlagen. Daarom maakt het project de luchtvaartindustrie concurrerender en groener."

TPC-toekomst begint met ontwerp

De stelling van TenCate en TPRC/TPAC is dat deze recyclingsprocessen die nu gedemonstreerd zijn, niet alleen groen, maar economisch aantrekkelijk zijn. Dus, wat voor investering is vereist? "Het hangt af van het productievolume", zegt Ten Napel bij TenCate. "De slijtmachines die nodig zijn, zijn niet groot of duur en het proces is ontwikkeld tot waar het redelijk straightforward is." Beïnvloedt matrixtype recycleerbaarheid? "Nee", zegt Ten Napel, "maar in termen van economische haalbaarheid, zijn koolstofvezel en PPS, PEEK of PEKK meer haalbaar dan glasvezel en polypropyleen vanwege hun hogere waarde versus de laatste."

"Ik denk als dit door de industrie opgepakt gaat worden, moet het beginnen met ontwerp", vervolgt hij. "De grootste struikelblok nu is de mindset van ingenieurs. Om daadwerkelijk uit te gaan en te ontwerpen met gerecyclde materiaal (of deze deels in een nieuw product te ontwerpen) is voor hen redelijk nieuw."

Ten Napel geeft toe dat TenCate noch ontwerpt noch onderdelen commercieel produceert, "maar we proberen ontwerpers te inspireren om zo te denken bij het ontwikkelen van hun nieuwe onderdelen en structuren." Hij noemt vliegtuiginterieurs en toegangspanelen en toegangsdruppanelen als low-hanging fruit voor hergebruik van gerecyclde materiaal. "Als we als industrie wennen aan het hergebruiken van ons eigen schroot en afval, dan kunnen we de volgende stap nemen en beginnen te kijken hoe we end-of-life onderdelen kunnen adresseren."

Het mantra over recycling van thermoplastische composieten – simpelweg malen en hervormen – kan zeker aangenomen worden, zegt Ten Napel, maar het maakt vaak niet veel economisch zin. "We hebben een beter proces gedemonstreerd en een dat daadwerkelijk meer kosteneffectieve onderdelen en overall programma's kan creëren. We hebben gekozen om deze kennis, samen met de TPRC en TPAC, te dissemineren om de industrie te inspireren over wat volledig mogelijk is met thermoplastische composieten. Als thermoplastische composieten op grote schaal geadopteerd gaan worden, is recycling als inherent onderdeel van productie geen optie meer, het is een noodzaak."