Durante años, los termoplásticos reforzados se han usado en el mercado automotriz, principalmente para componentes interiores no estructurales. Pero los compuestos termoplásticos están avanzando hacia nuevas aplicaciones - y mercados - a medida que los fabricantes se esfuerzan por obtener piezas más livianas y resistentes que puedan producirse, post formarse y reciclarse rápidamente.
"Los termoestables superan ampliamente la venta de termoplásticos en el mercado total, pero más termoplásticos estructurales están dejando sus huellas en la industria automotriz para el aligeramiento de vehículos", dice Marianne Morgan en el desarrollo de nuevos negocios con BASF. Además, a medida que la industria aeroespacial ha adoptado más compuestos termoplásticos en los últimos cinco años, su rol general dentro de la industria ha comenzado a cambiar.
"[El uso de termoplásticos en la industria aeroespacial] demuestra la tecnología a otras industrias", explica Dwight Baker, vicepresidente de compuestos avanzados en Composites One. "Al mismo tiempo, aumenta la educación de los ingenieros, para que puedan diseñarlos en otros productos". Hoy en día, los termoplásticos reforzados se han expandido a las partes estructurales de automóviles, así como a las aplicaciones de petróleo y gas, electrónica, infraestructura y marina.
Haciendo un caso para los termoplásticos
Los materiales compuestos termoplásticos se usan para aplicaciones que requieren altos niveles de rigidez y resistencia al impacto, así como resistencia a la temperatura, humedad y química. "En muchos casos, los termoplásticos son la mejor solución para aplicaciones que requieren una mayor cantidad de producción, aligeramiento o resistencia a la fractura", dice Baker.
A diferencia de los compuestos termoestables, los termoplásticos tienen un proceso de curado de un solo paso que no requiere un catalizador, horno o autoclave. Este ciclo de curado rápido es la razón por la cual los compuestos termoplásticos se usan en métodos de producción en masa, tal como el moldeo por inyección. Los polímeros termoplásticos no se reticulan químicamente después del curado, lo que les permite ser remoldeados y reformados. Esto proporciona capacidades de postformado únicas y resuelve los desafíos del final del ciclo de vida asociados con los compuestos termoestables. De hecho, muchos consideran que su reciclabilidad es clave para el crecimiento futuro.
Polystrand, que fue adquirida por PolyOne en 2016, comenzó a trabajar con materiales compuestos termoplásticos en 2001 debido a su reciclabilidad. "En ese momento, se prestaba mucha atención al reciclaje, y aún lo tiene", dice Mike Gordon, anteriormente con Polystrand y ahora presidente de Gordon Development. “Los compuestos termoestables son muy, muy difíciles de reciclar. "Vimos el futuro como ser capaz de fabricar productos con materiales compuestos termoplásticos y usar los subproductos de fabricación para hacer otros productos".
Dana Swan, gerente de desarrollo de negocios de la línea de productos Elium® en Arkema está de acuerdo. Ella apunta a los estándares de automóviles en la Unión Europea (UE) y Asia que requieren vehículos casi totalmente reciclables. "En este momento, es la UE. Pero creo que [estándares similares] están llegando a EUA”, dice ella. "Han habido grandes avances con el reciclado de los termoestables, pero para obtener un modelo realmente reciclable, tienes que recurrir a los termoplásticos".
El Laboratorio de Fabricación Avanzada Alfond para Termoplásticos Estructurales de la Universidad de Maine tiene como objetivo aumentar la presencia en el mercado de los materiales termoplásticos estructurales mediante el desarrollo de procesos de fabricación innovadores para reducir el tiempo del ciclo, reducir los desperdicios y mejorar la repetibilidad y la calidad de las piezas. "Se trata de fabricar piezas que son reciclables - al igual que las partes de aluminio y acero - pero mucho, mucho más ligeras y muy bien diseñadas", dice David Erb, gerente principal del programa de I&D del laboratorio.
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| Investigadores de la Universidad de Maine discuten el diseño de piezas utilizando un molde impreso en 3D hecho de termoplásticos. |
La evolución de los materiales y procesos termoplásticos en la última década ha creado piezas no estructurales más sofisticadas para la producción en masa, nuevos materiales avanzados para aplicaciones de alto desempeño y compuestos estructurales, y procesos híbridos que utilizan ambos. Aquí hay cinco desarrollos clave en la evolución continua de los materiales compuestos termoplásticos.
1. Termoplásticos reforzados con fibra larga
La mayoría de las piezas de material compuesto de material termoplástico están hechas con fibras discontinuas mediante moldeo por inyección. Las fibras cortas (menos de 3 mm) se han usado en materiales compuestos termoplásticos para el sector automotriz durante décadas. Más recientemente, los termoplásticos reforzados con fibra larga (LFRT) de 3 a 25 mm han entrado en el mercado. Los LFRT están comúnmente disponibles como pellets y se usan principalmente en moldeo por inyección y moldeo por compresión.
Gordon dice que las fibras largas permiten más resistencia con menos material. Los fabricantes aeroespaciales fueron los primeros en adoptar la tecnología LFRT. Los LFRT han comenzado a proliferar en el mercado automotriz no solo por las ventajas de aligeramiento, sino también porque son fáciles de procesar. "Es un ciclo rápido de calentar y enfriar para moldear algo con los LFRT", dice Gordon. El moldeo por inyección de fibra larga también proporciona mejor impacto y fatiga en escurrimiento, dice Morgan.
Los termoplásticos de fibra larga directa (DLFT, por sus siglas en inglés) son una nueva técnica de procesamiento que proporciona fibras largas sin derretir pellets preformados. En un proceso de tres pasos, DLFT esta formado por una resina - típicamente polipropileno - con cualquier aditivo, corta madejas de fibras continuas directamente en la resina y luego extruye una porción del material reforzado en un molde de moldeo por compresión en forma de una carga similar a una dona o 'bollo'. Esto permite el control de la longitud de la fibra.
2. Termoplásticos reforzados con fibra continua
Los termoplásticos reforzados con fibra continua (CFRT, por sus siglas en inglés) se encuentran en cintas unidireccionales y se usan para láminas tejidas, bobinado de filamentos y pultrusión. Ed Pilpel, asesor técnico principal de PolyOne ™ Advanced Composites, dice que la introducción de los materiales preimpregnados CFRT ha mejorado significativamente la resistencia al impacto de los compuestos termoplásticos. Esto, a su vez, ha impulsado nuevas aplicaciones potenciales para materiales como el polipropileno reforzado con fibra de vidrio continuo Polystrand ™ en mercados tan variados como el transporte, edificación y construcción, y protección balística.
Una aplicación es el forro (liner) de camiones. Durante años, los forros de camiones se fabricaron con poliéster termoestable reforzado con vidrio, que se dañaban fácilmente. “Los [forros] termoplásticos terminaron siendo mucho más resistentes a la perforación. Esto resistirian mas el abuso que los forros térmicos de poliéster ", dice Pilpel. "La mayoría de las empresas han cambiado por completo a [compuestos] termoplásticos ahora".
3. Polímeros de ingeniería
Morgan dice que la expansión de las resinas de ingeniería - con poliamidas reforzadas con fibra de carbono larga y corta y poliftalamidas de alto desempeño, son factores clave para la propagación de compuestos termoplásticos. A diferencia de las resinas básicas comunes menos costosas, los polímeros de ingeniería ofrecen propiedades mecánicas excepcionales a temperaturas elevadas, mayor rigidez y tenacidad, y bajo escurrimiento. Esto los hace ideales para más oportunidades de componentes estructurales de metal a plástico.
Durante décadas, Morgan dice que el sector automotriz usó "los polímeros bonitos - acrilonitrilo butadieno, estireno (ABS) y policarbonato - para hacer piezas interiores compuestas, estéticas, como molduras interiores. Ahora, los fabricantes de automóviles están recurriendo a compuestos de poliamida reforzada con fibra de carbono y poliftalamida termoplástica (PPA) para más partes estructurales. Por ejemplo, Ford usa poliamida de fibra corta de carbono Ultramid® para fabricar una parte del chasis para el Shelby GT350 Mustang y ha demostrado piezas avanzadas de tren motriz en poliamida de fibra larga de carbono.
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| La abertura de la parrilla del Ford Shelby GT350 Mustang 2016 se construye a partir de Ultramid® A3WC4 PA66, una poliamida con 20 por ciento de refuerzo de fibra de carbono. |
Morgan añade que los compuestos de polímeros termoplásticos avanzados también permiten muchas tecnologías digitales, incluidos los sistemas avanzados de asistencia al conductor diseñados para automatizar y mejorar los sistemas del vehículo para una conducción más segura. Las PPAs se utilizan para fabricar los muchos sensores y conexiones eléctricas que requieren estos sistemas porque son pequeños, delgados y livianos y tienen altas tolerancias de temperatura que les permiten compactarse de manera segura en espacios pequeños.
4. Moldeo por compresión
Si bien no se usa tanto como el moldeo por inyección - especialmente en EUA, el moldeo por compresión puede ser una alternativa de menor costo. "No será tan rápido como el moldeo por inyección, pero si está haciendo menos piezas, fabricar el molde es mucho menos costoso", dice Pilpel.
El moldeo por compresión también puede producir piezas con mas fibra. Pilpel dice que el Centro de Desarrollo de Aplicaciones y Procesamiento de Materiales de la Universidad de Alabama en Birmingham ha utilizado el moldeo por compresión reforzado selectivo para lograr un 65 a 70 % de contenido de fibra - un marcado contraste con las piezas moldeadas por inyección que generalmente producen entre un 30 y un 40 %. Un mayor contenido de fibra puede ayudar a maximizar las propiedades, especialmente la rigidez, para aplicaciones donde eso es importante.
Se están realizando numerosos esfuerzos para aumentar la velocidad del moldeo por compresión para piezas estructurales. El laboratorio Alfond de la Universidad de Maine está trabajando con la industria para demostrar la eficacia de la combinación de colocación automática de cinta (Automatic Tape Laying, ATL) con el moldeo por compresión. Erb dice que el laboratorio utiliza una máquina ATL para colocar rápidamente las cintas estructurales preconsolidadas en varias orientaciones antes de que sean soldadas ultrasónicamente y moldeadas por compresión. El laboratorio ha utilizado el proceso para desarrollar un prototipo de una cubierta diferencial para automóviles.
Mientras tanto, un consorcio industrial con sede en Francia, el IRT-M2P, ha desarrollado un método de procesamiento innovador llamado Fast RTM. El proceso de moldeo por transferencia de resina permite la producción de piezas en un ciclo de dos minutos de componentes termoplásticos estructurales y compuestos termoestables para las industrias automotriz y aeroespacial. El año pasado, el miembro del consorcio Arkema, presentó Elium, el primer termoplástico líquido que se puede curar a temperatura ambiente. Al igual que los termoestables, también se cura en un proceso de dos pasos que usa un iniciador. La plataforma Fast RTM inyecta al CFRT con Elium y lo moldea en una prensa Pinette P.E.I. ECS de carrera corta. Debido a que Elium es un sistema reactivo líquido y no tiene que calentarse a las mismas altas temperaturas que otros termoplásticos, el proceso se puede usar para moldear piezas termoplásticas CFRP con forma neta.
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| La muestra de parte termoplástica reforzada (arriba) fue moldeada por el consorcio IRT-M2P en Francia usando su proceso Fast RTM en el Pinette P.E.I. con la prensa ECS de carrera corta (izquierda). |
El sobremoldeo se refiere a procesos híbridos en los cuales dos materiales diferentes se moldean juntos, con la capa base moldeada primero y las capas adicionales moldeadas dentro, sobre o alrededor de la pieza original. En el tipo más común de sobremoldeo, el CFRT se coloca en un molde de moldeo por inyección y luego se inyectan termoplásticos de fibra corta o larga en el molde.
"Consideramos que la fibra continua con un material moldeado por inyección de fibra corta es uno de, si no es el más importante avance en materiales compuestos termoplásticos", dice Baker. "Proporciona mucha flexibilidad de diseño". Por ejemplo, puede incorporar costillas integrales y puntos de unión y reducir el peso y el costo en comparación con una pieza completamente moldeada por inyección, dice.
El sobremoldeo también se puede utilizar con el moldeo por compresión CFRT. Por ejemplo, los refuerzos termoplásticos de fibra continua Polystrand de PolyOne se colocan estratégicamente dentro de un molde y luego se sobremoldean por compresión con polipropileno de fibra larga en ciertas aplicaciones automotrices. Esto proporciona un refuerzo que evita que las piezas se suelten al impactar. Pilpel cree que este tipo de refuerzo selectivo, utilizando sobremoldeo, es una innovación extremadamente importante. "Esto es claramente donde está yendo el mercado", señala.
En un tipo diferente de sobremoldeo, el termoplástico se inyecta en la superficie de las piezas básicas moldeadas por compresión. Esto permite detalles cada vez más complejos, como canales, tornillos, insertos y externos, según Erb. Él dice que esta técnica podría usarse para crear un tablero de instrumentos de automóviles, por ejemplo.
Que hay mas adelante para los termoplásticos
La adopción de compuestos termoplásticos está creciendo. Erb dice que a medida que la industria continúa buscando formas de reemplazar los metales con piezas estructurales compuestas mas ligeras, los compuestos termoplásticos están ganando más atención. El valor de análisis de la vida útil de las piezas de materiales compuestos termoplásticos es simplemente mejor, dice. No solo pueden ser vehículos livianos y otras aplicaciones, sino que, al ser más ligeros y fundirse a menores temperaturas, ellas usan significativamente menos energía incorporada en su procesamiento, transporte y reciclado que los metales. "En este momento, hay una gran tendencia en los compuestos termoplásticos", dice Erb. "Y hay una razón para eso: Estos están empezando a ser una propuesta de valor que tiene sentido".
Muchas empresas están apostando por ello. PolyOne incorporó compuestos termoplásticos de fibra continua a su cartera con la compra de Polystrand en 2016, y adquirió PlastiComp, un productor líder de compuestos LFRT, en junio. "Los compuestos son un foco importante para nosotros", dice Doug Hammond, líder tecnológico de PolyOne. "Creemos que estos materiales desempeñarán un papel importante en los mercados clave para los plásticos en el futuro".
Uno de los principales desafíos que Hammond ve en el uso creciente de los materiales de CFRT es la capacidad de diseñar productos con una alta seguridad que pueden fabricarse fácilmente. "Faltan los datos necesarios para ejecutar un análisis de elementos finitos (Finite Element Analysis,FEA) y el software de modelado de procesos, por lo que estamos trabajando activamente para generar la información que necesita la comunidad de diseño", dice.
La industria a gran escala continuará demandando automatización en el futuro, y los compuestos termoplásticos son adecuados para la producción automatizada. "[La automatización] es obviamente un gran interrogante para muchos fabricantes de compuestos ahora", dice Marcy Offner, directora de comunicaciones y marketing de Composites One. “¿Dónde encaja y cómo pueden usar productos que automatizan sus procesos? Los termoplásticos podrían finalmente ser la clave para eso ".
Los mercados termoplásticos se multiplican
Los termoplásticos reforzados ganaron prominencia como el material de elección para muchos componentes interiores de automóviles. Pero los avances en materiales y tecnologías de procesamiento han llevado a una gama más amplia de aplicaciones. "Estamos viendo que las piezas termoplásticas reforzadas con fibra de vidrio (GFRP) moverse hacia los espacios donde los materiales termoestables han sido el material elegido durante mucho tiempo, pero también contra otros materiales de construcción", dice Dwight Baker, vicepresidente de compuestos avanzados en Composites One. Aquí hay algunas industrias y aplicaciones donde los compuestos termoplásticos están ganando terreno:
Petróleo y gas: Esta industria está recurriendo cada vez más a los polímeros de alto desempeño, como la polietercetona (PEK) y la poliéter éter cetona (PEEK) para fabricar productos como los tubos de pozo termoplásticos compuestos, según Mike Gordon, presidente de Gordon Development. Él dice que son favorecidos porque son más livianos que el metal pero aún pueden soportar el calor extremo. Baker dice que la industria del petróleo y el gas también está utilizando compuestos termoplásticos GFRP para tapones y bolas de fracking.
Marina: Los compuestos termoplásticos ahora se están usando para numerosos componentes de embarcaciones, incluidos mamparos, puertas y largueros. “La rápida adopción de termoplásticos en aplicaciones marinas estructurales es muy emocionante”, dice Baker. “Esta industria generalmente se ha basado en aplicación manual de resina húmeda para gran parte de la estructura de una embarcación, lo que implica una gran cantidad de tiempo, costos y productos químicos que contienen compuestos orgánicos volátiles, COV”. El uso de paneles termoplásticos precortados, como los paneles Hammerhead ™ de PolyOne, resuelve estos problemas y crea un proceso de montaje mucho más eficiente.
Infraestructura: Dana Swan, gerente de desarrollo comercial de la línea de productos Elium® en Arkema, cree que la reciente aprobación de la ley federal IMAGINE, una legislación fundamental para expandir el uso de materiales innovadores en la infraestructura estadounidense - ayudará a impulsar el uso de materiales compuestos termoplásticos. "Eso es $ 56 millones para infraestructura", dice ella. "Y gran parte está destinada a nuevas tecnologías, que conducirán a materiales compuestos".
Militar: Una aplicación que ya está implementada es domos de radar (radomos) fabricados a partir de paneles sándwich que tienen un copolímero de tereftalato de polietileno (PET) con vidrio encapa externa, que se utiliza en combinación con espuma e inserciones 3D en un proceso patentado de formación continua. Ebert Composites desarrolló y construyó el primer radomo de 9.6 m de diámetro en la base de la Guardia Nacional Aérea en Orange, Connecticut, en 2014. SaintGobain obtuvo la licencia de la tecnología y envió más radomos a la Fuerza Aérea a principios de este año.
Melissa O’Leary
Composites Manufacturing
08 Enero 2019
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