Инновация без отходов: новый процесс и оборудование перерабатывают обрезки препрега и ленты

Одна из проблем комплектации тканей препрега или однонаправленных (UD) лент — понять, что делать с обрезками, которые слишком малы или чье волокно неправильно ориентировано для повторного использования в другом проекте. Хотя программное обеспечение гнездования и резаки значительно сократили отходы, обрезки все еще часто идут на свалку, что добавляет к материальным и детальным затратам, а также экологическому бремени. Однако нидерландская компания Van Wees UD and Crossply Technology BV (Тильбург, Нидерланды) помогает улучшить устойчивость, разрабатывая новую технологию — и машины, которые делают это возможным — для повторного использования термопластичных обрезков ленты.

Текстильные корни

Основанная в 1945 году и с глубокими корнями в текстильной отрасли, Van Wees — полноценный провайдер, который проектирует, производит, устанавливает и пускает в эксплуатацию машины и производственные линии для производства передовых композитов (термореактивные или термопластичные, углеродное или стекловолокно) с фокусом на высококачественные, крупносерийные производственные методы. Компания делает линии импрегнирования препрега (включая креели) — в основном для эпоксид на термореактивной стороне и для материалов от полипропилена (PP) до высокотемпературных полиамидов (PA) на термопластичной стороне — а также машины для размещения кросспля и мультиаксиальных UD лент, которые могут обрабатывать либо термопластичные, либо термореактивные ленты. Сестринская компания, Eltra Engineering BV (также в Тильбурге) специализируется на промышленной автоматизации и поставляет электрические управления и ПО для машин Van Wees.

В своем НИОКР-центре (R&TC) Van Wees поддерживает производственное оборудование для собственной разработки процессов, а также для клиентов, рассматривающих систему Van Wees, или обучающихся управлять оборудованием в ожидании построения их машин. Это позволяет клиентам производить материал, который они могут оценить или, в свою очередь, предложить своим клиентам для оценки. Например, в R&TC, пучки могут быть извлечены из креела и волокна распределены и импрегнированы для производства лент, которые затем могут быть поданы через кросспля или мультиаксиальные UD машины компании для производства ламинатов с различными слоями и ориентациями волокна. (Кросспля ламинаты имеют как минимум два слоя, ориентированных на 0/90 градусов, а мультиаксиальные UD ламинаты имеют как минимум два UD слоя, ориентированных на углы другие чем 0/90 градусов.) Ламинаты, выходящие из этих машин, склеиваются вместе для удобства обращения. Они могут затем быть выштампованы в нетто-форменные заготовки, которые затем готовы для обработки в композитную деталь. Хотя фокус оборудования Van Wees с кросспля и мультиаксиальными UD оборудованием на производстве UD термопластичных лент, машины могут использоваться для производства лент с термореактивными матрицами и/или с тканью вместо UD армирования.

Интересно, что собственной проблемой Van Wees с отходами от производства этих продуктов для тестирования клиентов, а также запросами клиентов, привели исследователей компании к разработке «нулевого-отходного процесса» для переработки чипов/обрезков из производства заготовок с адаптированными волокнистыми заготовками. Как услуга, компания предлагает клиентам возможность оценить эти чип-базированные термопластичные заготовки и уже разработала оборудование для их коммерческого производства на высоких объемах производства.

Не трать, не нуждайся

Во время операций штамповки для производства нетто-формных заготовок (которые Van Wees называет «патчами»), отходной материал собирается и сегрегируется по типу смолы и волокна. Этот отход неправильной формы и размера, поэтому штамповки спроектированы для производства «чипов» с максимальным размером 50 на 50 миллиметров. Измельченные чипы затем прессуются в консолидированный лист (через компрессионное или вакуумное литье), в результате чего получается ламинат со случайно ориентированными прерывистыми волокнами. Никакая дополнительная смола не нужна для изготовления листа, и смешиваются только чипы с химически совместимыми смолами, хотя и стекловолокнистые, и углеродноволокнистые чипы могут быть комбинированы в зависимости от желаемых свойств в конечной детали, которая будет формоваться из чип-базированного ламината.

Поскольку волокна в отдельных чипах внутри ламината могут быть до 50 миллиметров длиной, а ориентация волокна по листу случайна, 100% переработанные, нулевые-отходные адаптированные заготовки обеспечивают хорошую и ортотропную жесткость и прочность — особенно по сравнению с коротковолокнистыми литьевыми компаундами. Однако, поскольку весовые доли волокна для прерывистых волокнистых пучков ламинат могут составлять 50-70% — с начальными формулировками на высоком конце этого диапазона — материал может едва течь в компрессионном прессе. Поэтому, для заполнения 2.5D или 3D геометрии, чип-базированный ламинат должен быть отлит поверх с коротковолокнистым или даже чистым смолой в машине для литья под давлением. Он также может быть со-формован с непрерывноволокнистым материалом в компрессионном прессе. В любом случае, ламинат должен быть предварительно нагрет перед формовкой.

Интересно, что Van Wees обнаружила, что чип-базированные панели все еще обеспечивают половину изгибной прочности и модуля своих высокопроизводительных непрерывноволокнистых кросспля панелей в той же конфигурации волокна и смолы.

Доказательство концепции

Для демонстрации возможностей своих нулевых-отходных адаптированных заготовок, Van Wees провела несколько демонстрационных проектов. Один был жесткостным/аварийным балком для внутренних панелей двери легкового автомобиля. Это усилие было основано на проекте Lipa Series, который разрабатывал легкие композитные детали для серийного производства для ряда отраслей. Теперь неактивный консорциум, основанный в Бюссингене, Швейцария, построен на базовых технологиях, включающих предформовку непрерывноволокнистого органолиста/стекловолокнистого термопластика (GMT) композитов и затем заполнение волокнисто-усиленной смолой в машине для литья под давлением.

Демонстрационный балк Van Wees (деталь, используемая для прохождения регуляций по боковому удару/вторжению) был примерно 650 мм длиной, 110 мм шириной, имел номинальную толщину стенки 3 мм и весил примерно 450 грамм в бенчмарк материале, который был 3-мм стеклотканью-усиленным PA6. Деталь также имела куполовидную структуру в центре высотой 40 мм. Органолист аварийный балк не обеспечивал достаточное поглощение энергии для соответствия требованиям применения, поэтому исследователи Van Wees попытались улучшить общую производительность в той же толщине стенки (поскольку использовалось существующее оснащение), в цикле менее одной минуты и с нулевыми отходами.

Работая с несколькими поставщиками полимеров, Van Wees произвела UD ленты внутри компании с использованием нескольких полимеров и армирований — включая стекловолокно/PA4/10, стекловолокно/PP, углеродное волокно/PP, и стекло + углеродное волокно/PP. Соответствующие коротковолокнистые отливочные компаунды были произведены поставщиками смол. Симуляция использовалась для оценки количества и ориентации отдельных UD слоев для адаптированных заготовок для соответствия или превышения требований производительности. Затем ленты использовались для производства непрерывноволокнистых ламинатов, из которых производились аварийные балки. Результаты CAE предсказали, что стекловолокно/PA4/10 адаптированные заготовки обеспечат лучшие свойства при более низкой стоимости, чем ткань/органолист, и физическое тестирование подтвердило это.

Для дальнейшего исследования возможностей снижения отходов и затрат, исследователи повторно использовали отходы (примерно 30% потерь при резке), сгенерированные от производства непрерывноволокнистых ламинатов, для производства аварийных балков, переработали этот материал в чип-базированные ламинаты толщиной 1 мм и использовали этот продукт как сердечный слой (заменяя три UD слоя) между «кожей» из большего UD материала, сделанного на мультиаксиальной UD машине. Интересно, что в предварительных тестах с ограниченным размером выборки они увидели малую или никакую потерю производительности для гибридных ламинатов со смешью непрерывного и прерывистого армирования по сравнению с полностью непрерывно армированными ламинатами.

Дополнительные расчеты, проведенные командой, указали, что возможно достичь производственных целей Van Wees в 2 млн аварийных балков в год, используя 1-минутный композитный отливочный процесс, разработанный командой Lipa Series. Учитывая скорость, с которой работают производственные линии Van Wees адаптированных заготовок (1800 патчей/час на мультиаксиальной UD машине и 1260 патчей/час на кросспля машине), добавление дополнительного оборудования для конвертации отходов в чип-базированные ламинаты создало бы нулевую-отходную производственную систему и увеличила бы производственные объемы на 30% до 2,6 млн деталей в год. Иронично, машины для литья под давлением были бы ограничивающим этапом в этой производственной последовательности — что не часто случается.

Другой проект с быстрым оборотом, который провели исследователи компании, был разработка композитных накладок для ручек дверей конференц-зала в штаб-квартире Van Wees. Финальные композитные вставки были доступны для участников для просмотра на прошлогодней конференции Composites Overmolding.

«Со-разработка и инновации — движущие силы современной отрасли», — отмечает Риен ван ден Акер, директор Van Wees. «Мы верим, что совместная разработка со всеми игроками в композитной цепочке имеет первостепенный интерес. Металлы — конкуренты нашей отрасли и производятся самым рациональным способом. Поэтому только с интеллектуальными процессами и оборудованием мы сможем ввести легкие композитные продукты в крупносерийные применения». Он подчеркивает, что потребуется совместное усилие среди членов цепочки поставок для возможности нулевого-отходного производства термореактивных и термопластичных композитных деталей. «Van Wees рада помочь заинтересованным сторонам с разработкой продукта и процесса», — добавляет он.