Крупномасштабное производство переработанных термопластиковых композитов

Перерабатываемость давно обещанным преимуществом термопластиковых композитов (TPC). Но коммерчески в крупном масштабе еще не использовалась. Поставщик материалов TenCate Advanced Composites и Центр исследований термопластиковых композитов (TPRC) партнерились с Tier-1 производителем GKN Fokker для демонстрации такого процесса в 2016 г. Команда разработала панель доступа, используя отходы TenCate Cetex TC1100 тканого углерод/полифениленсульфида (CF/PPS) из производства GKN Fokker элеватора и руля Gulfstream G650. Производственные отходы измельчили и затем прессовали по процессу и форме, разработанным TPRC. Панель доступа имела прессованные устойчивые ребра, вариации толщины и прессованные отверстия с усадками (усадка — выступающий элемент, направляющий крепеж в отверстие). Использование регенерата дало легкую деталь с большей прессованной функциональностью, образуя замкнутый производственный цикл, так как панель доступа затем использовалась на переднем крае руля G650. Проект выиграл JEC Innovation Award в 2016 г.

Панель доступа 2016 г. из отходов Cetex CF/PPS с ребрами и отверстиями с усадками. ИСТОЧНИК | TPRC.

С тех пор создана новая организация — Центр применений термопластиковых композитов (TPAC). «TPRC образован 10 лет назад и работает в основном в фундаментальных исследованиях TPC для авиации», — объясняет Томас де Брейн, исследователь легких конструкций в TPAC. «TPAC создан примерно два года назад, имеет более прикладной подход. Связан с университетом Saxion и МСП. Фокус — снижение затрат разработкой более экономичных процессов. Вместе эти две группы формируют TPC NL — умную индустрию, цифровой хаб инноваций для технологий TPC».

Участие TPAC и продолженные НИОКР TenCate продемонстрировали, что такой замкнутый цикл производства не только возможен, но и экономически выгоден. Фокус — на CF/PPS материалах, исследования в сотрудничестве с промышленными партнерами для внедрения этого производства деталей с переработкой TPC.

Однако реальные процессы отличаются. TenCate фокусируется на более коротковолокнистом материале как потоковом слое для добавления прессованных геометрических фич и функциональности к непрерывноволокнистым деталям. TPRC и TPAC стремятся сохранить большую длину волокна, создавая тестообразный материал, прессоваемый в детали с более высокими механическими свойствами, чем у традиционных коротковолокнистых компаундов.

TenCate — детали из органолиста с потоковым слоем

«Три года назад мы начали вкладывать больше НИОКР бюджета в переработку», — говорит Фрэнк тен Напель, менеджер по термопластикам TenCate. «Не просто для «зеленого ярлыка». Мы убеждены: включение переработанного материала в деталь дает реальные экономические и конструкторские выгоды. Можем придать уровень геометрии, недостижимый иначе. Потоковым слоем переработки можем прессовать устойчивые ребра, переменную толщину, усадки вокруг отверстий, распределяющие нагрузки от крепежей. Всё это позволяет использовать меньше непрерывноволокнистого материала — для более тонких, легких и экономичных деталей против просто девственного материала». Замечает: эти прессованные фичи трудно получить из непрерывных волокон, «но комбинируя непрерывное волокно и локальный овермолдинг — больше свободы дизайна».

Этот бракет-демонстратор показывает обе стороны одной детали: обычный тканый органолист и потоковый слой переработанного TPC с ребрами и усадками для вставок. ИСТОЧНИК | TenCate

Проект TPC-Cycle

Четырехлетний проект начался в сентябре 2015 г., включает партнеров по всей цепочке поставок TPC:

• TenCate Advanced Composites (группа Toray) — материалы
• GKN Fokker Aerostructures — Tier-1 дизайн и производство авиаструктур и сборок
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) — МСП дизайн и производство аэроребер, стрингеров, кронштейнов, клипсов, коробок
• Cato Composites — МСП производство и дизайн деталей для аэро, авто, обороны, спорта, потребления
• Nido RecyclingTechniek (NRT) — технология дробления и уменьшения размера материалов/деталей для переработки

TPC-Cycle фасилитируется TPAC и Университетом прикладных наук Saxion, особенно группой исследований легких конструкций, и финансируется Regieorgaan SIA, часть Нидерландской организации научных исследований (NWO).

Томас де Брейн — менеджер проекта TPC-Cycle и исследователь легких конструкций в Saxion/TPAC. Объясняет драйверы: «Видели рост использования непрерывноволокнистых TPC, особенно для штамповки, как в клипсах и кронштейнах. С ростом объемов послепроизводственных отходов становится существенным. Переработка необходима и для экологии, и экономически, и для соблюдения регуляций. Например, европейское законодательство о конце жизни требует 95% переработки материалов в авто». Airbus тоже поставила цели по переработке и концу жизни, сообщила поставщикам. «Цепочка поставок должна не только говорить, что может выполнить цели, но и доказать демонстраторами», — добавляет де Брейн.

«Также видели рост TPC вне авиации: пищевые ящики, мебель, промышленные компоненты — за счет более низких циклов, легкого веса, умных структур», — говорит де Брейн.

«Хотели доказать коммерчески жизнеспособную цепочку переработки, но не просто измельчение — даунсайклинг. Хотели высокую производительность. Поэтому выбрали подход низкого сдвига для сохранения длины волокна 0,5–1,0 дюйма. Для жесткости нужно пару мм. Для прочности и ударной стойкости — больше 0,5 дюйма». Помимо сохранения длины волокна, другая ключевая задача — хорошая гомогенность при смешивании материалов и в конечном переработанном продукте.

«Цель — собрать отходы, измельчить в хлопья 0,5–1,0 дюйма и превратить в гомогенное тесто, которое экструдируется и прямо передается в прессовочную форму», — объясняет исследователь TPRC и Ph.D. студент Гийом Винсент. «Обработка теста через загрузку хлопьев и гранул девственного полимера в низкосдвиговый миксер, снижая массовую долю волокна до 25–40%». Процесс очень похож на прямой компаундинг длинноволокнистых термопластов (D-LFT), распространенный в авто. «Но D-LFT требует миллионы долларов инвестиций, поэтому используется только в высокосерийном производстве. Мы модифицировали подход, используя меньшие машины, но получая похожие результаты. Наши объемы ниже D-LFT».

Винсент описывает пример, где полная цепочка переработки окупается: «NRT помогла связать нас с производителями крупных дробящих машин, вроде Untha. Это ключевая часть масштабирования процесса для серийного производства».

Первая разрабатываемая цепочка — для CF/PPS. TPC-Cycle построила симуляционные модели и методы анализа для характеристики длины и распределения волокна в переработанном материале. «Также понимаем, как эти характеристики переносятся в свойства прессованной детали», — наблюдает он. Это фокус его Ph.D. диссертации, публикация к концу 2019 г.

Проект TPC-Cycle разработал полную цепочку переработки термопластиковых композитов, включая экономичное дробление и характеристику длины и распределения волокна. ИСТОЧНИК | TPRC/TPAC.

Это переработанное тесто иногда называют 벌к molding compound (BMC). Исторически BMC — тестообразная смесь короткого стекловолокна (<25 мм), термореактивной смольной пасты и наполнителей, прессоваемая в композитные детали. С меньшим объемом волокна и большей текучестью против SMC, давало чуть более низкие механические свойства. TenCate годами продает термореактивные и термопластичные BMC, хотя последнее — процесс, где рубленные UD препрег-ленты расстилают в форму и прессуют. «Наш продукт фактически отличается», — утверждает Винсент. «С конвенциональным термопластичным BMC обычно нет смешивания и требуется длинный цикл нагрева и консолидации. Мы обнаружили: со смешиванием — более гомогенный продукт и меньше концентраций напряжений, так более высокие свойства. С конвенциональным термопластичным BMC — более толстые хлопья с матрично-богатыми регионами на концах, дающими концентрации напряжений в ламинате».

Низкосдвиговый процесс смешивания растрепывает хлопья на слои, затем разделяет слои на пучки и пучки на отдельные волокна. Полимер также смешивают для снижения волокнистого содержания для лучших текучестных свойств, чтобы материал легче обрабатывался в формы.

«Тесто экструдируется и затем роботизированно помещается в открытую изотермическую [нагретую] прессовочную форму», — объясняет де Брейн. «После смешивания волокна в тесте случайно ориентированы. Но при прессовании поток материала реориентирует волокна. Эта ориентация меньше, чем в смесях с более короткими волокнами для инжекционного формования, но схожа от детали к детали. Это одна из тем дальнейшего изучения».

Стоимость

Разработанная цепочка TPC-Cycle кажется экономически выгодной. «Надеемся ответить, насколько можем снизить стоимость детали, позже в 2019 г.», — говорит де Брейн. «Но это сложно, нужен рынок и нужно продавать переработанный материал». Много экономических факторов. Например, большинство производителей просто выбрасывают производственные отходы. Локальная стоимость утилизации на свалке — €80 за тонну ($90). «Но этот выбрасываемый материал имеет ценность», — говорит де Брейн. «Также нужно учитывать затраты на сбор отходов, дробление, смешивание и прессование в новые детали. Однако это также процесс, близкий к нетто-форме с короткими циклами из-за изотермической формы. Другими словами, должно быть резкое снижение или устранение вторичной финишной обработки и механической обработки». Де Брейн говорит, TPC-Cycle теперь смотрит в завершение стоимостного и жизненного цикла анализа.

ИСТОЧНИК | TPRC/TPAC

Clean Sky RESET

Третий проект, подтверждающий важность работы TenCate и TPC-Cycle — проект RESET, январь 2016 – декабрь 2017 г., координированный Леитат Технологическим Институтом в Барселоне, Испания. Кажется, RESET начат под Clean Sky (2008-2016) и завершен под Clean Sky 2 (2017-2021).

Программы Clean Sky и Clean Sky 2 организованы в верхний ярус Инновационных авиационных демонстрационных программ (Vehicle IADPs на изображении) и нижний ярус Инновационных технологических демонстраторов (Large System ITDs). RESET завершен как часть Airframe ITD, конкретно Рабочий пакет (WP) A-3.4 Эко-дизайн для фюзеляжа.

ИСТОЧНИК: Clean Sky 2 Joint Technical Proposal. Для деталей см. «Thermoplastic composite demonstrators — EU roadmap for future airframes»

По словам офицера проекта Clean Sky Элены Педоне, команда RESET в Леитате разработала процесс переработки ранее использованного авиационного композитного материала и использования для производства новых деталей. Сравнили переработанные детали с коммерческими — похожие механические характеристики. «Технология, разработанная в проекте, может быть реалистично коммерциализирована в авиасекторе в ближайшие годы и возможно перельется в другие экономические сектора», — говорит Педоне.

Во время RESET изучали эффекты от PEEK и PPS термопластичных матриц и химической природы углеродного армирования. Форма армирования — длина волокна, тканое/нетканое. Эффект волокнистого содержания (соотношение полимер/волокно) тоже изучали.

Во втором рабочем пакете главная цель — кондиционирование и характеристика переработанного CF/PPS на базе экструзии и полученных прессованных композитов. Две детали — термопластиковый кронштейн и термопластиковый клит — созданы инжекционным формованием, еще две — термоформированием, объясняет научный координатор Леитата Клаудия Агилар. Детали протестированы. «Механические свойства материала оказались сравнимы с коммерческим аналогом», — говорит Агилар.

Проект RESET утверждает, что продемонстрировал процесс переработки, берущий TPC отходы из авиапроизводства и использующий как сырье для новых деталей для авиации. «До 70% переработанного материала использовано для производства нового семейства композитных материалов», — говорит Агилар. Добавляет: «Процесс переработки RESET позволяет европейской авиации ограничить экологический след и снизить производственные затраты новых авиадеталей. Следовательно, проект делает авиаиндустрию более конкурентоспособной и зеленой».

Кронштейн (слева) и клит (справа) из переработанного CF/PPS проекта Clean Sky RESET. ИСТОЧНИК | Леитат Технологический Институт

Будущее TPC начинается с дизайна

Утверждение TenCate и TPRC/TPAC: эти демонстрированные процессы переработки не просто зеленые, но экономически привлекательные. Какие инвестиции нужны? «Зависит от производственного объема», — говорит Тен Напель у TenCate. «Дробящие машины не крупные или дорогие, процесс разработан до довольно прямолинейного». Влияет ли тип матрицы на перерабатываемость? «Нет», — говорит Тен Напель, «но в плане экономической жизнеспособности углерод и PPS, PEEK или PEKK более жизнеспособны, чем стекло и полипропилен из-за их более высокой ценности».

«Думаю, если индустрия примет это, должно начинаться с дизайна», — продолжает он. «Главный барьер сейчас — мышление инженеров. Реально выйти и проектировать с переработанным материалом (или частично интегрировать в новый продукт) — довольно ново для них».

Тен Напель признает: TenCate ни проектирует, ни производит детали коммерчески, «но мы пытаемся вдохновить дизайнеров мыслить так при разработке новых деталей и структур». Цитирует авиаинтерьеры, панели доступа и двери доступа как низковисящие плоды для повторного использования переработанного материала. «Если мы как индустрия привыкнем повторно использовать свои отходы и скрап, тогда сможем сделать следующий шаг и начать смотреть, как адресовать детали конца жизни».

Мантра переработки термопластиковых композитов — просто измельчение и прессование — определенно может быть принята, говорит Тен Напель, но часто не имеет экономического смысла. «Мы продемонстрировали лучший процесс и тот, что может реально создавать более экономичные детали и общие программы. Мы выбрали распространение этого знания вместе с TPRC и TPAC, чтобы вдохновить индустрию на то, что полностью возможно с термопластиковыми композитами. Если термопластиковые композиты будут приняты в крупном масштабе, переработка как неотъемлемая часть производства больше не опция — это необходимость».