Zero Waste:Neuer Prozess, Ausrüstung recycelt Prepreg, Bandabfälle

Eine Herausforderung beim Kitting von Prepreg-Geweben oder unidirektionalen (UD) Bändern besteht darin, herauszufinden, was mit zu kleinen Besätzen oder mit falsch ausgerichteten Fasern für die Wiederverwendung in einem anderen Projekt zu tun ist. Obwohl Nesting-Software und Schneidegeräte den Ausschuss erheblich reduziert haben, landen Schnittreste immer noch häufig auf Deponien, was die Material- und Teilekosten sowie die Umweltbelastung erhöht. Ein niederländisches Unternehmen, Van Wees UD und Crossply Technology BV (Tilburg, Niederlande), tragen jedoch zur Verbesserung der Nachhaltigkeit bei, indem sie eine neue Technologie – und die Maschinen, die es ermöglichen – zur Wiederverwendung von thermoplastischen Klebebandabfällen entwickeln.

Textilwurzeln

Van Wees wurde 1945 gegründet und ist tief in der Textilindustrie verwurzelt. Van Wees ist ein Full-Service-Anbieter, der Maschinen und Produktionslinien zur Herstellung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe (Duroplast oder Thermoplast, Kohle- oder Glasfaser) mit Fokus auf entwickelt, produziert, installiert und in Betrieb nimmt qualitativ hochwertige Produktionsmethoden für hohe Stückzahlen. Das Unternehmen fertigt Prepreg-Imprägnieranlagen (einschließlich Gatter) — hauptsächlich für Epoxide auf der Duroplastseite und für Materialien von Polypropylen (PP) bis zu Hochtemperatur-Polyamiden (PA) auf der thermoplastischen Seite — sowie Kreuzlagen- und Multiaxial-UD-Tape-Bestückungsmaschinen , die sowohl thermoplastische als auch duroplastische Bänder verarbeiten kann. Ein Schwesterunternehmen, Eltra Engineering BV (ebenfalls in Tilburg), ist auf industrielle Automatisierungstechnik spezialisiert und liefert elektrische Steuerungen und Software für Van Wees-Maschinen.

In seinem Forschungs- und Technologiezentrum (R&TC) unterhält Van Wees Geräte im Produktionsmaßstab für die eigene Prozessentwicklung sowie für Kunden, die ein Van Wees-System in Betracht ziehen oder die Bedienung von Geräten lernen, während sie auf den Bau ihrer Maschinen warten. Dadurch können Kunden Material erstellen, das sie bewerten oder wiederum ihren eigenen Kunden zur Bewertung anbieten können. Im R&TC können beispielsweise Kabel aus einem Spulengatter gezogen und Fasern zu Tapes imprägniert werden, die dann durch die Crossply- oder Multiaxial-UD-Maschinen des Unternehmens geführt werden, um Laminate mit unterschiedlichen Lagenlagen und Faserorientierungen herzustellen. (Crossply-Laminate haben mindestens zwei Lagen, die um 0/90 Grad orientiert sind, und multiaxiale UD-Laminate haben mindestens zwei UD-Lagen, die in Winkeln orientiert sind andere als 0/90 Grad.) Laminate, die diese Maschinen verlassen, werden zur einfacheren Handhabung zusammengeheftet. Als nächstes können sie zu netzförmigen Vorformlingen gestanzt werden, die dann zur Verarbeitung zu einem Verbundteil bereit sind. Obwohl sich der Ausrüstungsfokus von Van Wees bei den Crossply- und Multiaxial-UD-Ausrüstungen auf die Produktion von thermoplastischem UD Bänder können die Maschinen zur Herstellung von Bändern mit duroplastischen Matrizen und/oder mit Gewebe anstelle von UD-Verstärkungen verwendet werden.

Interessanterweise war es das Abfallproblem von Van Wees bei der Herstellung dieser Produkte für Kundentests sowie Kundenanfragen, die die Unternehmensforscher dazu veranlassten, einen „Zero-Waste-Prozess“ zu entwickeln, um Späne/Abfälle aus der Preform-Produktion unter Verwendung von Tailored-Fibre-Blanks zu recyceln . Als Service bietet das Unternehmen seinen Kunden die Möglichkeit, diese chipbasierten thermoplastischen Rohlinge zu evaluieren und hat bereits Anlagen entwickelt, um diese in hohen Stückzahlen kommerziell zu produzieren.

Verschwenden Sie nicht, wollen Sie nicht

Während des Stanzvorgangs zur Herstellung netzförmiger Vorformlinge (von Van Wees „Patches“ genannt) wird Abfallmaterial gesammelt und nach Harz- und Fasertyp getrennt. Dieser Schrott hat eine unregelmäßige Form und Größe, daher sind Stanzwerkzeuge darauf ausgelegt, „Späne“ mit einer maximalen Größe von 50 mal 50 Millimetern zu produzieren. Gehackte Späne werden dann zu einer verfestigten Platte gepresst (durch Pressen oder Vakuumformen), was zu einem Laminat mit zufällig orientierten, diskontinuierlichen Fasern führt. Zur Herstellung der Platte ist kein zusätzliches Harz erforderlich, und es werden nur Chips mit chemisch kompatiblen Harzen vermischt, obwohl sowohl glas- als auch kohlenstofffaserverstärkte Chips kombiniert werden können, je nach den gewünschten Eigenschaften des endgültigen Teils, das aus den Chips geformt wird Laminat.

Da die Fasern in einzelnen Chips innerhalb des Laminats bis zu 50 Millimeter lang sein können und die Faserorientierung über die gesamte Platte zufällig ist, bieten die zu 100 Prozent recycelten, abfallfreien Tailored Blanks eine gute und orthotrope Steifigkeit und Festigkeit – insbesondere im Vergleich zu Kurzfaserinjektion Formmassen. Da die Fasergewichtsanteile für die diskontinuierlichen Faserbündel der Laminate jedoch 50 bis 70 Prozent betragen können – mit anfänglichen Formulierungen am oberen Ende dieses Bereichs – kann das Material in einer Kompressionspresse kaum fließen. Um 2,5D- oder 3D-Geometrie zu füllen, muss das chipbasierte Laminat daher in einer Spritzgussmaschine mit Kurzfasern oder sogar reinem Harz umspritzt werden. Es könnte auch zusammen mit einem Endlosfasermaterial in einer Kompressionspresse geformt werden. In jedem Fall muss das Laminat vor dem Formen vorgewärmt werden.

Interessanterweise hat Van Wees herausgefunden, dass die chipbasierten Platten immer noch die Hälfte der Biegefestigkeit und des Moduls ihrer Hochleistungs-Endlosfaser-Kreuzlagenplatten in derselben Faser- und Harzkonfiguration bieten.

Konzept bestätigt

Um die Leistungsfähigkeit seiner abfallfreien Tailored Blanks zu demonstrieren, hat Van Wees mehrere Demonstratorprojekte durchgeführt. Einer war ein Versteifungs-/Aufprallträger für Türinnenverkleidungen an einem Pkw. Grundlage dieser Bemühungen war das Projekt Lipa Series, bei dem leichte Verbundteile für die Serienproduktion für eine Reihe von Industrien entwickelt wurden. Das inzwischen inaktive Konsortium mit Sitz in Büsslingen, Schweiz, baute auf Kerntechnologien auf, die das Vorformen von Endlosfaser-Organoblech/Glasmatten-Thermoplast (GMT)-Verbundwerkstoffen und das anschließende Hinterfüllen mit faserverstärktem Harz in einer Spritzgussmaschine umfassen.

Der Demonstratorträger von Van Wees (ein Teil, der verwendet wird, um die Vorschriften für Seitenaufprall/Eindringung zu erfüllen) war ungefähr 650 Millimeter lang, 110 Millimeter breit, hatte eine Nennwand von 3 Millimetern und wog ungefähr 450 Gramm im Referenzmaterial, das ein 3- Millimeter glasgewebeverstärktes PA6. Das Teil wies außerdem eine 40 Millimeter hohe Kuppelstruktur in der Mitte auf. Der Aufprallträger aus Organoblech bot keine ausreichende Energieabsorption, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Daher versuchten die Van Wees-Forscher, die Gesamtleistung bei gleicher Wandstärke (da vorhandene Werkzeuge verwendet wurden), in einer Zykluszeit von weniger als einer Minute und ohne Abfall zu verbessern .

In Zusammenarbeit mit mehreren Polymerlieferanten produzierte Van Wees intern UD-Bänder mit verschiedenen Polymeren und Verstärkungen – darunter Glasfaser/PA4/10, Glasfaser/PP, Kohlefaser/PP und Glas + Kohlefaser/PP. Passende Kurzfaser-Umspritzmassen wurden von den Harzlieferanten hergestellt. Simulation wurde verwendet, um die Anzahl und Ausrichtung der einzelnen UD-Lagen für Tailored Blanks zu bewerten, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen oder zu übertreffen. Anschließend wurden aus Bändern Endlosfaserlaminate hergestellt, aus denen die Crashträger hergestellt wurden. Computer-Aided Engineering (CAE)-Ergebnisse sagten voraus, dass Tailored Blanks aus Glasfaser/PA4/10 die besten Eigenschaften zu niedrigeren Kosten als Gewebe/Organoblech bieten würden, und physikalische Tests haben dies bestätigt.

Um weiter nach Möglichkeiten zur Abfall- und Kostenreduzierung zu suchen, verwendeten die Forscher Schrott (ca. 30 Prozent Schnittverluste), der bei der Herstellung von Endlosfaserlaminaten anfällt, zur Herstellung von Aufprallträgern, recycelten dieses Material zu chipbasierten Laminaten mit einer Dicke von 1 Millimeter und verwendeten dieses Produkt als Kernschicht (als Ersatz für drei UD-Lagen) zwischen "Häuten" aus mehr UD-Material, die auf der multiaxialen UD-Maschine hergestellt wurden. Interessanterweise sahen sie in Vorversuchen mit einer begrenzten Stichprobengröße bei den Hybridlaminaten mit einer Mischung aus kontinuierlicher und diskontinuierlicher Verstärkung im Vergleich zu den vollständig kontinuierlich verstärkten Laminaten keinen oder nur geringen Leistungsverlust.

Zusätzliche vom Team durchgeführte Berechnungen zeigten, dass es möglich wäre, die Produktionsziele von Van Wees von 2 Millionen Schutzträgern pro Jahr mit dem vom Team der Lipa-Serie entwickelten 1-Minuten-Verbundumspritzungsprozess zu erreichen. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der die Tailored-Blank-Produktionslinien von Van Wees (1.800 Patches/Stunde auf der multiaxialen UD-Maschine und 1.260 Patches/Stunde auf der Crossply-Maschine) arbeiten, würde das Hinzufügen zusätzlicher Ausrüstung zur Umwandlung von Schrott in chipbasierte Laminate eine Null bedeuten -Abfallproduktionssystem und steigern das Produktionsvolumen um 30 Prozent auf 2,6 Millionen Teile pro Jahr. Ironischerweise wären die Spritzgießmaschinen der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt in dieser Produktionssequenz – etwas, das nicht oft vorkommt.

Ein weiteres schnelles Projekt, das Forscher des Unternehmens durchgeführt haben, war die Entwicklung von Türgriffen mit Verbundwerkstoff für den Konferenzraum in der Van Wees-Zentrale. Bei der letztjährigen Composites Overmolding-Konferenz konnten sich die Teilnehmer die endgültigen Composite-Einsätze ansehen.

„Gemeinsame Entwicklung und Innovation sind die treibenden Kräfte der modernen Industrie“, sagt Rien van den Aker, Direktor von Van Wees. „Wir glauben, dass die gemeinsame Entwicklung mit allen Akteuren der Verbundkette von größtem Interesse ist. Metalle sind die Konkurrenten unserer Branche und werden auf rationellste Weise hergestellt. Daher können wir nur mit intelligenten Prozessen und Anlagen leichte Verbundprodukte in Großserienanwendungen einführen.“ Er betont, dass es einer gemeinsamen Anstrengung der Mitglieder der Lieferkette bedarf, um eine abfallfreie Produktion von duroplastischen und thermoplastischen Verbundteilen zu ermöglichen. „Van Wees unterstützt Interessenten gerne bei der Produkt- und Prozessentwicklung“, fügt er hinzu.