El uso de fibra de carbono en la fabricación de automóviles se encuentra en su infancia, pero con 316 millones de libras de material enviado a vertederos en 2015, es imprescindible que la industria explore más formas de reciclaje
Las directrices del final del ciclo de vida vehículos de la Unión Europea (UE) dictan que el 85% de los materiales utilizados en un automóvil nuevo han de ser reciclables. La fibra de carbono es cara, y de acuerdo con las evaluaciones del ciclo de vida su producción tiene un impacto en el medio ambiente considerablemente mayor que materiales como el acero y el aluminio. Las rutas de reciclaje de estos metales están bien establecidas, mientras que los métodos de reciclaje de fibra de carbono sólo son comercialmente viables desde hace muy poco tiempo.
En 2015 se produjeron unas 18.000 toneladas de residuos de fibra de carbono procedentes de operaciones de fabricación a nivel mundial, de los cuales sólo se reciclaron alrededor de 1.600 toneladas. Ese año se envió a los vertederos fibra de carbono por valor de 316 millones de libras.
Esto es un gran derroche y una oportunidad perdida. El precio de la fibra de carbono reciclada es casi la mitad del de las fibras vírgenes, tiene un potencial de calentamiento global considerablemente menor y muestra propiedades mecánicas similares.
Frazer Barnes, director gerente de la empresa de reciclaje de fibra de carbono ELG Carbon Fibre, dice: "La industria de la automoción requiere costes de fibra de carbono de 5-7 dólares por libra de peso para que el material adquiera mayor protagonismo que el que tiene en la actualidad en las construcciones ligeras. Aunque hay varias iniciativas en torno a la fibra de carbono de bajo coste, la realidad es que sólo la fibra de carbono reciclada puede cumplir con este objetivo a día de hoy".
BMW es el único fabricante de automóviles que utiliza plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRPs) en volúmenes altos de producción. El material se utiliza ampliamente en sus modelos i y en menor medida en su Serie 7. Es también el único fabricante de automóviles que utiliza un proceso de lazo cerrado para el reciclado de fibras de carbono secas, y está utilizando las fibras secundarias resultantes de tres maneras.
En su intervención en el JEC World de este año, el director de proyectos de prototipos de vehículos de BMW Stephan Huber dijo: "Muchos piensan que la sostenibilidad y la fibra de carbono no encajan, BMW piensa que sí lo hacen. No hay una contradicción".
BMW se abastece de fibra de carbono por medio de SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) de Moses Lake, Washington, una empresa que estableció en colaboración con el fabricante de fibra de carbono SGL Group. Estas fibras de carbono (producidas completamente usando energía hidroeléctrica) están agrupadas en tiras y se bobinan antes de ser enviadas a la segunda planta de ACF en el Parque de Innovación de Wackersdorf, en Alemania, para su transformación en preformas de fibra de carbono. Estas preformas se envían a las plantas de producción de BMW en Landshut y Leipzig.
Los restos de fibra de carbono sobrantes de los procesos de corte en estas dos plantas se envían de nuevo a ACF Wackersdorf, donde se corta en astillas y se abre en fibras individuales.
Huber continúa: "Para algunos son desechos, para nosotros es un muy buen material con el que trabajar".
La maquinaria textil carda estas fibras individuales hasta alinearlas en una dirección, creando un compuesto no tejido, que a continuación se apila en capas con una variedad de orientaciones (en función de las propiedades mecánicas requeridas para un componente dado) antes de ser cosidas las unas a las otras.
A continuación el compuesto no tejido se puede impregnar de resina y es especialmente adecuado para la producción de componentes planos, tales como el techo del i3. De hecho, el material secundario ya representa alrededor del 10% de la fibra de carbono utilizada en este vehículo.
El OEM también ha desarrollado un método para incorporar fibras secundarias en compuestos de moldeo en láminas, que están siendo utilizadas para los componentes estructurales de la Serie 7.
Quizá lo más importante es que BMW está utilizando fibras secundarias en granulados termoplásticos para aplicaciones de moldeo por inyección, y está empezando a utilizar estos materiales en la fabricación de componentes para vehículos producidos por sus otras marcas, tales como el soporte de la consola central del actual Mini Clubman.
Este componente se producía anteriormente utilizando una poliamida (PA) reforzada con fibras de vidrio en una proporción del 30% del peso. Trabajando con el especialista en termoplásticos Akro-Plastics y el fabricante de interiores Grammer, el soporte se fabrica mediante PA reforzada con desecho de fibras de carbono de los modelos i en una proporción del 10% del peso. La pieza no sólo es un 15% más ligera que la pieza reforzado con fibra de vidrio, también es mucho más fuerte y rígida. Se puede producir con el mismo equipo de moldeo por inyección y por el mismo precio - una situación beneficiosa en todos los sentidos, según Huber.
BMW es capaz de producir estos granulados a partir de una variedad de resinas termoplásticas, y en el futuro planea utilizarlos en silenciadores de aspiración, cubiertas de motor, pedales de embrague y soportes de rodamiento.
Huber concluye: "Esto sólo es el principio. Produciremos varios componentes de fibra de carbono secundaria durante este año y los próximos años"·
El reciclaje de fibras de carbono impregnadas de resina presenta un desafío completamente diferente al reciclaje de fibras secas. La gran mayoría de CFRP se fabrican utilizando matrices termoestables como el epoxi que no pueden fundirse o reformar una vez curados.
ELG Carbon Fibre es una de varias empresas que utilizan un proceso llamado pirólisis para reciclar fibras de carbono impregnadas. En su planta del Reino Unido, la empresa clasifica y trocea los desechos CFRP que posteriormente se calientan a 400-600 °C en una atmósfera inerte, quemando la resina. ELG dice que su tecnología patentada produce fibras de carbono puras.
Con estas fibras la empresa ha desarrollado una serie de productos adecuados para aplicaciones de automoción que incluyen: un producto corto de fibra; láminas no tejidas que se pueden usar individualmente o en combinación con fibras de carbono vírgenes en SMCs (Sheet Moulding Compounds), y son adecuadas para la producción de capós, maleteros y portones traseros, cavidades de la rueda de repuesto, y en última instancia aplicaciones estructurales; láminas no tejidas fabricadas a partir de fibras de carbono recicladas mezcladas con fibras termoplásticas, que pueden ser moldeadas por compresión para producir componentes de interior.
Barnes dice: "En productos equivalentes, tales como compuestos de moldeo por inyección o láminas no tejidas, las propiedades son las mismas, pero el coste de la fibra es habitualmente un 40% más bajo. En comparación con otras formas de fibra de carbono, tales como el preimpregnado unidireccional, las propiedades son diferentes por supuesto; el factor importante es utilizar el material correcto en el lugar correcto".
En 2015 ELG produjo unas 1040 toneladas de productos de fibra de carbono. Los materiales se han utilizado en el chasis iStream Carbon con alto porcentaje de CFRP de Gordon Murray Design, que constituyó la base del prototipo biplaza Sports Ride que Yamaha presentó en el Tokyo Motor Show de 2015.
Barnes continúa: "Los principales obstáculos para la utilización de fibra de carbono reciclado, al igual que con cualquier material nuevo, están generando datos experimentales y demostrando el rendimiento de los prototipos. Hemos establecido una serie de proyectos para abordar estas cuestiones, y ahora contamos con la información suficiente para permitir seleccionar los materiales para los nuevos programas de producción".
ELG está planeando la construcción de dos nuevas plantas, una en Alemania y otra en los Estados Unidos.
La pirólisis es viable para el reciclaje de residuos de fabricación de CFRP, pero el proceso no está exento de problemas; requiere mucha energía y puede dejar residuos carbonosos en la superficie de las fibras de carbono, lo que dificulta el procesamiento posterior. El reciclaje de los residuos al final de su ciclo de vida también es problemático.
Tal vez la respuesta a largo plazo sea diseñar los CFRP para ser reciclados.
Los termoplásticos se pueden volver a fundir y reformar, y su utilización aumentará en el futuro. Además, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia (GT) han descubierto que las resinas epoxi basadas en Vitrimers se pueden disolver en etilenglicol (EG) a temperaturas elevadas.
Un investigador postdoctoral de GT, Kai Yu, dice: "Los Vitrimers contienen enlaces dinámicos que pueden alternar su estructura sin perder la integridad de red bajo ciertas condiciones. Dejamos que el EG, que tiene moléculas pequeñas, participe en las reacciones alternantes que disuelven efectivamente los Vitrimers".
Los compuestos no tejidos, impregnados en resina, son particularmente adecuados para la producción de componentes planos como el techo del BMW i3 Una vez disuelta, la fibra de carbono intacta se pueden reutilizar, mientras que se puede evaporar el EG y reformar el epoxy. El profesor Jerry Qi, investigador principal del proyecto, dice: "Los polímeros termoestables basados en Vitrimers son un nuevo grupo de polímeros y se están investigando activamente en los últimos años. Esperamos que la investigación de la academia pueda acelerar las amplias aplicaciones de estos materiales en la industria".
Connora Technologies defiende un enfoque de reciclaje similar al desarrollado por GT.
Connora dice que los compuestos fabricados con sus agentes de curado a base de poliaminas Recyclamine son totalmente reciclables: tanto la matriz epoxi como el refuerzo se pueden separar, recuperar y reutilizar, usando un proceso de reciclaje basado en soluciones de bajo consumo energético. Los refuerzos recuperados utilizando este proceso demuestran propiedades casi iguales que las de los materiales vírgenes.
En enero de 2014, Connora y Adesso Advanced Materials anunciaron una asociación formal para acelerar la entrega de la tecnología Recyclamine. Las tecnologías de Adesso son muy similares a las de Connora.
Las resinas epoxi de la empresa china (la gama Recycloset) y los agentes de curado degradables Cleavamine se pueden separar de plásticos reforzados utilizando un disolvente. Esto se puede lograr a presión atmosférica y a temperaturas de 120-160 °C.
En su intervención al anunciar la asociación, el director de tecnología (CTO) de Connora, Stefan Pastine, dijo: "Tanto Connora como Adesso se dieron cuenta pronto de que el problema del reciclaje de residuos de compuestos termoestables no lo podría abordar una empresa en solitario. No sólo tenemos que desarrollar una única tecnología o química, sino todo un ecosistema de partes interesadas dispuestas a construir una nueva industria en torno al reciclaje termoestable".
