Los constructores de automóviles exploran el uso plásticos reforzados y la industrial de los materiales compuestos pretende capitalizar esta necesidad
El proveedor de materiales estadounidense, Cytec Industries, se ha beneficiado de la transición de la industria aeroespacial de los metales a los plásticos reforzados con fibra de carbono en los aviones, y la empresa estima que la industria del automóvil será clave en su crecimiento.
En 2012, Cytec compró el especialista británico en compuestos Umeco por 439 millones de dólares, lo que le permitió adquirir también la división Umeco Structural Materials (USM) de Heanor. USM tiene una extensa experiencia en los deportes del motor y en nichos específicos de la industria del automóvil; sus materiales ligeros se han utilizado en el Agera R de Koenigsegg que ha batido tantos records.
Cytec renombro USM en Cytec Industrial Materials, y poco después de su adquisición inició una asociación estratégica con Jaguar Land Rover (JLR) para desarrollar diseños, materiales y conceptos de producción para el uso rentable de materiales compuestos en aplicaciones para automóviles, desde entonces han estado más involucrados que nunca en proyectos de investigación y desarrollo automovilísticos.
Piezas de geometría compleja
Recientemente Cytec Industrial Materials colaboró con Continental Structural Plastics (CSP) y General Motors para producir una cubierta de batería de materiales compuestos para el automóvil eléctrico Chevrolet Spark. Después de establecer las necesidades de CSP, Cytec desarrolló el material MTM 23, una resina de éster de vinilo libre de compuestos orgánicos volátiles (VOC), que se utilizó para producir un preimpregnado tejido reforzado con fibra de vidrio.
!["Cytec]("https://automotivemanufacturingsolutions.com/wp-content/uploads/2016/01/Spark_batteryWEB.jpg")
Cytec Industrial Materials colaboró con CSP y General Motors para producir una cubierta de batería de materiales compuestos para el Chevrolet SparkCSP es capaz de producir estas piezas en menos de 10 minutos con un secado a 150°C, pero el material MTM 23 se puede secar rápidamente de menos de 3 minutos. La empresa produce 4.000 de estas cubiertas al año.
Según Markus Aschauer, vicepresidente y director general de Cytec Industrial Materials, los materiales compuestos que produce la empresa en la actualidad son viables para una tasa de producción de entre 30.000 y 50.000 vehículos al año, pero aspira a tener una capacidad aún mayor.
Para alcanzar este objetivo, Cytec ha inaugurado un centro de aplicación de 13 millones de dólares en sus instalaciones de Heanor.
Cooperación y comunicación
Alexander Aucken, el director global de automoción de Cytec Industries, comentó: “El centro de aplicaciones ofrece la oportunidad para impulsar el desarrollo de nuestros materiales a la velocidad, coste, rendimiento y nivel de producción que se requiere para la producción de piezas a gran escala por parte de constructores y proveedores de primer nivel.
“No hay una única empresa que pueda hacerlo, por lo que para tener éxito es fundamental el desarrollo, la comunicación y la cooperación en toda la cadena de suministro”.
Por ello, el centro de aplicación será crucial para permitir a Cytec desarrollar estas tecnologías conjuntamente con constructores de automóviles y proveedores de primer y segundo nivel.
El CTO de Cytec Industries, Carmelo Lo Faro, comenta: “La clave de los materiales compuestos es comprender su aplicación. Cytec no produce piezas – no competimos con nuestros clientes – pero para producir los materiales adecuados necesitamos una comprensión óptima de cómo están diseñadas, cómo se producen y cuáles son las necesidades claves de estas piezas”.
El centro cuenta con varias áreas de producción automatizadas, cada una cuenta con tecnologías para el moldeado líquido y por compresión desarrolladas por Cytec y sus asociados que permiten una producción más económica y eficiente de piezas de materiales compuestos. Estas áreas se pueden modificar o intercambiar según los proyectos en los que esté trabajando la empresa.
"La clave de los materiales compuestos es comprender su aplicación..." – Carmelo Lo Faro, Cytec Industries
Cytec realiza gran parte de su trabajo con duroplastos, pero Lo Faro describe la empresa como “agnóstica en materiales”; y o tienen ningún problema para trabajar también con termoplásticos.
Combinación de tecnologías
La área de producción más imponente físicamente cuenta con una prensa descendente Langzauner de 1600 toneladas que se puede utilizar para procesos de moldeado de compresión caliente, el termoconformado y el moldeado de transferencia de resina de alta presión (HP-RTM).
Cytec está utilizando esta prensa para evaluar y definir su epoxi de dos componentes XMTR750 para aplicaciones de HP-RTM. Este epoxi se puede secar en 3–5 minutos a una temperatura de 120–130°C, se puede moldear en caliente, es compatible con agentes de emisión interna y demuestra una viscosidad adecuada para su uso con bajas presiones de inyección.
La empresa también ha invertido en una herramienta Formaplex HP-RTM que cuenta con sensores integrados que permiten el análisis de la distorsión de secado y el análisis del flujo de resina, lo que podría ayudar con el diseño de los procesos de producción de sus clientes.
Estas tecnologías son útiles de manera aislada, pero Aucken destaca que los mejores resultados se alcanzan cuando se utilizan de manera combinada.
Por ejemplo, una de las áreas, desarrollada en el proyecto ACTIVATE, permite la producción de preimpregnados de pliegue cruzado con corte localizado. El corte localizado mejora la adaptación del preimpregnado con una herramienta sin afectar al rendimiento mecánico en áreas donde no sea necesario.
El área cuenta con una máquina de corte Assyst Bullmer con un robot ABB IRB6700 de 6 ejes – con un alcance de 3,2 m y una capacidad de carga de 150kg – y equipada con un efector final de vacío.
Mediante estas máquinas se desenrollan dos bobinas de preimpregnado lado a lado a 0° en la mesa de corte. Este preimpregnado se corta mediante corte suave con un cuchillo ultrasónico que permite cortar el preimpregnado sin dañar el papel de apoyo.
La primera bobina de preimpregnado se corta en cuadrados, se recoge con el efector final y se retira el papel de apoyo. Se ha modificado la pegajosidad de la superficie para garantizar que no se quede pegada al efector final. Estos cuadrados se pueden colocar sobre la segunda bobina de impregnado a 90º para crear un pliegue cruzado 0/90° que puede desenrollarse.
Estos pliegues cruzados de preimpregnado se pueden procesar luego en otra área diseñada para la producción de piezas a medida. Se desenrolla el preimpregnado en una máquina de corte CNC de base plana de Zund que está equipada con un cuchillo ultrasónico capaz de cortar a velocidades de 1–1.000mm/s.
El preimpregnado se corta en kits de pliegues que luego se inmovilizan en una mesa giratoria adyacente donde se forman piezas bidimensionales utilizando un robot ABB 4600 de seis ejes, dos metros de alcance y una capacidad de carga de 60 kg. El robot está equipado con un efector final de recogida y colocación que cuenta con ventosas de acción individualizada.
Estas piezas a medida se pueden inmovilizar en una membrana para la formación de diafragmas dobles. Según Cytec, este proceso es económico, menos de 35 libras por kilo de material procesado, y se puede operar en tiempos de ciclo de 5 minutos.
Mediante esta celda, la membrana que contiene la pieza se coloca en un marco y se aplica el vacío. Se precalienta la pieza dentro del aplique de formación del diafragma que permite la producción de piezas con geometrías complejas. Finalmente, se moldea la pieza mediante compresión con una prensa hidráulica ascendente Schubert de 350 toneladas, donde se somete a un ciclo de secado de 5 minutos a 140°C. Finalmente se desmolda la pieza a 140°C antes de realizar la inspección y corte final.
Proceso de reciclaje
Cytec también ha desarrollado un proceso de reciclaje para los recortes excedentes de preimpregnado generados durante este proceso de producción.
Se alimentan tiras continuas del preimpregnado residual a un extrusor de hélice doble Xtrutech XTS 24D a una tasa de alimentación constante. Las hélices de alimentación de paso variable cortan y mezclan los recortes para producir un material que contiene fibras de longitud y orientación aleatoria, luego es extruido en conjuntos de rodillos y se calandra en una cinta plana.
El material resultante muestra las mismas propiedades mecánicas y características de procesamiento de las láminas compuestas moldeadas (SMC), y se puede utilizar para producir piezas no estructurales o se puede moldear junto con preimpregnados convencionales.
Proyecto VARCITY
El proceso de reciclaje se desarrolló dentro del proyecto VARCITY junto con JLR y Penso – una empresa de producción de piezas de materiales compuestos en la que Cytec Industries ha adquirido recientemente una participación accionarial.
Aucken comenta: “Al trabajar con JLR, o cualquier otro constructor en Reino Unido, Asia o EEUU (y con sus cadenas de suministro) se aprende que lo principal es que tendrás que seguir haciendo preguntas, y por ello debes mantener la comunicación.
“Es el diálogo lo que forma la confianza, lo que establece las relaciones que permiten avanzar en un grupo cohesionado. Es la única manera de dar los saltos hacia delante que los mercados industriales necesitan para la industria de los materiales compuestos”.
En diciembre de 2015 la propia Cytec fue absorbida por el gigante industrial químico belga Solvay en una operación de entorno a 6.400 millones de dólares. Cuando se anunció el acuerdo en julio de 2015, el CEO de Solvay, Jean-Pierre Clamadieu, indicó que esta adquisición representaba una oportunidad única para Solvay de aumentar su catálogo de materiales ligeros para los mercados aeroespacial y automovilístico.
Solvay generó ventas por valor de 10.200 millones de euros en 2014. François Hincker, director de la oficina de gestión de integración de Solvay, comentó: “Tenemos los recursos y el compromiso financiero para invertir en la industria y conseguir que la adopción de materiales compuestos sea incluso mayor que en la actualidad”.
Carmelo Lo Faro concluyó: “Solvay aporta un gran número de capacidades complementarias. El ejemplo obvio que está en boca de todos son los termoplásticos.
“Otro aspecto de Solvay es la perspectiva a largo plazo. No trabajamos para el próximo año, sino para los próximos 30 o 40 años”.