Mejoras tecnologías de manufactura de compuestos avanzados desarrolladas por IACMI ayudan la integración de prácticas innovativas.
Uday Vaidya
La transición de los Estados Unidos a una economía de energía limpia requerirá la adopción amplia de tecnologías transformativas que ahorran energía y reducen las emisiones perniciosas. Acciones regulatorias tales como la Economía Corporativa de Combustible Promedio (CAFE por sus siglas en inglés) apuntan a incrementar, de manera significante, los estándares de economía del combustible para los automóviles, para el año 2025.
Los compuestos de polímeros reforzados con fibras son activadores claves de las ganancias en eficiencia de energía y en la reducción de las emisiones. Altas relaciones de fortaleza a peso, una durabilidad excepcional, y propiedades direccionales son algunos de los beneficios claves que hacen que los materiales compuestos sean una selección valiosa para productos de alto rendimiento a través de múltiples mercados e industrias.
El Instituto para la Innovación de la Manufactura de Compuestos Avanzados (IACMI), de Knoxville, Tenn., está acelerando la transición al mercado de las tecnologías de manufactura de compuestos avanzados, para facilitar la integración de innovativas tecnologías y prácticas a través de la cadena de suministro.
La producción a bajo costo y eficiente en energía de compuestos de polímeros avanzados reforzados con fibras, para uso en automóviles, turbinas de viento, y en aplicaciones de almacenaje de gas comprimido, se espera que revitalizarán la manufactura e innovación en Estados Unidos, y produzcan substanciales beneficios económicos y ecológicos, para la protección del medio ambiente.
La IACMI contribuye a esta visión a través de su investigación de alto valor, así como programas de desarrollo y demostración que reduce el riesgo técnico para los manufactureros, al mismo tiempo que entrena a la próxima generación de trabajadores para la industria de los compuestos.
Programa de la IACMI
La IACMI se ha enfocado en varias áreas relacionadas con compuestos avanzados, tales como:
- Materiales y Procesos;
- Modelado y Simulación;
- Almacenaje de Gas Comprimido;
- Tecnologías de Viento; y
- Vehículos.
La tecnología de Materiales y Procesos de Compuestos (M&P por sus siglas en inglés), se enfoca en materiales intermedios tales como bolitas, cintas, tejidos, fibras de carbono de bajo costo (LCCF), el reciclado de fibras de carbono y de vidrio, la evaluación no destructiva (NDE), la caracterización de los materiales, métodos de manufactura novedosos, y procesos precursores y de conversión más eficientes.
El área de M&P está situada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y en la Universidad de Tennessee, con asociaciones con la Universidad Vanderbilt y la Universidad de Kentucky.
La tecnología de Modelado y Simulación (M&S) permite la definición de productos digitales a través del uso de herramientas de modelado y simulación como una metodología fundacional para el diseño, la manufactura, y los productos compuestos sostenibles.
La educación y el entrenamiento de la próxima generación de la fuerza laboral es herramientas y metodologías de diseño, y la exploración de múltiples fenómenos físicos para la manufactura de materiales y estructuras de compuestos de polímeros usando herramientas de simulación. La tecnología M&S está siendo desarrollada en la Universidad Purdue, de Indiana.
La tecnología de Almacenaje de Gas Comprimido (CGS) está avanzando los diseños de los tanques de forma específica, los diseños preforma de compuestos trenzados, y los métodos que permiten la reducción en los factores de seguridad para reducir la cantidad de fibra de carbono requerida en el diseño de los tanques. Los materiales compuestos ayudan a satisfacer la creciente demanda por contenedores de gas natural comprimido (CNG), y eventualmente por tanques para el almacenaje de hidrógeno — como una alternativa de baja emisión a la gasolina y al dísel. El área CGS está localizada en el Instituto de Investigación de la Universidad Dayton (UDRY), en Ohio.
La tecnología de Turbinas de Viento explora las resinas termoplásticas, los diseños de turbina de viento segmentados, la automatización para reducir los costos y la mano de obra, y los componentes de turbina de viento que se pueden juntar. Las turbinas de viento hechas de materiales compuestos usadas en la actualidad, son hechas generalmente con resinas de termofijado, que son muy demoradas para producir, y que representan un desafío económico para el reciclado, y que son cada vez más difíciles de transportar debido al crecimiento de la longitud de las paletas para capturar más energía. La tecnología de viento está siendo desarrollada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), en Golden, Colorado.
La Tecnología de Vehículos busca reducir los costos de manufactura y mejorar la reciclabilidad a través de innovativos conceptos de diseño, herramientas de bajo costo, herramientas robustas de modelaje y simulación, tecnologías efectivas de unión, y métodos confiables de detección de defectos.
El aumento de los estándares en la economía de combustibles, que apunta a reducir las emisiones y a mejorar la seguridad de la energía, están obligando a los fabricantes de vehículos a buscar oportunidades para la reducción de la masa de los vehículos a través de la integración de materiales de peso liviano. El área de vehículos está concentrada en la planta Corktown, en Detroit, y en la Universidad del Estado de Michigan, en East Lansing, Detroit.
Subtópicos importantes
Las actividades técnicas de la IACMI están organizadas por subtópicos importantes que se extienden a través de las cinco Areas de Tecnología mencionadas anteriormente (Ver Fig. 1). Estos subtópicos capturan la gama completa de tecnologías capacitantes, necesarias para maximizar el progreso en relación a las metas técnicas de la IACMI de 5 y de 10 años, con respecto al costo, la energía, y la reducción de desperdicios para las tecnologías de manufactura de materiales compuestos.
Avances en las tecnologías de fibra de carbono a través de precursores alternativos, procesos eficientes, y la conección en la ingeniería son críticos para la reducción de los costos con un mejor rendimiento. Se están adoptando precursores alternativos, tales como el poliacrilonitrilo (PAN) de grado textil, y métodos de procesamiento para la ingeniería de materiales de fibra de carbono que producen propiedades superiores en las piezas finales y con niveles de producción de energía reducidos.
Avances recientes obtenidos en el Laboratorio Nacional Oak Ridge han permitido la creación de fibras de carbono de bajo costo (LCCF), con propiedades y costos adecuados para automóviles, turbinas de viento y productos de tecnología CGS (Ver Fig. 2).
Refuerzos innovativos, resinas, aditivos y materiales intermedios están permitiendo tiempos de producción más rápido, una reducción en los desperdicios, características integradas, y una reducción de la energía consumida. Los tejidos integrados, los trenzados, las preformas y los pre-pregs se están usando en la fabricación rápida de interiores para puertas, pisos, respaldos para asientos, techos, maleta del carro, y en otros componentes debajo del capó del carro, así como en hojas o paletas para turbinas de viento, y tanques hechos de materiales compuestos.
Técnicas de manufactura avanzada tales como el super moldeado por inyección, las preformas estampables, las preformas con puntadas localizadas, y el moldeado por transferencia de resina a alta presión, son algunos ejemplos que reducen los costos de la manufactura de compuestos y el consumo de energía, y mejoran el rendimiento y reciclabilidad de los componentes.
La Fig. 3 ilustra una preforma reforzada en puntos localizados para proveer propiedades direccionales. La IACMI está asociada con el Centro de Prototipos de Compuestos (CPC), de Long Island, N.Y., para el prototipo y la fabricación de compuestos.
Reciclado
El reciclado de compuestos es de creciente interés para la comunidad de la industria de compuestos. Las tecnologías de la próxima generación ofrecen combinaciones novedosas y cada vez más complejas, así como formulaciones de compuestos reforzados con fibras, pero estos son difíciles de reciclar usando las prácticas corrientes.
Puesto que las fibras de carbono cortado reciclado cuestan un 70% menos de producir y usan hasta un 98% menos de energía en la manufactura en comparación con la fibra de carbono virgen, las tecnologías de reciclado están creando nuevos mercados gracias al uso de alrededor de 29 millones de libras de desperdicios de compuestos que se envían anualmente a los basureros municipales.
Avances en las tecnologías de reciclado incluyen pirolisis, solvolisis, desmenuzado mecánico e incineración en cemento, los cuales permiten el reciclado, reuso, y remanufactura de productos. La IACMI tiene asociaciones estratégicas en las tecnologías de reciclado con la Asociación Norteamericana de Manufactureros de Compuestos (ACMA por sus siglas en inglés), y el Centro de Tecnología de Reciclado de Compuestos (CRTC por sus siglas en inglés), de Port Angeles, Washington.
Las tecnologías de aditivos en la manufactura de compuestos ofrece una alternativa de alta producción y bajo costo a los métodos de herramienta tradicionales, y muestra una gran promesa como un método de procesamiento efectivo para estructuras de compuestos estampados hechos de fibras de estructura reclamadas.
Los métodos de aditivos tienen el potencial de reducir de manera significante los tiempos de elaboración de compuestos y aumentando la recuperación y el reuso de las fibras de carbono estructuradas.
Las resinas de termoplástico avanzadas se pueden realizar en los procesos de producción corrientes: Los termoplásticos tienen tiempos de ciclo más cortos y son más apropiados para el reciclado. Se está incrementando el uso de termoplásticos para una variedad de actividades, incluyendo el desarrollo de novedosos métodos de polimerización en sitio, que mejoran el rendimiento a la fatiga del termoplástico. En varios estudios se mostró una hoja de turbina de viento hecha de resina de termoplástico de fibra de vidrio, de nueve metros, producida en el área de tecnología de viento de la IACMI.
El Diseño, el Prototipo y la Validación (DPV) son pasos integrales para convertir los diseños conceptuales en componentes de alto rendimiento y verificando que estos componentes satisfagan los requerimientos del producto. Estos pasos de desarrollo del producto dependen de un entendimiento robusto de los límites de materiales, las capacidades de procesamiento, los principios de diseño mecánico, y las mejores prácticas de manufactura para optimizar la seguridad, confiabilidad, y el rendimiento de un sistema.
La IACMI está avanzando innovativos conceptos de diseño de vehículos por medio de la dirección de actividades tales como la facilitación de estudios que comparan la unión de compuestos y los diseños de conección para varios métodos de ensamblaje, estableciendo métodos de optimización de diseños para la manufactura y el reciclado, validando los modelos de simulación de choques de compuestos, y creando análisis tecno-económicos de piezas de compuestos usadas en vehículos para proveer a los manufactureros con ejemplos de diseño, prototipos y validación.
Las herramientas de modelado y simulación para aplicaciones en la industria automotriz requieren una gama de actividades que incluyen la evaluación de la variabilidad en los procesos de manufactura simulada de extremo a extremo, conduciendo ensayos acelerados y modelos de validación con datos experimentales, incorporando diseños de juntas compuestas en modelos de choque validero, y compartiendo las propiedades de materiales claves para informar los esfuerzos de simulación.
La integración de estos esfuerzos en la IACMI está permitiendo reducir el tiempo de desarrollo del producto para su uso en la industria textil.
Perspectivas de la industria
Las tecnologías de comercialización para la manufactura a bajo costo y de eficiencia en energía de compuestos de polímeros avanzados reforzados con fibras para usos en vehículos, turbinas para vientos, y aplicaciones en CGS, se traducirán en significantes beneficios económicos y ecológicos y ayudarán a revitalizar la manufactura y la innovación en Estados Unidos.
La IACMI-The Composites Institute (Instituto de Compuestos) está desempeñando un papel vital en la formación futura de la competitividad y el crecimiento de puestos de trabajo en Estados Unidos, y en las actividades técnicas necesarias para acelerar el progreso hacia esta visión.
Nota del Editor: El Dr. Uday Vaidya ocupa el puesto honorífico UT/ORNL en la Manufactura de Compuestos Avanzados, en la Universidad de Tennessee, en Knoxville, y es el principal funcionario tecnológico en el Instituto para la Innovación de la Manufactura de Compuestos Avanzados (IACMI), en Knoxville.
Marzo-Abril de 2017
