En la industria del automóvil, la fibra de carbono es una gran noticia. A pesar de las quejas sobre su coste, la mayoría de los fabricantes de automóviles están llevando a cabo, como mínimo, esfuerzos privados de I+D en la búsqueda activa de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) -un medio clave para la producción de vehículos ligeros de pasajeros y camiones ligeros- mientras intentan cumplir con las inminentes normativas sobre emisiones de CO2 y economía de combustible. Los fabricantes de automóviles europeos van a la cabeza. Algunos ya han sacado al mercado vehículos comerciales con un importante contenido de CFRP, lo que ha causado un gran revuelo, tanto en la prensa especializada como en los medios de comunicación.
Una verdad incómoda
Hasta hace poco, el coste y los medios para cumplir con la directiva de la Unión Europea (UE) sobre vehículos al final de su vida útil (VFU) estaban muy ausentes en estos debates. Ésta exige que el 85%, en peso, de los materiales utilizados en cada coche y camión ligero fabricado a partir del año 2015 sea reutilizable o reciclable. Los metales y los plásticos puros -materiales amorfos- tienen un historial de reciclaje probado. Pero el CFRP no. Sí, el VFU permite cierta eliminación: hasta el 10% del peso del vehículo puede incinerarse y el 5% restante puede ir a parar a un vertedero. Pero las matemáticas no funcionan: Si la fibra de carbono va a convertirse en una herramienta importante en la caja de herramientas de aligeramiento de los fabricantes de automóviles, el reciclaje del CFRP de los VFU es un imperativo. La buena noticia es que este problema, que antes se consideraba casi irresoluble, avanza a buen ritmo hacia su solución, gracias a un esfuerzo decidido y creciente por desarrollar tecnologías de reciclaje de CFRP
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Las estrategias de reciclaje se centran en dos frentes. El primero es la recuperación y reutilización de los flujos de residuos de CFRP (material fuera de especificación, restos de operaciones de corte/recorte, etc.) en forma de fibra seca y prepreg.
Tim Rademacker, director general de CFK Valley Recycling (Stade, Alemania), cita una demanda estimada de fibra virgen en 2014 (véase la Fig. 3, a la izquierda) de 50.000 toneladas métricas (110 millones de libras), y señala que si el 30% de esa cantidad termina como residuo de producción -una cifra comúnmente citada- el resultado es de ~10.000 toneladas métricas/~22 millones de libras de fibra de carbono reciclada (RCF) comercial antes de considerar las estructuras al final de su vida útil (EOL). Los recicladores predicen que los fabricantes de automóviles serán los grandes beneficiarios de las fibras recuperadas de los flujos de residuos de fibra de carbono generados por los fabricantes de otras industrias. «Podemos recibir hasta 50 toneladas métricas de residuos de fibra de carbono en un mes determinado procedentes de la industria eólica», afirma Alex Edge, director de ventas y desarrollo empresarial de la empresa de reciclaje ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido). (Coseley, Reino Unido), señalando que gran parte de ellos se generan cuando los materiales se preparan para el montaje de las palas de las turbinas.
«La mayor parte de los residuos que recibimos proceden de la industria aeroespacial y de la automoción», dice Rademacker, quien, a diferencia de Edge, afirma que «todavía no vemos muchos procedentes de la energía eólica, que sigue utilizando principalmente fibra de vidrio.»
La FCR procedente de los aviones es especialmente prometedora. «El sector aeroespacial genera toneladas de residuos», dice Edge, «pero hay que utilizarlos en otros mercados». Una gran razón es que la fibra recuperada por los medios actuales está troceada. Actualmente inutilizable en las estructuras de las turbinas eólicas y los aviones (los interiores de las aeronaves son la única excepción), la fibra discontinua ha sido durante mucho tiempo un elemento básico de los compuestos de automoción, sobre todo en los interiores de los automóviles y bajo el capó. «Hemos trabajado mucho en los últimos años con grandes fabricantes de equipos originales, tanto en el suministro de residuos aeroespaciales como en el uso final de productos reciclados en la automoción», dice Edge.
Dado esto, la materia prima del reciclador hoy en día proviene principalmente de los residuos. Sin embargo, los recicladores no ven el procesamiento de residuos como un fin en sí mismo. A largo plazo, quieren ayudar a los usuarios de CFRP a «cerrar el círculo»: Si los fabricantes de automóviles deben asegurarse de que los materiales de automoción son reciclables, entonces es una gran ventaja reutilizar la fibra recuperada de los vehículos fuera de uso en la producción de nuevos vehículos. Por lo tanto, el procesamiento de residuos se considera un primer paso importante a medida que los recicladores se preparan para procesar el creciente número de piezas de CFRP que llegarán al final de su vida útil cada año.
Aunque se han concebido varios métodos para reciclar la fibra de carbono, incluidos algunos que mantienen las fibras largas e incluso conservan los tejidos, toda la FCR comercial actual se somete a pirólisis (véase la Fig. 1 y, para más información, véase la nota del editor al final de este artículo). Los residuos entrantes se clasifican por tipo (fibra seca, preimpregnado, piezas EOL) y, en algunos casos, por tipo de fibra. Las piezas viejas se trituran o pican, y todos los materiales se trituran hasta alcanzar un tamaño homogéneo, lo que aumenta el volumen para la pirolización. La pirólisis vaporiza el material restante de la matriz en las piezas EOL trituradas y los residuos de preimpregnado (que luego se extraen mediante ventilación), pero, sobre todo, deja la fibra intacta. También elimina los aprestos y aglutinantes de las fibras. Después de la pirólisis, como se indica más adelante, el acondicionamiento personalizado puede incluir el apresto de la fibra y/o los aglutinantes aplicados a la superficie de la fibra recuperada para la reutilización específica de un cliente.
Capacidad comercial
En pocos años, las operaciones de reciclaje han pasado de ser proyectos piloto a instalaciones de producción comercial. Aunque sus nombres han cambiado y otros se han unido a la contienda, los principales actores siguen siendo los mismos.
En 2011, el reciclador de metales alemán ELG Haniel (Duisburgo, Alemania) adquirió Recycled Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido). (Coseley, Reino Unido; antes Milled Carbon Group) y su planta de reciclaje a escala comercial (puesta en marcha en 2009), pasando a llamarse ELG Carbon Fibre.
¿Por qué un reciclador de metales entraría en el mercado de la FCR? «Vieron que cada vez había más metales contaminados con fibra de carbono y una oportunidad para capturar un alto valor de los residuos aeroespaciales», explica Edge de ELG Carbon Fibre. «Procesamos 2.000 toneladas métricas de residuos y generamos 1.000 toneladas métricas de fibra de carbono recuperada al año mediante un proceso de pirólisis patentado y un horno de cinta de 21 m/69 pies de largo».»
ELG CF clasifica los residuos y los tritura. «A continuación, utilizamos un sistema automatizado para llamar a un volumen de residuos seleccionado de uno de los cuatro búnkeres de almacenamiento», detalla Edge, «que luego se transporta al horno». A continuación, las fibras se procesan para producir productos de fibra picada, molida o peletizada, y se está desarrollando una estera perforada con agujas.
Edge dice que ha aumentado el interés tanto por la fibra molida como por los pellets de fibra larga utilizados en termoplásticos de fibra larga (LFT). ELG CF trabaja con entre 10 y 20 proveedores de la industria de los LFT y ofrece un pellet estándar de 6 mm/0,24 pulgadas de diámetro que utiliza fibras largas de 6 mm a 10 mm (aproximadamente de 0,2 a 0,4 pulgadas) (véase la Fig. 2). La empresa afirma que puede adaptar las fórmulas, como un aglutinante compatible con PEEK frente al sistema estándar para termoplásticos de nailon (poliamida o PA) y polipropileno (PP). «Hay un gran impulso para las piezas inyectadas de fibra larga», observa Edge, «y el CF tiene una ventaja real frente a las cargas de talco y sílice. Estamos bien adaptados a esa salida y sólo recientemente hemos empezado a buscar la oportunidad en los compuestos termoestables».
Fundada en 2005, Materials Innovation Technologies LLC (MIT LLC, Fletcher, N.C.) empezó a recuperar fibra de carbono en 2009 y abrió su planta de reciclaje comercial en Lake City, S.C., MIT-RCF, gracias a las inversiones de capital de South Carolina Research Authority (SCRA, Columbia, S.C.) y Toyota Tsusho America (Maryville, Tennessee). Rebautizada como Carbon Conversions Inc. en 2015, la empresa procesa flujos de múltiples fuentes: chatarra seca de fabricantes de fibra, trenzadores y tejedores; preimpregnados no curados de preimpregnadores, Tier 1 y OEM; y piezas totalmente curadas. La clasificación es una prioridad. «Los clientes quieren una entrada definida para las preformas o rollos que van a utilizar», explica el presidente y director de operaciones de Carbon Conversions, Mark Mauhar. «Hay un tipo de pieza y un tipo de fibra por lote. Seguimos muy de cerca el pedigrí del material».
Tras la pirólisis, Carbon Conversions vende la FCR picada resultante directamente o la convierte en pellets de LFT o en rollos de estera de fibra picada. El peso de la estera oscila entre 50 y 1.000 g/m2 (1,5 a 29,5 oz/yd2), y en anchos de hasta 49 pulgadas/1,2m. Los productos de valor añadido incluyen mezclas de fibras de carbono y termoplásticas cortadas -por ejemplo, 60% de polisulfuro de fenileno (PPS)/40% de CF- producidas mediante el proceso Co-DEP patentado por la empresa (véase la Fig. 4). Carbon Conversions también fabrica preformas con forma de red de hasta 1,8 m por 1,8 m, utilizando su proceso patentado de formación de lodos 3-DEP, que ofrece una gran uniformidad (desviación estándar del peso del área del 1-3%) y tiempos de ciclo de uno a dos minutos, independientemente del tamaño. Mauhar resume: «Tenemos procesos muy flexibles que pueden adaptar los materiales y producir un grosor y un peso uniformes con una baja variación de las propiedades».
De hecho, la empresa tiene varias piezas de automóvil en vías de adopción y está trabajando para validar nuevos procesos de alta velocidad para transformar sus productos de FCR en piezas de automóvil rentables. El plan de crecimiento de Carbon Conversions consiste en ampliar las instalaciones cuando el mercado se ponga al día. Según Mauhar, «tenemos que alcanzar de 3 a 5 millones de libras/año de fibra recuperada vendida antes de ampliar la capacidad».
El grupo de servicios medioambientales y de eliminación Karl Meyer AG comenzó a trabajar en el reciclaje con CFK Valley e.V. (Stade, Alemania) en 2005, estableciendo una instalación de FCR a escala industrial llamada CFK Valley Recycling, en 2007. En 2010, la empresa se trasladó a Wischhafen (Alemania). En la actualidad, su planta puede producir hasta 1.000 toneladas métricas (más de 2,2 millones de libras) de FCR al año y tiene contratos de eliminación a largo plazo con el fabricante de aviones Airbus (Toulouse, Francia), los fabricantes de automóviles Bugatti (Molsheim, Francia) y BMW (Múnich, Alemania) y otros líderes del mercado de CFRP, para garantizar su suministro de materia prima. También ha fundado la empresa carboNXT GmbH como distribuidor de sus productos de RCF troceados y fresados.
CFK Valley Recycling considera que la preparación de la fibra para su reutilización por parte del cliente es un importante valor añadido de la misión del reciclador (véase la Fig. 5). El objetivo es la adhesión de la fibra a la matriz. «Hemos modificado nuestro proceso para no tener problemas de adhesión, en respuesta a la demanda del mercado», explica Rademacker de CFK. «En el caso de los termoestables, podemos volver a aplicar el apresto, y en el caso de los termoplásticos podemos añadir un aglutinante específico para maximizar la adhesión de la matriz». La longitud de la fibra también puede personalizarse, por ejemplo, para satisfacer las necesidades de los compuestos.
«Hemos invertido en maquinaria textil y podemos producir no tejidos», añade Rademacker. Su anchura oscila entre los 1.100 y los 1.300 mm, con pesos que van desde los 10 g/m2 (0,3 oz/yd2), utilizando un proceso de colocación en húmedo, hasta los 600 g/m2 (18 oz/yd2) utilizando un método de colocación en aire.
Del tirón al empuje
Escalados para suministrar cantidades comerciales de FCR de fácil uso para el cliente, los principales actores tienen un pie más firme, pero el camino por delante aún no es recto y suave. Hace cuatro años, la gran preocupación de los recicladores era la seguridad del suministro de materia prima (véase «Más información»). Pero Mauhar, de Carbon Conversions, dice que eso ya no es así: «Los fabricantes de aviones están generando tantos residuos a medida que aumentan las tasas de producción que el volumen de chatarra va por delante del mercado de los productos recuperados». Y no hay duda de que habrá un suministro suficiente de materias primas EOL: Cada año entran en la infraestructura de reciclaje 35 millones de vehículos, 13 millones en Norteamérica y 11 millones en Europa Occidental. Además, es probable que los primeros aviones construidos con componentes de CFRP lleguen al EOL en los próximos 10 años, y más de 12.000 aviones se retirarán en todo el mundo en las próximas dos décadas, justo antes de que los primeros aviones Boeing 787 y Airbus A350 XWB cargados de CFRP estén listos para retirarse.
Para los especialistas en recuperación de fibra, por tanto, la preocupación actual es revender lo que ya son capaces de procesar. Las estimaciones actuales de la capacidad combinada de la FCR oscilan entre 3.500 y 5.000 toneladas métricas (>7,5 millones a 11 millones de libras) al año.
El mayor potencial de ventas reside en las aplicaciones de automoción de gran volumen. Mauhar cree que la reutilización de la FCR podría acelerarse si los generadores de residuos, los recicladores y los usuarios de la automoción trabajaran juntos para completar el desarrollo necesario. Aunque algunos productores de fibras y textiles (véase «Actualización sobre el reciclaje de la fibra de carbono: el lado de la oferta» al final de este artículo o el reloj en su título en «Selecciones del editor») y algunos OEMs están reciclando sus propios residuos – más notablemente, BMW – pocos jugadores dentro de la cadena de suministro de CFRP se han comprometido a utilizar RCF producido por recicladores comerciales.
Los recicladores admiten que el mercado de las aplicaciones de FCR está retrasado, pero afirman que el problema no es el rendimiento mecánico: Los estudios sobre FCR muestran que la resistencia a la tracción y el módulo están dentro de los objetivos de los productores de fibra para los productos vírgenes en aplicaciones industriales (véanse las figuras 6 & 7). Además, la recuperación de fibras más largas es una posibilidad. Según un informe de 2014 de Hitachi Chemical (Tokio, Japón), la planta de reciclaje de la Japan Carbon Fiber Manufacturers Assn. (JCMA), una planta de reciclaje gestionada conjuntamente por Toray Industries y el Grupo Teijin (ambos con sede en Tokio, Japón) y Mitsubishi Rayon Co. Ltd. (Osaka, Japón), se ha ampliado para incluir un proceso de pirólisis que, a diferencia de la antigua línea de 1.000 toneladas métricas/año (2,2 millones de libras/año) de JCMA, no requiere pretrituración. Desarrollado por Takayasu Co. Ltd. (Ciudad de Kakamigahara, Japón), este nuevo proceso tiene una capacidad de 60 toneladas métricas/año (132.000 libras/año). Y los métodos de reciclaje más recientes, diseñados para recuperar las fibras continuas (véase «Recycled carbon fiber: Comparación de costes y propiedades» al final de este artículo o haga clic en su título en «Selecciones del editor») y métodos para alinear la FCR discontinua (por ejemplo, orientada frente a aleatoria) indican que, en algún momento, los recicladores podrían ser capaces de ofrecer productos de FCR con un rendimiento cercano a los objetivos aeroespaciales.
Los recicladores comerciales también señalan que la FCR ofrece un ahorro de costes del 20-40% frente a la fibra virgen. No es una afirmación vacía. El proyecto CAMISMA (Carbon fiber/Amid (abreviatura de poliamida) /Metal Interior Structure using Multi-material System Approach) ha demostrado recientemente el potencial de la FCR en los procesos termoplásticos. El proveedor de asientos para automóviles de primer nivel Johnson Controls (JCI, Burscheid, Alemania) y sus socios moldearon con éxito un respaldo de asiento de CFRP utilizando materiales de FCR que redujeron el peso en más de un 40% respecto a los diseños metálicos convencionales sin superar el límite de 5 dólares de coste por kg ahorrado del proyecto. (El proceso se describe en el artículo «Inside Manufacturing» de este número, titulado «El respaldo del asiento del coche de CAMISMA: Compuesto híbrido para grandes volúmenes». Haga clic en su título en «Selecciones del editor»). Para los fabricantes de automóviles preocupados por el coste de la fibra, es posible que estos datos no acaben con las quejas, pero podrían reducir su nivel de decibelios.
Los obstáculos para la adopción son los mismos a los que se enfrentan los defensores de los materiales compuestos cuando intentan sustituir los materiales tradicionales: La escasa educación, la interrupción de las cadenas de suministro establecidas y la necesidad de demostraciones creíbles de la viabilidad del proceso de reutilización de residuos y del rendimiento del producto final de FCR.
Demostrar la producibilidad del RCFRP
Sin embargo, quienes busquen una demostración educativa de este tipo, no tienen que buscar más allá de los vehículos de alto perfil BMW i3 e i8 (véase «BMW Leipzig: El epicentro de la producción del i3» en «Selecciones del Editor»). La reutilización de la chatarra de producción en los techos del i3 y el i8 y en la estructura de los asientos traseros del i3 ha quedado algo oculta por la publicidad que rodea al desarrollo de la cadena de suministro verticalmente integrada de BMW para el remolque pesado virgen. SGL Automotive Carbon Fibers (SGL ACF, Wackersdorf, Alemania) recoge los desechos de la producción de los módulos vitales de CFRP de los vehículos i y los corta en virutas, que luego se procesan para abrir las fibras constituyentes, seguidas de un cardado mecánico para desenredar y alinear las fibras (véase «Fibra de carbono reciclada: Comparación de costes y propiedades» en «Selecciones del editor»). A continuación, las fibras se superponen en diferentes ángulos -según el lugar en el que se vaya a utilizar la pieza final- y se cosen para formar telas no tejidas (alfombras o vellón). Las telas no tejidas para las estructuras del techo se moldean con RTM de alta presión (HP-RTM) y resina epoxi Araldite de Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas y Basilea, Suiza), mientras que la carcasa del asiento trasero autoportante utiliza el poliuretano (PUR) Elastolit de BASF (Ludwigshafen, Alemania), al parecer la primera pieza de CF/PUR fabricada en serie. Moldeada por el especialista en asientos para automóviles F.S. Fehrer (Kitzingen, Alemania), la pieza también integra un soporte para vasos y una bandeja de almacenamiento. Esto reduce los pasos de ensamblaje y el peso de la pieza, y la pieza cumple los requisitos de choque con un grosor de pared de sólo 1,4 mm/0,6 pulgadas.
Carbon Conversions también ve la necesidad de demostrar que los productos de FCR pueden satisfacer las necesidades de los fabricantes de automóviles (la Fig. 8 compara los materiales de FCR con los materiales tradicionales). Mauhar dice: «Estamos trabajando con Roctool Inc. para demostrar nuestros materiales en sus procesos de moldeo de ciclo rápido». Para ello, RocTool está tratando de mejorar la velocidad de termoformado de FCR mediante su herramienta de inducción ligera (LIT). El LIT utiliza una herramienta de cavidad de acero calentada por inducción (sin fluidos) y refrigerada y un núcleo de silicona con asistencia de vacío para moldear piezas sin precalentamiento de la preforma y con sólo 8 bares de presión de aire. RocTool afirma que las herramientas cuestan una quinta parte de las utilizadas en los métodos tradicionales, con tiempos de ciclo tan cortos como 105 segundos.
Los materiales probados incluyen PP, PET y PA12 con RCF y otras fibras y, según el presidente de RocTool North America, Mathieu Boulanger, el LIT ofrece superficies tanto texturizadas como brillantes. Las capacidades pueden incluir la decoración en el molde, y los resultados posteriores al moldeado incluyen, según se informa, un alabeo nulo, incluso con laminados finos (1 mm/0,04 pulgadas). «La posibilidad de moldear miles de piezas al día con materiales RCF podría cambiar realmente el panorama actual», afirma. Mauhar añade que la producción en volumen es una necesidad si se quiere reutilizar con éxito porcentajes significativos de residuos de CFRP reciclados y completar el círculo de la sostenibilidad de los compuestos de carbono.
Progreso real = piezas reales
Rademacker de CFK cree que el uso del CF aumentará, especialmente en los autocomposites, donde BMW ha demostrado claramente el valor tanto de la fibra virgen como de los residuos de producción reciclados, cada uno optimizado en consecuencia. «Lo trasladarán a sus productos de serie para utilizarlos en estructuras parciales», predice Rademacker. De hecho, SGL ACF afirma que el 10% del CFRP utilizado en los vehículos BMW i es reciclado, y BMW ya ha declarado que aplicará su tecnología de CFRP más allá de sus modelos i y M. «Aquí es donde hay oportunidad para la fibra de carbono reciclada también». También ve que otros miembros de la industria automovilística se fijan cada vez más en las aplicaciones termoplásticas. El director de construcción ligera de BMW, Franz Storkenmaier, citado ampliamente por la prensa de la industria automovilística, ha enumerado los marcos de los asientos, los marcos del panel de instrumentos y las ruedas de repuesto como objetivos de la FCR y recientemente declaró a la revista Auto Express: «La fibra de carbono es un material caro de trabajar, pero si se utilizan residuos de producción, la estructura de costes es diferente a la de trabajar la fibra de carbono en bruto».
De hecho, Carbon Conversions ha desarrollado un interior de capó para un vehículo de volumen medio que está completando la demostración OEM. La empresa ve potencial para más aplicaciones en modelos de lujo. También ha presentado un presupuesto a un proveedor de primer nivel para un SUV de 500.000 vehículos al año. «Se trata de una pieza para el interior, en la que se utiliza nuestro proceso Co-DEP y fibras termoplásticas, que pueden mezclarse con FCR y otras fibras», explica Mauhar, que afirma que Carbon Conversions ofrece un sustituto un 30% más ligero y de coste neutro para la fibra natural/termoplástico que se utiliza en Europa para los revestimientos de las puertas y las estructuras de respaldo del interior, y un 40% más ligero y de coste neutro para el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) moldeado por inyección que se utiliza en EE.UU.
Pero Rademacker dice que hay varios problemas que todavía dificultan la adopción generalizada del FCR. Trabajar sólo con los grandes productores de residuos de CF, sostiene, no es beneficioso porque ya tienen bases de proveedores establecidas que no les interesa alterar porque los materiales y los proveedores ya están cualificados. Sugiere que las oportunidades se encuentran, en cambio, en las grandes fuentes de residuos que también necesitan nuevas formas de materias primas de CF, formas que aún deben ser refinadas y calificadas. Esta es una de las principales razones por las que los recicladores se dirigen a la industria del automóvil. Además, los clientes de fibra virgen están acostumbrados a especificar la resistencia y el módulo. «Puedo clasificar los residuos entrantes y afectar a las propiedades de la FCR», explica Rademacker, «pero la industria necesita aplicaciones que se ajusten a los productos que podemos suministrar, basados en los flujos de residuos ya establecidos. Los diseñadores tienen que pensar en dónde se pueden utilizar estos productos», añade. «Todavía tenemos que desarrollar una mejor comprensión de lo que los productos de FCR producirán en las piezas finales.»
Nota del editor: Lea más sobre la solvólisis y otras alternativas para recuperar las fibras de carbono en «Recycling carbon fibre reinforced polymers for structural applications: Technology review and market outlook», cuyo autor es Soraia Pimenta y Silvestre Pinho | Se pueden solicitar copias aquí.
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