Na indústria automotiva, a fibra de carbono é uma grande novidade. Apesar das reclamações sobre seu custo, a maioria das montadoras automotivas estão, no mínimo, conduzindo esforços particulares de R&D em busca ativa de polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) – um meio chave para veículos leves de passageiros e caminhões leves de produção – enquanto procuram cumprir com as iminentes regulamentações de emissão de CO2 e economia de combustível. Os fabricantes europeus de automóveis estão na vanguarda. Alguns já comercializaram veículos comerciais com conteúdo CFRP significativo, criando uma grande agitação, tanto na imprensa especializada como na mídia pública.
Uma verdade inconveniente
Muito ausente destas discussões até há pouco tempo tem sido o custo e os meios para o cumprimento da directiva da União Europeia (UE) relativa ao fim da vida útil dos veículos (ELV). Ela exige que 85%, em peso, dos materiais utilizados em cada automóvel e camião ligeiro construído para o ano do modelo de 2015 e seguintes sejam reutilizáveis ou recicláveis. Metais e plásticos puros – materiais amorfos – têm registos de reciclagem comprovados. Mas a CFRP não o faz. Sim, o VFV permite alguma eliminação – até 10% do peso do veículo pode ser incinerado e os 5% restantes podem encontrar o seu caminho para um aterro sanitário. Mas a matemática não funciona: Para que a fibra de carbono se torne uma ferramenta significativa na caixa de ferramentas leves do fabricante de automóveis, a reciclagem do CFRP dos VFV é um imperativo. A boa notícia é que este problema, uma vez considerado quase intratável, está avançando rapidamente em direção à solução, graças a um esforço determinado e crescente para desenvolver a reciclagem de CFRP
tecnologias.
Ataque com duas vertentes
As estratégias de reciclagem estão focadas em duas frentes. A primeira é a recuperação e readequação dos fluxos de resíduos CFRP (material fora de especificação, sucata de operações de corte/retirada, etc.) na forma de fibra seca e pré-impregnado.
Tim Rademacker, diretor administrativo da CFK Valley Recycling (Stade, Alemanha), cita uma demanda estimada de fibra virgem em 2014 (Veja Figura 3, à esquerda) de 50.000 toneladas métricas (110 milhões de lb), observando que se 30% disso acabar como resíduo de produção – um valor comumente citado – o resultado é de ~10.000 toneladas métricas/~22 milhões de lb de estruturas comerciais de fibra de carbono reciclada (RCF) antes do fim de vida útil (EOL). Os recicladores prevêem que os fabricantes de automóveis serão grandes beneficiários das fibras recuperadas dos fluxos de resíduos de fibra de carbono gerados por fabricantes de outras indústrias. “Podemos receber até 50 toneladas métricas de resíduos de CF em um determinado mês de vento”, afirma Alex Edge, gerente de vendas e desenvolvimento de negócios da recicladora ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido), observando que grande parte dela é gerada quando os materiais são adaptados para a instalação de lâminas de turbinas.
“A maior parte do nosso lixo recebido é da indústria aeroespacial e automotiva”, diz Rademacker, que, ao contrário de Edge, diz: “Ainda não estamos vendo muito do vento, que ainda usa principalmente fibra de vidro”.
O RCF de fontes aeronáuticas é especialmente promissor. “O setor aeroespacial gera toneladas de resíduos”, diz Edge”, mas tem de ser usado em outros mercados”. Uma grande razão é que a fibra recuperada por meios correntes é cortada. Atualmente inutilizável em turbinas eólicas e estruturas de aeronaves (os interiores das aeronaves são a única exceção), a fibra descontínua tem sido, há muito tempo, um dos principais produtos compostos para automóveis, particularmente em interiores de automóveis e sob o capô. “Temos feito muito trabalho nos últimos anos com grandes OEMs, tanto no fornecimento de resíduos aeroespaciais como na utilização final de produtos reciclados”, diz Edge.
Dado isto, a matéria-prima do reciclador hoje em dia é principalmente de resíduos. Os recicladores, contudo, não vêem o processamento de resíduos como um fim em si mesmo. A longo prazo, eles querem ajudar os usuários do CFRP a “fechar o ciclo”: Se os fabricantes de automóveis têm de garantir que os materiais automotivos são recicláveis, então é uma grande vantagem reutilizar a fibra recuperada dos veículos EOL na produção de novos veículos. O processamento de resíduos, portanto, é visto como um primeiro passo importante, uma vez que os recicladores se preparam para processar o número crescente de peças CFRP que chegarão à EOL a cada ano.
Embora vários métodos tenham sido concebidos para a reciclagem da fibra de carbono, incluindo alguns que mantêm fibras longas e até mesmo preservam a tecelagem do tecido, toda a RCF comercial atual é submetida à pirólise (veja Fig. 1 e, para mais informações, veja a nota do editor no final deste artigo). Os resíduos recebidos são classificados por tipo (fibra seca, pré-impregnado, peças EOL) e, em alguns casos, por tipo de fibra. As peças EOL são trituradas ou picadas, e todos os materiais são triturados até um tamanho homogêneo, o que aumenta o volume para pirolização. A pirólise vaporiza o material de matriz restante nas peças de EOL trituradas e nos resíduos de pré-impregnado (que são depois retirados através de ventilação), mas, o que é importante, deixa a fibra intacta. Também remove os tamanhos e aglutinantes das fibras. Após a pirólise, como observado abaixo, o condicionamento personalizado pode incluir o dimensionamento personalizado das fibras e/ou aglutinantes aplicados na superfície da fibra recuperada para reutilização específica de um cliente.
Capacidade comercial
Em poucos anos, As operações de reciclagem evoluíram de projectos-piloto para instalações de produção comercial. Embora os seus nomes tenham mudado e outros se tenham juntado à briga, os principais intervenientes continuam os mesmos.
Em 2011, a recicladora de metais alemã ELG Haniel (Duisburg, Alemanha) adquiriu a Recycled Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Reino Unido; anteriormente Milled Carbon Group) e sua planta de reciclagem em escala comercial (comissionada em 2009), renomeando-a ELG Carbon Fibre.
Por que um reciclador de metais entraria no mercado de RCF? “Eles viram mais e mais metais contaminados com fibra de carbono e uma oportunidade de capturar alto valor do lixo aeroespacial”, explica ELG Carbon Fibre’s Edge. “Nós processamos 2.000 toneladas métricas de resíduos e geramos 1.000 toneladas métricas de CF recuperado por ano usando um processo patenteado de pirólise e um forno de correia longa de 21m/69 pés”
ELG CF separa os resíduos e os tritura em pedaços”. “Usamos então um sistema automatizado para chamar um volume seleccionado de resíduos de um dos quatro bunkers de armazenamento,” Detalhes da borda, “que é depois transportada para o forno”. As fibras são então processadas para produzir produtos de fibra cortados, triturados ou peletizados, e um tapete perfurado com agulha está em desenvolvimento.
Edge diz que o interesse tanto em pellets de fibra triturada quanto em pellets de fibra longa usados em termoplásticos de fibra longa (LFTs) aumentou. O ELG CF está trabalhando com fornecedores da indústria de 10 a 20 LFT e oferece um pellet padrão de 6 mm/0,24 polegadas de diâmetro usando fibras longas de 6 a 10 mm (aproximadamente 0,2 a 0,4 polegadas) (ver Fig. 2). A empresa diz que pode adaptar formulações, como um ligante compatível com PEEK versus o sistema padrão para termoplásticos de nylon (poliamida ou PA) e polipropileno (PP). “Há um grande impulso para peças injetadas de fibra longa”, observa Edge, “e CF tem um benefício real vs. talco e cargas de sílica”. Nós estamos bem equipados para essa saída e só recentemente começamos a olhar para a oportunidade em compostos termoplásticos”
Fundado em 2005, Materials Innovation Technologies LLC (MIT LLC, Fletcher, N.C.) começou a recuperar a fibra de carbono em 2009 e abriu sua instalação de reciclagem comercial Lake City, S.C., MIT-RCF, com base na força dos investimentos de capital da South Carolina Research Authority (SCRA, Columbia, S.C.) e Toyota Tsusho America (Maryville, Tenn.). Renomeada Carbon Conversions Inc. em 2015, a empresa processa fluxos de múltiplas fontes: sucata seca de fabricantes de fibras, trançadoras e tecelões; pré-impregnados não curados de pré-impregnadores, Tier 1s e OEMs; e peças totalmente curadas. A classificação é uma prioridade. “Os clientes querem uma entrada definida para os produtos pré-formados ou em rolo que vão usar”, explica o presidente da Carbon Conversions e COO Mark Mauhar. “Há um tipo de peça e um tipo de fibra por lote”. Nós rastreamos o pedigree do material muito de perto”
Após a pirólise, a Carbon Conversions vende o RCF cortado resultante diretamente ou o converte em pelotas LFT ou em rolos de tapete de fibra cortado. Os pesos do tapete variam de 50 a 1.000 g/m2 (1,5 a 29,5 oz/yd2), e em larguras de até 49 polegadas/1,2m. Os produtos de valor agregado incluem misturas de carbono picado e fibras termoplásticas – por exemplo, 60% de sulfeto de polifenileno (PPS)/40% CF – produzidas pelo processo patenteado da empresa Co-DEP (ver Fig. 4). A Carbon Conversions também fabrica pré-formas em forma de rede de até 1,8m por 1,8m por 1,8m por 5,9 pés por 5,9 pés, usando seu processo patenteado de conformação de polpa 3-DEP, que oferece alta uniformidade (desvio padrão de peso areal de 1-3%) e tempos de ciclo de um a dois minutos, independentemente do tamanho. Mauhar resume, “Temos processos muito flexíveis que podem adaptar materiais e produzir espessura e peso uniformes com baixa variação de propriedades”
Indeed, a empresa tem múltiplas peças automotivas no caminho para a adoção e está trabalhando para validar novos processos de alta velocidade para transformar seus produtos RCF em peças automotivas de baixo custo. O plano de crescimento da Carbon Conversions é expandir as instalações assim que o mercado se recuperar. De acordo com Mauhar, “Precisamos atingir 3 a 5 milhões de lb/ano de fibra recuperada vendida antes de expandirmos a capacidade”
Grupo de serviços ambientais e de eliminação Karl Meyer AG começou a trabalhar na reciclagem com a CFK Valley e.V. (Stade, Alemanha) em 2005, estabelecendo uma instalação de RCF em escala industrial chamada CFK Valley Recycling, em 2007. Em 2010, a empresa mudou-se para Wischhafen, Alemanha. Hoje, sua fábrica pode produzir até 1.000 toneladas métricas (mais de 2,2 milhões de lb) de RCF por ano e tem contratos de eliminação a longo prazo com a Airbus Airframer (Toulouse, França), as montadoras Bugatti (Molsheim, França) e BMW (Munique, Alemanha) e outros líderes de mercado da CFRP, para garantir seu fornecimento de matéria-prima. Também fundou a carboNXT GmbH como distribuidor dos seus produtos RCF picados e moídos.
CFK Valley Recycling vê a preparação da fibra para reutilização pelo cliente como uma importante característica de valor agregado da missão do reciclador (ver Fig. 5). O foco é a aderência da fibra à matriz. “Nós modificamos nosso processo para que não tenhamos problemas de aderência, em resposta à demanda do mercado”, explica Rademacker da CFK. “Para termofixos, podemos reaplicar o dimensionamento, e para termoplásticos, podemos adicionar um ligante específico para maximizar a adesão da matriz”. O comprimento da fibra também pode ser personalizado, por exemplo, para atender às necessidades de composição.
“Investimos em maquinário têxtil e podemos produzir não-tecidos”, acrescenta Rademacker. Estes variam em largura de 1.100 a 1.300 mm (43 a 51 polegadas) com pesos de 10 g/m2 (0,3 oz/yd2), usando um processo de camada úmida, a 600 g/m2 (18 oz/yd2) usando um método de camada de ar.
De puxar para empurrar
Escalado para fornecer quantidades comerciais de RCF amigável ao cliente, a base dos principais jogadores é mais firme, mas a estrada à frente ainda não é reta e suave. Há quatro anos, a grande preocupação dos recicladores era a segurança do seu fornecimento de matéria-prima (ver “Saiba mais”). Mas Mauhar, da Carbon Conversions, diz que esse já não é o caso: “Os fabricantes de aeronaves estão a gerar tanto desperdício, que aumentam as taxas de produção, que o volume de sucata está à frente do mercado para os produtos recuperados.” E não há dúvida de que haverá um suprimento suficiente de matéria-prima EOL: 35 milhões de veículos entram na infra-estrutura de reciclagem a cada ano – 13 milhões na América do Norte e 11 milhões na Europa Ocidental. Além disso, as primeiras aeronaves que foram construídas com componentes CFRP provavelmente chegarão à EOL nos próximos 10 anos, e mais de 12.000 aeronaves serão reformadas em todo o mundo nas próximas duas décadas, pouco antes das primeiras aeronaves Boeing 787 e Airbus A350 XWB carregadas com CFRP estarem prontas para se reformarem.
Para os especialistas em recuperação de fibras, então, a preocupação actual é a revenda daquilo que já são capazes de processar. As estimativas atuais de capacidade combinada de RCF variam de 3.500 a 5.000 toneladas métricas (>7,5 milhões a 11 milhões de lb) por ano.
O maior potencial de vendas reside em aplicações automotivas de alto volume. Mauhar acredita que a reutilização de RCF poderia ser acelerada se os geradores de resíduos, recicladores e usuários automotivos trabalhassem juntos para completar o desenvolvimento necessário. Embora alguns produtores de fibra e têxteis (ver “Carbon fiber recycling update: The supply side” no final deste artigo ou relógio no seu título em “Editor’s Picks”) e alguns OEMs estejam reciclando seus próprios resíduos – mais notavelmente, a BMW – poucos players dentro da cadeia de suprimentos da CFRP se comprometeram a usar as RCF produzidas por recicladores comerciais.
Recicladores admitem que o mercado para aplicações de RCF está atrasado mas afirmam que o problema não é o desempenho mecânico: Estudos de RCF relatam que a resistência à tração e o módulo bem dentro das metas dos produtores de fibras para produtos virgens em aplicações industriais (ver Figs. 6 & 7). Além disso, a recuperação de fibras mais longas é uma possibilidade. De acordo com um relatório de 2014 da Hitachi Chemical (Tokyo, Japão), a Japan Carbon Fiber Manufacturers Assn. (JCMA) agora administrada conjuntamente pela Toray Industries e pelo Grupo Teijin (ambos sediados em Tóquio, Japão) e pela Mitsubishi Rayon Co. Ltd. (Osaka, Japão), foi ampliada para incluir um processo de pirólise que, ao contrário da linha mais antiga da JCMA de 1.000 toneladas métricas/ano (2,2 milhões de lb/ano), não requer a pré-dissolução. Desenvolvido por Takayasu Co. Ltd. (Cidade de Kakamigahara, Japão), este novo processo tem uma capacidade de 60 toneladas métricas/ano (132.000 lb/ano). E ainda novos métodos de reciclagem, projetados para recuperar fibras contínuas (ver “Fibra de carbono reciclada: Comparando Custo e Propriedades” no final deste artigo ou clique em seu título em “Editor’s Picks”) e métodos para alinhar RCF descontínua (por exemplo, orientada vs. aleatória) indicam que, em breve, os recicladores poderão oferecer produtos de RCF capazes de desempenho próximo a alvos aeroespaciais.
Recicladores comerciais também apontam que a RCF oferece uma economia de 20-40% de custos em relação à fibra virgem. Isso não é uma reivindicação vazia. O projeto Fibra/Amida de Carbono (abreviação de poliamida)/Estrutura Interna Metálica usando a Abordagem de Sistema Multi-material (CAMISMA) demonstrou recentemente o potencial da RCF em processos termoplásticos. A Johnson Controls (JCI, Burscheid, Alemanha), fornecedora de assentos automotivos Tier 1 e parceiros, moldou com sucesso um encosto de assento CFRP utilizando materiais RCF que cortam o peso em mais de 40% em relação aos designs metálicos convencionais sem exceder o limite de custo de $5 por kg economizado no projeto. (O processo é descrito na seção “Inside Manufacturing” desta edição, intitulada “CAMISMA’s car seat back”: Compósito híbrido para grandes volumes.” Clique no seu título em “Editor’s Picks”). Para as montadoras preocupadas com o custo da fibra, tais dados podem não acabar com o resmungo, mas podem reduzir seu nível de decibel.
Obstacles to adoption are the same as those composites advocents confront as they seek to replace legacy materials: Má educação, ruptura das cadeias de fornecimento estabelecidas e a necessidade de demonstrações credíveis da viabilidade do processo de resíduos para reutilização e do desempenho do produto final do FCR.
Provando a produtibilidade RCFRP
Os que procuram uma demonstração educacional deste tipo, no entanto, não precisam procurar mais do que os veículos de alto perfil BMW i3 e i8 (ver “BMW Leipzig: O epicentro da produção i3” em “Editor’s Picks”). Um pouco obscurecida pela publicidade que rodeia o desenvolvimento da BMW na sua cadeia de fornecimento verticalmente integrada para reboque pesado virgem, é a reutilização da sucata de produção da montadora nos tejadilhos para a i3 e i8 e na estrutura dos bancos traseiros da i3. A SGL Automotive Carbon Fibers (SGL ACF, Wackersdorf, Alemanha) recolhe as sucatas de tecelagem e pré-fabricagem da produção dos Módulos de Vida CFRP dos veículos i e corta-as em aparas, que são depois processadas para abrir as fibras constituintes, seguidas de cardagem mecânica para separar e alinhar as fibras (ver “Fibra de carbono reciclada: Comparação de custo e propriedades” em “Editor’s Picks”). As fibras são então dispostas em diferentes ângulos – de acordo com o local onde a peça final será utilizada – e costuradas para formar tecidos não-tecidos (esteiras ou velo). Os não-tecidos para as estruturas do telhado são moldados utilizando RTM de alta pressão (HP-RTM) e resina epóxi Araldite da Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas e Basel, Suíça), enquanto a cobertura do assento traseiro autoportante utiliza o poliuretano Elastolit de BASF (Ludwigshafen, Alemanha), alegadamente a primeira peça CF/PUR na produção em série. Moldada pelo especialista em assentos automotivos F.S. Fehrer (Kitzingen, Alemanha), a peça também integra um acessório porta-copos e uma bandeja de armazenamento. Isto reduz os passos de montagem e o peso da peça, e a peça cumpre os requisitos de colisão com uma espessura de parede de apenas 1,4-mm/0,6 polegadas.
Conversões de carbono também vê a necessidade de demonstrar que os produtos RCF podem atender às necessidades das montadoras (Fig. 8 compara os materiais RCF com os materiais antigos). Mauhar diz: “Estamos trabalhando com a Roctool Inc. para demonstrar nossos materiais em seus processos de moldagem de ciclo rápido”. Para esse fim, a RocTool está procurando melhorar a velocidade da termoformagem de RCF através do seu Light Induction Tooling (LIT). O LIT utiliza uma ferramenta de cavidade de aço indução aquecida (sem fluidos) e resfriada e núcleo de silicone com auxílio de vácuo para moldar peças sem pré-aquecimento de pré-forma e apenas 8 bar de pressão de ar. RocTool diz que as ferramentas custam um quinto daquelas usadas nos métodos tradicionais com tempos de ciclo tão curtos quanto 105 segundos.
Materiais triados incluem PP, PET e PA12 com RCF e outras fibras, e, de acordo com o presidente da RocTool North America, Mathieu Boulanger, o LIT oferece tanto superfícies texturizadas quanto brilhantes. As capacidades podem incluir decoração em molde, e os resultados pós-molde reportados incluem zero warpage, mesmo com laminados finos (1-mm/0.04 polegadas). “A oportunidade de moldar milhares de peças por dia usando materiais RCF poderia realmente mudar a paisagem atual”, diz ele. Mauhar acrescenta que a produção em volume é uma necessidade para que porcentagens significativas de resíduos reciclados de CFRP possam ser reutilizadas com sucesso e completar o círculo para a sustentabilidade dos compostos de carbono.
Progresso real = partes reais
CFK’s Rademacker acredita que o uso de CF irá aumentar, especialmente nos autocompósitos, onde a BMW demonstrou claramente o valor tanto da fibra virgem como dos resíduos de produção reciclados, cada um deles otimizado de acordo. “Eles vão transferir isso para seus produtos em série para uso em estruturas parciais”, prevê Rademacker. De fato, a SGL ACF diz que 10% da CFRP utilizada nos veículos BMW i é reciclada, e a BMW já declarou que aplicará sua tecnologia CFRP além de seus modelos i e M. “Aqui é onde há oportunidade para a fibra de carbono reciclada também”. Ele também vê outros na indústria automobilística olhando cada vez mais para aplicações em termoplásticos. Citado amplamente pela imprensa da indústria automobilística, o gerente de construção leve da BMW Franz Storkenmaier listou estruturas de assentos, painéis de instrumentos e rodas sobressalentes como alvos da RCF e disse recentemente à revista Auto Express: “A fibra de carbono é um material caro para se trabalhar, mas se você estiver usando resíduos de produção, então é uma estrutura de custos diferente de trabalhar com fibra de carbono bruta”.
Indeed, Carbon Conversions desenvolveu um capô interno para um veículo de médio volume que está completando uma demonstração OEM. A empresa vê potencial para mais aplicações em modelos de luxo. Ela também apresentou uma cotação para um fornecedor Tier 1 para um SUV produzido a 500.000 veículos/ano. “Esta é uma peça interior, utilizando nosso processo Co-DEP e fibras termoplásticas, que podem ser misturadas com RCF e outras fibras”, explica Mauhar, alegando que a Carbon Conversions oferece um substituto 30% mais leve e de custo neutro para a fibra natural/termoplástico utilizado para o interior de portas e estruturas de apoio interior na Europa, e um substituto 40% mais leve e de custo neutro para o acrilonitrilo butadieno estireno moldado por injeção (ABS) utilizado no U.S.
Mas Rademacker diz que várias questões ainda impedem a adoção generalizada do RCF. Trabalhar apenas com grandes produtores de resíduos CF, ele afirma, não é benéfico porque eles já têm bases de fornecedores estabelecidas que não estão interessados em perturbar, porque os materiais e fornecedores já estão qualificados. Ele sugere que as oportunidades residem, ao invés disso, em grandes fontes de resíduos que também precisam de novas formas de matérias-primas para a FC – formas que ainda precisam ser refinadas e qualificadas. Esta é uma das grandes razões pelas quais os recicladores têm como alvo a indústria automóvel. Além disso, os clientes de fibra virgem estão acostumados a especificar a resistência e o módulo. “Eu posso separar os resíduos recebidos e afetar as propriedades da RCF”, explica Rademacker, “mas a indústria precisa de aplicações que se ajustem aos produtos que podemos fornecer, com base nos fluxos de resíduos já estabelecidos”. Os designers precisam pensar sobre onde esses produtos podem ser usados”, acrescenta ele, “ainda precisamos desenvolver uma melhor compreensão do que os produtos de RCF irão produzir nas peças finais”.
Editor’s note: Leia mais sobre solvolise e outras alternativas para a recuperação de fibras de carbono em “Reciclagem de polímeros reforçados com fibras de carbono para aplicações estruturais”: Revisão tecnológica e perspectivas de mercado”, de autoria de Soraia Pimenta e Silvestre Pinho | Cópias podem ser solicitadas aqui.
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