JEC 95 ratifica l'auge dels plàstics reforçats i compòsits

Els plàstics reforçats ja són una alternativa clara als metalls en moltes aplicacions i el seu futur és més que prometedor, sún es va posar de manifest en les trentenes jornades europees de composites (JEC 95), celebrades recentment a París. Les jornades s'han convertit en el gran fòrum mundial de la indústria de plàstics reforçats i al llarg del certamen van quedar clares les immenses possibilitats i els nombrosos desenvolupaments que tenen en l'actualitat els composites.

Durant anys, les principals aplicacions dels composites han estat, fins a cert punt, miméticas de les dels termoplàstics i han aportat avantatges limitats quant a resistència tèrmica i mecànica i en la fàcil posada en fabricació de peces de gran grandària.

No obstant això, en aquests moments es desenvolupen aplicacions que posen en relleu les qualitats diferencials del material, especialment pel que fa a les seves elevades característiques mecàniques. La qualitat i rapidesa de producció i la viabilitat de modelats, de grandària i complexitat inalplejidad inassolibles pels termoplàstics o pels metalls, també converteix els composites en material de selecció preferent.

Figura 1 El procés S-RIM permet cicles de modelo veïns al minut, en funció del tipus de resina emprat, sent apte per a la producció en sèrie de l'automòbil. El tauler del BMW s'ha fabricat a partir de preforma d'Unifilo amb matriu de poliuretà.

Les jornades de composites de París van ser creades en 1965 a iniciativa de Jean Marechal, que encara és el seu president, i vairas persones i empreses agrupades entorn del sindicat francès de productors de plàstics reforçats. El mèrit d'aquesta iniciativa ha estat la seva decidida voluntat d'internacionalització, que ha convertit a les jornades en el gran fòrum mundial d'aquesta indústria.

La indústria de composites gaudeix en l'actualitat d'una saludable vitalitat, com ho demostra el progressiu augment del mercat mundial. El problema està en les deficiències de subministrament de primeres matèries i al seu increment de costos.

Solucionis a la limitació de les primeres matèries

El més fàcil de superar seran, probablement, els problemes d'aprovisionament de matrius, encara que a un encariment del seu preu, ja que l'engegada de noves instal·lacions químiques per produir-les té un cost i un termini d'engegada molt inferiors als de la fabricació de fibres.

Figura 2 S'ha instal·lat al parc eòlic d'Eemshaven (Holanda) una de les turbines de la societat danesa Nedwin, d'1 MW, amb una altura de 45 m i 52 m de diàmetre de rotor, construït per LM Glasfiber. Dinamarca és líder mundial en energia eòlica i els composites són l'únic material que pot considerar-se per a la construcció de rotors.

L'empresa Owens Corning anució que necessita una inversió de 300 milions de dòlars per incrementar la seva producció en 100.000 tones anuals i precisa, per raons tècniques, un termini de tres anys (1994-96) per completar-la. Les signes Vetrotex i PPG, davant una situació en què no es pot preveure el nivell de creixement que pot representar o mantenir el boom actual, han optat per "esperar i veure" i optimitzar al màxim les seves capacitats per aconseguir increments gens menyspreables. La incògnita és el Japó, la producció del qual es veu molt afectada pels seus elevats costos actuals. El seu preu pel roving se situa avui en uns 250 ien per quilogram, unes 375 pessetes alcambio actual, i pel mat en uns 300 ien per quilogram, unes 450 pessetes. Cal tenir en compte que aquests són preus CIF (charged in freight), de manera que han d'encara afegir-se els costos del transport, descàrrega i aranzels, la qual cosa els fa prohibitius per als mercats europeu i americà.

Nombres que no quadren

Les capacitats de producció que anuncien els tres gegants citats superen 1,2 milions de tones anuals, la qual cosa no quadra massa amb la suma de produccions de composites de la Unió Europea i Estats Units de 2,5 milions de tones en 1994.

Si se suposa al mercat asiàtic proveït fonamentalment pel Japó, la meitat del tonatge occidental de composites seria fibra, la qual cosa està molt allunyat de la realitat: una capacitat de fibres d'1.200 milions de tones anuals correspon a una producció total (fibra + resina) de l'ordre de 3.500 a 4.000 milions de tones de composites. En altres paraules, un 40% de la fibra potencialment produïda no se sap a on va: amb seguretat, no al mercat d'Àsia/Pacífic, que per molt que estigui creixent continua sent reduït i poc accessible.

Així, o bé les capacitats que s'anuncien corresponen en bona part a productes pels quals el mercat no té demanda, o bé es manté artificialment una contracció de l'oferta, cosa que aniria en contra dels interessos de tot el sector, incluídos els propis productors: és palès la preocupació real dels productors per normalitzar la situació de desproveïment del mercat.

La legislació ambiental

Una sèrie de raons, entre les quals es troben les conseqüències de la legisación sobre emissions d'estireno, està forçant el canvi dels mètodes de motlle obert als no contaminants. A Espanya, el 50% de les persones que treballen en aquesta indústria utilitza encara el modelo per contacte, l'únic avantatge del qual radica en la seva simplicitat. El sistema de modelo per contacte implica la producció de peces la qualitat de les quals depèn massa de l'operador, és extraordinàriament lent i el seu camp d'aplicació hauria de limitar-se a unitats de gran grandària.

Però, sobretot, es produeix tal quantitat de vapors d'estireno en el procés productiu que, si ben no s'ha demostrat la seva perillositat per a la salut, per complir amb les directives de la Unió Europea és necessari utilitzar una gran quantitat d'aire per extreure'ls a l'atmosfera en una concentració que compleixi amb les directives comunitàries. Entre altres coses, aquesta mobilització d'aire farà impossible mantenir en els tallers una temperatura acceptable durant l'hivern a un cost assumible.

Referent a això, els fabricants i moldeadores europeus de resines de polièster han elaborat unes recomanacions d'ús, de les quals es podrà disposar en espanyol en el Centro Español de Plàstics.

Mètodes de fabricació eficients

Com a conseqüència de tot això, els moldeadores europeus han despertat de la seva letargia tecnològica i s'estan emprant amb cada vegada major freqüència mètodes com el RTM, que milloren substancialment al modelo per contacte, del que no s'han vist en la JEC altres productes que els destinats a la indústria química, i que constitueixen un pas per accedir a mètodes d'alta productivitat (i inversió) com el S-RIM.

Figura 3 El timó d'adreça és un dels elements de seguretat més importants d'un buc, especialment quan es tracta d'un més dels bucs de guerra que l'Armada francesa equipa amb timons composite, la fragata La Fayette. L'envolupant vidre/polièster està muntada sobre una estructura metàl·lica i farcida d'escuma sintàctica.

En el mètode S-RIM s'empren resines IPN (Interpenetrating Polymer Network), poliuretans i poliureas, amb temps d'enduriment que baixen fins a 10 segons, i pels quals es contemplen sèries de 100.000 unitats per any i per motlle; és a dir, perfectament homologables amb la injecció de termoplàstics.

En les conferències de les jornas de composites s'han presentat diverses resines que tenen la seva aplicació en aquestes tècniques, com els Blendur de Bayer, amb excepcional resistència tèrmica (una Tg de 300 C), conservant el 80% de les seves propietats a 200 C, i al foc, sense incorporació d'halògens. DSM, al seu torn, proposa les Daron, híbrides autoespumables per obtenir densitats de 0,2 a 0,6 g/cm i cicles de 10 minuts per RTM.

Per la seva banda, Cray-Valley disposa d'una àmplia gamma de resines híbrides Procore a utilitzar en RTM i S-RIM. Segons els tècnics consultats, els millors resultats per obtenir superfícies de classe A se obtenen amb les resines d'Ashland. També en el camp de sistemes d'enduriment per a aquests processos, Peroxid Chemie va presentar sistemes específics, basats en peròxids d'acetil-acetona i butil terciaris, pel modelo per RTM, que consideren que substituirá progressivament al SMC.

Renault va mostrar en JEC els resultats finals del projecto Mosaic, en què s'han utilitzat diverses tècniques per optimitzar els materials de construcció de l'automòbil. No s'ha tractat de dissenyar un automòbil "pensant en composites" sinó de comparar les possibilitats de cada material en relació a una lògica constructiva que podria considerar-se superada. Doncs bé: l'element més espectacular que ha sortit d'aquest projecte és un conjunt complet de pis composite, que pot considerar-se el xassís del vehicle, modelat en doble paret per S-RIM.

Atès que per accedir a aquestes tècniques el RTM és el primer graó, és lògic que hagi acaparat el major nombre de comunicacions en les Conferències, que constituïen fa 30 anys el nucli -gairebé únic- de les JEC. Vetrotex les ha aprofitat per presentar, entre uns altres, el mat Unifilo combinat amb vel de superfície per obtenir acabats de classe A.

Transferència de resina RTM

De les conferències de París i dels contactes amb responsables de diverses companyies implicades en el desenvolupament del RTM, s'arriba a una sèrie de conclusions que fan pensar que potser no sigui tan dolent arribar amb algun retard a la implantació del sistema.

En efecte, s'ha dut a terme una bona quantitat d'experimentació i desenvolupament i algunes idees emergeixen amb claredat. Existeix una important diferència en temps de modelo i fiabilitat entre el possible i l'òptim: és possible usar motlles composite amb superfície polimèrica, encara que l'òptim són motlles de superfície electroformada i un respatller de formigó polimèric conductor tèrmic, amb bescanviador de calor incorporada. Poden usar-se teixits i mat tallats i adaptats, però l'eficient és l'ús de preformas. Es pot disposar un sistema de maneig i tancament de motlles manual o bé situar-se els motlles en una premsa ràpida.

La diferència en cicles entre l'ús del possible i el de l'òptim és de 6 a 1: és a dir, per a una mateixa peça, si s'utilitza motlle electroformado, preforma i muntatge en premsa, el cicle pot ser de deu minuts; d'una altra manera, d'una hora. Quant a fiabilitat del procés, en el primer cas pot ser bastant aleatòria, mentre que en el segon és rar que hi hagi rebutjos.

Figura 4 La producció de grans peces estructurals s'està convertint en un dels camps en què poden dominar els composites. En aquest cas es tracta d'un gran tanc de pressió en fibra de carboni produït mitjançant un bobinatge (filament winding) altament automatitzat.

Un altre aspecte a considerar és el dels sistemes d'injecció en el motlle: existeixen equips simples i econòmics, però les grans produccions de S-RIM demanden una major sofisticació i inclouen el control per ordinador de les velocitats i pressions del cicle d'injecció de resina.

Són, doncs, molts els detalls tècnics que han de conèixer-se per implantar amb èxit el sistema. Per aquesta raó ens hem apropat a diversos subministradors de primeres matèries i equip, que han ofert la seva col·laboració sense reserves per efectuar a Espanya una exposició conjunta de tots els aspectes de la tècnica del RTM.

Avanci dels composites termoplàstics

Sembla que el clima d'Holanda és l'idoni per al desenvolupament de la tecnologia dels composites termoplàstics. Des de fa anys, TenCate produeix aquest tipus de materials mitjançant un procediment d'impregnació en solució. GE Plastics i PPG estableixen a Holanda la factoria europea d'Azdel. Però tot apunta al fet que l'avanç més significatiu és el presentat aquest any en les JEC per una altra signatura neerlandesa, Flex Composites, que ha desenvolupat un nou sistema d'associació fibra/matriu d'una extraordinària economia.

El procés consisteix en la incorporació de termoplàstic en pols a una metxa de roving contínua. Fins a aquí, gens nou, però el factor diferencial és que no es recorre a sistemes que forcin la penetració de la resina en la fibra, amb la deterioració consegüent, sinó que es tracta la fibra a priori perquè se separin els filaments i l'associació i dosatge sigui summament simple.

A aquest efecte, abans d'incorporar la pols termoplàstica, se sotmet a el rovinga uns dolls d'aire que separen els filaments convertint-ho en una banda de gran amplària; 60 mm per a un roving de 2400 tex, o sigui deu vegades major que el màxim ample que aconsegueix en processos com el filament winding. És fàcil comprendre que s'obtingui un gran estalvi en termes d'energia per completar l'associació i les mostres que disposem mostren una impregnació perfecta.

Com a conseqüència, el preu dels productes és molt econòmic i, de moment, la seva aplicació es limita als processos de bobinatge i pultrusión, confiant Flex Composites a disposar durant aquest any de teixits i altres presentacions del material.

El camp estructural

Encara que en el camp tecnològic és discutible que la Unió Europea vagi a remolc d'Estats Units, la unitat de l'enorme mercat americà facilita que sigui allí on es generen noves directrius en les aplicacions dels composites.

La SPI/Composites Institute ha estat present en les JEC’95 amb un missatge nou, més per la seva contundència que perquè constitueix una novetat per a Europa. Es tracta de l'única entitat que organitza anualment una manifestació d'importància paral·lela a les JEC, però amb una antiguitat molt major, ja que es va iniciar en 1945 i, durant molts anys, les seves Proceedings han estat la principal font d'informació per als tècnics d'aquests materials a tot el món.

Figura 5 En la fabricació de motors dièsel, Perkins utilitza els avantatges de resistència a la corrosió i absorció de soroll del SMC per a la coberta de vàlvules i el cárter. El material és l'HMC de DSM amb matriu viniléster, que conserva el 80% de la seva resistència a 180 C.

En JEC, Composites Institute va donar a conèixer el seu nou programa de desenvolupament del mercat de les infraestructures per aprofitar l'oportunitat que presenta l'estat actual d'aquestes infraestructures a Estats Units pels composites. Gairebé dos milions de quilòmetres de carreteres sota norma, 75.932 ponts deficients, 8.794 preses d'alta perillositat i 10.131 plantes de tractament d'aigües residuals deficients.

Durant tres dècades, els administradors electes a Estats Units han trobat en la demora del manteniment un mitjà còmode d'equilibrar els pressupostos. Com a conseqüència, el 43% dels ponts d'Estats Units són obsolets o deficients i només la solució d'aquest problema té un etiqueta de preu de 20.000 milions de dòlars. Avui, l'estat de les infraestructures es considera lligat a la productivitat com a component essencial per a la competitivitat global i, per tant, s'ha emprès ja una acció decidida per remeiar aquesta situació.

Figura 6 Un disseny innovador per a torres de conducció elèctrica desenvolupat per Ebert, amb muntatge sense adhesius ni cargols. En tractar-se d'un material no conductor minimitza la incidència teòrica dels "fluxos electromagnètics", objecte d'una important controvèrsia ecològica en els EUA.

A Europa s'han efectuat ja nombroses realitzacions en aquest camp utilitzant composites, en les quals s'han aprofitat les característiques del material per superar, mitjançant prestacions addicionals, els desavantatges de cost respecte a l'acer. Però és evident que un camp d'actuació com l'exposat permetrà un joc molt major per posar en relleu la idoneïtat d'aquests materials en aplicacions en què es requereix resistència mecànica, al mal tracte, a la fluencia i als agents mediambientals.

Les actuacions que es preveuen se situen en el condicionament de molls i embarcaderos: la Marina d'Estats Units gasta anualment 400 milions de dòlars en manteniment d'aquestes estructures, que és 3,5 vegades el que va costar construir-les, i el mercat total se suposa 20 vegades major. L'Institut Edison de recerca calcula les necessitats de pals en 10 milions d'unitats per als propers 5 anys i no hi ha suficient fusta per produir-los, amén que el seu tractament té efectes ecològics desfavorables. També es precisen noves torres de comunicació per al creixement explosiu dels telèfons cel·lulars.

I està la qüestió dels fluxos electromagnètics que alguns criden els "asbestos dels 90": certa o no la seva influència, tindrà importància en la selecció del material per construir aquests tipus de suport de línies i elements de comunicació. I els composites són els únics materials estructurals intrínsecament aïllants. Un primer projecte destacat és un pont de cables composite de 305 metres (1.000 peus) a la ciutat de Lincoln (Nebraska).

Una proposta sorprenent

DuPont mereix un respecte per la seva contribució al desenvolupament dels plàstics i composites: els seus productes són tan avançats que en molts casos, com el de les per-aramidas o el PVF, han estat vint o més anys al mercat abans que sorgís la competència. Per això sorprèn una proposta de DuPont que, a primera vista, sembla renyida amb la forta independència empresarial que caracteritza a aquest sector.

Es tracta del sistema denominat Tepex, que es presenta com la revolució per a la producció en sèrie de composites termoplàstics avançats. DuPont proposa un sistema de franquícia en el qual es fa càrrec, conjuntament amb el client, d'un primer estudi de viabilitat del projecte, una primera revisió de l'enginyeria i disseny seguida d'un estudi crític, el prototip per avaluar l'acceptació del mercat i la producció de preseries abans de la decisió final d'engegada.

Encara que els responsables de DuPont en la seva stand de les JEC no van poder donar-nos les coordenades completes o el tipus de producte, una de les primeres Tepex shop s'està situant a Galícia. Unes altres, com Fujiwara, radiquen en el Japó, que subministra les premses de Sumitomo utilitzades en el procés, amb cicles de 30 a 60 segons, segons espessor.

Exito de la presència espanyola

El stand de la signatura espanyola Astar estava sempre replet de visitants, fins al punt que era gairebé impossible establar conversa amb les seves representates. El passat any Astar va ser l'única empresa espanyola amb stand propi en les JEC. En 1995 s'ha duplicat la participació, ja que la madrilenya Haesa estava també present. Haesa és filial de la norteaamericana Hercules, que és un dels principals productors mundials de fibres de carboni i materials per a la indústria aeroespacial i produeix a Parla preimpregnados de fibres d'alt mòdul per a aquest tipus d'aplicació.

La implantació d'Haesa ha alliberat a la indústria aerospacial espanyola de la necessitat d'importar en difícils condicions uns materials que són, d'una banda, de maneig delicat i, per una altra, han de complir uns requisits de control de qualitat extraordinàriament estrictes.

Naturalment, estaven presents en molts stands els responsables espanyols de les multinacionals implantades al nostre país però, amb stand propi i exclusiu, solament es trobaven les dues citades.

Els problemes de reciclatge

La conferència presentada per DSM fa una anàlisi exhaustiva dels materials més adequats per a la construcció d'elements de motors dièsel i compara els complexos polimèrics amb els metalls i arriba a algunes conclusions sorprenents en favor dels termostables. Una d'elles concerneix a la reciclabilidad: fent referència al funcionament de la planta de Rastatt del grup Ercom des de 1992 arriba a la conclusió que avui la totalitat del desaprofitament o peces usades de composites termostables ja es reutilitza.

La signatura argumenta que els termoplàstics reciclats sofreixen una degradació que fa necessària la seva barreja amb polímer verge, a més del problema que crea la selecció per materials. Per contra, els composites termostables no precisen selecció i el molturado resultant s'incorpora íntegrament com a càrrega inerta al nou material. Naturalment, el seu valor és nimi, però cobreix folgadament el cost de la recuperació, cosa que no succeeix amb la majoria dels termoplàstics.

Per contra, en uns altres com el PC o el PET, el valor del material recuperat supera tan àmpliament al cost del reciclat que empreses com a GE Plastics, que es van plantejar la fabricació de palets en reciclat per a la seva pròpia logística, van precisar efectuar una razzia per tota Europa comprant telèfons i ordinadors vells per subvenir a les seves necessitats inicials de material a reciclar.

Evolució previsible del sector

Els composites han precisat 50 anys per mostrar tot el seu potencial. Avui, en processos de transformació, en característiques mecàniques, físiques i químiques i en respecte al medi ambient es configuren com un material que ja no és el de l'avenir, sinó del present. Es disposa de processos de velocitat comparable a la transformació metàl·lica, de termoplàstics reforçats a preus accessibles, de resines amb qualitats de resistència tèrmica superior a la de la utilització habitual i, molt especialment, d'una llibertat de disseny estructural no coartada pels sistemes de transformació.

No obstant això, l'increment potencial de producció, especialment en el camp estructural, es veurà probablement limitat perquè s'intueix un cert fre en la disponibilitat de primeres matèries, especialment de fibres de vidre, i s'anuncien també, per primera vegada, limitacions en la disponibilitat de fibres de carboni, que farà que hagin de menysprear-se aquelles aplicacions que no aportin un valor afegit, perquè els preus de les primeres matèries no baixaran d'acord amb l'increment de la demanda.

En aquest sentit, ha de recordar-se que, a Espanya, els composites són encara el parent pobre dels materials a causa de l'ús en un percentatge elevat del modelo per contacte. En molts casos, les seves aplicacions no incorporen un component tecnològic que ressalti les seves possibilitats, sinó més aviat el contrari. Es precisa, doncs, un esforç de posada al dia dels processos de transformació perquè sigui possible estar al mercat europeu amb el nivell de qualitat del que les JEC’95 han estat exponent.