FOREST zweryfikował lekkie biokompozyty dla transportu

Finansowany przez UE projekt FOREST, koordynowany przez Aimplas, Centrum Technologii Tworzyw Sztucznych, opracował i zweryfikował lekkie biokompozyty do zastosowań w motoryzacji, lotnictwie i autobusach. Prace dotyczyły zmniejszenia masy pojazdów jako sposobu poprawy efektywności transportu i ograniczenia emisji. Zgodnie z wynikami projektu opracowane elementy osiągnęły redukcję masy do 35% w porównaniu z częściami konwencjonalnymi, przy zachowaniu parametrów użytkowych, bezpieczeństwa i trwałości.

W ramach projektu zademonstrowano elementy dla transportu zawierające ponad 50% materiałów zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju. Formulacje łączyły surowce pochodzenia biologicznego, włókna węglowe z recyklingu i dodatki funkcjonalne bez pogorszenia parametrów użytkowych, bezpieczeństwa ani wykonalności przemysłowej. Końcowe demonstratory ograniczyły masę o 30–35% w porównaniu z konwencjonalnymi elementami referencyjnymi i spełniły wymagania mechaniczne oraz funkcjonalne, w tym dotyczące właściwości ogniowych i, tam gdzie było to wymagane, ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych.

Optymalizacja procesów ograniczyła również zużycie energii w produkcji o 15–25% w porównaniu z metodami konwencjonalnymi. Przyspieszona chemia utwardzania skróciła czasy cyklu o 20–40%, natomiast koncepcje produkcji jednoetapowej wyeliminowały pośrednie operacje przetwórcze. Opracowane procesy zniosły także konieczność przechowywania materiałów w zamrażarkach. Koszty prac inżynieryjnych spadły o 15–20% dzięki uproszczeniu oprzyrządowania, mniejszej liczbie iteracji form oraz większej stabilności procesów.

„FOREST pokazuje, że zrównoważony rozwój, redukcja masy i bezpieczeństwo nie są sprzecznymi celami. Łącząc chemię opartą na surowcach biologicznych, włókna węglowe z recyklingu i wielofunkcyjne właściwości, zmieniamy zaawansowane kompozyty z myślą o przyszłości mobilności” – powiedział Fernando Ramos, koordynator projektu FOREST w Aimplas.

Osiągnięcia projektu, przedstawione w związku z Europejskim Tygodniem Mobilności, odbywającym się od 16 do 22 września, wskazują na potencjał lekkich kompozytów zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju w ograniczaniu zużycia energii i emisji związanych z transportem.

Trzy demonstratory do zastosowań transportowych

Aby ocenić przemysłową wykonalność materiałów i procesów produkcyjnych, w ramach projektu FOREST zaprojektowano, wykonano i zweryfikowano trzy demonstratory dla motoryzacji, lotnictwa i transportu publicznego.

• Pokrywa akumulatora pojazdu elektrycznego: termoutwardzalna obudowa formowana metodą prasowania, oparta na matrycy bio-benzoksazynowej, wzmocniona włóknem węglowym z recyklingu oraz zawierająca biopochodne dodatki uniepalniające i ekranujące zakłócenia elektromagnetyczne. Element zweryfikowano pod kątem właściwości konstrukcyjnych, odporności ogniowej i ekranowania elektromagnetycznego.
• Panel sufitowy kokpitu samolotu: lekki kompozyt termoplastyczny wykorzystujący wzmocnienie z arkusza organicznego z włóknem węglowym z recyklingu oraz obtrysk poliamidem pochodzenia biologicznego. Rozwiązanie zastępuje konwencjonalne panele z żywicy fenolowej, zapewniając równoważne parametry wymagane w lotnictwie.
• Profil pultruzyjny dachu autobusu: ciągłe profile konstrukcyjne łączące przędzę z włókna węglowego z recyklingu z poliamidem pochodzenia biologicznego w procesie pultruzji termoplastycznej. Proces stanowi skalowalną i zautomatyzowaną metodę produkcji elementów dachów autobusów.

Biopochodne systemy żywic zweryfikowane w skali pilotażowej

W projekcie opracowano, zoptymalizowano i zweryfikowano również trzy systemy żywic pochodzenia biologicznego w skali pilotażowej. Żywicę bioakrylową, żywicę bio-benzoksazynową i biopochodny poliamid 6 dostosowano do wymagań poszczególnych zastosowań transportowych. Wszystkie trzy spełniły wymagania dotyczące integracji w końcowych demonstratorach, w tym udziału surowców biologicznych, przetwarzalności i wielofunkcyjnych właściwości.

System bioakrylowy oparty na Elium zapewnił stabilne formulacje zawierające około 25% materiału pochodzenia biologicznego, przy zachowaniu możliwości recyklingu, przetwarzalności i właściwości termomechanicznych. Jego integrację z włóknem węglowym z recyklingu zademonstrowano przy użyciu prasowania z przetłaczaniem żywicy, C-RTM, oraz przetwarzania arkuszy organicznych.

System bio-benzoksazynowy osiągnął około 85–87% węgla ze źródeł odnawialnych. Dobór katalizatora i dotwardzanie poprawiły przebieg utwardzania, stabilność cieplną i właściwości mechaniczne, umożliwiając zastosowanie materiału w prasowaniu tłoczywa arkuszowego SMC dla motoryzacji.

System poliamidu 6 opracowano w wersjach częściowo i całkowicie opartych na surowcach biologicznych. W projekcie wykazano wykonalność polimeryzacji i możliwość zwiększenia jej skali oraz zoptymalizowano formulacje pod kątem lepkości, impregnacji włókien i zgodności z pultruzją oraz obtryskiem.

Odzysk i ponowne wykorzystanie odpadów włókna węglowego

Równolegle ze zwiększaniem udziału materiałów pochodzenia biologicznego w projekcie FOREST zbadano możliwości zagospodarowania odpadów włókna węglowego. Celem był odzysk do 100% tych odpadów i przekształcenie ich w wysokiej jakości półprodukty do nowych zastosowań. Wyniki potwierdziły, że prawidłowo odzyskane włókna zachowują dużą część pierwotnych właściwości mechanicznych, co wspiera ich wykorzystanie w cyrkularnych łańcuchach wartości kompozytów.

Materiały i elementy poddano etapowej charakterystyce obejmującej reologię żywic, przebieg utwardzania i analizę termiczną, a także próby rozciągania, zginania i udarności. Program obejmował również ocenę właściwości ogniowych, badania mikroskopowe i pomiary ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych. Takie podejście badawcze miało potwierdzić, że poprawa właściwości środowiskowych materiałów nie prowadzi do osłabienia integralności konstrukcyjnej, właściwości ogniowych ani stabilności procesu produkcyjnego.

Po zakończeniu projektu FOREST demonstratory stanowią zweryfikowane prototypy lekkich rozwiązań kompozytowych wpisujących się w gospodarkę o obiegu zamkniętym. Wyniki projektu wskazują na możliwość zmniejszenia masy elementów i zapotrzebowania procesów na energię, zwiększenia udziału materiałów zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju oraz odzysku odpadów włókna węglowego, przy zachowaniu perspektywy wdrożenia przemysłowego.