Oportunidades y riesgos de la fibra de vidrio en línea

La preparación de compuestos de fibra larga de vidrio y el subsecuente moldeo del termoplástico reforzado es una alternativa nueva para los procesos de inyección o compresión de granulados preparados con fibra larga de vidrio o para el uso de mallas tejidas de vidrio en láminas de termoplástico (GMT, del inglés glass-mat thermoplastic). La preparación directa del compuesto termoplástico de fibra larga de vidrio (D-LFT, del inglés direct long-fiber thermoplastic), y su moldeo, está todavía en las primeras etapas del proceso de aplicación comercial. Este proceso ya abarca cerca del 16% del mercado global, o 44 millones de libras de las 277 millones de libras totales que constituyen el mercado global de los termoplásticos reforzados con fibras largas; esto, de acuerdo con un estudio de mercadeo realizado por la firma de investigaciones BRG Townsend Inc., de Mt. Olive, N.J. A los compuestos GMT le corresponde el 52%, 277 millones de libras, y los granulados reforzados con fibra larga llegan al 32%, o 89 millones de toneladas. Se afirma que el mercado de LFT está creciendo a una tasa del 30% por año, y el D-LFT cuenta con una tasa de crecimiento aún mayor.

Existe al menos media docena de métodos que se pueden emplear, algunos de ellos comerciales y otros propietarios. Las versiones más antiguas datan de HACE 10 años, alimentan el vidrio molido con una longitud entre 0,5 y 2 pulgadas dentro de un extrusor especial. Las tecnologías más modernas, de hace tres a cinco años, alimentan las cuerdas de vidrio de manera continua y luego son cortadas a la medida por un cortador o por el tornillo de extrusión. Algunas de las versiones más modernas de la preparación de D-LFT emplean máquinas de inyección de tornillos gemelos, los cuales reemplazan el tornillo simple que antes se usaba. Otros sistemas de fabricación del D-LFT extruyen barras o láminas gruesas que son colocadas en estado aún caliente dentro de una moldeadora de compresión. En una variante de esta técnica, la barra extruida se introduce directamente en la base del molde. Los proveedores de maquinaria han descontinuado esta técnica por considerar que es muy lenta.

Una característica general para todos las tecnologías de preparación de compuestos D-LFT es el hecho de que todas requieren que los procesadores dominen un proceso doble complejo, que combina la preparación del compuesto de resina y fibra cruda de vidrio en conjunto con el proceso de moldeo por compresión o por inyección. "Para pasar a hacer compuestos de fibra de vidrio en línea se tiene que practicar gastando muchas libras de material y el procesador debe ser muy hábil y preparado técnicamente", afirma Robert Constable, coautor del estudio de BRG Townsend sobre el mercado de los LFT. El riesgo se pasa del proveedor de los gránulos al moldeador. No sería sorprendente encontrar que algunos traten de aplicar esta tecnología y lleguen a la conclusión de que es muy compleja. Calentar una lámina de Azdel e introducirla en un molde es mucho más fácil que preparar el compuesto y luego moldear en serie".

No solamente los moldeadores asumen la responsabilidad de formular sus propias materias primas, sino que también los costos de la inversión se incrementan considerablemente. Meridian Automotive Systems, de Salisbury, N.C., planea invertir alrededor de un millón de dólares en cada uno de los tres sistemas de compresión de materiales D-LFT. Este valor cubre únicamente el sistema de preparación del compuesto y el robot que alimenta la máquina moldeadora. No incluye a la máquina moldeadora. Cada sistema ocupará un área de 1500 pies cuadrados, sin contar con la plataforma para alimentar gravimétricamente y mezclar los materiales. De manera similar, el moldeo por inyección de materiales D-LFT puede costar un 80% más que una línea estándar.

¿Por qué hacerlo?
La primera respuesta es el ahorro en costos, la segunda son las mejores propiedades generales que se pueden lograr. El moldeo por compresión de materiales D-LFT se dedica a la fabricación de piezas estructurales grandes. Estas resultan ser entre 20 y 50% menos costosas que las partes moldeadas con GMT comprado en el mercado. El polipropileno GMT, suministrado por GE Plastics con la marca Azdel, se vende a alrededor de US$ 1,30 por libra. Los compuestos D-LFT cuestan menos de un dólar la libra.

"No existen muchos puntos de un automotor donde se pueda simultáneamente reducir los costos en la magnitud que lo permite hacer esta nueva tecnología"; explica Frank Henning, director de R&D en el Instituto Fraunhofer de Tecnología Química, en Alemania, en donde se realizaron los primeros desarrollos del proceso D-LFT. "Por esta razón, el procedimiento para fabricar D-LFT tendrá una gran acogida en Estados Unidos, ya que es un país donde la industria automotriz tiene un gran potencial de mercado. Ellos no podrán dejar de un lado esta tecnología".

Las propiedades de impacto en las piezas fabricadas con materiales D-LFT pueden ser un poco menores que aquellas hechas con los GMT estándar. Los proveedores de moldes y máquinas afirman que la longitud de las fibras en las partes moldeadas con materiales D-LFT es de aproximadamente 3/4 a 2 pulgadas (esto es: 19 a 50 mm).

El moldeo por compresión de compuestos D-LFT es comercial en Europa y en Estados Unidos, especialmente para la fabricación de partes estructurales planas de grandes dimensiones. Media docena de procesadores Europeos de gran tamaño para la industria automotriz cuenta con cerca de 25 líneas operando ahora y han colocado órdenes para otras 10 a 15 nuevas líneas de conversión empleando la tecnología de los compuestos D-LFT. Hasta ahora en Estados Unidos únicamente hay dos compañías de transformación que usan la tecnología y otra más está implementado las primeras etapas de la misma. También hay un manojo de máquinas realizando pruebas de investigación y desarrollo de proceso y productos.

El número de líneas de inyección dedicada a operar con materiales D-LFT es mucho menor que aquel de líneas de compresión. Los ahorros de la primera tienen algún valor, comparado con el moldeo por inyección a partir de gránulos preparados con fibras de vidrio largas. Pero la ventaja principal radica en las mejores propiedades debido a que las fibras resultantes son más largas que con el moldeo por inyección convencional con fibras largas. Una razón clave que explica esta situación es que al halar continuamente las cuerdas de fibra de vidrio en el barril, estas se encuentran con la resina que ya está en estado fundido.

Varias fuentes afirman que la productividad del moldeo por inyección con materiales D-LFT es mayor que con el moldeo con gránulos estándar de fibras largas de vidrio. Ya que la plastificación debe realizarse lentamente para evitar el rompimiento de las fibras con gránulos largos, las partes son fabricadas en ciclos más largos; de más de un minuto. En cambio, las partes hechas a partir de D-LFT requieren tiempos de ciclo de inyección (o de compresión) de 30 o menos segundos.

El moldeo por inyección de productos con D-LFT exige una mayor facilidad de flujo pero a la vez, genera una menor resistencia mecánica que la que puede lograrse con el moldeo por inyección por compresión. Otra ventaja del moldeo por inyección de D-LFT es que se evita la necesidad de realizar troquelados de grandes proporciones en las piezas y, por lo tanto, se evita la formación del desperdicio correspondiente. La longitud de fibra última con el moldeo por inyección de D-LFT está entre 7 y 12 mm, que es más corta que la que se logra con el moldeo por compresión, pero a su vez, mucho más larga que la que se obtiene con el moldeo por inyección de gránulos reforzados con fibra de vidrio larga en la planta de un proveedor externo, que corresponde al método tradicional.

La implementación del procesamiento con materiales D-LFT está creciendo más rápidamente en Alemania. En Francia y Estados Unidos, donde el moldeo por compresión de termoplásticos está menos difundido, la industria automotriz ha tratado de obtener mayores valores de resistencia la impacto usando el moldeo por inyección de materiales reforzados con fibra de vidria larga. Pero los granulados prefabricados de fibra de vidrio larga, sin importar cual sea la longitud inicial de la fibra, al final resulta tener una longitud entre 1/8 y 1/4 de pulgada (de 3,2 a 6,4 mm) en el producto terminado. Esto, de acuerdo con Randall Lawton, presidente de C.A. Lawton Co., que vende sistemas de D-LFT para moldeo por compresión. Esta longitud es menor que la que se obtiene con materiales D-LFT empleados en moldeo por compresión o inyección. Una fuente en Ticona afirma que sus gránulos Celstran de fibra de vidrio larga producen artículos terminados con longitudes de fibra superiores a _ pulgadas, de manera consistente, pero no especificó la proporción de estas fibras más largas.

Los materiales D-LFT de los dos tipos aportan otra ventaja. En ellos se puede incorporar fácilmente el retal que se genera y que en el moldeo de GMT convencional no se puede rehusar. En los procesos donde se transforman los materiales D-LFT si se puede reciclar los retales provenientes de GMT, una ventaja para los transformadores que cuentan con ambos procesos.

¿En dónde encaja el procesamiento de materiales D-LFT?
La evaluación de los costos contra los beneficios de una variedad de métodos de transformación de materiales D-LFT no es simple. Primero, está la definición cuán "larga" es una fibra larga de vidrio en el artículo terminado, que es una medición de la mayor importancia. Se debe tener cuidado en distinguir entre los materiales D-LFT, los gránulos preformados de fibra de vidrio larga y aun el moldeo por inyección de los gránulos tradicionales de fibra de vidrio corta.

En las empresas donde existe la compresión de D-LFT y el moldeo por compresión de GMT adquirido externamente, de los cuales hay dos clases diferentes que contienen ya sea fibras cortadas o mallas de fibras continuas. Sin embargo, el material D-LFT para compresión se puede fabricar a partir de fibras continuas, fibras cortadas o gránulos preformados de fibra larga. La escogencia de una de estas alternativas dependerá en última instancia de temas como el económico, la productividad y las propiedades mecánicas requeridas en la pieza terminada.

Matt Miklos, director de producto en LNP Engineering Plastics, emplea gránulos de fibra de vidrio larga Verton, advierte a los moldeadores que el reconocimiento de la longitud última de las fibras de vidrio en los artículos terminados no se puede expresar con exactitud en términos de un valor simple o de un rango, sino que debe hacerse estadísticamente como una distribución o histograma. La forma de la curva está determinada por la máquina de transformación, el molde, la configuración del artículo y las condiciones de proceso usadas. Aun cuando el procedimiento de procesamiento sea adecuado con los gránulos preformados de fibra de vidrio larga, se requiere tener en cuenta características de la máquina y del proceso para disminuir el acortamiento de las fibras: tornillos de baja cizalladura y sin secciones de mezclado, orificios grandes y velocidades de giro bajas.

William Ferrel, director de tecnología y producción en PPG Industries, Pittsburg, que suministra cordeles a todos los mercados de fibra larga, no cree que los materiales D-LFT compitan con los gránulos rellenos con fibras largas. "Ellos están al servicio de aplicaciones diferentes. Si logran algún impacto, los materiales LFT en línea continuarán reemplazando las partes metálicas fundidas y las partes que requieren ensambles complejos". PPG es socio de GE en Azdel Inc., que produce las láminas de Azdel para ser mercadeadas por GE. Pero, Miklos de LNP afirma: "En algunos casos, nosotros hacemos aplicaciones en exactamente las mismas partes. Existe una superposición en los mercados que están sufriendo cambios".

Un número de procesadores y de proveedores de equipos afirman, en términos generales, que mientras más continuos sean los procesos en sus etapas de alimentación y de preparación de los compuestos, menor es el daño provocado en las fibras de vidrio, ya sea que la aplicación se inicie con cuerdas o con fibra cortada, o que se realice en un molde de compresión o de inyección. Su razonamiento se basa en el hecho de a mayores variaciones de presión, mayor es la elongación a las que están sometidas las fibras en la matriz fundida y menor será la longitud alcanzada por éstas en el producto terminado.

Algunos procesadores y de proveedores de equipos afirman que, en términos generales, mientras más continuo sean los procesos de alimentación y preparación del compuesto de material, menor es el daño sufrido por las fibras de vidrio, ya sea que el proceso comience con cuerdas o con fibras cortadas, y que se trate de un moldeo por compresión o por inyección. Su razonamiento se basa en el hecho de que entre más variaciones de presión y de flujo elongacional existan sobre las fibras en la matriz de resina fundida, éstas resultarán con una longitud promedia más corta en el artículo terminado.

"Las opciones no están relacionadas necesariamente con la calidad. Algunos artículos requieren de fibras de vidrio de 25 mm, otros fibras aun más largas"; afirma Heinrich Ernst, director de ventas de Dieffenbacher GMBH, de Alemania. "Se debe conocer cuál es la resistencia al impacto que se debe lograr y luego decidir cuál tiene que ser la longitud de la fibra y cómo debe entonces ser alimentada en el molde";. Además afirma que la otra cara de la moneda es que para tener fibras más largas (de al menos una pulgada de longitud) es necesario que ellas fluyan más lentamente y que a la vez retengan más calor que las fibras cortas.

Algunas fuentes afirman que es preferible trabajar con una longitud de fibra entre 10 y 15 mm para llenar partes de pared delgada y superficies plana, como ocurre con los paneles de los interiores de automotores. Tales longitudes de fibra causan menores distorsiones que las más largas de vidrio, entre 20 y 25 mm, explica Siegfried Kupper, cabeza del departamento de investigación y desarrollo de RKT Kunststoffe, un procesador que moldea por compresión partes de automotores a partir de GMT y D-LFT, con base en Koengen, Alemania.

El moldeo por inyección de materiales D-LFT
Hay dos proponentes principales del moldeo por inyección de materiales D-LFT con el empleo de máquinas de preparación de los compuestos de tornillos gemelos. Ambos presentaron sus ofertas en la pasada feria K 2001, en Düsseldorf. Uno de ellos es Krauss-Maffei, que ofrece sistemas desde 715 a 5940 toneladas. El extrusor opera continuamente con la ayuda de un acumulador de fundido que alimenta el sistema de inyección. Krauss-Maffei construye también la sección de tornillos gemelos, aunque en su diseño original empleó un sistema idéntico al de su compañía hermana Berstorff.

El segundo proponente fue Husky Injection Molding Systems, que construyó un sistema de demostración con una prensa de 330 toneladas y un equipo de extrusión Coperion Werner & Pfleiderer, de tornillos gemelos sobre la unidad de inyección. Husky ha descontinuado esta oferta debido a la falta de interés entre los clientes.

La inyección de materiales D-LFT es llevada a cabo a nivel comercial en dos plantas automotrices europeas que emplean los sistemas de Krauss-Maffei. Existen seis líneas en operación: tres en Francia, dos en Alemania y una en la compañía Delta Tooling Co., en Auburn Hills, Michigan, la cual realiza principalmente pruebas para los clientes. Faurecia en Audincourt, Francia, fue el primer transformador en usar los materiales D-LFT en moldeo por inyección. Esta compañía compró la máquina mostrada en la feria K 2001. Faurecia ahora tiene tres líneas de moldeo por inyección con materiales D-LFT y una cuarta ha sido ordenada. Con estas líneas fabrica los paneles y otras piezas automotrices para Peugeot. Krauss-Maffei también está implementando una máquina para laboratorio en la cual realiza ensayos con materiales D-LFT en Munich.

Moldeo por compresión con materiales D-LFT
La mayoría de los grupos automotrices más grandes de Europa que hacen partes moldeadas por compresión empleando D-LFT, originalmente moldeaban con sistemas GMT y aún emplean ambos procesos. Frecuentemente, una pieza que se hace con materiales D-LFT en un molde dado, puede también ser fabricada con el sistema GMT en el mismo molde. "Hacemos ahora piezas menos costosas y de mayor calidad";, anota Bernd Wulf, cabeza del Centro para la Excelencia de Plásticos y Compuestos en la empresa Rieter Automotive Heatshields AG, en Sevelen, Suiza. ";La tecnología con D-LFT es un factor muy importante para aumentar la participación en el mercado";. Rieter tiene dos años de experiencia con D-LFT, en dos líneas Dieffenbacher y planea instalar otra pronto.

Berstorff ofrece un sistema para la producción continua de un material parecido al GMT. Un extrusor de tornillos gemelos corrotacional ha sido modificado con un par de rodillos para separar los hilos de las cuerdas de la fibra de manera continua; luego las calienta y las humedece con la resina fundida, antes de halarlas y alimentarlas en la sección de intercalación de los tornillos. La empresa ha construido también dos extrusores de compuestos capaces de producir material D-LFT, aunque ninguno de ellos ha sido usado todavía en línea con un molde. Uno de ellos está en el laboratorio de Berstorff en Alemania. El otro ha estado en la empresa Quadrant (anteriormente Symalit), en Lenzburg, Suiza, desde octubre del 2000. Esta máquina hace una lámina GMT de menor costo para la venta a moldeadores por compresión. Es interesante notar que Quadrant decidió entrar en este negocio para responder a la competencia de los materiales D-LFT para moldeo por compresión.

La empresa Composite Products Inc., de Estados Unidos, desarrolló el primer proceso de D-LFT para compresión en 1989 y lo comercializó en 1991. CPI usa dos extrusores de tornillos simples en línea. Uno funde el PP y el otro precalienta la fibra cortada con un tornillo baja cizalladura y la combina lentamente con la resina fundida. El compuesto fluye luego a un acumulador donde un pistón empuja el material y lo transfiere al molde de compresión. CPI cuenta con líneas de producción con material D-LFT. Ha fabricado soportes de paneles de 3 x 5 pies para la camioneta Dodge Ram durante siete años. Más recientemente, moldeó marcos de puertas para un proveedor Tier One automotriz. CPI está construyendo una cuarta línea con el sistema D-LFT, que usará un nuevo proceso de incorporación de fibra larga denominado Woodshed, que usa un tipo de recubrimiento para alambres para luego untar la resina fundida a las cuerdas de vidrio. Su inventor, Ron Hawler, llama a este método "pushtrusion" (extrusión por empuje). El nuevo sistema elimina la necesidad de usar acumulador y pistón, y puede llenar un molde estándar de inyección.

En 1995, Volvo de Suecia tomó una licencia tecnológica de CPI para materiales de compresión por D-LFT. Volvo necesitaba hacer partes con fibra larga sin pagar el precio de las láminas de GMT. Volvo moldeó por compresión los paneles y componentes frontales y traseros de los automotores, así como una caja que va en el interior de la cabina de un tipo de camión. Más tarde, Volvo entregó la operación de moldeo por compresión D-LFT a Polytec Composites Sweden AB, un procesador de materiales GMT para la industria automotriz localizado en Austria. Los procesos nuevos de Polytec con D-LFT incluyen también un escudo de motor para Volvo. Polytec y Volvo están experimentando con nylon relleno con fibras de vidrio de 30 mm para competir con SMC. Polytec también está desarrollando un cortador para cuerdas que se instalará al lado de la máquina de D-LFT, en lugar de comprar la fibra ya cortada. No está de acuerdo con realizar el corte en el extrusor. Esto, porque la compañía cree que el tornillo produce más longitudes al azar (un punto que los fabricantes de tornillos gemelos disputan).

El proceso de CPI fue licenciado recientemente a Decoma International en Mississauga, Notario, que comenzará a hacer moldeos por compresión con materiales D-LFT más tarde este año. Composite Tecnologies Co., de Dayton, Ohio, adquirió su tecnología de plastificación de la antigua Rose Extruder Co., de Milwaukee en 1993, y desarrolló y patentó su propio proceso D-LFT en 1994. Este usa un tornillo simple reciprocante de 34:1 L/D, que plastifica la resina y corta las fibras de vidrio para alimentar moldes de compresión. La empresa CTC corre ocho líneas de compresión D-LFT haciendo una gama de partes compuestas para aplicaciones no automotrices, donde usa vidrio reciclado de los recortes de mallas de vidrio y resina TPO reciclada a partir de guardachoques de automotores. Hace productos bajo pedido como tableros de soporte para baloncesto de la marca Huffy Sports y soportes para estantería. CTC le concedió una licencia a C.A. Lawton Co., para usar su sistema de plastificación y también hace pruebas de mercado para esta misma compañía.

Coperion Werner & Pfleiderer suministra sus máquinas para hacer compuestos, del tipo de tornillos gemelos corrotacionales, para el moldeo por compresión de materiales D-LFT. Siete de estas máquinas han sido reconstruidas usando antiguas prensas para GMT de Dieffenbacher. Un extrusor normalmente alimenta dos moldes. Un sistema que pronto será instalado en la empresa Rangerplast, Abiata Prianza, Italia, alimentará tres moldes.

RKT es el usuario más grande de máquinas para compuestos D-LFT de W&P. Cuenta con cinco sistemas operando en Alemania, Brasil, España y México. La línea de México comenzó a operar en este año y suministra partes para Volkswagen-México. RKT espera que en pocos años instalará una línea de compresión de materiales D-LFT en su planta de Aksis, Gastonia, Carolina del Sur. RKT moldea piezas como paneles para automotores, corazas aislantes de ruido y soportes para partes frontales de automotores. Fuentes de la compañía afirman que en su proceso las fibras tienen una longitud de 2 a 25 mm, pero que la mayoría está en el rango de 8 a 10 mm.

La tecnología para el procesamiento de materiales D-LFT más actualizada de Diaffenbacher, emplea máquinas de tornillos gemelos corrotacionales de Leistritz para fundir PP. Las cuerdas de vidrio continuas precalentadas se esparcen por medio de rodillos y se halan hacia un segundo extrusor corto de tornillos gemelos, que las combina con la resina fundida. Los tornillos cortan el vidrio con longitudes al azar de hasta 80 mm. El compuesto se envía a un dado plano que forma la lámina, la cual es cortada en pliegos y alimentada en un molde de compresión.

Dieffenbacher ha vendido 17 sistemas D-LFT para compresión, 10 de las cuales están en operación, nueve en Europa y una en Estados Unidos. Pronto despachará una línea a Delphi Automotive Systems, Troy, Michigan. Una línea de investigación y desarrollo de Dieffenbacher está operando en esta empresa haciendo granulados rellenos con fibra de vidrio larga.

Polimer-Tech GMBH, Bad Sobeinheim, Alemania, fue la primera en usar el proceso D-LFT de Dieffenbacher. Hace paneles para camiones. Otras líneas D-LFT está en Rieter, Suiza, en la República Checa, y en Faurecia Interior Systems, Worth, Alemania, la que hace soportes para paneles de instrumentos. Dieffenbacher también tiene un equipo de laboratorio en Alemania, de 1500 toneladas de fuerza, capaz de transformar 1300 lb/hr en pruebas para clientes.

Intier Automotive, una operación de Magna para hacer interiores de automotores en Newmarket, Notario, cuenta con un proceso propietario en desarrollo de D-LFT. Jonson Controls Interior, Grefratch, Alemania, emplea un proceso D-LFT denominado Fibropress, que fue desarrollado en la planta en 1998.

Hace tres años, C.A. Lawton compró un proceso para el moldeo por compresión de granulados rellenos con fibra de vidrio larga, de Kannegiesser, Alemania, y lo convirtió en uno de preparación de materiales D-LFT a partir de cuerdas de vidrio. El proceso de Lawton alimenta continuamente con vidrio un extrusor de tornillos gemelos corrotacionales, 36:1, fabricado por Leistritz o Entek Extruders. El material compuesto es luego alimentado en un plasticador CTC, para lograr el mezclado final y la dosificación, en un tornillo reciprocante. Lawton tiene una unidad en Southern Research Institute, Universidad de Alabama, Birmingham. Una segunda unidad de compresión D-LFT fue enviada a Rieter, República Checa, con una fuerza de 2000 toneladas en el molde, para hacer paneles para un carro de VW.

Reproducido de Plastics Technology con autorización del editor