Implementation of a high-pressure resin transfer molding (HP-RTM) process to increase the production rate of structural composites and characterization of sustainable vitrimer-matrix high-performance composites

Abstract

Transport industry, especially automotive, is one of the most pollutant in the world. Current environmental concerns demand original equipment manufacturers (OEM’s) to reduce the amount of emissions released by their vehicles, requiring more green alternatives to mobility.

By reducing the overall vehicle weight, it will be diminished the total amount of pollution for conventional combustion engine vehicles, or increase the autonomy of electric – hybrid vehicles, being the carbon fiber reinforced polymers (CFRP) the best option to reduce overall structural weight.

Thermoset CFRP offer many advantages over traditional automotive materials as steel or aluminum due to their high mechanical strength, high chemical and thermal resistance, dimensional stability and high durability under harsh conditions. But production of high performance CFRP has been limited to time and energy consuming methods as autoclave. Out of autoclave (OoA) solutions as RTM have become interesting manufacturing processes, being cheaper and presenting energetical, economical and logistics savings in comparison.

However, these OoA processes have limitations as long cycle times (specially filling and curing times), limiting the use of high-reactivity resins and making these processes unreliable to be considered for high-volume industries as the automotive, which needs very short cycle times (≈5 minutes). Other process steps as preforming or mold preparation also are time consuming, in which automation becomes a key factor to reduce overall processing time.

Moreover, CFRP are very expensive compared with traditional materials, as the raw fibers alone represent almost half of the total component cost, requiring high-volume manufacturing alternatives to overcome this issue. Furthermore, the current demand of CFRP structures is creating concerns about the amount of waste that these materials would generate in the future, as thermoset polymers are very complex to recycle. Separating the fibers from the matrix implies damaging the reinforcement and reducing their mechanical properties. In addition to current disposal solutions also implying environmental and economic concerns.

This thesis aims to explore the high-pressure resin transfer molding process (HP-RTM) as a feasible alternative to produce high performance CFRP in short cycle times. Additionally, it is complemented by using a new high-performance vitrimer polymer that presents thermoset-like performance while being reprocessable, reconformable and recyclable

La indústria del transport, especialment l'automotriu és una de les més contaminants del món. Les creixents exigències mediambientals estan fent que els principals fabricants del sector (OEM's) redueixin la quantitat d'emissions que produeixin els seus vehicles, demandant alternatives més sostenibles para la mobilitat.

Reduir el pes dels vehicles minoraria la quantitat de contaminants que són emesos cap a l'atmosfera, en vehicles de combustió interna, o incrementaria l'autonomia dels vehicles híbrids o elèctrics, sent els materials compostos reforçats mitjanament fibra de carboni (CFRP) la millor opció per fer-ho.

Els materials compostos termoestables de fibra de carboni ofereixen molts avantatges respecte a materials tradicionals de la indústria automotriu, com l'acer o l'alumini, gràcies a la seva alta resistència mecànica, resistència química i tèrmica, estabilitat dimensional i alta durabilitat sota condicions severes. Però la producció de materials compostos d'alt rendiment (CFRP) han estat limitats per al ús de mitjans amb un alt consum de temps i recurs com l'autoclau. Alternatives fora d'autoclau com el procediment d'injecció de resina (RTM), s'han convertit en processos d'un alt interès, gràcies a els seus avantatges sobre el consum elèctric i la seva eficiència logística, en comparació amb l'autoclau.

No obstant això, aquests mètodes presenten limitacions, com temps de processament (ompliment i curat). Limitant així la implementació de resines d'alta reactivitat, fent-los poc interessants per a indústries amb elevats volums de producció com l'automotriu, que té temps de processament molt curts (≈5 minuts). Altres etapes de la manufactura com el preformat o la preparació del motlle també consumeixen temps, en aquestes, l’automatització es torna un factor necessari per a reduir el temps total del procediment.

Addicionalment, els materials compostos de fibra de carboni són molt cars, si són comparats amb materials tradicionals. Les fibres mateixes representen gairebé la meitat del cost total dels components, necessitant alternatives de producció amb una alta capacitat per contrarestar-ho. A més, la creixent demanda de aquests materials incrementa les preocupacions sobre la quantitat de rebuig que es produiran cap al futur, ja que els materials compostos termoestables són molt complicats de reciclar. La separació de les fibres respecte a la matriu implica danys en la seva estructura, reduint la seva resistència mecànica. Altrament, els processes de reciclatge actuals també generen inconvenients mediambientals i econòmics.

Aquesta tesi pretén explorar el procediment d'injecció de resina a alta pressió (HP-RTM) com una alternativa viable per a la introducció dels materials compostos d'alt rendiment, en temps de fabricació curts. A més a més, es complementa amb l'ús d'un nou polímer vitriméric d'alt rendiment, que combina l'alta resistència mecànica dels compostos termoestables, amb la reprocessabilitat, la comformabilitat i la reciclabilitat