Material innehållande glasfiber kan få nytt liv i ortopediska hjälpanordningar
Industrin för fiberförstärkta polymerer har sina rötter i utvecklingen av glasfiber, en sammansättning där glas i fiberform ligger inbäddat i en polyesterhartsmatris, för nästan hundra år sedan. År 1958 tillverkades de första högpresterande ”stråna” av kolfiber, och det banade vägen för att börja använda mycket starka kolfibrer i lättviktiga kolfiberförstärkta polymerer (CFRP). CFRP används nu allmänt i nästan alla industrier, däribland transporter, luft- och rymdfart, byggnad, elektronik och biomedicin. Deras kombination av styrka och lättviktighet har lett till mer hållbara transporter med mindre utsläpp. Om CFRP kan återvinnas och återanvändas bättre bidrar det till en cirkulär ekonomi på denna väldiga globala marknad med dess stora koldioxidavtryck. Det EU-finansierade projektet Repair3D har bidragit till att lösa det behovet. Dess avancerade nanotekniska lösningar och processer för friformsframställning (additiv tillverkning) kommer att göra det möjligt att av återvunna resurser tillverka 3D-utskrivna produkter med stort mervärde och avancerade funktioner, något som tänjer på gränserna för hållbar produktion.
Återvinning av CFRP: utmaningar och möjligheter
Kompositer som CFRP är svåra att återvinna pga. deras heterogena struktur och sammansättning. I nuvarande återvinningsmetoder används ofta grova kemikalier som förstör matrishartsmaterialen och skadar kolfibrerna i processen. Lägger man till detta den höga återvinningskostnaden blir inte det hela kommersiellt lockande. CFRP-marknaden har potential att växa avsevärt längre än de konventionella transport- och byggnadssektorerna. Om man sänker användningskostnaderna för CFRP genom ekonomisk, lokal återvinning och införlivar nanoteknikbaserade smarta sensorer och självläkningsegenskaper för att höja livslängden, kan det uppmuntra mindre aktörer som små och medelstora företag till väldiga innovationer. I Repair3D har man jobbat med den utmaningen.
Karaktärisering av återanvända kolfilament från CFRP
I Repair3D bedömde man egenskaperna och möjligheterna till bearbetning hos återanvända kolfilament under ett antal återvinningscykler. ”Trots den termomekaniska försämring som polymerer genomgår genom smältning och återextrusion, verkar återvunna kolfilament uppfylla kraven för 3D-utskrift genom ett antal återvinningsprocesser. Lägger man till en del jungfrumaterial förbättras de mekaniska egenskaperna och viskositeten för utskrift förhöjs”, menar projektsamordnaren Isella Vicini på Warrant Hub. Dessutom har toxicitetsbedömningar visat att de återvunna materialen är lämpliga för medicinska användningsområden.
Industriella användningsområden och uppvisningsprodukter
När teamet väl hade lyckats med återvinning och 3D-utskrift av kolfilament från CFRP, gick de vidare till att utforma en hållbar produkt. Repair3D-konsortiet tillämpade principerna för design för friformsframställning, design för återvinning och inbyggd säkerhet (i synnerhet för de nanomaterial som användes som stöd för de smarta sensorerna och självläkningsegenskaperna). Vid produktionen och provningen av uppvisningsexemplaren användes innovativa verktyg producerade av partnerna. ”Materialen som utvecklats från återvunna CFRP har karaktäriserats mekaniskt, så att deras prestanda är bekräftat lämplig för användning i många industriella tillämpningar. Hittills har vi i projektet designat fem industriella uppvisningsexemplar och åstadkommit en vas, personanpassade ortopediska hjälpanordningar, skalet (det fasta yttre lagret) på en skidpjäxa, samt bildelar”, berättar Vicini. Till stöd för EU:s digitala och gröna omställning, och även för smarta sensorer och självläkning, har konsortiet tagit fram en sakernas internet-strategi där man skapat radiofrekvensidentifieringstaggar för varje uppvisningsprodukt. Repair3D har levererat nanotekniktyper och friformsframställningsprocesser som ska göra det möjligt att återvinna och återanvända CFRP till innovativa mervärdesprodukter med avancerade smarta sensorer och självläkningsegenskaper. Det bör skapa nya affärsmöjligheter samtidigt som det minskar sopberget och koldioxidavtrycket från nya produkter på många olika användningsområden.
Keywords
Repair3D, CFRP, återvinning, kolfiber, kolfilament, friformsframställning, självläkning, 3D-utskrift, additiv tillverkning, kolfiberförstärkt polymer
