Ansys y la fabricación de componentes de automovil con material reciclado

Los plásticos están en todas partes, incluso en lugares en los que preferiríamos no verlos, como nuestros océanos. Según National Geographic, “Cada año, alrededor de 8 millones de toneladas de desechos plásticos se escapan a los océanos desde las naciones costeras. Eso es el equivalente a poner cinco bolsas de basura llenas de basura en cada pie de costa alrededor del mundo”.1

El reciclaje es una solución obvia, pero la mayoría de nosotros tenemos una comprensión ingenua del reciclaje. Puede pensar que los plásticos, por ejemplo, llegan a un centro de reciclaje listos para derretirse y convertirse en nuevas materias primas, que luego se pueden usar para fabricar nuevos componentes de plástico. En realidad, se requiere mucha clasificación y corte para hacer que las piezas de plástico sean lo suficientemente pequeñas como para fluir en un mezclador, y se utilizan aditivos químicos como aglutinantes o facilitadores de flujo para mejorar las propiedades del material resultante.

Incluso después de todo eso, un reciclador no puede estar seguro de que los plásticos reciclados sean útiles para los clientes potenciales que buscan convertir los plásticos en nuevos productos. Estéticamente, la versión reciclada probablemente no se verá lo suficientemente bien como para usarse en el exterior de un producto, por lo que generalmente se coloca fuera de la vista, como detrás de un parachoques de automóvil o entre dos piezas de metal. Es posible que el plástico reciclado no tenga la misma resistencia que el material plástico virgen equivalente, y la resistencia variará de un lote a otro. Esto se debe a que los materiales reciclables en cualquier flujo de residuos municipales varían según lo que se deseche en un momento dado y, por lo tanto, suelen ser una mezcla de plásticos similares.

Entonces, ¿cómo pueden los recicladores y sus clientes determinar y realizar un seguimiento de las propiedades físicas de los plásticos reciclados y lidiar de manera efectiva con la variabilidad inherente de estas propiedades? La respuesta está en un proceso que combina cuatro tecnologías Ansys en un flujo de trabajo optimizado.

El Proyecto de Reciclaje de Plástico en Modelado Estocástico (PRISM)

Para facilitar a los recicladores y a sus clientes la producción de plásticos reciclados viables y su uso en productos, Ansys colaboró con tres empresas del Reino Unido, Impact Recycling, Impact Solutions y Far-UK, en Plastic Recycling in Stochastic Modeling (PRISM ) Proyecto. Estocástico se refiere a la aleatoriedad, y es en la comprensión de la aleatoriedad de la materia prima y las propiedades físicas resultantes del plástico reciclado que la simulación puede ser de gran valor.

Impact Recycling, que ofrece una solución sostenible para el reciclaje de productos posconsumo, puede reciclar con éxito más del 80 % de los residuos plásticos municipales que maneja. Sin embargo, eso todavía deja un caro 20% sobre el que deben pagar impuestos para enviar a vertederos o incineradores. Empresas como Far-UK, que produce piezas de automóviles para vehículos de nicho, podrían ahorrar mucho dinero en la fabricación al tiempo que ofrecen un producto más sostenible mediante el uso de materiales reciclados de empresas como Impact Recycling, siempre que cumpla con las propiedades exactas de los fabricantes de equipos originales. (OEM) a los que venden. Parte del desafío es presentar esto como una alternativa a los polímeros vírgenes que los OEM automotrices han estado usando durante décadas.

«Estas empresas deben comprender cuándo tienen que usar materiales vírgenes y cuándo pueden usar un material reciclado en su lugar», dice Donna Dykeman, gerente de I + D para I + D colaborativo en Ansys. «Y ahí es donde entran las soluciones de simulación de Ansys».

“Granta MI almacena los datos de los materiales”, explica Dykeman. “Luego, se utilizó LS-DYNA para crear la tarjeta de material basada en datos de prueba. La tarjeta se validó frente a geometrías de cupón de prueba y geometrías de subcomponentes (p. ej., una viga bajo diversas condiciones de carga). Este primer paso de prueba y generación de tarjetas de materiales fue realizado por Far-UK. A continuación, usamos optiSLang para crear un flujo de trabajo con SpaceClaim y LS-DYNA para variar la geometría de las piezas candidatas y las propiedades del material hasta alcanzar un diseño óptimo. Cuando un OEM especifica una tolerancia de propiedad o geometría que debe cumplirse, el resultado del proceso de optimización sugiere qué propiedad requiere mejoras y en qué medida”.

Estudio de caso PRISM

Ansys usó este flujo de trabajo para diseñar un panal de plástico hecho de materiales reciclados que se instalará detrás de la superficie del parachoques de un automóvil para absorber el impacto de un choque. Después de proponer una geometría inicial para el panal, los ingenieros realizaron pruebas de choque LS-DYNA para ver qué tan bien la estructura absorbía y dispersaba la energía del choque.

A través de un estudio paramétrico que involucra una serie iterativa de simulaciones, Ansys determinó la geometría óptima del parachoques, como el tipo de estructura de panal, el grosor de las celdas, las dimensiones del parachoques y dónde se podría quitar la masa del parachoques de acero de referencia para lograr el desplazamiento permitido antes del contacto con más componentes del tronco.

“Ansys optiSLang puede ayudar a los diseñadores a encontrar el punto óptimo de un diseño a través de la automatización”, dice Dykeman, “al ejecutar cientos o miles de simulaciones hasta que converge en un diseño óptimo”.

Resultados PRISM

Impact Recycling pudo:

• Reducir los costes de fabricación de material reciclado.
• Aumentar la tasa de producción de 400 a 700 toneladas por año
• Producir un nuevo flujo de plástico reciclado que aborde la alta demanda frente a la oferta de plásticos reciclados a la luz del impuesto al plástico en los envases de consumo (el plástico virgen cuesta un 30 % más, lo que impulsa la demanda de poliolefinas recicladas)
• Promocionar su nuevo flujo de termoplástico ABS reciclado a una audiencia de aplicaciones más amplia, como la automotriz
• Reducir su huella de CO2, con emisiones 9X menos que cuando se utiliza materia prima virgen

Far-UK, como productor de piezas de automóviles, se benefició de la oportunidad de explorar cómo gestionar la variabilidad de los materiales reciclados en el diseño con el objetivo de introducir materiales con menores costes y huella de carbono en el futuro. También utilizó las herramientas de simulación de Ansys para generar y validar la tarjeta de materiales para su uso en aplicaciones más amplias.

Para Ansys, el proyecto PRISM muestra cómo se puede lograr la circularidad del material y el diseño ecológico inteligente mediante la aplicación de los solucionadores adecuados conectados con un hilo digital de simulación. La conexión de los datos, los procesos y las herramientas del material utilizados en un flujo de trabajo holístico permitió superar el desafío de la propiedad altamente variable del material para encontrar el diseño y la aplicación adecuados. Este es un paso en la dirección correcta para un futuro más sostenible.