Proyecto “REPLAY”

La Agencia Gallega de Innovación (GAIN) financió el proyecto REPLAY dentro del marco RIS3 Galicia (Programa Conecta Hubs) y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Feder) dentro del programa operativo Feder Galicia 2014-2020.

El proyecto “REPLAY”: REcycling of PoLyamides for Additive manufacturing (Reciclaje de poliamidas para fabricación aditiva), es una propuesta cuyo objetivo principal es generar la primera solución integral de reciclaje de poliamidas procedentes de diversos sectores industriales, dándoles un uso de valor añadido como puede ser la fabricación aditiva, apoyándose en nuevas formulaciones de material y en procesos avanzados de fabricación optimizados mediante el uso de TICs que facilitarán su despliegue. En el proyecto se incluyó herramientas de impresión 3D automatizadas capaces de utilizar materia prima reciclada para generar nuevos productos.

Para ello se desarrolló un prototipo de sistema de reciclado que permite utilizar los residuos procedentes de los procesos de UTINGAL (bolsas de vacío de nylon) para la obtención de compuestos de poliamida destinados a la fabricación de nuevas piezas personalizadas al sector aeronáutico.

En este proyecto participaron 5 empresas complementarias (UTINGAL, MOVERATUS, ENSO, ECOPLAS, MSS SEIDOR) que fueron capaces de resolver los retos tecnológicos en las tres grandes áreas que condicionan el proyecto: química, mecánica y de automatización-control. Todo ello apoyados por dos centros de referencia como son CETIM y UVIGO que dieron conocimiento y soporte a los participantes a lo largo de toda la vida del proyecto. A través de su experiencia en la Ingeniería de Desarrollo, UTINGAL coordinó REPLAY con el objeto de generar un proceso industrial integral de reciclaje continuo de poliamidas que pueda ser exportado de forma sencilla y accesible a cualquier industria plástica.

UTINGAL es una empresa especialista en dar soluciones integrales para los sectores aeronáutico, automoción, defensa y servicios. Con más de 20 años de experiencia, proporcionan una gama completa de servicios de ingeniería en el campo del control de procesos y la automatización industrial.

El proyecto se dividió en cuatro actividades que se desarrollaron a lo largo de tres anualidades:

  • Actividad A1 – Análisis de los residuos y métodos de procesado más adecuados en función de su composición. balance global de emisiones y potencial de digitalización. Los objetivos de esta actividad fueron realizar la caracterización de los materiales de partida a reutilizar, estudiar los procesos productivos más adecuados aplicables al material reutilizable, así como identificar posibles fórmulas de aditivación y determinar el potencial de reducción de huella de carbono global.
  • Actividad A2 – Diseño de procesos y metodologías de reciclado de material plástico utilizado en la industria aeronáutica basados en economía circular. Los objetivos de esta actividad fueron la puesta en marcha de un sistema de revalorización de bolsas de poliamida para la obtención de varios productos a partir de múltiples formulaciones poliméricas, y la validación de al menos varias formulaciones optimizadas basada en poliamida reciclada para la producción de granza destinada a pruebas de concepto para impresión 3D y obtención de mallas destinadas al packaging.
  • Actividad A3 – Diseño, fabricación y desarrollo de la regulación del sistema de fabricación aditiva (impresión 3D). El objetivo de esta actividad se centró en la construcción de un prototipo de celda de impresión 3D, desarrollo de software de gestión integral para la impresión y desarrollar las primeras pruebas de impresión con la poliamida reciclada.
  • Actividad A4 – Validación del sistema de fabricación aditiva (impresión 3D). El objetivo de la última actividad fue comprobar de forma práctica el correcto funcionamiento del prototipo mediante diversos casos de aplicación
 

Durante la primera anualidad se caracterizaron los materiales de partida y los procesos productivos más adecuados. Se llevaron a cabo estudios de FTIR, análisis térmico mediante DSC y TGA, análisis de índice de fluidez y análisis morfológico de cada muestra para determinar su composición, el grado de pureza y reciclabilidad. También se realizó la vigilancia tecnológica sobre pretratamientos, sistemas de lavado y secado de residuos plásticos derivados de la industria aeronáutica además de procesos de extrusión de plásticos reciclados, aditivos y agentes compatibilizantes destinados a poliamida. Para comprobar la fiabilidad del proyecto se realizó un análisis de huella de carbono y el ciclo de vida de las bolsas de poliamida utilizadas en la industria aeronáutica de forma que se pudieron conocer los efectos que estos procesos tienen en el medioambiente por separado y cuáles serían las mejores vías de actuación para evitarlos o reducirlos.

Durante la segunda anualidad se estudiaron las diferentes metodologías de acondicionamiento de residuo de poliamidas, así como su posterior caracterización para determinar las condiciones óptimas de procesado (caudales de entrada, separación óptica, trituración, proceso de lavados, secado mecánico y térmico previo al proceso de extracción). Para elaborar las distintas formulaciones mediante procesos de compounding, se llevaron a cabo diversas formulaciones distintas de poliamida 6 comercial y con fines de impresión 3D (NANOVIA3 y PA reciclada). Las diferentes formulaciones se utilizaron para conocer y comparar las propiedades mecánicas y térmicas de cada material obtenido, determinando así su óptimo. Para ello se caracterizaron sus propiedades térmicas (por TGA) y mecánicas (tracción y flexión). También se han llevado a cabo análisis para conocer la estructura del material inyectado que se analizó por SEM (en superficie y fractura). Finalmente se realizó la determinación de su índice de fluidez.

Durante los últimos meses de esta anualidad, se valoraron los parámetros clave que afectan a la impresión de la PA6 (velocidad de impresión, flujo, temperatura, etc.) y se realizaron diferentes pruebas de impresión cambiando esos ajustes. Como conclusiones de la actividad realizada, se destaca que temperatura de cama y velocidad de impresión son cruciales para obtener un buen material. Por último, se realizó la validación tecno-económica de la formulación de poliamida óptima desarrollada, que es a partir de un 20% de PA6 comercial, un 75% de PA residual y un 5% de SCONA® TPPE 1102 PALL comparándola con la poliamida comercial de impresión. Los ensayos de TGA han revelado que este material presenta propiedades térmicas muy similares a la poliamida 6 comercial, además de exhibir adecuadas propiedades para la fabricación aditiva de piezas 3D, por lo que es viable emplear esta composición desde el punto de vista técnico.

En la tercera y última anualidad, se realizó la construcción de un prototipo de celda de impresión 3D, desarrollo de software de gestión integral para la impresión y desarrollar las primeras pruebas de impresión con la poliamida reciclada. Los elementos que componen la celda de impresión son un Robot Kuka, un cuerpo extrusor, calefactores por radiación y otros elementos como son cerramiento de seguridad, mesa calefactora, sistema de vacío de la mesa, sistema de alimentación por vacío, el cuadro eléctrico y el software de comunicación.

Se realizó la interconexión entre el brazo robot al ordenador y al smartPAD para su control, de tal forma que se le puede dar la orden de extrusión del material. También ha podido realizar calibraciones y comprobaciones entre las órdenes y el movimiento real del brazo. En la misma línea se instaló y programó un panel SIMATIC HMI, una interfaz entre el proceso y los operarios que permiten visualizar diferentes parámetros del sistema y permite introducir valores individuales de cara a impresiones 3D no automatizadas. Para la gestión de las piezas impresas, se realizó la integración del software de control para impresión 3D, agregando todas las funciones en un único entorno, fácil de manejar y que contenga toda la información.

A continuación, se realizaron diferentes pruebas de extrusión con material reciclado y se aplicó a las bolsas de poliamida de UTINGAL. Se realizaron una serie de tareas enfocadas al estudio del comportamiento de la reutilización de diferentes materiales termoplásticos, considerando aspectos importantes como el proceso de degradación que sufren estos materiales durante su síntesis, procesamiento, uso y reprocesamiento mediante la impresión 3D.

Finalmente, se ha validado la construcción de la instalación, la formulación optima de compuesto de poliamida y se desarrollaron pruebas de impresión con el objetivo de optimizar los parámetros y obtener piezas impresas con la poliamida reciclada. De esta forma al final del proyecto se obtuvo un prototipo de solución TRL 7: “Demostración del prototipo del sistema en un entorno operativo” en las instalaciones de Tui de UTINGAL.

Durante esta fase se pudo estimar que, con este prototipo, la empresa es capaz de reciclar 3.600 [kg] de bolsas de poliamida al año, evitando las emisiones de 39.708 [kg] de CO2 equivalente. Además, la aplicación de este sistema de revalorización de residuos supondrá a UTINGAL un ahorro de 219.510 euros anuales (87%) al imprimir sus propias piezas ya que se estima un coste total de piezas impresas con este material de 32.490 euros mientras que la adquisición de estas mismas piezas utilizando acero (y fabricadas por métodos convencionales) tiene un coste de 252.000 euros.

 

 

UTINGAL el 10 de mayo de 2023, junto al resto de participantes y responsables del proyecto, expusieron de forma directa los resultados de las labores realizadas a lo largo del proyecto al técnico de GAIN Joaquín García López. En esta visita se realizó una exposición de los resultados desde el punto de vista teórico y mostrándose los entregables de las diversas etapas de desarrollo y se realizó también una demostración práctica en las propias instalaciones de UTINGAL.

Por tanto, esta iniciativa del programa Conecta Hubs, financiada por GAIN y cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Feder) dentro del programa operativo Feder Galicia 2014-2020 ha permitido generar una herramienta específica para la reutilización de desechos plásticos procedentes de la industria generando piezas de alto valor añadido.