Convertir Residuos de Reciclaje en Componentes Automotrices Mediante Simulación

Los plásticos están en todas partes, incluso en lugares donde 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 equivale a colocar cinco bolsas de basura llenas de basura en cada pie de costa del mundo”. 

El reciclaje es una solución obvia, pero la mayoría de nosotros tenemos una comprensión ingenua del reciclaje. Se podría pensar que los plásticos, por ejemplo, llegan a un centro de reciclaje listos para fundirse y convertirse en nuevas materias primas, que luego pueden usarse para fabricar nuevos componentes plásticos. En realidad, hay que clasificar y picar mucho para 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 serán 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 del parachoques de un automóvil o intercalada 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 desecha 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 abordar eficazmente la variabilidad inherente de estas propiedades? La respuesta está en un proceso que combina cuatro tecnologías Ansys en un flujo de trabajo optimizado.

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 el proyecto Plastic Recycling in Stochastic Modeling (PRISM). ) Proyecto. El estocástico se refiere a la aleatoriedad, y la simulación puede ser de gran valor para comprender la aleatoriedad de la materia prima y las propiedades físicas resultantes del plástico reciclado.

Impact Recycling, que ofrece una solución sostenible para reciclar productos posconsumo, puede reciclar con éxito más del 80% de los residuos plásticos municipales que maneja. Sin embargo, eso todavía les deja un costoso 20% sobre el cual deben pagar impuestos para enviarlo a vertederos o incineradoras. Empresas como Far-UK, que produce piezas de automóviles para vehículos especializados, podrían ahorrar mucho dinero en la fabricación y al mismo tiempo ofrecer un producto más sostenible mediante el uso de materiales reciclados de empresas como Impact Recycling, siempre que cumpla con las exigentes propiedades 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 fabricantes de equipos originales de automóviles han estado utilizando durante décadas.   

“Estas empresas necesitan entender cuándo tienen que utilizar materiales vírgenes y cuándo pueden utilizar un material reciclado en su lugar”, afirma Donna Dykeman, directora de I+D para I+D colaborativo de Ansys. “Y ahí es donde entran en juego las soluciones de simulación de Ansys”.

Trabajando juntos, Impact Recycling, Impact Solutions, Far-UK y Ansys lograron los siguientes éxitos a través del proyecto PRISM:

1. Un novedoso proceso de reciclaje que da como resultado la comercialización de flujos de residuos municipales para plásticos, desafiando la necesidad de materiales vírgenes.
2. Un flujo de trabajo basado en simulación para probar el uso óptimo de un material con propiedades de material muy variables en el diseño.

Este flujo de trabajo de simulación consistió en una combinación de cuatro componentes de software: Ansys Granta MI , Ansys SpaceClaim , Ansys optiSLang y Ansys LS-DYNA . Juntas, estas herramientas de simulación se utilizaron para optimizar los flujos de trabajo para manejar la incertidumbre de las propiedades de los materiales y las geometrías de pantalla para aplicaciones para reemplazar materiales vírgenes por materiales reciclados. 

“Granta MI almacena los datos de los materiales”, explica Dykeman. “Luego, se utilizó LS-DYNA para crear la tarjeta de material basada en los datos de prueba. La tarjeta se validó frente a geometrías de cupones de prueba y geometrías de subcomponentes (por ejemplo, una viga bajo diversas condiciones de carga). Este primer paso de prueba y generación de tarjetas de material fue realizado por Far-UK. A continuación, utilizamos 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 propiedad o tolerancia geométrica que debe cumplirse, el resultado del proceso de optimización sugiere qué propiedad requiere mejora y en qué medida”.

Ansys utilizó este flujo de trabajo para diseñar un panal de plástico hecho de materiales reciclados que se instalaría 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 alveolar, el grosor que deben tener las celdas, las dimensiones del parachoques y dónde se podría eliminar la masa del parachoques de acero de referencia para lograr el desplazamiento permitido antes de entrar en contacto con más componentes del tronco.

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

Impact Recycling pudo:

• Reducir los costes de fabricación de material reciclado.
• Incrementar la tasa de producción de 400 a 700 toneladas por año.
• Producir una nueva corriente de plástico reciclado que aborde la alta demanda frente a la oferta de plásticos reciclados a la luz del impuesto al plástico sobre los envases de consumo (el plástico virgen cuesta un 30% más, lo que impulsa la demanda de poliolefinas recicladas)
• Promocionar su nueva corriente de termoplástico ABS reciclado a un público de aplicaciones más amplio, como la automoción.
• Reduzca su huella de CO ₂ , con emisiones 9 veces menores que cuando se utiliza materia prima virgen.

Far-UK, como productor de piezas de automóvil, 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 herramientas de simulación de Ansys para generar y validar la tarjeta de material para su uso en aplicaciones más amplias.  

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