Introducción Proyecto Varimit 4.0

El proyecto europeo AEI-010500-2021-116 más conocido como VARIMIT 4.0  donde ha participado ZATEC, como empresa de inyección de plásticos técnicos junto con CITSALP, CEP, e ITAinnova. Este proyecto tiene un marcado carácter de economía circular cuyo objetivo es trabajar en cómo el reciclado en la industria de plástico puede mitigar algunas de las barreras con las que habitualmente se encuentra para conseguir introducir materiales reciclados en más aplicaciones dentro de sectores como el de automoción, y contribuir, de esta forma, a los objetivos de reciclabilidad y economía circular marcados por la Comunidad Europea para el sector. En este caso, el foco principal del proyecto es estudiar la variabilidad de los materiales reciclados desde diferentes perspectivas para establecer medidas y metodologías apropiadas para mitigarlas, realizando los siguientes pasos:

• Analizar las fuentes de variabilidad en el proceso de reciclado asociados al origen de los materiales, sus características, y su proceso de mezcla y aditivado hasta constituir un grado comercializable.
• Aplicar técnicas de análisis de datos y machine learning al histórico de datos existente en una empresa recicladora para explorar la posibilidad de extraer reglas de mezclas que permitan digitalizar el proceso.
• Investigar qué ensayos son más apropiados para cuantificar y monitorizar la variabilidad de un material en la industria recicladora.
• Cuantificar la variación de lote a lote, y a lo largo del tiempo, de propiedades objetivo de un material a comercializar, bajo unas especificaciones definidas.
• Establecer procedimientos para aproximar los datos de los ensayos realizados con modelos de material (digitalización) para su uso en simulación que incorporen la variabilidad de forma intrínseca.
• Proponer metodologías de simulación de proceso, o producto, que incorporen la variabilidad para analizar la robustez de estos.

ODS-Objetivos de Desarrollo Sostenible 7 y 13

Además,  este proyecto va en línea con  una filosofía de respeto hacia el medioambiente y hacia el concepto de economía circular sin comprometer la calidad de los productos finales de consumo. El hecho de incluir materiales reciclados en los procesos de fabricación también supone un ahorro económico en adquisición de materias primas en el sector industrial y minimiza la extracción de recursos naturales adicionales, es decir, este proyecto está comprometido con la reducción del impacto ambiental del ciclo de vida de sus productos, alineado con la estrategia europea H2030 y con los retos propuestos por la Comisión Europea, mediante el desarrollo de nuevos productos con un mayor valor diferencial respecto a los comercializados actualmente.

Dentro de este proyecto cabe destacar dos conceptos clave marcados en los objetivos de desarrollo sostenible (ODS) definidos en la nueva agenda 2030 aprobada por Naciones Unidas:

• Crecimiento Económico acelerando la Transformación Digital de nuestra Industria y nuestra Sociedad como medio de asegurar su competitividad y sostenibilidad presente y futura (ODS 8 y 9).
• Protección del medio ambiente, centrándose en el diseño circular de materiales, componentes y sistemas para la producción limpia de energía; así como en el desarrollo de tecnologías para la correcta gestión de los residuos (ODS 7) y a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (ODS 13).

Fluidez, Carga, Impacto y Contracción para la variabilidad de la granza, según las fuentes y las mezcalas realizadas

Conclusiones

las conclusiones finales y resumidas del estudio se recogen a continuación:

• Se ha conseguido desarrollar un modelo de predicción de propiedades de material reciclado que recoge las no linealidades de las propiedades finales del material fabricado a partir de fuentes de materiales que a su vez presentan su propia variabilidad en sus propiedades.
• Se ha demostrado que las propiedades de mezclas propuestas por el modelo de predicción son equivalentes a los obtenidos experimentalmente.
• La simulación del proceso de inyección en pieza considerando la variabilidad de los lotes caracterizados, ha dado como resultado datos de presión similares entre sí, con diferencias entre los valores máximos y mínimos en torno al 3.5%. Además, la presión máxima en el llenado es solo un 18 % superior a la del material virgen con el que normalmente se inyectan dichas piezas. En el análisis dimensional de las cotas de las piezas inyectadas, se ha observado que todas las cotas seleccionadas cumplen los rangos de tolerancia cuando se emplea el material virgen para la inyección. Esto demuestra la validez del modelo.

• Los datos de las caracterizaciones a tracción de los lotes de material analizados muestran que cuando se fabrican mezclas en el laboratorio la homogeneidad en el material es superior, lo que produce resultados de tracción más acordes a los esperados en un material de polipropileno. . Los datos de la caracterización mecánica de los lotes de material del histórico de CITSALP seleccionados reflejan la variabilidad en sus propiedades tanto en las determinadas habitualmente (fluidez, porcentaje de cargas inorgánicas, resistencia al impacto y contracción) como en las propiedades mecánicas. A partir de la caracterización mecánica de las fuentes que componen el material reciclado es posible determinar o aproximar las propiedades finales del material fabricado, tal y como se ha demostrado en el informe.
• Las mezclas industriales desarrolladas mediante el modelo de predicción y con la herramienta de gestión de mezclas para ajustar las propiedades conforme a las cantidades de fuentes disponibles, han reflejado los objetivos perseguidos, es decir, la reducción en la variabilidad del material.

Pieza de inyección de plástico, simulación proyecto Varimit 4.0

• La caracterización mecánica de la zona de clipado de la tapa de la pieza demostradora del proyecto ha revelado que la rigidez del material reciclado es mayor a la del virgen. Asimismo, se ha observado que la variabilidad en los resultados mecánicos del componente es poca, al igual que se ha visto en la caracterización mecánica de los materiales.
• Los resultados de simulación del ensayo mecánico en pieza se han alimentado con las curvas de tracción de los materiales con los que se han inyectado las piezas y con las curvas de tracción de las mezclas desarrolladas en el laboratorio. En el primer caso, las mezclas eran muy similares entre sí, con resultados mecánicos menos variables, En el segundo, el objetivo era obtener mezclas lo más diferentes posible cumpliendo los criterios de aceptación de propiedades finales del grado comercializable de material reciclado CIPLEN®370. Con los primeros datos, el modelo obtiene una curva de rigidez superior a la experimental. Esto puede ser debido a que las condiciones de contorno introducidas en ANSYS sean más restrictivas (en términos de rigidez, cómo la restricción de movimientos) que el ensayo real. En el análisis con los datos introducidos del segundo caso, se hace un análisis de la variabilidad. En este caso se obtiene una variabilidad máxima del 36 % entre valores máximos y mínimos. Este resultado pone de manifiesto la importancia de conocer dicha variabilidad y que se puede determinar en la etapa de diseño.
• Finalmente, los modelos de predicción de propiedades de mezclas se han integrado en una herramienta desarrollada para gestionar la composición de mezclas, con el objetivo de poder utilizarlos para reducir la variabilidad. Dicha herramienta permite la modificación de ciertos criterios para adaptarse a las preferencias de la empresa recicladora en función de sus prioridades en cada momento. En base a recalcular bajo diferentes escenarios el histórico completo de fabricaciones de CITSALP, Se ha comprobado como consigue reducir la variabilidad de propiedades significativamente.

Concluido el proyecto Europeo  DIGI REC 4.0, cuyo número de expediente es AEI-010500-2020-191, donde ZATEC ha participado junto con el Centro Español de Plásticos (CEP), ItanInnova y Citsalp,  exponemos a continuación un resumen y conclusiones del mismo.

PRESENTACIÓN 

Este proyecto tiene como objetivo principal maximizar la reciclabilidad de materiales plásticos empleados en procesos de moldeo por inyección, lo que implica maximizar la reducción de su impacto medioambiental, favoreciendo la circularidad del plástico y facilitando la producción energéticamente limpia. 

Los fabricantes de piezas de plástico normalmente utilizan material reciclado proveniente de sus propias piezas de rechazo y/o ramales, pero no conocen en qué proporción pueden mezclarlo con el material virgen sin comprometer (i) las características mecánicas del producto y (ii) la procesabilidad de la fabricación de las mismas. Un exceso de material reciclado puede suponer un empeoramiento en las características mecánicas del producto a fabricar y por otro lado puede generar problemas de procesabilidad en las máquinas de inyección que den lugar a defectos dimensionales o estéticos. Por miedo a ello, normalmente se emplea menos material reciclado del que sería posible. 

Por este motivo, el reto que ha sido abordado en este proyecto es la investigación experimental de la variación de propiedades de un material plástico con el reciclado, y la introducción y utilización de técnicas digitales que permitan conocer cuál es la cantidad máxima admisible de material reciclado que el producto y el proceso son capaces de admitir. 

OBJETIVOS 

los objetivos específicos de este proyecto son:

Establecimiento de procedimiento para la recuperación de desechos en planta y regranceado posterior para dosificación precisa de mezclas de material virgen con distintos porcentajes de material reciclado. 

Investigación de la procesabilidad de las diferentes mezclas realizadas para garantizar que la introducción de material reciclado es inyectable con las mismas garantías que el material virgen. 

Estudio de las propiedades mecánicas y físico-químicas del nuevo material obtenido, (material reciclado), para comparar con las del material virgen y análisis de los posibles cambios físicos en el material reciclado tales como transiciones térmicas y/o aparición de subproductos de oxidación (degradación). 

Ajuste de modelos para digitalización de los materiales reciclados, habilitando su uso en simulaciones del proceso de inyección con las diferentes mezclas de material reciclado en pieza de componente final. 

Creación de herramienta (basada en simulaciones de elementos finitos) con la que se pueda maximizar la cantidad de material reciclado garantizando la óptima procesabilidad en máquina de inyección 

Verificación en planta industrial de los porcentajes máximos de reciclado a conseguir. 

METODOLOGÍA 

Para ello, en el proyecto se ha seguido el plan de trabajo mostrado en la siguiente ilustración:

CONCLUSIONES 

Para el material seleccionado en este estudio (polipropileno con talco), inicialmente se preveía que podría existir una degradación evidente durante el reciclado que provocara una merma de propiedades, lo que conllevaría tener que alcanzar un compromiso entre la cantidad que se reintroduce, las propiedades que se obtienen y los cambios en el proceso de inyección que fuera necesario efectuar. 

Sin embargo, las investigaciones experimentales realizadas en el proyecto DIGI-REC han mostrado que, si se recicla en condiciones adecuadas, las propiedades del material permanecen muy estables. De hecho, el resultado fundamental ha sido que el material 100% reciclado prácticamente tiene las mismas propiedades que el virgen, con lo cual podría reintroducirse en cualquier porcentaje en el proceso de inyección. 

A la vista de este resultado se decidió ampliar la investigación y simular ciclos de reciclado para comprobar si se aprecia acumulación de degradación. Los resultados obtenidos en relación a las propiedades relacionadas con la procesabilidad (viscosidad, pvT, CTE, …), para hasta seis ciclos de regranceado, mostraron sólo ligeros cambios. El análisis de las propiedades mecánicas, en este caso realizadas hasta doce ciclos de reciclado, tampoco mostraron una merma apreciable. Esta investigación confirmó nuevamente la estabilidad de las propiedades de este material con el número de ciclos de reciclado. 

A pesar de la poca influencia encontrada en las propiedades de material, se completó el proceso inicialmente previsto de digitalización del material y la creación del gemelo digital del proceso de inyección de la pieza demostradora. Los ligeros cambios en propiedades como la viscosidad, pvT o CTE provocan según las simulaciones del proceso de inyección realizadas también pequeños cambios en la calidad estimada de la pieza. No obstante, a nivel metodológico se completó el estudio y el desarrollo de la herramienta para su aplicación a futuro a otros materiales que puedan ser más susceptibles a sufrir degradación durante el reciclado. 

Desde un punto de vista de la metodología desarrollada, la digitalización de los materiales reciclados y la generación de gemelos digitales del proceso, se prevé aporte notables beneficios para otros materiales que sufran mayor degradación, ya que permite aunar en una herramienta ágil los requerimientos de procesabilidad y calidad dimensional de la pieza para maximizar el porcentaje de material reciclado reintroducido.