Elektronik konsumen:penutup komposit hibrid

SABIC menunjukkan dalam studi baru-baru ini bahwa penutup setebal 1 milimeter dapat memenuhi semua spesifikasi kinerja industri yang relevan untuk komputer notebook atau tablet yang sangat tipis. Sumber, semua gambar | SABIC

Elektronik konsumen adalah pasar yang dinamis dengan waktu siklus yang cukup singkat antara generasi produk. Dari ponsel cerdas, jam tangan pintar, tablet, dan notebook/laptop, konsumen menginginkan kecepatan pengoperasian yang lebih cepat, baterai yang tahan lama, daya tahan yang lebih besar, dan lebih banyak fitur dengan biaya dan berat yang lebih rendah. Untuk memenuhi permintaan konsumen, OEM meminta pemasok untuk bahan dengan estetika tinggi dan kebebasan desain, ketahanan benturan yang sangat baik, dan kekakuan tinggi — yang berkonotasi kualitas di pasar ini — dengan berat rendah dan bagian dinding tipis. Mereka juga menginginkan metode pemrosesan yang sangat berulang dan hemat biaya yang memenuhi permintaan produksi global dalam puluhan juta unit per tahun. Tekanan ini telah mendorong pasar terlebih dahulu ke logam ringan untuk penutup/kotak dan bingkai, dan sekarang mendorongnya ke solusi logam/komposit dan komposit penuh.

Studi kelayakan yang dilakukan oleh SABIC (Bergen op Zoom, Belanda) melibatkan penggunaan dua jenis komposit termoplastik untuk menghasilkan penutup notebook-komputer/tablet setebal 1 milimeter. Studi tersebut menunjukkan desain komposit termoplastik hibrida dapat menjadi solusi yang layak untuk pasar elektronik konsumen yang menantang.

Kasus uji

Sejak 2012, SABIC telah melakukan serangkaian investasi untuk mengembangkan pita komposit termoplastik yang diperkuat serat searah (UD) sendiri (lihat “Berkembang menjadi penguatan serat berkelanjutan”), yang memperluas kompetensi inti perusahaan dalam injeksi serat pendek dan serat panjang serat termoplastik (LFT), dan memungkinkan SABIC untuk berkembang menjadi komposit termoplastik berkinerja lebih tinggi. Pada 2015, perusahaan membeli saham mayoritas di pembuat pita Fiber Reinforced Thermoplastics BV (FRT, Lelystad, Belanda) dan pada 2017 bermitra dengan dan menjadi investor minoritas di Airborne (Den Haag, Belanda), pembuat mesin dan pengembang pemrosesan komposit garis.

Karena SABIC dan Airborne merancang dan membangun teknologi untuk secara cepat dan hemat biaya menghasilkan laminasi berbasis pita termoplastik bentuk-bersih berkualitas tinggi untuk pasar volume yang benar-benar tinggi (lihat “Pembuatan komposit termoplastik berkecepatan tinggi, tingkat tinggi”), tim mulai mencari kasus uji. Demonstran ini akan menjadi alat pemasaran yang penting untuk membuktikan konsep desain untuk laminasi komposit termoplastik yang dihasilkan dari pita komposit yang dilapisi dengan senyawa yang diperkuat serat diskontinyu. Penting juga untuk menguji alat teknik prediktif yang telah dikembangkan tim untuk kedua teknologi material dan untuk memamerkan proses manufaktur berkecepatan tinggi yang berkembang di Belanda.

“Kami memutuskan untuk mengkhususkan diri dalam aplikasi elektronik konsumen,” jelas Gino Francato, pemimpin komposit global SABIC. “Pasar itu sangat menarik karena ada ambisi nyata untuk beralih ke bahan ringan untuk membuat ponsel dan notebook kami lebih ringan dan tipis. Dan karena mereka menghasilkan jutaan dan jutaan, kami memutuskan untuk mengambil tantangan yang ditawarkan pasar ini.”

“Kami memutuskan untuk memulai dengan sesuatu yang cukup rumit tetapi tidak terlalu kompleks,” jelas Scott Davis, staf teknologi aplikasi ilmuwan-global SABIC. Sampul atas komputer notebook yang sangat tipis atau bahkan tablet — yang diharapkan tim pada akhirnya akan diterjemahkan ke komponen ponsel cerdas — tampaknya merupakan tempat yang baik untuk memulai. “Kami sedang mengerjakan keseluruhan geometri sederhana, persegi panjang, yang masih harus mempertahankan estetika tinggi dan menawarkan banyak kerumitan pada sisi-B, termasuk fitur attachment,” lanjut Davis. “Kami harus menjaga penutupnya sangat tipis, tetapi tetap memenuhi persyaratan defleksi yang menantang yang umum di industri. Dan, tentu saja, kami harus menghasilkan produk yang sangat konsisten melalui proses manufaktur baru yang kompleks.”

Karena mereka tidak bekerja dengan desain pelanggan yang sebenarnya, dan hanya membuat penutup pelindung untuk layar, mereka menggunakan geometri umum. Faktanya, Davis mencatat, ketika mereka mulai memotong perkakas injeksi untuk pengembangan internal, mereka bahkan tidak yakin apakah mereka akan membuat tablet atau sampul notebook, jadi sampul itu dirancang untuk keduanya. “Ada banyak tantangan untuk menyiapkan solusi komposit untuk produksi volume tinggi,” tambah Davis. “Faktanya, ada banyak hal yang terjadi secara bersamaan — pengembangan tape, pengembangan laminasi, dan pengembangan proses — dan kami tidak bisa menunggu sampai semua hal itu diselesaikan untuk memulai perkakas kami, begitulah akhirnya kami dengan desain itu.” Dengan desain dasar yang lengkap, tim fokus pada detail lainnya, seperti cara terbaik untuk gerbang, jenis tumpang tindih apa yang diperlukan antara sisipan laminasi dan senyawa overmolding, bagaimana menangani penempatan otomatis di dalam alat, bagaimana menangani koefisien ( linear) ketidakcocokan ekspansi termal (CLTE atau CTE) antara dua komposit dan cara membuat bagian yang mudah diulang.

Memenuhi persyaratan yang menantang

Tujuannya adalah untuk mengembangkan penutup atas setebal 1 milimeter yang memberikan kekakuan tinggi dan memenuhi semua persyaratan kinerja dan estetika — terutama uji defleksi titik tengah diterapkan secara teratur pada penutup laptop untuk mengevaluasi beban yang diperlukan untuk merusak layar di bawahnya. Persyaratan beban/defleksi bervariasi menurut OEM, perangkat dan model, tetapi biasanya tidak lebih dari 3-5 milimeter defleksi diperbolehkan di bawah tekanan 40-120 Newton — situasi yang mensimulasikan beban yang diberikan oleh jari atau siku yang ditekan ke dalam penutup sebagai pengguna manusia berdiri. Di banyak industri, strategi untuk lulus pengujian semacam itu adalah dengan meningkatkan ketebalan bagian, tetapi pasar ini menghargai desain yang lebih tipis yang mengosongkan ruang untuk baterai yang lebih besar dan komponen lain tanpa menambah ukuran atau berat perangkat. Oleh karena itu, tim perlu menggunakan strategi desain yang berbeda untuk mencegah kerusakan layar — yaitu memilih bahan yang lebih kaku (melalui sisipan laminasi) dan menggunakan geometri (misalnya, ribbing melalui overmolding injeksi). Tapi, pertama-tama, mereka harus menentukan materi.

Salah satu bahan ini, polikarbonat (PC), sudah banyak digunakan dalam industri ini untuk penutup dan komponen lainnya, karena estetika yang sangat baik dan kekuatan benturan yang tinggi. Kelemahan terbesar polimer adalah ketahanan kimia dan goresan permukaan, tetapi pelapis, cat, atau kombinasi keduanya yang diterapkan pada sebagian besar penutup umumnya mengatasi masalah potensial ini.

“Karena komputer ultralight sangat tipis, ruang paket di dalamnya sangat mahal, sehingga defleksi dan mekanis menjadi sangat penting,” Francato menunjukkan. “Meskipun Anda ingin menggunakan [penguatan] kaca dari perspektif biaya, kami harus menggunakan [serat] karbon untuk mendapatkan kekakuan yang kami butuhkan.” Akibatnya, semua laminasi berbasis pita yang dievaluasi adalah variasi polikarbonat yang diperkuat serat karbon — kadar yang saat itu sedang dikembangkan dengan anak perusahaan SABIC, FRT.

SABIC telah mengembangkan model prediktif untuk mensimulasikan tipe dan arsitektur laminasi (dengan dan tanpa senyawa overmolding) vs. kinerja bagian yang dicetak dan melaporkan korelasi kuat antara prediksi dan hasil eksperimen yang telah dicapai. Alat rekayasa prediktif dikatakan mempercepat pengembangan material.

Senyawa overmolding membutuhkan pendekatan yang berbeda. Awalnya, strateginya adalah menggunakan kompon LFT berserat lebih panjang, tetapi karena sejumlah alasan — termasuk persyaratan estetika yang tinggi, ukuran bagian, dan strategi gating — kompon serat pendek lebih baik memenuhi persyaratan proyek. Masalah lainnya adalah jenis serat yang digunakan. “Senyawa injeksi karbon pendek sangat sulit untuk dikerjakan dan tetap mendapatkan estetika tinggi,” lanjut Francato, “jadi untuk bahan overmolding kami, kami melihat nilai yang diperkuat kaca pendek.” Anak perusahaan SABIC, LNP Engineering Plastics, Inc. (Exton, Pa., U.S.) menawarkan banyak kualitas serat kaca/PC dengan estetika dan kekakuan yang baik yang populer di kalangan OEM perangkat, sehingga tim berfokus pada hal tersebut.

Sementara PC yang sepenuhnya amorf kurang rentan terhadap lengkungan daripada polimer semi-kristal, masih tim khawatir tentang perbedaan CLTE antara pita serat karbon UD yang sangat diperkuat dan anisotropik dan nilai overmolding serat kaca pendek yang lebih isotropik dan terputus-putus pada beban serat yang lebih rendah. “Di dinding tipis seperti itu, hanya ada sedikit ruang untuk kesalahan, jadi sedikit perbedaan dalam CLT adalah hal yang harus kami pertimbangkan dengan cermat,” jelas Davis. “Dan itu bahkan tidak menyentuh semua masalah normal yang Anda khawatirkan saat pencetakan injeksi, seperti lokasi gerbang, pola pengisian, tekanan pengepakan, dan rajutan. Semua faktor ini disimulasikan dan diverifikasi dengan pengujian fisik.”

Setelah bahan dipilih, insinyur SABIC melakukan beberapa iterasi pengisian cetakan, analisis struktural dan simulasi lengkung untuk mengevaluasi susunan laminasi, geometri dan kombinasi bahan untuk mengoptimalkan kekakuan untuk uji beban/defleksi, ditambah persyaratan kinerja dan biaya lainnya. Perusahaan mengatakan telah mengembangkan alat pemodelan komposit yang komprehensif dan akurat (tersedia untuk pelanggan dan berjalan dalam kode struktural dan pemrosesan umum) yang dapat dengan cepat memodelkan dan mensimulasikan arsitektur laminasi, komposisi senyawa overmolding dan berbagai opsi pemrosesan dan perkakas versus kinerja bagian yang dicetak. Alat-alat ini dikatakan dapat mencapai korelasi yang kuat antara prediksi dan kinerja terukur dan ideal untuk mempercepat pengembangan material khusus.

Siap untuk prime time

Sisi depan penutup laptop/tablet akhir, yang diproduksi menggunakan sisipan laminasi berbasis pita polikarbonat yang diperkuat serat karbon yang dilapisi dengan senyawa kaca pendek/polikarbonat-kopolimer, kombinasi yang memenuhi semua persyaratan mekanis dan estetika yang relevan dalam 1- bagian setebal milimeter.

Demonstran terakhir menampilkan sisipan laminasi yang dihasilkan dari tujuh lapisan pengembangan serat karbon UDMAX/kaset PC (fraksi volume serat 55%), kemudian dikonsolidasikan, dipangkas, dibentuk sebelumnya, dan dipangkas lagi ke bentuk jaring akhir, sebelum di-overmolding dengan injeksi serat 40% -fraksi berat THERMOCOMP D452 serat kaca pendek/kopolimer PC (tingkat yang dioptimalkan untuk aliran tinggi dan estetika tinggi dan sudah banyak digunakan di segmen ini). Kombinasi ini menghasilkan penutup dengan kekakuan dan kekuatan tinggi pada massa rendah dan ketebalan bagian sambil menyertakan banyak detail desain 3D, fitur attachment, dan estetika yang baik, sehingga memanfaatkan yang terbaik dari setiap material. Sampul dilaporkan lulus semua uji industri yang diperlukan dan saat ini sedang dievaluasi oleh OEM perangkat.

Sisi belakang sampul yang sudah jadi.

Kerja sama antara Airborne dan SABIC juga telah membuahkan hasil untuk sasaran pasar elektronik konsumen SABIC. Kemitraan ini diumumkan pada tahun 2018, dan tahun ini rincian lebih lanjut telah diberikan tentang apa yang disebut oleh kedua perusahaan sebagai Jalur Manufaktur Komposit Digital mereka, yang dapat menghasilkan empat sisipan laminasi konsolidasi bentuk-bersih dari pita komposit termoplastik per menit atau 1,5 juta laminasi per tahun dari satu lini produksi. Sistem ini dikatakan fleksibel (dari segi arsitektur layup dan material) dan cepat. Mulai tahun 2020, Airborne akan menggunakan jalur tersebut untuk memproduksi laminasi untuk penggunaan komersial dalam elektronik konsumen, menjadi sumber daya yang diharapkan kedua perusahaan akan sangat meningkatkan penetrasi komposit termoplastik di segmen yang sangat kompetitif dan bergerak cepat ini.