Senyawa serat karbon pendek memperluas jangkauan komposit termoplastik

Keluarga senyawa termoplastik yang diperkuat serat karbon pendek (CFRTP) yang secara khusus diformulasikan untuk pencetakan injeksi sedang digunakan untuk memperluas kemampuan komposit termoplastik dalam berbagai ukuran dan kompleksitas bagian. Menariknya, bahan ini telah terbukti mengungguli komposit termoplastik serat panjang (LFT) (dalam fiberglass atau serat karbon) serta logam dalam berbagai aplikasi yang berkembang — mulai dari barang olahraga dan suku cadang mobil hingga perangkat medis dan komponen ruang angkasa.

Molder berubah compounder

Bahan-bahan tersebut diformulasikan dan dijual oleh Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokyo, Jepang). MCAM menggabungkan beberapa bisnis terpisah yang sebelumnya diakuisisi oleh perusahaan induk selama dekade terakhir. Ini termasuk mantan Quadrant AG (Lenzburg, Swiss), produsen termoplastik tikar kaca (GMT) dan komposit organosheet serta bentuk rekayasa termoplastik, dan apa yang telah menjadi Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, AS), yang dimulai hidup sebagai pencetak injeksi dan produsen suku cadang mesin presisi, dan kemudian berkembang menjadi peracikan CFRTP khusus — pertama untuk digunakan sendiri dan kemudian untuk pencetak lainnya.

Sekitar tahun 2012, Piper adalah cetakan injeksi kustom ukuran sedang yang melayani basis pelanggan di bidang kedirgantaraan dan barang olahraga/peralatan rekreasi. Pimpinan perusahaan ingin mengembangkan bisnis pembuatan suku cadangnya tetapi menghadapi dua tantangan. Pertama, mengalami kesulitan mencari jenis senyawa yang menurut tim akan memungkinkan perusahaan bersaing di segmen pasar berkinerja lebih tinggi. Kedua, perusahaan ingin memasuki pasar otomotif, tetapi tidak memiliki kapasitas moulding yang cukup untuk bersaing di program-program besar.

Masalah pertama diselesaikan dengan menerapkan upaya R&D yang terfokus pada berbagai resin dasar dan teknologi ukuran serat, yang mengarah pada pengembangan rangkaian senyawa CFRTP yang dapat dicetak dengan kinerja tinggi yang disebut KyronMAX. Bahan-bahan ini memiliki matriks seperti poliamida 6/6 (PA6/6), poliftalamida (PPA), polieterimida (PEI), polifenilen sulfida (PPS), polieterketon (PEEK) dan poliariletherketon (PAEK) yang diperkuat dengan serat karbon cincang pendek. Senyawa — sebagian besar menawarkan kinerja termal tinggi, ketahanan kimia yang luas, mekanik yang baik, dan nilai nyala/asap/toksisitas (FST) yang rendah — diformulasikan tidak hanya untuk menggantikan nilai cetakan injeksi yang diperkuat serat gelas dan diisi mineral, tetapi juga Senyawa LFT (dengan panjang serat awal rata-rata 13 milimeter) dan bahkan logam.

“Pada lembar data, senyawa LFT terlihat lebih kuat, tetapi seringkali mereka tidak dapat mengisi jenis geometri bagian yang dapat kami isi dengan teknologi serat karbon pendek,” jelas Alex Wojtysiak, manajer akun kunci MCAM – komposit. “Karena aliran kami jauh lebih tinggi, kami lebih mampu mengisi geometri yang rumit, sehingga senyawa kami menghasilkan bagian yang secara dramatis lebih kuat.”

“Bukannya kami mulai membuat berbagai senyawa CFRTP tetapi masing-masing dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan spesifik pelanggan tertentu,” tambah Clint Newell, manajer teknologi komposit global MCAM. “Seiring dengan pertumbuhan kemampuan formulasi kami, kami memasuki pasar baru, bertemu dengan pelanggan baru, menanyakan apa yang mereka butuhkan, dan mulai membuat senyawa yang sempurna untuk memenuhi kebutuhan tersebut.”

Tidak mengherankan, karena senyawa ini awalnya diformulasikan oleh pembuat untuk sebuah cetakan, mereka dirancang untuk memberikan sifat yang membuatnya mudah untuk diproses dan untuk secara konsisten menghasilkan kualitas yang lebih tinggi, suku cadang dengan kinerja yang lebih baik. “Kami memformulasi lini produk KyronMAX kami untuk memberikan aliran yang lebih tinggi dan interaksi serat, tegangan internal yang lebih rendah, anisotropi yang lebih sedikit, garis las yang lebih kuat, tanda tenggelam yang lebih sedikit, kecenderungan melengkung yang lebih sedikit, dan akurasi dimensi yang lebih besar — ​​terlepas dari apakah bagian dinding tebal atau tipis,” catat Dave Wilkinson, direktur R&D MCAM. “Selain pekerjaan formulasi dan teknologi ukuran yang unik, kami juga membuat modifikasi mesin cetak kami sendiri untuk menjalankan material ini dengan lebih efisien.”

Mengapa nama produk yang tidak biasa? “Dalam mitos Yunani kuno, Kyron (juga dieja Chiron) adalah bagian dari kentaur dan bagian dari manusia,” jelas Randy White, kepala inovasi MCAM. “Kyron menggunakan keterampilan pribadinya yang unik untuk mengatasi sifatnya yang kejam. Kami menyamakannya dengan senyawa kami, yang setengah serat karbon dan setengah resin, begitu kuat seperti kuda dan secerdas manusia untuk kemudahan pemrosesan.”

Seiring berkembangnya keahlian formulasi, perusahaan menjadi perhatian Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokyo, Jepang), yang mengakuisisi Piper pada 2016. MCHC segera melakukan investasi multi-juta dolar yang substansial untuk meningkatkan ukuran lini peracikan di Arizona , mengotomatiskan operasi dan menghadirkan teknologi pemotongan dan pengukuran serat karbonnya sendiri untuk memungkinkan senyawa KyronMAX diproduksi lebih cepat dan dengan konsistensi dan efisiensi yang lebih besar. Selanjutnya, jalur peracikan kedua didirikan di Michigan dan yang ketiga di Jepang. Kapasitas yang diperluas ini berarti bahwa grade KyronMAX dapat bersaing untuk bisnis otomotif di Amerika Utara dan di Asia. Pasar lain telah mengikuti.

Penawaran produk yang diperluas, peluang pasar baru

Sekarang, dengan kapasitas produksi yang lebih besar dan akses ke rangkaian bahan polimer dan serat karbon yang lebih luas, tim MCAM telah sibuk mengembangkan rangkaian produk baru — beberapa di antaranya diformulasikan khusus untuk pasar otomotif. Salah satu yang paling menarik adalah KyronMAX ES 4240, yang dikatakan sebagai senyawa cetakan injeksi serat karbon pendek pertama di dunia yang menembus penghalang kekuatan tarik 414 MPa (60.000 psi). Nilai tersebut, yang diperkenalkan pada 2019 SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) di pinggiran kota Detroit, adalah PPA yang diperkuat serat karbon 40% fraksi berat serat (FWF) yang juga menawarkan nilai modulus tarik 41,2 GPa, nilai modulus lentur sebesar 34,5 GPa dan nilai kuat lentur sebesar 552 MPa. PPA adalah bentuk khusus poliamida dengan ketahanan termal dan kimia yang lebih baik dan kecenderungan hidrolisis yang jauh lebih rendah daripada PA6 dan PA6/6 konvensional.

Grade otomotif lainnya yang diperkenalkan di SPE AutoEPCON 2019 termasuk grade PPA yang diperkuat serat karbon suhu tinggi yang khusus dikembangkan untuk aplikasi underhood. Nilai tersebut dikatakan memiliki suhu transisi gelas (T_g ) dan suhu penggunaan terus menerus (CUT) yang menyaingi PEEK, tetapi lebih mudah untuk dicetak. Mengingat sensitivitas biaya industri bervolume tinggi seperti otomotif dan peralatan kecil, tidaklah mengejutkan mengetahui bahwa tim tersebut juga sedang mengerjakan produk KyronMAX berbasis polipropilen (PP).

Karena lini produknya telah berkembang, demikian juga pasar di mana bahan-bahan ini digunakan. Selain bisnis otomotif yang sudah lama diidamkan, perusahaan kini melayani alat kesehatan (tahan lama dan sekali pakai), alat kecil dan elektronik konsumen (kotak/penutup pengganti logam). Penerbangan/kedirgantaraan masih penting, seperti halnya industri barang olahraga, yang telah berkembang mencakup aplikasi pada sepeda balap, sepeda gunung, tongkat golf, senjata api, busur majemuk, dan bagian memanah lainnya. Dengan beberapa produk yang menawarkan nilai koefisien ekspansi termal linier (CLTE) yang serupa dengan aluminium dan magnesium cetakan injeksi logam (MIM) — meskipun dengan ketangguhan yang lebih baik, bobot yang lebih ringan, dan biaya yang lebih rendah — tim menemukan dirinya mengganti logam dalam berbagai aplikasi yang meningkat .

Apa berikutnya? Dengan akses ke organisasi Mitsubishi yang lebih luas secara global, tim MCAM dapat mengakses teknologi yang mewakili portofolio komposit yang lebih luas yang mencakup kimia termoplastik serta termoset, dengan berbagai jenis dan panjang penguat. Misalnya, grup Mitsubishi lainnya memproduksi senyawa cetakan tempa yang diperkuat serat karbon yang dibelah dan dicincang (FMC), bentuk lanjutan dari senyawa cetakan lembaran (SMC) yang membantu menjembatani kinerja dan kesenjangan pemrosesan antara kaca pendek atau SMC yang diperkuat serat karbon dan prepreg yang diperkuat serat karbon terus menerus. Masih ada kelompok lain yang memproduksi bahan prepreg yang diperkuat serat karbon woven dan nonwoven serta bahan cetak kompresi prepreg (PCM) yang cepat sembuh.

Di dalam MCAM sendiri, teknologi lain yang mendekati komersialisasi adalah keluarga baru tekstil (nonwoven, woven, dan unidirectional) yang diperkuat prepreg kering dengan termoplastik matriks yang disebut KyronTEX. Produk-produk ini sedang diambil sampelnya secara strategis.

Terakhir, musim panas lalu, MCAM mengakuisisi carbonNXT GmbH dan perusahaan sejenis CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG (keduanya Wischhafen, Jerman), membawa jajaran lengkap teknologi daur ulang serat karbon ke dalam penawaran produk grup. Tim MCAM dikatakan sedang menguji beberapa formula menggunakan serat karbon daur ulang sebelum produk komersial yang memenuhi syarat.