Program ENLIGHTEN diluncurkan untuk mempercepat industrialisasi komposit termoplastik
Semakin ringan kendaraan, semakin sedikit bahan bakar yang dikonsumsi dan semakin sedikit CO2 dipancarkan. Bahan ringan yang cukup kuat untuk menjamin keselamatan penumpang juga populer di kalangan produsen mobil dan pesawat terbang. Komposit termoplastik — plastik yang diperkuat serat yang melunak saat dipanaskan — ringan, kuat, mudah dikerjakan, dan mudah didaur ulang. Komponen tertentu di badan pesawat dan sayap sudah dibuat dari bahan yang relatif baru ini. Namun, mereka belum digunakan secara lebih luas.
Tujuan ENLIGHTEN — Mengaktifkan Struktur Ringan Terintegrasi Dalam Volume Tinggi — adalah menemukan cara untuk menghasilkan seluruh struktur yang andal menggunakan bahan ini dengan cara yang dapat diprediksi, dapat direproduksi, dan hemat biaya. Proyek lima tahun senilai €6 juta ini diluncurkan oleh University of Twente (UT, Twente, Belanda) dan Dr. Remko Akkerman, ilmuwan di UT dan Pusat Penelitian komposit ThermoPlastic (TPRC, Twente, Belanda) sebagai bagian Perspektif yang berbasis di Belanda program, yang menantang para ilmuwan untuk membangun jalur penelitian baru yang inovatif yang dapat memiliki dampak ekonomi dan sosial yang nyata. Didirikan oleh Dewan Riset Belanda (NWO), dan Kementerian Urusan Ekonomi dan Iklim, enam Perspektif konsorsium sedang didirikan di Belanda, dengan 138 perusahaan dan organisasi menyumbangkan €10 juta dari dana mereka sendiri untuk menyamai €22 juta yang tersedia dari pemerintah Belanda.
Mengembangkan detail multiskala
CW berbicara dengan Akkerman untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang apa yang sebenarnya dibutuhkan oleh ENLIGHTEN. “Dunia Komposit pembaca sangat akrab dengan pekerjaan yang dilakukan di TPRC, di mana kami fokus pada pemrosesan termoplastik cepat, termasuk pengelasan, overmolding, dan juga daur ulang,” kata Akkerman. “Kami telah mempublikasikan banyak hasil mempelajari materi, proses dan kinerja. Tapi bagaimana proses mempengaruhi distribusi matriks serat dan porositas dalam komposit? Bagaimana hal itu, pada gilirannya, memengaruhi kinerja mekanis suku cadang? Bagaimana proses ini mempengaruhi inisiasi retak dan pertumbuhan layanan? Aspek-aspek ini perlu dipahami untuk mematangkan komposit termoplastik untuk penggunaan industri yang lebih luas.”
Inilah mengapa ENLIGHTEN adalah program besar, yang melibatkan spesialis dalam polimer, mikromekanik komposit, dan pemodelan digital multiskala serta ilmu data digital. “Tujuan kami adalah mengembangkan pengetahuan yang kemudian dapat kami gunakan untuk mengoptimalkan proses komposit termoplastik ini untuk kinerja yang optimal,” kata Akkerman. “Kami juga akan mengintegrasikan pemantauan proses — karena kualitas materi bergantung pada kemampuan Anda untuk mengontrol proses — dan pembelajaran mesin untuk mempercepat pengoptimalan ini.”
ENLIGHTEN mencakup ketiga universitas teknis di Belanda (University of Twente, Delft University of Technology dan Eindhoven University of Technology) serta perusahaan di seluruh rantai pasokan otomotif dan kedirgantaraan, termasuk OEM, pemasok Tier, dan UKM. Organisasi di luar Belanda juga terlibat, termasuk Pusat Manufaktur Bernilai Tinggi WMG Universitas Warwick sebagai bagian dari program CATAPULT Inggris dan Jaguar Land Rover, anak perusahaan produsen otomotif global Tata Motors (Mumbai, India).
Mikrograf ini menunjukkan beberapa migrasi serat di atas garis las antara blanko yang diperkuat serat terus menerus dan overmolding injeksi yang diperkuat serat pendek. Bagaimana hal ini mempengaruhi kekuatan dan kinerja bagian adalah satu pertanyaan di antara banyak pertanyaan yang harus dijawab oleh ENLIGHTEN.
“Proses yang akan kami selidiki termasuk pengelasan induksi dan ultrasonik serta overmolding, yang juga memiliki antarmuka las, masing-masing melibatkan fenomena fisik yang sama tetapi pada tingkat yang berbeda,” catat Akkerman. “Jadi, semua fenomena yang sama mengenai pergerakan serat, tegangan, dan inisiasi retak juga berlaku di sini.” Tetapi bukankah struktur komposit termoplastik yang dilas telah terbang di pesawat komersial selama lebih dari 30 tahun? “Ya, tetapi tidak satu pun dari struktur tersebut yang menggunakan pengelasan induksi atau ultrasonik dengan pita searah,” ia menunjukkan, “yang jauh lebih sulit untuk dipahami dan dikendalikan, tetapi juga lebih ekonomis untuk diproduksi jika kita dapat memprediksi prosesnya sepenuhnya.”
Pemodelan multi-skala dan pengujian fisik akan memainkan peran kunci dalam proyek ENLIGHTEN. “Tidak mungkin memahami komposit tanpa melihat proses manufaktur yang digunakan untuk membuatnya,” kata Akkerman. “Melalui pemodelan digital, kami dapat merumuskan hipotesis dan kemudian melakukan eksperimen berdampingan untuk memvalidasi hasil kami dan menyempurnakan pemahaman kami. Misalnya, ini termasuk melihat pembentukan struktur kristal di tingkat mikro, bagaimana serat bergerak selama proses pengelasan di tingkat meso dan bagaimana fenomena ini berinteraksi untuk mempengaruhi perkembangan tegangan, retakan mikro, dan beban akhir struktur di makro. tingkat. Tingkat investigasi yang sangat mendalam namun gabungan ini belum pernah saya lihat di industri kami.”
Tapi di mana pembelajaran mesin berperan? “Setiap elemen analisis dalam paket pekerjaan 1 dan 2 membutuhkan waktu berjam-jam untuk dijalankan,” kata Akkerman, “dan harus diulang untuk setiap bahan, bagian, dan proses tertentu. Jika Anda ingin mencapai pengoptimalan di semua skala dan model ini, ini akan memakan waktu ribuan jam. Namun, saat kami melakukan ini, kami akan mengumpulkan data tentang bagaimana semua fenomena ini berhubungan satu sama lain. Kami kemudian dapat melatih jaringan saraf untuk mengenali koneksi dalam data ini, sepenuhnya sejalan dengan fisika yang mendasarinya.”
Melihat ruang lingkup pekerjaan yang ditunjukkan di bawah ini, ia menjelaskan, “akan ada koneksi dari kiri ke kanan dan atas ke bawah. Berdasarkan semua analisis ini, tujuan kami adalah mengembangkan algoritme yang dapat digunakan secara lebih umum dan fleksibel tanpa harus memulai dari awal setiap saat. Dengan kata lain, algoritme ini dapat diterapkan ke bagian yang Anda berikan, membantu Anda mengoptimalkan parameter proses dan pilihan material. Pikirkan pembelajaran mesin sebagai jenis kurva yang cocok dengan banyak variabel.” Dia mengakui ini bukan analogi yang sempurna, tetapi hasilnya secara efektif serupa, karena kurva — yang dalam hal ini lebih merupakan hiper-permukaan multidimensi — akan menunjukkan korelasi dan kausalitas yang menunjukkan jalan ke depan.
Materi, diseminasi, dan tujuan akhir
Menyelesaikan materi yang akan dipelajari adalah salah satu tugas pertama proyek ENLIGHTEN. “Kemungkinan besar poliamida 6 (PA6, nilon) akan dipelajari untuk otomotif dan poliaryletherketone (LM PAEK) dengan lelehan rendah untuk aerospace,” kata Akkerman. “Kami akan mengevaluasi materi lain dan melihat setiap dan semua data yang tersedia.” Ini mungkin termasuk, misalnya, apa yang telah dihasilkan oleh program lain, seperti MECATESTERS di Clean Sky 2, yang telah melakukan sejumlah besar pengujian dengan pita LM PAEK UD yang diperkuat serat karbon. Sementara itu, program Clean Sky 2 STUNNING akan menghasilkan sejumlah besar data sehubungan dengan pengelasan ultrasonik saat merakit bagian bawah dari Multifungsi Fuselage Demonstrator (MFFD). Akkerman menunjukkan proyek COMPeTE yang dilakukan di TPRC, yang telah mempelajari overmolding untuk banyak kombinasi material yang berbeda.
Mengenai diseminasi hasil proyek, konsorsium ENLIGHTEN akan mengadakan rapat umum setiap tahun dan subkelompok di setiap paket kerja akan bertemu seperlunya untuk mencapai tonggak pencapaian yang telah ditetapkan. Presentasi individu akan dilakukan di konferensi nasional dan internasional selama proyek berlangsung dan sesi khusus atau konferensi internasional penuh pada tahun terakhir proyek akan diselenggarakan untuk membagikan hasil keseluruhan.
Tujuan utamanya, kata Akkerman, adalah untuk mencapai komposit termoplastik apa yang dimiliki industri logam dengan pendekatan desain materialnya untuk logam monokristalin di aeroengines, misalnya. “Tujuan mereka adalah untuk mencapai kinerja yang diperlukan untuk masa depan pesawat. Kami melihat mandat yang sama untuk rentang mobilitas yang lebih besar. Kami mencoba merancang proses pengelasan dan overmolding untuk mengoptimalkan kinerja komposit termoplastik ringan untuk struktur luar angkasa dan otomotif, tetapi kami masih memiliki begitu banyak variabilitas. Hasilnya adalah faktor keamanan yang berlebihan dan efisiensi yang lebih rendah daripada yang sebenarnya ditawarkan oleh teknologi. Ya, kami memiliki bagian komposit termoplastik yang terbang, tetapi butuh 30 tahun untuk sampai sejauh ini. Eropa telah menetapkan tujuan untuk menjadi netral karbon pada tahun 2050 — yaitu kurang dari 30 tahun. Jika kita melanjutkan di jalan yang sama, yang masih melibatkan banyak percobaan dan kesalahan, kita tidak akan memenuhi tujuan yang diperlukan untuk memerangi perubahan iklim. Kami melihat jalur yang berbeda dan lebih efisien melalui ENLIGHTEN dan sekarang saatnya untuk bertindak.”
