Cakungan Komposit Hibrid: Perlindungan Canggih untuk Elektronik Tipis Ekstrem

SABIC menunjukkan dalam studi terbaru bahwa cakungan tebal 1 milimeter dapat memenuhi semua spesifikasi kinerja industri yang relevan untuk komputer notebook atau tablet yang sangat tipis. Source, all images | SABIC

Elektronik konsumen adalah pasar yang dinamis dengan siklus waktu yang cukup singkat antara generasi produk. Dari ponsel pintar, jam tangan pintar, tablet dan komputer notebook/laptop mereka, konsumen ingin kecepatan operasi yang lebih cepat, baterai yang lebih awet, daya tahan yang lebih besar dan lebih banyak fitur dengan biaya dan bobot yang lebih rendah. Untuk memenuhi permintaan konsumen, OEM meminta pemasok untuk material dengan estetika tinggi dan kebebasan desain, resistensi dampak yang baik dan kekakuan tinggi — yang menandakan kualitas di pasar ini — dengan bobot rendah dan peningkatan dinding tipis. Mereka juga ingin metode pemrosesan yang hemat biaya dan sangat dapat diulang yang memenuhi permintaan produksi global dalam puluhan juta unit per tahun. Tekanan ini telah mendorong pasar terlebih dahulu ke logika ringan untuk cakungan/casing dan frame, dan sekarang mendorongnya menuju solusi logika/komposit dan komposit semuanya.

Studi kelayakan yang dilakukan oleh SABIC (Bergen op Zoom, Belanda) melibatkan penggunaan dua jenis komposit termoplastik untuk memproduksi cakungan komputer notebook/tablet tebal 1 milimeter. Studi menunjukkan bahwa desain komposit termoplastik hibrid ini bisa menjadi solusi yang layak untuk pasar elektronik konsumen yang menantang ini.

Studi Kasus

Sejak 2012, SABIC telah melakukan serangkaian investasi untuk mengembangkan tape komposit termoplastik diperkuat serat unidirectional (UD) sendiri, yang memperluas kompetensi inti perusahaan dalam injeksi serat pendek dan material termoplastik serat panjang (LFT), dan memungkinkan SABIC untuk meluas ke komposit termoplastik berkinerja lebih tinggi. Pada 2015, perusahaan membeli mayoritas saham pembuat tape Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT, Lelystad, Belanda) dan pada 2017 mereka bekerjasama dan menjadi investor minoritas dalam Airborne (The Hague, Belanda), pembuat mesin dan pengembang baris pemrosesan komposit.

Saat SABIC dan Airborne merancang dan membangun teknologi untuk menghasilkan laminate berbasis tape termoplastik net-shape berkualitas tinggi secara cepat dan hemat biaya untuk pasar volume yang benar-benar tinggi, tim mulai mencari studi kasus. Demonstrator ini akan menjadi alat pemasaran yang penting untuk membuktikan konsep desain untuk laminate komposit termoplastik yang diproduksi dari tape komposit yang di-overmolding dengan kompuund diperkuat serat tidak kontinu. Ini juga akan penting untuk menguji alat prediksi rekayasa yang telah dikembangkan tim untuk kedua teknologi material dan untuk memamerkan proses manufaktur berkecepatan tinggi yang berkembang di Belanda.

“Kami memutuskan untuk spesialisasi dalam aplikasi elektronik konsumen,” menjelaskan Gino Francato, pemimpin komposit global SABIC. “Pasar ini sangat menarik karena ada ambisi nyata untuk beralih ke material ringan untuk membuat ponsel dan notebook kami lebih ringan dan lebih tipis. Dan karena mereka membuat jutaan juta dari mereka, kami memutuskan untuk mengambil tantangan yang ditawarkan pasar ini.”

“Kami memutuskan untuk memulai dengan sesuatu yang cukup kompleks tetapi tidak terlalu kompleks,” menjelaskan Scott Davis, staf ilmuwan-global application technology SABIC. Cakungan atas komputer notebook yang sangat tipis atau bahkan tablet — yang diharapkan tim pada akhirnya akan diterjemahkan ke komponen ponsel — tampak sebagai tempat yang baik untuk memulai. “Kami bekerja dengan geometri keseluruhan sederhana, persegi panjang, yang masih harus mempertahankan estetika tinggi dan menawarkan banyak kompleksitas di sisi B-nya, termasuk fitur pemasangan,” lanjut Davis. “Kami harus menjaga cakungan sangat tipis, tetapi masih memenuhi persyaratan defleksi yang menantang yang umum di industri. Dan, tentunya, kami harus menyampaikan produk yang sangat konsisten melalui proses manufaktur baru yang kompleks.”

Karena mereka tidak bekerja dengan desain pelanggan aktual, dan hanya membuat cakungan pelindung untuk layar, mereka menggunakan geometri generik. Faktanya, Davis mencatat, saat mereka mulai memotong cetakan injeksi untuk pengembangan internal, mereka bahkan tidak yakin apakah mereka akan membuat cakungan tablet atau notebook, jadi cakungan dirancang untuk bekerja untuk keduanya. “Ada banyak tantangan untuk membuat solusi komposit siap untuk produksi volume tinggi,” tambah Davis. “Faktanya, ada banyak hal yang terjadi secara bersamaan — pengembangan tape, pengembangan laminate dan pengembangan proses — dan kami tidak bisa menunggu hingga semua hal tersebut diselesaikan untuk memulai tooling kami, yang bagaimana kami akhirnya mendapatkan desain itu.” Dengan desain dasar selesai, tim berfokus pada detail lain, seperti cara terbaik untuk gate, jenis tumpang tindih yang diperlukan antara insert laminate dan kompuund overmolding, cara menangani penempatan otomatis di dalam cetakan, cara menangani ketidakcocokan koefisien (linear) ekspansi termal (CLTE atau CTE) antara dua komposit dan bagaimana menciptakan bagian yang mudah diulang.

Memenuhi Persyaratan yang Menantang

Tujuannya adalah untuk mengembangkan cakungan atas tebal 1 milimeter yang menyediakan kekakuan tinggi dan lulus semua persyaratan kinerja dan estetika — terutama uji defleksi titik tengah yang diterapkan secara teratur pada cakungan laptop untuk menilai 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 yang diizinkan di bawah tekanan 40-120 Newton — situasi yang mensimulasikan beban yang diberikan oleh jari atau siku yang ditekan ke dalam cakungan saat seorang pengguna manusia berdiri. Di banyak industri, strategi untuk lulus uji seperti itu adalah dengan meningkatkan ketebalan penampang, tetapi pasar ini menghargai desain yang lebih tipis yang membebaskan ruang untuk baterai yang lebih besar dan komponen lain tanpa meningkatkan ukuran atau bobot perangkat. Oleh karena itu, tim perlu menggunakan strategi desain yang berbeda untuk mencegah kerusakan layar — yaitu memilih material yang lebih kaku (melalui insert laminate) dan menggunakan geometri (misalnya, ribbing via injeksi overmolding). Namun, pertama, mereka harus menentukan material.

Salah satu material ini, polycarbonate (PC), sudah banyak digunakan di industri ini untuk cakungan dan komponen lain, karena estetika yang luar biasa dan kekuatan dampak yang tinggi. Kelemahan terbesar polimer ini adalah resistensi kimia dan goresan permukaan, tetapi lapisan, cat atau kombinasi keduakan yang diterapkan pada sebagian besar cakungan umumnya mengatasi masalah potensial ini.

“Karena komputer ultra-ringan begitu tipis, ruang paket di dalam sangat berharga, jadi defleksi dan mekanis menjadi sangat krusial,” tegas Francato. “Sementara Anda akan ingin menggunakan kaca [penguat] dari segi biaya, kami harus menggunakan karbon [serat] untuk mendapatkan kekakuan yang kita butuhkan.” Sebagai hasilnya, semua laminate berbasis tape yang dievaluasi adalah variasi polycarbonate diperkuat serat karangan — grade yang sedang dikembangkan oleh subsidi SABIC FRT.

Kompuund overmolding membutuhkan pendekatan yang berbeda. Awalnya, strategi adalah menggunakan kompuund LFT serat panjang, tetapi karena sejumlah alasan — termasuk persyaratan estetika tinggi, ukuran bagian dan strategi gate — kompuund serat pendek lebih memenuhi persyaratan proyek. Masalah lain adalah jenis serat yang akan digunakan. “Kompuund injeksi serat karangan pendek sangat sulit untuk bekerja dan masih mendapatkan estetika tinggi,” lanjut Francato, “jadi untuk material overmolding kami, kami melihat grade diperkuat serat kaca pendek.” Subsidi SABIC LNP Engineering Plastics, Inc. (Exton, Pennsylvania, AS) menawarkan banyak grade serat kaca/PC dengan estetika dan kekakuan yang baik yang populer di kalangan OEM perangkat, jadi tim berfokus pada mereka.

Sementara PC sepenuhnya amorf kurang cenderung mengalami warpage dibandingkan polimer semi-kristal, masih tim khawatir tentang perbedaan CLTE antara tape serat karangan UD yang sangat diperkuat dan anisotropik dan grade overmolding serat kaca tidak kontinu yang lebih isotropik dengan beban serat lebih rendah. “Di dinding yang sangat tipis ini, tidak ada banyak ruang untuk kesalahan, jadi perbedaan CLT yang kecil adalah hal yang harus kita pertimbangkan dengan hati-hati,” menjelaskan Davis. “Dan itu bahkan belum menyentuh semua masalah normal yang Anda khawatirkan saat injeksi molding, seperti lokasi gate, pola pengisian, tekanan packing dan knitlines. Semua faktor ini disimulasikan dan diverifikasi dengan pengujian fisik.”

Setelah material dipilih, insinyur SABIC melakukan beberapa iterasi pengisian cetakan, analisis struktural dan simulasi warpage untuk mengevaluasi tata letak laminate, geometri dan kombinasi material untuk mengoptimalkan kekakuan untuk uji beban/defleksi, serta persyaratan kinerja dan biaya lainnya. Perusahaan mengatakan bahwa mereka 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 laminate, komposisi kompuund overmolding dan berbagai opsi pemrosesan dan tooling versus kinerja bagian cetakan. Alat ini dikatakan mencapai korelasi yang kuat antara prediksi dan kinerja yang diukur dan ideal untuk mempercepat pengembangan material kustom.

Siap untuk Prime Time

Sisi depan cakungan laptop/tablet akhir, yang diproduksi menggunakan insert laminate berbasis tape polycarbonate diperkuat serat karangan yang di-overmolding dengan kompuund serat kaca pendek/polycarbonate-copolymer, kombinasi yang memenuhi semua persyaratan mekanik dan estetika yang relevan dalam bagian tebal 1 milimeter.

Demonstrator akhir memiliki insert laminate yang diproduksi dari tujuh lapis tape UDMAX serat karangan/PC (55% volume fraction serat), kemudian dikonsolidasikan, dipotong, di-preformed dan dipotong lagi ke bentuk net-shape akhir, sebelum di-overmolding injeksi dengan 40% fiber-weight fraction THERMOCOMP D452 serat kaca pendek/polycarbonate-copolymer (grade yang dioptimalkan untuk aliran tinggi dan estetika tinggi dan sudah banyak digunakan dalam segmen ini). Kombinasi ini menghasilkan cakungan dengan kekakuan dan kekuatan tinggi pada massa dan ketebalan penampang rendah sambil mencakup banyak detail desain 3D, fitur pemasangan dan estetika yang baik, sehingga memanfaatkan yang terbaik dari setiap material. Cakungan dikatakan telah lulus semua uji industri yang diperlukan dan saat ini sedang dievaluasi oleh OEM perangkat.

Kerja antara Airborne dan SABIC juga telah membuah hasil untuk tujuan pasar elektronik konsumen SABIC. Kemitraan diumumkan pada 2018, dan tahun ini rincian lebih lanjut telah diberikan tentang apa yang kedua perusahaan sebut Digital Composites Manufacturing Line mereka, yang dapat menghasilkan empat insert laminate net-shape konsolidasikan dari tape komposit termoplastik per menit atau 1,5 juta laminate per tahun dari satu baris produksi. Sistem dikatakan fleksibel (dalam hal tata letak laminate dan material) dan cepat. Mulai tahun 2020, Airborne akan menggunakan baris ini untuk memproduksi laminate untuk penggunaan komersial dalam elektronik konsumen, menjadi sumber yang kedua perusahaan harap akan sangat meningkatkan penetrasi komposit termoplastik dalam segmen yang sangat kompetitif dan cepat ini.