Komposit Serap Karbon Pendek Memperluas Aplikasi Komposit Termoplastik
Sebuah keluarga komposit termoplastik (CFRTP) serap karbon pendek yang diformulasikan khusus untuk pencetakan injeksi sedang digunakan untuk memperluas kemampuan komposit termoplastik dalam berbagai ukuran dan kompleksitas bagian. Menariknya, material ini telah terbukti unggul dibanding komposit termoplastik serat panjang (LFT) (serat kaca atau serat karbon) serta logam dalam berbagai aplikasi yang semakin luas - dari barang olahraga dan bagian mobil hingga alat medis dan komponen penerbangan antariksa.
Pengecor menjadi Penyusun Komposit
Material diformulasikan dan dijual oleh Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokyo, Jepang). MCAM menggabungkan beberapa bisnis yang sebelumnya terpisah yang diakuisisi oleh perusahaan induk selama sepuluh tahun terakhir. Ini termasuk Quadrant AG (Lenzburg, Swiss) yang dulunya, produsen komposit kain mat termoplastik (GMT) dan organosheet serta bentuk teknik termoplastik, dan yang dulunya Piper Plastics Inc. (Chandler, Ariz., AS), yang memulai sebagai pengecor injeksi dan produsen bagian presisi mesin, dan kemudian memperluas ke kompos CFRTP khusus - pertama untuk penggunaan sendiri dan kemudian untuk pengecor lainnya.
Kira-kira 2012, Piper adalah pengecor injeksi custom menengah yang melayani basis pelanggan di penerbangan antariksa dan barang olahraga/peralatan rekreasi. Kepemimpinan perusahaan ingin mengembangkan bisnis pembuatan bagian mereka tetapi memiliki dua tantangan. Pertama, mereka kesulitan mendapatkan jenis komposit yang menurut tim akan memungkinkan perusahaan untuk bersaing di segmen pasar kinerja lebih tinggi. Kedua, perusahaan ingin memasuki pasar otomotif, tetapi tidak memiliki kapasitas pencetakan yang cukup untuk bersaing dalam program besar.
Masalah pertama dipecahkan dengan menerapkan upaya R&D yang terfokus pada berbagai base resin dan teknologi sizing serat, yang mengarah pada pengembangan keluarga komposit CFRTP dapat dicetak injeksi berkinerja tinggi yang disebut KyronMAX. Material ini memiliki matriks seperti poliamida 6/6 (PA6/6), poliphtalamida (PPA), polieterimida (PEI), polifenilena sulfida (PPS), polieteretherketon (PEEK) dan polyaryletherketone (PAEK) yang ditingkatkan dengan serat karbon potong pendek. Komposit - sebagian besar menawarkan kinerja termal tinggi, resistensi kimia luas, mekanik yang baik dan nilai api/asap/toksis (FST) rendah - diformulasikan tidak hanya untuk mengganti grade pencetakan injeksi yang ditingkatkan serat kaca pendek dan terisi mineral, tetapi juga komposit LFT (dengan panjang serat awal rata-rata 13 milimeter) dan bahkan logam.
"Pada lembar data, komposit LFT terlihat lebih kuat, tetapi sering kali mereka tidak dapat mengisi jenis geometri bagian yang dapat kita isi dengan teknologi serat karbon pendek," menjelaskan Alex Wojtysiak, manajer akun kunci MCAM - komposit. "Karena aliran kami jauh lebih tinggi, kami lebih mampu mengisi geometri yang rumit, jadi komposit kami menghasilkan bagian yang jauh lebih kuat."
"Bukannya kami bermaksud untuk menciptakan berbagai komposit CFRTP, melainkan masing-masing dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan spesifik pelanggan tertentu," menambahkan Clint Newell, manajer teknologi komposit global MCAM. "Seiring pertumbuhan kemampuan formulasi kami, kami memasuki pasar baru, bertemu pelanggan baru, menanyakan apa yang mereka butuhkan dan mulai menciptakan komposit yang sempurna untuk memenuhi kebutuhan tersebut."
Tidak heran, karena komposit ini awalnya diformulasikan oleh pengecor untuk pengecor, mereka dirancang untuk menyediakan properti yang membuatnya mudah diproses dan secara konsisten menghasilkan bagian berkualitas tinggi dan berkinerja lebih baik. "Kami memformulasikan garis produk KyronMAX kami untuk menyediakan aliran yang lebih tinggi dan interaksi serat, stres internal yang lebih rendah, kurang anisotropi, garis las yang lebih kuat, lebih sedikit tanda tenggelam, kecenderungan busa yang lebih rendah dan akurasi dimensi yang lebih besar - terlepas dari apakah bagian dinding tebal atau tipis," catat Dave Wilkinson, direktur R&D MCAM. "Selain pekerjaan formulasi kami dan teknologi sizing unik, kami juga melakukan modifikasi pres sendiri untuk menjalankan material ini secara lebih efisien."
Mengapa nama produk yang unik? "Dalam mitos Yunani kuno, Kyron (juga disebut Chiron) adalah bagian kentaur dan bagian manusia," menjelaskan Randy White, direktur inovasi chief MCAM. "Kyron menggunakan keterampilan pribadi uniknya untuk naik di atas alam liarnya. Kami membandingkannya dengan komposit kami, yang setengah serat karbon dan setengah resin, jadi kuat seperti kuda dan cerdas seperti manusia untuk kemudahan pemrosesan."
Seiring pertumbuhan keahlian formulasi, perusahaan menarik perhatian Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokyo, Jepang), yang mengakuisisi Piper pada 2016. MCHC segera membuat investasi multi-miliar dolar yang signifikan untuk meningkatkan ukuran garis kompos di Arizona, mengotomatisasi operasi dan membawa teknologi sizing dan chopping serat karbon sendiri untuk memungkinkan komposit KyronMAX diproduksi lebih cepat dan dengan konsistensi serta efisiensi yang lebih besar. Selanjutnya, garis kompos kedua ditetapkan di Michigan dan ketiga di Jepang. Kapasitas yang diperluas ini berarti 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 berbagai macam material polimer dan serat karbon, tim MCAM telah sibuk mengembangkan array produk baru - beberapa diformulasikan khusus untuk pasar otomotif. Salah satu yang paling menarik adalah KyronMAX ES 4240, dikatakan sebagai komposit pencetakan injeksi serat karbon pendek pertama di dunia yang menembus batas kekuatan tarik 414 MPa (60.000 psi). Grade itu, yang diperkenalkan pada konferensi 2019 SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) di pinggiran Detroit, adalah komposit PPA terkuat serat karbon dengan fraksi bobot serat (FWF) 40% yang juga menawarkan nilai modulus tarik 41,2 GPa, nilai modulus lentur 34,5 GPa dan nilai kekuatan lentur 552 MPa. PPA adalah bentuk khusus poliamida dengan resistensi termal dan kimia yang lebih luas serta kecenderungan hidrolisis yang jauh lebih rendah dibanding PA6 dan PA6/6 konvensional.
Grade otomotif lainnya yang diperkenalkan pada 2019 SPE AutoEPCON termasuk grade PPA terkuat serat karbon suhu tinggi yang dikembangkan khusus untuk aplikasi di bawah kap. Grade itu dikatakan memiliki suhu transisi kaca (Tg) dan suhu penggunaan berkelanjutan (CUT) yang setara dengan PEEK, tetapi lebih mudah dicetak injeksi. Karena sensitivitas biaya dari industri volume tinggi seperti otomotif dan peralatan rumah tangga kecil, tidak heran jika tim juga sedang mengerjakan produk KyronMAX berbasis polipropilena (PP).
Seiring dengan perluasan garis produk, pasar di mana material ini digunakan juga telah meluas. Selain bisnis otomotif yang telah lama diinginkan, perusahaan kini melayani alat medis (tahan lama dan sekali pakai), peralatan rumah tangga kecil dan elektronik konsumen (kotak/tutup pengganti logam). Penerbangan antariksa masih penting, seperti juga industri barang olahraga, yang telah tumbuh untuk mencakup aplikasi pada sepeda balap, sepeda gunung, stok golf, senjata api, busa komposit dan bagian busa lainnya. Dengan beberapa produk yang menawarkan nilai ekspansi termal linier koefisien (CLTE) yang serupa dengan aluminium dan magnesium pencetakan injeksi logam (MIM) - meskipun dengan ketahanan yang lebih baik, bobot lebih ringan dan biaya lebih rendah - tim menemukan dirinya mengganti logam dalam berbagai aplikasi yang semakin meningkat.
Apa selanjutnya? 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 dan termo-set, dengan berbagai jenis dan panjang penguat. Misalnya, grup Mitsubishi lainnya menghasilkan komposit cetakan cor (FMC) serat karbon tow terpisah dan dipotong, bentuk canggih dari komposit cetakan lembar (SMC) yang membantu menembus kesenjangan kinerja dan pemrosesan antara SMC yang ditingkatkan serat kaca atau serat karbon pendek dan prepreg serat karbon berkelanjutan. Grup lain menghasilkan material kompresi prepreg cepat kering (PCM) serat karbon tenun dan non-tenun.
Di dalam MCAM sendiri, teknologi lain yang mendekati komersialisasi adalah keluarga baru prepreg kering (non-tenun, tenun dan unidireksional) yang ditingkatkan tekstil dengan matriks termoplastik yang disebut KyronTEX. Produk ini saat ini sedang di-sample secara strategis.
Akhirnya, musim panas lalu MCAM mengakuisisi carbonNXT GmbH dan perusahaan sister CFK Valley State Recycling GmbH dan Co. KG (keduanya Wischhafen, Jerman), membawa garis lengkap teknologi daur ulang serat karbon ke dalam portofol produk grup. Tim dikatakan sedang menguji beberapa formulasi menggunakan serat karbon daur ulang sebelum memenuhi syarat produk komersial.
