Memajukan Komposit Aditif: Tren, Teknologi, dan Arah Masa Depan

Pada Oktober 2020, CW melaporkan tentang pencetakan 3D komposit dengan serat kontinu dan menyediakan lanskap teknologi yang sedang dikembangkan, serta klasifikasi proses yang digunakan. Kontribusi terakhir berasal dari Alexander Matschinski, asosiasi peneliti dan ahli Manufaktur Aditif di TU Munich dan Chair for Carbon Composites (Lehrstuhl für Carbon Composites, atau LCC, Munich, Jerman).

CW kembali bekerjasama dengan LCC, namun kali ini untuk melihat lanskap manufaktur komposit aditif (ACM) yang lebih luas, terutama proses yang sedang dikembangkan di antarmuka antara komposit konvensional dan manufaktur aditif (AM). "Kami melihat lebih dan lebih teknologi yang berada di luar klasifikasi kami untuk pencetakan 3D serat kontinu, melainkan menggabungkan manufaktur komposit otomatis dengan AM dan menawarkan solusi baru yang belum mungkin sampai sekarang," kata peneliti LCC Thomas Wettemann.

LCC itu sendiri memburamkan garis antara proses tradisional dan pencetakan 3D dengan menggabungkan automated fiber placement (AFP) dan filament winding (FW) dengan ACM berbasis ekstrusi (lihat "Future composite manufacturing — AFP and additive manufacturing"). "Kami juga beralih dari ekstrusi tradisional termoplastik ke pencetakan 3D dengan termoset dengan mengadaptasi teknologi yang kami kembangkan untuk resin transfer molding [RTM] dan menggabungkannya dengan ultrasonik," kata Dr. Swen Zaremba, wakil kepala LCC. Secara bersamaan, LCC bekerja untuk mengembangkan standar untuk ACM dan meningkatkan material serta prosesnya.

Perhatikan, ada lanskap ACM yang bahkan lebih luas yang mencakup filamen terisi serat yang dicetak dengan fused deposition modeling (FDM), material serat bubuk yang diproses dengan selective laser sintering (SLS) dan bagian yang sangat disesuaikan dengan filler terorientasi magnet dan digital light processing (DLP), yang terakhir dikembangkan oleh Fortify (Boston, Massachusetts, AS). Proses-proses ini memang menghasilkan bagian komposit dan membuka pasar serta aplikasi baru, namun diskusi ini akan tetap dalam ruang lingkup penguat serat kontinu.

 

Apa itu ACM?

"Kami biasanya memiliki diskusi ini terlebih dahulu, serta motivasi untuk mengembangkan teknologi baru ini," kata Zaremba. Seperti dijelaskan oleh Wettemann dalam presentasi SAMPE Januari 2019, motivasi adalah produksi hemat biaya di luar produksi massal — termasuk ukuran lot satu — yang juga menghemat sumber daya, meminimalkan atau menghilangkan limbah dan ramah lingkungan serta iklim. "Itu juga menawarkan cara untuk membuat rantai proses komposit sepenuhnya digital," tambahnya. "Itu adalah langkah pertama dalam jalan perubahan selama beberapa dekade."

Komponen kunci definisi ACM menurut LCC meliputi:

• Rantai proses panjang dikurangi menjadi "pemrosesan dalam satu kotak" titik tunggal
• Konsolidasi/polimerisasi global diganti dengan perawatan material lokal dan perawatan panas berulang
• Produksi tanpa cetakan

"ACM mengkonsentrasi apa yang sebelumnya adalah rantai pemrosesan panjang menjadi lebih kurang satu titik, sebuah jenis manufaktur di dalam kotak," kata Zaremba. Dengan demikian, menambahkan Matschinski, "kamu memproses material dan memberikan bentuk pada bagian di dalam kotak tersebut dan tanpa cetakan." Keduanya setuju bahwa "kotak" mungkin merupakan sel ACM yang sangat besar, misalnya, sel SCRAM yang diperkenalkan oleh Electroimpact (Mukilteo, Washington, AS) pada tahun 2020. "ACM juga dapat digunakan di luar satu kotak," kata Zaremba, "misalnya, pekerjaan kami untuk menambahkan penguatan lokal dan fitur yang lebih kecil pada bagian AFP yang lebih besar."

Namun, menurut Wettemann, "kami sekarang melihat contoh di mana seluruh rantai proses komposit terkandung dalam garis atau sel otomatis, tetapi ini bukan apa yang kami definisikan sebagai ACM." Sebaliknya, sel SCRAM memiliki kemampuan untuk memproses material dan memberikan bentuk tanpa alat dengan menggabungkan kepala AFP termoplastik konsolidasi in-situ (ISC) dengan kepala pencetakan 3D fused filament fabrication [FFF, istilah lain untuk FDM]. "Untuk kami, konsolidasi in-situ ini menggunakan AFP memang adalah awal dari ACM di LCC karena kamu membuat komposit yang telah dikurasi/konsolidasikan saat kamu melakukan placement atau layup," kata Zaremba.

Ini membawa kita ke poin kunci kedua dalam definisi ACM menurut LCC. "Sebelumnya, kamu selalu memiliki langkah konsolidasi global dan idealnya perawatan material serta sejarah yang sama di seluruh bagian saat diform dalam autoclave, oven, alat panas atau press," terang Zaremba. "Dengan ACM, kami melakukan perawatan panas dan konsolidasi ini secara lokal saat membangun bagian."

Wettemann menyatakan bahwa ISC menawarkan titik masuk dari manufaktur komposit otomatis ke dalam dunia AM, "namun ini juga menghadirkan tantangan nyata untuk material dan pemrosesan karena perawatan material lokal ini juga merupakan perawatan panas berulang. Perhatikan bahwa di awal, kami hanya menyesuaikan material cetak injeksi untuk pencetakan 3D. Namun kemudian kami menyadari bahwa itu tidak benar-benar dioptimalkan untuk pencetakan FFF. Jadi, perusahaan mulai memodifikasi material untuk sistem pencetakan mereka untuk menghadapi pemanasan dan pendinginan berulang dari resin, serta kecepatan yang diperlukan dan kebutuhan untuk merekatkan lapisan serta menghindari penyimpangan. Itulah sebabnya mengapa lebih dan lebih perusahaan mencoba untuk menyertakan serat kontinu."

Namun, mengintegrasikan serat kontinu juga menciptakan masalah. "Itu adalah salah satu alasan mengapa kami tertarik pada ACM," kata Zaremba. "Proses pencetakan 3D janjikan banyak hasil, tetapi hasilnya tidak memberikan jenis kualitas yang kami harapkan untuk aplikasi struktural atau penerbangan, misalnya. Kami dapat melihat kesenjangan antara komposit lanjutan menggunakan serat kontinu dan apa yang dapat diberikan oleh teknologi AM. LCC bertujuan untuk membawa dunia-dunia ini bersama-sama dan mewujudkan potensi yang dijanjikan, tetapi juga untuk menggabungkan teknologi untuk mencapai solusi baru."

 

Penggabungan dua dunia

LCC melihat banyak solusi baru seperti itu, misalnya, proses Additive Molding yang dikembangkan oleh Arris Composites (Berkeley, California, AS) dan sel Fusion Bonding untuk pencetakan 3D yang dikembangkan oleh 9T Labs (Zurich, Swiss), keduanya merupakan proses volume tinggi. "Keduanya tidak memberikan bentuk bagian akhir di dalam proses aditif, tetapi menggunakan jenis cetakan dan langkah kedua di dalam cetakan itu," kata Matschinski. "Jadi, ini tidak sesuai dengan definisi ACM kami. Namun, keduanya menyajikan solusi menarik yang menggabungkan manufaktur komposit tradisional dan teknologi AM."

"9T Labs pasti menggunakan printer 3D," katanya Wettemann, "namun untuk membuat preform yang kemudian diproses dalam proses forming terdigitalisasi untuk membuat komponen komposit termoplastik ringan yang sepenuhnya baru dan menargetkan pasar yang sebelumnya tidak dapat menggunakan teknologi komposit." Di sini, ia merujuk pada tujuan 9T Labs untuk mengganti logam pada bagian tempat cetak injeksi tidak dapat memberikan performa yang cukup. "Di LCC kami juga telah meneliti cara memperkenalkan serat tak hingga ke dalam cetak injeksi, tetapi cukup sulit untuk membuat posisi yang presisi dari serat tak hingga dalam proses injeksi." Sebaliknya, teknologi di 9T Labs menawarkan yang tampaknya merupakan metode manufaktur yang mudah diterapkan untuk bagian berkinerja tinggi.

Arris Composites memiliki pendekatan yang berbeda tetapi mencapai tujuan yang agak mirip, meskipun meng targetkan volume bagian yang satu magnitud lebih tinggi. "Kami tidak hanya memungkinkan produksi volume tinggi bagian serat kontinu tetapi juga menambahkan multifungsi yang membuka konsolidasi bagian dinamis," kata Riley Reese, pendiri bersama dan CTO Arris Composites. "Misalnya, kami mengubah rangkaian 17 komponen menjadi satu bagian sambil meningkatkan kekuatan dan menambahkan properti seperti transparansi radio. Kami bersaing dalam hal biaya dengan cetak kompresi — misalnya, SMC [sheet molding compound] — tetapi dengan performa serat kontinu."

ACM langsung vs tidak langsung

Kembali ke definisi ACM menurut LCC, komponen kunci ketiga mengakui perdebatan tentang manufaktur dengan dan tanpa alat cetak. "Pendekatan langsung adalah di mana bentuk akhir berasal dari cetakan — saya tidak pernah memiliki alat," kata Wettemann. "Keuntungannya adalah sepenuhnya bebas dari manufaktur alat. Selama kita memiliki cetakan, maka kita berbicara tentang proses tidak langsung, atau kita berbicara tentang manufaktur komposit yang lebih konvensional, yang kemudian didukung oleh teknologi AM."

 

Wettemann menyatakan bahwa pendekatan hibrid seperti itu membantu mengatasi faktor-faktor seperti konsolidasi dan alat cetak yang meningkatkan biaya dan waktu manufaktur komposit tradisional. "Kami melihat perkembangan oleh Digital Manufacturing and Design Centre di Singapore University of Technology dan oleh Mikrosam [Prilep, Makedonia] dari 2015 hingga 2017 di mana robot otomatis dikembangkan untuk menghasilkan bagian komposit lanjutan dalam proses jenis AFP tetapi tanpa alat cetak," terangnya. "Jadi, ini bergerak menuju ACM karena kedua pendekatan berhasil dalam manufaktur digital di ruang bebas tanpa alat, tetapi pengembangan lebih lanjut masih diperlukan. Mengurangi kebutuhan akan alat cetak adalah kunci karena itu juga memberi kami kemungkinan baru baik untuk manufaktur komponen komposit maupun jenis bagian yang dapat dibuat. Misalnya, jalur beban yang sangat organik yang dihasilkan oleh perangkat lunak optimisasi topologi dan desain generatif memang mengejar efisiensi struktur biologis seperti tulang dan pohon, tetapi sangat sulit diproduksi dengan serat kontinu."

 

Pengembangan masa depan di LCC

"Dalam manufaktur bagian langsung, kami melihat hal yang sama yang Anda tunjukkan dalam lanskap Anda, yaitu garis-garis memburam dan kami bergerak ke pendekatan manufaktur hibrid yang jauh lebih luas," kata peneliti LCC Patrick Consul (lihat "3D printing CFRP molds for RTM flaperon, exoskeletons and more"). Awal tahun ini, timnya menyelesaikan percobaan pertama pendekatan hibrid yang menggabungkan ekstrusi material dan deposisi energi terarah [DED] menggunakan mesin prototipe berbasis laser untuk mencetak pada laminat yang telah dikonsolidasikan terlebih dahulu dan cetakan 3D yang sangat besar tanpa ruang panas. "Kami juga bekerja pada menggabungkan ACM dengan pemesinan dan AFP, yang sangat cocok karena semuanya bergantung pada jalur peralatan yang rumit," katanya. "Transisi di antaranya menjadi cukup sederhana dan Anda tidak perlu pelatihan tambahan banyak." Dengan demikian, rantai proses menjadi lebih pendek, digital, dan disederhanakan.

LCC juga mendorong pendekatan hibrid dengan menggabungkan teknologi yang dikembangkan untuk RTM dan pencetakan 3D. "Hasilnya mirip dengan pematikan di jalan, tetapi kami ingin beralih dari resin UV-cure karena mereka sedikit terlalu mahal saat Anda ingin membangun bagian yang lebih besar," terang Zaremba. "Alih-alih, kami menggunakan teknik pencampuran ultrasonik baru yang kami kembangkan untuk RTM dan sekarang menyesuaikannya untuk digunakan dalam ekstruder typis dengan epoksi kering cepat yang murah yang dikembangkan untuk industri otomotif."

Matschinski menjelaskan teknologi ini lebih lanjut: "Kami menggunakan getaran ultrasonik untuk mencampur dan mengkuring resin epoksi hampir seketika saat kami menyetapkan serat yang telah diimpregnasi selama pencetakan." Bagaimana ini berbeda dari ultrasonik yang digunakan oleh DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems di Braunschweig, Jerman (lihat "Reducing the cost of continuous fiber 3D printing materials")? Matschinski menjelaskan, "DLR menggunakan getaran ultrasonik untuk meningkatkan infiltrasi matriks termoplastik ke dalam serat yang ditaburkan untuk membuat filamen pencetak 3D terkuat serat kontinu, yang kemudian dicetak menggunakan ekstrusi material konvensional. Kami menggunakan ultrasonik untuk mengeras filamen termoset yang dikuat serat kontinu."

"Organisasi seperti Arris Composites, 9T Labs dan tim kami di sini di LCC, misalnya, menarik karena mereka memiliki akar dan karyawan baik dari dunia komposit maupun dari dunia AM," kata Wettemann. "Mereka berkumpul untuk menciptakan teknologi baru yang dapat membantu sekarang untuk memindahkan kami dari ekonomi masa depan yang potensial terbatas sumber daya dan pertumbuhan, yang berjuang dengan krisis iklim. Mereka memberikan jalan menuju solusi yang dibutuhkan."