Menghemat Biaya dalam Pencetakan 3D Serat Kontinu: Inovasi dan Strategi

DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems (Braunschweig, Jerman) adalah lembaga penelitian terkemuka dalam konstruksi ringan yang mengejar teknologi baru di empat bidang strategis: desain ke sertifikasi, digitalisasi dan Industri 4.0, daur ulang dan struktur komposit aditif. CW sebelumnya melaporkan tentang EmpowerAX Innovation Lab lembaga untuk mempercepat, memperkuat dan memperluas transfer ekstrusi aditif ke industri untuk komposit tercetak 3D. Lembaga juga menyelesaikan serangkaian proyek R&D termasuk simulasi ekstrusi aditif, modifikasi termoplastik untuk performa yang lebih baik dalam pencetakan 3D dan produksi filamen printer dengan serat kontinu.

Proyek terakhir ini, berjudul ENDLOSEFFEKT ("efek tak hingga"), dirancang untuk meningkatkan kemanfaatan, kualitas dan biaya material terkuat serat panjang tak hingga. "Ketersediaan filamen pencetakan serat kontinu yang telah diimpregnasi terbatas," terang Maik Titze, bertanggung jawab atas manufaktur aditif di DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems di Braunschweig. "Ketersediaan dan variasi material yang dapat digunakan yang terbatas, serta harga material, merupakan hambatan untuk aplikasi. Kami ingin merancang sirim impregnasi sehingga peralatan yang sama yang digunakan untuk menghasilkan filamen standar terisi serat potongan untuk FDM [fused deposition modeling] juga dapat menghasilkan filamen yang dikuat serat kontinu. Peralatan ini akan untuk perusahaan yang memproduksi filamen printer 3D, dengan tujuan untuk mengurangi biaya pencetakan 3D dengan material terkuat serat kontinu."

Saat ini, sebagian besar filamen printer 3D terkuat serat kontinu dibuat oleh perusahaan yang sama yang menjual mesin pencetakan serat kontinu, dengan setiap material dikembangkan dan dioptimalkan untuk satu sistem pencetakan tertentu. Material ini cenderung sedikit mahal.

"Ide kami adalah memulai dengan serat kering berukuran apa pun, misalnya 1K carbon fiber tow hingga 50K, dan kemudian menggunakan impregnasi leleh langsung dari pelet atau granulat termoplastik komoditas melalui ekstrusi karena sangat hemat biaya," kata Titze. "Anda tidak perlu menghasilkan serbuk polimer atau folil, atau menggunakan press mahal atau ratusan roller untuk mencapai impregnasi serat. Jadi, pemrosesan menjadi jauh lebih mudah diakses dan terjangkau."

Alih-alih press, sabuk dan roller, DLR merancang sistem menggunakan ultrasonik. "Kami menggunakan sonotrode 19,5 kilohertz yang mengarahkan getaran ke dalam termoplastik yang telah leleh yang mengelilingi serat," terang Titze. "Ini matriks dan penguat pada 19.500 kali per detik, yang menghasilkan impregnasi yang sangat baik."

Jalur proses dimulai dengan penyebaran serat dan pemanasan (Gambar 1). Penguat ini kemudian diumpankan ke dalam ruang kamar tertutup tempat polimer yang telah leleh disuntik. Saat serat melewati ruang kamar ini, resin yang telah leleh melapisi serat. "Serat dan polimer kemudian melanjutkan ke ruang kamar ultrasonik, yang panjangnya 80 milimeter, sangat kecil dan kompak," kata Titze. "Getaran yang dihasilkan oleh sonotrode pada filamen polimer terkuat serat, yang kemudian keluar dari sirim dalam bentuk apa pun yang Anda inginkan. Misalnya, sirim dapat bulat atau datar."

Mikrograf dalam Gambar 2 menunjukkan serat karbon 12K yang diimpregnasi dengan asam polilaktik (PLA), poliamida (PA) dan polyetherimide (PEI) pada 50% volume serat. Volume serat dapat disesuaikan (30-50%) melalui desain sirim cetakan, kata Titze. "Kami percaya hingga 60% akan mungkin. Secara keseluruhan, lebih banyak pekerjaan diperlukan pada proses, tetapi kami telah menunjukkan bahwa itu berfungsi dengan hasil awal yang baik dan kecepatan garis 5 milimeter/detik." Dia mengakui ini lambat dan tidak ekonomis, tetapi desain peralatan baru dijadwalkan untuk diuji pada Juni, bertujuan untuk mencapai 3 meter/menit.

"Secara tipikal, kecepatan akan lebih dekat dengan 10 meter/menit," kata Titze. "Namun, teknologi juga bertujuan untuk memungkinkan produksi fleksibel dari kombinasi material baru, jadi kecepatan yang sedikit lebih rendah dapat membantu membuat produksi skala kecil menjadi terjangkau."

Proses yang dikembangkan oleh DLR tidak selektif terhadap satu material — serat atau polimer apa pun dapat digunakan, kata Titze. "Ini penting karena proses terus berhibridisasi dan material baru diperlukan. Material untuk pencetakan 3D harus menjadi lebih kompetitif, atau pencetakan 3D serat kontinu tidak akan memiliki masa depan yang bagus. Dengan menggunakan pelet atau granulat termoplastik, kami dapat secara signifikan menurunkan biaya dan peralatan muat di ruang instalasi yang kecil sehingga bahkan perusahaan kecil dapat mengimplementasikannya."

DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems memulai proyek ini pada Oktober 2019 dan akan menyelesaikannya pada Januari 2022. "Tujuan kami adalah untuk meminimalkan lebih lanjut teknologi dan mengintegrasikannya ke dalam print head," kata Titze. "Jadi, ini akan menjadi impregnasi langsung inline dengan pencetakan. Keduanya akan ditransfer ke industri." Dia menjelaskan bahwa sebagai nirlaba non-profit pemerintah, DLR tidak akan "menjual" apa pun dan oleh karena itu hak eksklusif. "Tujuan kami adalah untuk melibatkan supplier print head untuk menurunkan harga material secara menyeluruh dan memperluas aplikasi industri manufaktur aditif serat kontinu."