Sistem Tenun Otomatis WEAV3D Dorong Manufaktur Komposit Bervolume Tinggi dan Performa Tinggi

Salah satu hambatan yang lama bagi adopsi komposit yang luas, terutama di industri otomotif, adalah kebutuhan akan produksi volume tinggi dan biaya lebih rendah daripada yang dapat dicapai dengan banyak jenis proses manufaktur komposit. Startup WEAV3D Inc. (Norcross, Ga., AS) mencoba menyelesaikan masalah ini dengan struktur lattice komposit termoplastik berkelanjutan yang diproduksi dalam proses tenun otomatis yang dirancang untuk bebas limbah, hemat biaya, dan, menurut prediksi WEAV3D Inc., penggerak untuk produksi volume tinggi.

Dari Konsep ke Komersialisasi

Christopher Oberste, pendiri dan CEO WEAV3D Inc., mengembangkan konsep awal teknologinya saat mengambil gelar Ph.D. dalam ilmu material dan teknik di Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Atlanta) pada 2014. Studi dalam teknik polimer dan serat serta magang kooperatif di GKN Aerospace North America (Tallassee, Ala., AS) memicu minat pada termoplastik dan proses volume tinggi seperti kompresi molding dan komposit aerospace. Kerja ini mengarah pada pengembangan iterasi pertamanya untuk proses tenun otomatis kecepatan tinggi untuk struktur lattice komposit termoplastik penguat. Dengan bantuan dan dukungan pembimbing Ph.D.-nya, Dr. Ben Wang, Oberste mengajukan dan menerima dana hibah untuk mengembangkan dan memkomersialkan ide-nya dari Georgia Research Alliance dan program Innovation Corps (NSF I-Corps) National Science Foundation.

Selama dua tahun berikutnya, Oberste bekerja dengan mahasiswa MBA dan hukum untuk memkomersialkan teknologi melalui program kolaboratif di Georgia Tech bernama TI:GER (Technological Innovation: Generating Economic Results). Pada 2017, dengan dana tambahan dari Megawatt Ventures dan U.S. Department of Energy Clean Tech University Prize, Oberste dan pendiri bersama Lewis Motion, pilot helikopter AS Coast Guard sebelumnya, mendirikan WEAV3D Inc.; hari ini, perusahaan ini mempekerjakan tiga staf penuh waktu dan empat staf paruh waktu.

Mengingat latar belakang Oberste dan Motion di aerospace, rencana awal adalah untuk memenuhi persyaratan material komposit termoplastik WEAV3D sebagai struktur penguat dalam komponen aerospace. Namun, Oberste menjelaskan bahwa sebagai bagian dari hibah NSF I-Corps, ia dan timnya harus melakukan serangkaian 100 wawancara dengan pelanggan industri potensial, yang membawa mereka untuk mengambil arah yang berbeda. “Kami melakukan banyak wawancara penemuan di aerospace … tetapi kami terus mendengar bahwa jalur untuk startup yang masuk ke aerospace, terutama dengan proses manufaktur baru, sangat sulit. Waktu adopsi sangat lama, dan sangat mahal. Banyak perusahaan mati sebelum bahkan bisa memasuki pasar,” katanya.

Setelah berbicara dengan perusahaan di industri lain, Oberste dan timnya memutuskan untuk mengubah fokusnya ke pasar otomotif dan konstruksi. Katanya, “Saat kami mulai berbicara dengan orang-orang [di otomotif], kami menyadari ada kebutuhan yang belum terpenuhi yang sangat besar di ruang itu, yaitu para pemain otomotif memiliki banyak permintaan mendesak untuk pengurangan bobot, tetapi mereka juga sensitif terhadap harga. Mereka memberi tahu kami bahwa sebagian besar proses manufaktur komposit konvensional yang tersedia tidak mampu menyediakan volume yang mereka butuhkan pada biaya yang mereka inginkan.” Dari sana, Oberste berusaha mengembangkan teknologinya menjadi solusi penggerak untuk memproduksi bagian komposit volume tinggi dengan biaya rendah.

Hasilnya adalah konsep Rebar for Plastis yang didaftarkan sebagai merek dagang WEAV3D. Menggunakan proses tenun dan konsolidasi otomatis, WEAV3D memproduksi struktur lattice komposit termoplastik yang dapat disesuaikan dimensinya dan dirancang untuk mudah diintegrasikan sebagai material penguat dalam bagian plastik atau beton melalui kompresi molding, injeksi overmolding, atau proses volume tinggi umum lainnya. Berdasarkan model simulasi, Oberste mengatakan pendekatan ini memungkinkan produksi bagian otomotif dengan performa yang setara dengan lembaran baja atau aluminium tetapi yang lebih ringan dan 30-75% lebih murah untuk diproduksi dibandingkan bagian komposit yang dibentuk melalui proses organosheet, automated tape laying (ATL), atau hand layup.

Proses WEAV3D

Proses WEAV3D dimulai dengan pita unidirectional (UD) termoplastik siap pakai. Oberste mengatakan proses ini dapat menangani semua jenis termoplastik dan serat penguat: “Titik manis kami untuk sebagian besar pekerjaan yang telah kami lakukan di otomotif dan konstruksi ada di ruang polipropilena [PP], polycarbonate [PC], polyethylene terephthalate [PET], atau polyamide [PA]. Kami juga sangat netral dalam hal serat penguat, meskipun serat kaca dan karbon tentu saja paling populer.” Katanya timnya juga telah melakukan beberapa pekerjaan dengan pita logam konduktif dan sedang meneliti pita dengan serat optik tertanam.

Mesin pilot skala penuh WEAV3D distandardisasi untuk memproses pita lebar 25 milimeter atau 1 inci, meskipun Oberste mengatakan mesin dapat menangani pita sempit hingga 5 milimeter (0,2 inci) dengan penggunaan adaptor, dan pita yang lebih lebar dengan pengaturan ulang alat cetak. Pada mesin saat ini, lattice dapat diproduksi hingga 1,5 meter lebar (60 inci), dan hingga lima lapis tebal, pada panjang apa pun yang diperlukan oleh aplikasi.

Pengajuan paten November 2017 perusahaan menggambarkan sistem WEAV3D sebagai “mesin untuk secara berkelanjutan memproduksi komposit tenun dengan geometri kain internal yang dapat dikontrol.” Dari gulungan yang dimuat ke dalam mesin, pita UD dijalankan ke dalam array kepala warp yang dapat dikontrol secara independen. Setiap kepala berisi beberapa saluran pita, membentuk warp shed, ruang di antara pita warp untuk pita arah weft dapat dijalankan. Stack penyisip mengeluarkan pita unidirectional dalam arah weft melalui warp shed untuk membentuk komposit tenun. Lattice yang telah ditenun kemudian ditarik di bawah sumber cahaya inframerah (IR) dan kemudian melalui roller kompresi untuk mengonsolidasikan dan menyatukan lapisan pita di titik saling bersilang. Tergantung pada persyaratan pelanggan, struktur yang dihasilkan disediakan sebagai lembar datar atau sebagai gulungan, atau WEAV3D menawarkan layanan pemotongan dan preforming tambahan.

Salah satu manfaat terpenting dari proses WEAV3D, kata Oberste, adalah tingkat keberesaran yang tinggi dari struktur lattice untuk aplikasi yang berbeda. Ini mencakup mencampur berbagai material di lokasi yang berbeda, serta menyesuaikan densitas, atau jarak di antara pita, dari struktur lattice. “Kami dapat benar-benar mengoptimalkan struktur lattice untuk persyaratan produk akhir sambil meminimalkan biaya keseluruhan,” katanya.

Setelah dikirimkan ke pelanggan, lattice dapat diintegrasikan ke dalam komponen beton polimer, atau kompresi molded, termoform, atau injeksi overmolded untuk membentuk bagian komposit otomotif akhir. Proses WEAV3D juga dapat menampung tingkat kompleksitas yang bervariasi. Oberste menjelaskan bahwa untuk bagian yang relatif sederhana, “lattice ini dapat digabungkan dengan proses laminasi dan kemudian termoform, hanya sebagai langkah co-forming. Untuk bagian yang cukup kompleks, kami dapat melakukan co-forming atau preforming dalam kompresi molding, apakah itu kompresi molding termoplastik atau SMC kompresi molding. Dan kemudian untuk bagian yang sangat kompleks, kami sebenarnya dapat mempreform lattice ke dalam bentuk apa pun yang dibutuhkannya, menempatkannya ke dalam alat cetak, dan kemudian melakukan injeksi overmolding pada bagian itu.”

“Fokus besar bagi kami dalam ekosistem komposit adalah kami adalah game-changer untuk produksi volume tinggi,” tambahnya. Volume yang tepat tergantung pada aplikasi, tetapi Oberste memperkirakan bahwa untuk bagian lattice yang berukuran untuk penguat panel pintu mobil, mesin WEAV3D dapat memproduksi antara 200.000 dan 500.000 unit per tahun.

Selain itu, produk WEAV3D juga telah menunjukkan properti mekanis yang ditingkatkan saat memperkuat bagian komposit atau plastik. “Menggabungkan lattice WEAV3D dengan plastik serat pendek yang ada atau komposit serat panjang dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan, kekakuan, dan ketahanan produk yang dihasilkan,” kata Oberste, meskipun katanya jumlah peningkatan bervariasi sangat luas tergantung pada material spesifik yang digunakan dan desain bagian tertentu. “Dalam beberapa aplikasi, peningkatan performa ini memungkinkan ketebalan bagian atau tulang penguat untuk berkurang secara signifikan, yang berarti pengurangan bobot.”

Parit Beton Diperkuat: Aplikasi Komersial Pertama

Selama beberapa tahun pertama, fokus perusahaan startup ini adalah pada pembuatan metode manufaktur dan material yang sesuai untuk industri otomotif khususnya, meskipun Oberste memiliki ide tentang bagaimana teknologi ini mungkin digunakan di komponen interior penerbangan komersial, pesawat pertahanan tanpa awak, kereta api, transportasi barang, dan aplikasi laut.

Untuk aplikasi komersial pertama yang diumumkan pada November 2020, namun, WEAV3D memulai dengan pasar konstruksi, menggunakan penguat serat kaca/PET untuk sistem parit beton polimer yang diproduksi oleh Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Ga., AS).

Sistem parit Oldcastle, digunakan untuk merute kabel utilitas di kawasan perkotaan, stasiun kereta api, atau pabrik industri, harus mampu menahan beban 16.000 pon dari kendaraan yang melintasi di atasnya. Sebelumnya, parit diperkuat dengan kandang kawat baja yang dipasang secara khusus dan tertanam dalam beton. Namun, menurut Oberste, kandang baja ini tidak hanya mahal untuk diproduksi secara khusus dan, karena Oldcastle membuat parit dalam beberapa ukuran yang berbeda, kandang baja tidak selalu memiliki dimensi yang benar untuk memperkuat lubang drainase parit dengan benar. “Dengan proses kami, karena kami dapat benar-benar mengoptimalkan lattice untuk persyaratan aplikasi, kami dapat menyesuaikan geometri lattice — misalnya, untuk memastikan kami menambahkan penguat di sekitar lubang drainase di bagian bawah parit, dan penguat di ujung parit sehingga dilindungi dari benturan saat penanganan,” katanya.

Selain itu, salah satu aspek paling menantang dari proyek ini, kata Oberste, adalah untuk mengidentifikasi material pita termoplastik yang dapat membentuk ikatan perekat dengan beton polimer, daripada hanya mengandalkan antarmuka mekanis, seperti halnya penguat kandang baja. Material polyethylene terephthalate glycol (PETG) yang dipilih WEAV3D membentuk antarmuka perekat yang sebenarnya antara dua material, yang membantu transfer stres dan mengurangi kemungkinan retakan. “Bahkan jika retakan terjadi,” tambahnya, “retakan itu jauh lebih tidak mungkin menyebar melalui struktur karena harus mengatasi antarmuka perekat itu.”

WEAV3D menghasilkan lattice yang dirancang untuk aplikasi ini sebagai preform U-channel, yang kemudian ditempatkan oleh Oldcastle ke dalam cetakan pencetakan di mana beton polimer dicurahkan di atasnya, diikuti dengan pengeringan dan pelepasan dari cetakan untuk menghasilkan struktur beton diperkuat akhir.

Dalam konstruksi, WEAV3D memiliki rencana untuk memperluas lattice-nya ke aplikasi beton polimer lain seperti enclosure dan tutup. Pada Oktober 2020, WEAV3D, dalam usulan bersama dengan Western Ontario University dan perusahaan teknik struktural Entuitive, menerima hibah dari National Sciences and Engineering Research Council of Canada untuk melakukan penelitian mengevaluasi penggunaan lattice WEAV3D sebagai penguat dalam beton Portland tradisional juga. Tujuan adalah untuk mengembangkan lattice yang dapat digunakan sebagai penguat untuk plat bangunan non-perumahan dan fasad, kata Oberste.

WEAV3D Generasi Berikutnya: Kecepatan Otomotif

Versi generasi berikutnya dari mesin WEAV3D, yang dirancang untuk memenuhi kebutuhan manufaktur otomotif, sedang dalam pengembangan dengan dana penelitian dari NSF. Oberste mengatakan kemungkinan akan beroperasi pada 2022. Peningkatan dalam sistem baru bertarget untuk melipat tiga kecepatan produksi sistem saat ini, termasuk penggantian pemanas IR dan roller kompresi dengan pengelasan ultrasonik yang lebih efisien.

Pada saat yang sama, Oberste dan timnya telah memulai diskusi dengan Tier 1 dan OEM AS dan Eropa di industri otomotif tentang penggunaan produk WEAV3D untuk memperkuat panel plastik, mulai dari komponen interior hingga klep pickup mobil. “Salah satu tujuannya adalah untuk menambahkan lattice sebagai kerangka struktural dalam komponen plastik yang dicetak untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuannya serta mengganti bracket dan penguat logam yang saat ini diandalkan oleh desainer,” kata Oberste. WEAV3D juga sedang mengerjakan artikel demonstrasi panel badan mobil dan komponen lain untuk menunjukkan manfaat material.