Sistem tenun otomatis menargetkan aplikasi bervolume tinggi dan berkinerja tinggi
Salah satu hambatan lama untuk adopsi komposit luas, terutama di industri otomotif, adalah kebutuhan untuk produksi volume tinggi dan biaya yang lebih rendah daripada yang layak dengan banyak jenis proses manufaktur komposit. Perusahaan rintisan WEAV3D Inc. (Norcross, Ga., US) sedang berusaha untuk memecahkan masalah ini dengan struktur kisi penguat komposit termoplastik yang berkelanjutan yang diproduksi dalam proses tenun otomatis yang dirancang untuk bebas limbah, hemat biaya dan, WEAV3D Inc. memprediksi , yang memungkinkan produksi volume tinggi.
Dari konsep hingga komersialisasi
Christopher Oberste, pendiri dan CEO WEAV3D Inc., mengembangkan konsep awal untuk teknologinya sambil meraih gelar Ph.D. dalam ilmu material dan teknik di Institut Teknologi Georgia (Georgia Tech, Atlanta) pada tahun 2014. Studinya dalam teknik polimer dan serat dan magang kerja sama di GKN Aerospace Amerika Utara (Tallassee, Ala., AS) memicu minat dalam termoplastik dan proses volume tinggi seperti pencetakan kompresi dan komposit ruang angkasa. Pekerjaan ini mengarah pada pengembangan iterasi pertamanya untuk kecepatan tinggi, proses tenun otomatis untuk struktur kisi penguat komposit termoplastik. Dengan bantuan dan dukungan gelar Ph.D. penasihat, Dr. Ben Wang, Oberste melamar dan menerima dana hibah untuk mengembangkan dan mengkomersialkan idenya dari Georgia Research Alliance dan program National Science Foundation's Innovation Corps (NSF I-Corps).
Selama dua tahun berikutnya, Oberste bekerja dengan MBA dan mahasiswa hukum untuk mengkomersialkan teknologi melalui program kolaboratif di Georgia Tech yang disebut TI:GER (Inovasi Teknologi:Menghasilkan Hasil Ekonomi). Pada tahun 2017, dengan pendanaan tambahan dari Megawatt Ventures dan Penghargaan Universitas Teknologi Bersih Departemen Energi AS, Oberste dan salah satu pendiri Lewis Motion, mantan pilot helikopter Penjaga Pantai AS, mendirikan WEAV3D Inc.; hari ini, perusahaan mempekerjakan tiga staf penuh waktu dan empat staf paruh waktu.
Mengingat latar belakang Oberste dan Motion di kedirgantaraan, rencana awalnya adalah untuk memenuhi syarat material komposit termoplastik WEAV3D sebagai struktur penguat dalam komponen kedirgantaraan. Namun, Oberste menjelaskan bahwa sebagai bagian dari hibah NSF I-Corps, dia dan timnya harus melakukan serangkaian 100 wawancara dengan calon pelanggan industri, yang mengarahkan mereka ke arah yang berbeda. “Kami melakukan banyak wawancara penemuan di kedirgantaraan … tetapi kami mendengar berkali-kali bahwa jalan bagi perusahaan rintisan untuk memasuki kedirgantaraan, terutama dengan proses manufaktur baru, sangat sulit. Waktu adopsi sangat lama, dan harganya sangat mahal. Banyak perusahaan mati bahkan sebelum mereka dapat mencapai pasar,” jelasnya.
Setelah berbicara dengan perusahaan di industri lain, Oberste dan timnya memutuskan untuk mengubah fokus mereka ke pasar otomotif dan konstruksi. Dia berkata, “Begitu kami mulai berbicara dengan orang-orang [di bidang otomotif], kami menyadari ada kebutuhan yang sangat besar yang belum terpenuhi di bidang itu, di mana orang-orang otomotif memiliki banyak permintaan yang mendesak untuk pengurangan berat badan, tetapi mereka juga sensitif pada harga. . Mereka memberi tahu kami bahwa sebagian besar proses manufaktur komposit konvensional yang tersedia tidak dapat menyediakan volume yang mereka butuhkan dengan biaya yang mereka inginkan.” Dari sana, Oberste mulai mengembangkan teknologinya menjadi solusi yang memungkinkan untuk memproduksi suku cadang komposit bervolume tinggi dengan biaya rendah.
Hasilnya adalah konsep Rebar for Plastics bermerek dagang WEAV3D. Menggunakan proses tenun dan konsolidasi otomatis, WEAV3D memproduksi struktur kisi komposit termoplastik yang dapat disesuaikan secara dimensi yang dirancang agar mudah diintegrasikan sebagai bahan penguat dalam bagian plastik atau beton melalui pencetakan kompresi, pencetakan berlebih injeksi, atau proses volume tinggi umum lainnya. Berdasarkan model simulasi, Oberste mengatakan pendekatan ini memungkinkan produksi suku cadang otomotif dengan kinerja yang setara dengan baja atau lembaran logam aluminium tetapi bobotnya lebih ringan dan 30-75% lebih murah untuk diproduksi dibandingkan suku cadang komposit yang dibentuk melalui organosheet, peletakan pita otomatis ( ATL) atau proses hand layup.
Proses WEAV3D
Proses WEAV3D dimulai dengan tape thermoplastic unidirectional (UD) siap pakai. Oberste mengatakan bahwa proses ini dapat menangani semua jenis termoplastik dan serat penguat:“Jalur terbaik kami untuk sebagian besar pekerjaan yang telah kami lakukan di bidang otomotif dan konstruksi adalah di bidang polipropilen [PP], polikarbonat [PC], polietilen tereftalat [PET] atau ruang poliamida [PA]. Kami juga sangat agnostik dalam hal serat penguat, meskipun kaca dan serat karbon tentu saja yang paling populer.” Dia mengatakan tim juga telah melakukan beberapa pekerjaan dengan pita logam konduktif dan sedang meneliti pita dengan serat optik tertanam.
Mesin pilot skala penuh WEAV3D distandarisasi untuk memproses pita selebar 25 milimeter atau selebar 1 inci, meskipun Oberste mengatakan mesin tersebut dapat menangani pita sekecil 5 milimeter (0,2 inci) dengan menggunakan adaptor, dan lebih lebar kaset dengan retooling. Pada mesin saat ini, kisi dapat diproduksi hingga lebar 1,5 meter (60 inci), dan tebal hingga lima lapisan, dengan panjang berapa pun yang dibutuhkan oleh aplikasi.
Pengajuan paten perusahaan November 2017 menggambarkan sistem WEAV3D sebagai "mesin untuk terus menerus membuat komposit tenunan dengan geometri kain internal yang dapat dikontrol." Dari gulungan yang dimuat ke mesin, pita UD dijalin ke dalam susunan kepala lusi yang dapat dikontrol secara independen. Setiap kepala berisi beberapa saluran pita, membentuk gudang lungsin, ruang di antara pita lungsin untuk pita arah pakan yang akan dijalin. Tumpukan penyisip mengeluarkan pita searah dalam arah pakan melalui gudang lusi untuk membentuk tenunan komposit. Kisi anyaman kemudian ditarik di bawah sumber cahaya inframerah (IR) dan kemudian melalui rol kompresi untuk mengkonsolidasikan dan mengikat lapisan pita bersama-sama pada titik jalinan. Bergantung pada kebutuhan pelanggan, struktur yang dihasilkan disediakan sebagai lembaran datar atau gulungan, atau WEAV3D menawarkan layanan pemangkasan dan pembentukan awal tambahan.
Salah satu manfaat terpenting dari proses WEAV3D, kata Oberste, adalah tingkat penyesuaian struktur kisi yang tinggi untuk berbagai aplikasi. Ini termasuk mencampur bahan yang berbeda di lokasi yang berbeda, serta menyesuaikan kepadatan, atau jarak antara pita, dari struktur kisi. “Kami benar-benar dapat mengoptimalkan struktur kisi untuk persyaratan produk akhir sambil meminimalkan biaya keseluruhan.”
Setelah dikirim ke pelanggan, kisi-kisi dapat diintegrasikan ke dalam komponen beton polimer, atau cetakan kompresi, thermoformed atau injeksi overmolded untuk membentuk bagian komposit otomotif akhir. Proses WEAV3D juga dapat mengakomodasi berbagai tingkat kerumitan. Oberste menjelaskan bahwa untuk bagian-bagian yang relatif sederhana, “kisi ini dapat digabungkan dengan proses laminasi dan kemudian termoform, seperti langkah pembentukan bersama. Untuk bagian yang cukup kompleks, kita dapat melakukan co-forming atau preforming dalam cetakan kompresi, baik itu cetakan kompresi termoplastik atau cetakan kompresi SMC. Kemudian untuk bagian yang sangat kompleks, kita dapat benar-benar membentuk kisi-kisi menjadi bentuk apa pun yang diinginkan, menempatkannya ke dalam alat dan kemudian melakukan injeksi overmolding pada bagian itu.”
“Fokus besar bagi kami dalam ekosistem komposit adalah bahwa kami adalah pengubah permainan untuk produksi volume tinggi,” tambahnya. Volume yang tepat tergantung pada aplikasinya, tetapi Oberste memperkirakan bahwa untuk ukuran bagian kisi untuk memperkuat panel pintu otomotif, mesin WEAV3D dapat memproduksi antara 200.000 dan 500.000 unit per tahun.
Selain itu, produk WEAV3D juga telah menunjukkan peningkatan sifat mekanik saat memperkuat bagian komposit atau plastik. “Menggabungkan kisi WEAV3D dengan plastik serat pendek atau komposit serat panjang yang ada dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan, kekakuan, dan ketangguhan produk yang dihasilkan,” kata Oberste, meskipun ia menambahkan bahwa jumlah peningkatan sangat bervariasi menurut bahan spesifik yang digunakan dan desain. bagian tertentu. “Dalam beberapa aplikasi, peningkatan kinerja ini memungkinkan pengurangan ketebalan bagian atau ribbing secara substansial, yang berarti pengurangan berat.”
Parit beton bertulang:Aplikasi komersial pertama
Selama beberapa tahun pertama, fokus perusahaan rintisan adalah memproduksi metode manufaktur dan bahan yang cocok untuk industri otomotif secara khusus, meskipun Oberste memiliki gagasan tentang bagaimana teknologi ini dapat digunakan dalam komponen interior kedirgantaraan komersial, pesawat pertahanan tak berawak, kereta api, kargo aplikasi transportasi dan kelautan.
Namun, untuk aplikasi komersial pertamanya yang diumumkan pada November 2020, WEAV3D dimulai dengan pasar konstruksi, menggunakan penguat serat kaca/PET untuk sistem parit beton polimer yang diproduksi oleh Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Ga., A.S.).
Sistem parit Oldcastle, yang digunakan untuk merutekan kabel utilitas di daerah perkotaan, stasiun kereta api, atau pabrik industri, harus mampu menahan beban 16.000 pon dari kendaraan yang melintas di atasnya. Sebelumnya, parit diperkuat dengan sangkar kawat baja yang dilas khusus yang disematkan ke dalam beton. Namun, menurut Oberste, sangkar baja ini mahal untuk pembuatan khusus dan, karena Oldcastle membuat parit dengan beberapa ukuran berbeda, sangkar baja tidak selalu memiliki dimensi yang tepat untuk memperkuat lubang drainase parit dengan benar . “Dengan proses kami, karena kami benar-benar dapat mengoptimalkan kisi untuk persyaratan aplikasi, kami dapat menyesuaikan geometri kisi — misalnya, untuk memastikan kami menambahkan tulangan di sekitar lubang pembuangan di bagian bawah parit, dan tulangan di bagian bawah parit. ujung parit sehingga terlindung dari benturan selama penanganan,” katanya.
Selain itu, salah satu aspek proyek yang paling menantang, kata Oberste, adalah mengidentifikasi bahan pita termoplastik yang dapat membentuk ikatan perekat dengan beton polimer, daripada hanya mengandalkan antarmuka mekanis, seperti halnya dengan sangkar baja. bala bantuan. Bahan polietilen tereftalat glikol (PETG) yang dipilih WEAV3D membentuk antarmuka perekat sejati antara kedua bahan, yang membantu transfer tegangan dan mengurangi kemungkinan patah. “Bahkan jika fraktur benar-benar terjadi,” tambahnya, “retak itu jauh lebih kecil kemungkinannya untuk menyebar melalui struktur karena harus mengatasi antarmuka perekat itu.”
WEAV3D menghasilkan kisi-kisi yang dirancang untuk aplikasi ini sebagai bentuk awal saluran-U, yang kemudian dimasukkan Oldcastle ke dalam cetakan tuang di mana beton polimer dituangkan di atasnya, diikuti dengan perawatan dan pembongkaran untuk menghasilkan struktur beton bertulang akhir.
Dalam konstruksi, WEAV3D memiliki rencana untuk memperluas kisi-kisinya ke dalam aplikasi beton polimer lainnya seperti selungkup dan tutup. Pada bulan Oktober 2020, WEAV3D, dalam proposal bersama dengan Western Ontario University dan firma teknik struktural Entuitive, dianugerahi hibah dari National Sciences and Engineering Research Council of Canada untuk melakukan penelitian yang mengevaluasi penggunaan kisi WEAV3D sebagai penguat dalam semen Portland tradisional. berbasis beton juga. Tujuannya adalah untuk mengembangkan kisi-kisi yang dapat digunakan sebagai penguat untuk pelat dan fasad bangunan non-perumahan, kata Oberste.
WEAV3D generasi berikutnya:Kecepatan otomotif
Versi generasi berikutnya dari mesin WEAV3D, yang dirancang untuk memenuhi kebutuhan manufaktur otomotif, sedang dikembangkan dengan dana penelitian dari NSF. Oberste mengatakan kemungkinan akan online pada tahun 2022. Perbaikan dalam sistem baru ditargetkan tiga kali lipat kecepatan produksi sistem saat ini, termasuk penggantian rol pemanas dan kompresi IR dengan pengelasan ultrasonik yang lebih efisien.
Pada saat yang sama, Oberste dan timnya telah memulai diskusi dengan AS dan Eropa Tier 1 dan OEM di industri otomotif tentang penggunaan produk WEAV3D untuk memperkuat panel plastik, mulai dari komponen interior hingga bak truk pickup. “Salah satu tujuannya adalah untuk menambahkan kisi sebagai kerangka struktural dalam komponen plastik yang dicetak untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuannya serta untuk menggantikan braket dan pengaku logam yang saat ini diandalkan oleh desainer,” kata Oberste. WEAV3D juga sedang mengerjakan artikel demonstrasi panel bodi otomotif dan komponen lainnya untuk menunjukkan manfaat material tersebut.
