Inisiatif ENLIGHTEN Mempercepat Adopsi Industri Komposit Termoplastik
Semakin ringan sebuah kendaraan, semakin sedikit bahan bakar yang dikonsumsi dan semakin sedikit CO2 yang dihasilkan. Material ringan yang cukup kuat untuk memastikan keselamatan penumpang juga populer di antara produsen mobil dan pesawat. Komposit termoplastik — plastik terpeluru serat yang mengerut saat dipanaskan — ringan, kuat, mudah diproses, dan mudah didaur ulang. Beberapa komponen dalam badan pesawat dan sayap sudah terbuat dari material relatif baru ini. Namun, mereka belum digunakan secara luas.
Tujuan ENLIGHTEN — Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes — adalah untuk menemukan cara untuk memproduksi seluruh struktur yang andal menggunakan material ini dengan cara yang dapat diprediksi, dapat direproduksi, dan hemat biaya. Proyek lima tahun senilai €6 juta ini diluncurkan oleh University of Twente (UT, Twente, Belanda) dan Dr. Remko Akkerman, ilmuwan di UT dan ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Twente, Belanda) sebagai bagian dari program Perspective berbasis Belanda, yang menantang ilmuwan untuk mendirikan garis penelitian inovatif baru yang dapat memiliki dampak ekonomi dan sosial yang nyata. Didirikan oleh Dutch Research Council (NWO), dan Kementerian Perekonomian dan Iklim, enam konsorsium Perspective didirikan di Belanda, dengan 138 perusahaan dan organisasi menyumbang €10 juta dana sendiri untuk mencocokkan €22 juta yang tersedia dari pemerintah Belanda.
Mengembangkan Detail Multiscale
CW berbicara dengan Akkerman untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang apa yang benar-benar dimaksudkan ENLIGHTEN. “Pembaca CompositesWorld sangat familiar dengan pekerjaan yang dilakukan di TPRC, di mana kami fokus pada pemrosesan termoplastik yang cepat, termasuk pengelasan, overmolding dan juga daur ulang,” kata Akkerman. “Kami telah menerbitkan banyak hasil yang mempelajari material, proses, dan performa. Namun bagaimana proses mempengaruhi distribusi serat-matriks dan porositas dalam komposit? Bagaimana itu, giliran, mempengaruhi performa mekanis bagian? Bagaimana proses ini mempengaruhi inisiasi dan pertumbuhan retakan selama pelayanan? Aspek-aspek ini perlu dipahami untuk mematangkan komposit termoplastik untuk penggunaan industri yang lebih luas.”
Ini sebabnya ENLIGHTEN adalah program yang sangat besar, melibatkan spesialis dalam polimer, mikromekanika komposit, dan pemodelan digital multiscale serta ilmu data digital. “Tujuan kami adalah untuk mengembangkan pengetahuan yang kemudian dapat kami gunakan untuk mengoptimalkan proses komposit termoplastik ini untuk performa yang dioptimalkan,” kata Akkerman. “Kami juga akan mengintegrasikan pemantauan proses — karena kualitas material bergantung pada kemampuan Anda untuk mengontrol proses — dan pembelajaran mesin untuk mempercepat optimasi ini.”
ENLIGHTEN mencakup semua tiga universitas teknis di Belanda (University of Twente, Delft University of Technology, dan Eindhoven University of Technology) serta perusahaan di seluruh rantai pasokan otomotif dan penerbangan, termasuk OEM, pemasok Tier, dan SME. Organisasi di luar Belanda juga terlibat, termasuk WMG Centre for High Value Manufacturing University of Warwick sebagai bagian dari program CATAPULT Inggris dan Jaguar Land Rover, anak perusahaan produsen mobil global Tata Motors (Mumbai, India).
Mikrograf ini menunjukkan beberapa migrasi serat di atas garis pengelasan antara lembar terpeluru serat berkelanjutan dan injeksi overmolding terpeluru serat pendek. Bagaimana ini mempengaruhi kekuatan dan performa bagian adalah satu pertanyaan di antara banyak yang akan dijawab oleh ENLIGHTEN.
“Proses yang akan kami 조사 termasuk pengelasan induksi dan ultrasonik serta overmolding, yang juga memiliki antarmuka pengelasan, masing-masing melibatkan fenomena fisika yang sama tetapi pada laju yang berbeda,” catat Akkerman. “Jadi, semua fenomena yang sama mengenai gerakan serat, stres, dan inisiasi retakan berlaku di sini juga. Namun bukankah struktur komposit termoplastik yang dihasilkan pengelasan telah terbang di pesawat komersial selama lebih dari 30 tahun? “Ya, tetapi tidak ada struktur tersebut yang menggunakan pengelasan induksi atau ultrasonik dengan pita UD,” katanya, “yang jauh lebih sulit untuk dipahami dan dikontrol, tetapi juga lebih hemat biaya untuk diproduksi jika kami dapat memprediksi proses secara penuh.”
Pemodelan multiscale dan pengujian fisik akan memainkan peran kunci dalam proyek ENLIGHTEN. “Tidak mungkin untuk memahami komposit tanpa melihat proses manufaktur yang digunakan untuk membuatnya,” kata Akkerman. “Melalui pemodelan digital, kami dapat merumuskan hipotesis dan kemudian melakukan eksperimen berdampingan untuk memvalidasi hasil kami dan memperdalam pemahaman kami. Misalnya, ini mencakup melihat pembentukan struktur kristal pada level mikro, bagaimana serat bergerak selama proses pengelasan pada level meso, dan bagaimana fenomena ini berinteraksi untuk mempengaruhi perkembangan stres, mikro-retakan, dan beban akhir struktur pada level makro. Tingkat penelitian yang sangat mendalam namun terpadu ini saya belum pernah melihat di industri kami.”
Tapi di mana pembelajaran mesin masuk ke dalam gambar? “Setiap elemen analisis dalam paket kerja 1 dan 2 memakan waktu berjam-jam untuk berjalan,” kata Akkerman, “dan harus diulang untuk setiap material, bagian, dan proses spesifik. Jika Anda ingin mencapai optimisasi di semua skala dan model ini, akan memakan waktu ribuan jam. Namun, saat kami melakukan ini, kami akan mengumpulkan data tentang bagaimana semua fenomena ini saling terkait. Kami kemudian dapat melatih jaringan saraf tiruan untuk mengenali koneksi dalam data ini, sepenuhnya sesuai dengan fisika dasar.”
Melihat cakupan pekerjaan yang ditampilkan di bawah, katanya, “akan ada koneksi dari kiri ke kanan dan dari atas ke bawah. Berdasarkan semua analisis ini, tujuan kami adalah untuk mengembangkan algoritma yang dapat digunakan dengan cara yang lebih umum dan fleksibel tanpa harus memulai dari nol setiap kali. Dengan kata lain, algoritma ini dapat diterapkan pada bagian Anda, membantu Anda untuk mengoptimalkan parameter proses dan pilihan material Anda. Pikirkan pembelajaran mesin sebagai jenis fitting kurva dengan banyak, banyak variabel.” Katanya mengakui ini bukan analogi yang sempurna, tetapi hasilnya secara efektif mirip, yaitu kurva — yang dalam hal ini lebih banyak hiperpermukaan multidimensi — akan menunjukkan korelasi dan kausalitas yang menunjukkan jalan ke depan.
Material, Diseminasi, dan Tujuan Akhir
Menetapkan material yang akan dipelajari adalah salah satu tugas pertama proyek ENLIGHTEN. “Kemungkinan besar poliamida 6 (PA6, nylon) akan dipelajari untuk otomotif dan poliaretiaeterketon leleh rendah (LM PAEK) untuk penerbangan,” kata Akkerman. “Kami akan mengevaluasi material lain dan melihat semua data yang tersedia.” Ini dapat mencakup, misalnya, apa yang dihasilkan oleh program lain, seperti MECATESTERS di Clean Sky 2, yang telah melakukan banyak pengujian dengan pita UD LM PAEK terpeluru serat karbon. Sementara itu, program STUNNING Clean Sky 2 akan menghasilkan sejumlah besar data mengenai pengelasan ultrasonik saat merakit setengah bawah Demonstrator Fuselase Multifungsi (MFFD). Akkerman menunjuk proyek COMPeTE yang dilakukan di TPRC, yang telah mempelajari overmolding untuk banyak kombinasi material yang berbeda.
Sehubungan dengan penyebaran hasil proyek, konsorsium ENLIGHTEN akan memiliki rapat umum setiap tahun dan subgrup di setiap paket kerja akan bertemu sesuai kebutuhan untuk mencapai mile stone yang telah ditetapkan. Presentasi individu akan dibuat di konferensi nasional dan internasional selama proses proyek dan sesi khusus atau konferensi internasional penuh di tahun terakhir proyek akan diadakan untuk membagikan hasil keseluruhan.
Tujuan akhir, kata Akkerman, adalah untuk mencapai untuk komposit termoplastik apa yang dicapai industri logam dengan pendekatan desain materialnya untuk logam kristal tunggal di mesin penerbangan, misalnya. “Tujuan mereka adalah untuk mencapai performa yang diperlukan untuk masa depan pesawat. Kami melihat mandat yang sama untuk rentang mobilitas yang lebih luas. Kami mencoba merancang proses pengelasan dan overmolding untuk mengoptimalkan performa komposit termoplastik ringan untuk struktur penerbangan dan otomotif, tetapi kami masih memiliki begitu banyak variabilitas. Hasilnya adalah faktor keamanan berlebihan dan efisiensi yang lebih rendah dari yang sebenarnya ditawarkan oleh teknologi. Ya, kami memiliki bagian komposit termoplastik yang terbang, tetapi membutuhkan waktu 30 tahun untuk mencapai sejauh ini. Eropa telah menetapkan tujuan untuk netral karbon pada 2050 — itu kurang dari 30 tahun. Jika kami melanjutkan jalur yang sama, yang masih melibatkan banyak percobaan dan kesalahan, kami tidak akan mencapai tujuan yang diperlukan untuk melawan perubahan iklim. Kami melihat jalan yang berbeda, lebih efisien melalui ENLIGHTEN dan saat ini adalah saat untuk bertindak.”
