Membuka Potensi Komersial Termoset yang Dapat Disinari UV dalam Pencetakan 3D Serat Kontinyu

Teknologi CF3D menggunakan material termoset yang dapat menyepat dengan cepat untuk mengurangi biaya tinggi, waktu prosedur panjang dan keterbatasan desain. Photo Credit: Continuous Composites

Pada September 2020, spesialis pencetakan 3D serat kontinyu Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, AS) mengumumkan kemitraan strategis dengan perusahaan bahan khusus Arkema (Colombes, Prancis) melalui lini bisnis Sartomer, untuk menggabungkan teknologi pencetakan 3D Serat Kontinyu (CF3D) terpaten Continuous Composites dengan solusi resin fotokurasi N3xtDimension Arkema. Kombinasi ini diharapkan menghasilkan pengembangan, sertifikasi dan komersialisasi perpustakaan solusi material canggih untuk memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi dan industri.

Kemitraan resmi ini tumbuh dari hubungan yang dimulai pada tahun 2015, ketika Dr. Sumeet Jain, senior director 3D printing di Arkema Worldwide, menyadari Continuous Composites dan melihat peluang dalam proses pencetakan yang sedang dikembangkan perusahaan. Menurut Tyler Alvarado, CEO Continuous Composites, kemitraan itu alami: "Dia [Jain] melihat peluang untuk meningkatkan resin termoset fotokurasi, dan kami melihat bahwa dia memiliki pengalaman dekade dengan polimer yang kami gunakan."

Pada tahun 2019, kedua perusahaan memiliki perjanjian pengembangan gabungan, dan pada awal tahun 2020, Arkema mengambil posisi ekuitas dengan Continuous Composites, dengan kemitraan strategis yang diumumkan pada September. "Kami sangat bersemangat tentang kemitraan dan hasil yang kedua tim telah mampu mencapai. Ini adalah hal di mana satu plus satu sama dengan tiga, benar-benar memanfaatkan pengalaman mereka tidak hanya di ruang kompos tetapi juga dalam termoset fotokurasi," kata Alvarado.

Menjembatani resin fotokurasi dengan pencetakan 3D serat kontinyu

Hari ini, segmen Advanced Materials Arkema memiliki cabang yang mencakup banyak material, termasuk termoset dan termoplastik, dan, dalam kompos, banyak proses dan aplikasi, termasuk pencetakan 3D serta proses manufaktur tradisional lainnya. Lini bisnis Sartomer berfokus pada akrilat dan metakrilat khusus untuk berbagai pasar, dan selama dekade telah menyediakan material yang dapat disinari UV dalam bentuk coating, adhesive dan filamen pencetakan 3D, menurut Jeffrey Klang, R&D director Sartomer untuk tim pencetakan 3D global.

Untuk melengkapi sistem pencetakan 3D CF3D, yang merupakan teknologi pencetakan 3D out-of-autoclave (OOA) yang dapat diskalakan berdasarkan penggunaan resin snap-cure dan serat kontinyu (baca deskripsi lebih detail di sini: "3D printing composites with continuous fiber"), Continuous Composites membutuhkan katalog resin yang memenuhi persyaratan mekanis berkinerja tinggi pelanggan di industri yang berkisar dari penerbangan ruang angkasa hingga energi dan pertahanan. "Model bisnis kami adalah menyediakan mesin, dan perangkat lunak serta resin yang sesuai, untuk memungkinkan pelanggan ini memproduksi komponen apa pun yang mereka incari dalam aplikasi industri spesifik mereka," kata Alvarado.

Kebutuhan akan properti mekanis tinggi seperti suhu transisi kaca (T_g) dan api, asap dan toksisitas (FST) mengarah pada fokus pada resin termoset, meskipun Alvarado mencatat bahwa teknologi CF3D dapat menggunakan termoplastik juga. "Kompetensi inti kami adalah bahwa kami mengambil serat kontinyu kering, lalu kami mengimpregnasinya dengan resin snap-curing — dalam hal ini, resin yang dapat disinari UV," katanya. "Kami sangat berfokus pada pendekatan termoset snap-curing ini yang memungkinkan struktur kompos terbentuk tepat di sana dalam freeform, memungkinkan kami untuk memanfaatkan properti anisotropis serat kontinyu, dan menciptakan geometri organik kompleks ini yang sangat ringan dan sangat kuat. Kami dapat menghasilkan laminat kompos berkualitas sangat tinggi dengan konten serat yang sangat tinggi dan porositas rendah."

Resin cair N3xtDimension Sartomer, bagian dari platform baru yang diluncurkan Arkema 3D Printing Solutions by Arkema, dalam kombinasi dengan serat struktural yang berkisar dari serat karbon dan kaca hingga Dyneema dan aramid, terbukti cocok ideal, dan kedua perusahaan sekarang bekerja untuk mengembangkan perpustakaan resin yang dapat disinari UV yang memenuhi berbagai persyaratan properti mekanis.

Selain properti mekanis resin, menghilangkan kebutuhan akan curing panas pada bagian akhir memungkinkan dua fitur inovatif CF3D: kecepatan pencetakan yang cepat, dan kemampuan untuk mencetak tanpa dukungan di udara terbuka. "Biasanya, saat kamu meletakkan kompos, kamu harus memiliki tooling/cebok untuk mendukung layup," kata Alvarado, "tetapi karena kami menggunakan termooset snap-curing yang diperkuat oleh filamen struktural, kami dapat mengeras material tersebut dan ia dapat mengambil bentuknya tanpa material dukungan." Ini menghilangkan biaya dan waktu prosedur yang terlibat dalam memperoleh cebok dan tooling, dan menghilangkan keterbatasan desain harus merancang di sekitar tooling. "Sekarang kamu dapat mengarahkan serat ini ke banyak arah ... Memiliki kemampuan untuk mencetak tanpa dukungan memungkinkan geometri overhang yang sangat unik untuk menembus celah yang besar," katanya.

Selanjutnya, CF3D "adalah mesin yang sangat stabil ... dan mencetak secara signifikan lebih cepat dari mesin termoplastik tradisional," kata Alvarado. Kecepatan ini memungkinkan dengan menghilangkan masalah seperti mengelola gradien suhu dalam laminat dan keredaman (karena penggunaan termooset alih-alih termoplastik), dan bahwa sistem tidak terbatas oleh proses pemanasan (karena penggunaan sinar UV curing).

Ada dua variabel untuk kecepatan cetak, katanya: curing material dan akurasi cetak. "Masalah bukan resin; mereka mengeras dengan waktu. Mesin adalah botol kenyit," katanya, mencatat bahwa robot sebagai platform gerakan awalnya dirancang untuk gerakan pick-and-place berulang dari titik A ke titik B, bukan untuk akurasi yang terlibat dalam pencetakan 3D. "Tim kami sebenarnya telah mengembangkan integrasi CNC controller sendiri sebagai kontrol platform gerakan dasar untuk sistem pencetakan 3D kami, sehingga kami dapat bergerak melalui titik dengan akurat dan berulang, yang memungkinkan kami untuk secara drastis meningkatkan kecepatan saat ini kami mencetak," katanya. Menggunakan CNC controller, selama setahun ke depan, Continuous Composites berencana untuk meningkatkan kecepatan cetak sistem hingga tiga kali lipat.

Seperti inovasi lainnya, namun, telah ada tantangan yang terkait dengan transfer teknologi resin yang dapat disinari UV Sartomer ke aplikasi struktural dan berkinerja tinggi, menurut Klang Sartomer. Misalnya, salah satu area fokus telah meningkatkan ketahanan suhu. "Kami berada di dekat 230°C," katanya, "yang benar-benar membawa kami ke beberapa jenis aplikasi baru yang menarik."

Jain Arkema menambahkan: "Dengan kemitraan ini, kami bekerja dari bawah ke atas, untuk mengubah cara kompos diproduksi. Ini bukan hal yang mudah. Kami telah bekerja sama selama empat tahun, dan kami baru saja memulai."