Manufaktur Komposit Masa Depan: Sinergi AFP dan Manufaktur Aditif
“Overprinting” di atas permukaan dan bracket CFRP jadi (kiri atas), hybridisasi proses seperti pencetakan 3D dan filamen wound (kanan atas), pencetakan 3D inti pada laminasi AFP dan kulit AFP pada inti pencetakan 3D (kanan bawah) dan pencetakan 3D CEAD AM Flexbot pada 45 derajat (kiri bawah). Foto Kredit: TU Munich, Chair of Carbon Composites
Pada September, saya menghadiri simposium virtual “FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM”, merujuk pada automated fiber placement (AFP) dan additive manufacturing (AM). Simposium ini dihosting oleh Chair of Carbon Composites (LCC) di Technical University of Munich (TUM, Munich, Jerman). Acara ini juga termasuk mitra penelitian TUM Australian National University (ANU, Canberra). Simposium meninjau kapasitas R&D komposit di TUM dan ANU, serta proyek yang selesai dan berlangsung dengan mitra industri termasuk AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon dan Victrex.
Kolaborasi TUM dengan ANU dimulai pada 2010 dengan proyek AutoCRC untuk mengembangkan tangki penyimpanan gas alam terkompresi (CNG) dari komposit termoplastik. R&B gabungan telah berlanjut sejak itu, termasuk pembentukan pusat Australian Research Council untuk Automated Manufacture of Advanced Composites (AMAC) dan tiga area fokus utama di ANU:
- Peningkatan bahan
- Bahan dan pelapis skala nano untuk peningkatan properti fungsional komposit karbon
- Tape prepreg yang ditingkatkan grafen untuk konduktivitas termal dan listrik
- Laser-AFP
- Proyek dengan Ford untuk mengembangkan baja yang diuat komposit
- Kontrol digital bias pemanasan, misalnya stabilitas proses untuk sudut/geometri 3D
- Diagnostik canggih dengan x-ray CT
Foto Kredit: “New Horizons by Merging AFP and AM” oleh Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, Simposium TUM Sep 2020.
Foto Kredit: Klaus Drechsler, Simposium TUM Sep 2020.
Dia membahas kemiripan antara material extrusion (MEX), proses paling umum yang digunakan untuk pencetakan 3D komposit yang diuat serat, dan AFP ISC:
Drechsler kemudian membahas kebutuhan masa depan untuk komposit dan bagaimana menggabungkan AFP dan MEX dapat memberikan solusi, termasuk jangka pendek dalam alat dan jangka panjang dalam struktur ringan berkinerja tinggi yang efisien biaya dan berkelanjutan secara ekologis.
Dalam merinci kemampuan LCC, Drechsler memberikan gambaran umum tentang peralatan MEX-nya serta proyek R&D yang lalu dan sedang berlangsung dalam manufaktur aditif.
Tentang AFP ISC, perkembangan terbaru dan sedang berlangsung di LCC meliputi:
- Kepala gulungan wadah untuk mendukung industrialisasi struktur seperti tabi tekanan, termasuk tangki penyimpanan hidrogen
- Kontrol closed-loop pemanasan sinar laser
- Menggunakan roller dingin fluida untuk konsolidasi
- Karakterisasi tape untuk mengoptimalkan ISC.
Perkembangan LCC dalam MEX dan pencetakan 3D dieksplorasi lebih lanjut dalam beberapa presentasi selama 2 hari berikutnya.
CEAD dan pencetakan 3D skala besar
Presentasi setelah keynote Drechsler diberikan oleh Maarten Logtenberg, executive director CEAD (Delft, Belanda). Didirikan pada 2014, CEAD telah menjual sistem komersial berdasarkan teknologi Continuous Fiber Additive Manufacturing (CFAM), baik sebagai sel terpagar berbasis gantry (CFAM Prime) maupun sistem berbasis robot (AM Flexbot). LCC memiliki yang terakhir (lihat tabel di atas) dan bekerja sama dengan LCC pada beberapa proyek (lihat artikel CW tentang CEAD dan kerjasamanya dengan TUM LCC).
Sorotan dari presentasi Logtenberg termasuk pengembangan CEAD solusi hibrida yang mengintegrasikan gilingan CNC, ranjang cetak panas besar (1.2m x 3m dan 1.2m x 2m) dan ranjang cetak rotary panas. CEAD juga mengejar sel yang lebih besar dan pencetakan 45 derajat, serta pencetakan alat yang diuat serat untuk produksi autoclave serangkaian bagian pesawat komersial.
Logtenberg mencatat bahwa salah satu tantangan utama untuk alat autoclave pencetakan 3D adalah ekspansi termal dan alat yang jauh lebih besar dari 4 meter cenderung terlalu berekspansi (lihat “Hybrid, large-format additive tooling”), sehingga sulit untuk mengkompensasi secara cukup melalui desain alat. Solusi yang diusulkannya adalah mengganti penguat serat potong yang digunakan sebagian besar hingga saat ini dengan serat kontinu yang ditambat oleh sistem seperti AM Flexbot.
Jalur maju ini disetujui dalam presentasi, “Introduction of 3D-printed Track Intensifiers for Composite Flap Production” yang diberikan oleh Thomas Herkner di GKN Aerospace di Munich, Jerman. Intensifier CFRP pencetakan 3D ini digunakan sebagai alat dalam produksi flap landasan CFRP untuk Airbus A350 dan A330. Meskipun program sukses ini di GKN menggunakan penguat serat potong, Herkner menunjukkan roadmap untuk pengembangan lebih lanjut yang meliputi penggunaan serat kontinu dalam alat pencetakan 3D serta, pada akhirnya, dalam bagian pesawat itu sendiri.
Jalur maju ini dijelaskan dengan baik oleh peneliti LCC Patrick Consul dalam blog CW terbaru:
Consul juga menyajikan di simposium TUM, melihat desain proses untuk pencetakan AM berbasis ekstrusi skala besar. Dia membahas bagaimana transisi kaca dan fasa yang ditunjukkan di bawah ini mewakili perubahan terbesar dalam properti bahan pellet yang diuat serat potong yang dilelehkan dan diekstrusi dalam sistem pencetakan 3D seperti CFAM dan AM Flexbot.
Pekerjaan Consul telah menganalisis bagaimana parameter MEX seperti viskositas polimer, suhu ekstrusi dan torsi mempengaruhi kristalinitas dalam komposit yang dicetak, yang pada gilirannya mempengaruhi kemampuan melasirkan lapisan bersama selama pencetakan 3D. Selain bonding antar-lapisan ini, Consul juga telah menjelajahi pengaturan serat dan stres sisa dalam lapisan yang dicetak. Salah satu solusi yang disajikan adalah menggunakan laser untuk memanaskan substrat sebelumnya selama pencetakan — yang banyak digunakan saat ini dalam ISC AFP komposit termoplastik — sehingga mentransfer pengetahuan dari AFP ke AM. Eksperimen awal telah menggunakan lingkungan dioda laser yang dapat dikendalikan.
Kolaboran Consul, Matthias Feuchtgruber, menyajikan nanti hari itu, beralih dari desain proses dan karakterisasi bahan ke dalam pengembangan rantai proses virtual untuk komposit AM.
Alexander Matschinski kemudian menyajikan tentang integrasi serat tanpa akhir dalam komposit AM, menyajikan tabel di bawah ini, yang menjadi dasar untuk tabel yang diubah yang saya gunakan dalam artikel CW Next-Gen Supplement tentang pencetakan 3D serat kontinu. Matschinski juga membahas pekerjaan dalam desain struktur komposit AM serat kontinu dan pengembangan masa depan dari “overprinting” pada bagian CFRP jadi dan permukaan yang sudah ada.
Aplikasi menarik lainnya dari serat kontinu ditunjukkan oleh Dr. Christopher Ebel di SGL Carbon, termasuk untuk menguat struktur underbody baja untuk otomotif, mengurangi jumlah bagian dari 37 menjadi 9 dan memotong berat sebesar 41%. Konsep lain adalah winding 3D menggunakan towpreg yang diimpregnasi dengan resin epoksi snap-cure untuk struktur yang dioptimalkan beban. Pendekatan yang didorong digital ini dimulai dengan penyederhanaan beban kompleks dan optimasi topologi, diikuti oleh manufaktur otomatis. bagian yang dihasilkan dapat mengeksploitasi form-locking sisipan ke dalam struktur, memungkinkan pengenalan beban tanpa kehilangan kekakuan. Proses pencetakan 3D logam terbaru dapat digunakan untuk sisipan tersebut, mengoptimalkan lebih lanjut efisiensi penanganan beban dan pengurangan biaya.
Sebastian Nowotny di DLR membahas menggabungkan pencetakan 3D dengan ISC AFP komposit termoplastik, termasuk pencetakan 3D pada laminasi AFP dan AFP pada struktur pencetakan 3D yang terbuka sebagian. Eksperimen pertama mencakup pencetakan 3D inti pada kulit CFRP yang sudah ada dan kemudian AFP/tape laying di atas inti pencetakan 3D. Specimen dibuat dan kemudian diberikan uji geser tarik untuk mengevaluasi bonding kulit-ke-inti.
Slideshow Title
Foto Kredit: Sebastian Nowotny, DLR, Simposium TUM Sep 2020
Uji geser tarik kupon yang dibuat menggunakan pencetakan 3D hibrida dan AFP. Foto Kredit: Sebastian Nowotny, DLR, Simposium TUM Sep 2020
Foto Kredit: CEAD, Simposium TUM Sep 2020
Aplikasi masa depan dari tomografi komputer saat produksi komposit. Foto Kredit: Australian National University, Simposium TUM Sep 2020
Pekerjaan pengembangan menggunakan laser AFP untuk membuat struktur hibrida CFRP-logam. Foto Kredit: Australian National University, Simposium TUM Sep 2020
Tape prepreg yang ditingkatkan grafen untuk konduktivitas termal dan listrik. Foto Kredit: Australian National University, Simposium TUM Sep 2020
Previous Next
Christian Weimer, kepala bahan untuk Airbus Central Research & Technology, membahas pencetakan serat kontinu sebagai bagian dari lanskap teknologi yang berkembang, yang bertujuan untuk mengurangi bobot dengan mengurangi biaya dan meningkatkan keberlanjutan yang harus dicapai agar komposit dapat mendapatkan tempat pada pesawat masa depan. Dia menekankan bahwa komposit 3D yang benar-benar efisien harus menggunakan:
- Bahan baku dan menengah yang tepat – serat, setengah jadi
- Proses dan antarmuka yang efisien – AM termoplastik, injeksi cetak
- Desain dan penyesuaian yang disesuaikan – integral, sepenuhnya 3D yang dioptimalkan beban)
- Permukaan dan fungsionalitas – ESN (electronic serial number), SHM (structural health monitoring)
Dia juga membahas kebutuhan akan serat dan resin yang berasal dari bio untuk memenuhi tujuan keberlanjutan iklim dan lingkungan yang mendesak.
Simposium TUM menampilkan banyak presentasi lainnya, termasuk ringkasan pekerjaan di ANU, dan semuanya sangat menarik untuk menunjukkan bagaimana komposit bergerak maju dan bagaimana LCC, bekerja sama dengan mitra di seluruh dunia, terus membayangkan apa yang dapat dicapai komposit dan mendorong industri kami ke depan.
