Komposit Cetak 3D Serat Tinggi: 60% Kandungan Serat & <1% Ruang Kosong

 

 

"Tujuan utama kami adalah memproduksi komposit serat berkelanjutan struktural untuk industri," ujar Giovanni Cavolina, pendiri 9T Labs (Zurich, Swiss). "Jika Anda berbicara dengan orang-orang yang memproduksi bagian CFRP (carbon fiber reinforced polymer), sebagian besar tidak percaya bahwa mungkin untuk mencapai konten ruang kosong yang sangat rendah atau kekuatan geser antar lapisan (ILSS) yang baik antara lapisan dengan cetak 3D serat berkelanjutan." Namun, 9T Labs telah mengembangkan proses pasca yang terpaten yang menghilangkan ruang kosong. "Kami sekarang dapat mencetak 3D komposit serat berkelanjutan dengan adhesi yang bagus antara lapisan dan konten ruang kosong di bawah 1 persen, yang bersaing dengan komposit yang diproduksi secara konvensional."

 

Dimulai di ETH Zurich

9T Labs dimulai dengan proyek penelitian di Laboratorium Bahan Komposit dan Struktural Adaptif (CMAS) di Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH Zurich). Cavolina dan pendiri 9T Labs lainnya Martin Eichenhofer dan Chester Houwink telah mengembangkan printhead komposit, "yang kami pasang pada lengan robot dan membuat inti kerangka untuk struktur sandwich ultra-ringan, yang ditargetkan untuk aplikasi penerbangan," jelas Cavolina.

CarbonKit adalah produk rilis terbatas yang memungkinkan printer FDM off-the-shelf untuk menggunakan serat karbon berkelanjutan tetapi belum menjadi solusi yang tepat untuk memproduksi bagian struktural CFRP industri yang kompetitif biaya. Sumber | 9T Labs.

 

CarbonKit

Oleh karena itu, 9T Labs didirikan pada awal tahun 2018 untuk membuktikan konsep cetak 3D laminat CFRP monolitik yang dapat memenuhi persyaratan pelanggan potensial. "Langkah berikutnya kami adalah CarbonKit," ujar Cavolina. Ini adalah produk yang muncul dalam artikel CW Maret 2019 berjudul "Moving continuous fiber 3D printing into production". CarbonKit mengubah printer Ultimaker atau Prusa 3D menjadi sistem yang mampu mencetak dengan serat karbon berkelanjutan. "Ini memungkinkan Anda untuk menggunakan printer Anda yang ada dalam kombinasi dengan printhead, filament dan perangkat lunak kami untuk menempatkan serat berkelanjutan, sesuai dengan beban, dengan 50 persen volume serat karbon — bukan 30 persen, yang telah menjadi norma dalam cetak 3D CFRP," tambahnya.

Cavolina menjelaskan bahwa meskipun minat terhadap produk ini cukup besar, "kami hanya menyuplai 25 pelanggan. Kami membatasi produk ini karena kami menyadari bahwa dengan proses FDM [fused deposition modeling] satu langkah saja, tidak mungkin untuk mencapai bagian akhir penggunaan struktural untuk aplikasi penerbangan industri yang juga kompetitif biaya dengan teknologi saat ini."

Namun, melalui CarbonKit, 9T Labs telah mendirikan hubungan pelanggan yang berharga. "Kami dapat belajar apa yang diharapkan dan dibutuhkan perusahaan, meskipun bagian-bagian ini sebenarnya tidak dapat diproduksi dengan CarbonKit," jelasnya. "In situ consolidation memang mungkin dengan FDM, tetapi akan memerlukan mesin yang jauh lebih kompleks yang biayanya melarang. Jadi, kami membuat proses 2 langkah dengan konsolidasi pasca-cetak."

Dengan Red Series, 9T Labs telah mencapai struktur CFRP yang dicetak 3D dengan >50% volume serat dan <1% ruang kosong dengan biaya terjangkau dibandingkan metode produksi komposit saat ini. Sumber | 9T Labs.

 

Red Series, proses 2 langkah

Ini membawa kita ke tempat 9T Labs saat ini. "Kami sedang mengkomersialkan Red Series, yang terdiri dari dua unit: unit cetak FDM klasik dengan printhead yang terpaten dan unit Fusion yang berdekatan untuk pemrosesan pasca," jelas Cavolina. "Kami tidak mencapai konsolidasi in situ penuh selama cetakan, tetapi sebagai gantinya mencetak dan kemudian mengonsolidasikan dalam proses kedua. Esensinya, kami mencetak preform yang ditempatkan di unit Fusion untuk konsolidasi pasca menggunakan suhu dan tekanan tinggi untuk mencapai lebih dari 50 persen volume serat dengan kurang dari 1 persen ruang kosong. Proses 2 langkah ini mencapai kualitas penerbangan dengan biaya terjangkau."

Red Series menggunakan bahan termoplastik, untuk saat ini. "Kami mencetak serat karbon dengan PEI, PEKK, PA (nilon) dan memiliki pengalaman dengan PP juga," ujar Cavolina. Apakah Red Series adalah sistem bahan terbuka? "Saat satu-satunya cara untuk menjadi kompetitif biaya adalah menggunakan bahan yang ada dengan proses manufaktur baru," jelasnya. "Jika Anda datang dengan bahan Anda sendiri dari nol, Anda mengecualikan kemampuan untuk masuk ke manufaktur serangkaian. Untuk alasan keamanan dan keandalan rantai pasok, produsen serangkaian tidak akan bergantung pada perusahaan kecil untuk bahan mereka. Jadi, kami membiarkan pelanggan kami menggunakan pasokan bahan yang ada, dengan memastikan bahwa bahan bekerja dalam sistem kami." Ia menjelaskan bahwa 9T Labs menguji bahan untuk memastikan bahwa bahan baku memenuhi persyaratan tertentu dan menentukan parameter terbaik untuk cetak.

Bagaimana dengan perangkat lunak terbuka? "Perangkat lunak cetak kami digabungkan dengan perangkat lunak simulasi struktural," ujar Cavolina. "Bagus bagi insinyur untuk menempatkan serat di mana diperlukan tetapi bagaimana Anda dapat yakin bahwa ini sebenarnya di mana mereka harus ditempatkan? Perangkat lunak kami memberikan kebebasan untuk merancang dan kemudian mencerminkannya dengan simulasi struktural. Arah lainnya adalah menentukan layup berorientasi serat dalam simulasi struktural dan kemudian mengonversinya menjadi jalur cetak dalam perangkat lunak kami. Kami menggunakan partner yang sudah terbukti dan terkenal untuk FEA yang berjalan di latar belakang. Anda juga dapat merancang bagian secara langsung di CAD dan kemudian mengunggah file itu ke program kami. Di sana, Anda memutuskan di mana Anda ingin serat karbon dan di mana polimer rapi sudah cukup."

Bracket CFRP dan pengayun arm untuk aplikasi non-penerangan ini sebenarnya memenuhi persyaratan laminat penerbangan dan memiliki lebih dari 40 lapisan — setiap lapisan dengan orientasi serat yang berbeda untuk mengeksploitasi anisotropi dan mengoptimalkan bagian struktural yang sebelumnya tidak mungkin. Sumber | 9T Labs.

 

Aplikasi

9T Labs mengejar penerbangan (interior, untuk saat ini), biomedical dan otomatisasi industri (misalnya, mesin kemasan), serta kemewahan/luksus (misalnya, motor sport, sepatu olahraga, kacamata). Pasar terakhir ini, menurut Cavolina, "adalah tempat di mana Anda perlu memiliki komposit struktural, tetapi persyaratannya tidak seketat di penerbangan." Ia menyebut pengayun arm yang ditunjukkan di atas. "Ini adalah bracket untuk struktur non-penerangan yang mewakili aplikasi struktural yang dapat Anda produksi dengan cara yang dioptimalkan menggunakan teknologi kami," jelasnya. "Ini berasal dari bagian aluminium yang telah dioptimalkan topologi untuk menghemat berat dengan mengarahkan serat karbon sesuai dengan beban. Anda dapat menghemat biaya karena Anda dapat mengurangi jumlah serat karbon yang digunakan dibandingkan proses komposit lainnya. Anda tidak dapat membuatnya dengan cara lain karena tidak mungkin dengan metode lain untuk mengarah setiap serat seperti yang Anda butuhkan dalam resolusi tinggi."

Empat layup serat karbon berkelanjutan yang berbeda dipertukarkan sepanjang ketebalan bracket CFRP yang dicetak dengan Red Series 9T Labs. Sumber | 9T Labs.

 

Cavolina menyatakan bahwa pengayun arm ini terdiri dari lebih dari 40 lapisan serat dan polimer, "dan kami dapat memiliki orientasi serat yang berbeda di setiap lapisan. Kami mencoba empat layup yang berbeda, tidak terbatas pada quasi-isotropic. Kebebasan ini memungkinkan kami untuk mengeksploitasi anisotropi komposit untuk mengoptimalkan struktur akhir penggunaan lebih lanjut. Tidak mungkin untuk melakukan ini dengan metode manufaktur saat ini lainnya."

Ia juga mencatat bahwa cetak 3D CFRP adalah proses otomatis dibandingkan dengan layup tangan. "Teknologi kami secara drastis mengurangi tenaga kerja manual melalui layup otomatis," ujar Cavolina. "Dengan teknologi kami, Anda hanya mencetak, mengonsolidasikan dan selesai."

Red Series mencetak preform CFRP monolitik yang lebih kecil dan kompleks yang kemudian dikonsolidasikan dalam langkah kedua untuk produksi serangkaian industri yang dapat diskalakan. Sumber | 9T Labs.

 

Ukuran, kecepatan dan peluncuran penuh Red Series

Red Series bertarget pada bagian monolitik yang lebih kecil untuk manufaktur serangkaian dalam area cetak 350 milimeter x 300 milimeter. "Di sini kami melihat saat ini nilai tambah tertinggi bagi pelanggan kami," jelas Cavolina.

Bagaimana dengan kecepatan cetak? "Kami berbicara dengan sangat konkret tentang memproduksi dalam 1-2 tahun ke depan 4.000 hingga 8.000 bagian per tahun untuk pelanggan yang berbeda, yang dicapai dengan unit twin Red Series," ujar Cavolina. "Karena kami telah memisahkan produksi preform kompleks dan detail dari konsolidasi, sekarang mungkin untuk meningkatkan volume produksi dengan cepat."

"Kami telah menghabiskan banyak waktu menganalisis struktur biaya proses kami, termasuk biaya peralatan, tenaga kerja dan bahan," menjawabnya. "Kami memiliki struktur biaya peralatan yang terjangkau dan telah mengotomatisasi proses preforming. Kami menggunakan bahan yang paling terjangkau dan efisien, dan kemudian mengurangi jumlah bahan yang diperlukan dengan mengarah serat sesuai dengan beban dan menggunakan optimisasi struktural. Kami bekerja sama dengan mitra kami dalam simulasi struktural dan proses dan melihat bahwa itu akan terus berkata sebagai bagian besar dari tujuan produksi menggunakan teknologi digital twin untuk mengaktifkan plug and play dengan garis produksi dan sel 4.0."

Red Series akan diluncurkan pada tahun 2020. "Sekarang, kami mengevaluasinya melalui program kolaborasi kami dengan mitra produksi. Kami mensertifikasi bagian dan proses dengan mereka, jadi mereka telah menyisihkan slot pertama untuk mesin Red Series dan akan menggunakannya untuk memproduksi produk akhir mereka."