Merevolusi Pengiriman Energi untuk Manufaktur Komposit yang Efisien
Ini adalah blog kedua saya dalam seri pre-CAMX 2019 ini yang menyoroti teknologi kunci yang sebenarnya dipamerkan di CAMX 2018. Blog ini berpusat pada sistem black.infrared baru Heraeus Noblelight, jenis sistem baru untuk pemrosesan komposit, dan teknologi humm3nya, yang mengganti pemanas laser dan inframerah di mesin penempatan serat otomatis (AFP).
Berinovasi dengan cahaya
Heraeus Noblelight berinovasi berbagai proses industri menggunakan kekuatan cahaya. Untuk memberikan latar belakang, semua cahaya adalah radiasi elektromagnet (EMR) dan memiliki panjang gelombang dan frekuensi inherent, seperti yang dapat dilihat dalam diagram di bawah. Heraeus Noblelight mengembangkan perangkat yang menggunakan cahaya di sepanjang sebagian besar spektrum ini, mulai dari pemancar inframerah (IR) hingga lampu LED dan sistem ultraviolet (UV), serta lampu arc dan lampu kilat.
Cahaya di sepanjang Spektrum Elektromagnetik digunakan untuk pemanasan dan pemrosesan. Sumber | https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (kiri) dan Heraeus (kanan).
Dalam komposit, sistem UV dan inframerah (IR) telah digunakan selama bertahun-tahun, seperti yang dapat dilihat dalam contoh di bawah. Sistem black.infrared, namun, adalah teknologi baru.
- Sunrez mengembangkan teknologi UV-cure untuk infusi resin dan perbaikan komposit pada tahun 1990-an.
- Lapisan epoxy UV-cure adalah standar di banyak industri.
- Resin epoxy UV-cure juga digunakan oleh pionir pencetakan 3D serat kontinu seperti Continuous Composites dan moi composites.
- Pemanasan IR sangat umum dalam baris produksi komposit otomatis tempat blank tailored 2D perlu dipanaskan sebelum preforming dan/atau preforms perlu dipanaskan sebelum stempel dan overmolding.
Sistem pemanasan black.infrared komposit Heraeus Noblelight. Sumber | Heraeus Noblelight
Black.infrared
Heraeus Noblelight memamerkan sistem black.infrared baru di CAMX 2018. "Itu adalah pemancar IR gelombang sedang yang menghasilkan banyak daya dalam volume kecil," menjelaskan Bruce Fricks, manajer penjualan senior untuk sistem IR, Heraeus Noblelight America, LLC. Meskipun Heraeus Noblelight berkantor pusat di Hanau, Jerman, divisi AS untuk sistem IR dan lampu kilat berbasis di Buford, Georgia sementara divisi AS untuk sistem UV berbasis di Gaithersburg, Maryland.
"Biasanya, untuk pemancar IR gelombang sedang, Anda lebih pada kepadatan daya 60 kW/m2," kata Fricks, "tapi 'Black IR' mencapai 200 kW/m2. IR adalah cara yang jauh lebih efisien untuk memasukkan energi ke dalam substrate versus memanaskan semua udara di sekitarnya, tetapi Black IR tiga kali lebih efisien dibandingkan oven konveksi. Untuk proses inline, itu berarti sabuk pengiriman dapat berlari tiga kali lebih cepat atau disingkat untuk mengambil ruang lebih sedikit. Misalnya, sabuk pengiriman dengan oven panjang 30 kaki dapat dikurangi menjadi oven 10 kaki menggunakan Black IR."
Hingga saat ini, aplikasi untuk sistem black.infrared meliputi pengelasan plastik dan pemanasan film fotovoltaik tipis (mikron-tebal) untuk sel surya. "IR, secara umum, bekerja sangat baik untuk depositasi level atom," catat Fricks, "misalnya, menerapkan lapisan galium atau pola dalam silikon untuk semikonduktor. Catatan, semua operasi ini dilakukan dalam vakum. Black IR juga bekerja baik dalam vakum dan pada suhu tinggi."
Dia menjelaskan bahwa pemancar black.infrared telah dirancang untuk beroperasi dengan suhu permukaan 1000°C. "Pemancar ini semua solid-state, jadi Anda dapat menempatkan satu dalam oven yang beroperasi pada 700-800°C dan ia tidak akan patah. Namun, jika proses memerlukan suhu yang jauh lebih tinggi dari ini, katakanlah 1500°C atau lebih tinggi, maka IR gelombang pendek akan lebih sesuai."
Fricks menjelaskan bahwa Black IR juga adalah teknologi garis pandang. "Lebih baik untuk permukaan datar atau konveks/concave sederhana. Masalah terbesar adalah dengan bagian atau material yang memiliki area internal atau eksternal di mana sesuatu akan melempar bayangan."
Modul black.infrared (kiri) dan gambar termal yang menunjukkan keseragaman suhu (kanan). Sumber | Heraeus Noblelight
Keuntungan Black IR dan aplikasi komposit potensial
Fricks mencatat bahwa black.infrared bukan pemancar IR berbasis filamen, yang cenderung lebih terang di tengah daripada di sisi. Sebaliknya, ia menghasilkan energi yang sangat seragam di seluruh permukaan 2D, datar pemancar, yang dapat berukuran dari 40 milimeter x 400 milimeter hingga 100 milimeter x 100 milimeter. "Kami juga dapat membentuk tiling pemancar Black IR untuk membuat perangkat datar hingga 400 milimeter x 400 milimeter," tambahnya.
Karena black.infrared adalah perangkat IR gelombang sedang, ia relatif buta warna (putih vs. gelap), menjelaskan Fricks. "Ia tidak akan memasak material gelap atau memanaskan kurang material kuning atau putih." Dan namun, reportedly memakan waktu kurang dari 60 saat untuk memanas. "Watt-untuk-watt, ia tidak terlalu mahal dibandingkan opsi IR lainnya," kata Fricks. "IR lebih mahal dari oven konveksi, tetapi menawarkan kecepatan dan efisiensi, serta kemampuan untuk memberikan suhu yang sangat seragam — yaitu, variasi kurang dari lima derajat."
Black IR potensial dapat digunakan dalam produksi serat, prepreg, pita komposit dan mungkin proses depositasi uap kimia (CVD) seperti yang digunakan untuk membuat grafen dan material nanokomposit lainnya. Fricks mencari diskusi dengan produsen dan supplier material untuk menjelajahi dan mengembangkan aplikasi lebih lanjut dalam komposit.
Sistem humm3 untuk penempatan serat otomatis komposit termoset, termoplastik dan serat kering. Sumber | Heraeus Noblelight
humm3 menggantikan laser dalam AFP
Teknologi lain yang dipamerkan Heraeus Noblelight di CAMX 2018 adalah sistem humm3 untuk penempatan serat otomatis (AFP) prepreg termoset, serat kering dan pita komposit termoplastik. Sistem humm3 menggunakan lampu kilat yang diisi xenon yang dipulsa beberapa kali per detik. Dalam bagian 2 dari artikel saya tahun 2018 tentang konsolidasi in-situ komposit termoplastik, saya menggambarkan dalam Fig. 2 bagaimana laser yang umum digunakan dalam AFP termoplastik dapat dibedakan oleh cahaya ungu mereka versus cahaya oranye pemanas inframerah (IR) yang biasanya digunakan dalam AFP prepreg termoset. Perhatikan bahwa teknologi humm3 dibedakan dari keduanya oleh cahaya putih cerahnya.
Sumber | Heraeus Noblelight
"Lampu inframerah relatif murah, tetapi lambat dan tidak dapat mencapai suhu tinggi yang diperlukan oleh termoplastik penerbangan luar angkasa," kata Kyle Hudspeth, manajer penjualan untuk sistem humm3 Heraeus Noblelight di Amerika Utara dan Selatan. "Di sisi lain, laser sangat cepat untuk memanaskan dan pendingin, tetapi mahal dan memerlukan langkah keselamatan yang signifikan. Humm3 mengisi celah di pasar untuk pemanasan yang cepat, aman, kompakt dan hemat biaya untuk AFP."
Hudspeth menjelaskan bahwa humm3 memberikan panas yang seragam ke titik nip AFP dalam rentang suhu yang luas, dari rendah hingga 50°C hingga maksimum yang saat ini diukur 600°C. Ini juga dapat dikontrol dengan presisi menggunakan tiga parameter yang dapat diprogram:
Gambar termal penata letak PEEK pada mesin AFP robotik. Optik pengiriman kuarsa humm3 terlihat di kanan, menunjuk ke titik nip antara substrat dan material masuk. Kecepatan 6 meter per menit dicapai dengan hasil berkualitas baik. Sumber | Heraeus Noblelight
- energi pulsa (seberapa besar),
- durasi pulsa (seberapa lama)
- frekuensi pulsa (seberapa banyak kali per detik).
Dia menambahkan bahwa waktu pemanasan dan suhu kurang lebih sama seperti dengan laser, "tetapi tidak diperlukan kabin pelindung laser, jadi teknisi dapat berada di dekat penata letak selama operasi."
Dalam tes untuk pemrosesan laminat polyetheretherketon (PEEK) terkawat serat karbon, Heraeus Noblelight menunjukkan bahwa humm3 dapat menghasilkan laminat AFP termoplastik berkualitas tinggi dengan kristalitas ≈35% dan porositas <2% yang diperlukan untuk struktur komposit penerbangan luar angkasa. Sebagai bagian dari program Clean Sky 2 Uni Eropa, Pusat Teknologi Produksi Ringan (ZLP, Stade, Jerman) bekerja sama dengan Heraeus Noblelight untuk mengembangkan humm3 dalam sistem multi-robot GroFi di Pusat Penerbangan dan Antariksa Jerman (DLR) di Stade. Kerja ini bertujuan untuk meningkatkan secara signifikan laju AFP untuk struktur komposit termoplastik sambil memenuhi persyaratan kualitas yang ketat.
Untuk laminat serat kering yang akan diproses menggunakan infusi resin atau resin transfer molding (RTM), Hudspeth klaim humm3 memungkinkan kecepatan penata letak 1 meter per detik dan pemanasan seragam di delapan atau 16 pita, masing-masing lebar 0,25 inci. Pemanasan di seluruh lebar 300 milimeter dapat dicapai dengan satu lampu dan dikoordinasikan dengan supl daya modular dan desain modular humm3 untuk menyesuaikan lebih lanjut sistem AFP untuk zona pemanasan yang lebih besar. Optik pengiriman kuarsa humm3 juga dapat disesuaikan untuk mencapai bentuk zona pemanasan yang presisi.
Demonstrator bagian penerbangan luar angkasa menggunakan pita serat kering HiTape milik Hexcel (kiri) dan resin RTM6 (kanan). Sumber | Heraeus Noblelight
Sistem humm3 sedang dikembangkan untuk pemrosesan komposit lainnya, termasuk pengelasan termoplastik, pemilihan filamen dan tacking beberapa lapisan komposit untuk preform. Hudspeth mencatat bahwa humm3 adalah teknologi matang, terbukti, yang telah divisualisasikan di National Composites Centre (Bristol, Inggris) sejak 2016 dan pemenang Queen's Award for Innovation di Inggris pada 2015.
Untuk detail lebih lanjut, kunjungi Heraeus Noblelight di stand CAMX Y47.
Sumber | Heraeus Noblelight
