Mencetak 3D Komposit Anisotropik Pionir untuk Manufaktur Tambahan Canggih

Didirikan pada 2014 oleh CEO Fedor Antonov, Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luksemburg) adalah salah satu dari sejumlah perusahaan teknologi yang tumbuh yang memajukan pencetakan 3D komposit dengan serat berkelanjutan. Namun, ia lebih memilih dikenal sebagai pionir dalam memindahkan manufaktur tambahan (AM) dari logam ke komposit.

"Properti arah komposit adalah keuntungan, bukan kekurangan," kata Antonov. "Komposit serat karbon unidirectional lebih kuat dan lebih ringan dari pada logam. Manufaktur konvensional dan AM berbasis logam menganggap anizotropi arah komposit sebagai kekurangan yang perlu diatasi. Namun, pendekatan Anisoprint mengeksploitasi anizotropi ini, mengorientasi dan menempatkan serat untuk tepat memenuhi beban struktural, secara signifikan mengurangi bobot bagian sambil mempertahankan kekuatan dan kekakuan tinggi."

Mengaktifkan komposit yang lebih efisien

Antonov menjelaskan bahwa manufaktur komposit konvensional biasanya menggunakan praktik dari industri logam, termasuk laminat quasi-isotropik, bor lubang dan penangkal mekanis. "Hal-hal ini menghilangkan keuntungan bobot dan kinerja komposit," kata Antonov. "Teknologi Anisoprinting menyediakan metode produksi yang jauh lebih cepat dan lebih fleksibel, terotomatisasi." Ia juga menawarkan cara untuk mencapai struktur yang lebih efisien yang sekarang dihasilkan oleh perangkat lunak topology optimization dan generative design.

"Struktur paling efisien alam, seperti pohon dan tulang, mengeksploitasi properti arah, mengorientasikan bahan pemikul beban terutama sepanjang jalur beban," Antonov afirmasi. Namun, jenis struktur yang dioptimalkan topologi ini sulit diproduksi. Misalnya, struktur lattice yang telah mengaktifkan adaptor fairing beban kuat dan ringan untuk pesawat antarik, biasanya diproduksi menggunakan filament winding. Namun, versi yang dioptimalkan topologi, menawarkan hemat bobot tambahan 30%, tidak lagi mudah diproduksi dengan proses komposit konvensional, atau dengan automated fiber placement (AFP) yang lebih baru.

"Struktur anisogrid filament wound konvensional dicapai menggunakan groove dalam tooling, dan fraksi volume serat yang relatif rendah pada tulang memungkinkan potongan saling," kata Antonov. "Jenis struktur anisogrid ini adalah tujuan awal kami. Namun, ini tidak bekerja menggunakan AFP karena konten volume serat Anda selalu konstan, dan memotong tulang saling tanpa memotong serat atau variasi ketebalan lokal tidak mungkin."

(Catatan: Untuk studi lebih lanjut tentang ini, lihat https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Steering serat

Steering serat adalah teknik yang saat ini diterapkan pada produksi komposit menggunakan AFP yang memungkinkan serat diterapkan dalam jalur curvilinear — AFP tradisional telah menggunakan jalur linier lurus. Steering serat memungkinkan jalur serat, dan dengan demikian respons mekanis panel komposit, untuk dioptimalkan untuk menunjukkan kinerja yang lebih tinggi daripada laminat konvensional. Dalam satu contoh, pendekatan ini menghasilkan panel substrat komposit untuk array surya pesawat antarik yang memiliki frekuensi alami pertama 44% lebih tinggi (meminimalkan amplitase getaran dan memungkinkan redaman yang lebih cepat) daripada panel konvensional setara dengan jalur serat lurus dan massa yang sama. Alternatifnya, panel bobot lebih rendah dapat dicapai untuk performa frekuensi yang sama.

Steering serat memungkinkan desain dan manufaktur bagian seperti panel struktural untuk satelit atau komponen mesin kecepatan tinggi dengan kinerja sangat tinggi. Ini adalah proses yang dapat diulang, mencapai kualitas tinggi dan konsisten dan memungkinkan desain inovatif baru. Ini juga dapat digunakan untuk mengurangi bobot untuk desain geometri yang sama. SUMBER | "Fibre-Steering technology for advanced composite panels" (tautan asli diberikan di sini tetapi tidak lagi tersedia melalui server esa-tec: https://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering-technology-for-advanced-composite-panels/)

"Anisoprinting adalah kombinasi struktur lattice dan steering serat yang digunakan untuk mencapai bagian yang dioptimalkan topologi," kata Antonov. "Ini adalah teknologi kunci untuk komposit cetak. Misalnya, Bagaimana Anda membuat panel fuselage untuk pesawat komersial yang memiliki potongan atau lubang?"

 

Dia memberikan tiga teknik yang berbeda, yang digunakan untuk menghasilkan sampel komposit dengan ketebalan dan bobot yang sama, masing-masing dengan lubang yang diolah CNC (lihat tabel di bawah). Dia mencatat bahwa dalam pengujian tekan, sampel yang dibuat dengan steering serat memiliki beban tekan akhir dua kali dari pada komposit quasi-isotropik ("aluminium hitam") dan 30% lebih tinggi dari pada laminat UD kekakuan konstan. "Jadi, steering serat adalah alat yang kuat," kata Antonov. "Anisoprinting akan bergerak menuju AFP steering serat seiring meningkatnya volume serat dan produktivitas, dan AFP akan bergerak menuju kami dengan lebih banyak fleksibilitas."

"Fleksibilitas" yang dimaksud Antonov adalah ukuran seberapa besar mungkin untuk menempatkan serat di jalur apa pun dalam ruang tiga dimensi. Arevo, perusahaan lain yang mengkomersialkan pencetakan 3D serat berkelanjutan, klaim memiliki jenis fleksibilitas ini. "Teknologi Arevo tidak jauh berbeda dibandingkan perusahaan AFP seperti Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact, dll.," kata Antonov. "Mereka hanya mempersiapkannya dan alih-alih menggunakan tape tipis dan lebar mereka menggunakan tebal dan sempit dengan laser AFP head. Semuanya sama." Catat bahwa teknologi pencetakan 3D Arevo berbasis robot sejak awal. Bagaimana teknologi Anisoprint akan berubah saat bergerak ke platform robotik?

Contoh sampel komposit cetak 3D Anisoprint menggunakan steering serat.

Sejarah Anisoprint dan pendekatan TS-TP

Antonov dan pendiri sekutunya (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev dan Zafer Gürdal) berada di universitas baru di bagian barat Moskwa bernama Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech), yang didirikan pada 2011. Pada 2014, Antonov bekerja untuk membangun pusat teknologi komposit baru Skoltech dan mulai mengembangkan pencetakan 3D. Direktur pusat komposit pada saat itu adalah Zafer Gürdal, yang keluar pada 2015, kembali ke McNair Center di University of South Carolina. Yang terakhir sekarang dikenal untuk R&D dalam komposit dan pencetakan 3D serat berkelanjutan.

"Kami memutuskan untuk spin-off dari Skoltech saat Zafer Gürdal keluar," Antonov menjelaskan. "Kami telah mengembangkan prototype kepala cetak CFC pada musim panas 2015. Tujuan selanjutnya kami adalah mengembangkan printer desktop."

Anisoprint memperkenalkan printer desktop Composer pada 2017. Mirip dengan printer serat berkelanjutan Markforged, Composer Anisoprint menggunakan dua nozzle cetak: satu untuk penguat serat berkelanjutan dan satu untuk matriks plastik. Disediakan dalam ruang cetak kaca, ranjang cetak kaca Composer dapat dipanaskan hingga 120°C, yang memungkinkan untuk meminimalkan efek penyingkatan. Saat ini tersedia dalam dua ukuran:

• A3 (420 x 297 x 210 milimeter)
• A4 (297 x 210 x 147 milimeter)

Dengan diameter nozzle standar 0,4 milimeter, kecepatan cetak Composer disebutkan 10-80 milimeter/detik tanpa penguat dan 1-20 milimeter/detik dengan penguat serat berkelanjutan. Anisoprint dapat mengekstrusi banyak plastik termasuk PLA, PETG, ABS, nylon dan PC. Ia dapat memperkuatnya dengan material komposit serat karbon (CCF) dan baru-baru ini meluncurkan material cetak komposit serat basalt (CBF).

Namun, Anisoprint sangat berbeda dari teknologi pencetakan 3D serat berkelanjutan lain karena pertama mengimpregnasi penguat serat berkelanjutan dengan polimer termohidrol dan kemudian mengekstrusinya ke dalam filamen termoplastik dileleh selama pencetakan. "Pendekatan matriks ganda ini memastikan porositas rendah, adhesi serat yang baik ke polimer dan properti mekanik yang luar biasa," Antonov afirmasi.

Dia melanjutkan, "Penemu filament wound anisogrid untuk adaptor payload peluncur Proton M, V.V. Vasiliev, yang berada di dewanasisten kami, sebenarnya menunjukkan bahwa ide penggunaan matriks termohidrol-termoplastik (TS-TP) ganda memiliki manfaat dibandingkan dengan penggunaan matriks tunggal termohidrol atau termoplastik. Bahan matriks termohidrol memiliki masalah kerapuhan, sehingga matriks mulai retak jauh lebih awal dari pada serat gagal. Vasiliev membuktikan bahwa dia dapat mengatasi ini dengan pendekatan matriks ganda."

Termohidrol yang digunakan Anisoprint adalah epoksi multi-komponen dan laminat cetak akhir memiliki kandungan serat hingga 45% seperti yang diuji oleh Technical University of Munich (TUM).

Tawaran yang dipatenkan Anisoprint meliputi:

Teknologi Composite Fiber Co-extrusion (CFC) untuk manufaktur aditif menggunakan berbagai polimer termoplastik diperkuat dengan serat berkelanjutan (misalnya, karbon, basalt) yang dikonsolidasikan dan diobati dalam proses satu tahap terotomatisasi yang tidak memerlukan tooling atau pemrosesan pasca.

Perangkat lunak pengiris Aura yang mempersiapkan model 3D untuk manufaktur bagian menggunakan printer CFC Composer serta printer FFF konvensional.

Printer desktop 3D Composer tersedia dalam tiga ukuran (A4, A3, A2).

PROM keluarga sistem cetak industri dengan opsi robot dan gantry, tersedia komersial mulai 2020.

Pengembangan robot vs desktop

"Robot memiliki printhead yang berbeda karena Anda perlu memindahkan head untuk pas dan mencapai ruang yang sempit selama pencetakan," Antonov menjelaskan. "Dalam bidang 2D, ini bukan masalah. Tapi dalam ruang 3D, Anda perlu menempatkan serat di mana sudah ada struktur. Aksesibilitas ideal dicapai dengan jarum. Jadi, kita perlu kompromi, printhead yang lebih seperti jarum."

Dia menyebutkan perbedaan lain, seperti kontrol industri. "Printer desktop didasarkan pada elektronika konsumen, seperti Arduino. Tapi untuk sistem robotik yang lebih besar, Anda perlu kontrol gerak industri dan antarmuka dan semua jenis jaminan kualitas in-situ, seperti pengukuran laser, yang dimiliki Markforged pada mesin yang lebih besar. Anda juga perlu memodifikasi sensor pemanasan/pengudaran dan kontrol." Dia menambahkan bahwa semua ini memerlukan waktu dan sumber daya, dan prioritas mereka selama dua tahun terakhir adalah untuk mengembangkan mesin desktop, tetapi sekarang mereka juga sedang bekerja pada sistem robotik."

Perangkat lunak: Aura

Antonov menjelaskan perangkat lunak Anisoprint sebagai fleksibel, memungkinkan baik pemula maupun pengguna lanjutan. "Perangkat lunak mudah digunakan, tetapi penting bagi laboratorium R&D memiliki kemampuan untuk mengubah parameter cetak," katanya. Memang, pelanggan termasuk institusi penelitian MFPA (Weimar, Jerman), Brightlands Materials Center (Geleen, Belanda) dan Technical University of Munich serta produsen termasuk Schunk Carbon Technology, Airbus dan BMW.

Anisoprint telah mencetak 3D bagian mikrosatelit komposit dengan pengurangan bobot hingga 45% dibandingkan logam ringan.

Partner untuk solusi berkelanjutan

Anisoprint, yang menggambarkan dirinya sendiri sebagai platform material terbuka, juga ingin mengembangkan lebih banyak partner untuk material cetak baru dan bagian. Pada Juni, ia mengumumkan perjanjian dengan Thought3D berbasis Malta untuk menggunakan Magigoo adhesives dari yang terakhir. Ini menempelkan lapisan cetak pertama ke ranjang cetak, mencegah bagian melepas. "Adhesi lapisan pertama yang buruk adalah salah satu masalah paling umum yang dapat merusak bagian cetak, dan tidak selalu di awal pembangunan," Antonov menjelaskan. "Ini sangat penting untuk sistem material terbuka kami, di mana pelanggan dapat memilih dari berbagai jenis termoplastik. Setiap memerlukan parameter cetak yang berbeda dan itulah sebabnya kami telah memperkenalkan beberapa pengaturan lapisan pertama dalam perangkat lunak pengiris Aura kami. Ini juga sebabnya kami akan menyertakan stik Magigoo dalam setiap kotak Composer untuk memastikan pelanggan kami akan memiliki solusi yang tepat untuk adhesi lapisan pertama yang baik."

Aplikasi Anisoprinting

Anisoprint mengatakan teknologinya dapat diterapkan di banyak bidang, dari penerbangan hingga produk konsumen dan perawatan kesehatan. Salah satu contoh adalah dukungan kursi pesawat yang menahan beban 1,5 ton dengan pengurangan bobot 40% dibandingkan aluminium. Dengan 100 fitting seperti itu di pesawat penumpang single-aisle rata-rata, pengurangan bobot ini dapat menumpuk hingga hemat bahan bakar dan biaya operasional keseluruhan yang signifikan.

Dukungan kursi pesawat komposit cetak 3D Anisoprint mencapai hemat bobot 40% dibandingkan aluminium.

Kasus lain adalah piston untuk membentuk pot yoghurt, yang digunakan di lini produksi susu. Piston seperti itu biasanya terbuat dari poliamida gerinda, tetapi mengganti bagian tersebut saat rusak memakan waktu tiga bulan, dengan lini produksi ditutup selama durasi itu. Bagian yang dicetak oleh Composer Anisoprint dikatakan memiliki umur pakai yang lebih lama dan mengurangi waktu henti lini produksi dari 3 bulan menjadi 24 jam.

Anisoprint memenuhi persyaratan untuk komponen lini produksi susu dengan piston komposit cetak 3D-nya tetapi dengan waktu penggantian yang sangat terpendek.

"Anisoprinting memungkinkan desain dan produksi struktur komposit optimal melalui composite fiber co-extrusion," kata Antonov. "Polimer termoplastik diperkuat dengan serat berkelanjutan, dikonsolidasikan dan diobati dalam proses satu tahap, sepenuhnya terotomatisasi, tanpa memerlukan pemrosesan pasca. Sebagai hasilnya kita mendapatkan bagian yang beberapa kali lebih kuat, lebih ringan dan lebih murah dari pada logam dan plastik tradisional dan unggul juga dibandingkan komposit konvensional."