Revolusi Manufaktur Komposit: Pencetakan 3D Magnetik untuk Material Disesuaikan
Fortify (Boston, Massachusetts, AS) didirikan pada 2016 berdasarkan riset pencetakan 3D komposit oleh Josh Martin (CEO Fortify) dan Randall Erb, direktur Laboratorium DAPS di Northeastern University di Boston. (Erb juga merupakan pendiri bersama Boston Materials dan Fortify.) Tujuan mereka adalah memungkinkan produksi cepat komposit dengan mikrostruktur yang dioptimalkan. Teknologi Fluxprint yang mereka kembangkan dan dipatenkan menggunakan medan magnet dan pemrosesan cahaya digital (DLP) — namun dengan sistem resin terisi tinggi — untuk menghasilkan mikrostruktur kustom pada bagian komposit 3D pencetakan resolusi tinggi.
Fluxprint versus DLP
Kedua DLP dan litografi sterolitografi (SLA) saat ini dianggap sebagai teknologi pencetakan 3D yang menawarkan kompleksitas dan presisi bagian tertinggi. Keduanya mengandalkan penggunaan cahaya — biasanya ultraviolet (UV) — untuk mengkuring resin sensitif cahaya yang biasanya terdiri dari monomernya epoksi atau akrilik dan metakrilik. Cahaya secara digital diarahkan untuk bersinar pada resin di tangki sistem untuk menciptakan bentuk atau pola untuk setiap lapisan. Platform fabrikasi dipindahkan setelah setiap lapisan, memungkinkan lapisan berikutnya dicetak dan melanjutkan ke bagian padat yang selesai.
Proyektor DLP dan SLA ada sejak awal pencetakan 3D pada tahun 1980-an. Printer DLP cenderung lebih besar karena mereka menghadirkan proyektor cahaya sebenarnya. Sebagian besar mesin SLA dan DLP menggunakan polimer termoset, namun EnvisionTEC membuat printer yang juga dapat menggunakan termoplastik. Keduanya secara tradisional menggunakan polimer murni tanpa penguat.
Perbandingan DLP versus SLA. Sumber | Royal Society of Chemistry dan "DLP vs SLA – 3D Printing Technologies Shootout" oleh Ricardo Pires, all3DP.com
"Platform DLP mampu mencapai laju produksi dan kualitas yang cukup," ujar CEO Fortify Josh Martin, "namun properti mekanis selalu menjadi tantangan. Tes inti kami adalah bahwa lonjakan performa tidak akan tercapai hanya dengan kimia polimer. Namun, memanfaatkan properti unik komposit dalam industri aditif resolusi tinggi akan menjadi pengubah permainan."
Dia menjelaskan bahwa Fortify spesialis dalam pengkuringan UV dari resin teknis terisi tinggi menggunakan aditif unik dan mengontrol orientasi aditif yang meningkatkan properti tersebut dalam pencetakan. Pengisi termasuk serat kaca, karbon, dan keramik serta partikel. Resin teknis termasuk akrilat dan metakrilat berbasis (PMMA) atau berbasis epoksi, berbasis kation — yang menurut Martin lebih konvensional bagi industri pelapisan. Produsen resin terkemuka di seluruh dunia (BASF, DSM, Dupont, dan lainnya) berinvestasi banyak untuk mengembangkan properti material aditif mereka. Fortify mampu memilih terbaik dari kemajuan ini untuk menambahkan teknologi penguatnya.
Kontrol orientasi serat dicapai dengan menggunakan medan magnet. Saat Fortify mencetak bagian dengan teknologi Fluxprintnya, serat disusun secara magnetis voxel demi voxel untuk memenuhi persyaratan beban bagian. (Lihat prosesnya dalam video di atas.) Untuk bahan penguat non-magnetik, seperti partikel dan serat keramik serta kaca, teknik pelabelan magnetik milik Fortify digunakan untuk melapisi pengisi dengan cara yang membuat mereka responsif terhadap magnet dan kompatibel dengan resin.
Proses Fluxprint ditunjukkan pada gambar di atas dan dijelaskan sebagai berikut:
- Lapisan bahan masukan disuplai ke area pembuatan dengan penguat disusun secara acak.
- Medan magnet diterapkan untuk menyusun penguat.
- Voksel aktif diekspose terhadap cahaya UV, mengunci orientasi penguat pada voksel tersebut (sekarang ditunjukkan dalam merah).
- Medan magnet digeset untuk menetapkan orientasi baru penguat.
- Ulangi langkah paparan UV untuk mengunci orientasi untuk kumpulan voksel berikutnya (ulangi sesuai kebutuhan).
- Papan pembangun menyesuaikan untuk membawa matriks bahan masukan yang belum dikuring untuk lapisan pencetakan berikutnya.
Teknologi Fluxprint memungkinkan kontrol tingkat voksel atas orientasi serat selama proses pencetakan. Sumber | "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" oleh Joshua J. Martin, Brad E. Fiore dan Randall M. Erb, Nature Communications volume6, Nomor Artikel: 8641 (2015).
Mengapa voxel demi voxel?
"Setiap geometri memiliki status regangan dan tekanan yang unik," jelas Martin. "Sebagian besar komposit dibuat secara tangan untuk menghalangi ini. Kami mendigitalkan prosesnya. Misalnya, jika Anda dapat menguatkan bingkai UAV dengan benar, Anda dapat menggunakan lebih sedikit material. Setiap aplikasi yang bekerja melawan gravitasi akan secara fundamental mendapat manfaat dari ini."
Pencetakan voxel demi voxel juga secara inherent resolusi tinggi. "Ini adalah proses manufaktur komposit resolusi tertinggi hingga saat ini," kata Martin, dengan menyebutkan bahwa fused deposition modeling (FDM) — di mana filamen plastik tanpa penguat atau serat yang digiling dilelehkan dan ditumpahkan pada cetakan pencetakan — memiliki resolusi ratusan mikrometer sementara Fluxprint dalam puluhan mikrometer. "Itu merupakan peningkatan satu orde magnitudo, yang memasuki wilayah yang tidak terlihat oleh mata telanjang. Resolusi seperti ini sangat penting untuk berbagai bagian akhir pakai."
Teknologi pencetakan 3D magnetik Fluxprint milik Fortify dapat mengarah serat untuk menguatkan proyeksi "peg" pada cetakan injeksi. Sumber | Fortify.
"Kami menawarkan cetakan injeksi yang secara signifikan lebih murah dari logam mesin tradisional, dapat diantarkan dalam sebagian kecil waktu dan menyediakan fitur yang praktik mesin konvensional tidak akan mampu mencapai," lanjut Martin. "Satu pelanggan akan melalui 12 desain berbeda per tahun yang dibuat dari aluminium. Kami telah menekan waktu masuk pasar mereka secara signifikan, menghasilkan lebih dari selusin desain dalam beberapa bulan. Mereka sekarang dapat bergerak dari desain ke bagian di rak dalam waktu beberapa minggu." Manfaat lain adalah kemampuan untuk menguatkan proyeksi, disebut sebagai 'peg'. Ekstrusi rasio aspek tinggi ini sering kali tertarik keluar. Penguat mencegah itu, sambil mempertahankan toleransi ketat.
Baca lebih lanjut tentang manfaat Fortify dalam cetakan injeksi di majlis saudara CW, Additive Manufacturing.
Material terbuka, perkembangan baru
Fortify menjalani pendekatan material terbuka. "Kami tidak ingin membatasi kemampuan pelanggan kami untuk pertumbuhan dan eksplorasi dalam aditif," menjelaskan VP aplikasi Fortify Karlo Delos Reyes. "Kami menjamin pelanggan kami fleksibilitas dan material terbaik yang tersedia dengan merangkul inovasi terbuka."
"Kami bermitra dengan produsen polimer besar dan menyesuaikan kimia permukaan aditif," kata Martin. Dia mencatat bahwa setiap pengisi memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri mengenai ketahanan aus, performa pada suhu, dll. "Untuk serat, panjang berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter, tergantung pada aplikasi. Di tempat kita perlu resolusi permukaan, kita menggunakan persentase lebih tinggi dari aditif panjang lebih pendek. Di tempat kita mampu menerima permukaan yang lebih kasar, tetapi ingin mengoptimalkan kekuatan tarik, misalnya, kita menggunakan aditif serat yang lebih panjang."
Salah satu strategi Fortify adalah bermitra dengan pemimpin dan pemasok industri untuk memanfaatkan keahlian dan menyilangkan ide. Fortify baru-baru ini mengumumkan kemitraan dengan DSM Additive Manufacturing (Hoek van Holland, Belanda dan Elgin, Illinois, AS) untuk mengembangkan material komposit berkinerja tinggi yang akan digunakan dalam sistem pencetakan Fortify untuk mencapai performa mekanis dan suhu yang diperluas. "Mereka akan memperluas palet resin kami," kata Martin, "dan kami senang bekerja dengan mereka untuk mengembangkan resin terbaru."
Bagian komposit terisi serat kaca yang dibuat dengan Fluxprint. SUMBER | Fortify.
Penguatan arah Z dan aplikasi
Fluxprint masih mencetak dengan lapisan. Jadi, apakah mungkin untuk mencapai penguatan arah Z? "Jika Anda mencetak serat panjang 2 milimeter, Anda tidak dapat meletakkannya dalam arah Z," kata Martin. "Namun Anda bisa mendapatkan serat yang lebih pendek ke orientasi Z. Kami melihat pada banyak skala panjang dan kami melihat bahwa ini akan berkembang di masa depan untuk transfer beban yang dioptimalkan."
Fortify sudah memproduksi bagian untuk UAV, termasuk propeler, dan melihat banyak aplikasi semacam itu dalam penerbangan luar angkasa. "Kami memiliki area pembangunan yang kecil, jadi kami berfokus pada aplikasi di mana kami dapat dengan mudah memenuhi volume bagian yang lebih kecil," kata Martin. "Ini adalah ekosistem yang matang, namun kami menawarkan tingkat performa baru dalam properti mekanis pada suhu tinggi dan toleransi. Dia menyebutkan kemampuan untuk memperbaiki suhu defleksi bagian dan menjelaskan terdapat berkisar bagian di bawah mesin otomotif yang perlu memberikan kekuatan dan kekakuan sambil terpapar suhu 160°C. "Bagian dengan geometri kompleks ini sangat cocok untuk pencetakan 3D dengan teknologi kami. Dibandingkan dengan metode saat ini mencetak dan memotong bagian dari PEI (polyetherimide), kami menawarkan performa yang lebih tinggi, waktu tindakan lebih pendek dan a potensi tinggi untuk biaya lebih rendah."
Pembangunan alat juga merupakan pasar saat ini, termasuk cetakan, alat pengatur dan peralatan untuk cetak injeksi. "Lagi, bagian kami lebih kaku, lebih kuat dan memiliki resistensi suhu yang lebih tinggi, mempertahankan akurasi dimensi dalam pelayanan," kata Martin. "Tetapi nilai sebenarnya terletak pada tidak memerlukan pemrosesan pasca yang signifikan, seperti yang diperlukan saat menggunakan mesin EDM, dan namun mereka cocok dengan kualitas peralatan yang dibuat dengan metode tradisional ini, termasuk CNC-milling."
Sumber | MultiMechanics
Meningkatkan generasi berikutnya dari komposit multiskala dan multifungsi
Fortify telah bermitra dengan MultiMechanics (Omaha, Nebraska, AS), pengembang perangkat lunak pemodelan dan simulasi multiskala untuk material lanjutan. Kemitraan ini menarik dari beberapa alasan. Pertama, Fortify akan menggunakan produk unggulan MultiMechanics, MultiMech, untuk memprediksi performa bagian dan mengoptimalkan desain serta orientasi serat sebelum dicetak. Dengan demikian, MultiMech akan bertindak untuk memberikan umpan balik untuk desain iteratif tertutup, memungkinkan pengguna untuk lebih cepat menyesuaikan dan mengoptimalkan bagian komposit Fluxprint. Fortify dan MultiMechanics juga berencana untuk mengintegrasikan MultiMech ke dalam INFORM Fortify perangkat lunak desain generatif dan kontrol pencetakan. Dengan demikian, dari desain hingga pengujian virtual hingga pencetakan — semua fungsi akan dikendalikan dalam satu aliran digital.
Untuk poin kedua, penting untuk memahami apa yang ditawarkan MultiMechanics melalui perangkat lunak MultiMechnya:
- Analisis elemen hingga multiskala, termasuk pemodelan jumlah skala yang praktis tidak terbatas (misalnya, nano, mikro, ply, laminat, bagian).
- Pembuatan otomatis dari mikrostruktur elemen hingga 3D yang kompleks, dan pemodelan hampir semua mikrostruktur material, termasuk serat berkelanjutan dan dipotong, partikel, rongga, busa, kain, dll.
- Model efek konstituen skala mikro, termasuk interaksi, fraksi volume, distribusi dan orientasi, serta impor variasi yang diinduksi proses dari program (misalnya Moldex3D, Moldflow).
- Analisis bagaimana variasi manufaktur memengaruhi performa bagian dan lakukan modelisasi kerusakan termasuk transisi multiskala dari retak mikro menjadi retak makro.
Ini kembali ke alasan Martin dan Erb mendirikan Fortify pada awalnya. Dalam artikel mereka tahun 2015, "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" mereka menyatakan:
Martin dan Erb membahas komposit alami yang menggunakan serat tidak berkelanjutan dan partikel pengatur yang diorganisir ke dalam arsitektur kompleks multiskala untuk mencapai properti yang lebih unggul daripada konstituennya. Contoh yang diberikan oleh Qunfeng Cheng dalam artikel Materials Today tahun 2017 adalah nacre dalam kerang siput. terdiri dari 95 vol% aragonit anorganik dan 5 vol% matriks protein organik, ketahanan retakan nacre adalah 3.000 kali lebih tinggi daripada aragonit. Cheng mencatat hal ini menunjukkan 'efek amplifikasi' dalam properti mekanis yang jauh melampaui aturan campuran dalam komposit tradisional.
Dalam artikel Advanced Materials tahun 2018, "Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures", penulis Audrey Velasco-Hogan, Jun Xu dan Marc A. Meyers menyatakan bahwa struktur hierarkis material seperti nacre, tulang, bambu dan cangkang kepiting adalah yang mengaktifkan kombinasi yang mengesankan kekuatan, modulus, ringan, ketahanan retakan dan resistensi kelelahan. Konstituen partikel/filamen dan matriksnya diorganisir secara berbeda pada setiap level (misalnya, nano-, mikro-, meso-, makro-), mengubah properti pada setiap level (yaitu, komposit multiskala). Ketika digabungkan dengan antarmuka yang efisien antara level, struktur hierarkis ini bekerja sinergis untuk mengurangi penyebaran retak dan meningkatkan ketahanan retakan sambil mempertahankan kekejaman — sesuatu yang belum tercapai dalam keramik setelah sekitar satu abad mencoba.
Masa depan komposit dan INFORM
Ini adalah masa depan komposit: merancang komposit hierarkis dengan properti unik yang disesuaikan untuk aplikasi yang tepat. Dan ini sudah dikembangkan, dengan cepat. Misalnya, Pusat Penerbangan dan Antariksa Jerman (DLR) Institut Struktur dan Desain di Stuttgart juga telah bermitra dengan MultiMechanics untuk memahami bagaimana perubahan suhu mempengaruhi mikrostruktur dan perilaku material dari komposit matriks keramik (CMC). Analisis ini dianggap krusial untuk produksi komponen CMC masa depan DLR, termasuk nozel roket dan sistem perlindungan termal untuk kendaraan re-entry di antaranya. "Kami bekerja di MultiMechanics selama sepuluh tahun terakhir telah diuntungkan untuk secara akurat menghubungkan perilaku mikrostruktur material lanjutan ke performa bagian keseluruhan dan manufakturannya," kata Dr. Flavio Souza, presiden dan CTO MultiMechanics. "MultiMech memungkinkan kami memodelkan retak mikrostruktur dan menentukan bagaimana mereka akan memengaruhi bagian komposit keseluruhan," states Neraj Jain, pemimpin kelompok di Departemen Komposit dan Struktur Keramik di DLR. "Integrasi efisien MultiMech dengan alat FEA lain kami seperti Abaqus dan ANSYS meningkatkan produktivitas kami dan mendekatkan kami ke tujuan kami untuk mengoptimalkan material CMC secara virtual."
Setelah komposit ini dioptimalkan secara virtual, mereka kemudian dicetak, dengan MultiMech tertanam dalam perangkat lunak INFORM Fortify, yang sudah ditujukan untuk arsitektur organik yang dioptimalkan beban melalui tulang belakang desain generatif. (Catat bahwa unit bisnis Material Komposit Solvay juga telah berinvestasi baik di MultiMechanics maupun teknologi pencetakan 3D.)
Lintang terisi serat, desain disediakan oleh nTopology. Sumber | Fortify.
"INFORM menggunakan algoritma lanjutan untuk mengoptimalkan orientasi serat untuk setiap bagian," menjelaskan Martin. "Di mana tradisionalnya, alur kerja pencetakan 3D dimulai dengan STL untuk mengiris desain, kami dimulai dengan FEA (model dengan tekanan dan regangan) dan kemudian memutuskan voksel mana yang akan memisahkan desain yang dimodelkan itu dan bagaimana mengarah serat. Kami melalui iterasi, menyelaraskan serat dengan vektor medan tekanan/regangan, dan kemudian mensimulasikan bagaimana pencetakan akan berperilaku dan menggunakan data tersebut untuk menyempurnakan dan mengoptimalkan desain, mencapai desain generatif mikrostruktur."
Hanya awal
Catat bahwa komposit masa depan ini mencakup berbagai macam material. Laboratorium Penelitian Angkatan Laut (NRL, Arlington, Virginia, AS) mengembangkan CMC menggunakan matriks keramik dengan penguat keramik sekunder melalui nanopartikel dan/atau filamen. CMC ini juga dapat menggunakan penguatan serat berkelanjutan. Dengan kata lain, konstituen dan arsitektur yang berbeda dapat digunakan pada setiap level untuk ketahanan yang ditingkatkan dan properti listrik dan termal yang disesuaikan yang diperlukan (misalnya, dalam hipersonik, baca lebih lanjut dalam fitur Juli 2019 saya tentang nanokomposit).
SUMBER | Gambar 3, "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" oleh Joshua J. Martin, Brad E. Fiore dan Randall M. Erb, Nature Communications, volume 6 (2015).
Komposit hierarkis juga sedang dicetak dan diuji menggunakan tinta epoksi terisi dan matriks polimer termoplastik. Ini mungkin merupakan keuntungan terbesar bagi Fortify sebagai startup. Ini tidak hanya mempersiapkan komposit masa depan, ini sudah merancang dan memproduksinya. Dan meskipun apa yang telah dicapainya mengesankan — ini hanyalah awal.
