Industrialisasi Cetak 3D Komposit Serat Berkelanjutan di Delft: Kemajuan & Sukses Produksi
Cetak 3D komposit terkuat serat berkelanjutan terus berkembang dan maju. Banyak perusahaan dan perkembangan baru telah muncul sejak Markforged mengumumkan printer 3D serat berkelanjutan Mark One pada 2014. Saya telah blog tentang banyak di antaranya, dan saya akan terus menjelajahi lanskap dan pemain yang berkembang pesat ini untuk pembaca CW.
CEAD (Delft, Belanda) diperkenalkan dalam fitur Karen Mason Maret 2019, "Moving continuous-fiber 3D printing into production". Dalam blog ini, saya memberikan lebih banyak detail berdasarkan wawancara saya dengan pendiri bersama Maarten Logtenberg, termasuk mengapa perusahaan menjual extruder-nya secara terpisah dan visi perusahaan untuk masa depan pencetakan serat berkelanjutan.
Mencetak dengan dan tanpa serat berkelanjutan — dalam satu cetak yang sama
Sama dengan Logtenberg, CEAD didirikan oleh Lucas Janssen. Mereka adalah setengah dari tim yang memulai perusahaan printer 3D Belanda Leapfrog. "Kami telah membuat banyak mesin cetak 3D berbeda untuk industri," ujar Logtenberg. "Saya melihat pasar dan merasa bahwa pencetakan pada skala besar dengan bahan yang cocok untuk aplikasi industri yang benar-benar kurang. Anda membutuhkan lebih banyak kekuatan dibandingkan termoplastik saja." Inilah yang dicapai oleh pencetakan dengan serat berkelanjutan. "Jadi, kami mengembangkan teknologi kami sendiri, yang telah kami patenkan," lanjutnya.
"Kami masih melihat kebutuhan untuk cetak dengan serat pendek dan tanpa serat." Itulah sebabnya Continuous Fibre Additive Manufacturing (CFAM) CEAD memungkinkan pencetakan dengan serat berkelanjutan dan dengan extrusi langsung dari pelet tidak terkuat atau terkuat serat pendek dalam satu cetak yang sama. "Kami tidak perlu mengubah print head," menjelaskan Logtenberg. "Kami meletakkan serat berkelanjutan di tengah leleh, jadi keduanya di-ekstrusi pada saat yang sama. Tetapi mereka menggunakan sistem drive yang berbeda. Serat berkelanjutan didorong melalui print head tetapi sudah pre-impregnated untuk memastikan kualitas."
Sudah standar dalam komposit injection molded dan overmolded, serta komposit DLFT compression molded, extrusi langsung pelet/granulat bahan lebih murah untuk produksi industri, ujar Logtenberg. "Ini bahan harus dikeringkan sebelum cetak, dan kami mengembangkan pengering sendiri kami, yang terhubung ke mesin CFAM."
Mirip dengan komposit termoplastik overmolded, untuk setiap cetak, polimer yang sama digunakan baik dalam filament berkelanjutan pre-impregnated maupun dalam extrusi langsung tidak terkuat atau terkuat serat pendek. Perusahaan telah memproses berbagai polimer, termasuk ABS, PC, PEEK, PET, PLA dan PP. Mereka sekarang mengeksplorasi PEKK dan low melt PAEK.
CEAD menawarkan extrusion head yang lebih kecil untuk lengan robot (atas) dan mesin CFAM Prime berbasis gantry (bawah) dengan volume bangun 4m x 2m x 1.5m.
SUMBER: CEAD
Zona pemanas dan gantry vs. robot
Saat ini, CEAD menawarkan Robot extruder, dengan empat zona pemanas, dan mesin CFAM Prime berbasis gantry, dengan volume bangun 4 x 2 x 1,5 meter dan 10 zona pemanas di extruder. "Kami memulai pengembangan pada 2017," ujar Logtenberg. "Print head didasarkan pada single screw extruder yang umum digunakan dengan injection molding. Anda membutuhkan zona untuk secara bertahap memanaskan bahan sehingga Anda dapat menerapkan tekanan yang besar (50-60 bar) yang diperlukan untuk mengekstrus banyak bahan. Pelet dipindahkan ke tabung, di mana mereka meleleh, kemudian Anda mengompresi dan mendorong. Jika Anda memanaskan terlalu cepat, tidak akan terbentuk tekanan di extruder."
Mengapa menjual extruder/print head secara terpisah? "Pelanggan juga ingin extruder yang lebih kecil untuk lengan robot untuk membangun mesin mereka sendiri, tapi tidak menggunakan serat berkelanjutan, hanya extrusi langsung," ujar Logtenberg. Lalu mengapa menggunakan gantry untuk CFAM Prime? Jawaban singkat: akurasi dan kecepatan. "Robot sangat baik dalam akurasi relatif," katanya, "tapi cara mereka tiba di titik B dari titik A tidak akurat. Dengan pencetakan 3D, Anda harus bergerak terus-menerus dengan akurasi untuk membuat bagian yang selesai berkualitas tinggi."
"Masalah lainnya adalah kecepatan," lanjutnya. "Kami ingin output tinggi untuk produksi industri tetapi juga dengan resolusi tinggi. Lengan robot yang menggunakan extruder kami dapat bergerak pada 4 m/min, yang sangat cepat untuk robot, tapi mesin gantry dapat bergerak pada 60 m/min."
Meski gantry menawarkan kecepatan, extruder di lengan robot masih menawarkan pencetakan multi-axis. "Kami tertarik menggunakan pencetakan multi-axis untuk mengatasi tantangan saat ini dengan properti arah z [khusus dari pencetakan dalam irisan]," mengakui Logtenberg. "Kami mengembangkan sistem gantry terlebih dahulu, tetapi sekarang memiliki sistem kontrol baru dari Siemens yang menawarkan kontrol yang sama di lengan robot. Jadi kami sedang mengembangkan mesin 5-axis. Sistem gantry masih lebih cepat, tapi sistem ini menawarkan penempatan multi-axis yang benar." Dia memandang kombinasi kedua sistem, mirip dengan konfigurasi mesin milling CNC 5-axis.
Mesin CFAM Prime dengan kamar tertutup (bawah).
SUMBER: CEAD
Pendingin dan kontrol
Salah satu masalah dalam pencetakan 3D adalah mengontrol penyusutan matriks plastik. Meskipun CFAM Prime awalnya menggunakan pemanas inframerah (IR) yang dikelola dengan masukan dari kamera termal, Logtenberg mengakui bahwa sistem ini menghasilkan pemanasan yang tidak merata saat mencetak bentuk kompleks. "Kami masih menggunakan kamar cetak tertutup dan sekarang mengembangkan tempat cetak dipanaskan," katanya. "Ini akan memberikan panas yang lebih merata, dan kami masih akan menggunakan kamera termal untuk memantau dan mengelola sistem. Jika Anda mencetak bagian yang sama dua kali dengan jarak waktu enam bulan, Anda akan memiliki profil suhu dan kondisi yang sama dalam kamar cetak."
Logtenberg mencatat bahwa CFAM Prime mengeluarkan begitu banyak bahan sehingga ada banyak energi di dalamnya. "Jadi, sulit untuk menyejukkannya cukup cepat agar cetakan tetap stabil. Anda ingin menyejukkan lapisan agar tetap stabil saat Anda mencetak," katanya. Bagaimana pendingin ini dicapai? "Menggunakan udara dipaksa, dan banyak sekali," ujar Logtenberg. Dia mencatat bahwa penambahan panas di tempat cetak dan kamar cetak tertutup adalah bagian dari mengontrol keruningan. "Anda menumpuk lapisan panas di atas lapisan dingin. Tetapi Anda ingin menjaga bahan di atas Tg-nya, yang lebih dari 150°C untuk beberapa bahan, namun tetap stabil untuk dicetak di atasnya." Meski dengan proses ini, Logtenberg mencatat akan selalu ada stres termal dalam bagian. "Anda dapat melakukan beberapa langkah pasca-proses untuk mengeluarkan tegangan dari bagian."
Robot extruder dengan banyak zona pemanas.
SUMBER: CEAD
CEAD menggunakan sistem Siemens untuk mengontrol mesinnya. "Ini dipikir dengan matang dan dapat menangani tantangan kompleks dalam proses dan bahan," menjelaskan Logtenberg. CEAD menulis perangkat lunaknya sendiri di belakang sistem Siemens untuk memberikan antarmuka pengguna yang mudah. "Mesin berjalan dengan G code, yang juga adalah standar yang digunakan untuk mesin milling industri," katanya. "Ini memberikan kebebasan dalam memprogram bagian. Ini dapat menggunakan slicer open source tetapi juga Siemens NX, yang merupakan perangkat lunak yang canggih."
Logtenberg mengatakan pelanggan dapat memilih seberapa kompleks dia/ia ingin pergi. "Pendekatan kami sangat open source, memungkinkan berbagai jenis perangkat lunak cetak digunakan. Jadi jika pelanggan ingin cetak yang sangat sederhana, Anda hanya menekan sebuah tombol. Tetapi juga mungkin untuk menggunakan perangkat lunak yang lebih canggih. Namun, kemudian pelanggan harus memiliki pengetahuan tentang cara menggunakannya. Visi kami adalah membiarkan orang memutuskan apa yang ingin mereka gunakan dan kemudian kami mendukung mereka." Logtenberg mencatat bahwa CEAD menjual ke bisnis, bukan ke konsumen. "Jadi kami memiliki kemampuan untuk memberikan lebih banyak dukungan."
Bagian yang dicetak dan properti
"Anda dapat merasakan perbedaan dalam bagian yang dicetak dengan serat berkelanjutan versus yang dicetak dengan serat dicincang," catat Logtenberg. "Tetapi kami belum menguji properti." Itu adalah tugas berikutnya, sekarang setelah pengembangan mesin dan peluncuran awal telah selesai. "Tahun ini kami akan bekerja pada karakterisasi sepenuhnya bahan dan mengembangkan lembar data dengan kekuatan kompresi, kekakuan, dll. untuk setiap kombinasi bahan," katanya.
Menentukan kandungan rongga dan volume serat juga merupakan bagian dari pekerjaan karakterisasi ini. "Kandungan serat kami saat ini belum begitu tinggi," mengakui Logtenberg. "Jika Anda menggunakan pelet serat dicincang, Anda memiliki 30% serat menurut berat, misalnya. Penambahan serat berkelanjutan hanya menambahkan 10% lagi ke ini karena output dan volume keseluruhan besar."
Bagaimana dengan kompaksi untuk mengurangi kandungan rongga? "Nozzle itu sendiri mengompresi lapisan," ujar Logtenberg. "Anda harus memiliki rasio tinggi lapisan versus lebar yang tepat. Jika Anda mendapatkannya dengan benar, Anda mendapatkan adhesi yang baik antara lapisan." Dia menjelaskan bahwa rasio tinggi terhadap lebar harus berada dalam rentang yang tepat untuk memungkinkan gaya kompresi di lapisan yang dicetak dan cukup panas untuk mendapatkan fusi yang baik di lapisan. "Misalnya, dalam lapisan cetak yang tinggi 5 mm dan lebar 5 mm, akan hampir tidak ada gaya kompresi," catatnya. "Untuk lapisan yang tinggi 5 mm, Anda perlu lebar 10 mm."
CEAD terus meningkatkan kualitas cetak CFAM Prime, ujar Logtenberg. "Kami telah mengembangkan banyak perangkat lunak internal untuk pencetakan dinamis." Dia menjelaskan ada masalah di sudut karena extruder mendorong bahan keluar sementara mesin harus melambat untuk mengubah arah. "Kami sekarang telah menyelesaikan masalah itu. Kami terus mengembangkan pelacakan kami menggunakan sensor, dinamika dan suhu lapisan, misalnya, untuk meningkatkan kontrol proses."
Mencetak bentuk kompleks dengan CFAM Prime.
SUMBER: CEAD Instagram, Maret 2019
Mesin untuk laut dan konstruksi
Logtenberg mengatakan target pertama untuk kapasitas produksi industri CEAD Prime adalah pasar laut dan bangunan & infrastruktur karena bagian komposit yang dicetaknya cukup baik untuk digunakan langsung untuk layanan akhir. Memang, pelanggan pertamanya adalah Royal Roos (Rotterdam, Belanda), sebuah perusahaan teknik dan konstruksi laut, dan Poly Products (Werkendam, Belanda), pembuat komposit yang bekerja di sektor laut, arsitektur, industri, rekreasi dan transportasi.
Itu dikatakan, CFAM Prime juga digunakan untuk mencetak cetakan, terutama untuk struktur laut. "Itulah sebabnya kami melanjutkan dengan lengan robot," ujar Logtenberg, "dan kami telah menambahkan CNC milling, mirip dengan mesin LSAM [oleh Thermwood] tapi sedikit lebih kecil dan lebih murah."
"Di Uni Eropa, tingkat pembuatan laut turun," katanya. "Karena tenaga kerja sangat mahal, produksi pergi ke China. Jadi, kami mencoba menetapkan cara untuk bersaing. Kami juga melihat pasar lain, seperti otomotif, penerbangan dan transportasi lain."
Respons di pasar laut dan konstruksi bagus. "Kami melakukan banyak proyek untuk menunjukkan apa yang dapat dilakukan mesin," ujar Logtenberg. "Setelah peluncuran musim gugur lalu, penjualan lebih lambat dari yang kami inginkan. Tetapi sekarang berjalan baik, dengan proyek yang mempercepat dan pengembangan mesin."
Untuk pasar baru ini, CEAD mengeksplorasi bahan baru. Misalnya, sedang menguji bahan dari SABIC untuk kekalangan api dan berbicara dengan pabrik kereta. Dengan kemampuan untuk mencetak serat berkelanjutan, apakah CFAM juga dapat digunakan untuk mencetak kabel dan/atau sensor? "Kami sedang meneliti ini," ujar Logtenberg. "Kami bekerja sama dengan perusahaan untuk mematikan serat baja, yang juga konduktif."
Visi masa depan
Banyak di industri komposit tradisional mempertanyakan bagaimana komposit serat berkelanjutan yang dicetak 3D dapat bersaing dengan komposit konvensional ketika mereka memiliki kandungan serat yang rendah dan potensi delaminasi yang tinggi antara lapisan cetak. "Tentu, kekuatan arah z adalah salah satu hal yang paling menantang untuk komposit yang dicetak 3D," setuju Logtenberg. "Kami tidak bersaing dengan komposit konvensional saat ini. Kami percaya di masa depan kami akan dapat bersaing dengan komposit konvensional karena produksi kami sepenuhnya otomatis, tapi kami masih memiliki jalan yang panjang. Saat ini, ini adalah tambahan pada metode manufaktur saat ini, memberikan fleksibilitas dan membuka kemungkinan desain dan produksi."
Mesin CFAM Prime saat peluncurannya pada 2018.
SUMBER: CEAD
