Inovasi Zero-Waste: Proses & Peralatan Baru Daur Ulang Limbah Prepreg & Tape
Salah satu tantangan dalam kitting fabric prepreg atau unidirectional (UD) tapes adalah mencari tahu harus melakukan apa dengan potongan yang terlalu kecil atau yang seratnya tidak tersusun dengan benar untuk digunakan kembali dalam proyek lain. Meskipun software nesting dan cutter telah mengurangi scrap secara signifikan, potongan masih sering dibuang ke tempat pembuangan sampah, yang menambah biaya bahan dan bagian serta beban lingkungan. Namun, sebuah perusahaan Belanda, Van Wees UD and Crossply Technology BV (Tilburg, Belanda), membantu meningkatkan keberlanjutan dengan mengembangkan teknologi baru — dan mesin yang memungkinkannya — untuk menggunakan kembali limbah tape termoplastik.
Akar tekstil
Didirikan pada 1945 dan dengan akar yang dalam di industri tekstil, Van Wees adalah penyedia layak penuh yang merancang, memproduksi, memasang dan mengkomisikan mesin dan lini produksi untuk memproduksi komposit canggih (termoestabil atau termoplastik, serat karbon atau kaca) dengan fokus pada metode produksi volume besar berkualitas tinggi. Perusahaan membuat lini impregnasi prepreg (termasuk creel) — terutama untuk epoksi di sisi termoestabil dan untuk bahan yang berkisar dari polipropilena (PP) hingga poliamida suhu tinggi (PAs) di sisi termoplastik — serta mesin penempatan tape UD crossply dan multiaxial, yang dapat memproses tape termoplastik atau termoestabil. Sebuah perusahaan saudara, Eltra Engineering BV (juga di Tilburg) spesialis dalam teknologi otomatisasi industri dan menyediakan kontrol listrik dan perangkat lunak untuk mesin Van Wees.
Di Research and Technology Center (R&TC), Van Wees memelihara peralatan skala produksi untuk pengembangan proses sendiri serta untuk pelanggan yang mempertimbangkan sistem Van Wees, atau yang belajar mengoperasikan peralatan sambil menunggu mesin mereka dibangun. Ini memungkinkan pelanggan untuk memproduksi bahan yang dapat dievaluasi atau, dalam gilirannya, ditawarkan kepada pelanggan mereka sendiri untuk evaluasi. Misalnya, di R&TC, tow dapat ditarik dari creel dan serat direbar serta diimpregnasi untuk menghasilkan tape, yang kemudian dapat diumpan melalui mesin crossply atau multiaxial UD perusahaan untuk menghasilkan laminat dengan berbagai lapisan dan orientasi serat. (Laminat crossply memiliki setidaknya dua plies yang diorientasikan pada 0/90 derajat dan laminat UD multiaxial memiliki setidaknya dua plies UD yang diorientasikan pada sudut lain daripada 0/90 derajat.) Laminat yang keluar dari mesin ini ditempel bersama untuk kemudahan penanganan. Mereka kemudian dapat die-cut menjadi preform bentuk net yang kemudian siap diproses menjadi bagian komposit. Meskipun fokus peralatan Van Wees dengan peralatan crossply dan multiaxial UD adalah pada produksi tape UD termoplastik, mesin dapat digunakan untuk menghasilkan tape dengan matriks termoestabil dan/atau dengan kain alih-alih penguatan UD.
Menariknya, ini adalah masalah scrap milik Van Wees sendiri dari pembuatan produk ini untuk pengujian pelanggan, serta permintaan pelanggan, yang mengarah pada peneliti perusahaan untuk mengembangkan proses "zero-waste" untuk mendaur ulang chip/offal dari produksi preform menggunakan tailored-fiber blanks. Sebagai layanan, perusahaan menawarkan pelanggan kesempatan untuk mengevaluasi blank termoplastik berbasis chip ini dan sudah mengembangkan perangkat untuk memproduksi secara komersial dengan volume produksi tinggi.
Buang tidak, inginkan tidak
Selama operasi die-cutting untuk membuat preform bentuk net (yang disebut Van Wees sebagai "patches"), scrap dikumpulkan dan dipisahkan berdasarkan jenis resin dan serat. Scrap ini berbentuk dan ukuran yang tidak teratur, jadi die cutter dirancang untuk menghasilkan "chip" dengan ukuran maksimum 50 x 50 milimeter. Chip yang dicincang kemudian ditekan menjadi lembar terkonsep (melalui compression atau vacuum molding), menghasilkan laminat dengan serat terputus yang diorientasikan secara acak. Tidak diperlukan resin tambahan untuk membuat lembar, dan hanya chip dengan resin yang kompatibel secara kimia yang dicampur, meskipun chip terkuat serat kaca dan karbon dapat digabungkan tergantung pada properti yang diinginkan dalam bagian akhir yang akan dibentuk dari laminat berbasis chip.
Karena serat dalam chip individu dalam laminat dapat panjang hingga 50 milimeter, dan orientasi serat di seluruh lembar secara acak, tailored blanks nol pemborosan, 100% daur ulang ini memberikan kekakuan dan kekuatan orthotropic yang baik — terutama dibandingkan dengan injection molding compound serat pendek. Namun, karena fraksi berat serat untuk bundel serat terputus laminat dapat berkisar 50-70 persen — dengan formulasi awal di ujung tinggi rentang itu — bahan hampir tidak dapat mengalir di press kompresi. Oleh karena itu, untuk mengisi geometri 2.5D atau 3D, laminat berbasis chip harus di-overmold dengan serat pendek bahkan resin murni di mesin injection molding. Ini juga dapat di-co-mold dengan bahan serat berkelanjutan di press kompresi. Baik mana pun, laminat perlu dipanaskan sebelumnya sebelum molding.
Menariknya, Van Wees menemukan bahwa panel berbasis chip masih memberikan setengah kekuatan lentur dan modulus dari panel crossply serat berkelanjutan berkinerja tinggi dengan konfigurasi serat dan resin yang sama.
Konsep terbukti
Untuk menunjukkan kemampuan tailored blanks nol pemborosan, Van Wees telah melakukan beberapa proyek demonstrator. Salah satu adalah balok penguat/tabrakan untuk panel pintu dalam mobil penumpang. Upaya ini didasarkan pada proyek Lipa Series, yang mengembangkan bagian komposit ringan untuk produksi serangkaian untuk berbagai industri. Konsorsium yang tidak aktif sekarang berbasis di Büsslingen, Swiss, membangun pada teknologi inti yang melibatkan preforming komposit organosheet/glass-mat thermoplastic (GMT) serat berkelanjutan dan kemudian back filling dengan resin terkuat serat di mesin injection molding.
Balok demonstrator Van Wees (bagian yang digunakan untuk lulus regulasi dampak sisi/intrusi) panjangnya sekitar 650 milimeter, lebar 110 milimeter, dinding nominal 3 milimeter, dan beratnya sekitar 450 gram dalam bahan acuan, yang merupakan PA6 terkuat kain kaca 3 milimeter. Bagian ini juga memiliki struktur dom di tengah yang tinggi 40 milimeter. Balok tabrakan organosheet tidak memberikan penyerapan energi yang cukup untuk memenuhi persyaratan aplikasi, jadi peneliti Van Wees mencoba meningkatkan performa keseluruhan dengan tekanan dinding yang sama (karena cetakan yang sudah ada digunakan), dalam waktu siklus kurang dari satu menit dan dengan nol pemborosan.
Bekerja sama dengan beberapa pemasok polimer, Van Wees menghasilkan UD tape internal menggunakan beberapa polimer dan penguat — termasuk kaca serat/PA4/10, kaca serat/PP, karbon serat/PP, dan kaca + karbon serat/PP. Injection overmolding compounds serat pendek yang cocok diproduksi oleh pemasok resin. Simulasi digunakan untuk mengevaluasi jumlah dan orientasi plies UD individu untuk tailored blanks guna memenuhi atau melebihi persyaratan performa. Selanjutnya, tape digunakan untuk menghasilkan laminat serat berkelanjutan, dari mana balok tabrakan diproduksi. Hasil CAE memprediksi tailored blanks kaca serat/PA4/10 akan memberikan properti terbaik dengan biaya lebih rendah daripada fabric/organosheet, dan pengujian fisik memastikan ini.
Untuk menjelajahi lebih lanjut peluang untuk mengurangi pemborosan dan biaya, peneliti menggunakan kembali scrap (sekitar 30 persen kerugian pemotongan) yang dihasilkan dari produksi laminat serat berkelanjutan untuk menghasilkan balok tabrakan, mendaur ulang bahan itu menjadi laminat berbasis chip yang tebal 1 milimeter, dan menggunakan produk itu sebagai lapisan inti (mengganti tiga plies UD) antara "kulit" dari lebih banyak bahan UD yang dibuat pada mesin UD multiaxial. Menariknya, dalam tes awal dengan ukuran sampah terbatas, mereka melihat sedikit atau tidak ada kehilangan performa untuk laminat hibrid dengan kombinasi penguatan berkelanjutan dan terputus dibandingkan dengan laminat terkuat berkelanjutan penuh.
Perhitungan tambahan yang dilakukan oleh tim menunjukkan bahwa akan mungkin untuk memenuhi tujuan produksi Van Wees sebesar 2 juta balok tabrakan per tahun, menggunakan proses composite overmolding 1 menit yang dikembangkan oleh tim Lipa Series. Dengan kecepatan di mana garis produksi tailored blank Van Wees beroperasi (1.800 patches/jam pada mesin UD multiaxial dan 1.260 patches/jam pada mesin crossply), menambahkan peralatan tambahan untuk mengonversi scrap menjadi laminat berbasis chip akan menciptakan sistem produksi nol pemborosan dan meningkatkan volume produksi 30 persen menjadi 2,6 juta bagian per tahun. Ironisnya, mesin injection molding akan menjadi langkah pembatas tarif dalam urutan produksi ini — sesuatu yang jarang terjadi.
Proyek turnaround cepat lain yang dilakukan oleh peneliti perusahaan adalah mengembangkan pintu pegangan komposit berdepan untuk ruang konferensi di kantor pusat Van Wees. Insert komposit akhir tersedia untuk dilihat oleh peserta di konferensi Composites Overmolding tahun lalu.
"Pengembangan bersama dan inovasi adalah penggerak industri modern," catat Rien van den Aker, direktur Van Wees. "Kami percaya bahwa pengembangan bersama dengan semua pemain dalam rantai komposit sangat penting. Logam adalah pesaing industri kami dan dibuat dengan cara paling rasional. Oleh karena itu, hanya dengan proses dan peralatan yang cerdas kami dapat memperkenalkan produk komposit ringan ke dalam aplikasi volume besar." Dia menekankan bahwa akan butuh upaya bersama antara anggota rantai pasok untuk membuat produksi nol pemborosan bagian komposit termoestabil dan termoplastik mungkin. "Van Wees senang membantu pihak yang tertarik dengan pengembangan produk dan proses," katanya.
