Produksi Skala Besar Komposit Termoplastik Daur Ulang

Daur ulang telah lama dijanjikan sebagai manfaat dari penggunaan komposit termoplastik (TPC). Namun, belum pernah digunakan secara komersial dalam skala besar. Pemasok material TenCate Advanced Composites dan ThermoPlastic composites Research Center (TPRC) bekerjasama dengan produsen Tier 1 GKN Fokker untuk mendemonstrasikan proses tersebut pada 2016. Tim mengembangkan panel pintu akses menggunakan scrap TenCate Cetex TC1100 woven serat karbon/polifenilena sulfida (CF/PPS) dari produksi GKN Fokker dari elevator dan rudder Gulfstream G650. Limbah produksi dipotong dan kemudian dicetak kompresi menggunakan proses dan cetakan yang dirancang oleh TPRC. Panel pintu akses menampilkan rib pengakak cetak, variasi ketebalan dan lubang cetak dengan boss. (Boss adalah fitur yang membesar yang memandu penangkal ke lubang). Penggunaan material yang direklamasi memungkinkan bagian ringan dengan fungsi cetak yang lebih besar sambil membentuk proses manufaktur loop tertutup, karena panel pintu akses kemudian digunakan di leading edge rudder Gulfstream G650. Proyek ini memenangkan Penghargaan Inovasi JEC pada 2016.

Panel pintu akses yang demonstrakannya pada 2016 dibuat dari scrap material Cetex CF/PPS dan menampilkan rib pengakak dan lubang cetak dengan boss. Sumber | TPRC.

Sejak penelitian itu, organisasi baru telah dirintis, ThermoPlastic composites Applications Center (TPAC). “TPRC dirintis sepuluh tahun yang lalu dan sebagian besar bekerja pada penelitian TPC fundamental untuk industri penerbangan,” menjelaskan Thomas de Bruijn, peneliti struktur ringan di TPAC. “TPAC dirintis sekitar dua tahun yang lalu, dan memiliki cara kerja yang lebih terapan. Ini terhubung dengan Saxion University dan juga dengan SME. Kami berfokus pada menurunkan biaya dengan mengembangkan proses yang lebih hemat biaya. Bersama, kedua grup ini membentuk TPC NL, smart industry, digital innovation hub untuk teknologi TPC.”

Keterlibatan TPAC dan juga TenCate’s continued R&D telah menunjukkan bahwa jenis manufaktur loop tertutup ini tidak hanya mungkin, tetapi juga menguntungkan secara ekonomi. Fokus, awalnya, adalah pada material CF/PPS, dan penelitian dalam kolaborasi dengan partner industri untuk membantu mengimplementasikan produksi bagian TPC yang ditingkatkan daur ulang.

Namun, proses yang sebenarnya dikembangkan berbeda. TenCate telah fokus pada material serat pendek yang digunakan sebagai layer aliran untuk menambahkan fitur geometri dan fungsional cetak pada bagian serat berkelanjutan. Sementara itu, TPRC dan TPAC telah mencoba untuk mempertahankan panjang serat yang lebih besar, menciptakan material seperti adonan yang dapat dicetak kompresi menjadi bagian dengan properti mekanis yang lebih tinggi daripada yang mungkin dengan komposit serat pendek tradisional.

TenCate — Layer aliran enhanced organosheet parts

“Tiga tahun yang lalu, kami mulai mengalokasikan lebih banyak anggaran R&D kami ke daur ulang,” kata Frank ten Napel, manajer produk TenCate untuk termoplastik. “Ini bukan hanya untuk mendapatkan label ‘hijau’. Kami yakin bahwa menggabungkan material daur ulang ke dalam bagian Anda memberikan manfaat ekonomi dan konstruksi yang sangat nyata. Kami dapat menerapkan tingkat geometri pada bagian yang tidak dapat kita capai sebaliknya. Dengan menerapkan layer aliran dari material daur ulang, kami dapat mencetak rib pengakak dan ketebalan variabel di seluruh bagian, serta boss di sekitar lubang, yang menyebarkan beban yang diinduksikan oleh penangkal. Semuanya ini memungkinkan penggunaan lebih sedikit material serat berkelanjutan, untuk bagian yang lebih tipis, lebih ringan dan lebih hemat biaya versus hanya menggunakan material baru.” Dia mencatat bahwa fitur cetak ini sulit dicapai dengan material serat berkelanjutan, “tetapi dengan menggabungkan serat berkelanjutan dengan overmolding lokal Anda mendapatkan lebih banyak kebebasan desain.”

Demonstrator tipe bracket ini menunjukkan kedua sisi bagian yang sama, menyoroti layer organosheet woven konvensional dan layer aliran TPC daur ulang. Yang terakhir menampilkan rib pengakak dan boss untuk insert. Sumber | TenCate

 

 

TPC-Cycle Project

Proyek empat tahun ini dimulai pada September 2015 dan mencakup partner dari seluruh rantai pasokan komposit termoplastik (TPC):

• TenCate Advanced Composites (Toray Group) – material
• GKN Fokker Aerostructures – desain dan manufaktur Tier 1 dari struktur dan rangkaian penerbangan
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) – desain dan manufaktur SME dari rib penerbangan, stringer, bracket, clip, box
• Cato Composites – manufaktur dan desain SME dari bagian untuk pasar aero, otomotif, pertahanan, olahraga dan konsumen
• Nido RecyclingTechniek (NRT) – teknologi untuk menghancurkan dan mengurangi ukuran material/bagian yang akan didaur ulang

TPC-Cycle facilitated by TPAC dan Saxion University of Applied Sciences, khususnya grup riset struktur ringannya, dan funded by Regieorgaan SIA, bagian dari The Netherlands Organization for Scientific Research (NWO).

Thomas de Bruijn adalah manajer proyek TPC-Cycle dan peneliti struktur ringan di Saxion/TPAC. Dia menjelaskan ada banyak driver untuk memulai proyek TPC-Cycle. “Kami dapat melihat peningkatan penggunaan TPC serat berkelanjutan, terutama untuk stamp-forming, seperti dalam clip dan bracket. Dengan peningkatan ini, volume limbah pasca-industri menjadi signifikan. Jadi, daur ulang diperlukan, baik untuk lingkungan maupun untuk ekonomi, dan juga untuk memenuhi regulasi. Misalnya, legislasi akhir umur Eropa mengharuskan 95% material yang digunakan dalam mobil untuk didaur ulang.” Dia mencatat bahwa Airbus juga telah menetapkan tujuan daur ulang dan akhir umur, dan telah mengomunikasikan ini kepada pemasok mereka. “Rantai pasokan tidak hanya harus mengatakan mereka dapat memenuhi tujuan ini, tetapi juga membuktikan kemampuan itu dengan demonstrator,” de Bruijn menambahkan.

“Kami juga telah melihat TPC tumbuh di luar penerbangan, dalam aplikasi seperti kotak makanan, furnitur dan komponen industri karena mereka menawarkan waktu siklus yang lebih pendek, struktur ringan dan lebih cerdas,” kata de Bruijn.

Dia melanjutkan, “Kami ingin membuktikan rantai proses daur ulang yang komersial berkelanjutan tetapi tidak hanya menggiling, yang merupakan downcycling. Kami ingin kinerja tinggi. Jadi, kami memilih pendekatan mixing low-shear untuk mempertahankan panjang serat 0,5-1,0 inci. Untuk kekakuan, Anda hanya butuh beberapa mm panjang. Namun, untuk kekuatan dan daya tahan impact, Anda butuh lebih dari 0,5 inci panjang.” Selain mempertahankan panjang serat, tantangan kunci lain adalah untuk mendapatkan homogenitas yang baik dalam mixing material dan dalam produk daur ulang akhir.

“Tujuan adalah untuk mengumpulkan limbah, menghancurkannya menjadi flakes 0,5-1,0 inci dan mentransformasinya menjadi adonan homogen, yang diekstrusi dan langsung dipindahkan ke press cetak kompresi,” menjelaskan peneliti TPRC dan mahasiswa Ph.D. Guillaume Vincent. “Pemrosesan adonan dilakukan melalui feeding flakes dan granula polimer baru ke dalam mixer low-shear, mengurangi fraksi berat serat menjadi 25-40%.” Dia mencatat bahwa proses ini sangat mirip dengan direct compounding long fiber thermoplastics (D-LFT), yang umum di otomotif. “Namun, proses D-LFT memerlukan investasi jutaan dolar, sehingga hanya digunakan dalam produksi seri tinggi. Kami telah memodifikasi pendekatan kami dengan menggunakan mesin yang lebih kecil namun kami mendapatkan hasil yang serupa. Volume kami rendah dibandingkan proses D-LFT.”

Vincent menjelaskan contoh di mana termasuk seluruh rantai nilai daur ulang menguntungkan: “NRT membantu menghubungkan kami dengan produsen mesin penghancur yang lebih besar, seperti Untha.” Ini adalah bagian kunci dalam menskalakan proses untuk produksi bagian seri.

Rantai proses pertama yang sedang dikembangkan adalah untuk CF/PPS. Vincent mengatakan TPC-Cycle telah membangun model simulasi dan metode analisis untuk mengkarakterisasi panjang serat dan distribusi serat dalam material daur ulang. “Kami juga memahami bagaimana karakteristik material ini mentransfer ke properti bagian yang dicetak,” katanya. Ini, sebenarnya, adalah fokus tesis Ph.D.nya, yang akan dipublikasikan pada akhir 2019.

Proyek TPC-Cycle telah mengembangkan rantai proses lengkap untuk daur ulang komposit termoplastik, termasuk penghancuran hemat biaya dan karakterisasi panjang serta distribusi serat. Sumber | TPRC/TPAC.

Adonan daur ulang ini terkadang disebut bulk molding compound (BMC). Secara historis, BMC adalah campuran adonan dari serat kaca pendek (<25mm), pasta resin termoset dan filler yang dicetak kompresi menjadi bagian komposit. Dengan volume serat yang lebih sedikit dan aliran yang lebih banyak versus sheet molding compound (SMC), ini juga menawarkan properti mekanis yang sedikit lebih rendah. TenCate telah menjual BMC termoset dan termoplastik selama bertahun-tahun, meskipun yang terakhir adalah proses di mana pita prepreg unidirectional yang dipotong dibenturkan ke dalam cetakan dan ditekan. “Produk kami sebenarnya cukup berbeda,” Vincent mengafirmasikan.  “Dengan konvensional thermoplastic BMC umumnya tidak ada mixing dan memerlukan siklus pemanas dan konsolidasi yang lama. Kami menemukan bahwa dengan mixing Anda mendapatkan produk yang lebih homogen dan konsentrasi stres yang lebih rendah dalam bagian, sehingga properti yang lebih tinggi. Dengan konvensional thermoplastic BMC, Anda mendapatkan flakes yang lebih tebal dengan wilayah kaya matriks di ujung yang menghasilkan konsentrasi stres dalam laminat komposit.”

Proses mixing low-shear melepas flakes menjadi lapisan dan kemudian memisahkan lapisan menjadi ikatan dan ikatan menjadi serat longgar. Polimer juga dicampur untuk mengurangi kandungan serat untuk mendapatkan properti aliran yang lebih baik, sehingga material lebih mudah diproses menjadi bentuk.

 

“Adonan diekstrusi dan kemudian ditempatkan robotik ke dalam cetakan kompresi terbuka, isothermal [dipanaskan],” menjelaskan de Bruijn. “Setelah mixing, serat dalam adonan terorientasi secara acak. Namun selama pencetakan, aliran material me-re-orientasi serat. Orientasi ini lebih sedikit dibandingkan campuran yang menggunakan serat lebih pendek yang dicetak injeksi, tetapi serupa dari bagian ke bagian. Ini adalah salah satu topik penelitian berkelanjutan kami.”

Cost

Rantai proses TPC-Cycle yang dikembangkan hingga saat ini tampak menguntungkan secara ekonomi. “Kami berharap dapat menjawab seberapa banyak kami dapat menurunkan biaya bagian pada akhir 2019,” kata de Bruijn. “Tetapi ini kompleks karena Anda memerlukan pasar dan harus menjual material daur ulang.” Dia mencatat ada banyak faktor ekonomi. Misalnya, sebagian besar produsen saat ini hanya membuang limbah produksi. Biaya lokal untuk membuang ke landfill adalah €80 per ton ($90). “Tetapi material yang dibuang ini memiliki nilai,” kata de Bruijn. “Juga, Anda harus memperhitungkan biaya untuk mengumpulkan limbah, menghancurkannya, mencampur dan kemudian mencetak kompresi menjadi bagian baru. Namun, ini juga adalah proses near net-shape dengan waktu siklus pendek karena cetakan isothermal.” Dengan kata lain, harus ada pengurangan drastis atau eliminasi finishing sekunder dan mesin. De Bruin says TPC-Cycle is now looking into completing cost analysis and life cycle analysis.

Sumber | TPRC/TPAC

Clean Sky RESET

Proyek ketiga yang mengulangi pentingnya pekerjaan yang telah diselesaikan oleh TenCate dan juga dalam proyek TPC-Cycle adalah proyek RESET, yang berjalan dari Januari 2016 hingga Desember 2017 dan dikoordinir oleh Leitat Technological Institute di Barcelona, Spanyol. Tampaknya RESET dimulai di bawah Clean Sky (2008-2016) dan diselesaikan selama Clean Sky 2 (2017-2021).

Program Clean Sky dan Clean Sky 2 diorganisir ke dalam tingkat atas Innovative Aircraft Demonstration Programs (lihat Vehicle IADPs dalam gambar di bawah) dan tingkat bawah Innovative Technology Demonstrators (lihat Large System ITDs dalam gambar di bawah). RESET diselesaikan sebagai bagian dari Airframe ITD, khususnya Work Package (WP) A-3.4 Eco-Design for Airframe.

Sumber: Clean Sky 2 Joint Technical Proposal
Untuk detail lebih lanjut, lihat “Thermoplastic composite demonstrators — EU roadmap for future airframes”

Menurut petugas proyek Clean Sky, Elena Pedone, tim RESET di Leitat mengembangkan proses untuk mendaur ulang material komposit pesawat yang pernah digunakan dan menggunakannya untuk memproduksi bagian baru. Mereka membandingkan bagian daur ulang ini dengan yang dibuat komersial dan menemukan properti mekanis yang serupa. “Teknologi yang dikembangkan dalam proyek ini dapat secara realistis dikomersialkan di sektor aeronautik dalam beberapa tahun mendatang dan mungkin menyebar ke sektor ekonomi lainnya,” kata Pedone.

Selama proyek RESET, pekerjaan diselesaikan untuk menyelidiki efek dari material matriks termoplastik PEEK dan PPS serta sifat kimia penguat serat karbon. Bentuk penguat diteliti, termasuk panjang serat dan woven versus nonwoven. Efisi kandungan serat (rasio polimer ke serat) juga diteliti.

Dalam work package kedua, tujuan utama adalah kondisi dan karakterisasi CF/PPS daur ulang berdasarkan ekstrusi dan komposit cetak yang dihasilkan. Dua bagian — bracket termoplastik dan cleat termoplastik — dibuat oleh injeksi molding dan dua lainnya oleh termoforming, menjelaskan koordinator ilmiah proyek Leitat Claudia Aguilar. Bagian-bagian ini kemudian diuji. “Properti mekanis material ditemukan dapat dibandingkan dengan mitra komersial,” kata Aguilar.

Proyek RESET mengklaim telah mendemonstrasikan proses daur ulang yang dapat mengambil limbah TPC dari produksi pesawat dan menggunakannya sebagai baku untuk memproduksi bagian baru untuk pesawat. “Hingga 70% material daur ulang digunakan untuk memproduksi keluarga baru material komposit,” kata Aguilar. Dia menambahkan bahwa ”proses daur ulang RESET memungkinkan penerbangan Eropa untuk membatasi jejak lingkungan dan mengurangi biaya produksi bagian pesawat baru. Hence, the project makes the aviation industry more competitive and greener.”

Bracket (kiri) dan cleat (kanan) dari material CF/PPS daur ulang yang demonstrakannya oleh proyek Clean Sky RESET. Sumber | Leitat Technological Institute

 

TPC future starts with design

Pernyataan oleh TenCate dan TPRC/TPAC adalah bahwa proses daur ulang yang sekarang telah demonstrakannya tidak hanya hijau, tetapi juga menarik secara ekonomi. Jadi, jenis investasi apa yang diperlukan? “Itu tergantung pada volume produksi,” kata ten Napel di TenCate. “Mesin penghancur yang diperlukan tidak besar atau mahal dan proses telah dikembangkan ke titik yang cukup sederhana.” Apakah jenis matriks mempengaruhi daur ulang? “Tidak,” kata ten Napel, “tetapi dalam hal kelayakan ekonomi, serat karbon dan PPS, PEEK atau PEKK lebih layak daripada serat kaca dan polipropilena karena nilai yang lebih tinggi dibandingkan yang terakhir.”

“Saya pikir jika ini akan diadopsi oleh industri, harus dimulai dengan desain,” lanjutnya. “Hambatan terbesar saat ini adalah pola pikir insinyur. Untuk sebenarnya keluar dan merancang dengan material daur ulang (atau merancang sebagian dalam produk baru) masih cukup baru bagi mereka.”

Ten Napel mengakui bahwa TenCate tidak merancang atau memproduksi bagian secara komersial, “tetapi kami mencoba untuk menginspirasi desainer untuk berpikir dengan cara ini dalam mengembangkan bagian dan struktur baru.” Dia menyebut interior pesawat dan panel akses serta pintu akses sebagai buah yang mudah untuk penggunaan kembali material daur ulang. “Jika kita sebagai industri dapat terbiasa dengan menggunakan kembali scrap dan limbah kita sendiri, maka kita dapat mengambil langkah selanjutnya dan mulai melihat bagaimana cara mengatasi bagian akhir umur.”

Mantra daur ulang komposit termoplastik—cukup menggiling dan mencetak ulang—tentu dapat diadopsi, kata ten Napel, tetapi sering tidak masuk akal secara ekonomis. “Kami telah mendemonstrasikan proses yang lebih baik dan yang sebenarnya dapat menciptakan bagian dan program yang lebih hemat biaya secara keseluruhan. Kami memilih untuk menyebarkan pengetahuan ini, bersama dengan TPRC dan TPAC, untuk menginspirasi industri tentang apa yang sepenuhnya mungkin dengan komposit termoplastik.” Jika komposit termoplastik akan diadopsi dalam skala besar, daur ulang sebagai bagian inheren dari produksi bukan lagi opsi, ini adalah keharusan.