Revolusi Komposit: Manufaktur Serat Berkelanjutan dengan MOI Composites

Pencetakan dan penyetoran serat berkelanjutan 3D sedang mendapatkan momentum. Seiring bertambahnya perusahaan yang menggunakannya dan mengembangkannya, teknologi ini tanpa diragukan lagi akan membentuk industri komposit.

Pertama, ia menawarkan fabrikan tanpa cetakan atau tooling. Kedua, ia menawarkan struktur multifungsi (misalnya, konduktivitas listrik, perubahan bentuk, sensori). Ketiga, ia membuka pintu ke dunia manufaktur hibrida — misalnya, laminasi di atas pencetakan 3D dan pemesinan saat pencetakan — serta lanskap pengembangan material yang tak ada habisnya, dari serat alloy memori bentuk Nitinol (SMA) hingga solusi nanokomposit konduktif untuk liquid deposition modeling (LDM). Yang terakhir adalah dunia tersendiri yang akan saya bahas kembali di blog mendatang.

 

Patent WO2017085649A1 dan sistem pencetakan Atropos. SUMBER: moi composites.

Moi composites didirikan pada Februari 2018 oleh insinyur material dan profesor Marinella Levi, insinyur desain Gabriele Natale, dan arsitek Michele Tonizzo. Pada 2013, profesor Levi mulai bekerja dengan pencetakan 3D di Politecnico di Milano (Milano, Italia). Hingga 2014, ia telah membentuk +LAB di departemen Kimia, Material dan Teknik Kimia "Giulio Natta" universitas. Visi saya adalah menggabungkan R&D, pengajaran, dan inovasi material dengan menggabungkan insinyur, desainer, peneliti, dan maker menjadi hub pencetakan 3D multidisipiliner dan kolaboratif.

 2014 Alat pertama untuk pencetakan 3D komposit termoset serat berkelanjutan 2015 Patent WO2017085649A1 2016 Kerjasama dengan Owens Corning dan KUKA Robotics,
Atropos proyek dan sistem pencetakan 2017 JEC Innovation Award, kerjasama dengan Autodesk,
James Dyson award runner-up,
Kerjasama dengan COMAU automation
(Timeline lengkap)

“Kami memulai moi composites karena kami ingin memproduksi bagian komersial dan terlibat dalam proyek internasional,” menjelaskan Michele Tonizzo. “Kami menemukan bahwa ada banyak pasar. Kami membuat komponen biomedis serta bagian untuk aplikasi laut, minyak & gas, dan penerbangan, terutama menggunakan serat kaca. Teknologi CFM mampu memproduksi solusi unik yang akan mustahil dengan metode tradisional."

 

Propeler 3D print dengan truss struktural internal menggunakan serat kaca berkelanjutan (atas). Proyek ini juga menunjukkan penempatan serat sepanjang kurva non-linear (kiri bawah) dan laminat serat berkelanjutan dengan orientasi serat tradisional (misalnya, 0°,+45°, -45°, 90°, kanan bawah). SUMBER: moi composites

 

Rentang resin dan serat

Atropos telah menunjukkan kemampuan untuk mencetak polimer termoset reinforced serat diskontinu dan berkelanjutan tidak hanya lapis demi lapis, tetapi juga sepanjang kurva non-linear. Ia menggunakan cahaya ultraviolet (UV) untuk mengkuring polimer di tempatnya. “Saat ini kami dapat mencetak dengan UV-cure dalam epoksi, akrilik, dan vinilester,” kata Tonizzo. Ia menyatakan bahwa akrilik bekerja baik untuk bagian arsitektur karena jernih dan tidak memerlukan suhu untuk curing/post-curing. Vinilester digunakan untuk bagian laut dan epoksi untuk bagian minyak & gas serta penerbangan.

“Untuk beberapa aplikasi, curing UV hanyalah tahap awal dan kemudian kita melakukan post-cure dengan pemanas konvensional,” mengamati Tonizzo. “Kami tidak terikat pada curing UV. Kami telah mencetak dengan polimer non-UV curing dan memahami bahwa untuk aplikasi properti lebih tinggi kami akan memerlukan opsi matriks yang berbeda.” Untuk referensi, suhu transisi kaca (Tg) untuk resin yang paling umum digunakan, vinilester, sekitar 140°C.

 

“Kami juga bekerja dengan serat karbon tetapi tidak dengan resin curing UV,” kata Tonizzo. Ia menegaskan bahwa transparansi serat dan warna mempengaruhi curing UV. “Masalah dengan karbon adalah ia tidak transparan dan hitam. Ini adalah kombinasi terburuk. Kami ingin mengembangkan solusi terbaik untuk serat karbon sebagai material, bukan hanya teknologi termudah yang bekerja. Ada banyak opsi material curing lainnya yang dapat kami gunakan, jadi kami sedang menyelidikinya.”

Moi composites dapat mencetak serat konduktif berkelanjutan untuk fungsionalitas listrik/termal, sensori, perubahan bentuk, dll. SUMBER: moi composites.

Moi composites telah mencetak serat kaca berkelanjutan hingga 2400 tex (207 yd/lb dengan diameter maksimum 24 μm menurut data sheet Owens Corning) dan sedang menguji serat alami. Ia juga telah mencetak dengan serat basalt. “Kami dapat mencetak sangat baik dengan curing UV dan serat basalt karena sebenarnya agak transparan dan lebih coklat daripada hitam,” menjelaskan Tonizzo.

Serat yang menghantarkan arus listrik juga dapat digunakan dalam teknologi CFM. Mereka dapat ditempatkan sesuai kebutuhan dalam struktur yang dicetak. Salah satu proyek yang tercantum di situs web +LAB menunjukkan serat Nitinol, yang merupakan alloy memori bentuk. “Jadi Anda dapat membuat struktur yang berubah bentuk,” kata Tonizzo. “Misalnya, Anda dapat menggunakannya untuk melepaskan stres pada serat lain, seperti dalam beton prategang.”

Pencetakan 3D sebagai bagian dari manufaktur hibrida

Atropos menggunakan lengan robotik Kuka dengan envelope cetak 0,5 x 0,5 x 0,5 m tinggi. “Saat ini kami sedang mencetak pada robot Comau dengan envelope cetak 1,0 x 0,5 x 0,8 m tinggi, yang merupakan sistem generasi kedua,” kata Tonizzo. “Kami juga telah menggunakan robot yang lebih besar dengan meja putar dan volume bangun 1,5 x 1,5 x 1 m tinggi dan menunjukkan bahwa teknologi kami mudah diskalakan.”

Moi juga sedang mengembangkan print head generasi ketiga, all-in-one dengan sistem untuk memberikan tekanan pada serat, sensor, mekanisme pemotongan, dan alat pemesinan. Tonizzo mengatakan ini akan menutup kesenjangan antara pencetakan 3D dan penempatan serat otomatis (AFP). “Pencetakan 3D tidak mencapai kinerja AFP, tetapi CFM menawarkan lebih banyak fleksibilitas. Kami sudah dapat mencetak dengan serat tebal 0,25 mm dan memiliki kemampuan untuk membuat kurva serta menempatkan serat berkelanjutan di posisi ideal,” tambahnya.

  

SuPeRIOR adalah proteksi anggota bawah yang dioptimalkan untuk bobot minimum, defleksi, dan biaya. Inti struktural 3D print kemudian dilaminasi dengan serat karbon dan resin epoksi diikuti curing VBO. SUMBER: moi composites.

“Pencetakan 3D harus digunakan untuk apa yang paling baik,” kata Tonizzo, “yang termasuk mengoptimalkan alur kerja. Misalnya, Anda dapat mencetak 3D inti internal dengan undercut dan arah serat cerdas. Kemudian Anda menggunakan laminasi tangan umum di atasnya dan curing dalam autoklaf atau dengan vacuum bag saja.” Ia menggambarkan bagian yang mustahil dibuat secara konvensional dengan cetakan. “Kami mencetak inti internal dan kemudian membungkusnya dalam laminat dan curing autoklaf pada 110°C dan 2 bar tekanan selama beberapa jam. Bagiannya luar biasa.” Bagian ini tercakup oleh perjanjian non-disclosure, jadi tidak ada detail lebih lanjut yang tersedia, tetapi moi telah menghasilkan proteksi SuPeRIOR dengan cara serupa, curing bukan dalam autoklaf tetapi dengan vacuum bag saja (VBO). “Semua internal menggunakan satu serat kaca berkelanjutan,” menjelaskan, “tetapi laminat luar adalah kain serat karbon layup tangan dan resin epoksi.” Desain keseluruhan mengurangi defleksi dan meningkatkan kustomisasi sambil secara signifikan memotong biaya dan waktu produksi.

Software optimisasi berbasis voxel

Tonizzo menjelaskan bahwa proses desain bagian menggabungkan algoritma berbasis voxel Autodesk dengan algoritma moi untuk optimisasi stres dan jalur. Ini adalah yang menghasilkan jalur serat yang dioptimalkan untuk struktur. Software juga bekerja untuk memilih jalur yang paling mungkin untuk diproduksi. “Ini adalah proses iteratif,” kata Tonizzo. “Desain tidak sepenuhnya otomatis seperti desain generatif. Ini masih membutuhkan insinyur untuk membuat pilihan. Tapi saya pikir ini adalah caranya — desainer dan software digabungkan, bukan hanya AI sendirian.”

Masa depan multi-material, potensi pasar yang kuat

Salah satu gambar dari propeller blade yang dicetak Atropos, ada close-up yang menunjukkan pola hampir seperti tenunan. “Ini sebenarnya tidak ditetapkan tetapi akan mungkin segera,” kata Tonizzo. Ia mengarahkan saya ke proyek sine wave di situs web +LAB. “Demonstrator yang ditampilkan dicetak 3D dalam plastik dengan serat pendek dan proses LDM [liquid deposition modeling] saat para peneliti berada di +LAB. Algoritma yang kami gunakan saat itu sama dengan yang kami kembangkan sekarang dengan serat berkelanjutan.”

Sine Wave +LAB menunjukkan pola infill polimer 3D print dengan respons elastis yang dapat disesuaikan. SUMBER: +LAB.

Jelas dari situs web +LAB, bahwa inovasi material dan kemungkinan untuk jenis pencetakan ini hampir tak terbatas. Pertanyaan adalah apa yang akan menawarkan peluang dan potensi paling besar untuk solusi permintaan tinggi. Sementara itu, penyedia material mendukung pengembangan yang berlanjut. Misalnya, Owens Corning tertarik untuk menunjukkan serat kaca dengan lebih banyak matriks, seperti keramik dan beton. Tentu saja, ini sangat menarik untuk aplikasi bangunan dan konstruksi, dan dapat memiliki potensi signifikan dalam considering tren saat ini untuk fabrikasi digital dan konstruksi hemat energi, modul prabuatan offsite, dan keberlanjutan yang ditingkatkan melalui material alami dan daur ulang, semuanya menekankan ringan. “Departemen Giulio Natta di Politecnico di Milano sedang dalam proyek EU untuk mencetak geopolimer yang berperilaku seperti beton,” tambah Tonizzo. “Mereka dikuring sendiri seiring waktu tetapi memiliki konsistensi seperti tanah liat selama pencetakan untuk aliran yang lebih baik. Kami pasti akan terus bekerja di area ini, serta dengan polimer dan serat baru.”

 

Moi composites juga sedang mencetak dengan geopolimer, yang berperilaku seperti beton. SUMBER: +LAB.

Apakah Anda akan menjual mesin? “Ya, tetapi di masa depan,” kata Tonizzo. “Untuk saat ini, kami memproduksi bagian dan membawa teknologi ke fasilitas klien, menggunakan know-how, print head, dan software kami untuk mewujudkan solusi bagian sesuai permintaan.” Ia menambahkan bahwa setelah bekerja tahun ini untuk meningkatkan teknologi dengan adopter awal CFM, dan menunjukkan bisnis case untuk banyak bagian berbeda di pasar yang berbeda, moi composites sekarang mencari investor untuk menskalakan mesin dan proses CFM lebih lanjut untuk peluang pasar komersial.