Geautomatiseerd weefsysteem is gericht op toepassingen met hoge prestaties en grote volumes

Een lang gekoesterde belemmering voor de wijdverbreide acceptatie van composieten, met name in de auto-industrie, is de behoefte aan grootschalige productie en lagere kosten dan haalbaar is met veel soorten composietproductieprocessen. Start-up WEAV3D Inc. (Norcross, Ga., VS) probeert deze problemen op te lossen met zijn continue, thermoplastische composiet versterkende roosterstructuren die zijn vervaardigd in een geautomatiseerd weefproces dat is ontworpen om afvalvrij en kosteneffectief te zijn en, voorspelt WEAV3D Inc. , een enabler voor grootschalige productie.

Van concept tot commercialisering

Christopher Oberste, oprichter en CEO van WEAV3D Inc., ontwikkelde het oorspronkelijke concept voor zijn technologie terwijl hij zijn Ph.D. in materiaalkunde en engineering aan het Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Atlanta) in 2014. Zijn studies in polymeer- en vezeltechnologie en een co-op-stage bij GKN Aerospace North America (Tallassee, Ala., VS) wekten interesse in thermoplasten en processen met een hoog volume, zoals persgieten en ruimtevaartcomposieten. Dit werk leidde tot de ontwikkeling van zijn eerste iteratie voor een snel, geautomatiseerd weefproces voor thermoplastische composietversterkende roosterstructuren. Met de hulp en steun van zijn Ph.D. adviseur, Dr. Ben Wang, Oberste heeft subsidie ​​aangevraagd en ontvangen om zijn idee te ontwikkelen en te commercialiseren van de Georgia Research Alliance en het National Science Foundation's Innovation Corps (NSF I-Corps) programma.

De volgende twee jaar werkte Oberste met MBA- en rechtenstudenten om de technologie te commercialiseren via een samenwerkingsprogramma bij Georgia Tech genaamd TI:GER (Technological Innovation:Generating Economic Results). Tegen 2017 richtten Oberste en mede-oprichter Lewis Motion, een voormalige helikopterpiloot van de Amerikaanse kustwacht, WEAV3D Inc. op met aanvullende financiering van Megawatt Ventures en een U.S. Department of Energy Clean Tech University Prize. vandaag heeft het bedrijf drie fulltime en vier parttime medewerkers in dienst.

Gezien de achtergronden van Oberste en Motion in de lucht- en ruimtevaart, was het oorspronkelijke plan om de thermoplastische composietmaterialen van WEAV3D te kwalificeren als versterkingsstructuren in lucht- en ruimtevaartcomponenten. Oberste legt echter uit dat hij en zijn team als onderdeel van de NSF I-Corps-beurs een reeks van 100 interviews moesten afnemen met potentiële klanten uit de industrie, waardoor ze een andere richting insloegen. “We hebben veel ontdekkingsinterviews gedaan in de lucht- en ruimtevaart … maar we hoorden keer op keer dat het pad voor startups om de lucht- en ruimtevaart in te gaan, vooral met een nieuw productieproces, erg moeilijk is. De adoptietijd is erg lang en erg duur. Veel bedrijven gaan dood voordat ze zelfs maar op de markt kunnen komen”, legt hij uit.

Na gesprekken met bedrijven in andere sectoren, besloten Oberste en zijn team hun focus te verleggen naar de automobiel- en bouwmarkten. Hij zegt:"Toen we eenmaal met mensen [in de auto-industrie] begonnen te praten, realiseerden we ons dat er een grote onvervulde behoefte was in die ruimte, in die zin dat de mensen in de auto-industrie een dringende vraag hebben naar gewichtsvermindering, maar ze zijn ook gevoelig voor prijs. . Ze vertelden ons dat de meeste conventionele productieprocessen voor composieten niet in staat waren om het benodigde volume te leveren tegen de kosten die ze wilden.” Van daaruit begon Oberste zijn technologie te ontwikkelen tot een geschikte oplossing voor het produceren van grote volumes composietonderdelen tegen lage kosten.

Het resultaat is WEAV3D's handelsmerk Rebar for Plastics-concept. Met behulp van een geautomatiseerd weef- en consolidatieproces vervaardigt WEAV3D dimensioneel afstembare, thermoplastische composietroosterstructuren die zijn ontworpen om eenvoudig te worden geïntegreerd als een versterkend materiaal in een kunststof of betonnen onderdeel via persvormen, spuitgieten of andere veel voorkomende processen met een hoog volume. Op basis van simulatiemodellen zegt Oberste dat deze benadering de productie mogelijk maakt van auto-onderdelen met prestaties die vergelijkbaar zijn met die van staal of aluminium plaatwerk, maar die lichter zijn en 30-75% goedkoper om te produceren in vergelijking met composietonderdelen die zijn gevormd via organoplaat, geautomatiseerde tape-legging ( ATL) of handmatige layup-processen.

Het WEAV3D-proces

Het WEAV3D-proces begint met kant-en-klare, thermoplastische unidirectionele (UD) tapes. Oberste zegt dat het proces elk type thermoplast en versterkingsvezel aankan:"Onze beste plek voor het meeste werk dat we in de auto- en constructiesector hebben gedaan, is polypropyleen [PP], polycarbonaat [PC], polyethyleentereftalaat [PET] of polyamide [PA] ruimte. Ook op het gebied van versterkingsvezels zijn we erg agnostisch, al zijn glas- en koolstofvezel natuurlijk het populairst.” Hij zegt dat het team ook wat werk heeft gedaan met geleidende metalen tapes en onderzoek doet naar tapes met ingebouwde glasvezel.

De grootschalige pilotmachine van WEAV3D is gestandaardiseerd om een ​​25 millimeter brede of 1-inch brede tape te verwerken, hoewel Oberste zegt dat de machine tapes van slechts 5 millimeter (0,2 inch) breed kan verwerken met behulp van adapters, en breder banden met ombouw. Op de huidige machine kunnen roosters worden geproduceerd tot 1,5 meter breed (60 inch) en tot vijf lagen dik, op elke gewenste lengte voor de toepassing.

De patentaanvraag van het bedrijf in november 2017 beschrijft het WEAV3D-systeem als "een machine voor het continu vervaardigen van een geweven composiet met een controleerbare interne weefselgeometrie." Van spoelen die op de machine zijn geladen, worden UD-tapes in een reeks onafhankelijk bestuurbare kettingkoppen geschroefd. Elke kop bevat meerdere bandkanalen, die een kettingschuur vormen, een ruimte tussen de kettingbanden voor de inslagrichtingbanden die moeten worden ingeregen. Een inserter-stapel geeft unidirectionele tapes af in de inslagrichting door het scheringvak om een ​​samengesteld weefsel te vormen. Het geweven rooster wordt vervolgens onder een infrarood (IR) lichtbron getrokken en vervolgens door compressierollen om de lagen tape op de interlace-punten te consolideren en aan elkaar te hechten. Afhankelijk van de eisen van de klant wordt de resulterende structuur geleverd als een vlakke plaat of als een rol, of WEAV3D biedt aanvullende trim- en preforming-services.

Een van de belangrijkste voordelen van het WEAV3D-proces, zegt Oberste, is de hoge mate van afstembaarheid van de roosterstructuur voor verschillende toepassingen. Dit omvat het mengen van verschillende materialen op verschillende locaties, evenals het aanpassen van de dichtheid, of afstand tussen de banden, van de roosterstructuur. "We kunnen de roosterstructuur echt optimaliseren voor de vereisten van het eindproduct en tegelijkertijd de totale kosten minimaliseren."

Eenmaal aan de klant geleverd, kunnen de roosters worden geïntegreerd in componenten van polymeerbeton, of onder druk gegoten, gethermovormd of spuitgegoten om een ​​definitief autocomposietonderdeel te vormen. Het WEAV3D-proces is ook geschikt voor verschillende niveaus van complexiteit. Oberste legt uit dat voor relatief eenvoudige onderdelen "dit rooster kan worden gecombineerd met een lamineerproces en vervolgens gethermoformeerd, net als een co-forming-stap. Voor matig complexe onderdelen kunnen we co-forming of preforming doen in compressiegieten, of dat nu thermoplastisch compressievormen of SMC-persvormen is. En voor de zeer complexe onderdelen kunnen we het rooster in elke gewenste vorm voorvormen, het in een gereedschap plaatsen en vervolgens overgieten met spuitgieten op dat onderdeel."

"De grote focus voor ons in het composieten-ecosysteem is dat we een gamechanger zijn voor grootschalige productie", voegt hij eraan toe. Het exacte volume hangt af van de toepassing, maar Oberste schat dat de machines van WEAV3D tussen de 200.000 en 500.000 eenheden per jaar kunnen produceren voor roosteronderdelen die zijn gedimensioneerd voor het versterken van autodeurpanelen.

Bovendien heeft het WEAV3D-product ook verbeterde mechanische eigenschappen vertoond bij het versterken van een composiet- of plastic onderdeel. "Het combineren van een WEAV3D-rooster met bestaande kortvezelige kunststoffen of langvezelige composieten kan de sterkte, stijfheid en taaiheid van het resulterende product aanzienlijk verhogen", zegt Oberste, hoewel hij eraan toevoegt dat de hoeveelheid toename sterk varieert door de specifieke gebruikte materialen en het ontwerp van een bepaald onderdeel. "In sommige toepassingen zorgt deze verbeterde prestatie ervoor dat de dikte of ribbels van onderdelen aanzienlijk worden verminderd, wat zich vertaalt in een lager gewicht."

Geulen van gewapend beton:eerste commerciële toepassing

De eerste paar jaar lag de focus van het startende bedrijf op het produceren van een productiemethode en materialen die specifiek geschikt zijn voor de auto-industrie, hoewel Oberste ideeën heeft over hoe deze technologie kan worden gebruikt in interieurcomponenten voor de commerciële ruimtevaart, onbemande defensievliegtuigen, spoor-, vracht transport en maritieme toepassingen.

Voor de eerste commerciële toepassing die in november 2020 werd aangekondigd, begon WEAV3D echter met de bouwmarkt, met behulp van glasvezel/PET-versterkingen voor een polymeerbetongeulsysteem vervaardigd door Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Ga., V.S.).

Het greppelsysteem van Oldcastle, dat wordt gebruikt voor het leiden van nutskabels in stedelijke gebieden, treinstations of industriële installaties, moet bestand zijn tegen 16.000 pond belasting van voertuigen die eroverheen rijden. Voorheen werd de greppel versterkt met op maat gelaste kooien van staaldraad die in het beton waren ingebed. Volgens Oberste waren deze stalen kooien echter duur om op maat te vervaardigen en aangezien Oldcastle sleuven van verschillende afmetingen maakt, hadden de stalen kooien niet altijd de juiste afmetingen om de drainagegaten van de greppel goed te versterken. “Met ons proces, omdat we het rooster echt kunnen optimaliseren voor de vereisten van de toepassing, waren we in staat om de roostergeometrie af te stemmen — bijvoorbeeld om ervoor te zorgen dat we versterking rond de afvoergaten aan de onderkant van de greppel en versterking aan de uiteinden van de greppel zodat deze tijdens het hanteren beschermd is tegen schokken”, zegt hij.

Bovendien was een van de meest uitdagende aspecten van het project, zegt Oberste, het identificeren van een thermoplastisch tapemateriaal dat een hechte verbinding met het polymeerbeton zou kunnen vormen, in plaats van alleen te vertrouwen op een mechanische interface, zoals het geval is bij stalen kooien. versterkingen. Het door WEAV3D geselecteerde materiaal polyethyleentereftalaatglycol (PETG) vormt een echte hechtende interface tussen de twee materialen, wat helpt bij spanningsoverdracht en de kans op breuk vermindert. "Zelfs als er breuk optreedt", voegt hij eraan toe, "is het veel minder waarschijnlijk dat die breuk zich door de structuur voortplant omdat het die adhesieve interface moet overwinnen."

WEAV3D produceert de roosters die voor deze toepassing zijn ontworpen als een U-kanaalvoorvorm, die Oldcastle vervolgens in een gietvorm plaatst waar polymeerbeton overheen wordt gegoten, gevolgd door uitharding en ontkisting om de uiteindelijke structuur van gewapend beton te produceren.

Binnen de bouw heeft WEAV3D plannen om zijn roosters uit te breiden naar andere toepassingen van polymeerbeton, zoals behuizingen en deksels. In oktober 2020 heeft WEAV3D, in een gezamenlijk voorstel met Western Ontario University en bouwtechnisch ingenieursbureau Entuitive, een beurs gekregen van de National Sciences and Engineering Research Council van Canada om onderzoek te doen naar het gebruik van WEAV3D's roosters als versterking in traditioneel Portlandcement- ook op basis van beton. Het doel is om roosters te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt als versterkingen voor utiliteitsbouwplaten en -gevels, zegt Oberste.

Next-generation WEAV3D:Automotive snelheden

Een volgende generatie versie van de WEAV3D-machine, ontworpen om te voldoen aan de behoeften van de automobielindustrie, is in ontwikkeling met onderzoeksfinanciering van NSF. Oberste zegt dat het waarschijnlijk in 2022 online zal komen. Verbeteringen in het nieuwe systeem zijn bedoeld om de productiesnelheid van het huidige systeem te verdrievoudigen, inclusief de vervanging van IR-verwarmings- en compressierollen door efficiënter ultrasoon lassen.

Tegelijkertijd zijn Oberste en zijn team besprekingen begonnen met Amerikaanse en Europese Tier 1's en OEM's in de auto-industrie over het gebruik van WEAV3D-producten om plastic panelen te versterken, variërend van interieurcomponenten tot laadkleppen van pick-ups. "Een van de doelen is om een ​​rooster toe te voegen als een structureel skelet binnen gegoten plastic componenten om hun sterkte en stijfheid te verbeteren en om metalen beugels en verstijvers te vervangen waar ontwerpers momenteel op vertrouwen", zegt Oberste. WEAV3D werkt ook aan demonstratieartikelen van carrosseriepanelen en andere componenten om de voordelen van het materiaal te demonstreren.