WEAV3D’s Geautomatiseerde Weefsysteem Drijft Hoogpresterende, Hoogvolume Composietproductie

Een langdurige barrière voor brede composietadoptie, met name in de auto-industrie, is de behoefte aan hoogvolumeproductie en lagere kosten dan haalbaar met veel composietproductieprocessen. Startup WEAV3D Inc. (Norcross, Georgia, VS) wil deze kwesties oplossen met zijn continue, thermoplastische composiet versterkende roosterstructuren, geproduceerd in een geautomatiseerd weefproces dat ontworpen is om afvalvrij, kosteneffectief en, volgens WEAV3D, een enabler voor hoogvolumeproductie te zijn.

Van concept tot commercialisatie

Christopher Oberste, oprichter en CEO van WEAV3D Inc., ontwikkelde het initiële concept voor zijn technologie tijdens het behalen van zijn Ph.D. in materiaalkunde en engineering aan het Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Atlanta) in 2014. Zijn studies in polymer- en vezeltechnologie en een co-op stage bij GKN Aerospace North America (Tallassee, Alabama, VS) wekten zijn interesse in thermoplasten en hoogvolumeprocessen zoals compressiesgieten en luchtvaartcomposieten. Dit werk leidde tot de ontwikkeling van zijn eerste iteratie voor een hoogspnel, geautomatiseerd weefproces voor thermoplastische composiet versterkende roosterstructuren. Met de hulp en steun van zijn Ph.D.-begeleider, Dr. Ben Wang, solliciteerde Oberste en ontving hij subsidiefinanciering om zijn idee te ontwikkelen en te commercialiseren via 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 juridische studenten aan de commercialisering van de technologie via een collaboratief programma bij Georgia Tech genaamd TI:GER (Technological Innovation: Generating Economic Results). In 2017, met aanvullende financiering van Megawatt Ventures en een U.S. Department of Energy Clean Tech University Prize, richtten Oberste en medeoprichter Lewis Motion, een voormalige Amerikaanse Kustwacht-helikopterpiloot, WEAV3D Inc. op; vandaag de dag telt het bedrijf drie voltijds en vier deeltijds medewerkers.

Gegeven Oberste’s en Motion’s achtergrond in de luchtvaart, was het initiële plan om WEAV3D’s thermoplastische composietmaterialen te kwalificeren als versterkingsstructuren in luchtvaartcomponenten. Echter, Oberste legt uit dat als onderdeel van de NSF I-Corps subsidie, hij en zijn team een serie van 100 interviews moesten voeren met potentiële industriële klanten, wat hen leidde tot een andere richting. „We deden veel ontdekkingsinterviews in de luchtvaart… maar we hoorden keer op keer dat de weg voor startups naar de luchtvaart, met name met een nieuw productieproces, erg moeilijk is. De adoptietijd is heel lang, en het is erg duur. Veel bedrijven sterven voordat ze de markt überhaupt halen,” legt hij uit.

Na gesprekken met bedrijven in andere sectoren, besloten Oberste en zijn team de focus te verleggen naar de auto- en bouwmarkten. Hij zegt: „Zodra we begonnen te praten met mensen in de auto-industrie, realiseerden we ons dat er een echt grote onbevreden behoefte was in die ruimte, namelijk dat auto-fabrikanten een grote dringende vraag hebben naar gewichtsreductie, maar ook prijsgevoelig zijn. Ze vertelden ons dat de meeste conventionele composietproductieprocessen niet in staat waren om het volume te leveren dat ze nodig hadden tegen de kosten die ze wilden.” Vanaf daar zette Oberste zijn technologie in om een enablende oplossing te zijn voor het produceren van hoogvolume composietonderdelen tegen lage kosten.

Het resultaat is WEAV3D’s getrademerkte Rebar for Plastics-concept. Met een geautomatiseerd weef- en consolidatieproces produceert WEAV3D dimensioneel instelbare, thermoplastische composiet roosterstructuren ontworpen om eenvoudig geïntegreerd te worden als versterkingsmateriaal in een kunststof- of betondeel via compressiesgieten, injectie-overmolding of andere veelvoorkomende hoogvolumeprocessen. Op basis van simulatiemodellen zegt Oberste dat deze benadering de productie van auto-onderdelen met prestaties op niveau met staal of aluminium bladmetaal mogelijk maakt, maar die lichter zijn en 30-75% minder duur om te produceren versus composietonderdelen gevormd via organosheet, geautomatiseerd tapelayeren (ATL) of handmatig leggen.

Het WEAV3D-proces

Het WEAV3D-proces begint met standaard, thermoplastische unidirectionele (UD) banden. Oberste zegt dat het proces elk type thermoplast en versterkingsvezel kan aan: „Onze sweet spot voor het meeste werk dat we in auto- en bouw doen, ligt in de polypropylene [PP], polycarbonaat [PC], polyethyleentereftalaat [PET] of polyamide [PA] ruimte. We zijn erg agnostisch wat versterkingsvezels betreft, hoewel glas- en koolstofvezel natuurlijk de populairste zijn.” Hij zegt dat het team ook werk heeft gedaan met geleidende metallische banden en onderzoekt banden met ingebedde vezeloptica.

WEAV3D’s full-scale pilotmachine is gestandaardiseerd om 25-millimeter brede of 1-inch brede banden te verwerken, hoewel Oberste zegt dat de machine banden van 5 millimeter (0,2 inch) kan aan met adapters, en bredere banden met herbouw. Op de huidige machine kunnen roosters tot 1,5 meter breed (60 inch) en tot vijf lagen dik worden geproduceerd, in elke lengte die de toepassing vereist.

Het bedrijfs oktober 2017 octrooiaanvraag beschrijft het WEAV3D-systeem als „een machine voor het continu fabriceren van een geweven composiet met controleerbare interne stofgeometrie.” Van spoelen geladen op de machine, worden UD-banden in een array van onafhankelijk controleerbare warp-koppen getooid. Elke kop bevat meerdere bandkanalen, die een warp-scheiding vormen, een ruimte tussen de warp-banden voor de weft-banden om doorheen getooid te worden. Een inserter-stack serveert unidirectionele banden in de weft-richting door de warp-scheiding om een composietweefsel te vormen. Het geweven rooster wordt vervolgens onder een infrarood (IR) lichtbron getrokken en vervolgens door compressierollen om de lagen banden samen te consolideren en te binden op de verweven punten. Afhankelijk van klantvereisten, wordt de resulterende structuur geleverd als een plat vel of als een rol, of WEAV3D biedt aanvullende aftrekking en preforming diensten.

Een van de belangrijkste voordelen van WEAV3D’s proces, aldus Oberste, is de hoge mate van instelbaarheid van de roosterstructuur voor verschillende toepassingen. Dit omvat het mengen van verschillende materialen op verschillende locaties, alsmede het aanpassen van de dichtheid, of afstand tussen de banden, van de roosterstructuur. „We kunnen de roosterstructuur echt optimaliseren voor de eisen van het eindproduct terwijl de totale kosten geminimaliseerd worden.”

Eenmaal bij de klant geleverd, kunnen de roosters geïntegreerd worden in polymere betoncomponenten, of gecomprimeerd gevormd, thermoge vormd of injectie-overmolded om een eind auto-composietonderdeel te vormen. Het WEAV3D-proces kan ook variërende complexiteitsniveaus aan. Oberste legt uit dat voor relatief eenvoudige onderdelen, „dit rooster gecombineerd kan worden met een laminatieproces en dan thermoge vormd, net als een co-forming stap. Voor matig complexe onderdelen, kunnen we co-forming of preforming in compressiesgieten doen, of dat nu thermoplast compressiesgieten of SMC compressiesgieten is. En dan voor de heel complexe onderdelen, kunnen we het rooster eigenlijk preformen in welke vorm het ook moet zijn, het in een mal plaatsen en dan injectie-overmolding op dat onderdeel doen.”

„De grote focus voor ons in het composiet-ecosysteem is dat we een game-changer zijn voor hoogvolumeproductie,” voegt hij toe. Het exacte volume hangt af van de toepassing, maar Oberste schat dat voor roosteronderdelen afgemaat voor het versterken van autopaneelen, WEAV3D’s machines tussen de 200.000 en 500.000 eenheden per jaar kunnen produceren.

Daarnaast heeft het WEAV3D-product ook verbeterde mechanische eigenschappen getoond bij het versterken van een composiet- of kunststofonderdeel. „Het combineren van een WEAV3D-rooster met bestaande korte-vezel kunststoffen of lange-vezel composieten kan de sterkte, stijfheid en touwheid van het resulterende product aanzienlijk verhogen,” zegt Oberste, hoewel hij toevoegt dat de mate van toename breed varieert per specifieke materialen en ontwerp van een bepaald onderdeel. „In sommige toepassingen stelt deze verhoogde prestatie een substantiële reductie van de dikte of versterking van het onderdeel mogelijk, wat vertaalt naar gewichtsreductie.”

Versterkte beton graven: Eerste commerciële toepassing

De eerste paar jaar was de focus van het startupbedrijf op het produceren van een productiemethode en materialen geschikt voor de auto-industrie specifiek, hoewel Oberste ideeën heeft over hoe deze technologie gebruikt kan worden in commerciële luchtvaart interieurcomponenten, onbemande verdedigingsvliegtuigen, spoorweg, vrachttransport en maritieme toepassingen.

Voor de eerste commerciële toepassing aangekondigd in november 2020, begon WEAV3D echter met de bouwmarkt, met glasvezel/PET versterkingen voor een polymere beton graafstelsel geproduceerd door Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Georgia, VS).

Oldcastle’s graafstelsel, gebruikt voor het wegleggen van utiliteitskabels in stedelijke gebieden, treinstations of industriële installaties, moet in staat zijn 16.000 pond belasting van voertuigen die eroverheen rijden te weerstaan. Eerder werd de graaf versterkt met op maat gelaste staaldraadkooien in het beton gegoten. Echter, volgens Oberste, waren deze staalkooien zowel duur om op maat te produceren en, aangezien Oldcastle graven van verschillende maten maakt, waren de staalkooien niet altijd de juiste afmetingen om de afvoergaten van de graaf goed te versterken. „Met ons proces, omdat we de rooster echt kunnen optimaliseren voor de toepassingseisen, konden we de roostergeometrie instellen – bijvoorbeeld om versterking rond de afvoergaten aan de bodem van de graaf toe te voegen, en versterking aan de uiteinden van de graaf zodat het beschermd is tegen impact tijdens hantering,” zegt hij.

Daarnaast was een van de meest uitdagende aspecten van het project, aldus Oberste, het identificeren van een thermoplast bandmateriaal dat een lijmende binding kon vormen met de polymere beton, in plaats van te vertrouwen op puur een mechanische interface, zoals bij staalkooiversterkingen. Het polyethyleentereftalaatglycol (PETG) materiaal dat WEAV3D selecteerde, vormt een echte lijmende interface tussen de twee materialen, wat helpt bij spanningsoverdracht en de kans op breuk vermindert. „Zelfs als breuk wel optreedt,” voegt hij toe, „is die breuk veel minder geneigd om door de structuur te propageren omdat het die lijmende interface moet overwinnen.”

WEAV3D produceert de roosters voor deze toepassing als een U-kanaal preform, die Oldcastle vervolgens in een gietsmal plaatst waar polymere beton over wordt gegoten, gevolgd door uitharding en demolden om de eind versterkte betonstructuur te produceren.

Binnen de bouw heeft WEAV3D plannen om zijn roosters uit te breiden naar andere polymere beton toepassingen zoals behuizingen en deksels. In oktober 2020 werd WEAV3D, in een gezamenlijk voorstel met Western Ontario University en structureel engineering bureau Entuitive, een subsidie toegekend door de National Sciences and Engineering Research Council of Canada om onderzoek te doen naar het gebruik van WEAV3D’s roosters als versterking in traditionele Portland cement-gebaseerde beton. Het doel is roosters te ontwikkelen die gebruikt kunnen worden als versterking voor niet-residentiële gebouwvloeren en gevels, aldus Oberste.

Next-generation WEAV3D: Auto-snelheden

Een next-generation versie van de WEAV3D-machine, ontworpen om te voldoen aan de behoeften van de autofabrikage, is in ontwikkeling met onderzoekfinanciering van NSF. Oberste zegt dat het waarschijnlijk in 2022 online zal komen. Verbeteringen in het nieuwe systeem zijn gericht op het verdrievoudigen van de productiesnelheid van het huidige systeem, inclusief de vervanging van IR-verhitting en compressierollen door efficiëntere ultrasonische letseling.

Tegelijkertijd hebben Oberste en zijn team gesprekken begonnen met Amerikaanse en Europese Tier 1’s en OEM’s in de auto-industrie over het gebruik van WEAV3D-producten om kunststofpanelen te versterken, variërend van interieurcomponenten tot pick-up truck achterklappen. „Een van de doelen is om een rooster als structureel skelet in geëxtrudeerde kunststofcomponenten te integreren om hun sterkte en stijfheid te verbeteren en de metallen beugels en verstevigers te vervangen waar ontwerpers momenteel op vertrouwen,” zegt Oberste. WEAV3D werkt ook aan demonstratie-artikelen van auto-carrosseriepanelen en andere componenten om de voordelen van het materiaal te tonen.