Dalam beberapa tahun terakhir, baik di dalam negeri maupun internasional, teknologi pencetakan baru untuk produk komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon telah muncul. Teknologi ini mencakup penempatan serat otomatis, pencetakan konsolidasi cepat ultrasonik, pencetakan konsolidasi laser, pengawetan berkas elektron, pencetakan dengan bantuan vakum, dan pencetakan 3D. Meskipun teknologi pencetakan baru ini memiliki efisiensi tinggi, biaya rendah, konsumsi energi rendah, dan otomatisasi tingkat tinggi, metode tradisional masih memainkan peran penting karena keterbatasan teknologi saat ini dalam aplikasi serat karbon.

Resin termoplastik seperti PEEK, PI, dan PPS menunjukkan ketahanan korosi yang kuat, toleransi kerusakan, ketahanan benturan, dan ketangguhan patah. Bahan ini juga melunak dan meleleh saat dipanaskan, sehingga dapat digunakan berulang kali. Ketika dikombinasikan dengan serat karbon berkekuatan tinggi, komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon ini dengan cepat menjadi populer dalam aplikasi luar angkasa, militer, dan sipil kelas atas. Seiring waktu, berbagai proses pencetakan telah dikembangkan untuk aplikasi serat karbon. Saksobra Materi BaruCo., Ltd, mengkhususkan diri dalam produksi produk komposit serat karbon dan telah membandingkan kelebihan dan kekurangan beberapa metode pencetakan yang banyak digunakan dan matang.

Proses Pencetakan Autoklaf

Pencetakan autoklaf menggunakan gas terkompresi bersuhu tinggi di dalam autoklaf untuk memanaskan dan memberi tekanan pada prepreg yang sudah dipasang sebelumnya, sehingga mengeraskannya menjadi bentuk. Metode ini banyak digunakan untuk pencetakan integral material komposit berbasis resin dan sangat penting dalam produksi industri. Misalnya, 80% bagian struktur komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon yang digunakan pada badan pesawat, kemudi, elevator, kulit sayap, dan sirip ekor diproduksi menggunakan cetakan autoklaf.

Selama proses pencetakan autoklaf, prepreg disegel dalam kantong vakum di dalam cetakan, memastikan tekanan seragam dari udara bertekanan ke segala arah. Aliran udara bertekanan berkecepatan tinggi di dalam autoklaf memastikan pemanasan seragam selama tahap pemanasan dan pendinginan. Selain itu, tekanan dan suhu yang stabil di dalam autoklaf menghasilkan porositas yang rendah dan distribusi serat yang seragam pada produk komposit. Oleh karena itu, produk termoplastik yang diperkuat serat karbon yang dicetak secara autoklaf menunjukkan distribusi tekanan/panas yang seragam dan kualitas yang stabil, sehingga metode ini cocok untuk memproduksi komponen struktural yang besar dan kompleks. Namun, kelemahannya meliputi peralatan yang besar dan rumit, konsumsi energi yang tinggi, biaya investasi dan produksi yang besar, serta efisiensi yang rendah.

Proses Pencetakan Kompresi

Pencetakan kompresi melibatkan berbagai tahapan seperti plastisisasi bahan, aliran untuk mengisi rongga cetakan, dan pengawetan resin. Selama aliran bahan cetakan komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon ke dalam rongga cetakan, baik resin termoplastik maupun serat karbon penguat kekuatan tinggi perlu mengalir, sehingga menghasilkan tekanan cetakan yang lebih tinggi dibandingkan dengan metode lain. Proses ini memerlukan mesin press hidrolik yang mampu mengontrol tekanan dan cetakan logam berkekuatan tinggi, presisi tinggi, dan tahan suhu tinggi. Wuxi Zhishang New Material umumnya menggunakan metode autoklaf dan pencetakan kompresi untuk pembuatan produk komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon.

Produk yang diperkuat serat karbon termoplastik cetakan kompresi menunjukkan tegangan internal yang rendah, lengkungan minimal, permukaan halus, akurasi dimensi tinggi, sifat mekanik stabil, penyusutan rendah, dan kemampuan pengulangan yang baik. Metode ini cocok untuk mencetak produk datar besar dengan efisiensi produksi tinggi dan kemampuan mencetak struktur kompleks sekaligus, sehingga memfasilitasi produksi massal, spesialisasi, dan otomatisasi. Namun, kompleksitas dan tingginya biaya pembuatan cetakan, siklus pencetakan yang panjang, dan tantangan dalam mencapai pengisian cetakan yang lengkap merupakan kelemahan utama dalam aplikasi serat karbon.

Proses Penggulungan Filamen

Penggulungan filamen melibatkan pemanasan awal serat karbon kontinyu berkekuatan tinggi yang diresapi resin dan menggulungnya ke mandrel. Pemanasan terus-menerus dan penerapan tekanan mengkonsolidasikan prepreg ke dalam struktur terpadu, membentuk komponen yang diinginkan lapis demi lapis. Faktor-faktor seperti suhu pemanasan, metode penggulungan, celah ekstrusi, suhu resin, dan tegangan penggulungan serat secara langsung berdampak pada kualitas produk.

Dibandingkan dengan proses autoklaf, penggulungan filamen lebih kondusif untuk produksi mekanis dan memungkinkan penyesuaian kinerja kekuatan serat karbon dengan mengubah pola penggulungan. Namun, karena ketidakmampuan serat karbon untuk melekat erat pada permukaan mandrel selama penggulungan, metode ini tidak cocok untuk pembuatan komponen dengan permukaan cekung atau cembung.

Proses Pultrusi

Pultrusion melibatkan impregnasi serat karbon berkekuatan tinggi dalam resin dan menariknya melalui cetakan di mana serat tersebut dibentuk dan diawetkan di bawah tekanan, membentuk produk komposit yang panjangnya terus menerus. Proses ini cocok untuk pembuatan komponen berpenampang melintang konstan dan kontinyu, artinya proses ini hanya dapat menghasilkan profil linier dan bukan bagian struktural berbentuk kompleks. Selain itu, karena sifat anisotropik produk, kekuatan transversalnya terbatas, sehingga menimbulkan kendala penerapan pada produk yang diperkuat serat karbon.

Untuk produksi produk termoplastik yang diperkuat serat karbon linier dalam skala besar, proses ini menawarkan otomatisasi tinggi, konsumsi energi rendah, kandungan serat karbon tinggi, kualitas produk stabil, dan konsumsi bahan baku rendah. Ini adalah metode yang disukai untuk memproduksi jenis produk tertentu.

Teknologi yang Sedang Muncul

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak teknologi pencetakan baru untuk produk komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon telah muncul secara global. Ini termasuk penempatan serat otomatis, konsolidasi cepat ultrasonik, konsolidasi laser, pengawetan berkas elektron, pencetakan dengan bantuan vakum, dan pencetakan 3D. Teknologi baru ini menawarkan efisiensi tinggi, biaya rendah, konsumsi energi rendah, dan otomatisasi tingkat tinggi. Namun, mengingat tingkat teknologi di Tiongkok saat ini, masih terdapat kesenjangan yang signifikan dalam penelitian dan penerapan praktis dibandingkan dengan negara-negara maju. Untuk jangka waktu yang cukup lama, metode pencetakan tradisional akan terus menjadi penting untuk memproduksi komponen struktur komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon dan produk lainnya dalam aplikasi serat karbon.