Автоматизированная система плетения WEAV3D обеспечивает высокопроизводительное композитное производство

Одним из давно существующих барьеров для массового внедрения композитов, особенно в автопроме, является потребность в высоком объеме производства и более низкой стоимости, чем позволяют многие композитные технологии. Стартап WEAV3D Inc. (Норкросс, Джорджия, США) решает эти вопросы непрерывными термопластиковыми композитными армирующими решетчатыми структурами, производимыми в автоматизированном процессе плетения, спроектированном как безотходный, стоимостно-эффективный и, по прогнозу WEAV3D, позволяющий высокообъемное производство.

От концепции к коммерциализации

Кристофер Оберсте, основатель и CEO WEAV3D, разработал исходную концепцию технологии, получая PhD в материаловедении и инженерии в Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Атланта) в 2014 году. Изучение полимерной и волокнистой инженерии и стажировка в GKN Aerospace North America (Талласи, Алабама, США) пробудили интерес к термопластикам и высокообъемным процессам вроде прессовки и аэрокосмических композитов. Это привело к разработке первой итерации высокоскоростного автоматизированного процесса плетения для термопластиковых композитных армирующих решеток. С помощью научного руководителя д-ра Бена Ван Оберсте получил гранты на разработку и коммерциализацию от Georgia Research Alliance и программы NSF I-Corps.

Следующие два года Оберсте работал со студентами MBA и права на коммерциализацию через коллаборативную программу Georgia Tech TI:GER. К 2017 году, с дополнительным финансированием от Megawatt Ventures и приза U.S. Department of Energy Clean Tech University Prize, Оберсте и сооснователь Льюис Моушн, бывший пилот вертолетов'US Coast Guard, основали WEAV3D Inc.; сегодня компания нанимает 3 полных и 4 частичных сотрудника.

Учитывая бэкграунд Оберсте и Моушн в аэрокосмике, первоначальный план — квалификация материалов WEAV3D как армирующих структур в аэрокосмических компонентах. Однако в рамках гранта NSF I-Corps команде пришлось провести 100 интервью с потенциальными клиентами, что повлекло смену направления. «Мы делали много интервью в аэрокосмике... но снова и снова слышали: путь для стартапов в аэрокосмику, особенно с новым производственным процессом, очень сложен. Время принятия действительно длинное, и это очень дорого. Многие компании умирают до выхода на рынок», — объясняет Оберсте.

После бесед с компаниями других отраслей фокус сместили на авто и строительные рынки. «Когда мы начали говорить с людьми [в автопроме], поняли: там огромная неудовлетворенная потребность. Автопром давит на снижение веса, но чувствителен к цене. Они сказали: большинство обычных композитных процессов не дают нужный объем по нужной цене». Оттуда Оберсте эволюционировал технологию как эйблер для высокообъемных композитных деталей при низкой стоимости.

Результат — товарный знак WEAV3D «Rebar for Plastics» (Арматура для пластиков). Автоматизированным плетением и консолидацией WEAV3D производит размерно-настраиваемые термопластиковые композитные решетки, легко интегрируемые как армирующий материал в пластиковую или бетонную деталь через прессовку, инжекционную овермолдинг или другие массовые процессы. По симуляционным моделям, подход дает автодетали с производительностью на уровне стали или алюминиевого листа, но легче и на 30–75% дешевле versus органошит, ATL или ручная укладка.

Процесс WEAV3D

Процесс начинается с готовых термопластиковых унинаправленных (UD) лент. Оберсте: процесс работает с любым термопластом и армирующим волокном: «Наша сладкая зона — полипропилен [PP], поликарбонат [PC], PET или полиамид [PA]. Мы агностичны к армированию, хотя стекло и углерод — самые популярные». Команда также работала с проводящими металлическими лентами и исследует ленты с встроенной волоконной оптикой.

Пилотная установка стандартизирована под ленту 25 мм (1 дюйм), но может обрабатывать от 5 мм (0,2 дюйма) с адаптерами и шире с переоборудованием. На текущей машине решетки до 1,5 м ширины (60 дюймов), до 5 слоев толщины, любой длины.

Патент ноя 2017 г. описывает систему как «машину для непрерывного изготовления сплетенного композита с управляемой внутренней геометрией ткани». С бобин UD-ленты подаются в массив независимо управляемых базовых головок. Каждая головка содержит несколько каналов ленты, формируя базовое щели (warp shed) — пространство между базовыми лентами для заведения утовых лент. Инсертер раздает утовые ленты через щель, формируя композитный плет. Сплетенная решетка проходит под ИК-источником и через компрессионные ролики для консолидации и склеения слоев в точках переплетения. По требованию клиента результат поставляется как плоский лист, рулон, или WEAV3D предлагает дополнительную обрезку и преформовку.

Один из ключевых плюсов — высокая настраиваемость решетки под применение: смешивание материалов в разных зонах, изменение плотности (расстояния между лентами). «Мы можем реально оптимизировать решетку под требования конечного изделия, минимизируя общую стоимость».

У клиента решетки интегрируются в полимеробетонные компоненты, прессоваются, термоформируются или инжекционно овермолдингуются в финальную автодеталь. Процесс WEAV3D допускает разную сложность. Для простых деталей: «решетка комбинируется с ламинацией и термоформируется как ко-формование. Для средней сложности — ко-формование или преформовка в прессовке (термопластиковая или SMC). Для очень сложных — преформовка решетки в нужную форму, укладка в инструмент и инжекционный овермолдинг».

«Главный фокус в экосистеме композитов — мы гейм-чейнджер для высокообъемного производства», — добавляет Оберсте. Точный объем зависит от применения, но для решеток под автодвери оценивается 200 000–500 000 единиц в год на машине.

Кроме того, продукт WEAV3D показывает улучшенные механические свойства при армировании композита или пластика. «Комбинация решетки WEAV3D с существующими коротковолокнистыми пластиками или длинноволокнистыми композитами может значительно повысить прочность, жесткость и вязкость результата», — говорит Оберсте, хотя прирост варьируется по материалам и дизайну. «В некоторых применениях это позволяет существенно снизить толщину или ребра, что переводится в снижение веса».

Армированные бетонные желоба: первое коммерческое применение

Первые годы фокус — автопром, но Оберсте видит применение в аэрокосмических интерьерах, БПЛА, ж/д, грузоперевозках, морепродуктах.

Первое коммерческое применение (ноябрь 2020) — строительный рынок: стекловолокно/PET армирование для полимеробетонной системы желобов Oldcastle Infrastructure (Атланта, Джорджия, США). Желоба для прокладки кабелей в городах, вокзалах, заводах должны выдерживать нагрузку 16 000 фунтов от транспорта сверху. Раньше армирование — кастомные сваренные стальные клетки, заложенные в бетон. По Оберсте, они дороги в кастомном производстве и, так как Oldcastle делает желоба разных размеров, стальные клетки не всегда правильных размеров для армирования дренажных отверстий. «Наш процесс позволяет оптимизировать решетку под требования: например, добавить армирование вокруг дренажных отверстий на дне и на концах для защиты от ударов при манипулировании».

Сложнейший аспект — найти термопластиковую ленту, формирующую адгезивное связывание с полимеробетоном, а не только механическое сцепление как со сталью. Выбранный полиэтилентерефталатгликоль (PETG) образует настоящее адгезивное межфазное 경계, улучшая перенос напряжений и снижая вероятность разлома. «Даже если разлом происходит, он менее вероятно пропагирует через структуру, так как должен преодолеть адгезивный интерфейс».

WEAV3D производит решетки как U-образные преформы, которые Oldcastle укладывает в литейную форму, заливает полимеробетон, отвердевает и разформовывает в финальную армированную структуру.

В строительстве планы — расширение в другие полимеробетонные применения: камеры, крышки. Октябрь 2020: WEAV3D в совместном предложении с Western Ontario University и Entuitive получила грант NSERC Канады на исследование решеток как армирования в традиционном портландцементном бетоне. Цель — решетки для армирования плит и фасадов нежилых зданий.

Поколение WEAV3D Next: автомобильные темпы

Новое поколение машины WEAV3D для автопрома в разработке с грантом NSF. Оберсте: вероятно запуск в 2022. Улучшения — утроение скорости производства, замена ИК-нагрева и роликов на более эффективную ультразвуковую сварку.

Параллельно Оберсте и команда начали дискуссии с Tier 1 и OEM в США и Европе об использовании продуктов WEAV3D для армирования пластиковых панелей — от интерьера до задних дверей пикапов. «Цель — добавить решетку как структурный скелет в литые пластиковые компоненты для повышения прочности и жесткости и замены металлических кронштейнов и усилителей, на которые сейчас полагаются дизайнеры». WEAV3D также работает над демонстрационными образцами автопанелей и других компонентов для демонстрации преимуществ материала.