Fraunhofer IPT mengotomatiskan produksi bilah kipas mesin CFRP termoplastik
Bahan untuk pesawat harus sangat tahan dan pada saat yang sama seringan mungkin. Menawarkan keduanya, plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) telah digunakan lebih dan lebih sering pada bilah kipas aeroengine. (Lihat “Rolls-Royce memulai pembuatan bilah kipas terbesar di dunia”). Namun, produksi komponen ini sangat memakan waktu dan mahal karena harus dirawat selama beberapa jam di dalam autoklaf. Sebuah tim peneliti dari Institut Teknologi Produksi Fraunhofer (IPT, Aachen, Jerman) sedang berupaya untuk mengotomatisasi produksi bilah kipas CFRP lebih jauh lagi.
Produksi banyak komponen CFRP sudah sebagian otomatis. Prepreg setengah jadi yang telah diresapi sebelumnya — biasanya terbuat dari resin epoksi yang diperkuat serat — diterapkan dan diorientasikan dalam lapisan tipis untuk membuat tata letak yang disesuaikan. Ini kemudian disembuhkan di bawah tekanan dan panas dalam proses autoklaf yang intensif energi, biaya dan waktu. Fraunhofer IPT telah meneliti kemungkinan untuk mengotomatisasi lebih lanjut pembuatan blade CFRP agar lebih hemat biaya.
Namun, para peneliti ini tidak mengandalkan bahan berbasis resin epoksi, melainkan pada termoplastik yang diperkuat serat karbon . Bahan-bahan ini telah digunakan dalam struktur terbang selama beberapa dekade, memiliki sifat konstruksi ringan yang baik dikombinasikan dengan perilaku benturan yang sangat baik dan dapat diproses dengan cepat dan fleksibel secara otomatis. Menjadi termoplastik, mereka tidak memerlukan ikatan silang kimia untuk mengeras, tetapi hanya pemanasan untuk meleleh dan tekanan untuk mengkonsolidasikan selama pendinginan terkontrol. Mereka juga dapat dipanaskan dan dibentuk kembali.
Komposit termoplastik karena itu jauh lebih cocok untuk proses manufaktur yang efisien, jelas Dr.-Ing. Henning Janssen, kepala komposit serat dan departemen teknologi sistem laser di Fraunhofer IPT. Dalam beberapa seri pengujian, timnya kini berhasil untuk pertama kalinya dalam menggabungkan dua proses seperti itu untuk produksi bilah kipas:peletakan dan pembentukan pita yang sepenuhnya otomatis.
Rantai proses yang fleksibel:peletakan pita otomatis dan thermoforming
Dengan sistem peletakan pita yang sepenuhnya otomatis, pengembangan eksklusif dari Fraunhofer IPT yang dikomersialkan di bawah lisensi, pita termoplastik yang diperkuat searah (UD) berlapis di atas satu sama lain sesuai dengan arah beban yang dibutuhkan dalam struktur. Dengan cara ini, panel multi-layer, sangat tangguh dan fleksibel, yang disebut lembaran organik, dibuat. Para peneliti memantau dan mendokumentasikan setiap langkah dari proses yang sepenuhnya otomatis menggunakan berbagai sensor. Dengan cara ini, mereka dapat melihat ke dalam "kotak hitam" produksi selama proses tersebut dan membuat apa yang disebut "bayangan digital" untuk setiap lembar organik. Gambar virtual dari lembaran organik nyata ini memungkinkan untuk mengidentifikasi penyimpangan kualitas pada tahap awal dan mengambil tindakan pencegahan yang tepat.
Lembaran organik yang sudah jadi dipanaskan pada langkah produksi berikutnya dan dibentuk mendekati bentuk jaring dalam proses thermoforming. Dalam rangkaian pengujian sebelumnya, proses awalnya diuji pada lembaran organik yang diperkuat kain dengan ketebalan 16 milimeter yang terbuat dari PA12 dan serat karbon dan akan segera dipindahkan ke lembaran organik yang terbuat dari PEEK dan pita serat karbon.
Seri uji untuk menggiling komponen FRP
Setelah thermoforming, tepi lembaran organik yang terbentuk dipangkas dan digiling menjadi bentuk akhir. Penggilingan FRP sangat menantang karena struktur material yang heterogen. Selain itu, serat karbon memiliki efek yang sangat abrasif pada ujung tombak pahat frais dan dengan demikian menyebabkan keausan pahat yang berat dan kualitas pemrosesan yang berfluktuasi.
Satu kemungkinan untuk memperpanjang umur pahat adalah penggunaan pahat penggilingan yang dilapisi dengan berlian polikristalin (PCD). Selama upaya mereka untuk mengerjakan mesin blade CFRP dalam skala yang lebih kecil, para peneliti menemukan bahwa masa pakai alat penggilingan berlapis PCD secara signifikan lebih lama daripada alat yang tidak dilapisi. Selain itu, desain strategi penggilingan yang dirancang secara individual memiliki pengaruh positif pada kualitas pemesinan.
Implementasi dalam berbagai konteks aplikasi industri
Hasil pertama dengan bahan CFRP termoplastik cukup menjanjikan:“Kami dapat menunjukkan bahwa proses manufaktur terkait — pembuatan dan penyelesaian bilah — berfungsi,” kata Daniel Heinen, kepala Unit Bisnis Turbomachinery di Fraunhofer IPT. “Kami mampu mencapai kualitas permukaan yang sangat baik baik dalam arah radial blade maupun antara tepi depan dan belakang blade. Sekarang, kita harus memeriksa dan mengoptimalkan proses individu lebih dekat.”
Proyek penelitian direncanakan untuk beberapa bulan ke depan di mana proses baru akan lebih dioptimalkan dan diperiksa dalam berbagai konteks aplikasi industri. Para ilmuwan Aachen secara khusus tertarik pada penggunaan PEEK termoplastik berkinerja tinggi sebagai matriks dan teknologi laminasi sensor di dalam lembaran organik. Yang terakhir akan memungkinkan tidak hanya untuk memantau proses manufaktur, tetapi juga status komponen selama digunakan nanti di mesin. Penerapan rantai proses pada komponen lain juga diupayakan, misalnya pada komponen stator dan nacelle serta komponen di luar industri penerbangan. Fraunhofer IPT menyambut perusahaan yang tertarik yang ingin mengambil bagian dalam proyek.
