Mempercepat komposit termoplastik di ruang angkasa
Komposit termoplastik yang diperkuat serat terus-menerus (TPC) telah disebut-sebut sebagai teknologi yang memungkinkan untuk masa depan pesawat yang berkelanjutan, menawarkan peningkatan tingkat produksi suku cadang yang ringan dan memiliki ketangguhan tinggi yang dapat digabungkan tanpa lubang atau pengencang ke dalam rakitan las yang ekonomis.
CW menerbitkan serangkaian artikel pada tahun 2018 tentang kaset TPC, konsolidasi dan pengelasan in-situ dan mempresentasikan dua webinar pada tahun 2019 tentang TPC dalam aplikasi otomotif dan pengembangan TPC untuk kedirgantaraan. Sebagian besar saya artikel dan presentasi hingga saat ini referensi produsen suku cadang TPC dan pemasok peralatan di Eropa, serta divisi Dinamika Otomatis Trelleborg di AS. Saya juga melakukan tur ke Tri-Mack Plastics yang berbasis di AS. Tapi sayangnya saya telah mengabaikan produsen suku cadang TPC lain di sini di A.S. yang diam-diam telah mendorong teknologi dan amplop produksi selama 15 tahun. ATC Manufacturing — berlokasi di Post Falls, Idaho di luar Spokane, Washington — memproduksi satu juta suku cadang per tahun, semua termoplastik yang diperkuat serat terus menerus dan semuanya untuk industri kedirgantaraan. Setelah mengembangkan keahlian unik dalam pembentukan cepat suku cadang 3D, ATC juga merupakan mitra utama dalam program penelitian RApid High-Performance Moulding (RAPM) dengan Boeing Co. (Chicago, Illinois, AS) dan Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA , Arlington, Va., AS) untuk Departemen Pertahanan (DoD) AS.
ATC Manufacturing memproduksi satu juta suku cadang komposit termoplastik per tahun untuk aplikasi luar angkasa, termasuk rusuk, klip, braket, dan pengaku. SUMBER | Manufaktur ATC
Siapa itu ATC?
ATC Manufacturing didirikan pada tahun 2004 oleh mantan insinyur Boeing Dan Jorgenson, yang tetap menjadi co-chairman perusahaan. “Kami selalu memiliki fokus teknis dan rekayasa yang kuat,” kata David Leach, direktur pengembangan bisnis untuk ATC Manufacturing. Perusahaan ini juga memiliki sejarah panjang dengan Boeing, yang diakui sebagai pemasok tingkat Perak selama lima tahun terakhir berturut-turut dan dinominasikan sebagai Boeing Supplier of the Year pada tahun 2016 dan 2017. “Kami terutama membangun untuk perusahaan percetakan, mulai dari klip, kurung dan bagian yang dicap lebih kecil,” kata Leach. “Tetapi dalam beberapa tahun terakhir, kami telah berkembang menjadi rakitan yang lebih kompleks, serta bagian yang lebih tebal dan lebih besar — panjangnya hingga 60 inci — dan bagian yang ditujukan untuk struktur utama.” Yang terakhir termasuk komponen ujung sayap struktural, balok panjang dengan layup yang disesuaikan di berbagai penampang serta struktur badan pesawat dan empennage.
Perusahaan ini memiliki 150 karyawan dengan lebih dari 20 insinyur. Manufakturnya difokuskan pada fasilitas tunggal seluas 67.000 kaki persegi, yang dibangun khusus pada tahun 2015 dan dirancang untuk alur kerja yang dioptimalkan dengan ruang untuk berkembang. (Catatan, ruang seluas 52.500 kaki persegi sudah direncanakan sebelumnya untuk pertumbuhan di masa depan.) “Semuanya ada di bawah satu atap,” catat Leach, “yang menyederhanakan operasi.” Ini termasuk sembilan mesin press pembentuk cap dengan kapasitas mulai dari 30 hingga 150 ton dan area pelat hingga 60 inci kali 30 inci. “Kami memasang mesin press tambahan seberat 200 ton yang akan beroperasi penuh pada akhir 2019,” tambahnya. ATC memiliki 10 stasiun permesinan CNC yang mampu menangani suku cadang dengan panjang hingga 12 kaki dan pemotongan water jet untuk suku cadang dengan panjang hingga 30 kaki.
ATC Manufacturing mengoperasikan 9 mesin press pembentuk stempel, termasuk mesin press 80 ton yang ditunjukkan di sini, dengan kapasitas hingga 150 ton dan area pelat hingga 60 x 30 inci.
SUMBER | Manufaktur ATC
Inspeksi non-destruktif (NDI) juga diintegrasikan ke dalam operasi fasilitas dan desain alur kerja, termasuk lima sistem tangki C-scan yang menyediakan gema pulsa dan melalui pengujian transmisi untuk suku cadang dengan panjang hingga 30 kaki. Keahlian internal lainnya mencakup semua persiapan permukaan dan pengecatan. “Kami telah mengembangkan persiapan permukaan yang sangat efisien untuk komposit termoplastik, yang mungkin sulit untuk dicat dan direkatkan,” kata Leach, mencatat bahwa ATC juga telah bekerja pada perawatan plasma komponen TPC. Perusahaan mengecat 200.000 suku cadang/tahun dan menyegel tepi 70.000 suku cadang setiap tahun.
“Kami juga telah banyak berinvestasi dalam penelitian, seperti program RAPM untuk DARPA, dan kami adalah anggota dari Pusat Penelitian Komposit Termoplastik (TPRC, Enschede, Belanda),” lanjutnya. ATC berpartisipasi dalam konferensi peringatan 10 tahun TPRC bertajuk “Masa Depan Komposit Termoplastik” yang akan diadakan pada 8 Oktober di University of Twente di Belanda. “Corbin Chamberlain, wakil ketua ATC akan hadir dalam sesi panel dan kami juga akan mendemonstrasikan bagian struktural kedirgantaraan yang telah kami buat di pameran yang diadakan bersamaan dengan konferensi tersebut,” kata Leach.
Saluran komposit termoplastik yang dicat dengan alat kelengkapan terpasang. SUMBER | Manufaktur ATC
Kain ke pita UD, membentuk dan waktu siklus yang cepat
Meskipun pembuatan braket dan klip TPC ATC dimulai dengan penguat kain, mereka sekarang telah bermigrasi menggunakan pita searah (UD). “Kami kemudian berevolusi menjadi bagian struktural yang lebih besar karena kami telah mengembangkan pengalaman yang baik dengan cara membentuk bagian 3D dengan pita UD,” jelas Leach. “Bagian-bagian ini, yang ketebalannya berkisar antara 1-2 milimeter hingga 6,5 milimeter, harus dikawinkan dengan struktur lain. Kita harus memenuhi toleransi dimensi yang ketat untuk permukaan faying, misalnya toleransi profil ± 0,010 inci (0,25 milimeter) dan toleransi sudut ± 0,5 derajat.”
Perusahaan kemudian mulai mengembangkan profil TPC yang panjang. “Kami membuat stok laminasi datar kami sendiri menggunakan continuous compression moulding (CCM),” kata Leach. “Kami memiliki dua mesin CCM untuk laminasi datar dan satu lagi yang membentuk prepreg TPC menjadi profil 3D berkelanjutan, menghasilkan saluran dengan panjang hingga 75 kaki.”
Profil komposit termoplastik dibentuk menggunakan continuous compression moulding (CCM). SUMBER | Manufaktur ATC
Ketika ditanya tentang tantangan dalam membentuk profil dan bentuk 3D, direktur teknik R&D ATC Manufacturing, Trevor McCrea, menjelaskan bahwa dengan kain, “tenunan itu sendiri mengontrol banyak deformasi yang terjadi. Dengan UD, ada dinamika yang berbeda. Misalnya, 90 ° ke jari-jari ingin menipis atau menebal, tetapi Anda tidak dapat memilikinya di bagian struktural. Masalah ini menjadi lebih buruk dengan bentuk yang lebih kompleks. Anda juga memiliki lebih banyak tantangan dalam mengelola proses pembentukan.”
Mengelola proses? “Bagi kami, ini jauh berbeda dari pembentukan di termoset karena kami hanya punya waktu 2 detik untuk membentuknya,” kata McCrea. “Anda dapat menutupi banyak dosa dalam siklus autoklaf,” tambahnya. “Tapi kami menggunakan proses pembentukan dan stamping yang sangat cepat tanpa kelonggaran itu. Kita juga harus mengelola kristalinitas.” Ini karena struktur pesawat dengan muatan tinggi menggunakan polimer matriks termoplastik semikristalin — seperti polieterketon (PEEK), polieterketonketon (PEKK) dan poliariletherketon leleh rendah (LM PAEK) — yang memperoleh sifat mekanik dan ketahanan kimianya yang menonjol dari struktur kristal yang berkembang. karena mereka keren. “Anda dapat mengkristal secara isotermal, yang tidak terlalu sulit untuk pelat datar tetapi menjadi jauh lebih menantang dengan bentuk 3D,” kata McCrea. “Bahan harus cukup dipanaskan untuk membentuk [perhatikan suhu leleh untuk bahan-bahan ini antara 300-400 °C] tetapi kemudian didinginkan dengan cukup cepat hingga panas meleleh untuk menghindari siklus termal alat sambil mengatur bentuk, toleransi, kristalinitas, dan permukaan akhir. .”
Salah satu alasan mengapa suku cadang TPC telah berkembang dalam beberapa tahun terakhir adalah kemampuannya untuk menawarkan waktu siklus yang sangat cepat. “Kami telah membuat iga untuk demonstran pesawat militer dengan waktu siklus 5 menit, dan waktu siklus rata-rata kami sekitar 10 menit,” catat Leach. “Kami dapat mengaktifkan tingkat produksi tinggi yang saat ini dicari oleh OEM pesawat.” Waktu siklus rata-rata yang sangat cepat itu sebenarnya menghasilkan campuran suku cadang yang terus berubah. “Kami akan senang untuk hanya memproduksi satu bagian selama berbulan-bulan, tetapi kemampuan tingkat kami melebihi manufaktur pesawat,” kata McCrea. “Jadi, kami selalu bersepeda melalui berbagai bagian.” Sebagian besar manufaktur ATC adalah pada satu shift per hari, 5 hari per minggu. “Kami memiliki banyak kapasitas untuk memenuhi peningkatan produksi,” catat Leach.
Tali struktural komposit termoplastik dan profil yang dicat. SUMBER | Manufaktur ATC
Visi untuk masa depan
ATC menawarkan nilai yang signifikan melalui dekade plus pengalaman produksi TPC. “Kami sering membantu pelanggan kami merancang suku cadang untuk manufaktur,” kata Leach. “Kami sering mengubah bagian dari komposit termoset, misalnya, fitting struktur utama badan pesawat yang diproduksi untuk mempertahankan ketebalan aslinya. Tapi itu bisa menjadi bagian yang jauh lebih ringan jika awalnya dirancang untuk TPC.” Mengapa? “Karena bahan matriks TP semikristalin ini kinerjanya lebih tinggi,” jelasnya. “Anda tidak perlu mendesain untuk microcracking dan toleransi kerusakan seperti yang Anda lakukan dengan matriks termoset, dan juga lebih sedikit knockdown panas/basah. Faktanya, tidak ada knockdown basah sama sekali di PEEK, PEEK atau PAEK. Juga tidak ada knockdown panas kecuali Anda dekat dengan Tg, yang biasanya 150 °C. Untuk uji kompresi lubang terbuka (OHC) standar untuk toleransi kerusakan, misalnya, saat Anda menilai kekuatan saat Anda mentransisikan sampel dari RT ke 120°C, hampir tidak ada knockdown sama sekali.”
“Kami akan dapat merancang bagian yang lebih tipis dan juga menghilangkan banyak aluminium dan titanium yang ada dalam desain generasi pertama saat ini untuk komposit [seperti pesawat berbadan lebar Boeing 787 dan Airbus A350],” tambah McCrea. “Kami terus memajukan pembentukan bahan-bahan ini dan itu akan terus membuka aplikasi baru.”
Leach yakin ini akan berdampak signifikan pada aplikasi pesawat di masa depan. “Kami sebenarnya melihat suku cadang sekarang yang tidak dapat Anda produksi menggunakan termoset karena sifat dan tingkat produksi yang diminta.”
Untuk informasi lebih lanjut, ATC Manufacturing akan mempresentasikan makalah teknis 'Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures' oleh penulis Corbin Chamberlain, David Leach dan Trevor McCrea di CAMX 2019 dalam Sesi Bahan dan Aplikasi Termoplastik, Rabu, 25 September pukul 16:00 di Kamar 210C.
Ia juga mempresentasikan makalah bersama dengan Boeing dalam sesi tertutup di SAMPE 2019 (4-7 Mei, Charlotte, NC, AS) berjudul:“Rapid High Performance Moulding of Structural Thermoplastic Composite Parts”. Lihat blog saya:https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense- aplikasi
