HP-RTM untuk produksi serial aerostruktur CFRP yang hemat biaya

Ketika resin transfer moulding (RTM) mulai bertransisi ke high-pressure RTM (HP-RTM) kira-kira satu dekade yang lalu, sebagian besar dipuji untuk aplikasi otomotif, mengurangi waktu siklus komponen komposit dari jam menjadi kurang dari 2 menit. Sedikit yang telah dikatakan tentang penerapan teknologi ini ke bagian-bagian kedirgantaraan. Industri pesawat terbang memiliki sejarah panjang dengan RTM konvensional, termasuk penggunaannya untuk memproduksi ribuan bilah kipas plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) dan kotak penahan untuk mesin pesawat komersial. Airbus bahkan telah membuat prototipe flap multispar komposit satu bagian sepanjang 7 meter untuk Airbus A320 menggunakan RTM. Tetapi apakah mungkin untuk mentransisikan pengalaman ini dengan proses berjam-jam menjadi pencetakan suku cadang pesawat komposit yang sepenuhnya otomatis dalam hitungan menit? Beberapa pemain kunci mengatakan itu mungkin.

RTM tradisional, disebut di sini sebagai LP-RTM untuk kejelasan, biasanya menggunakan tekanan injeksi 10-20 bar. HP-RTM, di sisi lain, menggunakan tekanan injeksi 30-120 bar.

“Kami mulai bekerja dengan pemrosesan RTM kedirgantaraan 10 tahun yang lalu melalui proyek yang didanai Uni Eropa untuk memproduksi rangka badan pesawat,” kata Bernhard Rittenschober, kepala penelitian dan pengembangan untuk Alpex Technologies (Mils, Austria), pemasok sistem perkakas inovatif untuk komposit serial. produksi suku cadang. “Pada saat itu, prediksi bahwa banyak bagian untuk [Airbus] A350 akan dibuat dengan RTM, tetapi ini tidak terwujud.” Alpex, bagaimanapun, terus bekerja pada teknologi, dan sebagai pemasok untuk kedua industri otomotif dan kedirgantaraan, mulai melihat bagaimana proses yang digunakan dalam dua industri ini dapat digabungkan. “Idenya adalah menggunakan resin epoksi [Hexcel] RTM6 yang memenuhi syarat di ruang angkasa, tetapi dengan praktik terbaik perkakas otomotif dan sistem injeksi otomatis untuk waktu siklus yang lebih rendah,” jelas Rittenschober.

Hasilnya adalah program penelitian 2013-2015 yang disebut TAKE OFF, didanai oleh pemerintah Austria, yang Alpex berpartisipasi dengan mitra Airbus Helicopters (Donauworth, fasilitas Jerman), pemasok peralatan KraussMaffei (Munich, Jerman), spesialis pengujian Aerospace dan Komposit Lanjutan (AAC, Wiener Neustadt, Austria) dan pemasok resin Hexcel (Stamford, Conn., AS). Program tersebut menunjukkan bahwa HP-RTM menghasilkan pengurangan biaya sebesar 30 persen untuk kusen pintu A350 dan pengembangan teknologi yang signifikan, termasuk penggunaan sistem resin dua komponen (2K), pemantauan injeksi dan pengawetan cerdas melalui sensor dalam cetakan dan kemampuan untuk lebih mengurangi waktu paruh siklus. Alpex terus mengembangkan dan melihat potensi teknologi HP-RTM ini untuk membantu mengatasi masalah produksi CFRP saat ini.

Mendukung pandangan ini, Composites Technology Center (CTC), anak perusahaan Airbus Operations GmbH, juga telah mengembangkan RTM otomatis selama satu dekade, pertama dengan LP-RTM dan kemudian beralih ke HP-RTM sekitar lima tahun lalu. (Dunia Komposit mencatat mesin CTC KraussMaffei HP-RTM dan pekerjaan pengembangan selama tur fasilitasnya tahun 2016.) “HP-RTM memecahkan kemacetan injeksi dan pengawetan karena pencampuran berkecepatan tinggi, yang memungkinkan penggunaan resin yang sangat reaktif,” jelas Jan Schiller, Pemimpin proyek CTC untuk sistem produksi dan kontak utama untuk teknologi RTM. “Kami telah mengembangkan proses yang menghasilkan bagian geometri yang agak rumit berukuran 1-2 meter, memenuhi persyaratan ruang angkasa (misalnya, 60 persen volume serat dan kurang dari 2 persen rongga) dalam waktu siklus 20 menit.” Dia menambahkan bahwa setelah kunjungan dan diskusi dengan pemasok Airbus tahun lalu, sejumlah suku cadang diidentifikasi untuk transisi ke HP-RTM, memungkinkan produksi tingkat yang lebih tinggi untuk pesawat A320. “Kami sekarang sedang mengembangkan pemrosesan khusus untuk ini dan bekerja tahun ini untuk membuatnya menjadi produksi serial.”

Kusen pintu HP-RTM A350

Pengembangan Alpex diselesaikan melalui program TAKE OFF Austria melalui proyek bernama SPARTA. “Helikopter Airbus mengambil bagiannya,” kenang Rittenschober. “Kusen pintu ini adalah apa yang Anda lihat saat Anda masuk ke A350 dengan pintu terbuka. Tingginya kira-kira 2 meter, lebar 200-250 milimeter, dan tebal 8-10 milimeter, dengan bentuk dan fitur desain yang kompleks untuk memenuhi berbagai persyaratan pintu rakitan, yang merupakan struktur utama.” Pintu A350 terdiri dari 14 bagian yang dibuat oleh Airbus Helicopters di Donauworth, Jerman, menggunakan LP-RTM. Bingkai yang dipilih untuk SPARTA adalah salah satu bagian pintu yang lebih menantang. “Ini adalah bagian demonstrasi yang bagus karena kami dapat membandingkan HP-RTM secara langsung dengan LP-RTM kedirgantaraan standar,” tambah Rittenschober.

Alpex merancang dan membangun perkakas LP-RTM yang saat ini digunakan untuk produksi kusen pintu A350 di Airbus Helicopters. Untuk desain dan pembuatan perkakas HP-RTM, itu akan menerapkan pola pikir yang lebih otomotif. “Tujuan kami adalah mengaktifkan otomatisasi tipe otomotif dalam produksi suku cadang komposit kedirgantaraan,” kata Rittenschober. “Ini diperlukan jika Airbus akan membangun A320 masa depan dengan lebih banyak suku cadang komposit dan dengan kecepatan 60 hingga 100 pesawat per bulan.”

Dia melanjutkan, “Kami berasal dari produksi cetakan untuk BMW, yang secara aktif berusaha menyederhanakan bagian dan prosesnya untuk mengurangi waktu siklus, sementara Airbus berasal dari kompleksitas kedirgantaraan sebelumnya. Misalnya, ketika kami memulai, Helikopter Airbus bertanya berapa banyak bagian cetakan ini.” Catatan, produksi pintu LP-RTM saat ini termasuk alat multi-bagian yang kompleks. “Kami menjelaskan bahwa alat HP-RTM hanya akan memiliki satu cetakan atas dan satu cetakan bawah,” kata Rittenschober.

Jadi, Alpex memulai dengan desain cetakan sederhana dan kemudian menambahkan fitur untuk membuat pemrosesan lebih kuat dan fleksibel — misalnya, sistem penyegelan yang digunakan untuk produksi otomotif volume tinggi. “Selain itu, kami memiliki semua sensor yang terintegrasi ke dalam cetakan,” catatnya.

Preform dan proses

Bentuk awal yang saat ini digunakan untuk kusen pintu A350 menggunakan bahan anyaman dan memerlukan beberapa langkah debulking, menghasilkan siklus produksi tiga hari. “Kami memutuskan untuk menggunakan kain noncrimp (NCF) sebagai gantinya,” kata Rittenschober. “Ini menurunkan harga dan waktu siklus secara signifikan. Kami juga akhirnya mendemonstrasikan beberapa bagian dengan woven preforms berkualifikasi Hexcel, tetapi kami melihat peralihan dalam industri komposit di luar aerospace, dengan pengembangan oleh SGL dan yang lainnya dari kain tenun dan menjadi tape dan bentuk berbiaya lebih rendah seperti NCF.”

Ketika ditanya tentang titik injeksi dan masalah apa pun dengan pencucian serat, Rittenschober menjelaskan bahwa alat HP-RTM hanya memiliki satu titik injeksi, tetapi tidak ada pencucian serat karena bentuk awal dijepit sehingga melekat pada cetakan dan sangat stabil.

Poin penting lainnya adalah bahwa Alpex memilih untuk menggunakan sistem resin dua komponen (2K) daripada RTM6 satu komponen yang saat ini digunakan oleh Airbus Helicopters. Rittenschober menegaskan bahwa sistem 2K dapat lebih reaktif, yang lebih sesuai dengan HP-RTM, dan dapat menghemat biaya karena tidak dicampur terlebih dahulu dan tidak memerlukan pengiriman bahan berbahaya. Namun, itu memang membutuhkan suhu yang lebih tinggi dari 180 ° C. “Ini adalah bagian yang paling menantang bagi kami,” kata Rittenschober, “karena kami lebih terbiasa memproses pada 120°C.”

KraussMaffei memasang, di pusat teknologinya yang ringan di Munich, Jerman, perkakas jadi dalam sistem RimStar Compact HP-RTM-nya dengan campuran, pengukur, dan injeksi tekanan tinggi otomatis (hingga 80 bar/1.100 psi). Kemudian dibuat 20 bagian demonstran. Rittenschober menjelaskan proses dasar:Suntikkan pada 80°C, tanjakan hingga 120°C, tahan selama satu jam, tanjakan hingga 180° dan tahan selama 90 menit, ramp down (2°C/menit) dan demold. “Injeksi hanya membutuhkan waktu 20 detik,” katanya, “tetapi total siklus pencetakan adalah sekitar empat jam.”

Waktu dan biaya siklus

Siklus penyembuhan yang masih panjang untuk kusen pintu SPARTA didorong oleh formulasi dan pemrosesan resin Hexcel RTM6 yang memenuhi syarat Airbus. “Kami mampu mencapai siklus penyembuhan 30 menit pada 180 ° C dengan tambahan pasca perawatan di bawah vakum sesudahnya untuk menghilangkan tekanan termal dan memastikan sifat mekanik,” catat Rittenschober, menambahkan bahwa propertinya cukup bagus, dan sebanding dengan LP - Bagian RTM.

“Kami menunjukkan bahwa Anda dapat menggunakan proses dan mengotomatisasi produksi untuk volume suku cadang yang lebih tinggi,” kata Rittenschober. "Anda dapat menyuntikkan dan menyembuhkan dalam cetakan dan kemudian pasca-penyembuhan keluar dari pers." Dia mengakui ini membutuhkan set alat tambahan, tetapi hanya satu unit tekan dan injeksi. “Dengan sistem ini, Anda dapat mengurangi biaya suku cadang sebesar €700, yang memungkinkan Anda membayar peralatan dengan mudah dengan tingkat produksi 500 hingga 1.000 suku cadang/tahun, yang bahkan bukan volume yang sangat tinggi.”

Pengembangan proses CTC dan demonstran

Selain perkakas dan proses, proyek pintu HP-RTM juga mencakup penggunaan format serat yang inovatif. “Kami memulai dengan tekstil tenunan yang sudah dikualifikasi oleh Airbus dan sangat sukses,” kenang Schiller. “Kemudian kami melanjutkan dengan NCF dan tekstil yang lebih inovatif.” Yang terakhir termasuk penempatan serat kering dan interleafing dengan lapisan derek menyebar untuk meningkatkan ketangguhan, tetapi yang terakhir menyajikan masalah dengan pengepakan serat dan lapisan yang ketat, menyebabkan permeabilitas yang buruk dan menghambat infiltrasi resin. “Ada juga pengembangan untuk mengatasi hal ini, seperti NCF dengan serat khusus untuk meningkatkan permeabilitas,” tambahnya.

Mengenai tekanan untuk HP-RTM, Schiller menekankan bahwa keputusan untuk menggunakan proses lebih didorong oleh teknologi pencampuran dari industri poliuretan daripada oleh tekanan proses yang tinggi. “Kami menggunakan HP-RTM hanya untuk mendapatkan pencampuran yang baik dari resin yang sangat reaktif,” jelasnya. “Mungkin ada tekanan yang lebih tinggi dalam cetakan, tetapi ini adalah efek sekunder dari injeksi cepat. Untuk suku cadang otomotif dengan waktu siklus 2 menit, mereka harus menyusup ke preform kering dengan resin jauh lebih cepat daripada kami. Waktu pengeringan 15 menit kami memungkinkan lebih banyak waktu untuk infiltrasi resin, yang juga menurunkan tekanan dalam cetakan.”

Tekan tonase, sementara itu, tergantung pada ukuran bagian. “Membuat suku cadang hingga ukuran 2 meter bekerja dengan baik (sekitar 1.500 ton) tetapi suku cadang berukuran 4-6 meter memerlukan perhitungan kasus bisnis karena investasi pers menjadi sangat tinggi,” kata Schiller. CTC menampilkan rib CFRP 1,5 meter kali 0,5 meter yang mewakili kemungkinan struktur utama ruang angkasa di JEC World pada 2018. CTC juga akan menerima press dengan tonase yang lebih tinggi pada akhir 2019.

Resin 2K dan QA berbasis sensor

Schiller mengamati bahwa semua struktur pesawat RTM sebelumnya hanya menggunakan sistem 1K yang dicampur oleh pemasok, yang kemudian mengesahkan campuran tersebut dan bertanggung jawab untuk memastikan resin memenuhi persyaratan kualifikasi. “Sekarang kami sedang mempertimbangkan sistem 2K, tetapi tantangannya adalah memastikan kualitas pencampuran,” jelasnya. Sistem 1K premix memerlukan pengiriman dan penyimpanan dingin untuk mencegah reaksi hingga pemrosesan bagian. Dengan demikian, keuntungan dari sistem 2K termasuk penghapusan biaya ini serta reaktivitas yang lebih tinggi untuk pemrosesan yang lebih cepat. Satu masalah, bagaimanapun, adalah bahwa jaminan kualitas (QA) akan ditransfer dari pemasok resin ke produsen suku cadang. “QA ini membutuhkan deteksi rasio pencampuran dan kualitas resin campuran. Keduanya dibutuhkan untuk kualifikasi Airbus dari material baru. Jadi, ini berarti pengukuran dua komponen sesaat sebelum pencampuran dan resin setelah pencampuran. Saat ini, kami hanya memiliki sensor sebelum kepala campuran, yang menunjukkan berapa banyak resin dan berapa banyak pengeras yang dimasukkan ke dalam campuran. Ini tidak cukup untuk kualifikasi.”

Alpex, sementara itu, sedang bekerja untuk mengembangkan sistem kualitas inline untuk memberikan verifikasi 100% resin yang dicampur dengan benar yang dibutuhkan Airbus. “Kami telah bekerja dengan sensor in-mold Netzsch sejak awal pengembangan ini,” catat Rittenschober. “Sekarang Netzsch bermitra dengan Kistler (Winterthur, Swiss), teknologi baru tersedia. Kami dapat memantau suhu, tekanan, dan pengerasan resin dari satu sensor, yang kami sertakan dalam cetakan.”

“Alpex menyarankan untuk menggunakan sensor dalam cetakan, dan pemasok peralatan campuran/injeksi mengatakan bahwa sensor harus berada di mereka sistem, ”kata Schiller. “Keduanya benar.” Tapi dia mencatat ada juga kebutuhan untuk perbaikan yang terakhir. “Di HP-RTM otomotif, rasio campuran resin diukur selama proses yang lengkap, jadi itu rata-rata,” jelas Schiller. “Namun, saya membutuhkan pengukuran ini di setiap titik diskrit selama proses, sehingga saya tahu bahwa rasio campuran selalu benar, bahkan untuk setengah detik terakhir selama injeksi. Kami membutuhkan resolusi waktu yang lebih baik dalam sistem pengukuran.” Schiller menyarankan sensor mungkin akan diperlukan sebelum mix head, di dalam mix head dan dalam cetakan. “Kami sedang mengerjakan pengembangan QA ini secara paralel untuk mengevaluasi resin 2K dalam aplikasi luar angkasa, dan bersama dengan pemasok mesin, kami telah mengidentifikasi sistem sensor yang menjanjikan resolusi yang memadai. Mereka akan divalidasi dalam tahun ini.”

Alpex juga menguji coba sensor piezoelektrik multifungsi hybrid baru yang dikembangkan oleh Aerospace &Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Austria). Ditempatkan pada cetakan RTM, berfungsi sebagai sensor tekanan untuk memantau aliran resin di bagian depan cetakan. Setelah bentuk awal diresapi oleh resin dan pengawetan dimulai, perubahan spektrum impedansi digunakan oleh sensor untuk menentukan tingkat penyembuhan. Setelah penyembuhan selesai, sensor piezoelektrik direkatkan bersama pada permukaan bagian yang akan digunakan untuk pemantauan kesehatan struktural baik dalam mode pasif sebagai sensor emisi akustik atau dalam mode aktif menggunakan gelombang ultrasonik terpandu. Mereka telah didemonstrasikan untuk memantau dampak dan kerusakan pada bagian yang sudah jadi.

Perhatikan bahwa data proses ini dapat dianalisis oleh sistem produksi cerdas Industri 4.0 untuk mengidentifikasi rute untuk peningkatan lebih lanjut dalam kualitas dan efisiensi. Data proses ini juga dapat dicatat untuk kembaran digital setiap bagian.

Potensi masa depan

Rittenschober mengatakan satu-satunya rintangan nyata untuk teknologi HP-RTM adalah sertifikasi:“Kami mendemonstrasikan dengan Airbus Helicopters bahwa proses ini dapat bekerja, tetapi seseorang harus mengesahkannya.” Schiller setuju bahwa selalu ada rintangan untuk menemukan siapa yang akan menjadi yang pertama, tetapi dia juga telah menghitung kasus bisnis untuk banyak bagian selama setahun terakhir. “Untuk 200 bagian per tahun, itu tidak masuk akal. Namun, untuk suku cadang pada A320, misalnya, menjadi atraktif. Setiap bulan, kami melihat tingkat target yang lebih tinggi untuk program A320. Banyak dari suku cadang ini direkayasa pada tahun 1980-an dan diproduksi secara manual, sehingga dapat dengan mudah dibuat jauh lebih efisien dengan HP-RTM.”

Dengan waktu paruh siklus 20 menit yang ditunjukkan CTC, HP-RTM juga dapat menarik bagi pasar pesawat lepas landas dan mendarat vertikal listrik (eVTOL), di mana volume produksi 5.000 pesawat per tahun telah diusulkan sebagai batas atas oleh produsen taksi udara. UBER.

Alpex akan terus mengembangkan berbagai kemajuan RTM, kata Rittenschober. “Kami percaya HP-RTM memiliki potensi nyata untuk membantu memecahkan beberapa masalah dengan produksi aerostruktur CFRP yang lebih hemat biaya dan industri.” Schiller setuju, mencatat bahwa untuk banyak aplikasi A320 yang ditargetkan, ada banyak suku cadang CFRP per set kapal. “Dengan demikian, manfaat dari proses yang lebih efisien mulai terakumulasi. Jika kita bisa mendapatkan aplikasi pertama dalam produksi, maka akan ada yang lain.”

Generasi Selanjutnya
Manufaktur Dirgantara

Dengan industri penerbangan komersial yang diproyeksikan berlipat ganda dalam 20 tahun ke depan, memenuhi permintaan pesawat penumpang dan barang akan membutuhkan teknologi baru dan tingkat produksi yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Pelajari lebih lanjut tentang bahan dan proses yang akan membentuk pesawat generasi berikutnya dalam kumpulan cerita dari CompositesWorld, Modern Machine Shop dan Manufaktur Aditif , tersedia untuk membaca atau mengunduh secara gratis . Dapatkan di sini.