Fusing waterjet, laser untuk efisiensi dalam pemesinan CFRP/CMC

Karena material polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) dan komposit matriks keramik (CMC) berkembang biak di mesin pesawat, komponen luar angkasa, dan aplikasi hipersonik, pemesinan menjadi masalah di mana presisi dan efisiensi dapat mengubah hasil program. Mencoba mesin dengan keandalan tinggi dan fitur akurasi tinggi ke dalam CFRP dan CMC dapat menjadi tantangan karena kekerasan dan abrasivitasnya, menghasilkan laju pemesinan yang lambat, efek yang tidak diinginkan pada sifat material, ketidakmampuan untuk memenuhi spesifikasi suku cadang dan biaya operasional yang tinggi, termasuk alat berulang pengganti.

Untuk memenuhi tantangan ini, berbagai teknologi laser telah dikembangkan untuk pemesinan komposit canggih tersebut. Sementara laser menawarkan potensi peningkatan efisiensi dan penghapusan biaya alat berulang, panas yang dihasilkan menghilang ke dalam material, menciptakan potensi retakan mikro dan perubahan material. Laser juga memotong pada titik fokus berkas cahaya, menghasilkan potongan berbentuk V yang dapat menimbulkan masalah untuk toleransi yang tepat.

Teknologi Laser MicroJet yang dikembangkan oleh Synova (Duillier, Swiss) menciptakan sinar laser yang seluruhnya terdapat di dalam waterjet. Laser dipantulkan pada antarmuka udara-air, pada prinsipnya mirip dengan serat optik, sementara air mendinginkan zona pemotongan dan membersihkan puing-puing dari garitan. Keuntungan Laser MicroJet dibandingkan dengan laser konvensional dilaporkan termasuk tidak ada pembakaran atau degradasi termal, lebih sedikit gerinda untuk permukaan yang lebih halus, pemotongan sisi lurus dan presisi yang lebih tinggi.

CW pertama kali menemukan Laser MicroJet dalam tur 2017 di pabrik produksi GE Aviation Asheville, N.C., AS untuk komponen mesin CMC. Di sini, digunakan untuk membuat lubang mesin di selubung CMC untuk mesin pesawat LEAP. “Teknologi ini membantu menjaga tingkat akurasi yang tinggi pada diameter lubang,” kata Ryan Huth, manajer produksi CMC GE Aviation. “MicroJet dapat mengebor lubang ini dalam dua menit versus satu jam dengan pemesinan konvensional,” kata Huth. CW majalah saudara perempuannya, Toko Mesin Modern , juga telah menerbitkan artikel informatif tentang Laser MicroJet.

Kekuatan air dan cahaya

Synova didirikan pada tahun 1997 oleh Dr. Bernold Richerzhagen, yang mematenkan teknologi Laser MicroJet setelah penelitiannya di Institut Teknologi Federal (EPFL, Lausanne, Swiss) pada 1990-an. Teknologi ini diadopsi secara luas untuk dicing wafer semikonduktor pada tahun 2001. Synova kemudian mendirikan anak perusahaan lokal di AS, Jepang, India, dan Korea pada tahun 2003. Ini telah diperluas hingga sekarang mencakup pusat permesinan mikro, dengan ekspansi jangka pendek yang direncanakan untuk Taiwan dan Cina. Pada tahun 2009, Synova menjalin kemitraan pengembangan kerjasama dengan Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokyo, Jepang), memperkenalkan seri mesin baru dan memajukannya untuk pemesinan perangkat medis, mekanisme arloji, bilah turbin mesin gas dan jet, perangkat semikonduktor dan alat pemotong dari bahan superhard.

Dalam sistem Laser MicroJet, sinar laser melewati ruang air bertekanan dan difokuskan ke nozzle. Laser adalah jenis industri umum — solid state Nd:YAG — dengan daya 10-200 watt dan panjang gelombang 1.064 (inframerah), 532 atau 355 nanometer. Jet setipis rambut — diameter 50-70 mikron — dari air yang disaring dan dideionisasi digunakan pada tekanan rendah 200-650 bar. Ini menghasilkan konsumsi air yang rendah, pada urutan 2-3 L/jam, dan gaya yang dapat diabaikan kurang dari 0,1 newton yang diberikan pada material.

Bagaimana mungkin untuk mencapai ablasi laser yang efisien di dalam air? “Laser berdenyut kira-kira 10.000 kali per detik,” jelas Jacques Coderre, manajer bisnis Synova untuk A.S. “Untuk setiap pulsa laser, plasma dihasilkan yang mendorong air ke atas, memungkinkan ablasi terjadi. Pada akhir denyut nadi, plasma runtuh dan air sekarang membersihkan permukaan dan menghilangkan panas.” Dia mencatat waterjet juga menghilangkan kompleksitas dan variasi proses mempertahankan fokus laser yang biasanya diperlukan dengan sistem laser kering. “Ini memungkinkan pemotongan bagian yang tebal atau tidak rata tanpa harus khawatir menjadi fokus,” kata Coderre. “Teknologi ini juga menghasilkan laser silinder yang menciptakan dinding paralel sempurna dengan lebar garitan yang rapat.”

Mengonfigurasi komposit

Laser MicroJet berkinerja baik tidak hanya untuk CMC, tetapi juga untuk CFRP dan laminasi bertumpuk. Selama pengujian, alat ini menghasilkan lubang berdiameter 3 milimeter dalam laminasi plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP) setebal 2,6 milimeter dengan kecepatan hingga 1.440 mm/menit. “Dengan laser konvensional, Anda harus melambat karena panas,” catat Coderre. “Pabrik konvensional dapat mencapai kecepatan yang sama tetapi memiliki biaya pengoperasian yang lebih tinggi karena penggantian alat yang diperlukan.”

Laser MicroJet dapat memotong laminasi CMC setebal 1 inci. “Kecepatannya didasarkan pada tingkat ablasi yang cukup konstan sebesar 1 mm ³ /min,” Coderre mengamati.

Synova memiliki berbagai mesin, memperkenalkan sistem lima sumbu CNC LCS 305 tahun lalu. “Mesin ini unggul dalam pemotongan 3D dengan akurasi tinggi dan sangat cocok untuk suku cadang CMC kecil,” Coderre menjelaskan. “Tapi itu tidak cocok untuk suku cadang CFRP besar.” Untuk ini, Synova telah mengintegrasikan Laser MicroJet ke dalam mesin gantry, yang mampu mengerjakan bagian-bagian yang lebih besar dari 2 meter kali 3 meter. “Ini juga mudah diintegrasikan dengan robot dan mudah diprogram,” tambahnya. Untuk pemotongan 2D, perangkat lunak MicroJet mengubah file CAD menjadi kode mesin. Setelah diverifikasi, operator cukup menekan tombol dan mesin melakukan rutinitas pemotongan. Untuk pemotongan 3D, Coderre menjelaskan bahwa pascaprosesor mengekstrak data 3D yang diperlukan dari file CAD dan memformatnya untuk Laser MicroJet.

Untuk kemampuan Factory 4.0, pengukur daya laser, sensor pemosisian, dan koreksi sudut jet otomatis diintegrasikan ke dalam sistem Laser MicroJet. “Ini sangat fleksibel,” kata Coderre, “mudah untuk dimasukkan ke dalam produksi suku cadang sebagai sistem yang berdiri sendiri atau sebagai bagian dari jalur yang sepenuhnya otomatis untuk produksi volume tinggi yang bebas operator.” Teknologi tersebut sudah terbukti di suku cadang CMC untuk mesin pesawat LEAP, lanjutnya. “Untuk komposit, ia menawarkan biaya produksi yang lebih rendah, dicapai melalui kecepatan produksi yang lebih cepat, pengurangan biaya operasional, keandalan yang lebih tinggi, dan hasil yang lebih tinggi.” Efisiensi seperti itulah yang dibutuhkan komposit karena material baru, pasar, dan teknologi logam kompetitif terus berkembang.