Tempat bertemunya seni dan ilmu mengepang

Dalam industri komposit, ada beberapa proses manufaktur yang tampak relatif sederhana dan mudah dilakukan. Jalinan penguat serat, bisa dibilang, salah satunya. Mengepang, pada kenyataannya, dilakukan oleh cukup banyak perakit. Memang, memperoleh dan menggunakan braider untuk membuat serat karbon atau serat kaca preforms, lengan baju dan/atau kain dapat dicapai tanpa investasi uang atau waktu yang besar.

Namun, ada beberapa perusahaan di dunia yang menjadikan kepang sebagai fokus semua perhatian, keahlian, investasi dan strategi mereka. Lebih sedikit lagi yang menikmati reputasi yang ditetapkan oleh A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, US) untuk keunggulan teknis dan artistik serta pengalaman yang luas dengan hampir setiap penguat serat yang digunakan saat ini.

Apa namanya?

A&P berasal dari Atkins &Pearce Manufacturing Co., didirikan pada tahun 1817 untuk memproduksi mesin pengolah kapas. Atkins &Pearce akhirnya mulai mengepang kapas untuk berbagai pasar akhir. Ini berlanjut hingga pertengahan abad ke-19 dan ke abad ke-20. Pada tahun 1986, ketika industri komposit modern mulai terbentuk, Atkins &Pearce melihat peluang untuk menerapkan pengetahuan mengepangnya pada fabrikasi komposit dan menciptakan Teknologi A&P sebagai unit R&D untuk mengevaluasi pengepangan serat teknis. Bisnis Teknologi A&P tumbuh selama dekade berikutnya dan, pada tahun 1995, menjadi anak perusahaan yang dimiliki sepenuhnya oleh Atkins &Pearce. Pada tahun 1997, perusahaan mengambil langkah tambahan dengan melepaskan A&P Technology sebagai perusahaan independen. Saat ini, sepenuhnya dimiliki oleh presidennya, Andrew Head.

Teknologi A&P tersebar di lima gedung di kampus yang terletak di sisi timur wilayah metropolitan Cincinnati. Pengunjung disambut di Tech Center seluas 1.255m2, sebuah bangunan di dekat pintu masuk utama kampus. Di sinilah Pam Schneider, COO, dan Mike Braley, VP, application engineering, menyapa CW untuk tur ini. Schneider menelusuri akar A&P-nya kembali lebih dari 30 tahun hingga pendirian perusahaan. Braley bergabung dengan A&P lebih dari 20 tahun yang lalu, berasal dari GE Aviation (Evendale, OH, US), salah satu pelanggan lama A&P.

Duduk di lantai atas Tech Center, di antara sampel suku cadang yang berasal dari kontrak jalinan A&P, bersama dengan foto-foto warisan dari masa-masa awal Atkins &Pearce, Schneider menjelaskan bahwa kesuksesan A&P terutama berasal dari kemampuannya untuk solusi material rekayasa khusus untuk memenuhi banyak sekali persyaratan mekanik dan fisik. Dan ini dimungkinkan karena peralatan mengepang A&P dikembangkan dan diproduksi sendiri, yang berarti bahwa perusahaan terikat erat dengan teknologinya, mulai dari konsep, pengembangan, hingga fabrikasi.

Braley mengklaim bahwa jalinan penguat serat menawarkan serangkaian kemampuan material yang tidak ditemukan di tempat lain di industri komposit. “Pada dasarnya,” katanya, “kita dapat mengubah arsitektur serat untuk memenuhi dimensi tertentu dan persyaratan mekanis tertentu.”

Menjalin 101

Memahami pernyataan ini membutuhkan pemahaman tentang mengepang itu sendiri. Pada tingkat yang paling dasar, jalinan adalah sistem serat yang saling bertautan secara mekanis dengan dua atau tiga orientasi. Benang dililitkan di sekitar gelendong silinder dan gelendong dipasang pada pembawa. Beberapa pembawa kemudian dilampirkan ke pelat braider dengan trek berkelok-kelok yang memandu pembawa. Benang ditarik dari masing-masing pembawa ke bidang formasi di atas jalur braider. Jalinan dapat diorientasikan secara horizontal atau vertikal, dan ukurannya (jumlah pembawa) menentukan diameter bagian yang dikepang jadi.

Geometri jalinan jadi tergantung pada bentuk dan ukuran mandrel, serta konfigurasi jalinan, dan digunakan untuk membuat selongsong, bentuk awal 2D, dan kain datar. Dalam semua kasus, mengepang yang dilakukan dengan baik menawarkan struktur serat yang kontinu, konsisten, dan terdistribusi secara merata, yang memberikan dampak yang sangat baik pada bagian komposit akhir dan ketahanan perambatan retak.

Kustomisasi arsitektur kain yang direferensikan Braley dimungkinkan oleh variabel yang dapat disetel untuk jalinan:Jumlah jenis serat (karbon, kaca, aramid, alami, termoplastik atau hibrida), arsitektur (biaxial, triaxial, triax/biax atau searah), jumlah pembawa, sudut benang (tetap atau bervariasi), tegangan benang, kecepatan menjalin dan bentuk mandrel.

Teknologi A&P, kata Schneider, mengoperasikan mesin jalinan mulai dari ukuran 3 hingga 800 pembawa, dengan lebih dari 40 ukuran di antaranya, memproduksi berbagai bentuk awal dan produk menggunakan serat karbon, serat kaca, serat aramid, dan banyak lagi. Braider 800-carrier sangat besar - berdiameter lebih dari 13m - yang terbesar di dunia. Jajaran mesin A&P terus berkembang, dengan ukuran mesin baru yang sering ditambahkan untuk memenuhi kebutuhan pelanggan tertentu. Pada tahun 2016, A&P memproduksi lebih dari 453,6 MT produk jalinan, dengan pertumbuhan tahunan sebesar 15-20% yang diharapkan selama beberapa tahun ke depan. Pasar akhir terbesar A&P adalah dirgantara, kata Schneider, tetapi perusahaan juga membuat produk jalinan untuk aplikasi otomotif, rekreasi, dan infrastruktur.

Braley mengatakan bahwa kesuksesan A&P sebagian besar berasal dari kemampuannya menjalin dengan baik dan, dalam prosesnya, membantu pelanggan memecahkan masalah yang sulit. Paling sering, katanya, pelanggan akan datang ke A&P dengan bagian logam yang gagal dalam beberapa hal, dan semua solusi lainnya gagal. "Kami sudah sangat fokus pada ini untuk waktu yang sangat lama," katanya tentang mengepang. “Kami memiliki peralatan, sejarah, pengetahuan, dan keahlian untuk mengembangkan solusi yang disesuaikan. Faktanya,” ia berpendapat, “beberapa pelanggan kami sedikit kewalahan dengan kemampuan kustom kami.”

Pemberhentian pertama tur setelah meninggalkan area tampilan Tech Center ada di lantai bawah di lab prototipe, di mana "teknologi" sebenarnya dilakukan. A&P tidak membuat suku cadang komposit untuk dijual, melainkan menciptakan ruang bagi pelanggan untuk mempercepat proses pembuatan prototipe mereka. Di sini, A&P membuat prototipe untuk pelanggan, dan juga membuat alat layup dan melakukan uji ledakan hidraulik. Juga termasuk meja layup besar, braider kecil yang tersedia secara komersial, peralatan pengujian tak rusak, freezer untuk penyimpanan prepreg dan walk-in Wisconsin Oven (East Troy, WI, US).

Terlihat di seluruh adalah berbagai bagian dalam berbagai tahap pembuatan dan penilaian. Di antara mereka adalah kotak kipas mesin jet generasi berikutnya, gigi komposit untuk proyek helikopter, alat nacelle dan beberapa produk eksklusif yang, anehnya, tidak ada hubungannya dengan komposit. Namun, ini bukannya tidak pada tempatnya, kata Braley:“Kami direkayasa untuk mengejar proyek-proyek yang berisiko tinggi dengan hasil yang tinggi. Kami selalu mencari peluang untuk menerapkan teknologi kami.”

Di balik pintu tertutup

Dari sini tur dilanjutkan secara tertutup ke area CW diizinkan untuk berkunjung dengan pengertian bahwa semua pengamatan khusus untuk aplikasi dan mesin akan dirahasiakan. Faktanya, A&P biasanya tidak mengizinkan tur pabrik untuk melindungi sifat kepemilikan dari desain pelanggannya dan teknologi mutakhirnya. Faktanya, hanya astronot AS Neil Armstrong yang diberikan tur penuh. CW kunjungan, pengecualian langka, telah diatur untuk memungkinkan industri yang dilayaninya untuk lebih memahami kemampuan luas A&P.

Pemberhentian berikutnya adalah gedung Kontrak Jangka Panjang, fasilitas seluas 3.250m2 di tepi utara kampus. Di sinilah kami menemukan sistem A&P bekerja, seperti namanya, dalam mengepang proyek untuk proyek multi-tahun — yang, kata Braley, statis dan tidak dapat diubah. Tampilan pertama melibatkan rangkaian braiders dan mandrels yang mengesankan dan rumit yang memproduksi preforms serat karbon untuk rangka badan pesawat yang ditujukan untuk The Boeing Co. (Chicago, IL, US) 787-8 Dreamliner . A&P membuat 290 bingkai per pesawat untuk Boeing, 161 di antaranya unik. Dalam satu shift, satu dari sistem braider/mandrel A&P ini menghasilkan empat bentuk awal, yang darinya dibuat delapan bingkai, dan sistem yang melakukan ini dioperasikan oleh salah satu program perangkat lunak paling kompleks dan berteknologi tinggi yang pernah dikembangkan perusahaan.

Schneider dan Braley kemudian menunjukkan workcell besar dengan braider yang beroperasi untuk membuat casing kipas serat karbon menjadi bentuk awal untuk mesin GEnx GE Aviation. Bentuk awal ini keluar dari braider sebagai silinder, yang kemudian dimasukkan ke mezzanine di atas braider, diratakan dan dibelah untuk membuat kain dua lapis, dililitkan ke spool dan kemudian dikirim ke fasilitas mesin jet GE Aviation di Batesville, MS , AS (lihat “Tur Pabrik:GE Aviation”). Braley mengatakan konsistensi di sini sangat penting, karena casing kipas dirancang untuk menampung peristiwa "blade out", di mana bilah kipas terlepas selama operasi (kejadian yang jarang terjadi) dan berdampak pada casing:"Setiap lapisan harus, dan, sama ," dia berkata. “Dari sudut pandang dampak, ini sangat konsisten.” Selain GEnx, A&P menyediakan preform casing kipas yang dikepang untuk GE CF6-80C2, keluarga mesin HTF7000 Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, AS) dan untuk mesin Williams International (Commerce Township, MI, AS) FJ44-4.

Berikutnya adalah braider 336-carrier, membuat preforms serat karbon untuk mesin LEAP 1B/2B, serta GEnx. Setelah itu adalah sistem kompleks yang mengepang serat karbon dan aramid untuk membuat bentuk awal untuk baling-baling stator pada mesin Honeywell. Kepang ini, CW diceritakan, mengakomodasi tujuh variasi desain, namun berfungsi sepenuhnya tanpa pengawasan manusia.

Schneider dan Braley memimpin jalan keluar dari gedung LTC dan menuju ke Gedung Produk Inti. Dibangun hanya 2 tahun yang lalu, ini adalah yang terbaru dari A&P. Ada 20 kepang dengan ukuran berbeda di sini (yang terbesar dilengkapi dengan 400 pengangkut), kelipatan dari banyak ukuran, dan sebagian besar berjalan pada waktu tertentu. “Klak-klak” yang konstan dari pengangkut yang berputar menjadikannya salah satu fasilitas paling bising di kampus. Semua peralatan baru yang ditempatkan di sini berfokus pada jalinan selongsong berkecepatan tinggi untuk berbagai aplikasi, termasuk insulasi emisi truk over-road, struktur sayap pesawat, prosthetics, tongkat hoki, dan tongkat pemukul bisbol.

Pemberhentian berikutnya adalah Fabrics Building, tempat A&P membuat empat kain jalinan siap pakai, QISO, Bimax, ZERO, dan TX-45, untuk berbagai aplikasi. QISO, di pasar selama sekitar lima tahun, adalah kain kuasi-isotropik yang dirancang untuk perkakas komposit, perbaikan infrastruktur dan aplikasi otomotif. Kombinasi bahan bervariasi tergantung pada aplikasi dan termasuk serat karbon kelas kedirgantaraan dan kelas industri. Kain datang dalam beberapa berat dan lebar areal.

Bimax adalah bahan stabil ±45° yang biasa digunakan pada tongkat hoki, antena sinyal radio besar, dan suku cadang otomotif. Jenis serat di sini adalah hibrida dari karbon dan kaca, dengan aksial termoplastik ditambahkan untuk menstabilkan arsitektur kain selama layup. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, US), A&P memberi tahu kami, beralih dari anyaman serat karbon ke Bimax untuk tongkat hokinya dan, dalam prosesnya, mengurangi penggunaan material hingga 7%.

ZERO, satu-satunya kain tanpa jalinan A&P, awalnya dirancang untuk program F-22. Kain searah bukan tenunan ini hampir tidak memiliki kerutan dan ditawarkan dalam berbagai berat ons.

TX-45 adalah kain terbaru A&P, kepar ±45°, 193-g/m2, 2x2 yang dikirim pada kertas pembawa untuk memudahkan penanganan dan orientasi serat yang konsisten. Braley mengatakan TX-45 dikembangkan oleh A&P untuk pelanggan kedirgantaraan yang tertarik dengan pengganti ±45° plain-weave prepreg.

Juga di Fabrics Building, A&P memproduksi preform termoplastik jalinan untuk TiSeat (Titanium Seat) merek dagang Expliseat (Paris, Prancis). Dengan berat hanya 4 kg, Exppliseat menyebutnya sebagai kursi pesawat teringan di dunia. Ini fitur preforms komposit yang dibuat dengan mengepang pita termoplastik celah sempit, yang menurut Braley cenderung lebih kaku daripada benang dan, dengan demikian, lebih sulit untuk dikepang. TiSeat sedang dilengkapi untuk Airbus A320, menghemat Airbus sekitar 2.090 kg per pesawat dibandingkan dengan bahan dan produk pesaing.

Struktur terbesar di kampus A&P adalah Gedung Pengembangan Bisnis, fasilitas seluas 7.430m2 yang berfungsi sebagai pusat manufaktur untuk berbagai proyek militer, industri, dan kedirgantaraan — terutama yang terkait dengan mesin. Pada walk-through, Braley menunjukkan sistem jalinan dalam pengembangan untuk spacer jalur aliran engine GE, sistem preform engine GE9X yang menjalani kualifikasi (GE9X akan memberi daya pada Boeing 777X yang akan datang), body plies GEnx, fan case braider untuk Williams engine dan casing kipas engine Honeywell.

Di sini juga, Ruang Otomasi, di mana A&P menilai robotika dan teknologi serupa untuk membantu mempercepat tingkat produksi jalinan. Ini termasuk robot multi-sumbu untuk membantu pemuatan mandrel dan pengembangan teknik overbraiding yang lebih maju. Juga sedang dievaluasi adalah perangkat lunak penjadwalan dinamis dengan umpan balik braider waktu nyata dan sistem penglihatan yang digunakan untuk inspeksi dalam proses. “Kami merasa seperti berada di garis depan dalam kemampuan mengepang,” catat Braley, “tetapi selalu ada peluang untuk meningkatkan, dan kami harus mendorongnya.”

Pergi maju

Kembali ke Pusat Teknologi, CW bertemu Andy Head, yang secara universal digambarkan sebagai kekuatan pendorong teknis dan mekanis A&P. Saat diminta untuk menjelaskan tempat A&P dalam rantai pasokan komposit, ia mencantumkan empat kekuatan:Kontrol numerik yang kuat, desain digital yang baik, kemampuan mekanis internal yang sangat baik, dan fleksibilitas yang melekat pada proses mengepang itu sendiri.

Perpaduan kemampuan ini, kata Head, telah menempatkan A&P pada posisi unik dalam industri komposit:Sumber solusi jalinan canggih yang sangat direkayasa dan sulit ditemukan di tempat lain karena hambatan masuk yang tinggi dari jalinan.

“Organisasi kami didasarkan pada minat yang saling mendorong untuk membuat pelanggan kami sukses,” tambahnya. “Kemampuan kami untuk merancang dan membangun mesin di rumah memungkinkan kami untuk menyediakan solusi optimal kepada pelanggan kami dalam jangka waktu yang singkat. Fleksibilitas desain ini menempatkan A&P sebagai yang terdepan dalam teknologi mengepang, posisi yang kami anggap sangat serius.”

“Memang,” kata Head, “posisi satu-satunya sumber kami unik, tetapi kami memiliki sejarah panjang dalam mendukung program volume besar, program dengan persyaratan yang hanya dipenuhi oleh mesin kami. Kami bangga dengan kemampuan kami untuk tidak hanya memenuhi persyaratan ini, tetapi juga melampaui harapan pelanggan akan kualitas dan layanan.”

Melihat kembali seberapa jauh A&P telah berkembang, dan pada fokus industri komposit, saat ini, pada kecepatan manufaktur, waktu siklus, otomatisasi, kontrol proses, dan konsistensi, Schneider melihat A&P selaras dengan tujuan ini dan siap untuk memenuhi kebutuhan yang terbentuk sebelumnya di ruang angkasa , otomotif dan sektor industri dan seterusnya. “Sudah 20 tahun yang luar biasa,” katanya, “tapi kita belum selesai.”