Fokus Dirgantara:Pengeboran dan Penggilingan Komposit CFRP
Di luar angkasa, bekerja dengan material komposit ringan adalah hal biasa. Kami baru-baru ini berbicara dengan Sandvik Coromant untuk membahas masalah umum pengerjaan logam pada komposit serat karbon dan cara mengatasinya.
Bahan komposit seperti polimer yang diperkuat serat karbon sangat abrasif dan memerlukan pendekatan yang berbeda untuk penggilingan dan pengeboran untuk menghindari delaminasi lapisan dan serat yang ditarik. Alat dan metode standar yang dirancang untuk pengerjaan logam tidak akan berhasil dalam hal pembuatan komponen luar angkasa yang terbuat dari bahan-bahan ini.
“Serat karbon memberi Anda kekuatan superior dengan bobot yang jauh lebih sedikit, jadi di kedirgantaraan komersial, hal itu memungkinkan beberapa hal yang sangat positif,” kata David Den Boer, spesialis dan insinyur industri kedirgantaraan di Sandvik Coromant. “Saat pesawat menjadi lebih ringan, mesin menjadi lebih efisien.”
Misalnya, Boeing 787 terbuat dari sekitar 50 persen CFRP dan menggunakan bahan bakar jet 20 hingga 25 persen lebih sedikit daripada pesawat aluminium yang sebanding. Badan pesawat komposit diproduksi di bagian barel bulat lengkap, bukan di segmen dan potongan. Namun, membangun pesawat seperti itu menimbulkan tantangan dalam proses pengembangan permesinan.
“Biasanya jika kami mengerjakan bagian mesin, kami akan bereksperimen dengan alat pemotong dan proses pada komponen itu sendiri, tetapi kami tidak dapat berlatih mengebor lubang di sisi badan pesawat senilai $30 juta,” kata Jeffrey Washburn, product manager di Sandvik Coromant. “Jadi semua proses pengujian dan pengembangan dilakukan secara terpisah pada ‘kupon’ yang sangat mewakili komponen akhir.”
Ingin lebih dalam? Pelajari lebih lanjut tentang bahan ringan namun kuat yang digunakan di ruang angkasa. Baca:“Tantangan Pemotongan:Komposit Matriks Campuran dan Komposit Berpenguat Serat.”
Alat untuk Penggilingan dan Pengeboran Komposit
“Bahan serat karbon sangat abrasif,” kata Den Boer. “Jadi dengan alat pemotong karbida biasa yang dapat bertahan beberapa ratus lubang pada logam seperti aluminium, Anda mungkin hanya mendapatkan 20 lubang pada CFRP.”
Untuk bertahan lebih lama, peralatan mesin untuk CFRP harus berupa berlian polikristalin berurat (PCD) atau dilapisi dengan lapisan partikel berlian submikron—yang membuat setiap alat lebih mahal daripada peralatan tradisional. Namun menurut Washburn, cara yang tepat untuk mengukur biaya produksi suku cadang adalah biaya per lubang yang dibor, bukan biaya per alat.
Pertimbangan lain adalah biaya perubahan alat.
“Misalnya Anda menggiling bagian atas badan pesawat pada mesin CNC gantry besar yang membutuhkan waktu 10 hingga 15 menit untuk turun, mengganti alat baru dan kembali ke atas,” kata Den Boer. “Membandingkan waktu mesin yang dibutuhkan untuk satu pahat berlapis berlian di seluruh bagian 787 dengan mengganti 80 atau 90 pahat karbida, keekonomiannya dapat dibenarkan.”
Bahan perkakas bukan satu-satunya perbedaan untuk pemesinan CFRP. Tidak seperti logam, dua masalah yang paling menantang dalam penggilingan dan pengeboran CFRP adalah serat di lubang dan delaminasi, menurut Washburn.
“Ketika mereka menganalisis kualitas lubang, ukurannya mungkin sempurna, tetapi jika tindakan pemotongan alat meninggalkan serat yang belum dipotong di dalam lubang itu sendiri, itu tidak dianggap sebagai potongan yang baik,” kata Washburn. “Dan jika Anda menggiling di sepanjang tepi permukaan, Anda ingin menjaga agar alat tetap cukup tajam untuk terus memotong serat dengan bersih, tanpa menariknya keluar dari permukaan atau mengelupas.”
Menurut Washburn, alat yang dirancang untuk CFRP memiliki rangkaian geometri yang sangat berbeda, tergantung pada proses dan aplikasinya.
“Sebuah pabrik akhir yang khas dengan heliks selalu ingin mengangkat material dari potongan, jadi jika kita mencoba menerapkan geometri pemotongan logam ke serat karbon, itu akan cenderung membuat material terdelaminasi, karena sudut heliks menarik ke atas permukaan,” katanya. “Jawabannya adalah merancang alat yang dapat ditarik dari bawah dan ditekan dari atas pada saat yang bersamaan—untuk meremas bahan bersama-sama sehingga tidak akan terkelupas.”
Menumpukan CFRP dengan Logam
Namun, alat khusus ini biasanya tidak berfungsi dalam aplikasi logam, yang menyebabkan komplikasi lain.
“Komposit sering ditumpuk dengan bahan lain, jadi Anda mungkin mengebor melalui CFRP, misalnya, dan kemudian mengenai lapisan titanium atau aluminium—dan alat tersebut harus mampu mengerjakan keduanya untuk menghasilkan satu lubang,” kata Washburn.
Perbedaan dalam ketangguhan dan abrasi antara material dalam tumpukan membutuhkan solusi kreatif.
“Salah satu tantangan untuk pemesinan CFRP yang ditumpuk dengan lembaran logam adalah bahwa banyak dari komponen pesawat ini tidak dapat terkena cairan pemotongan untuk mendinginkan dan membawa chip,” kata Washburn. “Ini menimbulkan masalah, misalnya, ketika mencoba mengerjakan titanium tanpa pendingin.”
“Orang-orang mencoba berbagai hal untuk mengakomodasi lapisan yang berbeda, seperti menambahkan pemecah chip untuk lembaran aluminium, untuk mencegah string chip yang panjang merobek serat dan membuat lubang terlalu besar,” kata Den Boer.
“Jika lubang akan dibor dengan unit pengeboran otomatis, beberapa yang lebih baru memiliki RPM dan laju umpan yang dapat diprogram, sehingga Anda dapat mengebor CFRP dalam tumpukan dengan satu kecepatan dan umpan dan segera setelah Anda menekan titanium, Anda dapat mengubah memotong data, dan mengoptimalkannya untuk setiap lapisan,” kata Den Boer.
Apakah Anda pernah mengalami masalah saat memotong komposit CFRP? Beritahu kami apa yang terjadi dan bagaimana Anda mengatasinya.
