Jelajahi Fasilitas Woodlawn Veelo Technologies: Di Dalam Pabrik Serat CNT Inovatif

Apa yang Anda lakukan ketika serat nanotub karbon (CNT) yang dicoba komersialkan oleh perusahaan Anda tidak memberikan performa yang dibutuhkan oleh pelanggan potensial Anda, yang termasuk Angkatan Udara AS dan Boeing (Chicago, Ill., AS)? Anda berbalik arah, kembali ke papan gambar, dan menggunakan keahlian bahan canggih dan pemrosesan komposit untuk mengembangkan solusi lain. “Kami sering menggunakan nanomaterial, tetapi kami bukan perusahaan nanomaterial,” kata CEO Veelo Technologies Joe Sprengard. “Kami adalah perusahaan bahan canggih yang berfokus pada bahan listrik konduktif dan solusi pemanas non-metalik. Titik temu yang sama antara fokus awal kami pada pengembangan serat dan lembar CNT kontinu dan portofolio produk kami saat ini — perlindungan colokan petir (LSP) dan pelindung elektromagnetik, selimut pemanas untuk pemrosesan komposit yang efisien dan sistem de-icing elektrotermal non-metalik — adalah kemampuan kami untuk mengembangkan bahan baru yang tidak hanya memberikan level performa baru, tetapi juga memenuhi persyaratan bobot dan biaya.”

Perusahaan telah menskala dari empat menjadi 24 karyawan dan pindah ke fasilitas manufaktur baru berukuran 20.000 kaki persegi di Woodlawn, suburb Cincinnati yang terletak satu mil dari kantor pusat GE Aviation di Evendale dan satu jam selatan dari Laboratorium Penelitian Angkatan Udara (AFRL) di Wright-Patterson Air Force Base di Dayton, Ohio. Sprengard memimpin CW tur melalui fasilitas produksi baru Veelo Technologies, berjalan melalui evolusi perusahaan dari pemasok nanomaterial ke spesialis barang luas canggih hingga mitra inovasi untuk komposit masa depan.

Dari nano ke komposit multifungsi dan pemrosesan
Veelo Technologies awalnya mengembangkan lembar serat CNT kontinu (kiri atas) tetapi kini telah berevolusi untuk menggunakan berbagai bahan dalam produknya untuk perlindungan colokan petir dan selimut pemanas non-metalik untuk pemrosesan komposit dan sistem de-icing untuk struktur pesawat (bawah dan kanan).

Serat dan lembar CNT

Veelo Technologies awalnya spin-out dari Universitas Cincinnati (UC) sebagai General Nano. Universitas telah menghasilkan array CNT terpanjang di dunia — 18 milimeter panjang — pada 2007. “Direktorat Bahan dan Manufaktur AFRL tertarik dan memulai evaluasi multi-tahun,” menjelaskan Sprengard, yang bergabung dengan perusahaan pada 2009. “Untuk tiga tahun pertama, kami mencoba mencari cara untuk mengonversi CNT panjang ini menjadi serat makro-skala yang kuat, yang menjadi minat AFRL. Namun propertinya tidak pernah terwujud.”

Jadi, perusahaan berbalik arah, mengembangkan cara untuk mengonversi CNT menjadi lembar kontinu. Boeing tertarik, melihat teknologi sebagai solusi potensial untuk kebutuhannya akan LSP dan pelindung interferensi elektromagnetik (EMI) untuk struktur pesawat kompositnya. “Secara rata-rata, pesawat komersial terkena colokan petir setiap 1.000 jam,” kata Sprengard. Meskipun serat karbon konduktif, resin matriks dalam komposit tidak. Oleh karena itu, struktur pesawat CFRP yang diproduksi Boeing dalam jumlah rekor untuk pesawat komersial 777 dan 787nya mengandalkan expanded metal foil dan solusi logam lainnya untuk menghantarkan arus listrik secara cepat ke sambungan yang di-grounding untuk mencegah kerusakan panas. “Tetapi jaring logam berat, menghasilkan banyak bobot parasit dan dapat menantang untuk diproses dalam bagian komposit,” kata insinyur pengembangan produk Veelo Technologies Larry Christy.

Pada 2015, Boeing memiliki dorongan perusahaan-wide untuk mengembangkan solusi LSP generasi berikutnya, dan General Nano adalah mitra kunci. CW mengunjungi General Nano segera setelahnya, pada 2016, di lokasi aslinya di fasilitas incubator bisnis berbasis Cincinnati yang menempatkan beberapa startup. Christy memimpin tur laboratorium perusahaan dan membahas evolusi teknologi yang sedang berlangsung pada saat itu. “Efektivitas LSP dan pelindung logam menurun seiring dengan frekuensi,” jelasnya. “Anda perlu meningkatkan konduktivitas dan mengurangi impedansi tetapi lebih tipis dari 25 mikron. Namun, sambungan CNT-ke-CNT menambahkan resistensi dalam lembar. Dari 2014 hingga 2016, kami meningkatkan konduktivitas 12 kali dan membuktikan solusi drop-in untuk pelindung pada frekuensi 200 [megahertz] MHz dengan penghematan bobot 25% dibandingkan logam. Tetapi kami masih perlu mengurangi ketebalan.”

Pada titik ini, perusahaan telah mengembangkan kemampuan untuk menghasilkan CNT yang terurut pada substrat lebar 5 kaki dalam panjang yang mengukur ratusan kaki. Ia juga membuat kertas CNT 20-gram-per-segi meter, 2-milimeter tebal dan bahan non-tenun — jenis non-tenun CNT kontinu — menggunakan jaringan mitra manufaktur berbayar dengan kapasitas berlebih pada mesin pembuatan kertas mereka. “Pendekatan ini memberi kami fleksibilitas,” jelas Christy, “dan memungkinkan kami untuk fokus pada bekerja sama dengan pelanggan kami untuk menambahkan fungsionalitas dan menyesuaikan properti serta format produk kami.” Perusahaan juga telah diminta untuk membuat tape kontinu, yang lagi-lagi dibuat menggunakan jaringan toll-nya.

Pergeseran ke barang luas berkinerja tinggi

Kesesuaian dan kesiapan untuk memodifikasi produk berdasarkan persyaratan pelanggan adalah kunci, karena sekitar satu dekade ke dalam eksistensinya, perusahaan memahami bahwa masa depannya mungkin sangat berbeda dari masa lalunya. Christy menjelaskan ada beberapa kebutuhan, tidak hanya untuk LSP tetapi juga untuk pelindung EMI. “Anda harus menyesuaikan performa listrik untuk masing-masing. Properti jaring logam bergantung pada frekuensi dan turun seiring dengan meningkatnya frekuensi karena kebocoran dari lubang dalam lembar. Performa kami naik seiring dengan frekuensi karena produk kami kontinu tanpa lubang dan tanpa kebocoran. CNT lebih unggul dibandingkan logam pada frekuensi tinggi, jadi bagus untuk aplikasi radio frekuensi intensitas tinggi (HIRF) dan komunikasi satelit daya tinggi. CNT juga tidak memiliki efek kulit, yang merupakan masalah dengan logam. Efek kulit adalah tendensi arus bergantian untuk menghindari perjalanan melalui pusat konduktor, terbatas pada permukaan atau kulitnya, yang secara efektif mengurangi area penampang yang tersedia untuk menghantarkan arus dan meningkatkan resistensi. Christy melanjutkan, “Tetapi CNT tidak dapat bersaing pada frekuensi rendah. Konduktivitasnya cukup tinggi dan ada terlalu banyak kehilangan sinyal. Jadi, kami sedang melihat hibrid.”

“Ini menghasilkan bahan lembar lain yang tidak berbasis nanomaterial,” kata Sprengard. “Kami telah mengembangkan VeeloVEIL, solusi serat karbon metalis untuk LSP yang lebih ringan 70% daripada expanded copper foil (ECF) dan memenuhi persyaratan perlindungan colokan petir Zona 1A. Zona 1A mencakup radome/hidung, sayap ujung, nacelles dan ujung empennage pesawat dan harus menahan 200.000 ampere arus listrik, sebagaimana ditentukan oleh persyaratan Federal Aviation Administration (FAA) AS (lihat “Strategi LSP untuk pesawat komposit” dan “LSP untuk struktur komposit”). “VeeloVEIL empat kali lebih konduktif dan setengah bobot dibandingkan non-tenun metalis lainnya,” lanjutnya. “Ini mungkin berkat kimia dan pemrosesan bahan yang telah kami kembangkan.”

LSP generasi berikutnya untuk struktur pesawat
Pesawat komersial terkena colokan petir, secara rata-rata, setiap 1.000 jam. VeeloVEIL serat karbon metalis non-tenun memenuhi persyaratan perlindungan colokan petir (LSP) Zona 1A untuk pesawat komposit pada 70% lebih ringan vs. expanded copper foil. Dirancang untuk diproses oleh mesin penempatan serat otomatis/penataan tape (AFP/ATL), VeeloVEIL menyampaikan konduktivitas yang mengganggu dalam satu lapis 80 mikron tebal dan mengurangi total bahan dan waktu pemrosesan LSP lebih dari 75%.

Industri penerbangan saat ini tidak menggunakan veil serat karbon untuk LSP, kata Sprengard, “karena tidak ada produk yang konduktif cukup untuk memenuhi persyaratan Zona 1A.” VeeloVEIL telah dirancang untuk menyampaikan resistansi listrik 5-10 milliohms (resistansi lebih rendah berarti bahan yang lebih konduktif) pada bobot areal 40-50 gram per segi meter, dan memenuhi persyaratan LSP pesawat menggunakan satu lapis 80 mikron tebal. “Ini membuat bahan sangat dapat dilipat, yang menghasilkan finishing permukaan halus tanpa pengolahan pasca mengisi porositas yang sering diperlukan dengan produk ECF,” catatnya. “Ini, pada gilirannya, memungkinkan produsen untuk menggunakan kurang resin permukaan, yang menghemat bahan dan biaya manufaktur. Kami telah diberitahu oleh tiga OEM struktur pesawat teratas bahwa VeeloVEIL memungkinkan mereka untuk mengurangi total bahan dan waktu pemrosesan LSP dari lebih dari dua puluh jam menjadi kurang dari tiga jam.”

VeeloVEIL disuplai dalam bentuk produk yang sama dengan ECF, yang memungkinkan produsen untuk menggunakannya tanpa mengubah proses manufaktur yang ada. “Semua bahan konduktif listrik kami untuk komposit pesawat dirancang untuk diproses oleh [mesin penempatan serat otomatis] AFP,” kata Sprengard. Veelo Technologies juga sedang dalam proses mengintegrasikan VeeloVEIL ke dalam produk lapis permukaan standar, bekerja sama dengan prepregger pesawat Tier 1.

Menyesuaikan konduktivitas untuk pemanas

Selama pengembangan VeeloVEIL, tim Sprengard menyadari bahwa kemampuan untuk menyesuaikan konduktivitas listrik barang luas mereka juga dapat digunakan untuk aplikasi pemanas elektrotermal. Ini membuka pintu ke keluarga produk lain, VeeloHEAT.

“VeeloHEAT adalah bahan nonmetalik berbasis karbon yang terintegrasi ke dalam struktur pesawat untuk de-icing,” kata Sprengard. Perhatikan ini bukan serat karbon. “Saat ini, sistem de-icing pesawat sering menggunakan kawat logam, yang memiliki masalah dengan daya tahan, terutama di lingkungan lelah tinggi seperti helikopter. Jika salah satu kawat patah, sistem tidak lagi berfungsi. Sistem de-icing logam konvensional sering gagal, dan harus diperbaiki, yang memakan waktu dan biaya. Kami telah membuktikan bahwa produk kami jauh lebih tahan lama, yang secara dramatis mengurangi waktu henti pesawat.” Dia mencatat bahwa produk ini memang digunakan pada daun rotor helikopter dan memiliki potensi besar untuk pesawat EVTOL (kendaraan listrik start dan landing) yang sedang dikembangkan untuk mobilitas udara perkotaan dan generasi transportasi berikutnya.

Lebih dekat waktu, Sprengard mengatakan produk VeeloHEAT dijadwalkan akan terbang pada pesawat komersial sayap tetap pada Q1 2020 untuk kualifikasi tahap awal. “Dayarik teknologi ini bukan rahasia,” katanya, dengan mencatat bahwa Collins Aerospace (sebelumnya UTC, yang kini akan menjadi bagian dari Raytheon) mengumumkan lisensi eksklusif untuk sistem de-icing berbasis CNT pada Januari 2017. “Mereka mengetahui pasar dengan baik dan memosisikan diri untuk masa depan. Investasi mereka adalah indikasi baik tentang arah teknologi ini,” tambah Sprengard.

Veelo Technologies menguji setiap Selimut VeeloHEAT untuk output suhu dan keseragaman.

Dari de-icing ke pemrosesan dan perbaikan komposit

Selimut pemanas konvensional telah digunakan selama bertahun-tahun untuk menyuling area yang relatif kecil — biasanya kurang dari 1 segi meter — dari struktur komposit selama perbaikan scarf yang diikat. Selimut pemanas ini menggunakan kawat logam tradisional yang tertanam dalam karet silicone atau bahan lain (tergantung pada suhu penyulingan yang diperlukan). “Mirip dengan sistem de-icing berbasis logam, jika satu kawat patah, selimut pemanas akan short dan tidak lagi berfungsi,” kata Sprengard. “Kami telah memanfaatkan produk de-icing berbasis karbon kami menjadi selimut pemanas nonmetalik yang memiliki daya tahan dan kemampuan lipat yang tak tertandingi, serta performa.” Standar industri untuk yang terakhir adalah 3% koefisien variasi (COV), yang merupakan ukuran keseragaman dalam produk pemanas, dari sampul ke sampul dan dari tepi ke tepi. Selimut VeeloHEAT melebihi standar ini pada output energi tipikal 5 watt per inci persegi.

Selimut pemanas Veelo dapat menghasilkan suhu hingga 550°F (288°C) dan dapat dibentuk bersih untuk menyesuaikan bagian dan alat cetak. “Kemampuan ini mungkin karena kemampuan kami untuk merumuskan kimia dan memproduksi bahan canggih unik dengan resistensi yang ditailor,” catat Sprengard. Veelo Technologies mengomersialkan teknologi ini dalam 15 bulan dan kini dalam produksi penuh. “Kami melihat pertumbuhan yang sangat baik dalam baris produk ini,” tambahnya, “dan kini memproduksi volume besar Selimut VeeloHeat yang digunakan untuk mengikat struktur komposit besar dari autoklave dan oven, memanfaatkan beberapa zona suhu dan fitur pemrosesan lain yang diminta pelanggan kami.”

Pemindahan dan peningkatan produksi
Aula produksi baru 20.000 kaki persegi Veelo Technologies menawarkan banyak ruang untuk menskala produksi Selimut VeeloHEAT, yang dipindahkan dan ditingkatkan ke kecepatan penuh dalam fase satu transisi manufaktur. Fase dua akan selesai pada 3Q 2019.

Manufaktur untuk memenuhi kebutuhan pelanggan

Pada Oktober 2018, Veelo Technologies menerima konfirmasi bahwa telah memenangkan program pertahanan besar yang memerlukan peningkatan segera. “Untungnya kami menemukan fasilitas yang hampir sempurna, siap pindah, yang sudah dilengkapi dengan infrastruktur yang kami butuhkan untuk segera beroperasi,” ingat Sprengard. Fasilitas Woodlawn memiliki kontrol lingkungan state-of-the-art, pencahayaan dan lantai epoksi dinding-ke-dinding — fitur yang menurut Sprengard adalah standar dalam penerbangan dari tur operasi pelanggannya. “Kami tidak mengambil pintasan — investasi kami dalam bahan dan finishing berkualitas tertinggi mencerminkan strategi dan visi jangka panjang kami untuk masa depan,” jelasnya. Investasi ini juga terlihat dalam kontrol akses dan staf keamanan fasilitas, yang diperlukan untuk kontrak pertahanannya.

Pembangunan fasilitas yang diperlukan selesai pada 2Q 2019, setelah itu Veelo memulai pemindahan baris produksinya. “Semua peralatan kami berjalan pada hampir kapasitas penuh, yang telah membuat jadwalkan penundaan untuk memindahkan semua baris ke fasilitas baru menjadi tantangan,” mengakui dia. Perusahaan menyelesaikan fase satu transisi manufaktur pada Juli 2019, memindahkan baris Selimut VeeloHEAT dan meningkatkannya kembali ke produksi penuh.

Aula produksi besar dan terbuka fasilitas baru diakses dari lobi depan. Di kanan adalah area manufaktur Selimut VeeloHEAT. Empat meja tata letak 4 kaki x 10 kaki digunakan untuk menumpuk film VeeloHEAT dengan bahan lain pada alat cetak logam yang dibentuk. Tata letak ini kemudian disuling dalam oven 10x10 kaki yang disuplai oleh JPW Industrial Furnaces (Trout Run, Pa., AS). Selimut yang selesai dicetak dan dihubungkan ke kabel listrik, yang memungkinkan penggunaan dengan unit kontrol komputerisasi (hot bonders) untuk menyuling laminat komposit dan perbaikan. Setiap Selimut VeeloHEAT diuji untuk output suhu dan keseragaman.

Selimut pemanas non-metalik yang lebih tahan lama dan dapat menempel
Meskipun kawat digunakan untuk memanaskan alat cetak logam dalam produksi Selimut VeeloHEAT (di atas) dan untuk menghantarkan arus listrik dari unit kontrol komputerisasi (hot bonders) ke selimut selama penyulingan dan perbaikan komposit, kawat logam tidak digunakan di dalamnya. Ini memungkinkan selimut pemanas non-metalik ini diproduksi dalam bentuk 3D tanpa kawat patah, shorting dan masalah keseragaman suhu (titik panas dan dingin). Film VeeloHEAT berbasis karbon di dalam menghasilkan suhu hingga 550°F (288°C) dengan 3% COV pada 5 W/in2.

Tepat di luar area produksi selimut pemanas adalah ruang produksi kimia basah. Di sini, peralatan industri yang disuplai oleh Silverson Machine (East Longmeadow, Mass., AS) dan Netzsch (Burlington, Mass., AS) digunakan untuk mencampur formulasi kimia canggih yang digunakan dalam produk Veelo. Berikutnya adalah ruang manufaktur film, yang menempatkan sistem milik untuk manufaktur film VeeloHEAT berbasis karbon Veelo, teknologi kunci di dalam Selimut VeeloHEAT. Lagi bergerak ke kiri adalah area produksi VeeloVEIL. Meski kosong pada waktu tur ini, kedua baris manufaktur gulungan-ke-gulungan lebar 15 inci dan 36 inci untuk produksi VeeloVEIL telah dipindahkan ke fasilitas baru pada Agustus. Perusahaan juga sedang merancang baris lebar 60 inci untuk memenuhi permintaan masa depan. Pada Oktober, Veelo Technologies akan memiliki semua baris produknya beroperasi di bawah satu atap dan meningkatkan produksi.

Solusi generasi berikutnya

Jalan menuju kesuksesan saat ini Veelo Technologies telah panjang, dan tidak selalu sederhana. “Ya, kami memulai di nanomaterial, dan kami tetap mempertahankan keahlian signifikan di domain ini, tetapi tidak ada pelanggan kami yang peduli apakah kami menggunakan nanomaterial atau tidak,” kata Sprengard. “Mereka hanya peduli apakah kami menyediakan solusi yang menarik yang memenuhi target performa dan ROI mereka. Misalnya, produk yang memungkinkan sistem de-icing generasi berikutnya untuk menggunakan daya lebih sedikit pada pesawat, yang membuka peluang baru untuk desain kendaraan udara dan efisiensi operasional.”

Sprengard mengatakan ketiga keluarga produk Veelo sedang maju, baik sedang difinalisasi ke dalam daftar produk yang kualifikasi OEM dan pemasok (QPLs) “atau ditambahkan sebagai nomor bagian dalam basis pasok pelanggan kami.” Meskipun sebagian besar apa yang dilakukan perusahaan sekarang adalah untuk komposit termoset, dia mencatat bahwa kami mulai melihat komposit termoplastik dan manufaktur tambah juga.

Di mana Veelo Technologies berfokus untuk masa depan? “Prioritas pertama kami adalah untuk terus memenuhi pesanan yang ada dan peluang strategis,” kata Sprengard. “Pasar mendorong kami untuk memenuhi level permintaan baru, yang bagus dan menantang. Tetap fokus adalah prioritas utama kami.”

Tujuan yang ditetapkan Veelo untuk dirinya sendiri sekarang sama mengesankan dengan tekad dan ketahanannya selama 12 tahun pengembangan untuk mencapai titik ini. “Jika Anda melihat pemasok komposit pesawat terbaik, seperti Airtech dan A&P Technologies,” kata Sprengard, “mereka memiliki tempat di meja awal dalam siklus pengembangan pelanggan mereka. Untuk menjadi mitra inovasi seperti itu membutuhkan waktu.” Dia menambahkan, “dan komitmen.”

Veelo Technologies telah menskala dari empat menjadi 24 karyawan dan berevolusi dari pemasok nanomaterial ke spesialis barang luas canggih hingga mitra inovasi untuk komposit masa depan, diakui oleh Boeing sebagai Supplier of the Year pada 2015.