Fraunhofer IPT Kembangkan Komposit Termoplastik untuk Penyimpanan Hidrogen, Balang Mesin Pesawat, dan Aplikasi Lainnya
Fraunhofer IPT mengembangkan (dengan jarum jarum dari kiri atas searah jarum jam) balang mesin pesawat komposit termoplastik, struktur komposit-logam hibrid dengan struktur laser dan AFP, pemantauan kesehatan struktural (SHM) komposit, dan sistem pemrosesan pita komposit termoplastik, seperti sistem PrePro 2D dan PrePro3D yang dikomercialkan oleh Conbility. Foto: Fraunhofer IPT
Pada Desember 2020, saya menulis artikel tentang bagaimana Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT, Aachen, Jerman) mengembangkan penataan pita dan pembentukan sepenuhnya otomatis untuk balang mesin pesawat polimer terstabil serat karbon (CFRP) termoplastik. Konsolidasi in-situ (ISC) pita komposit termoplastik ternyata merupakan topik yang dikuasai Fraunhofer IPT, yang telah mendorong teknologi ini sejak awal bersama pionir ISC Accudyne Systems Inc. (Newark, Del., AS) dan Automated Dynamics, kini Trelleborg Sealing Solutions Albany (TSS Albany, Niksayuna, N.Y., AS). [Untuk informasi lebih lanjut tentang pionir ISC ini, lihat "Consolidating thermoplastic aerostructures in place, Part 1 and Part 2".] "IPT aktif dalam penggelindingan pita bantu laser (LATW) sejak 1988, dan ini tetap menjadi salah satu topik utama kami," jelas Dr. Henning Janssen, insinyur kepala dan kepala departemen plastik terstabil serat dan teknologi sistem laser di Fraunhofer IPT. Dia mencatat bahwa teknologi LATW telah berubah banyak, terutama dalam 10-15 tahun terakhir. Blog ini memberikan lebih banyak detail tentang pengembangan LATW oleh Fraunhofer IPT dan komposit termoplastik secara luas, serta arah teknologi di masa depan menurut institusi ini.
Evolusi dalam penggelindingan pita laser
"Ketika kami memulai 30 tahun yang lalu, teknologi laser belum siap untuk pemrosesan berkecepatan tinggi komposit termoplastik," kata Janssen. "Anda dapat membayangkan, terutama di sisi kontrol, Anda hanya memiliki kamera analog. Sekarang, kami memiliki teknologi yang jauh lebih baik. Misalnya, ketika kami mengembangkan kepala penggelindingan laser kompak pada 2008, yang menghasilkan pendirian AFPT Germany (Dörth, Jerman), kami harus menggunakan kamera 16 piksel x 16 piksel, yang menawarkan lajur frame hanya delapan frame per detik. Sekarang, kami dengan mudah memiliki 640 x 480 piksel dan pemrosesan 50 frame atau lebih per detik." Dia menjelaskan bahwa ini penting, "karena dengan penggelindingan pita laser yang kami kembangkan, salah satu keuntungan utama adalah Anda dapat melihat ke dalam proses dan juga mengubah daya pemrosesan dalam milidetik. Ini memberikan keuntungan yang baik, misalnya, saat Anda melewati geometri kompleks, seperti dom tabung tekanan, di mana kecepatan penggelindingan melambat, dan Anda harus menurunkan daya pemanasan laser. Anda kemudian harus menyesuaikan ulang saat penggelindingan kembali mendapatkan kecepatan sepanjang silinder tangki. Ini tidak mungkin 15 tahun yang lalu karena laser, sistem kontrol, dan teknologi citra termal belum siap atau terlalu mahal dan juga tidak sekuat yang kami miliki saat ini."
Janssen melanjutkan, "Jadi, banyak yang telah berkembang di sisi digital. Sekarang, misalnya, kami menyediakan sesuatu seperti digital twin, di mana Anda dapat memetakan semua informasi sensor Anda ke tabung tekanan, sehingga Anda dapat membandingkan bagian seperti yang diproduksi versus desain digital untuk menilai kualitas bagian dan memprediksi performa. Menggunakan sensor proses virtual dan model juga memungkinkan kami untuk memprediksi kekuatan lapisan seperti yang ditentukan oleh riwayat pemrosesannya." Ini penting karena LATW menggunakan pita termoplastik dengan pemanasan dan pendinginan cepat di mana properti material dan bagian ditentukan selama proses penggelindingan itu sendiri, karena tidak ada tahap pemrosesan pasca termal, kata dia. Oleh karena itu, sangat krusial untuk memiliki kemampuan kontrol proses yang cepat.
Tidak pula ada perkembangan dalam material, kata Janssen. "Dua puluh tahun yang lalu, jumlah material pita komposit termoplastik yang tersedia terbatas, seperti APC-2 dari Cytec, yang kini Solvay (Alpharetta, Ga., AS)," jelas dia. "Tetapi sekarang, banyak lebih banyak material yang memenuhi syarat untuk aplikasi industri, dan Anda juga memiliki banyak material komoditas seperti polipropilena (PP) yang ditstabilkan dengan serat karbon dan juga dengan serat kaca, serta poliamida enam (PA6), misalnya, yang digunakan cukup banyak di industri otomotif. Sekarang juga ada aplikasi LATW yang lebih menuju produksi massal. Misalnya, ada dorongan menuju manik penahan dan bagian lain dalam motor listrik. Ini adalah cincin atau tabung komposit termoplastik sederhana, tetapi dalam volume 10.000 hingga 50.000 per tahun."
ambliFIBRE, pipa untuk minyak dan gas
Sebagian dari kontrol digital dalam LATW yang diuraikan Janssen di atas dikembangkan dalam proyek ambliFIBRE (2015-2018). "Ada banyak mitra dalam proyek itu," katanya, "tetapi salah satunya Baker Hughes (Newcastle, Inggris dan Houston, Texas, AS) dan kami menggunakan peralatan LATW kami untuk pipa nonlogam mereka." Perhatikan bahwa segera setelah ambliFIBRE berakhir pada 2018, Baker Hughes mengumumkan joint venture dengan Saudi Aramco (Riyadh, Arab Saudi) untuk memperluas penggunaan pipa nonlogam, termasuk penggunaan yang mungkin polimer terstabil serat karbon (CFRP).
Baker Hughes kini bertujuan untuk mempercepat perkenalan material nonlogam di sektor energi, dan ada perusahaan lain yang menggunakan teknologi berbasis laser untuk pipa juga, seperti Magma (Portsmouth, Inggris). (Lihat "Thermoplastic pipe on the rise in the deep sea" dan "Magma Global delivers high-pressure composite riser…").
"Sedang cukup umum menggunakan penggelindingan pita laser untuk riser dan aliran komposit termoplastik juga," kata Janssen. "Meskipun ini belum menjadi pengetahuan umum di industri lain." Dia menambahkan bahwa banyak perhatian akhir-akhir ini yang diberikan kepada LATW telah untuk tangki penyimpanan hidrogen, tetapi teknologi ini sudah memiliki aplikasi yang jauh lebih luas.
Dalam proyek ambliFIBRE, Fraunhofer IPT mengembangkan model kontrol proses digital untuk penggelindingan pita tidak kontinu (misalnya, tangki) dan kontinu, misalnya, untuk memproduksi pipa berkilometer panjang. Foto: Video Fraunhofer IPT untuk proyek ambliFIBRE
"Dan apa yang kami tawarkan di Fraunhofer IPT untuk aplikasi ini adalah kunci," kata Janssen. "Tentu saja, kami tidak menjalankan lini produksi skala penuh untuk produksi pipa kontinu di sini di institusi kami, tetapi apa yang kami tawarkan untuk pelanggan kami adalah pengujian material dan kualifikasi produk. Ada piramida pengujian, misalnya, berdasarkan DNV-GL F114, dimulai dengan kualifikasi dan pengujian polimer dan serat, lalu meningkat ke mikrostruktur atau mesostruktur laminat komposit. Jadi, kami melakukan banyak pengujian pada level kupon, lalu meningkat ke pipa yang lebih kecil dan pipa representatif, misalnya, karena penggelindingan memberikan properti yang berbeda dari pres atau penataan pita otomatis (ATL)."
Dia juga mencatat, "karena Anda memiliki stres yang berbeda dalam material Anda, banyak dari komposit ini diuji dalam pipa yang lebih kecil, misalnya 2-3 inci hingga beberapa meter panjang. Jadi, kami melakukan pengujian ini lalu kami terapkan pemahaman proses kami untuk panjang bagian nyata, misalnya 2-3 kilometer. Dan itu sangat menarik, karena waktu pemrosesan pada panjang itu mungkin bertahan beberapa hari, dan Anda harus mempertimbangkan penyusutan serta faktor lain, seperti perubahan suhu udara di sekitar, yang dapat memiliki dampak yang cukup besar."
LATW dalam tangki penyimpanan hidrogen
Janssen mengatakan Fraunhofer IPT telah bekerja dengan perusahaan minyak dan gas sejak 2000. "Dan kemudian, delapan tahun yang lalu, kami menemukan ini hampir sama dengan teknologi yang Anda butuhkan untuk tangki hidrogen," ingatnya. "Dan sekarang kami memiliki inisiatif besar untuk manufaktur hidrogen di sini di IPT dan juga untuk komposit serat karbon dalam sel bahan bakar. Kami sedang membangun fasilitas senilai 80 juta euro untuk manufaktur sel bahan bakar otomatis dan juga berinvestasi dalam fasilitas penggelindingan baru yang cukup besar sehingga kami dapat memproduksi bagian hingga 7 meter panjang dan 2,5 meter diameter, yang kami gunakan juga untuk tabung tekanan besar."
LATW menggunakan pita komposit termoplastik belum menjadi standar terbaik untuk manufaktur tabung tekanan, kata Janssen, "karena kimia termoplastik, serta pemrosesan dan daya tahannya masih semua sedang diteliti. Tetapi keyakinan kami yang kuat adalah bahwa permeabilitas rendah, keawetan, dan daur ulang yang ditawarkan termoplastik itu penting." Dia juga melihat potensi untuk termoplastik dalam tabung tekanan Tipe V, yang seluruhnya komposit tetapi tidak menggunakan liner termoplastik terpisah. "Ini mungkin menyediakan solusi masa depan untuk beberapa aplikasi penyimpanan hidrogen seluler, seperti truk listrik sel bahan bakar."
"Kami juga melihat bahwa termoset filament welding konvensional terbatas mengenai sudut penggelindingan minimum," kata Janssen. "Misalnya, Anda harus melewati dom dalam lapisan helis dengan sudut serat tidak jauh kurang dari 10°. Jadi, Anda tidak dapat memasang penguat 0° ke dalam tabung filament wound konvensional." Namun, dia berpendapat, "dalam LATW klasik, prepreg termoplastik yang masuk langsung dijalin ke substrat, jadi Anda dapat pergi ke arah mana pun yang Anda inginkan, yang memberikan kebebasan desain yang jauh lebih besar. Kami saat ini menjalankan proyek dengan mitra dari industri otomotif untuk mengembangkan tabung tekanan termoplastik untuk penyimpanan hidrogen yang aman, hemat energi, dan mudah didaur ulang."
Balang kipas komposit termoplastik
Fraunhofer IPT memiliki latar belakang yang sangat kuat dalam turbomesin, kata Janssen. "Kami memiliki di sini di Aachen International Center for Turbomachinery Manufacturing, atau ICTM, komunitas pralomba di mana kami bekerja sama dengan produsen mesin dan pemasok mereka secara bersama-sama dalam proyek R&D pralomba untuk mengembangkan dan meningkatkan teknologi manufaktur."
Dia mencatat bahwa dalam 20 tahun terakhir, fokus terutama pada pemesinan titanium atau logam berbasis nikel untuk produk lanjutan bagian kompresi dan turbin, seperti blade integrated disk (blisk). Sedang di bagian dingin, bagian dari material komposit — seperti balang kipas komposit serat karbon — dikembangkan oleh GE pada tahun 1990 dan sekarang sedang beroperasi di GE90 dan GEnx. "Sekarang, namun, komposit matriks keramik (CMC) dianggap sebagai material generasi berikutnya untuk bagian panas mesin jet," kata Janssen, "yang memungkinkan suhu lebih tinggi dengan bobot lebih rendah untuk efisiensi yang lebih besar."
"Pembuatan bagian dari komposit dibandingkan logam sangat berbeda," lanjutnya. "Dalam logam, Anda mulai dengan gumpalan material dan menurunkan bagian dengan pemrosesan pengurangan, terutama pemesinan, sehingga desain tidak begitu tergantung pada manufaktur. Ini kebalikannya dalam komposit, yang selalu memerlukan jenis proses generatif. Jadi, kami memutuskan bahwa kami akan mengatasi strategi balang kipas baru dari perspektif manufaktur."
Dia juga mencatat joint venture Clean Sky 2, di mana Fraunhofer memimpin kegiatan Eco-Design. Fraunhofer IPT berfokus pada eco-design untuk mesin, yang mencakup penilaian siklus hidup dan evaluasi dampak lingkungan. "Ini mengapa kami mulai melihat komposit termoplastik," jelasnya. "Sampai saat ini, kami berada pada TRL [technology readiness level] yang sangat rendah. Untuk saat ini, pengembangan tentang manufaktur dan mencoba berbagai rute proses, seperti penataan near net shape dan sedikit termoforming — yang lebih seperti langkah kalibrasi — lalu finishing dalam hal pemesinan. Jadi, masih banyak pekerjaan yang menunggu kami."
Sementara itu, Fraunhofer IPT memperluas keahliannya dalam pemesinan komponen mesin pesawat logam ke komposit, menggunakan teknologi digitalnya untuk memantau dan menilai parameter pemesinan pada setiap balang. Namun bukannya tujuan dalam komposit adalah beralih dari manufaktur pengurangan tersebut ke manufaktur tambahan untuk kurang limbah? "Ya, tetapi untuk beberapa rute proses, pemesinan diperlukan untuk memenuhi toleransi dimensi," kata Janssen. "Apa yang kami kerjakan saat ini sangat near net shape."
Dia menjelaskan bahwa desain yang sedang dikembangkan saat ini adalah laminat komposit termoplastik tebal 0,75 inci di akar dan hanya 2 milimeter tebal di ujung. "Dan kemudian ada berbagai strategi desain, yang kami diskusikan bersama insinyur desain. Juga, apakah Anda memiliki autoklav atau langkah press untuk bagian yang sangat tertinggi beban seperti itu? Ini juga akan memainkan peran mengenai stres internal, karena kami tahu balang ini sedikit memutar selama rotasi. Dan, tentunya, tabrakan burung adalah masalah kunci." Untuk yang terakhir, Janssen melihat keawetan yang meningkat dari termoplastik sebagai pendukung, dengan menyebutkan komposit PPS (polifenilena sulfida) digunakan di tepi depan sayap untuk alasan yang sangat ini.
Aplikasi masa depan untuk komposit termoplastik
Saya bertanya tentang kemungkinan penggunaan komposit termoplastik dalam nacelle mesin, yang mungkin dapat membantu menyediakan solusi untuk empat insiden balang lepas terakhir, seperti yang dilaporkan dalam artikel Aviation Week Maret 2021:
"... kerusakan yang disebabkan oleh pecahan balang yang mengenai bagian penutup mesin, atau nacelle, memicu serangkaian peristiwa yang menyebabkan potongan struktur besar, termasuk bagian inlet mesin dan kipas cowl, terlepas." Dalam empat kecelakaan tersebut, badan pesawat mengalami kerusakan, dan untuk Penerbangan Southwest 1380 pada April 2018, salah satu jendela terlepas, menyebabkan korban jiwa penumpang.
"Ada beberapa minat dari industri untuk menggunakan komposit termoplastik dalam ruang mesin," kata Janssen, "namun, ini adalah pengembangan jangka panjang." Satu masalah untuk pengembangan seperti itu adalah sertifikasi oleh otoritas penerbangan, area lain di mana Fraunhofer IPT aktif. "Kami sekarang berdiskusi dengan badan sertifikasi bagaimana membantu mengurangi upaya sertifikasi dengan membuktikan secara digital bahwa proses manufaktur baru sesuai dengan standar saat ini dan yang berkembang. Jadi, itu adalah cara berpikir yang baru. Dalam manufaktur abad ke-21, ada banyak data yang tersedia, bukan hanya tentang sertifikasi satu proses atau satu desain dengan pengujian, lalu itu membeku." Dengan kata lain, penekatan saat ini pada Industri 4.0 dan Komposit 4.0 adalah bahwa sensor dan perangkat lunak yang didukung AI akan terus mengumpulkan data dan mengembangkan kecerdasan yang kemudian akan terus mengoptimalkan manufaktur dan, pada gilirannya, mengirimkan kecerdasan tersebut kembali dalam benang digital untuk meningkatkan desain. Ini memang sangat berbeda dari manufaktur saat ini.
Pekerjaan Fraunhofer IPT mengenai sertifikasi, kata Janssen, "dapat membantu mengaktifkan teknologi baru seperti komposit termoplastik untuk bagian mesin — yaitu, setelah semua aspek, termasuk teknologi, desain, dan manajemen risiko, dipertimbangkan." Dia berpendapat bahwa komposit termoplastik menawarkan potensi besar untuk membantu mengatasi tantangan kunci dalam berbagai sektor industri, dan mencatat bahwa Fraunhofer IPT sedang bekerja untuk mengatasi kompleksitas pemrosesan komposit termoplastik — misalnya, memanfaatkan metode manufaktur digital yang baru tersedia. "Selanjutnya, potensi komposit termoplastik hanya dapat dieksploitasi sepenuhnya setelah siklus hidup penuh — termasuk penggunaan kembali dan daur ulang — dipertimbangkan," kata Janssen. "Jadi, Fraunhofer IPT juga bekerja pada daur ulang mekanis komposit termoplastik. Kami melihat akan mungkin untuk mencapai material daur ulang nilai tinggi dengan mempertimbangkan data yang dihasilkan selama manufaktur dan data yang dihasilkan selama seluruh siklus hidup komponen komposit."
