Mengoptimalkan Produksi Komposit Otomatis untuk Struktural Penerbangan Volume Rendah

Pembuatan aerostruktur komposit untuk pesawat komersial mencakup lebih dari 50 tahun dan telah secara bertahap berkembang dari bagian kecil ke struktur primer yang sangat besar — badan, sayap, empennage, mesin — yang dikembangkan pada awal 2000 untuk Boeing 787 dan Airbus A350. Mayoritas besar evolusi ini bergantung pada penggunaan prepreg serat karbon/epoksi yang dirawat autoklav, awalnya ditempatkan secara manual dan kemudian, akhirnya, melalui penempatan serat otomatis (AFP), penataan tape otomatis (ATL) dan proses berbasis mesin lainnya.

Teknologi material dan proses (M&P) ini cocok untuk 787 dan A350 wide-body yang, sebelum pandemi, memiliki tingkat pembangunan 10-15 per bulan. Namun, saat Boeing dan Airbus melihat ke masa depan, dan mempertimbangkan penerapan material komposit dalam struktur primer pesawat satu gang yang diharapkan memiliki tingkat pembangunan 60-100 per bulan, desain dan M&P akan mendukung proses OOA, sangat terotomatisasi, tingkat tinggi. Proses ini mencakup, di antaranya, transfer molding resin (RTM), compression molding, dan infusi resin cair.

Tetapi bahkan jika manufaktur tingkat tinggi akan mendominasi sektor penerbangan komersial, pembuatan aerostruktur komposit untuk pesawat volume rendah — termasuk pesawat regional dan program jet bisnis — tidak hanya akan bertahan, tetapi dapat dan harus mendapat manfaat dari beberapa inovasi biaya, desain, dan M&P yang sama yang akan diterapkan dalam program volume tinggi.

Itu adalah dengan semua ini dalam pikiran bahwa program Clean Sky 2 Eropa meluncurkan OPTICOMS — Optimized Composite Structures for Small Aircraft. OPTICOMS adalah konsorsium yang dipimpin oleh pembuat pesawat Israel Aerospace Industries (IAI, Lod, Israel) dengan mitra yang menyediakan inovasi teknologi otomatisasi, material, perangkat lunak, cetakan, dan mesin. Tujuan OPTICOMS adalah mengevaluasi desain kotak sayap produksi volume rendah yang menampilkan pembuatan otomatis, struktur terintegrasi, penyembuhan OOA, bonding struktural besar, alat manufaktur dan rangkaian inovatif, pemantauan kesehatan struktural bonding line, dan pengujian virtual.

Arnold Nathan, direktur R&D untuk kelompok penerbangan di IAI dan manajer OPTICOMS, mengatakan, "Setiap kali kita mencoba memasukkan otomatisasi dalam [diskusi] tentang manufaktur komposit, kita sering mendengar pelanggan kami mengatakan, 'Otomatisasi bagus, tetapi hanya ketika Anda memiliki volume produksi yang besar.' OPTICOMS dirintis untuk mengetahui apakah Anda dapat membenarkan otomatisasi ketika Anda tidak memiliki produksi volume besar. Apakah otomatisasi manufaktur komposit dapat kompetitif dan hemat biaya untuk volume rendah?"

Desain sayap

OPTICOMS lahir dari permintaan Clean Sky 2 yang dikeluarkan oleh pembuat pesawat bisnis Italia Piaggio Aerospace (Genoa) untuk pengembangan alternatif sayap komposit seluruhnya untuk P180 Avanti pesawat turboprop dua mesin penumpang sembilan orangnya. Kotak sayap mengukur 6,8 meter panjang, 0,71 meter lebar di akar dan 0,28 meter lebar di ujung. Piaggio, kata Nathan, sangat bersemangat untuk mengevaluasi alternatif untuk kotak sayap logam lama — alternatif dengan dimensi yang sama, tetapi menawarkan pengurangan bobot (20%). Selain itu, biaya harus dikurangi 20-30% dibandingkan pembuatan kotak sayap komposit konvensional. IAI dan mitra mereka memenangkan kontrak dan mulai bekerja sama dengan Piaggio pada 2016.

OPTICOMS adalah program multi-bagian yang dirancang untuk melakukan serangkaian studi perdagangan yang sangat detail dan dilakukan dengan teliti untuk mengevaluasi dan menentukan desain sayap optimal, kombinasi material, dan proses pembuatan OOA untuk manufaktur otomatis kotak sayap komposit seluruhnya volume rendah.

IAI dan OPTICOMS, kata Nathan, memutuskan sejak awal untuk berfokus dan mengevaluasi penggunaan tiga proses manufaktur yang disediakan oleh tiga mitra: Penempatan otomatis robotic pick-and-place dari kain kering dan prepreg, yang disuplai oleh Techni-Modul Engineering (TME, Coudes, Prancis); penempatan serat otomatis (AFP) dari tow kering dan prepreg, yang disuplai oleh Coriolis Composites (Queven, Prancis); dan teknologi penempatan material kering otomatis (ADMP), yang disuplai oleh Danobat (Elgoibar, Spanyol). Pemilihan teknologi dan mitra ini akan kritikal dalam memandu IAI melalui studi perdagangan multi-varian mereka.

Hasil desain

• Desain multi-spar integral (tiga spar) meminimalkan rangkaian
• Kulit beban "bekerja" membantu mengurangi stres mekanis dari spar
• Kulit bawah yang dibond dengan SHM menghilangkan kebutuhan akan penangkal mekanis

Langkah pertama dalam studi perdagangan ini adalah evaluasi desain. Upaya ini dipimpin di IAI oleh Adam Sawday, insinyur desain struktural untuk teknologi lanjutan. Sawday mengatakan dia dan IAI mengambil pendekatan lembar bersih untuk desain sayap, mempelajari lebih dari 18 konsep di seluruh berbagai arsitektur. Desain dengan cepat jatuh ke salah satu dari dua kategori. Kategori pertama menggunakan kulit "bekerja" di mana kulit kotak sayap menjadi struktur beban. Kategori kedua menggunakan kulit non-bekerja dengan spar cap yang dibebani. Dalam kategori ini, desain mencakup konsep tradisional dengan rusuk, stringer, dan dua spar, atau, alternatif, penggunaan tiga spar — disebut multi-spar — tanpa rusuk atau stringer. Beberapa konsep juga mempertimbangkan penggunaan konstruksi panel sandwich yang menghasilkan kulit semi-bekerja.

"Mantra kami adalah untuk mengurangi upaya manufaktur dan mengurangi upaya rangkaian," kata Sawday. "Dan kami percaya jika Anda dapat mengembangkan struktur yang lebih efisien yang lebih integral, maka Anda akan mendapatkan struktur yang lebih murah dan lebih ringan."

Sawday mengatakan desain diukur berdasarkan serangkaian metrik untuk menilai kemampuan mereka untuk memenuhi target biaya dan bobot program. Metrik ini mencakup: biaya material, kompleksitas desain, biaya manufaktur komponen, biaya rangkaian, biaya pengujian non-destruktif (NDT), biaya cetakan dan jig, bobot, kekuatan, tingkat kesiapan teknologi (TRL), pertimbangan ekologis, profil risiko, kekuatan, dan keandalan. Dari antara ini, kriteria yang diberi bobot paling besar adalah bobot, biaya manufaktur dan rangkaian, kompleksitas desain, TRL, dan profil risiko.

Menurunkan ke desain akhir

Data dari evaluasi ini membantu IAI menyaring konsep desain menjadi 10 finalis. Empat adalah multi-spar/kulit bekerja, satu adalah multi-spar/kulit non-bekerja dengan spar yang dibebani, empat adalah multi-rusuk/kulit bekerja dengan stringer, satu adalah multi-rusuk/kulit bekerja tanpa stringer, dan satu adalah struktur sandwich/kulit bekerja tanpa stringer. Setiap desain menawarkan berbagai kombinasi penyembahan awal, penyembahan bersamaan, bonding, atau pemasangan mekanis.

Mencapai desain akhir melibatkan putaran studi perdagangan lainnya menggunakan banyak kriteria yang sama seperti dalam studi pertama. Setiap desain diberi nilai perdagangan, berdasarkan seberapa baik ia memenuhi kriteria. "Kami memiliki tabel perdagangan besar, dan setiap opsi desain memiliki nilai, dan ini membantu kami melihat opsi terkuat," kata Sawday.

Ada satu desain, sejak awal, yang selalu berkinerja baik dalam studi perdagangan dan tampaknya kemungkinan akan menjadi yang teratas, Sawday catat. Dan itu berhasil. Dibuat secara internal sebagai multi-spar/kulit bekerja #2, ini memiliki kulit atas yang sangat terintegrasi dan dirawat bersamaan dan tiga spar. Ini kemudian dibond ke kulit bawah yang memiliki panel akses. Secara selektif di antara spar adalah serangkaian rusuk "backup", yang dirancang untuk mendukung kulit, yang menanggung sebagian besar beban lentur.

"Struktur paling menguntungkan yang kami kembangkan," kata Sawday, "adalah yang dengan multi-spar, di mana kulit menjadi beban. Spar, kemudian, menjadi struktur yang lebih sederhana dan lebih tipis, dan tidak seberat yang ada dalam desain sayap komposit tradisional. Kami pikir jika kami dapat membuat spar ini sangat sederhana, dengan kerangka silang konstan, itu akan menyelamatkan banyak masalah dan banyak limbah."

Sawday mengatakan desain multi-spar/kulit bekerja yang dibond integral menunjukkan janji khusus untuk biaya rangkaian yang rendah, bobot rendah, kemudahan otomatisasi dan jumlah bagian secara keseluruhan rendah. Namun, pertanyaan tetap: Material mana dan proses manufaktur mana yang paling cocok untuk menghidupkan desain ini?

Studi perdagangan M&P

Pertama-tama adalah studi perdagangan material. Ini dilakukan di IAI oleh Yaniv Yurovitch, insinyur material komposit. Dia mengatakan OPTICOMS mulai mengevaluasi prepreg serat karbon OOA, serat karbon kering (tape dan kain) dan resin berdasarkan rekomendasi dari Piaggio, IAI dan mitra teknologi. Hasilnya adalah daftar 35 material yang memenuhi syarat dan baru.

Grup pertama material ini kemudian diapis berdasarkan parameter paling krusial untuk proyek OPTICOMS: Biaya, suhu transisi kaca (T_g), viskositas (untuk infusi atau injeksi) dan kesesuaian untuk teknologi penataan otomatis. Evaluasi ini mengurangi daftar material dari 35 menjadi 20 prepreg, serat kering dan resin.

Sampel dari masing-masing 20 material ini dipesan; Yurovitch kemudian membuat kupon dan melakukan uji mekanis sebagai bagian dari down-select berikutnya. "Itu adalah paket pekerjaan yang sangat besar," kata Yurovitch. "Itu memungkinkan kami untuk membuat lebih banyak keputusan dan memilih tiga material akhir." Kombinasi serat/resin tersebut adalah:

• Prepreg serat karbon/epoksi 2510 dari Toray Composites Materials America (Tacoma, Wash., AS).
• Tape UD serat karbon HiTape dari Hexcel (Stamford, Conn., AS), yang akan digunakan dengan resin epoksi RTM6 HexFlow dari Hexcel.
• Kain non-crimp fabric (NCF) serat karbon yang disuplai oleh SAERTEX (Saerbeck, Jerman), yang akan digabungkan melalui infusi dengan epoksi yang diperkaya PRISM EP2400 dari Solvay Composite Materials (Alpharetta, Ga., AS).

Daftar ini jelas mendukung penggunaan serat kering, yang pada gilirannya mendukung infusi sebagai proses manufaktur. Nathan mengatakan ini didorong sebagian oleh tantangan mengelola umur rak prepreg dalam lingkungan volume rendah. "Saat Anda berbicara tentang produksi volume rendah, Anda benar-benar tidak ingin membawa banyak prepreg dan khawatir tentang mengelola umur rak," katanya. "Serat kering tidak memiliki masalah itu."

Tiga material ini juga dipasangkan dengan satu atau lebih dari proses manufaktur yang dipilih untuk OPTICOMS: prepreg Toray cocok dengan pick-and-place dan AFP, HiTape/RTM6 Hexcel cocok dengan AFP serta pick and place, dan NCF SAERTEX cocok dengan pick-and-place atau ADMP.

Studi perdagangan tentang proses manufaktur otomatis — mana yang paling cocok untuk jenis bagian mana — masih dilakukan oleh IAI dan OPTICOMS. Namun, hasil awal, kata Nathan, jelas menunjuk teknologi ke arah tertentu. Misalnya, teknologi ADMP Danobat, yang awalnya dikembangkan untuk penempatan kain lebar yang cepat dalam manufaktur balang turbin angin, terbukti sama efisiennya dalam OPTICOMS. Teknologi ini telah matang selama OPTICOMS dan keandalan dan keandalan telah ditingkatkan, tetapi masih merupakan teknologi penataan penerbangan yang kurang matang dibandingkan AFP.

Sebaliknya, AFP dengan sistem Coriolis, dengan pengalaman penerbangan yang luas, adalah teknologi yang matang dan akurat, tetapi memiliki waktu penataan yang lebih lama dibandingkan ADMP dan memerlukan inspeksi yang relatif sering untuk memeriksa anomali. Coriolis telah membuat kemajuan yang signifikan selama proyek OPTICOMS dengan pengembangan inspeksi inline, waktu nyata dari penataan untuk mengatasi tantangan ini, kata Nathan. Terakhir, teknologi pick-and-place TME, yang dirancang untuk mengotomatisasi transfer kain yang dipotong dari meja potong ke cetakan, tampaknya paling efektif untuk bagian kecil dan diskret, seperti rusuk cadangan dalam desain multi-spar/kulit bekerja.

Langkah selanjutnya

OPTICOMS di jalur untuk memenuhi target otomatisasi, biaya, dan pengurangan bobot yang ditetapkan oleh program, kata Nathan, meskipun masih ada beberapa bulan pekerjaan yang harus dilakukan untuk mengevaluasi proses manufaktur serta solusi rangkaian.

"Ini adalah poin penting tentang OPTICOMS," jelasnya. "Kami memiliki down-selection yang kuat dari desain. Kami memiliki down-selection dari material. Kami memiliki down-selection dari proses. Semuanya ini memerlukan waktu dan usaha. Ini adalah salah satu aspek unik dari proyek."

OPTICOMS memulai tiga panggilan untuk proposal (CFP) untuk teknologi dan perangkat keras untuk mendukung, memastikan, dan meningkatkan tujuan proyek. Proposal yang berhasil menjadi proyek Clean Sky 2, yang terkait dan melengkapi "Core Partner" utama OPTICOMS — semuanya bekerja sama menuju tujuan umum.

Upaya pertama dalam pengembangan ini adalah FITCoW, yang bertujuan untuk mengembangkan sistem cetakan serat karbon integral baru untuk penyembahan bersamaan dari kulit bekerja dan tiga spar. Daftar target FITCoW ambisius: pengurangan biaya 50% untuk bagian yang diproduksi, pengurangan biaya cetakan 30% (dibandingkan alternatif logam), pengurangan waktu manufaktur 20% dibandingkan alternatif autoklav dan OOA, pengurangan ketidakcocokan CTE 40% dibandingkan cetakan Invar, pengurangan waktu pemanasan dan pendinginan 20% dan pengurangan waktu inspeksi 40% berkat kemampuan kontrol dimensi yang lebih baik.

Untuk membond struktur spar/kulit ke kulit bawah, CFP kedua menghasilkan proyek OPTICOMS lain yang disebut WIBOND, untuk mengembangkan alat rangkaian bonding yang menempatkan perekat, memberikan tekanan yang sesuai dan menyisipkan sensor serat optik di garis bonding untuk pemantauan kesehatan struktural bonding; CW akan melaporkan ini dan teknologi rangkaian lainnya dalam artikel terpisah yang akan diterbitkan pada 2022.

CFP ketiga dimulai untuk mengatasi tantangan krusial dari stres sisa yang menyebabkan "spring-in" dari struktur spar/kulit. Deformasi ini dapat memiliki efek berbahaya pada proses rangkaian bonding. Proyek ELADINE bergabung dengan upaya OPTICOMS untuk mengembangkan perangkat lunak yang memodelkan dan memprediksi anisotropi termal, penyusutan polimerisasi, interaksi bagian cetakan, aliran resin dan kompaksi serta gradasi suhu di seluruh struktur.

Fokus utama IAI dan OPTICOMS saat ini adalah untuk menyampaikan demonstrator sayap lengkap 6,8 meter ke Piaggio pada Q2 2022 untuk pengujian statis dan lelah. Ini akan diikuti oleh analisis performa keseluruhan sayap dan kemampuan desain, material dan proses untuk memenuhi kriteria proyek. Setelah itu akan datang rekomendasi dari Piaggio tentang langkah potensial berikutnya menuju komersialisasi.

Di luar Piaggio, namun, IAI berharap kotak sayap OPTICOMS mungkin menemukan aplikasi dalam pesawat lain. "Meskipun proyek ini didasarkan pada pesawat spesifik," kata Sawday, "kami mencoba membuat desain dapat diskalakan ke ketebalan dan ukuran yang berbeda. Kami tidak pernah melepaskan fakta bahwa teknologi ini dapat dan harus sangat dapat disesuaikan."