Sayap Besok Ribs: Konsolidasi Termoplastik One-Shot dan OOA untuk Pesawat Generasi Depan

Program Wing of Tomorrow (WOT) Airbus, yang diluncurkan pada 2015, telah menghabiskan enam tahun terakhir untuk menjelajahi teknologi material, manufaktur dan penginstalan yang lebih kompetitif biaya dan throughput lebih tinggi untuk sayap pesawat komersial satu gang (lihat cakupan sebelumnya CW tentang program WOT).

Menurut Arnt Offringa, direktur GKN Aerospace Global Technology Center Belanda (Hoogeveen), GKN Aerospace (Bristol, Inggris) sangat aktif dalam program WOT, termasuk pengembangan demonstrator spar sayap yang dibuat melalui resin transfer molding (RTM) dan empat rib sayap aluminium. Demonstrator teknologi lain yang baru saja disampaikan oleh GKN Aerospace melibatkan pengembangan rib komposit termoplastik yang kompetitif biaya, dan sistem press modular inovatif untuk manufaktur one-shot, out-of-autoclave (OOA) untuk memproduksinya.

Melompat ke termoplastik

Pada 2018, GKN Aerospace memulai diskusi internal tentang bahan dan teknologi manufaktur yang dapat digunakan untuk memproduksi lima demonstrator

Merancang rib. Desain rib (atas) mengintegrasikan teknologi butt-joint GKN (bawah), dengan pengisi stiffener yang dicetak injeksi (tengah, ditunjukkan dalam hijau).

rib untuk program WOT. GKN Aerospace membandingkan beberapa opsi bahan, termasuk komposit termoadhesif dan termoplastik. Aluminium, bahan tradisional untuk rib pesawat komersial, dipilih untuk memproduksi empat rib dalam yang lebih besar, tetapi untuk rib luar yang lebih kecil, perusahaan memutuskan untuk menjelajahi opsi komposit. Offringa mencatat bahwa karena demonstrator WOT akan menjadi sayap komposit, mengembangkan rib komposit yang dapat bersaing dengan aluminium adalah langkah yang logis.

"Rib komposit pada sayap komposit bermanfaat untuk beberapa alasan," katanya. "Pertama, menggunakan komposit dengan komposit berarti tidak ada perbedaan ekspansi termal antara bahan, seperti yang akan Anda miliki dengan rib logam pada sayap komposit atau sebaliknya. Kedua, Anda tidak akan memiliki masalah atau kekhawatiran terkait korosi. Komosit juga berarti pengurangan bobot. Terakhir namun tidak kalah penting, menggunakan komposit membuat inspeksi lebih mudah."

Offringa menjelaskan bahwa rib logam biasanya memerlukan inspeksi visual manusia setelah sayap akhir dirakit. Namun, karena lokasi rib di interior sayap, berarti lukisan elips besar harus dipotong ke bawah kulit sayap sehingga manusia dapat masuk ke dalam sayap untuk menginspeksi mereka. "Jika Anda pergi ke rib komposit, Anda memiliki kurang kelelahan pada rib dan kurang retakan kelelahan potensial yang harus Anda inspeksi. Inspeksi menjadi jauh lebih sederhana dan tidak intensif, dan Anda tidak lagi perlu membangun lukisan ke dalam kulit sayap. Ini akan menjadi kulit sayap yang kontinu," katanya.

Manfaat pengurangan bobot, resistensi korosi dan inspeksi yang lebih sedikit invasif dapat diperoleh dari komposit termoadhesif atau termoplastik. "Kami melakukan studi internal dan melihat bobot, biaya dan industrialisasi, dan setelah membandingkan teknologi yang berbeda, pilihan jatuh pada termoplastik, karena memiliki potensi terbesar dan bisnis case terbaik terkait biaya," Offringa kata.

Dengan kedekatannya dengan pusat teknologi sayap Airbus di Filton, Inggris, tempat demonstrator WOT akan diuji, cabang GKN Aerospace di Bristol, Inggris adalah pusat utama pekerjaan WOT perusahaan. Namun, dengan keahlian GKN Aerospace Belanda dalam termoplastik dari zamannya sebagai Fokker Technologies, dua tim GKN Aerospace menggabungkan kekuatan untuk demonstrator rib. "Desain dilakukan di Inggris, tetapi pengembangan manufaktur dilakukan di Belanda, jadi itu adalah kerja sama yang sangat bagus antara tim yang berbeda di GKN Aerospace," Offringa kata.

Sue Partridge, kepala WOT di Airbus, mencatat, "Kolaborasi dengan mitra adalah aspek penting dari Program Wing of Tomorrow. Dengan menggabungkan sumber daya kami, kami dapat memajukan solusi yang memanfaatkan kemampuan kedua organisasi kami untuk hasil yang lebih baik."

Untuk rib WOT yang disampaikan ke Airbus, GKN Aerospace menggunakan tape APC serat karbon/polyetherketoneketone (PEKK-FC) Solvay (Brussels, Belgia), yang didasarkan pada formulasi Novaspire PEKK-FC (FC) fast-crystallizing milik perusahaan. Offringa mencatat bahwa material serat karbon/polyaryletherketone (PAEK) low-melt milik Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Calif., AS) juga sedang dievaluasi sebagai opsi untuk struktur rib masa depan.

Merancang rib sayap generasi depan

Ada lebih dari 20 rib pada sayap pesawat satu gang yang umum. Rib demonstrator komposit termoplastik adalah rib ke-14 pada sayap demonstrator; yang lain akan menunjukkan alternatif bahan dan proses.

Rib komposit termoplastik sering diproduksi melalui stamp forming untuk pesawat kecil, Offringa kata. Namun, GKN Aerospace menolak stamp forming tradisional sebagai opsi untuk rib WOT karena sayap pesawat komersial, bahkan untuk badan sempit seperti demonstrator WOT, diletakkan di bawah beban kompresi dan tegangan yang sangat tinggi.

"Jika Anda akan stamp forming rib termoplastik dalam arti tradisional, maka Anda harus membuat rib yang sangat tebal, dengan web yang tebal untuk membuatnya lebih kuat sehingga dapat menahan gaya yang bekerja padanya," Offringa kata, dan itu tidak diinginkan mengingat persyaratan pengurangan bobot. Selain itu, stamp forming tidak akan dapat membuat komponen flange bawah dua sisi pada rib tempat bagian terhubung dengan kulit sayap bawah; komponen tambah harus dibuat dan dibaut ke sisa rib. GKN Aerospace membutuhkan proses manufaktur yang memungkinkan lebih banyak fleksibilitas untuk desain yang dimiliki tim.

Rib termoplastik 90 sentimeter panjang, 24 sentimeter tinggi milik GKN Aerospace memiliki web vertikal dan flange 8 milimeter tebal dua arah yang meluas dari bawah rib. Untuk memenuhi persyaratan bobot, web hanya tebal 7 milimeter. Untuk mencegah runtuh dan meningkatkan kekakuan, web diperkuat oleh elemen penguat 3 milimeter tebal menggunakan teknologi butt-joint GKN Aerospace, yang menggunakan preform penguat datar dan bahan "filler" yang dicetak injeksi untuk menciptakan gabungan yang kuat dan kontinu (lihat "Thermoplastic primary aerostructures take another step forward" untuk mempelajari penggunaan teknologi ini pada panel fuselage Gulfstream yang diproduksi dengan tape serat karbon/PEKK-FC Solvay).

"Kami tahu bahwa jika kami dapat membuat bentuk ini dalam komposit dan membuatnya robust, maka kami akan memiliki desain yang sangat ringan dengan pengurangan bobot yang kami cari. Tapi masalahnya, bagaimana Anda membuat bentuk yang rumit secara efektif biaya dan pada tingkat tinggi? Itulah tempat kami mencurahkan usaha untuk menciptakan produk baru ini," Offringa kata.

Manufaktur one-step, OOA

Proses ini membangun pada teknologi yang telah digunakan GKN Aerospace sebelumnya untuk proyek TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure), dan untuk pengembangan panel fuselage untuk Gulfstream yang menggunakan teknologi butt-joint perusahaan. Untuk rib WOT, GKN Aerospace mengembangkan proses konsolidasi OOA, one-step. "Kami telah membawa pekerjaan sebelumnya kami ke tingkat berikutnya dengan pergi keluar dari autoklav untuk pertama kalinya," Offringa catat.

Pertama, tape termoplastik unidirectional (UD) difilter ke lebar yang benar, dan laminator digunakan untuk membentuk elemen datar menjadi dua preform web L-shaped. Preform web, preform datar untuk flange, dan preform serta elemen filler yang dicetak injeksi yang menyusun stringer semuanya dimuat ke dalam alat, yang ditempatkan di dalam press co-consolidasi modular yang mirip dengan press resin transfer molding (RTM). Press ditutup, dan sistem bladder digunakan untuk menciptakan tekanan dari arah horizontal dan vertikal, mensimulasikan tekanan dalam autoklav. Sistem pemanasan resistensi terintegrasi membawa komposit ke suhu leleh sejenak sebelum mendinginkan untuk konsolidasi.

"Kami mencurahkan sebagian besar usaha pengembangan untuk menyesuaikan dan mengoptimalkan alat," Offringa kata. Sistem dirancang untuk modular; alat dapat ditukar untuk menyesuaikan rib dengan dimensi yang berbeda atau jenis bagian lain sambil mempertahankan sistem pemanasan dan pendinginan yang sama. Meskipun tidak diperlukan untuk rib ini, press yang dikembangkan GKN Aerospace di Technology Center dapat menampung bagian hingga 6 meter panjang, yang juga dapat mencakup panel atau balok lain.

Sistem kontrol proses adalah kunci saat memproses termoplastik. Termoplastik meleleh pada suhu yang lebih tinggi dari termoadhesif, dan harus didinginkan dalam proses yang terkontrol dan konsisten untuk meminimalkan penyimpangan dan memaksimalkan kristalinitas. "Sangat penting untuk mengontrol proses yang tepat dari awal hingga akhir," Offringa kata. "Manajemen termal siklus pemanasan sangat penting." (lihat sidebar "Thermoplastic (TP) forming issues" dalam artikel ini untuk lebih banyak detail tentang masalah dan pentingnya kontrol proses saat menggunakan termoplastik).

Fitur alat khusus digunakan untuk mengaktifkan penguat terintegrasi tipis untuk dilepaskan dengan mudah dari alat. Bagian yang dicetak hampir net shape, dan kemudian dipotong untuk membentuk bagian akhir. Dari alat masuk ke alat keluar, seluruh proses memakan waktu sekitar 45 menit. Ini berarti bahwa dengan satu press, sekitar 15 rib sayap dapat diproduksi dalam satu shift delapan jam.

"Ini berakhir menjadi proses manufaktur yang sederhana," Offringa catat. "Kami melakukan banyak hal sekaligus: co-consolidating preform dengan bentuk yang berbeda, menciptakan dasar rib untuk memiliki flange dua arah, dan pada saat yang sama kami mengakak web dengan teknologi butt-jointed. Akhirnya, kami mengambil semua elemen bahan, menempatkannya dalam alat, dan kami menciptakan satu bagian homogen dalam satu langkah pemrosesan."

Pengujian, pengiriman dan di luar

Pengujian. Subkomponen diuji untuk memenuhi persyaratan kekuatan tarik dan kompresi di fasilitas GKN di Isle of Wight dan Hoogeveen.

Pada akhir 2019, subkomponen rib diuji di fasilitas GKN Aerospace di Isle of Wight dan Hoogeveen, dan Offringa mengatakan mereka lulus persyaratan beban tarik dan kompresi "dengan selang yang lebar." Dia menambahkan, "Ini kuat, ini tahan, ini mudah diproduksi. Ini adalah konsep yang ternyata persis seperti yang kami harapkan." Dibandingkan versi aluminium, Offringa mengatakan versi komposit termoplastik menawarkan penghematan bobot yang signifikan dan kompetitif biaya.

Perusahaan telah menyampaikan tiga rib ke Airbus, salah satunya akan dirakit dan diuji pada demonstrator WOT. GKN Aerospace terus bekerja untuk mengoptimalkan proses dan bahan mereka untuk rib aerospace komersial, baik untuk Wing of Tomorrow dan di luar.