Memdemokratikan Produksi Kompos dengan Pita Termoplastik Multilap, AFP & Infusi Resin

Novotech (Napoli, Italia) mulai sebagai spin-off dari Universitas Napoli "Federico II" di selatan Italia, didirikan oleh profesor Leonardo Lecce pada tahun 1992. "Kami telah mendukung perusahaan penerbangan umum dan menyediakan layanan R&D di seluruh Italia," kata Lecce yang sekarang CEO Novotech. "Kami telah menyediakan analisis struktural untuk bagian pesawat dan juga membantu pengembangan pesawat."

Terletak dekat pabrik Leonardo yang membuat bagian fuselage kompos untuk Boeing 787, Novotech mulai fokus pada kompos pada tahun 2014. Ini membeli sel automated fiber placement (AFP) dari Coriolis Composites (Queven, Prancis) dan mengembangkan pemrosesan out of autoclave (OOA), termasuk infusi resin dan manufaktur kompos termoplastik, dengan keahlian khusus dalam konsolidasi in-situ menggunakan AFP.

Novotech telah terlibat dalam berbagai proyek penelitian industri, termasuk:

• MESEMA (Magnetoelastic Energy Systems for Even More Electric Aircraft)
• SARISTU (Smart Intelligent Aircraft Structures)
• ASAM (Advanced Simulation of Aircraft Mechanisms)
• LAMITECH (Innovative Testing Methods for Automatic Layering of Hybrid Composite Materials)
• PROALATECH (Structural Characterization and Repair Solutions Analysis of Innovative CFRP Empennages)
• FACE (Friendly Aircraft Cabin Environment)
• AIRGREEN 2 - CLEAN SKY 2 (Development of innovative wing concepts and methodologies for next generation regional aircraft)
• SISTER CHECK (Investigation and integration of innovative system for AFP Non-Destructive Inspection)
• TRINITI - CLEAN SKY 2 (Multi-Material Thermoplastic high pressure Nitrogen Tanks for Aircraft)
• NHYTE - H2020 (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by OOA)

"Kami juga memiliki hubungan khusus dengan Cytec di Inggris, mengembangkan material dan proses kompos baru" kata Lecce. Perhatikan bahwa Cytec diakuisisi oleh Solvay dan lokasi yang dirujuk adalah Solvay Composite Materials di Heanor, Inggris — sebuah situs dengan sejarah inovasi yang panjang, termasuk proses double diaphragm forming yang baru saja diuji melalui program RAPM. "Aktivitas terakhir kami dalam hal ini adalah mengembangkan proses termoplastik OOA yang menggunakan press inovatif baru yang menggabungkan PEEK (polyetheretherketone) dan PEI (polyetherimide) menjadi material kompos baru." Material baru, peralatan dan proses ini sekarang telah ditunjukkan dalam stringer pesawat CFRP (carbon fiber-reinforced plastic), yang dibuat menggunakan AFP in-situ konsolidasi dan pengelasan melalui proyek NHYTE.

NHYTE

Dana dari program Horizon 2020 Komis Eropa, NHYTE adalah proyek penelitian yang dilakukan dari Mei 2017 hingga Oktober 2020. "NHYTE tentang menggunakan bonding amorfa untuk mengaktifkan kondisi suhu dan proses yang berkelanjutan untuk kompos termoplastik," menjelaskan Dr. Marco Barile, koordinator proyek NHYTE dan CTO Novotech. Bonding amorfa ini (lihat diagram di bawah) adalah konsep yang dipatenkan oleh mitra NHYTE lainnya, divisi aeroestructur Leonardo (Roma, Italia) yang memiliki beberapa fasilitas produksi di selatan Italia.

Photo Credit: NHYTE project

"Dengan material yang dikembangkan dalam NHYTE, kami dapat mengatasi keterbatasan material saat ini dengan konsolidasi in-situ (ISC) AFP dari kompos termoplastik (TPC). Alih-alih memproses pada suhu di bawah 400 derajat C untuk polimer semi-kristal PEEK, kami dapat memanaskan di atas suhu transisi kaca (Tg) 215 derajat untuk lapisan PEI amorfa. Meleleh dan pendinginan PEI juga lebih cepat, tidak perlu dikontrol seketat PEEK." Barile mencatat bahwa konsep ini dapat menggunakan termoplastik amorfa lainnya. PEI dipilih karena melekat dengan baik pada PEEK, material yang telah terbukti dalam beberapa demonstrator aeroestructur AFP.

Material baru yang dikembangkan dalam NHYTE diproduksi dalam press kontinyu yang dirancang oleh NOVOTECH. Orma Macchine (Bergamo, Italia) menyediakan badan press dan COMEC Innovative (Chieti, Italia) menyediakan modul gulir dan gulir keluar. "Press ini dapat membuat gulir material kontinyu yang kemudian kita belah menjadi pita untuk digunakan dalam mesin AFP," kata Barile. Tiga material berbeda masuk ke press dari kiri, seperti yang terlihat dalam gambar di atas. "Kami memiliki PEI di atas dan bawah dan kemudian PEEK di tengah," Barile menjelaskan.

Sebagai polimer semi-kristal, PEEK menyediakan properti mekanis tinggi yang diperlukan untuk struktur primer, sementara lapisan PEI amorfa menyediakan meleleh yang cepat dan sederhana untuk bonding. "Kami mengontrol tekanan dan pendinginan material di sepanjang plat press, mulai dari sekitar 400 derajat C di awal press hingga kurang dari 200 derajat C di akhir press. Hasilnya adalah satu material yang merupakan kombinasi dari tiga lapisan masukan."

Pita termoplastik jenis baru ini sudah dikonsolidasikan selama manufaktur, sehingga selama AFP, hanya perlu dipanaskan untuk meleleh dan memadatkan lapisan PEI untuk bonding amorfa. Hasilnya adalah laminat yang terdiri dari pita PEEK ke PEI yang sepenuhnya dikonsolidasikan dan lapisan PEI ke PEI, seperti yang ditunjukkan dalam paten Leonardo. Proses AFP ini mempresentasikan lebih sedikit hambatan dibandingkan ISC AFP saat ini menggunakan pita PEEK dan PEKK (polyetheretherketone). Seperti dijelaskan dalam Bagian 2 dari fitur saya tahun 2018 tentang konsolidasi in-situ, ISC AFP saat ini memerlukan pemanasan pita dan substrat ke suhu meleleh, menempatkan pita pada substrat dan kemudian mengonsolidasikan dengan roller sehingga proses pendinginan dikontrol secara presisi, memungkinkan polimer semi-kristal untuk mencapai kristalinitas yang cukup tinggi (30-40 persen) dan voids rendah (<3-5 persen) untuk properti struktural.

Para kritik ISC AFP mengklaim terlalu lambat — laju laydown 60-100 mm/s dibandingkan 600-700 mm/s untuk metode "dua langkah" yang terdiri dari layup AFP cepat diikuti oleh langkah sekunder dalam oven atau autoclave untuk mengonsolidasikan/mengeringkan stres termal dalam laminat. "Dengan material kami, Anda dapat mencapai laju laydown AFP yang tidak lambat seperti konsolidasi in-situ tipikal dan pemanasan yang diperlukan selama AFP juga dapat dipertahankan di bawah 300 derajat C," kata Barile. "Anda dapat menutup celah performa dengan material standar yang kita miliki sekarang." Di sini, Barile membandingkan ISC AFP kompos termoplastik dengan kompos termooset yang digunakan dalam pesawat Boeing 787 dan Airbus A350. "Dengan komponen besar seperti bagian fuselage, masalahnya adalah keterjangkauan saat menggunakan curing autoclave. Termoplastik memungkinkan proses produksi yang lebih terjangkau, tetapi Anda memiliki suhu tinggi dan laju AFP yang lambat dengan material kelas penerbangan yang saat ini tersedia di pasar. Pendekatan kami membantu menyelesaikan masalah ini. Kami dapat mencapai sekitar 30 persen kristalinitas dalam pita melalui press kontinyu. Jadi, Anda memiliki kristalinitas itu dalam bagian dan hanya bekerja dengan lapisan amorfa selama AFP. Meskipun ini masih material eksperimental yang dapat ditingkatkan, tujuan proyek NHYTE adalah untuk memiliki proses manufaktur satu langkah yang dapat digunakan dalam aplikasi struktural penerbangan ruang angkasa."

Optimasi Pita dan AFP

"Pita multilayer pertama dibuat di sini di Novotech," kata Barile. Pita ini menggunakan Ultem 1000 unfilled slit film Sabic (Riyadh, Arab Saudi) untuk PEI dan pita serat karbon reinforced PEEK APC-2/AS4 dari Solvay. Ketebalan total ≈0,26 milimeter, terdiri dari lapisan PEI yang tebalnya 1 atau 2 mil (.001 atau .002 inci). Dalam fase pertama proyek, beberapa kupon dari kedua variasi diuji untuk kekuatan geser interlaminar (ILSS) untuk memvalidasi proses manufaktur material termoplastik hibrid. Beberapa kupon kecil juga diuji oleh mitra NHYTE Applus Laboratories (Barcelona, Spanyol) untuk rentang lengkap properti mekanis termasuk kekuatan tarik dan kompresi serta modulus, open hole compression (OHC), filled hole tension, compression after impact (CAI), barely visible impact damage (BVID) dan properti setelah kondisi cairan.

"Kami tidak memiliki pengalaman yang sama seperti suplai pita kompos termoplastik, jadi kualitas material dapat ditingkatkan. Misalnya, volume serat bervariasi dari rendah hingga tinggi melalui ketebalan, yang mempengaruhi properti pita dan laminat, termasuk ILSS. Tapi NHYTE bertujuan untuk mendemonstrasikan konsep, yang telah kami lakukan."

Seperti yang terlihat dalam gambar di atas, mengoptimalkan proses AFP untuk material baru memerlukan pekerjaan eksperimental yang signifikan. "Kami juga menggunakan pendekatan design of experiments (DOE) untuk mengoptimalkan parameter AFP dan sebuah alat dikembangkan oleh mitra NHYTE University of South Brittany (USB, Lorient, Prancis) untuk meningkatkan beban pemanas laser melalui simulasi numerik prediktif," catat Barile.

Simulasi ini pertama kali digunakan pada pita APC-2 untuk memverifikasi kualitas alat prediktif dan kemudian diterapkan pada material multilayer baru. Sebuah paper tentang pekerjaan ini telah diserahkan untuk publikasi di jurnal Composite Structures. "Anda memodelkan konduktivitas panas di titik nip," kata Barile. "Kami kemudian memverifikasi secara eksperimental apa yang diprediksi dalam simulasi numerik. Ini diperlukan untuk menentukan kompromi terbaik antara kecepatan laydown, alur meleleh polimer dan penuaan [pengeringan] lamina kompos. Ini adalah keseimbangan dari beberapa variabel selama proses konsolidasi in-situ. Kami melihat penurunan suhu pita yang masuk ke pita yang sudah ditempatkan pada alat. Jika Anda dapat mengelola perubahan suhu ini, Anda dapat mengurangi stres residual dalam laminat. Jadi, kami bekerja untuk menilai variasi suhu selama laydown. Anda harus menyesuaikan pemanasan sesuai dengan bentuk jalur dan orientasi lamina."

Demonstrator Stringer dan Fuselage

Langkah berikutnya adalah memproduksi demonstrator stringer, pertama sebagai sampel skala kecil yang dibuat dengan press stasioner dan kemudian sebagai demonstrator proses pembentukan stringer kontinyu untuk memverifikasi apa yang akan diperlukan untuk produksi bagian industri. Stringer ini kemudian dipasang pada demonstrator panel kulit fuselage AFP menggunakan pengelasan induksi yang dikembangkan oleh organisasi R&D CETMA (Brindisi, Italia).

Apakah material multilayer baru menawarkan keuntungan untuk pengelasan induksi? "Pada dasarnya diproses sama," kata Barile. "Namun, tidak mudah bagi CETMA untuk menentukan parameter proses pengelasan karena material baru kami memiliki jumlah serat karbon yang lebih rendah dibandingkan pita standar." Demonstrator stringer dan demonstrator panel fuselage akhir kemudian diuji oleh Applus. Mitra proyek NHYTE University of Bath (Bath, Inggris) dan Leonardo Aircraft juga menggunakan NDI untuk menilai kualitas panel dan stringer.

"Kami telah membuat banyak kupon dan bagian kecil, serta demonstrator besar," catat Barile. "Hasil uji dari Applus sangat baik dengan mempertimbangkan biaya proses manufaktur yang lebih rendah dibandingkan standar saat ini. Kami 20-25 persen lebih rendah dalam properti kekuatan dan kekakuan dibandingkan material pita termoplastik standar yang saat ini tersedia, tetapi kami telah mengidentifikasi perbaikan dengan proses yang seharusnya membantu untuk meningkatkan ini."

NHYTE berakhir pada 30 Oktober 2020. "Ide kami adalah melanjutkan dengan proyek baru untuk menyertakan semua perbaikan yang ada dalam pikiran kami," kata Barile. "Kami telah membuktikan cara membuat material dan cara memproses menggunakan konsolidasi in-situ AFP, pembentukan kontinyu dan pengelasan induksi. Sekarang kita perlu mengoptimalkan lebih lanjut untuk industrialisasi." Novotech mencari untuk melanjutkan dengan konsorsium sama yang diperkaya dengan mitra baru.

Secara menarik, Leonardo juga bekerja untuk meningkatkan konsolidasi in-situ AFP menggunakan pengelasan induksi dan pita TPC yang dapat dipanaskan dan didinginkan dengan cepat. Selain itu, hasil yang mengesankan pada kompos multilayer PEI/PEEK baru saja dipublikasikan oleh peneliti di IMDEA Materials Institute (Madrid, Spanyol) dan FIDAMC (Madrid, Spanyol), yang terakhir adalah pemimpin dalam konsolidasi in-situ AFP selama bertahun-tahun. Untuk paper teknis lebih banyak, lihat publikasi NHYTE.

Proyek SWING

The Smart Wing for New General aviation (SWING) adalah proyek yang dimulai dengan dukungan dari Piaggio Aerospace (Villanova d'Albenga, Italia) dan didana bersama oleh Kementerian Pembangunan Ekonomi Italia (MISE). Selain Novotech, konsorsium proyek Italia terdiri dari perusahaan pengembangan teknologi Protom (Napoli) sebagai koordinator, Laer Aeronautical Manufacturing (Airola), A. Abete Aerostructures (Nola) dan spesialis desain penerbangan ItalSystem (Avellino). Salah satu tujuan SWING adalah untuk menyesuaikan proses kompos OOA otomatis — termasuk AFP dan infusi resin cair (LRI) — untuk produksi pesawat kecil yang hemat biaya dan berkelanjutan, menggunakan sayap depan P.180 Avanti Piaggio sebagai platform demonstrasi.

"Ide adalah untuk memproduksi sayap depan P.180 dalam hanya dua bagian utama: panel atas dan panel bawah, keduanya dicetak dengan stringer dan spar terintegrasi," kata Lecce.

"Bagi kami, ini dimulai dengan pekerjaan kami sebagai laboratorium terkualifikasi untuk Solvay di Inggris. Kami telah bekerjasama sejak 2015 pada material dan proses baru untuk AFP, LRI dan kompos termoplastik. Kami membuat preform kering menggunakan pita serat kering PRISM TX1100 Solvay untuk digunakan dengan AFP. Preform ini kemudian diinfusi dengan resin epoksi toughened Solvay PRISM EP 2400 dan dikurangi dalam oven. Kami melakukan pekerjaan ini dalam kerangka proyek AIRGREEN 2 untuk program Green Regional Aircraft Clean Sky 2, dan kemudian melanjutkan dalam proyek SWING." Perhatikan bahwa PRISM TX1100 dan PRISM EP 2400 telah disertifikasi oleh United Aircraft Corporation untuk produksi sayap pertama yang diinfusi resin untuk pesawat komersial — jet narrow Irkut MS-21 yang diproduksi oleh AeroComposit.

Panel atas dan bawah yang dicetak akan dihubungkan menggunakan adhesive struktural kemudian diuji statis tahun depan. "Secara paralel, kami memfokuskan kompos lain berdasarkan pita kering TX1100 dan campuran resin dari Covestro (Leverkusen, Jerman) yang dapat menjadi alternatif yang valid untuk resin kelas penerbangan, khususnya untuk sektor yang memerlukan tingkat produksi yang lebih tinggi" menambahkan Barile. "Resin ini tidak seberkinerja sistem tersebut, tetapi bekerja baik dengan infusi dan memenuhi persyaratan kotak sayap. Harus ada beberapa kompromi jika Anda ingin mengurangi biaya. Kami berharap perkembangan ini akan berkontribusi pada pengenalan teknologi AFP ke penerbangan umum. Ini juga dapat digunakan di sektor otomotif."

TRINITI

Novotech juga bekerja dalam proyek Clean Sky 2 TRINITI — Tangki Nitrogen Tekanan Tinggi Termoplastik Multi-Material untuk Pesawat — yang dimulai pada tahun 2019 dan akan berakhir pada tahun 2021. Masuknya Novotech ke dalam proyek ini sekali lagi berkembang dari pengembangan dengan perusahaan penerbangan Italia. "Kami bekerja untuk memverifikasi potensi AFP menggunakan pita multilayer kami dalam produksi tanki bahan bakar kriogenik untuk kendaraan peluncur dibandingkan proses filament winding yang saat ini digunakan," menjelaskan Barile. "Esensialnya, TRINITI akan mengembangkan konsep material multilayer yang mirip dengan NHYTE dan kemudian membuat tanki menggunakan konsolidasi in-situ AFP."

"Keuntungan AFP dibandingkan FW," lanjutnya, "adalah Anda dapat menentukan di mana Anda ingin menempatkan material. Anda tidak dibatasi oleh serat yang terus-menerus diungkit di sekitar bagian. Pertimbangkan tanki di mana Anda memiliki banyak material di ujung karena Anda tidak dapat memotong material selama filament winding. Dengan memotong dan memulai ulang serat/pita di tempat yang Anda inginkan dengan AFP, material hanya digunakan di tempat yang dibutuhkan. Dengan demikian, Anda dapat mengelola celah di antara pita, yang penting untuk mencegah permeasi gas. Untuk melakukan ini dengan filament winding, Anda harus meningkatkan material yang diterapkan, bahkan karena dengan AFP Anda menggunakan slit tape, bukan towpreg. Dan kemudian dengan konsolidasi in-situ, tidak perlu autoclave. Kami telah menunjukkan bahwa AFP dapat menjadi alternatif yang layak dan sangat terjangkau."

"Saat ini, CETMA melakukan uji permeasi gas untuk menilai performa material multilayer dibandingkan spesifikasi," kata Barile. Persyaratan telah diberikan oleh topik manager, Diehl Aviation (Gilching dan Dresden, Jerman) untuk tangki nitrogen penyimpanan panjang tekanan tinggi yang digunakan dalam sistem pemadam api pesawat. Tangki ini harus menahan suhu -55°C hingga 85°C di tanah, -40°C hingga 70°C selama operasi penerbangan dan tekanan hingga 1.000 bar.

"Tujuan adalah untuk mengurangi berat dan langkah fabrikasi," katanya. "Namun, biaya manufaktur menggunakan metode ini harus ditetapkan. Berat dihemat dengan tidak menempatkan material yang tidak diperlukan, tetapi filament winding adalah proses yang lebih cepat dibandingkan AFP." Faktor lain adalah bahwa jenis tanki ini biasanya memiliki liner logam atau plastik yang dibungkus dengan CFRP. Barile mengatakan TRINITI mencoba untuk tanki tanpa liner (Type V). "Kami akan menghindari permeasi gas dengan menggunakan laminat AFP low-void. Kami sedang menguji di CETMA sekarang dengan kombinasi material yang berbeda dan mempersiapkan untuk downselect. Kami kemudian akan membangun prototipe tanki, tetapi desain tanki tergantung pada material yang dipilih dan proses akhir. Jadi, ini adalah apa yang kami kerjakan sekarang. Aktivitas pengujian akan dilakukan oleh CTL Composites (Galway, Irlandia)."

SEAGULL

Proyek yang menantang SEAGULL dimulai tiga tahun yang lalu. "Tujuan kami adalah untuk mengembangkan generasi baru hidro pesawat kecil yang menggabungkan teknologi manufaktur kompos baru, propulsi hybrid listrik dan sayap lipat otomatis, yang kami kembangkan dan patenkan," menjelaskan Lecce. "Niatnya adalah pesawat STOL (short takeoff and landing) yang bersaing dengan pesawat VTOL (vertical takeoff and landing) tetapi menawarkan keterjangkauan yang lebih. Kami percaya ini dapat menjadi pesawat pribadi yang dapat dioperasikan dari setiap permukaan dan adalah kemungkinan penting untuk penerbangan dan mobilitas masa depan."

Tim SEAGULL telah menguji sistem propulsi hybrid, membangun prototipe air pertama dan mulai pengujian air pada Oktober. "Setelah pengujian ini selesai, kami kemudian akan membangun prototipe terbang dalam beberapa bulan lagi," kata Lecce. "Ini adalah tim yang sangat berpengalaman, yang terdiri dari perusahaan signifikan dengan lebih dari 50 tahun pengalaman dalam penerbangan umum."

Prototipe terbang SEAGULL akan menampilkan fuselage, ekor dan sayap kompos. "Lagi, kami akan mendorong aplikasi manufaktur otomatis menggunakan AFP dan infusi resin," kata Barile. "Salah satu masalah utama dengan kompos menggunakan proses ini adalah biaya material. Memang, apa yang kami coba lakukan adalah menemukan kombinasi material dan proses yang lebih demokratis dalam hal biaya."