Fraunhofer IPT Otomatisasi Produksi Blade Mesin CFRP Termoplastik, Meningkatkan Efisiensi
Material untuk pesawat harus sangat tahan dan pada saat yang sama ringan sebaik mungkin. Menawarkan keduanya, plastik reinforced serat karbon (CFRP) digunakan lebih dan lebih sering pada blade mesin penerangan. (Lihat "Rolls-Royce starts manufacture of world's largest fan blades"). Namun, produksi komponen ini sangat memakan waktu dan mahal karena harus dikurangi selama beberapa jam dalam autoclave. Tim penelitian dari Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT, Aachen, Jerman) mencoba untuk mengotomatisasi produksi blade CFRP lebih lanjut.
Produksi banyak komponen CFRP sudah sebagian terotomatisasi. Semi-finished prepreg yang sudah diimpregnasi — biasanya dibuat dari resin epoksi reinforced serat — diterapkan dan diorientasikan dalam lapisan tipis untuk menciptakan layup yang disesuaikan. Ini kemudian dikurangi di bawah tekanan dan panas dalam proses autoclave yang intensif energi, biaya dan waktu. Fraunhofer IPT telah meneliti kemungkinan untuk mengotomatisasi manufaktur blade CFRP lebih lanjut untuk membuatnya lebih hemat biaya.
Namun, para peneliti ini tidak bergantung pada material berbahan dasar epoksi, melainkan pada termoplastik reinforced serat karbon. Material ini telah digunakan dalam struktur terbang selama bertahun-tahun, memiliki properti konstruksi ringan yang baik digabungkan dengan perilaku bentukan yang sangat baik dan dapat diproses dengan cepat dan fleksibel secara otomatis. Karena termoplastik, mereka tidak memerlukan cross-linking kimia untuk mengeras, tetapi hanya pemanasan untuk meleleh dan tekanan untuk mengonsolidasikan selama pendinginan terkontrol. Mereka juga dapat dipanaskan ulang dan dibentuk ulang.
Oleh karena itu, kompos termoplastik jauh lebih cocok untuk proses manufaktur yang efisien, menjelaskan Dr.-Ing. Henning Janssen, kepala departemen teknologi sistem kompos serat dan laser di Fraunhofer IPT. Dalam beberapa serangkaian uji, timnya sekarang berhasil untuk pertama kalinya menggabungkan dua proses ini untuk produksi blade mesin: penataan pita otomatis dan pembentukan.
Rantai proses fleksibel: penataan pita otomatis dan termoforming
Dengan sistem penataan pita sepenuhnya otomatis, pengembangan milik Fraunhofer IPT yang dikomersialkan di bawah lisensi, pita termoplastik reinforced unidirectional (UD) ditumpuk satu di atas yang lain sesuai dengan arah beban yang diperlukan dalam struktur. Dengan cara ini, panel multi-lap, tahan dan fleksibel yang tinggi, yang disebut organic sheet, tercipta. Para peneliti memantau dan mendokumentasikan setiap langkah dari proses yang sepenuhnya terotomatisasi menggunakan berbagai sensor. Dengan cara ini, mereka dapat melihat ke dalam "kotak hitam" produksi selama proses dan menciptakan "digital shadow" untuk setiap organic sheet. Citra virtual dari organic sheet nyata ini memungkinkan untuk mengidentifikasi penyimpangan kualitas pada tahap awal dan mengambil tindakan pencegahan yang sesuai.
Organic sheet yang selesai dipanaskan dalam langkah produksi berikutnya dan dibentuk menjadi bentuk near net dalam proses termoforming. Dalam serangkaian uji sebelumnya, proses awalnya diuji pada organic sheet reinforced kain tebal 16 milimeter yang terbuat dari PA12 dan serat karbon dan segera akan dipindahkan ke organic sheet yang terbuat dari pita PEEK dan serat karbon.
Serangkaian uji untuk pemesinan komponen FRP
Setelah termoforming, tepi organic sheet yang dibentuk dipotong dan dimesin menjadi bentuk akhir. Memesin FRP sangat menantang karena struktur material yang heterogen. Selain itu, serat karbon memiliki efek yang sangat abrasif terhadap tepis pemotong alat pemesin dan sehingga menyebabkan aus alat yang berat dan kualitas pemrosesan yang fluktuatif.
Salah satu kemungkinan untuk memperpanjang umur alat adalah penggunaan alat pemesin yang dilapisi diamond kristal polycrystalline (PCD). Selama upaya mereka untuk memesin blade CFRP pada skala yang lebih kecil, para peneliti menemukan bahwa umur layanan alat pemesin dilapisi PCD secara signifikan lebih lama dari pada alat yang tidak dilapisi. Selain itu, desain strategi pemesinan yang disesuaikan secara individual memiliki pengaruh positif terhadap kualitas pemesinan.
Implementasi dalam berbagai konteks aplikasi industri
Hasil awal dengan material CFRP termoplastik menjanjikan: "Kami telah menunjukkan bahwa proses manufaktur yang terhubung — pembuatan dan finishing blade — bekerja," kata Daniel Heinen, kepala Unit Bisnis Turbomachinery di Fraunhofer IPT. "Kami telah mencapai kualitas permukaan yang sangat baik baik dalam arah radial blade maupun di antara tepi depan dan belakang blade. Sekarang, kami harus memeriksa dan mengoptimalkan setiap proses lebih dekat."
Proyek penelitian direncanakan untuk beberapa bulan ke depan di mana proses baru akan dioptimalkan lebih lanjut dan diuji dalam berbagai konteks aplikasi industri. Ilmuwan Aachen sangat tertarik pada penggunaan matriks termoplastik berkinerja tinggi PEEK dan laminasi teknologi sensor di dalam organic sheet. Yang terakhir akan memungkinkan tidak hanya untuk memantau proses manufaktur, tetapi juga status komponen selama penggunaan nanti di mesin. Penerapan rantai proses ini ke komponen lain juga dicari, misalnya ke stator dan komponen nacelle serta komponen di luar industri penerbangan ruang angkasa. Fraunhofer IPT menyambut perusahaan yang tertarik yang ingin ikut serta dalam proyek-proyek ini.
