Leonardo & CETMA Merevolusi Material Komposit untuk Mengurangi Biaya dan Dampak Lingkungan
Blog ini berdasarkan wawancaraku dengan Stefano Corvaglia, insinyur material, kepala penelitian & pengembangan dan manajer IP Leonardo Aerostructures Division (fasilitas produksi Grottaglie, Pomigliano, Foggia, Nola, Italia selatan) dan Dr. Silvio Pappadà, insinyur penelitian dan kepala program dengan Leonardo di CETMA (Brindisi, Italia).
Leonardo (Roma, Italia) adalah salah satu pemain utama di dunia di Penerbangan, Pertahanan dan Keamanan dengan pendapatan 13,8 miliar euro dan lebih dari 40.000 karyawan di seluruh dunia. Perusahaan menyediakan solusi komprehensif secara global untuk udara, darat, laut, angkasa, siber & keamanan dan sistem tidak berawak. Dengan sekitar € 1,5 miliar (11% pendapatan pada 2019) yang dialokasikan untuk R&D, Leonardo menempati peringkat 2 di Eropa dan 4 di dunia dalam hal investasi penelitian di sektor Penerbangan dan Pertahanan.
Melalui Aerostructures Divisionnya, Leonardo menyediakan pembuatan dan pengabungan komponen struktural besar, termasuk fuselage dan empennage, dalam komposit dan material tradisional untuk program pesawat sipil besar di dunia.
Dalam material komposit, Leonardo Aerostructures Division memproduksi "one-piece barrels" untuk bagian fuselage pusat Boeing 787 bagian 44 dan 46 di pabrik Grottaglie-nya serta stabilizer horizontal di pabrik Foggia-nya — totaling sekitar 14% badan pesawat 787. Produksi struktur komposit lainnya meliputi, di pabrik Foggia-nya, pembuatan dan pengabungan empennage untuk pesawat komersial ATR dan Airbus A220. Foggia juga memproduksi bagian komposit untuk Boeing 767 dan untuk program militer termasuk Joint Strike Fighter F-35, jet tempur Eurofighter Typhoon, transport militer C-27J dan Falco Xplorer, anggota terbaru dari keluarga pesawat tidak berawak Falco yang diproduksi oleh Leonardo.
Bekerja dengan CETMA
"Kami memiliki banyak kegiatan berlangsung dengan CETMA, misalnya, dalam komposit termoplastik dan resin transfer molding (RTM)," kata Corvaglia. "Tujuan kami adalah memiliki kegiatan R&D siap produksi dalam waktu singkat mungkin. Di departemen kami (manajemen R&D dan IP), kami juga melihat teknologi disruptif dengan TRL yang lebih rendah [tingkat kesiapan teknologi – artinya TRL yang lebih rendah lebih awal dan lebih jauh dari produksi], tetapi kami bertujuan untuk lebih kompetitif dan membantu pelanggan kami di seluruh dunia."
"Dari awal kerjasama kami," tambah Pappadà, "kami selalu bertujuan untuk menjaga biaya dan dampak lingkungan rendah. Kami menemukan bahwa komposit termoplastik (TPC) menawarkan pengurangan keduanya dibandingkan termoet."
Corvaglia mencatat bahwa, "bersama dengan tim Silvio, kami telah mengembangkan teknologi ini dan membangun beberapa prototipe sel otomatis untuk mengevaluasinya dalam produksi."
Continuous compression molding (CCM)
"CCM adalah contoh baik dari kerja sama kami," kata Pappadà. "Leonardo mengidentifikasi beberapa komponen yang terbuat dari komposit termoet dan bersama-sama kami mengeksplorasi teknologi untuk menyediakannya dalam TPC, melihat di mana ada sejumlah besar bagian dalam pesawat, seperti struktur splice dan stanchion dengan geometri sederhana."
"Kami membutuhkan teknologi produksi baru yang ditandai oleh biaya rendah dan tingkat tinggi," lanjutnya. Dia menunjukkan bahwa di masa lalu, komponen TPC tunggal diproduksi dengan sejumlah besar limbah. "Jadi, kami menghasilkan bentuk net berdasarkan compression molding non-isothermal tetapi dengan beberapa inovasi (patent sedang diproses) untuk mengurangi sisa. Kami merancang sel otomatis sepenuhnya untuk ini, yang kemudian dibangun untuk kami oleh perusahaan Italia."
Sel ini mampu memproduksi komponen yang dirancang Leonardo, kata Pappadà, "dengan kecepatan satu komponen setiap 5 menit, bekerja 24 jam/hari." Namun, timnya kemudian harus mencari tahu produksi preform. "Pada awalnya, kami membutuhkan proses laminasi datar, karena ini adalah hambatan pada saat itu," katanya menjelaskan. "Jadi proses kami dimulai dengan blank (laminat datar), memanaskannya dalam oven inframerah (IR) dan kemudian ke pres untuk molding. Laminat datar biasanya diproduksi menggunakan pres besar dan memerlukan waktu siklus 4-5 jam. Kami memutuskan untuk menyelidiki metode baru yang dapat menghasilkan laminat datar dengan cara yang lebih cepat. Oleh karena itu, kami mengembangkan garis CCM produktivitas tinggi di CETMA dengan dukungan insinyur Leonardo. Kami mengurangi waktu siklus untuk bagian 1 meter x 1 meter menjadi 15 menit. Pentingnya, ini adalah proses kontinu, jadi kami dapat menghasilkan panjang yang tidak terbatas."
Tetapi bagaimana ini berbeda dibandingkan CCM yang digunakan selama lebih dari satu dekade oleh Xperion, sekarang XELIS (Markdorf, Jerman)? "Kami mengembangkan model analitik dan numerik yang dapat memprediksi defek seperti rongga," kata Pappadà. "Kami melakukan ini dalam kerjasama dengan Leonardo dan Universitas Salento (Lecce, Italia) untuk memahami parameter dan pengaruhnya terhadap kualitas. Kami menggunakan model ini untuk mengembangkan CCM baru ini di mana kami dapat memiliki ketebalan yang sangat tinggi tetapi juga kualitas tinggi. Berkat model ini, kami dapat mengoptimalkan suhu dan tekanan tetapi juga cara menerapkannya. Ada banyak aspek teknologis yang dapat dikembangkan untuk mendapatkan distribusi suhu dan tekanan yang seragam; namun, kami perlu memahami dampak ini terhadap kinerja mekanis dan pertumbuhan defek dalam struktur komposit."
Pappadà melanjutkan, "Teknologi kami lebih fleksibel. Juga, CCM dikembangkan 20 tahun yang lalu, tetapi tidak ada informasi tentangnya karena sedikit perusahaan yang menggunakannya tidak berbagi pengetahuan dan know-how. Jadi, kami harus memulai dari nol, hanya dengan pengetahuan kami tentang komposit dan pemrosesan."
"Kami sekarang bekerja melalui program internal dan dengan pelanggan kami untuk menemukan bagian untuk teknologi baru ini," kata Corvaglia. "Bagian ini dapat diredesain dan direkualifikasi untuk memulai produksi." Mengapa? "Tujuan adalah untuk memiliki pesawat yang ringan mungkin tetapi juga bersaing harga. Jadi, kami juga harus mengoptimalkan dengan ketebalan. Tetapi kami mungkin menemukan bahwa bagian dapat menjadi lebih ringan lagi atau mengidentifikasi beberapa bagian dengan bentuk serupa, yang dapat mengakibatkan penghematan biaya yang signifikan."
Hingga sekarang, katanya mengulangi, teknologi ini ada di tangan beberapa orang. "Tetapi kami telah mengembangkan teknologi alternatif untuk membuat proses-proses ini bahkan lebih otomatis dengan menambahkan press-forming yang lebih canggih. Kami memasukkan laminat datar dan keluar bagian, siap digunakan. Kami dalam fase meredesain bagian dan mengembangkan CCM datar versus berbentuk."
"Kami sekarang memiliki di CETMA garis CCM yang sangat fleksibel," kata Pappadà, "di mana kami dapat menerapkan tekanan berbeda sesuai kebutuhan untuk mencapai bentuk kompleks. Garis yang akan kami kembangkan bersama Leonardo akan lebih difokuskan pada komponen yang sesuai dengan kebutuhan spesifiknya. Kami pikir kami dapat memiliki garis CCM yang berbeda untuk panel datar dan L-stringer versus bentuk yang lebih kompleks. Dengan cara ini, kami dapat menjaga biaya peralatan lebih rendah dibandingkan pres besar yang saat ini digunakan untuk menghasilkan bagian TPC geometri kompleks."
Induction welding untuk konsolidasi in-situ
"Induction welding sangat menarik untuk komposit karena mungkin untuk menyesuaikan dan mengontrol suhu dengan sangat baik, untuk memanaskan sangat cepat dan mengontrol dengan sangat akurat," kata Pappadà. "Dengan Leonardo, kami mengembangkan induction welding untuk menggabungkan komponen TPC. Tetapi sekarang kami memikirkan untuk menggunakan induction welding untuk konsolidasi in-situ (ISC) dari tape TPC. Untuk melakukan ini, kami telah mengembangkan tape serat karbon baru yang dapat dipanaskan sangat cepat oleh induction welding menggunakan mesin khusus. Tape menggunakan bahan matriks yang sama dengan tape komersial tetapi dengan arsitektur yang berbeda yang meningkatkan pemanasan elektromagnetik. Kami mengoptimalkan kinerja mekanis tetapi juga memikirkan proses, mencoba mencocokkan kebutuhan yang berbeda, misalnya cara memproses secara hemat biaya dengan otomasi."
Dia menunjukkan bahwa ISC sangat sulit dicapai dengan tape TPC pada tingkat produksi yang baik. "Agar ini dapat digunakan untuk produksi industri, Anda harus memanaskan dan pendinginkan lebih cepat dan menerapkan tekanan dengan cara yang sangat terkontrol. Jadi, kami memutuskan untuk menggunakan induction welding untuk memanaskan wilayah kecil saja tempat kami mengonsolidasikan material tetapi membiarkan sisa laminat dingin." Induction welding yang digunakan untuk assembly memiliki TRL yang lebih tinggi, kata Pappadà. "
Penggunaan pemanasan induksi untuk konsolidasi in-situ terlihat sangat disruptif — sesuatu yang tidak dilakukan OEM atau pemasok tier lain secara terbuka saat ini. "Ya, ini mungkin merupakan teknologi disruptif," kata Corvaglia. "Kami telah mematenkan mesin dan materialnya. Kami bertujuan untuk sesuatu yang dapat dibandingkan dengan komposit termoet. Banyak yang telah mencoba AFP (automated fiber placement) dengan TPC tetapi harus melakukan langkah sekunder untuk konsolidasi. Ini adalah keterbatasan besar dalam hal geometri, biaya, waktu siklus dan ukuran bagian. Kami mungkin benar-benar mengubah cara produksi komponen penerbangan."
SQRTM
Selain termoplastik, Leonardo terus melihat teknologi RTM. "Ini adalah bidang lain tempat kami telah bekerja dengan CETMA dan mematenkan perkembangan baru berdasarkan teknologi yang lebih lama, dalam hal ini, SQRTM. Same qualified resin transfer molding (SQRTM) awalnya dikembangkan oleh Radius Engineering (Salt Lake City, Utah, AS). "Untuk memiliki metode out-of-autoclave (OOA) yang memungkinkan kami untuk menggunakan material yang sudah berkualifikasi adalah penting," kata Corvaglia. "Itu juga memungkinkan kami untuk menggunakan prepreg yang memiliki properti dan kualitas yang dikenal. Kami telah merancang, mendemonstrasikan dan mematenkan bingkai jendela pesawat dengan teknologi ini."
"Ini juga teknologi yang lebih lama, tetapi jika Anda mencari di web, Anda tidak dapat menemukan informasi tentang teknik ini," kata Pappadà. "Yang penting adalah bahwa, lagi kali, kami menggunakan model analitik untuk memprediksi dan mengoptimalkan parameter proses. Dengan teknologi ini, kami dapat memiliki distribusi resin yang baik — tanpa daerah kering atau kumpulannya resin — dan konten rongga hampir nol. Kami dapat menghasilkan kinerja struktural tinggi karena kami dapat mengontrol kandungan serat, dan teknologi ini dapat digunakan untuk menghasilkan bentuk kompleks. Kami menggunakan material yang sama yang berkualifikasi untuk pengeringan autoclave, tetapi dalam metode OOA, tetapi Anda juga dapat memutuskan untuk menggunakan resin yang mengering cepat untuk mengurangi waktu siklus menjadi menit."
"Bahkan dengan prepreg saat ini, kami telah mengurangi waktu pengeringan," kata Corvaglia. "Misalnya, dibandingkan siklus autoclave normal 8-10 jam, kami dapat mencapai 3-4 jam dengan SQRTM untuk bagian seperti bingkai jendela. Panas dan tekanan diterapkan langsung pada bagian, dan massa yang harus dipanaskan lebih sedikit. Juga, memanaskan resin cair versus udara dalam autoclave lebih cepat dan kualitas bagian luar biasa, yang merupakan keuntungan terutama untuk bentuk kompleks. Tidak ada rework, rongga hampir nol dan kualitas permukaan yang sangat baik karena alat cetak yang mengontrolnya, bukan vacuum bag."
Visionary, technology-based future
Leonardo menghasilkan inovasi dalam sekelompok teknologi yang luas dan beragam. Karena evolusi teknologi yang cepat, ia menganggap investasi dalam R&D berisiko tinggi (TRL rendah) sebagai krusial untuk mengembangkan teknologi baru yang diperlukan untuk produk masa depan, yang melampaui pengembangan insesional (jangka pendek) yang sudah dipertahankan dalam produk saat ini. Kombinasi strategi jangka pendek dan jangka panjang ini digabungkan dalam 2030 R&D Masterplan Leonardo, visi terpadu untuk perusahaan yang berkelanjutan dan kompetitif.
Sebagai bagian dari rencana ini, ia meluncurkan Leonardo Labs, jaringan internasional laboratorium R&D korporat yang didedikasikan untuk penelitian canggih dan inovasi teknologi. Untuk 2020, perusahaan akan mengejar pembukaan enam Leonardo Laboratories pertama di daerah Milan, Turin, Genova, Roma, Napoli dan Taranto dan merekrut 68 peneliti (Leonardo Research Fellows) dengan keterampilan di bidang berikut: 36 posisi dalam Kecerdasan Buatan dan sistem cerdas otonom, 15 dalam analitik big data, 6 dalam komputasi berkinar tinggi, 4 dalam elektrifikasi platform penerbangan, 5 dalam material dan struktur dan 2 dalam teknologi kuantum. Leonardo Labs akan berperan sebagai avpos inovasi dan generator teknologi masa depan Leonardo.
Secara menarik, teknologi yang dikomersialkan Leonardo dalam pesawat mungkin juga memiliki aplikasi di divisi darat dan lautnya. Tetap terhubung untuk pembaruan lebih lanjut tentang Leonardo dan dampak potensialnya pada komposit.
