CETMA: Pusat Inovasi & R&D Komposit Terkemuka Italia

 

Didirikan pada 1994, Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA, Brindisi, Italia) adalah salah satu organisasi penelitian dan teknologi independen terbesar di Italia, dengan fasilitas 4.000 meter persegi dan 75 karyawan. Selama lebih dari 20 tahun, CETMA telah berinvestasi kuat dalam komposit, menghasilkan berbagai keahlian:

• Desain komponen dan prototyping
• Proses komposit baru
• Proses daur ulang komposit dan plastik
• Optimisasi proses untuk biaya, keberlanjutan, tarif, dll.
• Pemantauan proses real-time
• Pengujian non destruktif (NDT)
• Pemantauan kesehatan struktural (SHM) real-time dan jarak jauh selama produksi dan pelayanan
• Konsultasi REACH
• Pembentukan stempel termoplastik, pencetakan kompresi kontinu (CCM) dan pencetakan kompresi prepreg (PCM)
• Infusi cair, resin transfer molding (RTM) dan RTM yang sama berkualifikasi (SQRTM)
• Prepreg luar autoklaf (OOA)
• Pengelasan induksi

 

Tujuan utama CETMA adalah untuk mendukung perusahaan dan inovasi. Dilayani oleh empat lab utama, aktivitas komposit CETMA diorganisasikan dalam departemen Advanced Materials and Processes (AMP) yang juga terdiri dari empat area:

• Material dan Karakterisasi
• Teknologi dan Proses
• Modeling dan Simulasi
• Diagnostik dan Pemantauan Kesehatan Struktural

AMP employs 30 staff including material, aeronautical, civil and chemical engineers as well as a chemist, material scientist, architect and multiple technicians — conforming to its belief in multidisciplinary teams.

 

Kekuatan dalam Komposit Termoplastik

"Kami menawarkan spektrum penuh layanan dalam komposit," kata Alessandra Passaro, kepala departemen AMP di CETMA, "tetapi aktivitas kami dalam material termoplastik adalah salah satu area prioritas kami, saat ini. Semua jenis berbeda dari polimer matriks termoplastik telah diproses di laboratorium kami. Kami mulai bekerja dengan TWINTEX commingled fiber pada 2004 dan dengan pencetakan kompresi menggunakan pres sederhana sekitar 15 tahun yang lalu. Sekarang, kami telah mengembangkan teknologi pencetakan kompresi kontinu (CCM) dan pengelasan induksi yang terpaten. Kami telah menganalisis semua material komposit termoplastik yang dapat digunakan dalam proses ini." 

 

Garis CCM dapat memproduksi bagian penampang konstan menggunakan PPS, PEEK, PEKK atau PAEK. Namun bagaimana proses CETMA berbeda dari yang digunakan oleh perusahaan seperti XELIS (Markdorf, Jerman) dan ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, AS)? (Lihat artikel CW: "Aerospace-grade compression molding" dan "Accelerating thermoplastic composites in aerospace".) Passaro menjelaskan, "Ada beberapa detail spesifik dalam desain cetakan yang kami gunakan. Teknologi kami lebih fleksibel mengenai geometri dan material matriks yang dapat digunakan. Ini masih dalam pengembangan. Meskipun terpaten, teknologi ini masih dikembangkan dan beberapa aspek bersifat milik. Alasan mengapa CETMA telah mengejar CCM bukan itu. "Kami melihat penggunaan dan kebutuhan yang meningkat untuk proses komposit termoplastik kontinu," kata Passaro. "XELIS adalah perusahaan produk, bukan suplier mesin. Kami adalah organisasi R&d independen dan jadi berinvestasi dan mengembangkan teknologi dari sudut pandang yang berbeda."

Salah satu contoh ini adalah simulasi proses yang luas untuk menganalisis distribusi suhu dalam cetakan. "Hasil simulasi memungkinkan kami memiliki gambaran lengkap tentang evolusi suhu dalam material seiring waktu," katanya, "yang sangat sulit untuk dipantau inline dari satu sisi, dan sangat penting untuk meminimalkan cacat dalam komposit."

 

Pengelasan Induksi untuk Assembly

Bagian kunci lain dari keahlian komposit termoplastik CETMA adalah teknologi pengelasan induksi yang terpaten, yang mencakup sistem kontrol dan pendinginan untuk mempertahankan panas di dalam garis pengelasan. CETMA menggunakan teknologi dengan mitra EURECAT (Barcelona, Spanyol) untuk merakit profil CCM dan plat menjadi balok quil komposit termoplastik untuk pesawat tipe Airbus A320 dalam proyek Clean Sky 2 KEELBEMAN. Blog saya Januari 2020, "Advancing thermoplastic composites and RTM for Clean Sky 2 …", memberikan lebih banyak detail tentang proyek ini serta detail pengelasan CETMA.

 

"Kami telah mengembangkan dua jenis sistem pengelasan induksi," kata Passaro. "Satu adalah mesin tetap untuk permukaan datar dan satu yang berbasis robot untuk geometri 3D kompleks. Keduanya memungkinkan pengelasan berkelanjutan pada skala industri tanpa memerlukan material tambahan di garis pengelasan namun memberikan performa adhesi yang sangat tinggi dalam assembly."

CETMA telah membuktikan pengelasan induksi pada laminat komposit yang dibuat menggunakan kain serat karbon tenun dan tape serikat satu arah (UD) serta berbagai material matriks: PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 dan sistem hybrid termo-set epoksi/PVB (polyvinyl butyral) termoplastik.

Ia juga telah menerapkan keahliannya dalam modeling dan simulasi komputer ke proses pengelasan induksi. "Ini memungkinkan kami untuk memprediksi evolusi suhu di area gabungan selama pengelasan, memberikan bantuan dasar dalam mengoptimalkan parameter proses," kata Passaro.

 

Clean Sky 2 dan Proyek R&d Komposit

Selain KEELBEMAN, Departemen AMP CETMA saat ini terlibat dalam empat proyek Clean Sky 2 lainnya.

TRINITI - Tangki nitrogen tekanan tinggi multi-material termoplastik untuk pesawat (JTI-CS2-CFP09-2018-02). Proyek dua tahun, yang dimulai pada 2019, bertujuan untuk membangun prototipe tangki pesawat untuk penyimpanan jangka panjang nitrogen untuk tujuan pemadam kebakaran. Diehl Aviation (Gilching dan Dresden, Jerman), adalah manajer topik untuk proyek. Mitra juga termasuk laboratorium R&d aerospace Novotech s.r.l. (Naples, Italia), Composites Testing Laboratory (Inverin, Co. Galway, Irlandia). Proyek akan memproduksi tangki komposit termoplastik multi-material melalui kombinasi proses seperti co-extrusion untuk membentuk liner/laminat multi-lahir dan multifungsi, diikuti oleh in-situ consolidation (ISC) menggunakan automated fiber placement (AFP) yang diasistensi laser. (Untuk lebih banyak tentang ISC AFP, lihat "Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Part 1 and Part 2".) Salah satu tujuan dalam TRINITI adalah untuk mengurangi atau bahkan menghilangkan micro-cracking dalam lingkungan kriogenik. Saat ini CETMA bekerja untuk mengidentifikasi semua material termoplastik yang dapat memenuhi persyaratan wadah tekanan aerospace.

SPARE – Grid lantai pax dan cargo komposit inovatif skala penuh untuk demonstrator on-ground fuselage barrel pesawat regional – (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). Dimulai pada Oktober 2018, proyek 18 bulan ini bertujuan untuk memproduksi grid lantai penumpang dan cargo skala penuh yang dibuat menggunakan komposit termoplastik (TP) yang diperkuat serat karbon. Produksi yang sangat otomatis terdiri dari progressive roll forming dan pengelasan induksi untuk assembly. Tujuannya adalah untuk mengurangi bobot dan biaya berulang dibandingkan solusi komposit logam dan termo-set tradisional. Grid lantai komposit akan dirangkai ke dalam demonstrator fuselage pesawat regional Clean Sky 2 untuk pengujian on-ground dan akan dievaluasi untuk dampak teknis dan ekonomi serta performa resistensi api per FAR 25.583. Manajer topik adalah Leonardo sementara CETMA mengkoordinasi proyek dalam kolaborasi dengan produsen mesin OMI S.r.l. (Fogliano Redipuglia, Italia).

 CETMA has developed infrared thermography (IRT) for a variety of processes, including induction welding of thermoplastic composite skin-stringer assemblies (top) and testing of those assemblies (bottom).

Salah satu kontribusi utama CETMA untuk SPARE adalah pengembangan infrared thermography (IRT) untuk pemantauan inline progressive roll forming. Proses ini menyekapkan gulungan laminat komposit TP ke kompak dan pemanasan hingga suhu proses material, bentuk kompleks dan ketebalan desain tercapai. "Namun, penting untuk memastikan bahwa plies terdalam mengalami leleh matriks yang sempurna dan konsolidasi," kata Passaro. "Selain itu, ada jendela suhu sempit yang memastikan leleh tetapi tidak mengurangi polimer. IRT adalah metode non-kontak yang mengukur energi panas radiasi di seluruh permukaan bagian dengan akurasi tinggi."

CETMA menggunakan windows made of zinc selenurium (ZnSe) untuk melihat ke dalam alat tertutup. Transparan terhadap gelombang IR, mereka beroperasi pada suhu hingga 500°C. Dua window seperti itu dibangun dalam garis progressive roll-forming proyek SPARE dengan kamera IRT yang digantung di atas untuk memiliki pandangan hampir tegak lurus terhadap material yang diproses. Perangkat lunak kontrol yang dapat diedit memungkinkan untuk memantau, mencatat dan memberikan alarm jika nilai jatuh di luar rentang target yang ditentukan.

 

Keseragaman suhu material melalui penampang profil dievaluasi di dua titik batas—line 1 dekat dengan tahap pemanasan dan line 2 lebih jauh dalam proses pembentukan. Masing-masing dibagi menjadi 3 tahap berturut-turut (Fig. 19): fase awal (tahap 1), proses pembentukan dimulai (tahap 2) dan pembentukan dengan kecepatan yang diminimalkan (tahap 3). IRT menunjukkan bahwa suhu di tepi luar laminat lebih rendah dari di area pusat, yang mengakibatkan pemanasan yang tidak merata dan properti mekanik. Representasi 3D dari permukaan suhu yang direkam IRT (Fig. 20) memberikan bantuan visual untuk lebih memahami distribusi suhu.

TOD – Thermoplastic on Doors (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD bertujuan untuk mengembangkan dan memvalidasi produksi serta assembly cepat dari pintu komposit termoplastik skala penuh (termasuk substruktur fuselage) untuk pesawat regional. TOD adalah bagian dari Clean Sky 2 Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform), yang membawa integrasi teknologi yang dikembangkan dalam Clean Sky phase one Green Regional Aircraft ITD (Innovative Technology Demonstrator) ke tingkat kompleksitas dan maturitas yang lebih tinggi melalui dua flying test-bed dan tiga demonstrator ground terintegrasi besar. Dipimpin oleh Leonardo, CETMA akan bekerja dengan mitra proyek The Welding Institute (TWI, Cambridge, Inggris) dan perusahaan Tier 1 serta firma teknik/industrialisasi DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italia).

Pendekatan yang diusulkan mencakup optimisasi dan validasi termoforming untuk pembuatan komponen dan proses joining seperti induction welding (IW) dan resistive implant welding (RIW), yang memungkinkan pengurangan bobot dengan menghilangkan fastener mekanis. TOD juga akan maju otomatisasi industri 4.0 dan pemantauan inline untuk mendukung produksi tarif tinggi bagian berkualitas tinggi (nol cacat) dengan kontrol proses yang kuat. Manfaat yang diharapkan meliputi:

• Pengurangan bobot minimum 15%
• Pengurangan limbah dan sisa sebesar 10% melalui sensor dan pemantauan inline
• Penghematan energi hingga 75% dibandingkan pemrosesan autoklaf standar
• Pengurangan biaya berulang melalui adaptive smart manufacturing (fleksibilitas yang meningkat, biaya alat garis penuh yang menurun)
• Peningkatan emisi CO2 selama manufaktur dan operasi pesawat yang lebih ringan.

CETMA terlibat dalam banyak proyek pengembangan lainnya. Satu contoh adalah NHYTE (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by Out of Autoclave Continuous Automated Technologies) yang bertujuan untuk membuktikan struktur aerokit integratif inovatif yang terbuat dari material matriks termoplastik hybrid dengan kemampuan multifungsi.

Dana di bawah program Horizon 2020 dan dipimpin oleh NOVOTECH (Naples, Italia), NHYTE dimulai pada Sep 2018 dan dijadwalkan berakhir pada Jan 2020. Material hybrid performa tinggi didasarkan pada prepreg serat karbon/PEKK komersial dengan tambahan film PEI amorf untuk memungkinkan in-situ consolidation dengan automated fiber placement (ISC AFP) dan kemudian assembly melalui teknologi pengelasan induksi yang terpaten CETMA. CETMA telah menyelesaikan kampanye karakterisasi yang luas yang mencakup pengujian fisik-mekanik dan virtual dari material komposit hybrid dan pengaturan proses pengelasan induksi.

 

Daur Ulang Serat Karbon

Area kunci lainnya untuk CETMA adalah daur ulang. Proyek CIRCE bertujuan untuk menggunakan sisa prepreg yang dihasilkan selama manufaktur bagian komposit dengan mendaur ulangnya menjadi senyawa pencetakan kompresi, yang kemudian akan digunakan untuk mencetak insert sepatu safety. CETMA akan karakterisasi bahan baku sekunder ini dan mengembangkan model numerik untuk memprediksi performa struktural insert sepatu. Model ini akan membantu menganalisis dan memverifikasi perilaku dampak untuk memenuhi regulasi keselamatan, dengan hasil yang digunakan untuk menyempurnakan dan menyelesaikan desain insert sepatu. Tim proyek Italia meliputi Base Protection (Barletta), produsen bagian komposit motorsport/otomotif HP Composites (Ascoli Piceno), spesialis mesin dan garis produksi Elks Group (Ascoli Piceno) dan Petroceramics (Stezzano).

 

Mungkin investasi terbesar CETMA dalam daur ulang hingga saat ini telah melalui proyek REVALUE yang bertujuan untuk REcycled carbon fibers for high VALUE composites. Dana dari European Institute of Innovation & Technology (EIT, Budapest, Hungaria), tujuan proyek REVALUE adalah untuk mengambil serat karbon daur ulang (RCF) yang disuplai oleh produsen terkemuka ELG Carbon Fibre (Coseley, Inggris) menggunakan pirolisis dan menggabungkannya dengan polimer termoplastik perakitan dan daur ulang untuk mengganti material saat ini yang digunakan oleh Centro Ricerche Fiat (CRF, Turin, Italia) untuk produksi komponen otomotif terpilih.

Namun, seperti yang dicatat dalam artikel JEC Composites magazine Jan-Feb 2020, "New sizing formulation for recycled carbon fibres" oleh Alessandra Passaro, et. al., RCF yang dihasilkan oleh pirolisis tidak memiliki sizing, membuat serat rapuh rentan terhadap patah yang sering selama penanganan serta pemisahan bundel serat menjadi filamen, menghasilkan bentuk yang merentang, "fluffy" dengan densitas volume rendah. Sebagai bagian dari REVALUE, CETMA mengembangkan formulasi sizing spesifik untuk RCF, kompatibel dengan polipropilen (PP) dan PA6 perakitan atau daur ulang. Kemudian dievaluasi kemampuan sizing untuk meningkatkan prosesabilitas RCF dan meningkatkan antarmuka dengan matriks termoplastik yang dipilih.

Untuk melakukan ini, CETMA mengembangkan pabrik piloto untuk sizing RCF, mampu menerapkan sizing dalam kuantitas kilogram dan, pada saat yang sama, mengevaluasi efek parameter utama pada proses depo. Pabrik terdiri dari tiga stasiun utama: perawatan sizing dan pencucian serat; penanganan serat kering sebelum dan setelah perawatan; dan oven-drying serat. Empat kilogram RCF dapat ditangani per hari dalam siklus berkelanjutan.

RCF yang telah disize dari CETMA kemudian digunakan oleh pusat penelitian Prancis CEA dan compounder Prancis SUEZ untuk memproduksi senyawa cetakan menggunakan polimer termoplastik perakitan dan daur ulang. Karakterisasi fisik-kimia senyawa diselesaikan, dan kemampuan sizing CETMA untuk meningkatkan performa mekanik komposit akhir diverifikasi.

 

Senyawa cetakan RCF inovatif dari CETMA kemudian digunakan untuk injection molding komponen otomotif semi-struktural yang saat ini terbuat dari PP atau PA6 yang diperkuat serat kaca. Di luar keuntungan yang jelas dalam daur ulang dan penggunaan kembali material, pengurangan bobot kendaraan, konsumsi bahan bakar dan emisi CO2 juga telah dibuktikan.

Di luar REVALUE, CETMA juga telah mengembangkan lebih lanjut dan mengevaluasi sizing untuk RCF dalam berbagai proses komposit termasuk pencetakan kompresi, infusi vakum dan RTM, yang menunjukkan properti yang ditingkatkan dalam semua kasus.

 

Pemantauan Kesehatan Struktural (SHM)

Area aktivitas komposit kunci akhir untuk CETMA ini juga merupakan penekanan yang tumbuh di industri. "Kami memiliki banyak tahun pengalaman dalam menerapkan SHM untuk aplikasi konstruksi dan bangunan," kata Passaro. "Dan kami juga telah melakukan banyak pekerjaan dengan SHM dalam komposit. Kami tahu ini akan penting untuk aplikasi masa depan dan kami tertarik untuk terus bekerja dengan produsen komposit dan industri untuk mendorong teknologi ini ke depan."​​​​​