Susceptor Mobile: Merevolusi Pengelasan Induksi Termoplastik

 

Institut de Soudure Group (IS Groupe, Villepinte, Prancis) — secara harfiah “institut pengelasan” Prancis — memiliki lebih dari 100 tahun pengalaman dalam pengelasan logam dan kini menegaskan dirinya sebagai pemimpin dalam pengelasan komposit termoplastik. Seperti yang dilaporkan dalam fitur CW 2018 “Pengelasan Komposit Termoplastik”, IS Groupe dan merek kompositnya Composite Integrity mengembangkan proses “pengelasan induksi dinamis” yang digunakan untuk menggabungkan pita UD serat karbon (CF)/polyetherketoneketone (PEKK) stringer dan kulit fuselage dalam proyek demonstrasi “Arches TP” dengan mitra Tier 1 Airbus STELIA Aerospace (Toulouse, Prancis), yang diperkenalkan di Salon Penerbangan Paris 2017.

 

“Ini adalah awal dari pengembangan kami dengan pengelasan induksi untuk bagian struktural penerbangan,” menjelaskan Jérôme Raynal, direktur penerbangan dan komposit untuk IS Groupe. “Meskipun proses pengelasan induksi dinamis yang kami kembangkan berhasil, ada beberapa keterbatasan mengenai performa di radius stringer yang dilekatkan dan pemanasan global panel karena tidak ada susceptor di antarmuka.”

Susceptor adalah bahan yang ditempatkan di antara dua aderend dari sambungan komposit termoplastik yang dihasilkan las yang dipanaskan oleh kuil induksi di kepala pengelasan. Susceptor dapat konduktif listrik untuk pemanasan resistensi atau magnetik untuk pemanasan histeresis, melelehkan matriks di antarmuka las yang ditekan bersama secara bersamaan untuk menciptakan sambungan perekat fusi dengan kekuatan sangat tinggi. Seperti yang dijelaskan dalam makalah Januari 2000, “Desain Susceptor Resistensi untuk Pemanasan Seragam Selama Pengikatan Induksi Komposit” oleh Bruce Fink, Shridhar Yarlagadda dan John W. (Jack) Gillespie, susceptor yang digunakan dalam komposit termoplastik yang dihasilkan las induksi awalnya adalah layar logam atau jaring, kadang-kadang diimpregnasi dengan polimer.

IS Groupe percaya masalah awal yang dihadapinya dapat dipecahkan dengan pengembangan lebih lanjut. “Kami memulai putaran refleksi internal baru,” kata Raynal. Ini termasuk diskusi dengan penyuplai bahan termoplastik (TP) Arkema (Colombes, Prancis) yang berlanjut menjadi kemitraan pengembangan. “Kami sekarang telah mengembangkan dan mematenkan teknologi baru dengan Arkema yang disebut Innovative Solution for Welding (ISW),” Raynal tambah.

 

Dasar ISW

“Dasar ISW adalah menggunakan susceptor untuk memanaskan antarmuka las, tetapi ini adalah susceptor mobile yang terhubung ke kepala pengelasan,” Raynal menjelaskan. “Susceptor memungkinkan kami untuk menempatkan zona pemanasan dengan sempurna di las, tetapi kepala pengelasan dengan susceptor bergerak sehingga tidak ada yang tetap di antarmuka untuk mengganggu properti struktur yang dihasilkan las.” Dalam iterasi awal pengelasan induksi, susceptor jaring logam ditinggalkan di las, tetapi ini dianggap tidak diinginkan. Teknik terbaru telah dapat menghilangkan susceptor karena serat karbon dalam laminat penerbangan umum konduktif listrik. Ini juga telah memungkinkan penggunaan bahan serat karbon sebagai susceptor.

Bagian lain dari solusi ISW adalah menggunakan matriks TP murni atau lapisan volume serat rendah di antarmuka las untuk meningkatkan aliran resin. Suhu leleh dan viskositas lapisan antarmuka ini dapat disesuaikan dan juga dapat difungsikan untuk menyediakan konduktivitas listrik atau isolasi untuk mencegah korosi galvanik, misalnya antara serat karbon dan aluminium atau baja.

 

Hasil ISW

“Kami akhirnya dengan koefisien sambungan 80-90 persen,” kata Raynal. Koefisien sambungan sesuai dengan kekuatan las dan digunakan dengan logam, plastik dan komposit. “Dalam pengujian geser lipat tunggal dari dua plat yang sudah dikonsolidasikan yang dihasilkan las bersama menggunakan ISW, kami telah mencapai 80-90 persen properti dari plat referensi yang tidak dihasilkan las dan dikonsolidasikan autoklaf.” Uji coba ini menggunakan pita UD yang terbuat dari serat karbon Hextow AS7 (Hexcel, Stamford, Conn., AS) dan Arkema Kepstan 7002 PEKK.

Raynal mengatakan ISW dapat digunakan untuk menghasilkan las macam-macam matriks: PE, PA, PEKK, PEEK, serta komposit termoplastik terkuat serat karbon, kaca atau aramid. “Kami juga telah menunjukkan tidak ada masalah untuk menghasilkan las komponen yang memiliki jaring tembaga untuk perlindungan petir (LSP), yang merupakan kunci untuk produksi aerostruktur” tambahnya. ISW dirancang untuk sepenuhnya diotomatisasi dengan kepala pengelasan yang dilekatkan pada lengan robotik 6 sumbu.

 

Kontrol Suhu

Seperti yang dijelaskan dalam makalah Kirk/Yarlagadda/Gillespie di atas, masalah umum dengan susceptor jaring logam yang tertarik medan magnet adalah distribusi suhu yang tidak seragam pada bagian yang dihasilkan las. “Kami mengontrol ini dengan menggunakan susceptor untuk melelehkan hanya antarmuka las,” Raynal menjelaskan. “Kami merasakan suhu dengan pirometer laser yang sebenarnya mengukur tepi susceptor dari sisi. Jadi, kami tahu tepat suhu di antarmuka. Kami juga menggunakan pendinginan untuk membantu mengelola suhu dan memastikan kristalisasi yang cukup dalam bahan termoplastik di seluruh las.”

 

Uji Coba Pengelasan Stringer-Kulit STELIA

Pemasok Tier 1 untuk Airbus, STELIA (Toulouse, Prancis), adalah salah satu pelanggan pertama untuk pengembangan pengelasan induksi ini. IS Groupe dan Arkema melakukan studi spesifik untuk STELIA untuk menghasilkan las stringer 7 lapis CF/PEKK pada kulit 14 lapis dengan jaring tembaga untuk perlindungan petir (LSP). Target akhir adalah untuk menghasilkan las struktur panjang 30 meter, dengan bagian lurus dan doble lengkungan. Komponen dibuat menggunakan pita UD 194 gsm yang terdiri dari serat karbon Tenax HST45 (Teijin, Osaka, Jepang) dan Kepstan 7002 PEKK. STELIA menentukan las yang homogen dengan performa mekanik >85 persen dari bahan referensi yang dikonsolidasikan autoklaf dan tanpa degradasi properti termal atau mekanis aderend. Ini juga meminta proses yang andal terhadap perubahan ketebalan aderend. Pengujian kimia dan properti pada komponen yang dihasilkan las dilakukan oleh IS Groupe.

IS Groupe dan Arkema dapat memenuhi persyaratan STELIA, mencapai >85 persen performa geser lipat tunggal (SLS) dan kekuatan geser antar lapis (ILSS) dibandingkan laminat referensi yang dikonsolidasikan autoklaf. Tidak ada pembuka atau degradasi dalam laminat komponen atau jaring LSP. Area satu-satunya di mana mereka gagal adalah kecepatan. STELIA meminta kecepatan las ≥ 1 meter/menit. “Saat ini, kami pada 0,3 meter (10 inci) per menit,” Raynal mengakui, “tapi kami terus bekerja menuju target kecepatan itu.” Apakah ada batas ketebalan substrat yang dapat dihasilkan las? “Kami dapat menghasilkan las ketebalan yang khas untuk struktur penerbangan dan telah menghasilkan las komponen tebal 5 milimeter pada substrat 5 milimeter.”

 

Kemitraan Arkema, Peluang dan Tantangan

Mengapa bekerjasama dengan Arkema? “Karena ada hubungan antara teknologi dan bahan,” Raynal menjelaskan. “Misalnya, bahan di antarmuka dan fraksi volumnya membuat perbedaan. Kami adalah spesialis pada proses, tetapi kami perlu bekerja sama dengan mitra untuk bahan. Pengembangan bersama ini diperlukan untuk sepenuhnya mengoptimalkan teknologi pengelasan.”

IS Groupe dan Arkema adalah pemilik bersama teknologi ISW dan telah melindungi teknologi ini dengan portofol paten yang kuat yang mencakup lima aplikasi paten Prancis dan Internasional. ISW dapat digunakan dengan matriks komposit termoplastik apa pun, dan IS Groupe sedang mendemonstrasikan teknologi melalui program yang dimilikinya dengan perusahaan di Eropa dan AS, termasuk Latécoère (Toulouse, Prancis), dan Collins Aerospace Aerostructures (Chula Vista, Calif., AS).

Untuk Arkema, fokusnya pada PEKK, kata Raynal, mencatat aliansi strategis 2018 dengan Hexcel untuk mengembangkan pita CF/termoplastik untuk pesawat masa depan, fokus pada memberikan biaya lebih rendah dan kecepatan produksi yang lebih cepat untuk pelanggan mereka. Sebagai bagian dari kemitraan ini, laboratorium R&D bersama sedang dirintis di Prancis.

 

Proyek Highly Automatized Integrated Composites for Performing Adaptable Structures (HAICoPAS) senilai 13,5 juta euro, 48 bulan adalah perluasan dari aliansi strategis Arkema-Hexcel. Kolaborasi penuh Prancis ini mencakup IS Groupe, serta desainer mesin kustom Ingecal (Chassieu), Coriolis Composites (Quévén), Pinette Emidecau Industries (Chalon Sur Saone) dan konsorsium laboratorium universitas. HAICoPAS akan mengoptimalkan desain dan manufaktur bahan untuk produksi bagian komposit untuk mencapai biaya kompetitif pada kecepatan tinggi. Ini juga bertujuan untuk mengembangkan teknologi yang lebih produktif untuk penempatan/penataan bahan komposit dan sistem baru untuk merakit bagian akhir dengan pengelasan dengan kontrol kualitas online.

Aplikasi yang ditargetkan termasuk struktur primer pesawat, bagian struktural untuk industri otomotif dan pipa untuk industri minyak dan gas. Manfaat daur ulang dan keberlanjutan yang disediakan oleh bahan termoplastik juga penting untuk pasar ini dan akan divisualisasikan dan diukur dalam HAICoPAS.

“Salah satu manfaat yang kami tawarkan dengan ISW adalah pengurangan daya listrik lebih dari 50 persen dibandingkan proses pengelasan induksi dinamis kami dari 2017,” Raynal menekankan. “Dengan pengelasan induksi konvensional, Anda memerlukan daya tinggi untuk memanaskan permukaan. Tetapi dengan susceptor di antarmuka, permukaan yang Anda panaskan jauh lebih kecil, memerlukan jauh lebih sedikit energi.” Dia menyebut ini juga membantu untuk menghindari dekompaksi di radius stringer. “Jika Anda memanaskan terlalu banyak, Anda dapat melemahkan bahan di radius dan memungkinkan serat di sini untuk bergerak. Jadi, kami perlu memanaskan hanya zona kontak untuk substrat yang dihasilkan las tanpa memanaskan radius. Dengan ISW, ini bukan masalah.”

Masih ada masalah termal, bagaimanapun. “Dengan bentuk datar, kontrol suhu sederhana, tetapi menjadi lebih menantang dengan peningkatan kompleksitas bentuk,” kata Raynal. “Untuk 2020, tujuan utama adalah untuk melanjutkan pengembangan dan mencapai pengelasan stringer pada kulit pada skala representatif. Fokus kami juga untuk memperkenalkan teknologi ke dalam program pengembangan pesawat baru.”

Untuk lebih banyak detail, lihat Composite Integrity di JEC World 2020, Hall 5, Booth N89.