Menggerakkan Inovasi Komposit Termoplastik dengan RTM untuk Clean Sky 2 di Spanyol

EURECAT Centro Tecnològic de Catalunya (Pusat Teknologi EURECAT Catalunya, Barcelona, Spanyol) adalah organisasi R&D swasta, nirlaba dengan 11 fasilitas, 650 karyawan dan 50 juta euro pendapatan tahunan. “Itu adalah pusat R&D kedua terbesar di Spanyol,” jelas Angel Lagrañña Hernandez, direktur program untuk pasar penerbangan dan luar angkasa di EURECAT. Dia menjelaskan bahwa sebagian pendapatan EURECAT berasal dari pemerintah Catalonia dan dari sisanya, setengah harus datang dari perusahaan swasta — sebagian besar perusahaan kecil dan menengah (SME) — sementara setengah lainnya dapat publik, seperti program Clean Sky 2 yang didanai oleh Uni Eropa. “Kami sekarang memiliki 18 proyek Clean Sky,” catat Lagrañña, “yang kami terima sepenuhnya berdasarkan pengajuan kompetitif sebagai respons terhadap panggilan pengajuan.”

Contoh bagaimana komposit terlibat dalam banyak tujuan dan demonstrator teknologi yang direncanakan Clean Sky 2 meliputi:

• Multifunctional Fuselage Demonstrator generasi berikutnya — memanfaatkan termoplastik untuk langit yang lebih bersih
• Ekonomi Sirkular: Fuselage komposit untuk pesawat regional mulai terbentuk
• Memanfaatkan keahlian balap motor untuk FastCan Clean Sky

“EURECAT sangat lintas disiplin, bekerja di otomotif, rel dan industri lain selain pekerjaannya di penerbangan,” kata Lagrañña. “Itu juga memiliki banyak aktivitas di TI seperti analisis data dan blockchain, dll. Komposit 4.0 adalah salah satu area strategisnya.” Dalam komposit, dia mengatakan bahwa EURECAT terutama bekerja dalam teknologi luar autoclave (OOA). “Kami fokus pada termoplastik dan cetakan kompresi cair, termasuk pemantauan proses secara real time, termasuk pemantauan suhu transisi kaca (Tg) resin selama pemrosesan.” (Baca terus ke bagian tentang COFRARE, di akhir blog ini, untuk melihat lebih banyak tentang pemantauan Tg ini.)

Proyek terkait komposit terbaru EURECAT dalam Clean Sky 2 meliputi:

• KEELBEMAN untuk menunjukkan balok keel komposit termoplastik (Proyek ini telah menerima pendanaan dari Clean Sky 2 Joint Undertaking di bawah program riset dan inovasi Horizon Uni Eropa di bawah GAP n° 785435 KEELBEMAN);
• WINFRAME 4.0 untuk membangun bingkai jendela komposit termoplastik (TPC) untuk demonstrator fuselage pesawat regional Green Regional Aircraft (GRA) dalam Clean Sky (2008-2017) dan diperpanjang ke Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform) dalam Clean Sky 2 (2014-2024);
  (Proyek ini telah menerima pendanaan dari Clean Sky 2 Joint Undertaking di bawah program riset dan inovasi Horizon Uni Eropa di bawah GAP n° 821323 WINFRAME 4.0.)
• COFRARE 2020 untuk bingkai fuselage termoset yang dibuat menggunakan transfer resin (RTM) dengan shear ties TPC.
  (Proyek ini telah menerima pendanaan dari Clean Sky 2 Joint Undertaking di bawah program riset dan inovasi Horizon Uni Eropa di bawah GAP n° 821261 COFRARE 2020.)

Balok keel komposit termoplastik

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20. Durasi proyek: Maret 2018 hingga Desember 2019

Tujuan proyek KEELBEMAN adalah untuk mengembangkan struktur balok keel yang berorientasi manufaktur untuk pesawat tipe A320 yang memungkinkan tingkat produksi pesawat yang tinggi namun dengan biaya terjangkau melalui komposit termoplastik. Selain EURECAT sebagai koordinator proyek, mitra termasuk:

• Airbus (Toulouse, Prancis) sebagai topik manager
• CETMA (European Research Centre for Technologies Design and Materials, Brindisi, Italia)
• The CT Engineering Group (CT Ingenieros, Madrid, Spanyol), perusahaan dengan banyak kantor global yang memiliki kontrak multi-tahun dengan Airbus untuk pengembangan pesawat seperti penelitian fuselage, sayap dan bagian belakang melalui kantornya di Hamburg, Jerman; penelitian bagian belakang (Spanyol); penelitian fuselage dan struktur terkait power plant (Toulouse, Prancis) dan pengembangan sayap (Bristol, Inggris)
• Sofitec (Sevilla, Spanyol), spesialis manufaktur dan assembly aerostruktur dengan keahlian dan kapasitas produksi dalam komposit.

The CT Engineering Group menyediakan pemodelan lengkap geometri balok keel melalui kantor Toulouse-nya, sementara Sofitec mengembangkan inspeksi pengujian non-deflasi (NDT). “Ini sangat menantang dengan struktur kotak tertutup seperti ini,” menegaskan Lagrañña.

 

Ditampilkan di sini adalah assembly balok keel A320, yang terbuat dari logam oleh Irkut Corporation (Moskow, Rusia). Irkut reportedly telah berkontrak dengan Airbus pada 2004 untuk menyediakan komponen termasuk bayang landas hidung, balok keel dan flap track, yang dipasang, rata-rata, ke dalam setiap pesawat keluarga A320 ketiga. Sumber | Irkut

Pengembangan struktur balok keel

“Hari ini, sebagian besar balok keel pesawat terbuat dari logam kecuali untuk Airbus A350, yang merupakan komposit serat karbon monolitik,” kata Lagrañña. “Ini memerlukan sejumlah besar rivet dan waktu yang signifikan untuk assembly.” Dia menjelaskan bahwa balok keel adalah struktur kritis dalam fuselage, “Telah ada kasus di mana balok keel patah saat mendarat, menyebabkan seluruh fuselage retak dan patah.”

Menurut artikel 2011 oleh Steve Wilhelm, balok keel A350 adalah 70% komposit, panjang 54 kaki (16,5 meter), disatukan dengan 10.000 penangkal, berat 1,2 ton dan membentuk tulang punggung pesawat. Wilhelm menyebutkan bahwa pesaing Boeing 787 “tidak bergantung pada struktur balok keel yang sekuat itu, karena lebih banyak kekuatan badan berasal dari barel komposit yang disatukan ujung-ke-ujung.” Artikel kemudian mengutip Michel Merluzeau, managing partner konsultan penerbangan G2 Solutions LLC (Kirkland, Wash., AS), yang menggambarkan desain Airbus sebagai “lebih konvensional” dan “berisiko lebih rendah” namun menegaskan bahwa balok keel adalah “esensial untuk integritas struktural pesawat tersebut.”

Airbus sebenarnya telah memulai balok keel komposit untuk A340 pada 2001. Namun seperti yang dijelaskan di atas, jumlah rivet yang tinggi bekerja melawan penghematan bobot yang mungkin dengan menggunakan komposit. Oleh karena itu, target utama dalam proyek KEELBEMAN adalah untuk meminimalkan penangkal dengan menggunakan komponen komposit termoplastik yang diletahui bersama.

 

Balok keel TPC

“Pengembangan balok keel komposit termoplastik menggunakan pengelasan untuk assembly adalah bagian dari pengembangan Airbus untuk pesawat esok hari, yang mencakup program seperti Wing of Tomorrow dan Fuselage of Tomorrow,” kata Lagrañña. “Dalam KEELBEMAN, kami telah menghasilkan bagian demonstrasi balok keel sepanjang 1 meter dengan ukuran 250 milimeter x 500 milimeter dengan stringers dan telah menunjukkan kelayakan pengelasan struktur ini dengan otomatisasi sebanyak mungkin.”

Lagrañña mengatakan bahwa plate dinding dan stringer demonstrator dibuat menggunakan pita UD serat karbon/polyetherketoneketone (PEKK) dalam proses cetak kompresi kontinu (CCM) yang dikembangkan oleh CETMA (lihat “Aerospace-grade compression molding” dan “PEEK vs. PEKK vs. PAEK and continuous compression molding”). “Ada juga ribs untuk stiffener transverse yang dibuat menggunakan cetak kompresi non-isothermal tradisional oleh EURECAT,” tambah Lagrañña.

 

Pengelasan induksi sebagai kunci utama

Lagrañña mengatakan bahwa CETMA memainkan peran kunci tidak hanya dalam produksi bagian untuk KEELBEMAN, tetapi juga dalam assembly demonstrator menggunakan mesin dan teknologi pengelasan induksi paten mereka. Pengelasan ini awalnya dikembangkan dalam program Clean Sky pertama proyek ECO FAIRS (2011-2014), bersama dengan cetak kompresi isothermal dan non-isothermal struktur TPC yang ditampilkan di atas. Dalam ECO FAIRS, CETMA menggunakan semua teknologi ini untuk menghasilkan demonstrator prototipe berdasarkan panel atas yang ada (panel kulit stiffened stringer) dari ekor helikopter Agusta Westland serta demonstrator fairing sponson lengkung. Meskipun ini dibuat menggunakan T300 3K 5HS kain serat karbon CETEX (disediakan oleh TenCate, sekarang Toray Advanced Composites) dengan film PPS (polyphenylene sulfide) dua sisi, CETMA juga membuktikan pengelasan induksi dengan komposit PEEK dan PEI.

 

CETMA memilih pengelasan induksi (IW) sebagai teknik pengelasan komposit termoplastik yang paling menjanjikan dan bekerja sama dengan spesialis pengelasan dan insinyur elektronik SINERGO srl (Valdobbiadene, Treviso, Italia) untuk mengembangkan mesin pengelasan induksi baru. Mesin SICE 1 WIDE berbasis gantry yang ditawarkan oleh SINERGO (lihat gambar di bawah) mampu melakukan pengelasan kontinu bagian kualitas penerbangan hingga 1 meter x 1 meter. Ia mencakup sistem kontrol yang kuat untuk memastikan distribusi suhu yang dioptimalkan tercapai dalam bahan yang sedang diletahui. Mesin dilengkapi dengan silinder pendingin untuk memberikan tekanan konsolidasi dan dengan sistem pendingin udara untuk menghilangkan panas di tempat diperlukan, seperti di tepi, di mana aliran arus eddy listrik yang diinduksi dibatasi, menghasilkan kepadatan arus tinggi dan panas berlebih. Juga memungkinkan untuk memasang kepala pengelasan induksi CETMA pada lengan robot 6 sumbu untuk pengelasan bentuk geometris kompleks.

 

CETMA juga telah mengembangkan kemampuan untuk mengoptimalkan proses pengelasan induksi mereka dengan menggunakan alat simulasi, melakukan analisis numerik menggunakan perangkat lunak pemodelan elemen hingga (FEM) COMSOL Multiphysics (COMSOL Inc., Burlington, Mass, AS). Mereka memverifikasi model ini melalui sejumlah besar uji fisik. CETMA mengonfirmasi parameter proses yang dioptimalkan dengan uji single-lap pada kupon yang diletahui, di mana nilai kekuatan geser sangat dekat dengan nilai maksimum yang dilaporkan dalam literatur. Secara menonjol, ini juga jauh lebih tinggi dari nilai maksimum saat menggunakan perekat struktural, kata CETMA.

 

CETMA telah membuktikan kemampuan pengelasan mereka untuk berbagai macam bahan, termasuk serat karbon woven dan UD, serta PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 dan bahkan pengelasan ke CF/epoksi menggunakan lapisan hybrid termoplastik PVB (polyvinyl butyral) untuk transisi dari substrat termoset ke wajah termoplastik untuk pengelasan. (Sebagian besar detail bagian ini diambil dari presentasi kompetensi CETMA dan laporan akhir CORDIS untuk ECO FAIRS.) CETMA mengajukan paten Eropa pada 2014 dan pencipta Silvio Pappada dan Andrea Salomi diberikan paten EP2801472A1 pada 2016. CETMA telah menerbitkan banyak makalah dan presentasi tentang teknologi ini, termasuk:

• “Finite element simulations to support the development of out-of-autoclave technologies”, A&D, 11-12 Okt 2012
• “Finite Element Simulations to Support Continuous Induction Welding of PPS-Carbon Composites”, SEICO 13, 11-13 Maret 2013 “Paris”
• “Development of a New Induction Welding Machine for Thermoplastic Composites in the Aerospace Sector”, Italian Association of Aeronautics and Astronautics XXII Conference Napoli, 9-12 September 2013
• “Induction welding in aerospace sector”, TPRC, Thermoplastic Composites European Consortium, Web-meeting, Desember 2013.
• “Full scale tests on thermoplastic components for aerospace sector”, SEICO 14, 10-11 Maret 2014 “Paris”
• “New induction welding equipment for the aerospace sector”, JEC magazine, No. 87, Maret 2014, hlm. 89-91.

 

Status dan jalur maju KEELBEMAN

Airbus mengunjungi CETMA pada Desember untuk melihat pengelasan akhir bagian demonstrator sepanjang 1 meter, dan tim KEELBEMAN juga melakukan review akhir tingkat kesiapan teknologi (TRL). “Kami mendapatkan hasil yang baik dan mematangkan teknologi dari TRL 3 ke TRL 4,” kata Lagrañña. Langkah selanjutnya dapat mencakup pengembangan lebih lanjut ke TRL 6 dan produksi balok keel skala penuh untuk dipasang di salah satu demonstrator Clean Sky 2, seperti fuselage bawah center penuh ukuran penuh WP 2.3.2, namun ini belum diputuskan.

 

Proyek WINFRAME 4.0 untuk bingkai jendela TPC

Program komposit termoplastik (TPC) lain untuk EURECAT adalah WINFRAME 4.0, dengan tujuan untuk mengembangkan dan memproduksi 24 bingkai jendela untuk demonstrator fuselage/kabin pesawat regional terintegrasi tanah (lihat penjelasan tentang perkembangan Clean Sky 2 untuk pesawat regional dan Full-scale Innovative Fuselage and Passenger Cabin Demonstrator di bawah). Mitra WINFRAME 4.0 meliputi:

• Perusahaan penerbangan multinasional Leonardo (Roma, Italia) sebagai topik manager
• EURECAT
• Sofitec.

“Metode yang kami gunakan dapat menghasilkan satu bingkai jendela setiap 10 menit,” kata Lagrañña. Langkah produksi termasuk: memanaskan blank laminat TPC dalam oven, mentransfer ke cetakan, menutup cetakan dalam pres, menerapkan panas dan tekanan selama 10-20 menit dan melepaskan bagian jadi. “Pendekatan ini tidak hanya mencapai siklus yang lebih pendek daripada cetakan cair tetapi juga alat cetak yang jauh lebih murah,” tambahnya. “Proses ini dikenal dalam industri otomotif, ini adalah cetakan kompresi dalam konfigurasi yang sangat terotomatisasi yang meningkatkan kualitas bagian, namun bahan penerbangan yang digunakan berbeda, dalam hal ini PPC yang diperkuat serat karbon dan serat karbon dari Toray Advanced Composites (dahulu TenCate). Pada akhir proyek ini, kami akan mencapai TRL 6 untuk teknologi ini,” kata Lagrañña.

 

Proyek COFRARE: C-frame RTM dan shear ties termoplastik

Proyek COFRARE 2020 adalah perluasan dari proyek awal COFRARE 2.0:

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16. “Pengembangan proses manufaktur bingkai komposit dengan tingkat produksi tinggi dan biaya rendah” Durasi proyek: 2016 hingga 2018.

Tujuan proyek COFRARE 2.0 Clean Sky 2 adalah untuk mengembangkan proses manufaktur yang kompetitif dan dapat diterapkan untuk bingkai komposit serat karbon yang akan digunakan dalam fuselage berbasis panel komposit untuk pesawat regional. Mitra termasuk:

• Pemasok penerbangan Tier 1 dan perusahaan rekayasa/industrialisasi berbasis Napoli DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italia)
• EURECAT
• LGAI Technological Center S.A., divisi dari Applus+ Laboratories di Barcelona, Spanyol menyediakan pengujian.

Tujuan proyek COFRARE 2.0 generasi berikutnya adalah untuk memproduksi bingkai komposit skala penuh dan shear ties yang akan digunakan dalam demonstrator fuselage/kabin terintegrasi tanah Clean Sky 2. Demonstrator ini diorganisir dalam Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform) Clean Sky 2 dan dirinci dalam Bagian 5.2.2 dokumen Joint Technical Programme Maret 2015:

“Pesawat regional adalah elemen kunci dari Clean Sky melalui ITD (Integrated Technology Demonstrator) yang khusus - Green Regional Aircraft (GRA), menyediakan blok bangunan esensial menuju sistem transportasi udara yang menghormati lingkungan, memastikan mobilitas yang aman dan mulus, serta membangun kepemimpinan industri di Eropa. Dalam Clean Sky 2, … Tujuan demonstrasi Regional Aircraft IADP adalah lebih kompleks, komprehensif dan menantang daripada proyek Clean Sky GRA saat ini, yang dipaksa untuk bekerja dalam batasan anggaran dan waktu. …”

Joint Technical Programme 2015 merancang pengembangan pesawat regional untuk mencakup dua uji coba terbang dan lima demonstrator tanah terintegrasi besar. Yang terakhir mencakup Full-scale Innovative Fuselage and Passenger Cabin Demonstrator: “Fuselage akan menjadi demonstrasi skala penuh dari teknologi untuk bahan komposit, struktur dan manufaktur yang bertujuan untuk [mencapai] pengurangan bobot dan biaya serta untuk meminimalkan dampak lingkungan melalui desain ramah lingkungan dan optimasi konsumsi energi sepanjang siklus hidup (menuju dampak nol).”

Mitra proyek COFRARE 2020 termasuk:

• Leonardo sebagai topik manager
• EURECAT
• DEMA
• Pabrikan komponen dan assembly pesawat A. Abete (Nola/Marigliano, Italia).

“Dalam COFRARE 2020, kami membuat bingkai fuselage menggunakan RTM (transfer resin), yang akan diintegrasikan ke dalam demonstrator fuselage,” menjelaskan Lagrañña. “Kami menggunakan teknologi Ziplus dari Shikibo (Osaka, Jepang) yang menghasilkan preform yang cocok untuk injeksi dengan resin.” Shikibo Ltd. adalah bagian dari Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, AS), dan menawarkan berbagai teknologi preforming tekstil.

Salah satu aspek menarik dari program ini adalah penggunaan sensor dari Synthesites (Uccle, Belgia) untuk pemantauan real time kedatangan resin, suhu, tekanan, Tg dan pengeringan. “Sensor berada di area spesifik dari bagian komposit dan cetakan RTM untuk mengoptimalkan strategi injeksi resin,” catat Lagrañña. Injeksi dicapai menggunakan sistem yang sangat terotomatisasi yang disediakan oleh ISOJET (Corba, Prancis), yang juga adalah bagian dari Composite Alliance Corp. Sensor Synthesites adalah sensor dielectric, namun tidak seperti mayoritas analisis dielectric (DEA), yang didasarkan pada arus bolak-balik (AC), Synthesites menggunakan arus langsung (DC). “Sensor kami bekerja baik dengan bahan resistensi tinggi seperti resin dan karena kami menerapkan satu tegangan, kami tidak perlu menganalisis banyak frekuensi, namun kami mencapai akurasi yang tinggi, bahkan di akhir pengeringan,” menjelaskan direktur Synthesites Dr. Nikos Pantelelis.

 

“Kami bertemu Synthesites di konferensi SAMPE pada 2011,” ingat Lagrañña. “Mereka berbicara tentang sensor untuk mempersingkat siklus pengeringan. Kami mengeksplorasi bagaimana mengotomatisasi preform untuk bingkai fuselage dan bahkan menggunakan pemrosesan yang lebih cepat dengan HP-RTM (RTM tekanan tinggi), namun masih Anda berada pada waktu proses 3-4 jam. Namun, dengan Synthesites, kami telah memotong siklus pengeringan hingga 50 persen dengan memantau Tg. Kami sekarang menguji untuk properti. Sensor ini dapat bekerja pada tekanan tinggi namun dalam proses RTM kami, kami hanya menggunakan 8 bar tekanan.”

Sensor dielectric DC Synthesites, sistem pemantauan aliran resin cair OptiFlow dan sistem pemantauan pengeringan OptiMold telah divisualisasikan dalam produksi oleh berbagai produsen palang angin. Mereka juga digunakan oleh Bombardier Aerospace (Belfast, Inggris) untuk memproduksi sayap komposit cair untuk C-Series sekarang Airbus 220. Pusat Penerbangan Jerman (DLR, Stade, Jerman) telah menunjukkan pengurangan siklus pengeringan hingga 50% dengan baik prepreg autoclave dan RTM, sementara Pusat Komposit Nasional (NCC, Bristol, Inggris) telah menunjukkan bahwa bahkan untuk resin yang sangat reaktif, perhitungan Tg real time yang dibuat dari pengukuran suhu dan resistensi resin sensor seakurat dengan Tg yang diukur dari panel yang sudah mengering menggunakan diferensial scanning calorimetry (DSC).

 

Menggabungkan bingkai dengan shear ties TPC

Bagian kunci lain dari COFRARE 2020 adalah metode produksi volume lebih tinggi untuk menghasilkan ratusan shear ties dan braket yang diperlukan untuk menggabungkan bingkai C-fuselage RTM dengan panel fuselage komposit. “Kami mengembangkan 255 geometri berbeda untuk braket komposit termoplastik yang diproduksi oleh cetakan kompresi,” kata Lagrañña. (Catatan, GKN Fokker memiliki beberapa proyek Clean Sky 2 di mana akan memproduksi braket TPC untuk Multifunctional Fuselage Demonstrator di Large Passenger Aircraft IADP; pekerjaan ini dalam COFRARE 2020 adalah untuk pesawat regional yang lebih kecil.) Metode dasar ditunjukkan di bawah, menggunakan alat logam yang cocok dan pres yang dipanaskan. “Biaya alat cetakan kompresi seperti itu hanya 2.000 euro, yang sangat terjangkau dibandingkan dengan alat RTM,” tambahnya. “Stamping juga mencapai waktu siklus yang sangat pendek.”

 

EURECAT berinvestasi untuk tetap berada di garis depan pengembangan teknologi komposit, kata Lagrañña. “Kami yakin bahwa tekanan untuk lingkungan yang bersih akan secara dramatis meningkatkan penggunaan komposit di semua transportasi, dan bahwa keterjangkauan dan performa akan berjalan bersama. Itulah mengapa kami fokus pada teknologi luar autoclave yang terotomatisasi untuk ditawarkan kepada pelanggan kami.”

Tetap terhubung untuk blog saya yang akan datang tentang proyek STUNNING dan MECATESTERS Clean Sky 2, yang akan membahas pengembangan braket TPC yang diletahui untuk Multifunctional Fuselage Demonstrator dan karakterisasi lengkap PAEK untuk proyek ini. Saya juga akan blog tentang Synthesites lebih detail serta lebih banyak perkembangan CETMA dalam komposit. Tahun 2020 akan menjadi tahun yang sangat menarik untuk komposit!