Termoplastik Menggerakkan Penghematan Berat Signifikan dalam Pesawat Modern

Bracket tangki penyimpanan pesawat yang dikembangkan oleh Victrex, Tri-Mack dan Safran Cabin mengintegrasikan dua sisip serat karbon/PAEK yang di-overmold dengan resin PEEK. Hasilnya adalah pengurangan massa 50%, pengurangan biaya 20% dan perbaikan besar dalam rasio beli-terbang. Sumber | Victrex

Quando datang ke konversi struktur aeronautika logam menjadi komposit termoset, sebagian besar buah rendah — struktur sayap, fuselage dan ekor — telah dipetik. Dalam pesawat generasi berikutnya, komposit termoplastik pasti akan memainkan peran besar dalam struktur besar juga. Namun, sementara itu, ada peluang konversi yang tersedia hari ini untuk termoplastik.

Salah satu bagian tersebut adalah tipe yang jarang dilihat, tetapi sangat penting: bracket beban interior. Ini adalah bracket (saat ini aluminium, stainless steel dan titan) yang melampiri bulkhead, toilet kamar mandi, dapur galley dan tangki penyimpanan bagasi ke lantai dan fuselage pesawat. Bracket ini datang dalam berbagai bentuk dan ukuran, tergantung pada apa yang dilampirkan. Sendirian, bracket ini tidak sangat berat. Namun, karena setiap pesawat mengonsumsi ratusan bracket, total berat yang signifikan.

Spesialis interior pesawat Safran Cabin (Huntington Beach, California, AS) menyadari ini dan baru-baru ini beralih ke spesialis komposit termoplastik Victrex (Thornton Cleveleys, Inggris) dan pembuat Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, Rhode Island, AS) untuk mengonversi bracket tangki penyimpanan kabin aluminium ke desain baru yang dibuat dengan pita UD serat karbon/poliarieterketon (PAEK) VICTREX AE 250 yang di-overmold dengan polimer VICTREX PEEK (polyetheretherketone) 150CA30.

Pengujian fisik bracket yang di-overmold. Sumber | Victrex

Bracket memiliki dasar persegi panjang dengan dua sisip vertikal yang melumpur dari pusat dasar. Dasar memiliki satu lubang yang dicetak di setiap sudut untuk menampung pemasang; setiap sisip juga memiliki lubang di dekat puncaknya, untuk menampung pin pemasang dan perangkat keras lainnya. Sisip terbuat dari material serat karbon/PAEK; dasar di-overmold dengan resin PEEK.

Victrex dan Tri-Mack, bekerja sama dengan Safran Cabin, menyediakan material, optimasi desain bagian, keahlian pemrosesan dan cetakan yang diperlukan untuk merealisasikan fitur desain dan memenuhi parameter kinerja kunci. Safran Cabin menyediakan keahlian desain dan manufaktur untuk memastikan keberlakuan dalam lingkungan sertifikasi dan pelayanan penerbangan luar angkasa.

Tim Herr, direktur Penerbangan di Victrex, mengatakan sisip terbuat dengan mesin Fiberforge Dieffenbacher (Windsor, Ontario, Kanada), yang menata pita UD serat karbon/PAEK untuk membangun laminat. Laminat ini dikonsolidasikan press, dirapikan tepi dan kemudian dipotong waterjet untuk membuat sisip. Selama pemotongan waterjet, setiap sisip diberi kerucut di dasarnya untuk menciptakan permukaan pengunci mekanis selama overmolding.

Sisip kemudian ditempatkan dalam cetakan, diikuti oleh injeksi overmolding PEEK. "Ketika kita overmold," kata Herr, "kami menciptakan ikatan yang sangat kuat antara sisip komposit PAEK dan material PEEK yang dicetak injeksi. Kunci untuk pengaktif ini, kata Herr, adalah kombinasi unik PAEK dan PEEK. PAEK, katanya, memiliki suhu proses sekitar 40°C lebih rendah daripada PEEK. Delta suhu ini memfasilitasi ikatan intim dan tahan lama antara dua bagian. "Tanpa penemuan PAEK," Herr berargumen, "penggilingan hybrid jenis ini akan mustahil."

Gambar simulasi desain performa bracket di bawah kondisi beban. Sumber | Victrex

Kombinasi desain/proses ini memerlukan simulasi, analisis, prototipe dan pengujian fisik yang luas, melalui yang Victrex mengidentifikasi beberapa kekurangan desain dan proses, termasuk deformasi sisip, ragu aliran resin, kegagalan ikatan/antarmuka dan rongga. Ini mengirimkan desainer kembali ke papan gambar untuk mengoptimalkan desain, dan insinyur manufaktur kembali ke mesin injeksi molding untuk melakukan optimasi proses. Kombinasi desain/proses akhir mengatasi tantangan ini dan membuktikan kelayakan bracket komposit termoplastik yang di-overmold.

Prototipe bracket awal diproduksi di Tri-Mack. Dibandingkan bagian aluminium asli, prototipe komposit mencapai penghematan biaya 20%, penghematan berat 50% dan rasio beli-terbang 5x lebih baik.

"Kami perlu merespons banyak permintaan untuk bracket pesawat dan bagian struktural serupa, dengan setiap kasus memiliki banyak kondisi beban, keterbatasan, dan paparan," kata Tyler Smithson, insinyur R&T di Safran Cabin. "Kunci keberhasilan adalah mengembangkan platform komposit yang fleksibel yang dapat digunakan untuk banyak proyek, mengurangi jumlah bagian dan kompleksitas desain, memotong waktu-ke-pasar, mempercepat waktu-ke-pendapatan."

Victrex mengatakan proses overmolding hybrid adalah teknologi yang dapat diskalakan dan dapat diulang yang berpotensi membantu pelanggan penerbangan komersial mengurangi tingkat borosan, mempercepat waktu siklus, meningkatkan konsolidasi bagian dan mengurangi operasi sekunder.

Hasil tes setelah iterasi desain kedua bracket menunjukkan perbaikan besar dalam batas beban dan kondisi kegagalan. Sumber | Victrex

"Di Victrex, kami bangga dengan track record kami dalam memperkenalkan pendekatan teknologi 'disruptif' di sektor yang kami layani, menggunakan know-how kami dalam pemrosesan dan performa material PAEK untuk mempercepat proses komersialisasi," komentar Herr. "Overmolding hybrid dan komposit VICTREX AE 250 tentu termasuk dalam kategori ini tetapi ini baru dimulai. Kami terus menguji tawaran komposit kami, dengan dukungan dari pelanggan dan mitra kami untuk mendemonstrasikan potensi penuh dari material ini."

Saat ini bracket dijadwalkan untuk pengujian akhir dan kualifikasi bagian produksi. "Tujuan adalah untuk memasukkan bracket komposit ke dalam pelayanan akhir tahun 2019. Kami telah melakukan semua yang kita dapat untuk mendemonstrasikan bracket ini dapat berfungsi," kata Herr.

Frank Ferfecki Victrex, Tyler Smithson Safran dan Chris Bjerregaard Tri-Mack memberikan presentasi tentang pengembangan bracket hybrid Safran di CAMX 2019 di Anaheim Convention Center (Anaheim, California, AS) pada Selasa, 24 September, pukul 14.30, di ruangan 201D