Meningkatkan Produksi Aerostruktur: Epoxy 2-Komponen Baru Hexion untuk RTM
Ini adalah ketiga dalam seri blog saya tentang teknologi yang harus Anda periksa di CAMX 2019 (23-26 September, Anaheim, CA, AS). Hexion (Columbus, Ohio, AS) telah mengembangkan sistem dua-komponen (2K) untuk RTM aerostruktur berdasarkan resin epoxy Epikote System 600. Pengantar di bawah ini akan menjelaskan mengapa perkembangan ini penting. Setelah itu, saya memberikan lebih banyak detail tentang sistem 2K baru ini dan bagaimana Hexion memenuhi permintaan OEM penerbangan atas jaminan kualitas in situ dari resin yang dicampur. Di bawah, saya juga membahas epoxy 2K infusi/RTM Hexion untuk aplikasi tahan api (FR).
Mengapa resin 2K untuk RTM?
Awal tahun ini, saya menulis tentang program di spesialis cetakan Alpex Technologies (Mils, Austria) dan anak perusahaan Airbus Composites Technology Center (CTC, Stade, Jerman) untuk memproduksi bagian pesawat komposit menggunakan resin transfer molding (RTM). Penggunaan RTM di penerbangan luar angkasa tidak baru. Ada dan telah ada berbagai bagian pesawat yang dibuat menggunakan RTM, termasuk:
- Rudder untuk jet bisnis Gulfstream G250 (Israel Aerospace Industries dan North Coast Composites)
- Blade dan casing fan untuk mesin turbofan LEAP (Albany Engineered Composites)
- Bingkai pintu A350 (Airbus Helicopters Donauworth)
- Demonstrasi pintu penumpang A350 (Elbit Cyclone)
- Demonstrasi flap multispar A320 (Airbus Bremen)
- Matrix Composites menghasilkan lebih dari 6.000 komponen untuk F-22 menggunakan RTM.
Namun, RTM dalam aplikasi penerbangan luar angkasa tradisional adalah proses tekanan rendah dengan waktu siklus yang diukur dalam jam. Program di Alpex dan CTC berfokus pada eksploitasi otomatisasi, injeksi cepat dan waktu siklus 15 hingga 20 menit yang ditawarkan oleh RTM tekanan tinggi (HP-RTM). Dalam artikel saya "HP-RTM for serial production of cost-effective CFRP aerostructures", saya membahas masalah menggunakan epoxy 2-komponen (2K) versus norma saat ini menggunakan sistem 1-komponen (1K) yang sudah dicampur:
"Schiller [Jan Schiller, pemimpin proyek CTC untuk sistem produksi dan kontak utama untuk teknologi RTM] mengamati bahwa semua struktur pesawat RTM sebelumnya hanya menggunakan sistem 1K yang dicampur oleh supplier, yang kemudian mengsertifikasi campuran dan menanggung tanggung jawab untuk memastikan resin memenuhi persyaratan kualifikasi. "Sekarang kami mempertimbangkan sistem 2K, tetapi tantangannya adalah memastikan kualitas pencampuran," jelasnya. Sistem 1K yang sudah dicampur memerlukan pengiriman dan penyimpanan dingin untuk mencegah reaksi sampai pemrosesan bagian. Dengan demikian, keuntungan sistem 2K termasuk menghilangkan biaya ini serta reaktivitas yang lebih tinggi untuk pemrosesan yang lebih cepat."
"Masalah satu, namun, adalah jaminan kualitas (QA) akan beralih dari supplier resin ke produsen bagian. "Ini QA memerlukan deteksi rasio pencampuran dan kualitas resin yang dicampur. Keduanya diperlukan untuk kualifikasi material baru Airbus. Dengan demikian, ini berarti pengukuran dua komponen tepat sebelum pencampuran dan dari resin setelah pencampuran. Hari ini, kami hanya memiliki sensor sebelum kepala pencampuran, menunjukkan berapa banyak resin dan berapa banyak hardener yang dimeterkan ke dalam pencampuran. Ini tidak cukup untuk kualifikasi."
Hexion (Columbus, Ohio, AS), pemimpin dalam pengembangan epoxy cepat pengering untuk HP-RTM dalam komposit otomotif (lihat "HP-RTM on the rise"), mengumumkan pada Maret 2019 bahwa telah mengembangkan sistem 2K untuk RTM aerostruktur berdasarkan resin epoxy Epikote System 600. Saya wawancarai pemimpin segmen penerbangan luar angkasa Epoxy Global Hexion, Jean Rivière, untuk mempelajari lebih lanjut tentang sistem 2K untuk penerbangan luar angkasa dan bagaimana mereka memenuhi permintaan ini untuk QA in situ dari resin yang dicampur.
Mengatasi keterbatasan sistem 1K
"Sama seperti dengan prepreg, sistem 1K untuk RTM dan infusi di penerbangan luar angkasa harus disimpan dingin dan memiliki masa simpan terbatas," kata Rivière. "Dengan menggunakan sistem epoxy 2-komponen (2K), Anda menghilangkan keterbatasan ini. Kami telah melihat epoxy 2K dan epoxy reaktif tinggi yang digunakan dalam pembuatan gulang angin dan struktur otomotif. Mengapa tidak di penerbangan luar angkasa?"
Rivière menjelaskan setelah berbicara dengan banyak pelanggan tentang ini, Hexion memahami kekhawatiran utama — Anda memerlukan validasi bahwa rasio pencampuran benar setiap saat sebelum injeksi ke dalam cetakan. Tanpa ini Anda memiliki risiko yang tidak dapat diterima bagi produsen bagian," catatnya. Dia menambahkan sebelumnya, tidak ada permintaan untuk jenis volume produksi yang dilihat di gulang angin dan otomotif. Namun sekarang, Airbus dan Boeing ingin melebihi tingkat produksi saat ini sambil bertujuan untuk lebih banyak bagian komposit per pesawat. "Jadi sekarang ada kebutuhan untuk beralih dari penata letak prepreg dan menuju epoxy 2K untuk RTM atau infusi penerbangan luar angkasa," kata Rivière.
Dalam diagram rantai pasokan di bawah, teknologi 2K tidak hanya menghilangkan langkah penyimpanan dingin dan pemanasan ulang, itu juga menghilangkan batasan pada ukuran wadah resin untuk pengiriman. "Anda harus menjaga massa resin yang sudah dicampur di bawah 20 liter dan memelihara drum ini pada suhu sangat rendah," kata Rivière, "atau sebaliknya resin dapat mulai bereaksi. Untuk sistem 2K, drum standar 200 liter dapat dikirim tanpa pembatasan suhu rendah. Dengan demikian, ada risiko lebih sedikit, tidak perlu pendinginan yang kuat dan perlukan lebih sedikit."
Rantai pasokan di atas menunjukkan bagaimana kontrol analitis berubah. Hanya kontrol awal yang dilakukan di lokasi manufaktur untuk sistem resin 1K, kontrol diterapkan di beberapa titik kontrol untuk sistem 2K. Selain kontrol komponen A dan B selama produksi pabrik, rasio pencampuran A:B juga dikontrol secara digital dalam alat mix, meter dan dispense (MMD) dan lagi tepat sebelum injeksi resin ke dalam cetakan. Sumber | Hexion.
Kontrol analitis
Untuk mengembangkan teknologi 2K ini, Hexion bekerja sama dengan Hübers (Bocholt, Jerman), produsen alat mix, meter dan dispense (MMD), dan Composyst (Hurlach, Jerman) yang memiliki lisensi eksklusif untuk proses Vakuum Berbantu (VAP) yang dipatenkan Airbus untuk infusi. Hübers memiliki reputasi kuat untuk sistem MHD berkinerja tinggi yang digunakan dalam manufaktur komponen listrik dan elektronik (misalnya, resin cor dan komponen yang diimpregnasi untuk transformator, dll.) sementara Composyst adalah ahli dalam injeksi dan infusi resin untuk aplikasi Airbus, dan oleh karena itu, memahami apa yang dicari OEM pesawat dengan respecto ke pemrosesan dan jaminan kualitas (QA) dari resin yang dicampur.
"Kontrol analitis berperan setelah komponen A dan B epoxy dicampur secara presisi oleh alat Hübers dan siap untuk diperkenalkan ke dalam cetakan," menjelaskan Rivière. Tab hitam antara sistem MMD Hübers dan setup infusi VAP yang dibungkus vakum dalam gambar di bawah ini adalah komponen kunci dari sistem kontrol analitis ini. "Di sinilah kami memiliki perangkat analitis yang mengontrol rasio pencampuran secara real-time," kata Rivière. "Kami telah mendemonstrasikan pengukuran rasio pencampuran setiap 12 detik, tetapi pengukuran yang lebih sering juga mungkin. Memang, teknologi memungkinkan kontrol kontinu rasio pencampuran, yang dilaporkan dan dicatat."
Catat tab hitam antara alat MMD Hübers dan setup infusi VAP di mana Hexion telah mengembangkan pengukuran inline rasio campuran resin sebelum injeksi. Sumber | Hexion
"Dengan sistem ini," lanjutnya, "ada kontrol ganda: kontrol normal di unit MMD dan kontrol analitis pre-injeksi kami di atas. Pertama, Rivière menunjukkan bahwa mesin MMD Hübers dikenal karena presisi dan akurasinya. "Mereka memiliki sistem pompa ganda untuk dua komponen dan harus mempertahankan akurasi volume dan suhu serta rasio pencampuran untuk aplikasi yang mereka sediakan. Sistem kami kemudian menambahkan pengukuran kedua setelah pencampuran dan tepat sebelum injeksi tempat Anda dapat menetapkan target alarm." Jika rasio pencampuran yang diukur tidak memenuhi target dan memicu alarm, sistem akan kemudian mengeluarkan resin yang dicampur ke dalam wadah terpisah, melewati cetakan sehingga tidak diperkenalkan ke dalam bagian yang diinfusi. "Maka mungkin untuk memulihkan proses dan melanjutkan injeksi," catat Rivière.
Dia mengatakan sistem kontrol analitis pasca-pencampuran, pra-injeksi Hexion menyediakan catatan independen untuk pelacakan dan dapat juga diintegrasikan ke dalam unit MMD, tergantung pada kebutuhan pelanggan. Rivière mencatat bahwa unit MMD Hübers juga melakukan degasing menyeluruh dari resin, yang diperlukan oleh industri elektronik, di mana tidak boleh ada rongga atau porositas dalam komponen aplikasi. "Sistem ini juga menyediakan kontrol portabel tekanan pada cetakan dengan mengelola aliran resin pada level tinggi atau rendah," katanya. "Anda dapat mencapai impregnasi yang sangat baik dengan jenis kontrol ini, dan Anda juga dapat mempersingkat waktu proses infusi sambil memenuhi persyaratan kualitas penerbangan luar angkasa dalam hal porositas dan volume serat."
Foto yang menunjukkan setup infusi menggunakan alat MMD Hübers dan kontrol analitik 2K Hexion serta laminat UD serat karbon tebal 2 sentimeter yang dipersiapkan menggunakan setup ini, mencapai lebih dari 60% volume serat. Sumber | Hexion
Jendela proses yang lebih baik
"Karena pencampuran dilakukan dengan mixer statis dan dalam periode waktu yang singkat tepat sebelum injeksi, campuran resin menawarkan masa pot yang lebih panjang (hingga 40% dibandingkan 1K)," catat Rivière. Ini memberikan jendela proses yang lebih baik dan kami telah menghasilkan laminat serat karbon tebal dengan volume serat 60%. Performa mekanis sistem 2K versus 1K sama karena kimianya sama. Kami yakin ini akan menjadi proses yang lebih andal dan nilai lengkapnya saat Anda menghubungkan kontrol pencampuran ke setup injeksi resin."
Sumber | Hexion
Hexion akan menyajikan informasi detail tentang sistem 2K Epikote 600 untuk RTM dan sistem EPON FlameX epoxy untuk memenuhi persyaratan api, asap dan toksis (FST) pesawat (lihat di bawah) di Teater CAMX di lantai pameran:
- Teknologi 2K Baru untuk Manufaktur Epoxy Penerbangan Luar Angkasa
Selasa, 24 September — 11:00 -11:25 pagi - Sistem Epoxy FlameX untuk Aplikasi Keamanan Api
Selasa, 24 September — 11:30 – 11:55 pagi
Anda juga dapat mendapatkan lebih banyak detail di stand Hexion Y24.
EPON FlameX epoxy untuk infusi/RTM komposit tahan api
Hexion juga telah mengembangkan epoxy 2-komponen untuk infusi/RTM bagian yang harus memenuhi persyaratan tahan api (FR) dan api, asap, toksis (FST). Bertujuan untuk mengganti prepreg fenolik dengan epoxy liquid molding, penggerak untuk pengembangan ini meliputi:
- Tingkat produksi yang meningkat
- Regulasi REACH untuk sistem bebas halgen dan non-fenolik
- Resin yang lebih kuat dan lebih tahan banting dibandingkan fenolik yang rapuh
- Biaya yang kompetitif dengan fenolik tetapi jauh lebih murah dari termoplastik.
Sistem EPON FlameX Hexion tidak menggunakan halgen atau aditif partikel untuk mencapai tahan api, tetapi membangun performa itu ke dalam tulang molekular resin. Tidak ada penyaringan partikel selama infusi. Resin mengalir dengan baik dengan viskositas 250 cps pada 60-70 °C (140-158 °F) dan pengering dalam 1,5 jam pada 150°C (302°F). Pengeringan pasca bebas atau didukung cetakan pada 180°C disarankan untuk properti struktural maksimum.
Bagian yang dibuat dengan sistem ini lulus yang berikut tanpa lapisan tambahan atau tindakan FR:
- Uji bakar vertikal 60s FAR25.853(a)
- Toksisitas asap BSS7239
- Kepadatan asap BSS7238
Ini juga akan lulus OSU 65/65 pelepasan panas, dalam konfigurasi tertentu dengan gel coat atau lapisan intumescent yang bersertifikat. Ini diperlukan hanya untuk bagian yang dapat disentuh saat pesawat berjalan, lepas landas dan mendarat.
"Kami telah mendemonstrasikan rak overhead yang saat ini memerlukan 10-12 jam untuk diproduksi menggunakan proses prepreg fenolik konvensional tetapi dapat diproduksi dalam 90 hingga 120 menit dengan infusi atau RTM menggunakan sistem FlameX," kata Nathan Bruno, spesialis pengembangan aplikasi dan produk epoxy Hexion. "Juga, karena tidak ada filler, densitas lebih rendah dibandingkan epoxy FR yang diisi."
Aplikasi meliputi interior pesawat, area beban, toilet kamar mandi, galley dan komponen kursi, serta interior laut, kereta api dan arsitektur.
