Mendorong Pertumbuhan Cepat Komposit Termoplastik di Penerbangan

 Komposit termoplastik terkawat serat kontinu (TPC) telah disebutkan sebagai teknologi penguat untuk masa depan pesawat berkelanjutan, menawarkan tingkat produksi yang meningkat untuk bagian ringan dan tahan lentur yang dapat digabungkan tanpa lubang atau pemasang menjadi rangkaian yang diweld secara ekonomis.

CW menerbitkan serangkaian artikel pada 2018 tentang pita TPC, konsolidasi in-situ dan pengelasan dan menyajikan dua webinar pada 2019 tentang TPC dalam aplikasi otomotif dan perkembangan TPC untuk penerbangan luar angkasa. Sebagian besar artikel dan presentasi saya hingga saat ini merujuk pada produsen bagian TPC dan pemasok peralatan di Eropa, serta divisi Automated Dynamics milik Trelleborg di AS. Saya juga melakukan tur di Tri-Mack Plastics berbasis AS. Namun sayangnya saya telah mengabaikan produsen bagian TPC lain di AS yang selama 15 tahun diam-diam mendorong batas teknologi dan produksi ke depan. ATC Manufacturing — berlokasi di Post Falls, Idaho di luar Spokane, Washington — memproduksi satu juta bagian per tahun, semuanya komposit termoplastik terkawat serat kontinu dan semua untuk industri penerbangan luar angkasa. Setelah mengembangkan keahlian unik dalam pembentukan cepat bagian 3D, ATC juga merupakan mitra utama dalam program penelitian RApid high-Performance Molding (RAPM) dengan Boeing Co. (Chicago, Illinois, AS) dan Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Virginia, AS) untuk Departemen Pertahanan AS (DoD).

ATC Manufacturing memproduksi satu juta bagian komposit termoplastik per tahun untuk aplikasi penerbangan luar angkasa, termasuk tulang sayap, klip, bracket dan penstur. Sumber | ATC Manufacturing

Siapa ATC?

ATC Manufacturing didirikan pada 2004 oleh mantan insinyur Boeing Dan Jorgenson, yang tetap menjadi co-ketua perusahaan. "Kami selalu memiliki fokus teknis dan rekayasa yang kuat," kata David Leach, direktur pengembangan bisnis untuk ATC Manufacturing. Perusahaan juga memiliki sejarah panjang dengan Boeing, diakui sebagai supplier level Silver selama lima tahun berturut-turut dan nominato sebagai Supplier of the Year Boeing pada 2016 dan 2017. "Kami terutama merupakan perusahaan build to print, mulai dari klip, bracket dan bagian stempel kecil," kata Leach. "Namun pada tahun-tahun terakhir, kami telah berkembang ke dalam rangkaian yang lebih kompleks, serta bagian yang jauh lebih tebal dan besar — hingga 60 inci panjang — dan bagian yang ditujukan untuk struktur primer." Yang terakhir meliputi komponen ujung sayup struktural, balok panjang dengan penata letak yang disesuaikan dalam berbagai penampang silang serta struktur fuselage dan empennage.

Perusahaan memiliki 150 karyawan dengan lebih dari 20 insinyur. Manufakturnya difokuskan dalam satu fasilitas 67.000 kaki persegi, yang dibangun khusus pada 2015 dan dirancang untuk alur kerja yang dioptimalkan dengan ruang untuk perluasan. (Catatan, 52.500 kaki persegi ruang sudah direncanakan untuk pertumbuhan di masa depan.) "Semua di bawah satu atap," catat Leach, "yang menyederhanakan operasi." Ini mencakup sembilan press stempel-forming dengan kapasitas berkisar dari 30 hingga 150 ton dan area plat hingga 60 inci x 30 inci. "Kami memasang press tambahan 200 ton yang akan sepenuhnya operasional pada akhir 2019," tambahnya. ATC memiliki 10 stasiun pemesinan CNC yang mampu menangani bagian hingga 12 kaki panjang dan pemotongan water jet untuk bagian hingga 30 kaki panjang.

ATC Manufacturing mengoperasikan 9 press stempel-forming, termasuk press 80-ton yang ditampilkan di sini, dengan kapasitas hingga 150 ton dan area plat hingga 60 x 30 inci. Sumber | ATC Manufacturing

Inspeksi non-destruktif (NDI) juga terintegrasi dalam operasi dan desain alur kerja fasilitas, termasuk lima sistem tangki C-scan yang menyediakan pengujian pulse-echo dan through transmission untuk bagian hingga 30 kaki panjang. Keahlian internal lainnya mencakup semua persiapan permukaan dan pengecatan. "Kami telah mengembangkan persiapan permukaan yang sangat efisien untuk komposit termoplastik, yang dapat sulit untuk dicat dan diikat," kata Leach, mencatat bahwa ATC juga telah bekerja pada perlakuan plasma bagian TPC. Perusahaan mencat 200.000 bagian/tahun dan mengedinkan tepi 70.000 bagian tahunan.

"Kami juga telah berinvestasi besar dalam penelitian, seperti program RAPM untuk DARPA, dan kami adalah anggota ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Enschede, Belanda)," lanjutnya. ATC berpartisipasi dalam konferensi hari ulang tahun ke-10 TPRC berjudul "Masa Depan Komposit Termoplastik" yang akan diadakan 8 Oktober di Universitas Twente di Belanda. "Corbin Chamberlain, wakil ketua ATC akan berada di sesi panel dan kami juga akan mendemonstrasikan bagian struktural penerbangan luar angkasa yang telah kami buat di pameran yang diadakan bersama konferensi," kata Leach.

Saluran komposit termoplastik yang dicat dengan fitting terpasang. Sumber | ATC Manufacturing

Kain ke pita UD, pembentukan dan waktu siklus cepat

Meskipun pembuatan bracket dan klip TPC milik ATC dimulai dengan penguat kain, mereka kini telah bermigrasi ke penggunaan pita UD. "Kami kemudian berkembang menjadi bagian struktural yang lebih besar karena kami sudah memiliki pengalaman yang baik tentang cara membentuk bagian 3D dengan pita UD," Leach menjelaskan. "Bagian-bagian ini, yang berkisar ketebalan dari 1-2 milimeter hingga 6,5 milimeter, harus bertemu dengan struktur lain. Kami harus memenuhi toleransi dimensi yang ketat untuk permukaan faying, misalnya ± 0,010 inci (0,25 milimeter) toleransi profil dan ± 0,5 derajat toleransi sudut."

Perusahaan kemudian mulai mengembangkan profil TPC panjang. "Kami membuat lembar laminat datar sendiri menggunakan kompresi kontinu (CCM)," kata Leach. "Kami memiliki dua mesin CCM untuk lembar laminat dan satu yang membentuk prepreg TPC menjadi profil 3D kontinu, menghasilkan saluran hingga 75 kaki panjang."

Profil komposit termoplastik sedang dibentuk menggunakan kompresi kontinu (CCM). Sumber | ATC Manufacturing

Ketika ditanya tentang tantangan dalam membentuk profil dan bentuk 3D, direktur R&D rekayasa ATC Manufacturing, Trevor McCrea, menjelaskan bahwa dengan kain, "tenun itu sendiri mengontrol banyak deformasi yang terjadi. Dengan UD, ada dinamika yang berbeda. Misalnya, 90° terhadap radius ingin menipis atau menebal, tetapi Anda tidak boleh memiliki itu dalam bagian struktural. Masalah ini semakin buruk dengan bentuk yang lebih kompleks. Anda juga memiliki tantangan lebih besar dalam cara mengelola proses dalam pembentukan."

Mengelola proses? "Untuk kami, ini sangat berbeda daripada pembentukan dalam termoset karena kami hanya memiliki 2 detik untuk membentuk," kata McCrea. "Anda dapat menutupi banyak dosa dalam siklus autoclave," tambahnya. "Tetapi kami menggunakan proses pembentukan dan stempel yang sangat cepat tanpa kesenjangan itu. Kami juga harus mengelola kristalinnya." Ini karena struktur pesawat yang sangat terbebani menggunakan polimer matriks termoplastik semikristal — seperti polyetheretherketon (PEEK), polyetherketoneketon (PEKK) dan poliaretketon leleh rendah (LM PAEK) — yang mendapatkan properti mekanis yang luar biasa dan resistensi kimia dari struktur kristal yang berkembang saat mereka pendingin. "Anda dapat kristalkan secara isothermal, yang tidak terlalu sulit untuk plate datar tetapi jauh lebih menantang dengan bentuk 3D," kata McCrea. "Material harus dipanaskan cukup untuk membentuk [catat suhu leleh untuk material ini antara 300-400°C] kemudian pendingin dengan cukup cepat untuk hot demold agar tidak menghantarkan panas berulang alat sambil mengelola bentuk, toleransi, kristalin dan finishing permukaan."

Salah satu alasan bagian TPC telah tumbuh pada tahun-tahun terakhir adalah kemampuannya untuk menawarkan waktu siklus yang sangat cepat. "Kami telah membuat tulang sayap untuk demonstrator pesawat militer dengan waktu siklus 5 menit, dan waktu siklus rata-rata kami sekitar 10 menit," catat Leach. "Kami dapat memungkinkan tingkat produksi tinggi yang saat ini dicari oleh OEM pesawat." Waktu siklus rata-rata yang sangat cepat ini sebenarnya menghasilkan campuran bagian yang terus berubah. "Kami ingin hanya memproduksi satu bagian selama bertahun-tahun, tetapi kapasitas rate kami melebihi manufaktur pesawat," kata McCrea. "Jadi, kami selalu melalui berbagai bagian." Sebagian besar manufaktur ATC pada satu pergantian per hari, 5 hari per minggu. "Kami memiliki kapasitas banyak untuk memenuhi produksi yang meningkat," catat Leach.

Strap struktural komposit termoplastik dan profil yang dicat. Sumber | ATC Manufacturing

Visi untuk masa depan

ATC menawarkan nilai signifikan melalui pengalaman produksi TPC lebih dari satu dekade. "Kami sering membantu pelanggan kami merancang bagian untuk manufaktur," kata Leach. "Kami sering mengonversi bagian dari komposit termoset, misalnya, fitting struktur primer fuselage yang diproduksi untuk mempertahankan ketebalan asli. Namun itu bisa menjadi bagian yang jauh lebih ringan jika awalnya dirancang untuk TPC." Mengapa? "Karena material matriks TP semikristal ini berkinerja lebih tinggi," menjelaskan dia. "Anda tidak perlu merancang untuk keretakan mikro dan toleransi kerusakan seperti yang Anda lakukan dengan matriks termoset, dan juga ada knockdown panas/basah yang jauh lebih kecil. Bahkan, tidak ada knockdown basah sama sekali di PEEK, PEEK atau PAEK. Tidak juga ada knockdown panas kecuali Anda mendekati Tg, yang biasanya ≈150°C. Untuk tes kompresi lubang terbuka standar (OHC) untuk toleransi kerusakan, misalnya, di mana Anda menilai kekuatan saat Anda mentransisikan sampel dari RT ke 120°C, hampir tidak ada knockdown sama sekali."

"Kami akan dapat merancang bagian yang lebih tipis dan juga menghilangkan banyak aluminium dan titan yang ada dalam desain generasi pertama komposit saat ini [seperti pesawat badan lebar Boeing 787 dan Airbus A350]," tambah McCrea. "Kami terus meningkatkan pembentukan material ini dan itu akan terus membuka aplikasi baru."

Leach yakin ini akan memiliki dampak signifikan pada aplikasi pesawat di masa depan. "Kami sebenarnya melihat bagian sekarang yang tidak dapat Anda produksi menggunakan termoset karena properti dan tingkat produksi yang diminta."

Untuk informasi lebih lanjut, ATC Manufacturing akan menyajikan makalah teknis 'Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures' oleh penulis Corbin Chamberlain, David Leach dan Trevor McCrea di CAMX 2019 di Sesi Material dan Aplikasi Termoplastik, Rabu, 25 September pukul 16.00 di Ruangan 210C.

Ini juga menyajikan makalah bersama dengan Boeing dalam sesi tertutup di SAMPE 2019 (4-7 Mei, Charlotte, NC, AS) berjudul: "Rapid High Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts". Lihat blog saya: https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications