Pembentukan Injeksi untuk Struktural Komposit Termoplastik Terpadu Berkinerja Tinggi

Driveshaft gear komposit terpadu. Herone menggunakan pita prepreg komposit termoplastik yang dirajas sebagai preform untuk proses yang mengkonsolidasikan laminat driveshaft dan overmolding elemen fungsional seperti gear, menghasilkan struktur terpadu yang mengurangi berat, jumlah bagian, waktu perakitan dan biaya. Sumber untuk semua gambar | herone

Proyeksi saat ini memanggil penglipatan armada komersial pesawat dalam 20 tahun ke depan. Untuk menaklukkan ini, tingkat produksi pada 2019 untuk jetliner widebody intensif komposit bervariasi dari 10 hingga 14 per bulan per OEM, sementara narrowbody telah meningkat menjadi 60 per bulan per OEM. Airbus secara spesifik bekerja sama dengan supplier untuk beralih bagian prepreg penata letak tangan yang tradisional namun memakan waktu pada A320 ke bagian yang dibuat melalui proses yang lebih cepat, waktu siklus 20 menit seperti high-pressure resin transfer molding (HP-RTM), sehingga membantu pemasok bagian memenuhi dorongan lebih lanjut menuju 100 pesawat per bulan. Sementara itu, pasar mobilitas dan transportasi udara kota yang berkembang memproyeksikan kebutuhan akan 3.000 pesawat EVTOL per tahun (250 per bulan).

"Industri memerlukan teknologi produksi otomatis dengan waktu siklus yang pendek yang juga memungkinkan integrasi fungsi, yang ditawarkan oleh komposit termoplastik," kata Daniel Barfuss, pendiri dan mitra manajemen herone (Dresden, Jerman), sebuah perusahaan teknologi komposit dan manufaktur bagian yang menggunakan material matriks komposit termoplastik berkinerja tinggi dari poliphenilenasulfida (PPS) hingga polyetheretherketon (PEEK), polyetherketoneketon (PEKK) dan poliaretketon (PAEK). "Tujuan utama kami adalah menggabungkan kinerja tinggi komposit termoplastik (TPC) dengan biaya lebih rendah, untuk memungkinkan bagian yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi manufaktur seri dan aplikasi baru," tambah Dr. Christian Garthaus, pendiri kedua dan mitra manajemen herone.

Untuk mencapai ini, perusahaan telah mengembangkan pendekatan baru, dimulai dengan pita serat kontinu yang telah diimpregnasi sepenuhnya, merajai pita ini untuk membentuk preform hollow "organoTube" dan mengkonsolidasikan organoTubes menjadi profil dengan penampang dan bentuk yang bervariasi. Dalam langkah proses berikutnya, ia menggunakan kemampuan pengelasan dan termoformabilitas TPC untuk mengintegrasikan elemen fungsional seperti gear komposit pada driveshaft, fitting akhir pada pipa, atau elemen transfer beban pada strut tekanan-tekanan. Barfuss menambahkan ada opsi untuk menggunakan proses molding hybrid — yang dikembangkan oleh supplier matriks PAEK Victrex (Cleveleys, Lancashire, Inggris) dan pemasok bagian Tri-Mack (Bristol, Rhode Island, AS) — yang menggunakan pita PAEK suhu leleh lebih rendah untuk profil dan PEEK untuk overmolding, memungkinkan satu material yang terfuse di seluruh join. "Adaptasi kami juga memungkinkan form-locking geometris," tambahnya, "yang menghasilkan struktur terpadu yang dapat menahan beban yang lebih tinggi."

Proses molding berbasis organoTube yang dirajas

Proses herone dimulai dengan pita komposit termoplastik terkawat serat karbon yang telah diimpregnasi sepenuhnya yang dirajas menjadi organoTube dan dikonsolidasikan. "Kami mulai bekerja dengan organoTube ini 10 tahun yang lalu, mengembangkan pipa hidrolik komposit untuk penerbangan," kata Garthaus. Dia menjelaskan karena tidak ada dua pipa hidrolik pesawat yang memiliki geometri yang sama, satu cetakan akan diperlukan untuk masing-masing, menggunakan teknologi yang ada. "Kami perlu pipa yang dapat diproses pasca untuk mencapai geometri pipa individual. Jadi, ide adalah untuk membuat profil komposit kontinu dan kemudian CNC bend ini ke dalam geometri yang diinginkan."

Fig. 2 Pita prepreg yang dirajas menyediakan preform net-shape yang disebut organoTube untuk proses injection-forming milik herone dan memungkinkan produksi berbagai bentuk.

Ini terdengar mirip dengan apa yang dilakukan Sigma Precision Components (Hinckley, Inggris) (lihat "Redressing aeroengines with composite pipes") dengan dressing mesinnya serat karbon/PEEK. "Mereka melihat bagian serupa tetapi menggunakan metode konsolidasi yang berbeda," menjelaskan Garthaus. "Dengan pendekatan kami, kami melihat potensi untuk kinerja yang ditingkatkan, seperti porositas kurang dari 2% untuk struktur penerbangan luar angkasa."

Kerja tesis Ph.D. Garthaus di ILK mengeksplorasi penggunaan pultrusi komposit termoplastik (TPC) kontinu untuk menghasilkan pipa dirajas, yang menghasilkan proses manufaktur kontinu yang dipatenkan untuk pipa dan profil TPC. Namun, untuk saat ini, herone memilih untuk bekerja dengan supplier dan pelanggan penerbangan menggunakan proses molding discontinuous. "Ini memberikan kami kebebasan untuk membuat berbagai bentuk, termasuk profil lengkung dan yang dengan penampang yang bervariasi, serta menerapkan patch lokal dan ply drop-offs," jelasnya. "Kami bekerja untuk mengotomatisasi proses untuk mengintegrasikan patch lokal dan kemudian ko-konsolidasikannya dengan profil komposit. Pada dasarnya, segala sesuatu yang dapat Anda lakukan dengan lembar dan cangkuk datar, kami dapat lakukan untuk pipa dan profil."

Membuat profil hollow TPC ini sebenarnya adalah salah satu tantangan ter sulit, kata Garthaus. "Anda tidak dapat menggunakan stempel-forming atau blow-molding dengan kantung silicone; jadi, kami harus mengembangkan proses baru." Namun proses ini memungkinkan bagian berbasis pipa dan shaft yang sangat berkinerja tinggi dan dapat disesuaikan, katanya. Ini juga memungkinkan penggunaan molding hybrid yang dikembangkan Victrex, di mana PAEK suhu leleh lebih rendah di-overmold dengan PEEK, mengkonsolidasikan organosheet dan injeksi molding dalam satu langkah.

Aspek menarik lainnya dari penggunaan preform pita dirajas organoTube adalah mereka menghasilkan borosan yang sangat sedikit. "Dengan rajian, kami memiliki borosan kurang dari 2%, dan karena ini adalah pita TPC, kami dapat menggunakan borosan kecil ini kembali dalam overmolding untuk mencapai tingkat penggunaan material hingga 100%," menekankan Garthaus.

Membangun perusahaan dan demonstrator gearshaft

Barfuss dan Garthaus memulai pekerjaan pengembangan mereka sebagai peneliti di Institut Teknik Ringan dan Teknologi Polimer (ILK) di TU Dresden. "Ini adalah salah satu institusi terbesar di Eropa untuk komposit dan desain ringan hybrid," catat Barfuss. Dia dan Garthaus bekerja selama hampir 10 tahun pada sejumlah pengembangan, termasuk pultrusi TPC kontinu dan berbagai jenis gabungan. Pekerjaan itu akhirnya ditislahkan menjadi apa yang sekarang adalah teknologi proses TPC herone.

"Kami kemudian mengajukan ke program EXIST Jerman, yang bertujuan untuk mentransfer teknologi tersebut ke industri dan mendanai 40-60 proyek setiap tahun dalam berbagai bidang penelitian," kata Barfuss. "Kami menerima dana untuk peralatan modal, empat karyawan dan investasi untuk langkah berikutnya dari penskalaan." Mereka mendirikan herone pada Mei 2018 setelah memamerkan di JEC World.

Pada JEC World 2019, herone telah memproduksi serangkaian bagian demonstrasi, termasuk driveshaft gear terpadu ringan, torsi tinggi, atau gearshaft. "Kami menggunakan pita serat karbon/PAEK organoTube yang dirajas pada sudut yang diperlukan oleh bagian dan mengkonsolidasikannya menjadi pipa," Barfuss menjelaskan. "Kami kemudian memanaskan pipa pada 200°C dan overmolding dengan gear yang dibuat dengan injeksi PEEK terkawat serat karbon pendek pada 380°C." Overmolding di-modelkan menggunakan Moldflow Insight dari Autodesk (San Rafael, California, AS). Waktu isi cetakan dioptimalkan menjadi 40,5 detik dan dicapai menggunakan mesin injeksi molding Arburg (Lossburg, Jerman) ALLROUNDER.

Overmolding ini tidak hanya mengurangi biaya perakitan, langkah manufaktur dan logistika, tetapi juga meningkatkan performa. Selisih 40°C antara suhu leleh shaft PAEK dan suhu leleh gear PEEK yang di-overmold memungkinkan ikatan melt-cohesive di antara keduanya pada level molekuler. Mekanisme join kedua, form-locking, dicapai dengan menggunakan tekanan injeksi untuk secara bersamaan termoform shaft selama overmolding untuk menciptakan kontur form-locking. Ini dapat dilihat di Fig. 1 di bawah sebagai "injection-forming". Ini menciptakan lingkaran bergerigi atau sinusoidal di mana gear digabungkan dibandingkan dengan penampang lingkaran mulus, yang menghasilkan bentuk pengunci geometris. Ini lebih meningkatkan kekuatan gearshaft terpadu, seperti yang ditunjukkan dalam pengujian (lihat grafik di pojok kanan bawah).Fig. 1. Dikembangkan dalam kolaborasi dengan Victrex dan ILK, herone menggunakan tekanan injeksi selama overmolding untuk menciptakan kontur form-locking dalam gearshaft terpadu (atas).Proses injection-forming ini memungkinkan gearshaft terpadu dengan form locking (kurva hijau pada grafik) untuk menahan torsi yang lebih tinggi dibandingkan gear-driveshaft yang di-overmold tanpa form-locking (kurva hitam pada grafik).

"Manfaat utama yang kami berikan adalah untuk mengurangi jumlah bagian," catatnya. "Ini menyederhanakan kelelahan, yang merupakan tantangan besar untuk aplikasi strut pesawat. Form-locking sudah digunakan dalam komposit termoset dengan insert plastik atau logam, tetapi tidak ada ikatan cohesif, jadi Anda dapat mendapatkan gerakan kecil di antara bagian. Pendekatan kami, namun, menyediakan struktur unitized tanpa gerakan semacam itu."

Garthaus menyebutkan toleransi kerusakan sebagai tantangan lain untuk bagian ini. "Anda harus memberikan dampak pada struts dan kemudian melakukan pengujian kelelahan," menjelaskan dia. "Karena kami menggunakan material matriks termoplastik berkinerja tinggi, kami dapat mencapai toleransi kerusakan hingga 40% lebih tinggi dibandingkan termoset, dan juga mikroretakan dari dampak tumbuh lebih sedikit dengan beban kelelahan."

Meskipun demonstrator strut menunjukkan insert logam, herone saat ini mengembangkan solusi semua termoplastik, memungkinkan ikatan cohesif di antara tubuh komposit strut dan elemen pengenalan beban. "Ketika kami bisa, kami memilih untuk tetap semua komposit dan menyesuaikan properti dengan mengubah jenis penguat serat, termasuk karbon, kaca, serat kontinu dan pendek," kata Garthaus. "Dengan cara ini, kami meminimalkan kompleksitas dan masalah antarmuka. Misalnya, kami memiliki masalah jauh lebih sedikit dibandingkan menggabungkan termoset dan termoplastik." Selain itu, ikatan antara PAEK dan PEEK telah diuji oleh Tri-Mack dengan hasil yang menunjukkan memiliki 85% kekuatan dari laminat UD CF/PAEK dasar dan dua kali lebih kuat daripada ikatan adhesif menggunakan film adhesif epoxy standar industri.

Pabrik baru, bagian baru, pasar baru

Barfuss mengatakan herone sekarang memiliki sembilan karyawan dan sedang bertransisi dari supplier pengembangan teknologi menjadi supplier bagian penerbangan. Langkah besar berikutnya adalah pengembangan pabrik baru di Dresden. "Pada akhir 2020 kami akan memiliki pabrik pilot yang memproduksi bagian seri pertama," katanya. "Kami sudah bekerja sama dengan OEM penerbangan dan supplier Tier 1 kunci, mendemonstrasikan desain untuk banyak jenis aplikasi yang berbeda."

Perusahaan juga bekerja sama dengan supplier eVTOL dan berbagai mitra di AS. Saat herone mematangkan aplikasi penerbangan, ia juga mendapatkan pengalaman manufaktur dengan aplikasi barang olahraga termasuk bola bulu dan komponen sepeda. "Teknologi kami dapat memproduksi berbagai bagian kompleks dengan manfaat kinerja, waktu siklus dan biaya," kata Garthaus. "Waktu siklus kami menggunakan PEEK adalah 20 menit, dibandingkan 240 menit menggunakan prepreg yang dikeringkan autoclave. Kami melihat bidang peluang yang luas, tetapi untuk saat ini, fokus kami adalah untuk memasukkan aplikasi pertama kami ke dalam produksi dan mendemonstrasikan nilai bagian tersebut ke pasar."

Herone juga akan mempresentasikan di Carbon Fiber 2019. Pelajari lebih lanjut tentang acara di carbonfiberevent.com.