Pembentukan injeksi untuk struktur termoplastik terpadu berkinerja tinggi

Gear-driveshaft komposit terpadu. Herone menggunakan pita prepreg komposit termoplastik yang dikepang sebagai bentuk awal untuk proses yang menggabungkan laminasi driveshaft dan melapisi elemen fungsional seperti roda gigi, menghasilkan struktur terpadu yang mengurangi berat, jumlah suku cadang, waktu perakitan, dan biaya. Sumber untuk semua gambar | pahlawan

Proyeksi saat ini menyerukan penggandaan armada pesawat komersial selama 20 tahun ke depan. Untuk mengakomodasi hal ini, tingkat produksi pada tahun 2019 untuk pesawat jet berbadan lebar intensif komposit bervariasi dari 10 hingga 14 per bulan per OEM, sementara narrowbodi telah meningkat menjadi 60 per bulan per OEM. Airbus secara khusus bekerja dengan pemasok untuk mengganti suku cadang prepreg tradisional namun padat waktu pada A320 ke suku cadang yang dibuat melalui proses waktu siklus 20 menit yang lebih cepat seperti pencetakan transfer resin tekanan tinggi (HP-RTM), sehingga membantu sebagian pemasok memenuhi dorongan lebih lanjut menuju 100 pesawat per bulan. Sementara itu, pasar transportasi dan mobilitas udara perkotaan yang sedang berkembang memperkirakan kebutuhan akan 3.000 pesawat lepas landas dan mendarat vertikal listrik (EVTOL) per tahun (250 per bulan).

“Industri ini membutuhkan teknologi produksi otomatis dengan waktu siklus yang dipersingkat yang juga memungkinkan integrasi fungsi, yang ditawarkan oleh komposit termoplastik,” kata Daniel Barfuss, salah satu pendiri dan mitra pengelola herone (Dresden, Jerman), teknologi komposit dan manufaktur suku cadang. perusahaan yang menggunakan bahan matriks termoplastik berperforma tinggi dari polifenilensulfida (PPS) hingga polieterketon (PEEK), polieterketonketon (PEKK) dan poliaryletherketone (PAEK). “Tujuan utama kami adalah untuk menggabungkan kinerja tinggi komposit termoplastik (TPC) dengan biaya lebih rendah, untuk memungkinkan suku cadang yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi manufaktur serial dan aplikasi baru yang lebih luas,” tambah Dr. Christian Garthaus, salah satu pendiri dan pengelola kedua herone mitra.

Untuk mencapai hal ini, perusahaan telah mengembangkan pendekatan baru, dimulai dengan pita serat kontinu yang diresapi sepenuhnya, mengepang pita ini untuk membentuk "organoTube" berongga dan menggabungkan organoTube menjadi profil dengan penampang dan bentuk yang bervariasi. Pada langkah proses selanjutnya, alat ini menggunakan kemampuan las dan termoformabilitas TPC untuk mengintegrasikan elemen fungsional seperti roda gigi komposit ke driveshaft, sambungan ujung ke pipa, atau elemen transfer beban ke strut kompresi-tegangan. Barfuss menambahkan ada opsi untuk menggunakan proses pencetakan hibrida — dikembangkan oleh pemasok matriks keton Victrex (Cleveleys, Lancashire, Inggris) dan pemasok suku cadang Tri-Mack (Bristol, RI, AS) — yang menggunakan pita PAEK suhu leleh yang lebih rendah untuk profil dan PEEK untuk overmolding, memungkinkan material tunggal yang menyatu di seluruh sambungan (lihat “Overmolding memperluas jangkauan PEEK dalam komposit”). “Adaptasi kami juga memungkinkan penguncian bentuk geometris,” tambahnya, “yang menghasilkan struktur terintegrasi yang dapat menahan beban yang lebih tinggi lagi.”

Proses pencetakan berbasis organoTube dikepang

Proses herone dimulai dengan pita termoplastik yang diperkuat serat karbon yang diresapi sepenuhnya yang dijalin ke dalam organoTubes dan dikonsolidasikan. “Kami mulai bekerja dengan organoTubes ini 10 tahun lalu, mengembangkan pipa hidraulik komposit untuk penerbangan,” kata Garthaus. Dia menjelaskan bahwa karena tidak ada dua pipa hidrolik pesawat yang memiliki geometri yang sama, maka diperlukan cetakan untuk masing-masing pipa tersebut, dengan menggunakan teknologi yang ada. “Kami membutuhkan pipa yang dapat diproses pasca untuk mencapai geometri pipa individu. Jadi, idenya adalah membuat profil komposit terus menerus dan kemudian CNC membengkokkannya ke dalam geometri yang diinginkan.”

Gbr. 2 Kaset prepreg yang dikepang menyediakan bentuk awal jaring yang disebut organoTubes untuk proses pembentukan injeksi herone dan memungkinkan produksi berbagai bentuk.

Kedengarannya mirip dengan apa yang dilakukan Sigma Precision Components (Hinckley, Inggris) (lihat “Memperbaiki aeroengine dengan pipa komposit”) dengan ganti mesin serat karbon/PEEK. “Mereka melihat bagian yang serupa tetapi menggunakan metode konsolidasi yang berbeda,” jelas Garthaus. “Dengan pendekatan kami, kami melihat potensi peningkatan kinerja, seperti porositas kurang dari 2% untuk struktur ruang angkasa.”

Ph.D. pekerjaan tesis di ILK dieksplorasi menggunakan pultrusion komposit termoplastik kontinu (TPC) untuk menghasilkan tabung jalinan, yang menghasilkan proses manufaktur berkelanjutan yang dipatenkan untuk tabung dan profil TPC. Namun, untuk saat ini, herone telah memilih untuk bekerja dengan pemasok dan pelanggan penerbangan menggunakan terputus proses pencetakan. “Ini memberi kami kebebasan untuk membuat semua berbagai bentuk, termasuk profil melengkung dan dengan penampang yang bervariasi, serta menerapkan tambalan lokal dan penurunan lapisan,” jelasnya. “Kami sedang bekerja untuk mengotomatisasi proses untuk mengintegrasikan patch lokal dan kemudian mengkonsolidasikannya dengan profil komposit. Pada dasarnya, semua yang dapat Anda lakukan dengan laminasi dan cangkang datar, dapat kami lakukan untuk tabung dan profil.”

Membuat profil berlubang TPC ini sebenarnya adalah salah satu tantangan terberat, kata Garthaus. “Anda tidak dapat menggunakan cetakan stempel atau cetakan tiup dengan kandung kemih silikon; jadi, kami harus mengembangkan proses baru.” Tetapi proses ini memungkinkan tabung dan bagian berbasis poros dengan kinerja yang sangat tinggi dan dapat disesuaikan, catatnya. Ini juga diaktifkan menggunakan cetakan hibrida yang dikembangkan Victrex, di mana PAEK suhu leleh yang lebih rendah di-overmolding dengan PEEK, mengkonsolidasikan organosheet dan cetakan injeksi dalam satu langkah.

Aspek penting lainnya dari penggunaan organoTube pita jalinan preforms adalah bahwa mereka menghasilkan limbah yang sangat sedikit. “Dengan jalinan, kami memiliki kurang dari 2% limbah, dan karena ini adalah pita TPC, kami dapat menggunakan sejumlah kecil limbah ini kembali di overmolding untuk mendapatkan tingkat pemanfaatan material hingga 100%,” Garthaus menekankan.

Mengembangkan 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 lembaga Eropa terbesar untuk komposit dan desain ringan hibrida,” catat Barfuss. Dia dan Garthaus bekerja di sana selama hampir 10 tahun pada sejumlah perkembangan, termasuk pultrusion TPC berkelanjutan dan berbagai jenis penyambungan. Pekerjaan itu akhirnya disaring menjadi apa yang sekarang menjadi teknologi proses TPC yang hebat.

“Kami kemudian menerapkan program EXIST Jerman, yang bertujuan untuk mentransfer teknologi tersebut ke industri dan mendanai 40-60 proyek setiap tahun di berbagai bidang penelitian,” kata Barfuss. “Kami menerima dana untuk peralatan modal, empat karyawan, dan investasi untuk langkah peningkatan selanjutnya.” Mereka membentuk herone pada Mei 2018 setelah berpameran di JEC World.

Oleh JEC World 2019, herone telah menghasilkan berbagai suku cadang demonstrasi, termasuk poros penggerak roda gigi yang ringan, torsi tinggi, terintegrasi, atau poros roda gigi. “Kami menggunakan organoTube serat karbon / pita PAEK yang dikepang pada sudut yang diperlukan oleh bagian dan menggabungkannya ke dalam tabung,” jelas Barfuss. “Kami kemudian memanaskan lebih dulu tabung pada 200 ° C dan overmold dengan roda gigi yang dibuat dengan menyuntikkan PEEK yang diperkuat serat karbon pendek pada 380 ° C.” Overmolding dimodelkan menggunakan Moldflow Insight dari Autodesk (San Rafael, California, AS). Waktu pengisian cetakan dioptimalkan menjadi 40,5 detik dan dicapai dengan menggunakan mesin cetak injeksi ALLROUNDER Arburg (Lossburg, Jerman).

Overmolding ini tidak hanya mengurangi biaya perakitan, langkah manufaktur, dan logistik, tetapi juga meningkatkan kinerja. Perbedaan 40 °C antara suhu leleh poros PAEK dan gigi PEEK yang dicetak berlebih memungkinkan ikatan leleh yang kohesif antara keduanya pada tingkat molekuler. Tipe kedua dari mekanisme penyambungan, penguncian bentuk, dicapai dengan menggunakan tekanan injeksi untuk secara bersamaan membentuk termoform poros selama cetakan berlebih untuk menciptakan kontur penguncian bentuk. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini sebagai “pembentukan injeksi”. Ini menciptakan lingkar bergelombang atau sinusoidal di mana roda gigi digabungkan versus penampang melingkar yang halus, yang menghasilkan bentuk penguncian geometris. Ini semakin meningkatkan kekuatan poros roda gigi terintegrasi, seperti yang ditunjukkan dalam pengujian (lihat grafik di kanan bawah). Gbr. 1. Dikembangkan dalam kolaborasi dengan Victrex dan ILK, herone menggunakan tekanan injeksi selama overmolding untuk membuat kontur penguncian bentuk di poros roda gigi terintegrasi (atas). Proses pembentukan injeksi ini memungkinkan poros roda gigi terintegrasi dengan penguncian bentuk (kurva hijau pada grafik) untuk mempertahankan torsi yang lebih tinggi vs. poros roda gigi overmolded tanpa penguncian bentuk (kurva hitam pada grafik).

“Manfaat utama yang kami berikan adalah mengurangi jumlah suku cadang,” catatnya. “Ini menyederhanakan kelelahan, yang merupakan tantangan besar untuk aplikasi penyangga pesawat. Penguncian bentuk sudah digunakan dalam komposit termoset dengan sisipan plastik atau logam, tetapi tidak ada ikatan kohesif, sehingga Anda bisa mendapatkan sedikit gerakan di antara bagian-bagiannya. Pendekatan kami, bagaimanapun, menyediakan struktur terpadu tanpa gerakan seperti itu.”

Garthaus mengutip toleransi kerusakan sebagai tantangan lain untuk bagian ini. “Anda harus memengaruhi struts dan kemudian melakukan pengujian kelelahan,” jelasnya. “Karena kami menggunakan bahan matriks termoplastik berperforma tinggi, kami dapat mencapai toleransi kerusakan 40% lebih tinggi dibandingkan termoset, dan juga setiap retakan mikro akibat benturan berkurang dengan beban kelelahan.”

Meskipun strut demonstrasi menunjukkan sisipan logam, herone saat ini sedang mengembangkan solusi semua termoplastik, memungkinkan ikatan kohesif antara bodi strut komposit dan elemen pengenalan beban. “Jika bisa, kami lebih memilih untuk tetap menjadi komposit dan menyesuaikan properti dengan mengubah jenis penguat serat, termasuk karbon, kaca, serat kontinu dan serat pendek,” kata Garthaus. “Dengan cara ini, kami meminimalkan kompleksitas dan masalah antarmuka. Misalnya, kami memiliki lebih sedikit masalah dibandingkan dengan menggabungkan termoset dan termoplastik.” Selain itu, ikatan antara PAEK dan PEEK telah diuji oleh Tri-Mack dengan hasil yang menunjukkan bahwa ia memiliki 85% kekuatan laminasi CF/PAEK searah dasar dan dua kali lebih kuat dari ikatan perekat yang menggunakan perekat film epoksi standar industri.

Pabrik baru, suku cadang baru, pasar baru

Barfuss mengatakan herone sekarang memiliki sembilan karyawan dan sedang bertransisi dari pemasok pengembangan teknologi menjadi pemasok suku cadang penerbangan. Langkah besar berikutnya adalah pengembangan pabrik baru di Dresden. “Pada akhir 2020 kami akan memiliki pabrik percontohan yang memproduksi suku cadang seri pertama,” katanya. “Kami telah bekerja sama dengan OEM penerbangan dan pemasok utama Tier 1, mendemonstrasikan desain untuk berbagai jenis aplikasi.”

Perusahaan ini juga bekerja sama dengan pemasok eVTOL dan berbagai kolaborator di A.S. Seiring dengan semakin matangnya aplikasi penerbangan, herone juga memperoleh pengalaman manufaktur dengan aplikasi barang olahraga termasuk kelelawar dan komponen sepeda. “Teknologi kami dapat menghasilkan berbagai suku cadang kompleks dengan kinerja, waktu siklus, dan manfaat biaya,” kata Garthaus. “Waktu siklus kami menggunakan PEEK adalah 20 menit, dibandingkan 240 menit menggunakan prepreg yang diawetkan dengan autoklaf. Kami melihat peluang yang luas, tetapi untuk saat ini, fokus kami adalah memasukkan aplikasi pertama kami ke dalam produksi dan menunjukkan nilai suku cadang tersebut ke pasar.”

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