Meningkatkan Aerostruktur Termoplastik: Inovasi Manufaktur Terbaru

Fitur menguntungkan komposit termoplastik, seperti ketahanan, kekuatan luar bidang yang relatif tinggi dan keberlanjutan/daur ulang, telah menarik desain insinyur pesawat ke konsep struktur primer komposit termoplastik selama beberapa dekade. Namun insinyur manufaktur pesawat tidak yakin tentang cara menemukan metode biaya-efektif untuk mengembangkannya dari simulasi CAD ke lantai produksi. Mereka tidak, namun, terkecoh: Upaya untuk mengembangkan teknologi manufaktur yang diperlukan telah berlanjut di seluruh dunia — mungkin tidak di mana pun lebih tekun dari di Belanda.

Tulang L-stringer integral. Fuselase serat karbon/PEKK GKN Fokker, yang dirancang dan dibangun untuk Gulfstream, mengintegrasikan tulang L-stringer longitudinal yang melengkung dengan sudut sedikit tumpul untuk memungkinkan pelepasan alat. CW foto | Jeff Sloan

 

Pada 2009, sembilan perusahaan industri dan institusi penelitian Belanda, bersama dengan Airbus (Toulouse, Prancis), membentuk Konsorsium Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS). Inisiensi ini berkembang menjadi 12 mitra pada 2014 dan berlanjut sebagai TAPAS2. Menargetkan aplikasi yang dikembangkan Airbus di bawah TAPAS2, GKN Fokker (Hoogeveen, Belanda) baru-baru ini mengembangkan demonstrator fuselage menggunakan yang disebutnya teknologi “butt-jointed orthogrid” yang memungkinkan produksi biaya-efektif dari desain fuselage komposit termoplastik.

Penguntungan penuh dari struktur pesawat primer komposit termoplastik — meskipun masih beberapa tahun lagi — mungkin kini terlihat karena Gulfstream Aerospace (Savannah, Ga., AS) telah bekerjasama dengan GKN Fokker untuk mengembangkan teknologi fuselage TAPAS2, menunjukkan arah menuju penerapan material dan proses pada fuselage penuh. Kisir balik di balik panel fuselage yang baru dikembangkan (yang ditampilkan di JEC World awal tahun ini) adalah tentang kemajuan dalam metode desain dan manufaktur, dan lebih lanjut, dalam pendekatan rekayasa desain-manufaktur yang lebih terintegrasi.

“Secara tradisional,” menjelaskan insinyur utama GKN Fokker Andries Buitenhuis, “baik mereka menggunakan fabrics atau tep unidireksional, para desainer sebagian besar menempel pada lapisan konvensional dengan orientasi 0-, 90- dan 45-degree. Mereka akan bekerja dari tabel tumpukan ply mereka, independen dari disiplin lain.” Pendekatan baru adalah platform perangkat lunak desain-manufaktur terintegrasi dan digital (yang dikembangkan melalui TAPAS) di mana insinyur dari berbagai disiplin semua melihat model digital yang sama dan memiliki kemampuan untuk mengonseptualisasikan desain bagian yang lebih kompleks. “Ini membuka seluruh dunia baru kemungkinan optimisasi yang tak terduga,” lanjut Buitenhuis. “Pada bentuk kompleks, arah serat mungkin di mana-mana. Kami dapat membuat laminat tidak konvensional dan mengambil pandangan segar atas desain allowable, celang dan tumpang tindih manufaktur, radius… Dan Anda dapat mengoptimalkan kekuatan struktur secara lokal.” Opsi desain yang diperluas ini lebih sepenuhnya memanfaatkan kemampuan steering serat dari mesin penempatan serat otomatis (AFP), dan kemajuan dalam kemampuan manufaktur lainnya yang dibahas di bawah ini.

Kebebasan desain yang diberikan oleh sistem digital terintegrasi ini telah terbukti tidak dapat dipungkiri dalam desain dan manufaktur panel bisnis jet. Dalam desain fuselage TAPAS2, panel serat karbon/polyetherketoneketone (PEKK) (dibuat dengan APC PEKK-FC Solvay) memiliki sambungan frame-to-kulit yang di-las tanpa sekrup, yang merupakan penyumbang penting bagi biaya-efektivitas desain. “Kami memprediksi mencapai paritas biaya dengan cangkang fuselage aluminium,” menjelaskan Arnt Offringa, kepala teknologi komposit termoplastik di GKN Fokker, “dan ini karena cangkang aluminium diketukan.” Pengeliminasi sekrup mekanis diharapkan menghasilkan pengurangan biaya 20% dan pengurangan bobot 10% dalam struktur primer pesawat dibandingkan dengan solusi komposit konvensional. Tentu, banyak dari penghematan biaya dan bobot datang dari pengeliminasi sekrup itu sendiri, serta biaya tenaga kerja untuk memasangnya. Selain itu, tidak kalah pentingnya adalah pengeliminasi lubang dalam komponen komposit untuk menampung sekrup — lubang yang membutuhkan penguat tambahan dan oleh karena itu bobot tambahan.

GKN Fokker mencapai tingkat kesiapan teknologi (TRL) 3 (bukti konsep) dengan Airbus untuk fuselage bertekanan, menunjukkan paritas biaya dengan panel fuselage aluminium, di bawah TAPAS2 pada Desember 2017. Selama proses, tim GKN Fokker memperluas visinya untuk teknologi fuselage termoplastik ini dari penerbangan komersial ke aplikasi bisnis jet.

Minat Gulfstream

Sejarah GKN Fokker dalam pekerjaan sukses untuk Gulfstream pada komponen komposit termoplastik membuat kemitraan dengan produsen bisnis jet adalah langkah selanjutnya yang logis. “Diketahui luas bahwa Gulfstream telah terbang dengan bagian komposit termoplastik selama bertahun-tahun,” kata Mark Chapman, manajer Inisiatif Struktur dan Material Canggih (ASMI) Gulfstream. Dia menambahkan bahwa proyek panel fuselage “adalah progresi alami dari apa yang telah kami lakukan, dimulai dari bagian yang lebih sederhana dan bergerak menuju bagian struktural primer.” GKN Fokker telah bekerjasama dengan Gulfstream dalam pengembangan banyak komponen sekunder komposit termoplastik, termasuk elevators dan rudder ekor serta panel lantai pada G650.

Pada 2015, Offringa dan Buitenhuis menyajikan perkembangan proyek TAPAS2 kepada Gulfstream, dan Chapman dan timnya mengakui potensi untuk mendapatkan manfaat dari hasil TAPAS2. “Kami melihat potensi pengurangan bobot, resistensi dampak dan ketahanan yang lebih baik, dan performa yang ditingkatkan,” ingat Chapman. Desain tanpa sekrup juga menarik. “Teknologi pengelasan akan memungkinkan kami untuk merakit fuselage dengan lebih efisien” daripada perakitan yang dilekatkan secara mekanis, kata Chapman.

Kemitraan dengan GKN Fokker mendukung penelitian dan pengembangan Gulfstream terhadap bentuk fuselage yang lebih kompleks yang mungkin tidak ekonomis untuk diproduksi dengan struktur logam. “Anda hanya dapat meregangkan logam sejauh ini,” kata Chapman. “Splices dan struktur pendukung yang diperlukan untuk bentuk kompleks tidak begitu efisien.” Offringa setuju: “Geometri kompleks semacam itu sulit diproduksi dengan teknologi konvensional.”

Menggabungkan desain dan manufaktur

Untuk mencapai desain yang dapat diproduksi tanpa sekrup, pendekatan GKN Fokker berfokus pada menahan dua gaya kunci yang menjadi beban sambungan fuselage: tekanan kabin dan dampak seperti jatuhnya alat. Tekanan kabin memberikan gaya radial pada fuselage, menciptakan beban tinggi pada sambungan frame-to-kulit. Dalam desain konvensional, bingkai fuselage memiliki “lubang tikus” melalui mana stringer longitudinal melewati. Di bawah gaya tekanan kabin, lubang tikus ini berfungsi sebagai diskontinuitas yang tunduk pada gaya peel tinggi — kekhawatiran besar untuk desain tanpa sekrup, mengingat kekuatan luar bidang komposit yang rendah dibandingkan logam. Dampak juga menghasilkan beban tinggi pada sambungan frame-to-kulit karena bingkai tidak merentangkan di bawah dampak.

Kurvatur ganda. Panel fuselage komposit termoplastik menakok geometri kompleks fuselage belakang bisnis jet Gulfstream dengan tumpukan layup kulit fiber-steered AFP dan konsolidasi bersama orthogrid. Perhatikan tulang blade lingkar, yang nantinya di-las ke frame. Sumber | GKN Fokker

 

Tim GKN Fokker/Gulfstream tahu tidak mungkin untuk memenuhi tantangan yang diciptakan oleh kurvatur kompleks baik dengan logam maupun dengan pendekatan desain-manufaktur komposit konvensional. Secara khusus, Buitenhuis menunjukkan, “Desain fuselage kompleks tidak akan mungkin tanpa steering serat.” Kemampuan mesin AFP ini adalah yang membebaskan para desainer untuk mengoptimalkan orientasi serat secara lokal berdasarkan bentuk kompleks cangkang, dan untuk menyimpang dari opsi orientasi serat standar 0/45/90. “Steering serat untuk optimasi bentuk dan bobot adalah salah satu kemajuan paling signifikan dari proyek ini,” percaya Chapman.

GKN Fokker membuat kulit panel fuselage pada mesin AFP ultrasonik yang dikembangkan perusahaan untuk pengecakan tep termoplastik yang cepat. Tep adalah unidireksional, yang juga meningkatkan performa laminat dibandingkan tep kain.

Konsep baru yang dikembangkan di bawah TAPAS dan TAPAS2, dan yang kini diterapkan dalam panel Gulfstream, yang berhasil menangani beban tinggi yang diciptakan oleh tekanan kabin dan gaya dampak, serta permintaan performa lainnya, adalah yang disebut sebagai “kulit kaku ortogonal butt joint dengan frame yang di-las.” Membongkar deskripsi ini menyoroti tiga fitur desain kunci dan perkembangan manufaktur yang diperlukan untuk melaksanakannya: (1) orthogrid, (2) butt joint dan (3) teknologi pengelasan.

Orthogrid

Persyaratan kekuatan panel terpenuhi sebagian melalui pengakuan grid ortogonal yang sepenuhnya terhubung. Orthogrid ini menghilangkan beban puncak yang terkait dengan lubang tikus, membersihkan desain dari titik di mana gaya peel diperbesar. Orthogrid terdiri dari stringer longitudinal kontinu dan frame yang terdiri dari dua komponen yang berbeda: stringer blade lingkar yang tidak kontinu tetapi terhubung dan frame yang di-las di atasnya.

Butt joint biaya-efektif. GKN Fokker menginovasi dan mematent butt joint yang memungkinkan penggabungan orthogrid dan orthogrid-to-kulit menggunakan elemen injeksi molded serat pendek biaya-efektif dan laminat datar serat kontinu untuk web dan cap stringer (di sini T stringer; panel Gulfstream mengintegrasikan L stringer dengan teknik yang sama). Sumber | GKN Fokker

 

Oleh karena itu, ini mewakili generasi baru dalam desain penguat fuselage yang telah berevolusi selama bertahun-tahun pengembangan orthogrid. Awalnya, GKN Fokker menggunakan T stringer di mana cap dari anggota longitudinal dan lingkar adalah kontinu dan tumpang tindih di sudut. Penggabungan dengan frame, namun, memerlukan penghapusan cap lingkar. Jadi, T stringer menjadi L stringer dan frame menjadi stringer blade lingkar dengan frame yang kemudian di-las ke atasnya.

Modifikasi lain diperlukan karena stringer yang melengkap yang digunakan baik secara longitudinal maupun lingkar membuat pelepasan alat jauh lebih tantang. Jadi, L stringer dirancang dengan sudut cap-to-web lebih dari 90 derajat, sehingga bagian alat selalu dapat meluncur ke samping keluar dari grid stringer.

Butt joints

GKN Fokker mengembangkan tidak hanya desain orthogrid, tetapi juga pendekatan manufaktur baru untuk grid serta mekanisme penggabungan grid-to-kulit. “Grid dapat terlalu mahal untuk diproduksi,” catat Offringa, “tetapi grid kami dibangun dari laminat datar dan ‘filler’ injeksi molded sederhana.”

Secara lebih spesifik, GKN Fokker menerapkan teknologi butt joint terpatennya pada panel Gulfstream (juga pada panel TAPAS sebelumnya). Web dan cap komponen T atau L stringer, serta komponen stringer blade, dibuat dari preform yang dipotong waterjet dari laminat datar serat karbon/PEKK. Elemen penggabungan (kulit ke web dan web ke cap) adalah filler berbentuk pi yang diinjeksikan molded dari material serat pendek karbon/PEKK. Kedua resin dan tipe serat karbon cocok dengan yang ada di anggota grid.

Kulit dan orthogrid dikonsolidasikan bersama dalam cetakan garis dalam (IML) Invar. Cetakan memiliki rongga di mana komponen orthogrid dan blok alat dimuat. Kulit yang dibentuk AFP kemudian ditempatkan pada IML, dan seluruh rangkaian dibungkus dan dikonsolidasikan autoclave.

Pengelasan

Pengelasan otomatis. Mendorong kelayakan ekonomi panel fuselage komposit termoplastik, GKN Fokker mengembangkan dan menggunakan teknik pengelasan robotik. Sumber | GKN Fokker

 

Kombinasi orthogrid dan desain butt joint memungkinkan penggabungan tanpa sekrup orthogrid dan frame melalui pengelasan. Beberapa teknologi pengelasan dikembangkan oleh anggota tim TAPAS selama fase TAPAS2, termasuk pengelasan induksi, konduksi dan ultrasonik. Panel Gulfstream menggunakan pengelasan konduksi untuk menyambungkan web frame ke stringer blade lingkar. Tugas ini dilakukan dengan kepala pengelasan yang dipasang pada robot — perkembangan lain yang berkontribusi pada manufakturabilitas biaya-efektif.

Satu langkah dari beberapa

GKN Fokker memulai kolaborasinya dengan Gulfstream pada 2017, menciptakan konsep desain untuk panel fuselage. Desain dan pembuatan beberapa panel melengkap diikuti pada 2018 dan 2019, dengan tonggak demonstrasi panel pertama ditampilkan di JEC World tahun ini.

Komponen yang selesai. Dengan elemen frame yang di-las ke stringer blade lingkar, panel fuselage Gulfstream siap untuk pengujian, penilaian dan pengembangan berkelanjutan sementara perusahaan berusaha menuju produksi fuselage komposit termoplastik. Sumber | GKN Fokker

 

GKN Fokker terus membangun panel dan berharap mencapai TRL4 (validasi komponen) akhir tahun ini. “Kami saat ini mendiskusikan jalan menuju maturitas penuh,” melaporkan Offringa. Dengan menunjukkan bahwa desain panel tidak menargetkan platform tertentu, Chapman melaporkan bahwa pengujian panel akan membantu memperdalam pemahaman Gulfstream tentang properti material dan performa. Mengenai bisnis case yang lebih luas untuk struktur primer komposit termoplastik, termasuk performa jet, biaya manufaktur, biaya penggunaan dan daya tahan, Chapman menyatakan, “Kami akan mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang itu saat kami lebih jauh di jalan penelitian dan pengembangan. Untuk saat ini, kami fokus pada pembuatan bentuk kompleks ini secara biaya-efektif.”