RTM Tekanan Tinggi: Produksi Efisien dan Biaya-Efektif Struktur Aerospasial CFRP

Ketika resin transfer molding (RTM) mulai bertransisi menjadi high-pressure RTM (HP-RTM) sekitar satu dekade lalu, itu sebagian besar dipuji untuk aplikasi otomotif, mengurangi waktu siklus bagian komposit dari jam menjadi kurang dari 2 menit. Sedikit yang dikatakan tentang penerapan teknologi ini pada bagian penerbangan luar angkasa. Industri pesawat memiliki sejarah panjang dengan RTM konvensional, termasuk penggunaannya untuk menghasilkan ribuan fan blade dan casing kontainment plastik terpelapis serat karbon (CFRP) untuk mesin pesawat komersial. Airbus bahkan telah membuat prototip flap multispar komposit satu bagian panjang 7 meter untuk Airbus A320 menggunakan RTM. Namun apakah mungkin untuk mentransisikan pengalaman ini dengan proses yang berlangsung jam-jam menjadi molding otomatis penuh dari bagian pesawat komposit dalam menit? Beberapa pemain utama mengatakan bahwa mungkin.

RTM tradisional, yang disebut di sini sebagai LP-RTM untuk kejelasan, biasanya menggunakan tekanan injeksi 10-20 bar. HP-RTM, di sisi lain, menggunakan tekanan injeksi 30-120 bar. 

“Kami mulai bekerja dengan pemrosesan RTM penerbangan luar angkasa 10 tahun yang lalu melalui proyek yang didanai EU untuk manufaktur bingkai fuselage,” kata Bernhard Rittenschober, kepala penelitian dan pengembangan untuk Alpex Technologies (Mils, Austria), pemasok sistem alat inovatif untuk produksi bagian komposit seri. “Pada saat itu, prediksi adalah bahwa banyak bagian untuk [Airbus] A350 akan dibuat dengan RTM, tetapi ini tidak terwujud.” Alpex, namun, terus mengembangkan teknologi, dan sebagai pemasok bagi kedua industri otomotif dan penerbangan luar angkasa, mulai melihat bagaimana proses yang digunakan di kedua industri ini dapat digabungkan. “Ide adalah untuk menggunakan resin RTM6 epoksi [Hexcel] yang berkualifikasi penerbangan luar angkasa, tetapi dengan praktik terbaik alat otomotif dan sistem injeksi otomatis untuk waktu siklus yang lebih rendah,” menjelaskan Rittenschober.

Hasilnya adalah program penelitian dari 2013-2015 yang disebut TAKE OFF, yang didanai oleh pemerintah Austria, yang diikuti Alpex dengan mitra Airbus Helicopters (fasilitas Donauworth, Jerman), pemasok peralatan KraussMaffei (Munich, Jerman), spesialis pengujian Aerospace and Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Austria) dan pemasok resin Hexcel (Stamford, Conn., AS). Program ini menunjukkan bahwa HP-RTM menghasilkan pengurangan biaya 30 persen untuk bingkai pintu A350 dan pengembangan teknologi yang signifikan, termasuk penggunaan sistem resin dua komponen (2K), injeksi cerdas dan pemantauan pengeringan melalui sensor dalam cetakan dan kemampuan untuk mengurangi lebih lanjut waktu siklus bagian. Alpex telah melanjutkan pengembangan dan melihat potensi untuk teknologi HP-RTM ini membantu mengatasi masalah produksi CFRP saat ini.

Mendukung pandangan ini, Composites Technology Center (CTC), anak perusahaan Airbus Operations GmbH, juga telah mengembangkan RTM otomatis selama satu dekade, pertama dengan LP-RTM dan kemudian bertransisi ke HP-RTM sekitar lima tahun yang lalu. (CompositesWorld mencatat mesin HP-RTM KraussMaffei dan pekerjaan pengembangan CTC selama tur fasilitasnya pada 2016.) “HP-RTM memecahkan bottleneck injeksi dan pengeringan karena pencampuran berkecepatan tinggi, yang memungkinkan penggunaan resin yang sangat reaktif,” menjelaskan Jan Schiller, pemimpin proyek CTC untuk sistem produksi dan kontak utama untuk teknologi RTM. “Kami telah mengembangkan proses yang menghasilkan bagian dengan geometri agak kompleks berukuran 1-2 meter, memenuhi persyaratan penerbangan luar angkasa (misalnya, 60 persen volume serat dan kurang dari 2 persen rongga) dalam waktu siklus 20 menit.” Dia menambahkan bahwa setelah kunjungan dan diskusi dengan pemasok Airbus tahun lalu, sejumlah bagian diidentifikasi untuk transisi ke HP-RTM, yang memungkinkan produksi tingkat yang lebih tinggi untuk pesawat A320. “Kami sekarang mengembangkan pemrosesan khusus untuk ini dan bekerja tahun ini untuk memasukkannya ke dalam produksi seri.”

HP-RTM Bingkai Pintu A350

Pengembangan Alpex diselesaikan melalui program TAKE OFF Austria melalui proyek yang disebut SPARTA. “Airbus Helicopters memilih bagian itu,” ingat Rittenschober. “Bingkai pintu ini adalah apa yang Anda lihat saat Anda masuk ke A350 dengan pintu terbuka. Ini kira-kira 2 meter tinggi, 200-250 milimeter lebar dan 8-10 milimeter tebal, dengan bentuk dan fitur desain yang kompleks untuk memenuhi berbagai persyaratan pintu yang terpasang, yang merupakan struktur primer.” Pintu A350 terdiri dari 14 bagian yang dibuat oleh Airbus Helicopters di Donauworth, Jerman, menggunakan LP-RTM. Bingkai yang dipilih untuk SPARTA adalah salah satu bagian yang lebih menantang dari pintu. “Ini adalah bagian demonstrasi yang baik karena kami dapat membandingkan HP-RTM secara langsung dengan LP-RTM penerbangan luar angkasa standar,” tambah Rittenschober.

Alpex merancang dan membangun alat LP-RTM yang saat ini digunakan untuk produksi bingkai pintu A350 di Airbus Helicopters. Untuk desain dan pembuatan alat HP-RTM, ia akan menerapkan pola pikir yang lebih otomotif. “Tujuan kami adalah untuk mengaktifkan otomatisasi jenis otomotif dalam produksi bagian komposit penerbangan luar angkasa,” kata Rittenschober. “Ini diperlukan jika Airbus akan membangun A320 masa depan dengan lebih banyak bagian komposit dan pada tingkat 60 hingga 100 pesawat per bulan.”

Dia melanjutkan, “Kami berasal dari produksi cetakan untuk BMW, yang secara aktif mencoba menyederhanakan bagian dan prosesnya untuk mengurangi waktu siklus, sementara Airbus berasal dari kompleksitas penerbangan luar angkasa sebelumnya. Misalnya, saat kami memulai, Airbus Helicopters bertanya berapa banyak bagian yang akan dimiliki cetakan ini.” Perhatikan, produksi pintu LP-RTM saat ini mencakup alat multi-bagian yang kompleks. “Kami menjelaskan bahwa alat HP-RTM hanya akan memiliki satu cetakan atas dan satu cetakan bawah,” kata Rittenschober.

Oleh karena itu, Alpex memulai dengan desain cetakan yang sederhana dan kemudian menambahkan fitur untuk membuat pemrosesan lebih kuat dan fleksibel — misalnya, sistem pengaman yang digunakan untuk produksi volume tinggi otomotif. “Plus, kami memiliki semua sensor yang terintegrasi ke dalam cetakan,” katanya.

Preform dan Proses

Preform yang saat ini digunakan untuk bingkai pintu A350 menggunakan material woven dan memerlukan beberapa langkah debulking, menghasilkan siklus produksi tiga hari. “Kami memutuskan untuk menggunakan noncrimp fabric (NCF) sebagai gantinya,” kata Rittenschober. “Ini menurunkan harga dan waktu siklus secara signifikan. Kami juga akhirnya menunjukkan beberapa bagian dengan preform woven yang berkualifikasi Hexcel, tetapi kami melihat perpindahan di industri komposit di luar penerbangan luar angkasa, dengan pengembangan oleh SGL dan lainnya dari woven fabrics menuju tapes dan bentuk yang lebih rendah biaya seperti NCFs.”

Saat ditanya tentang titik injeksi dan masalah pencucian serat, Rittenschober menjelaskan bahwa alat HP-RTM hanya memiliki satu titik injeksi, tetapi tidak ada pencucian serat karena preform dicekuk sehingga tetap di cetakan dan sangat stabil.

Poin kunci lainnya adalah bahwa Alpex memilih untuk menggunakan sistem resin dua komponen (2K) sebagai gantisistem RTM6 satu komponen yang saat ini digunakan oleh Airbus Helicopters. Rittenschober menyatakan bahwa sistem 2K dapat lebih reaktif, yang lebih cocok untuk HP-RTM, dan dapat menghemat biaya karena tidak dicampur terlebih dahulu dan tidak memerlukan pengiriman bahan berbahaya. Namun, itu memerlukan suhu yang lebih tinggi sebesar 180°C. “Ini adalah bagian yang paling tantang bagi kami,” kata Rittenschober, “karena kami lebih terbiasa memproses pada 120°C.”

KraussMaffei memasang, di pusat teknologi ringannya di Munich, Jerman, alat yang selesai dalam sistem RimStar Compact HP-RTM dengan pencampuran, pengukuran dan injeksi otomatis bertekanan tinggi (hingga 80 bar/1.100 psi). Kemudian ia membuat 20 bagian demonstrasi. Rittenschober menggambarkan proses dasar: Injeksikan pada 80°C, naikkan ke 120°C, tunggu selama satu jam, naikkan ke 180° dan tunggu selama pengeringan 90 menit, turunkan (2°C/menit) dan keluarkan dari cetakan. “Injeksi hanya memakan waktu 20 detik,” katanya, “tapi siklus cetak total sekitar empat jam.”

Waktu Siklus dan Biaya

Siklus pengeringan yang masih lama untuk bingkai pintu SPARTA dikonfigurasi oleh formulasi resin RTM6 Hexcel dan pemrosesan yang berkualifikasi Airbus. “Kami mampu mencapai siklus pengeringan 30 menit pada 180°C dengan post-curing tambahan di bawah vakum setelahnya untuk mengurangi stres termal dan memastikan properti mekanik,” catat Rittenschober, menambahkan bahwa propertinya cukup baik dan dapat dibandingkan dengan bagian LP-RTM.

“Kami menunjukkan bahwa Anda dapat menggunakan proses dan mengotomatisasi produksi untuk volume bagian yang lebih tinggi,” kata Rittenschober. “Anda dapat injeksi dan mengering dalam cetakan dan kemudian post-curing di luar press.” Dia mengakui ini memerlukan set alat tambahan, tetapi hanya satu press dan satu unit injeksi. “Dengan sistem ini, Anda dapat mengurangi biaya bagian sebesar €700, yang memungkinkan Anda membayar peralatan dengan mudah dengan tingkat produksi 500 hingga 1.000 bagian/tahun, yang bahkan bukan volume yang sangat tinggi.”

Pengembangan Proses dan Demonstrator CTC

Selain alat dan proses, proyek pintu HP-RTM juga termasuk penggunaan inovatif dari format serat. “Kami memulai dengan tekstil woven yang sudah berkualifikasi Airbus dan sangat berhasil,” ingat Schiller. “Kemudian kami melanjutkan dengan NCF dan tekstil yang lebih inovatif.&rdquo. Yang terakhir termasuk penempatan serat kering dan interleafing dengan lapisan spread tow untuk ketahanan yang ditingkatkan, tetapi yang terakhir menyajikan masalah dengan pengemasan serat dan lapisan yang rapat, menyebabkan permeabilitas yang buruk dan menghambat infiltansi resin. “Ada juga perkembangan untuk mengatasi ini, seperti NCF dengan serat khusus untuk meningkatkan permeabilitas,” katanya tambah.

Mengenai tekanan untuk HP-RTM, Schiller menekankan bahwa keputusan untuk menggunakan proses ini didorong lebih oleh teknologi pencampuran dari industri polyurethan daripada oleh tekanan proses yang tinggi. “Kami menggunakan HP-RTM hanya untuk mendapatkan pencampuran yang baik dari resin yang sangat reaktif,” katanya menjelaskan. “Mungkin ada tekanan yang lebih tinggi dalam cetakan, tetapi ini adalah efek sekunder dari injeksi yang cepat. Untuk bagian otomotif dengan waktu siklus 2 menit, mereka harus menginfiltrasi preform kering dengan resin jauh lebih cepat dari yang kami lakukan. Waktu pengeringan 15 menit kami memungkinkan lebih banyak waktu untuk infiltansi resin, yang juga menurunkan tekanan dalam cetakan.”

Tekanan press, sementara itu, bergantung pada ukuran bagian. “Membuat bagian hingga 2 meter berfungsi dengan baik (sekitar 1.500 ton) tetapi bagian berukuran 4-6 meter memerlukan perhitungan bisnis case karena investasi press menjadi sangat tinggi,” kata Schiller. CTC menampilkan tulang CFRP berukuran 1,5 meter x 0,5 meter yang mewakili struktur aerospasial primer apa pun di JEC World pada 2018. Ia juga akan menerima press dengan tonase lebih tinggi pada akhir 2019.

Resin 2K dan QA berbasis sensor

Schiller mengamati bahwa semua struktur pesawat RTM sebelumnya hanya menggunakan sistem 1K yang dicampur oleh pemasok, yang kemudian menyertifikasi campuran dan menanggung tanggung jawab untuk memastikan resin memenuhi persyaratan kualifikasi. “Sekarang kami mempertimbangkan sistem 2K, tetapi tantangannya adalah memastikan kualitas pencampuran,” katanya menjelaskan. Sistem 1K yang dicampur terlebih dahulu memerlukan pengiriman dan penyimpanan dingin untuk mencegah reaksi hingga bagian diproses. Oleh karena itu, keuntungan sistem 2K termasuk eliminasi biaya ini serta reaktivitas yang lebih tinggi untuk pemrosesan yang lebih cepat. Masalahnya, QA akan dialihkan dari pemasok resin ke produsen bagian. “QA ini memerlukan deteksi rasio campuran dan kualitas resin yang dicampur. Keduanya diperlukan untuk kualifikasi Airbus terhadap material baru. Jadi, ini berarti pengukuran dari kedua komponen tepat sebelum pencampuran dan dari resin setelah pencampuran. Saat ini, kami hanya memiliki sensor sebelum kepala campur, yang menunjukkan berapa banyak resin dan berapa banyak hardener yang diukur ke dalam campur. Ini tidak cukup untuk kualifikasi.”

Alpex, sementara itu, bekerja untuk mengembangkan sistem kualitas inline untuk menyediakan verifikasi resin yang dicampur dengan benar 100% yang diperlukan Airbus. “Kami telah bekerja dengan sensor dalam cetakan Netzsch dari awal pengembangan ini,” catat Rittenschober. “Sekarang Netzsch bekerjasama dengan Kistler (Winterthur, Swiss), teknologi baru tersedia. Kami dapat memantau suhu, tekanan dan pengeringan resin dari satu sensor, yang kami sertakan dalam cetakan.”

“Alpex mengatakan untuk menggunakan sensor dalam cetakan, dan pemasok peralatan pencampuran/injeksi mengatakan sensor harus ada di sistem mereka,” kata Schiller. “Keduanya benar.” Tetapi dia mencatat bahwa juga ada kebutuhan untuk perbaikan di yang terakhir. “Dalam HP-RTM otomotif, rasio campuran resin diukur selama seluruh proses, jadi itu adalah rata-rata,” Schiller menjelaskan. “Namun, saya perlu pengukuran ini pada setiap titik diskrit selama proses, sehingga saya tahu bahwa rasio campuran selalu benar, bahkan untuk separuh detik terakhir selama injeksi. Kami perlu resolusi waktu yang lebih baik dalam sistem pengukuran.” Schiller menyarankan sensor mungkin akan diperlukan sebelum kepala campur, di dalam kepala campur dan dalam cetakan. “Kami sedang mengerjakan pengembangan QA ini paralel dengan evaluasi resin 2K dalam aplikasi penerbangan luar angkasa, dan bersama dengan pemasok mesin, kami telah mengidentifikasi sistem sensor yang menjanjikan resolusi yang cukup. Mereka akan divalidasi dalam tahun ini.”

Alpex juga mencoba sensor piezoelektrik multifungsi hibrid baru yang dikembangkan oleh Aerospace & Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Austria). Ditempatkan pada cetakan RTM, ia bertindak sebagai sensor tekanan untuk memantau depan aliran resin dalam cetakan. Setelah preform diimpregnasi oleh resin dan pengeringan dimulai, perubahan spektrum impedansi digunakan oleh sensor untuk menentukan tingkat pengeringan. Setelah pengeringan selesai, sensor piezoelektrik dikonsolidasikan bersama pada permukaan bagian untuk digunakan untuk pemantauan kesehatan struktural baik dalam mode pasif sebagai sensor emisi akustik atau dalam mode aktif menggunakan gel ultrasonik berpenuntun. Mereka telah ditunjukkan untuk pemantauan dampak dan kerusakan pada bagian yang selesai.

Perhatikan bahwa data proses ini dapat dianalisis oleh sistem produksi cerdas Industri 4.0 untuk mengidentifikasi jalur untuk perbaikan lebih lanjut dalam kualitas dan efisiensi. Data proses ini juga dapat dicatat untuk setiap twin digital bagian.

Potensi Masa Depan

Rittenschober mengatakan bahwa satu-satunya hambatan nyata untuk teknologi HP-RTM adalah sertifikasi: “Kami menunjukkan dengan Airbus Helicopters bahwa proses ini dapat bekerja, tetapi seseorang harus mensertifikasikannya.” Schiller setuju bahwa selalu merupakan hambatan untuk menemukan siapa yang akan pertama, tetapi dia juga telah menghitung bisnis case untuk banyak bagian selama tahun terakhir. “Untuk 200 bagian per tahun, itu tidak masuk akal. Namun, untuk bagian pada A320, misalnya, itu menjadi menarik. Setiap bulan, kami melihat tingkat target yang lebih tinggi untuk program A320. Banyak bagian ini dirancang pada tahun 1980-an dan diproduksi secara manual, jadi mereka dapat dengan mudah dibuat jauh lebih efisien dengan HP-RTM.”

Dengan waktu siklus bagian yang ditunjukkan CTC sebesar 20 menit, HP-RTM juga dapat menarik untuk pasar pesawat eVTOL, di mana volume produksi sebesar 5.000 pesawat per tahun telah disarankan sebagai batas atas oleh produsen air taxi UBER.

Alpex akan terus mengembangkan berbagai kemajuan RTM, kata Rittenschober. “Kami percaya HP-RTM memiliki potensi nyata untuk membantu menyelesaikan beberapa masalah dengan produksi CFRP aerostruktur yang lebih biaya-efektif dan terindustrialisasi.” Schiller setuju, dengan mencatat bahwa untuk banyak aplikasi A320 yang ditargetkan, ada banyak bagian CFRP per shipset. “Jadi, manfaat dari proses yang lebih efisien mulai menumpuk. Jika kami dapat memasukkan aplikasi pertama ke dalam produksi, maka akan ada yang lain.”

 

The Next Generation of
Aerospace Manufacturing

With the commercial aviation industry projected to double in the next 20 years, meeting the demand for passenger and freight aircraft will require new technologies and unprecedented manufacturing rates.

Learn more about the materials and processes that will shape next-generation aircraft in a collection of stories from CompositesWorld, Modern Machine Shop and Additive Manufacturing, available to read or download for free. Get it here.