Komposit Termoplastik Siap Revolusi Pesawat Komersial

Komposit termoplastik (TPC) tidak baru di sektor penerbangan, namun beberapa tahun terakhir telah melihat penggunaan termoplastik di pesawat komersial mencapai titik balik. Meskipun TPC telah digunakan untuk beberapa waktu untuk bagian kecil seperti klip dan braket, atau komponen interior kecil, termoplastik telah masuk ke struktur pesawat yang lebih besar secara bertahap dan sekarang tampak siap memainkan peran yang lebih besar di masa depan pesawat komersial.

Pada Maret 2018, Toray Industries Inc. (Tokyo, Jepang), produsen serat karbon terbesar di dunia, mengakuisisi TenCate Advanced Composites (Morgan Hill, Calif., AS dan Nijverdal, Belanda) untuk 930 juta euro (TenCate sejak itu telah mengubah namanya menjadi Toray Advanced Composites). Langkah ini tampaknya merupakan upaya untuk memperkuat kemampuan termoplastik Toray dalam persiapan untuk gelombang berikutnya pengembangan pesawat komersial. Segera setelah pengumuman itu, Hexcel (Stamford, Conn., AS) dan Arkema Inc. (King of Prussia, Pa., AS) mengumumkan aliansi strategis untuk mengembangkan solusi komposit termoplastik untuk penerbangan, menggabungkan keterampilan Hexcel dalam manufaktur serat karbon dengan keahlian Arkema dalam resin polyetherketoneketone (PEKK). Dan selama bertahun-tahun, beberapa bagian dari teka-teki termoplastik tampaknya jatuh ke tempatnya.

Pada April 2018, Premium Aerotec GmbH (Augsburg, Jerman) memperkenalkan demonstrator untuk bulkhead tekanan Airbus (Toulouse, Prancis) A320 yang telah dikembangkan dan diproduksi menggunakan serat karbon dalam matriks termoplastik. Demonstrator ini, yang terdiri dari delapan segmen yang dipajang, menggambarkan bagaimana kemampuan pengelasan termoplastik memiliki potensi untuk memungkinkan komponen pesawat yang lebih besar. (Pelajari lebih lanjut tentang demonstrator bulkhead tekanan A320 Premium Aerotec).

Pada Agustus 2018, Solvay (Alpharetta, Ga., AS), Premium Aerotec dan Faurecia Clean Mobility (Columbus, Ohio, AS) meluncurkan IRG CosiMo (Industry Research Group: Composites for Sustainable Mobility), konsorsium yang berfokus pada pengembangan teknologi bahan dan proses yang bertujuan untuk memungkinkan produksi volume besar komposit termoplastik untuk pasar penerbangan dan otomotif. Konsorsium ini menggabungkan perusahaan sepanjang rantai proses komposit termoplastik dari bahan hingga mesin hingga aplikasi di otomotif dan penerbangan. (Pelajari lebih lanjut tentang konsorsium IRG CosiMo di sini).

Solvay telah bekerjasama dengan GKN Fokker (Hoogeveen, Belanda) untuk memajukan teknologi dan adopsi TPC yang lebih luas untuk struktur penerbangan besar sejak Juni 2017. Perusahaan meluncurkan produksi polimer PEKK pada September 2017 dan kemudian mengkapasikan kapasitas tape UD termoplastik yang terkualifikasi ganda pada 2018. Awal 2019, Solvay mendirikan laboratorium penelitian TPC khusus di Alpharetta, Ga., AS, yang bertujuan untuk pengembangan bahan generasi berikutnya. Solvay berencana memulai kualifikasi garis tape UD baru pada akhir 2019.

Teijin Ltd. (Tokyo, Jepang) mengumumkan pada Januari 2019 bahwa serat karbon TENAX dan tape unidirectional pre-impregnated serat karbon/termoplastik (TENAX TPUD) telah terkualifikasi oleh Boeing (Chicago, Ill., AS) untuk digunakan sebagai bahan komposit canggih menengah untuk bagian struktural primer (Baca berita lengkap di sini).

Seiring berkembangnya teknologi dan bahan serupa ini, gambaran bagaimana industri penerbangan mungkin akan terlihat dalam tahun dan dekade mendatang secara bertahap menjadi jelas. Peran TPC menjadi bagian yang semakin besar dari gambar tersebut.

Pembuat komposit tertarik untuk mengambil manfaat dari manfaat manufaktur dan waktu proses cepat termoplastik, dan dalam menggunakan TPC untuk mulai membuat struktur yang lebih besar seperti panel fuselage dan tulang rusuk. Selain itu, termoplastik memiliki keawetan retakan yang tinggi; properti mekanis yang baik; daur ulang; nyala, asap dan toksisitas (FST) rendah, dan dapat disimpan pada suhu ruangan. Dan seiring OEM dan pemasok tingkat penerbangan menjadi lebih akrab dengan termoplastik, mereka digunakan untuk bagian yang lebih kompleks, asambl yang dipajang, dan struktur primer.

Menurut Steve Mead, managing director di Toray Advanced Composites (dahulu TenCate), "[Produsen pesawat utama] benar-benar mencari solusi bahan yang memiliki kemampuan tarif seperti aluminium dan kemampuan berat seperti bahan berbasis serat karbon — termoplastik sebagian besar menembus jurang itu."

Prosesabilitas TPC

Sebagian besar dari mengapa TPC menemukan tempatnya di program pesawat adalah prosesabilitasnya. Karena termoplastik sudah sepenuhnya terpolimer, mereka memiliki tarif produksi yang lebih cepat daripada termoestabil, yang harus melalui proses pengeringan.

"Saat Anda melihat waktu yang dibutuhkan untuk membuat bagian termoestabil saat ini dan membandingkannya dengan waktu yang dibutuhkan untuk membuat bagian komposit termoplastik, [termoplastik] sekitar 10 kali lebih cepat," ujar Mike Favaloro, presiden dan CEO CompositeTechs LLC (Amesbury, Mass., AS), konsultan industri komposit.

Salah satu keuntungan besar AFP termoplastik otomatis dibandingkan AFP termoestabil — terlepas dari tidak ada siklus pengeringan — adalah tarif produksi yang lebih tinggi karena waktu proses yang lebih cepat. Ada penghematan biaya yang dapat ditemukan dalam laminasi in-situ dan konsolidasi pasca OOA (out-of-autoclave). Selain itu, dengan mengeluarkan autoklaf dari persamaan memungkinkan pengembangan struktur yang lebih besar.

David Leach, direktur pengembangan bisnis untuk ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, AS), mengakui bahwa biaya unit termoplastik melebihi biaya termoestabil, tetapi berpendapat bahwa harga bahan TPC akan turun. Selanjutnya, katanya, efisiensi proses menawarkan peluang untuk mengurangi biaya saat ini. Konsensus umum di industri komposit adalah bahwa proses termoplastik OOA, saat ini, menawarkan penghematan biaya lebih dari 30 persen dibandingkan termoestabil.

"Termoplastik menemukan jalurnya ke dalam program bahkan setelah pesawat telah masuk produksi," tunjuk Leach. "Itu adalah bukti manfaat biaya termoplastik."

Potensi polimer matriks berkinerja tinggi melampaui yang saat ini tersedia di pasar. Doug Brademeyer, kepala Ultra-Polymers Materials di Solvay, mengatakan perusahaan bekerja baik secara internal maupun dengan mitra untuk mengembangkan polimer yang disesuaakan yang dikustomkan untuk berbagai proses pembuatan.

"Kami bersemangat dengan solusi PAEK yang disesuaakan ini dan dapat dengan cepat membawa ini ke komersialisasi dalam aset skala dunia kami, berdasarkan kebutuhan pelanggan," ujar Brademeyer.

Low-melt PAEK

Dengan OEM pesawat dan pemasok bergebur untuk tarif produksi yang lebih tinggi dan waktu siklus yang lebih pendek, prosesabilitas adalah kunci. Polyetheretherketone (PEEK) sejak lama merupakan polimer termoplastik favorit karena memiliki basis data terbesar dan paling banyak terkualifikasi. Namun menurut Favaloro, low-melt polyaryl ether ketone (LM PAEK) menawarkan beberapa keuntungan, terutama untuk metode pemrosesan otomatis seperti ATL.

"PEEK dapat diproses melalui stamp forming dan continuous molding, tetapi LM PAEEK memproses pada suhu yang lebih rendah, memiliki viskositas kerja yang lebih rendah yang memungkinkan pemrosesan otomatis yang lebih baik, dan memiliki derajat kristalinitas yang lebih rendah yang mengurangi stres molding residual," katanya. "Tujuan akhir adalah menggunakan mesin ATL untuk menata [tape] dan selesai — Anda memerlukan derajat kristalinitas yang tepat, jendela yang baik, dan kecepatan tata letak yang baik."

LM PAEK memiliki jendela proses yang luas 350-385°C. Untuk referensi, suhu pemrosesan polyphenylene sulfide (PPS) berkisar 330-350°C, sedangkan suhu pemrosesan polyetherketoneketone (PEKK) dan PEEK adalah 380°C dan 400°C, masing-masing.

"Bahan ini mendapat banyak dorongan karena prosesabilitasnya," ujar Scott Unger, chief technical officer di Toray Advanced Composites. Toray Advanced Composites bekerjasama dengan Victrex (Lancashire, Inggris) untuk menghasilkan Cetex TC1225, tape unidirectional yang menggunakan LM PAEK.

"Tujuan dari pengembangan TC1225 adalah untuk menciptakan produk yang dapat diproses dengan mudah pada suhu yang mendekati yang digunakan untuk PPS, memiliki posisi biaya yang menguntungkan bagi pengguna akhir dan memiliki properti mekanis serta resistensi cairan seperti PEEK," ujar Unger. "Dengan TC1225 LM PAEK, saya merasa kami telah mencapai semua tujuan tersebut."

Cetex TC1225 saat ini dalam proses kualifikasi oleh National Center for Advanced Materials Performance (NCAMP, Wichita, Kan., AS). Selain itu, Toray mengatakan ada dua kualifikasi besar yang didasarkan pada produsen pesawat sedang berlangsung untuk bahan ini, serta beberapa program kualifikasi yang didasarkan pada pasar yang berkembang seperti air taxi dan urban air mobility.

Tape yang menggunakan LM PAEK reportedly menghasilkan kecepatan tata letak yang ditingkatkan. Tim Herr, direktur Aerospace SBU di Victrex, mengatakan, "Kecepatan tata letak yang dapat kami capai baik untuk AFP in-situ maupun AFP consolidated out-of-autoclave adalah tak tertandingi." Dia menunjukkan bahwa 60 meter per menit dapat dicapai pada panel yang dikering dalam oven; 20 meter per menit reportedly mungkin dengan konsolidasi in-situ.

Dalam hal kualitas, Unger klaim bahwa low-melt PAEK menawarkan kemampuan untuk mendapatkan kualitas laminat yang sama menggunakan penempatan serat in-situ seperti dengan laminat penempatan serat yang telah melalui konsolidasi oven pasca penempatan serat.

Bonding komposit

Kemampuan pengelasan TPC adalah keuntungan besar dari bahan untuk digunakan dalam pengembangan pesawat. Penglepan/pengelasan fusion menawarkan alternatif terhadap pemasang mekanis dan penggunaan perekat, keduanya adalah metode yang digunakan untuk menyambung bagian komposit termoestabil.

Stephen Heinz, direktur pengembangan produk di Solvay, mengatakan, "Penyambungan dan pengelasan memainkan peran besar di masa depan perakitan dan memiliki potensi untuk mengurangi biaya serta meningkatkan keandalan aerostruktur. Perusahaan seperti GKN Fokker memimpin dalam demonstrasi pengelasan."

 GKN Fokker (Hoogeveen, Belanda) telah bekerja untuk mengembangkan pengelasan TPC selama beberapa waktu, setelah mulai bereksperimen dengan pengelasan resistensi termoplastik pada tahun 1990-an. Perusahaan telah menggunakan proses pengelasan termoplastik untuk menyambung tulang rusuk internal leading edge dan kulit. Di JEC World 2019, perusahaan menampilkan panel fuselage komposit termoplastik area-ruled yang diproduksi menggunakan tape UD APC (PEKK-FC) Solvay. Panel ini adalah hasil proyek penelitian dan pengembangan bersama antara GKN Fokker dan Gulfstream Aerospace (Savannah, Ga., AS). Bagian ini reportedly adalah panel komposit termurah, karena penguatan orthogrid sederhana "butt-jointed" dan bingkai yang sepenuhnya dipajang.

"Dengan termoplastik, orthogrid dapat sangat disederhanakan dengan 'butt joining' grid ke kulit," menjelaskan Arnt Offringa, kepala Pengembangan Teknologi Komposit Termoplastik untuk GKN Fokker. "Grid sekarang terdiri dari preform datar sederhana yang dikonsolidasikan bersama dengan laminat kulit untuk membentuk cangkang terintegrasi yang berbiaya rendah dan dikakuken. Bingkai dipajang pada grid. Pengelasan ini dibebani dalam geser, sehingga memungkinkan untuk menghilangkan semua baut."

Sementara struktur termoplastik yang dipajang telah digunakan pada pesawat selama beberapa waktu, teknologi sekarang tampak siap untuk digunakan dalam struktur primer. Mike Favaloro percaya pembuat komposit penerbangan dan OEM semakin yakin dengan TPC, terutama dengan kontrol proses. "Pada horizonte 10 tahun kita akan mulai melihatnya diadopsi jauh lebih banyak," katanya.

Baca lebih lanjut tentang teknologi pengelasan dalam artikel Ginger Gardiner "Welding thermoplastic composites."

 

Going tool-less

Inovasi lain di horizon yang dapat mempercepat penggunaan termoplastik adalah manufaktur komposit tanpa cetakan. Konsepnya, seperti yang namanya implikasikan, menghilangkan kebutuhan akan cetakan dan alat tradisional, menggantikannya dengan robotika.

Produsen penerbangan General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, San Diego, Calif., AS) sedang mengembangkan proses tersebut untuk pembuatan struktur komposit termoplastik. Composite Automation LLC (Cape Coral, Fla., AS), menggunakan peralatan Mikrosam (Prilep, Makedonia), bekerja sama dengan GA-ASI untuk mengembangkan otomatisasi. Proses ini menggunakan dua robot 6-axis yang bekerja sama untuk menempatkan tape termoplastik. Satu robot terdiri dari sistem penempatan tape unidirectional standar yang memberikan pemanas laser untuk melakukan konsolidasi in-situ bahan termoplastik. Robot kedua memberikan dukungan, bekerja berlawanan dengan lapisan tape otomatis (ATL) untuk menyediakan permukaan cetakan bergerak yang ATL tempatkan tape di atasnya. (Untuk mengetahui lebih lanjut, lihat "General Atomics Aeronautical developing tool-less thermoplastics composites process.")

Recyclability

Manfaat lain dari TPC adalah daur ulang. Karena polimer termoplastik dapat dicairkan kembali dan dibentuk ulang, beberapa perusahaan melihat TPC sebagai cara untuk menggunakan kembali bahan.

Salah satu inisiatif daur ulang seperti itu, yang dioperasikan oleh Thermoplastic Composites Application Center (TPAC, Enschede, Belanda) dan Thermoplastic Composites Research Center (TPRC, Enschede, Belanda), difokuskan pada penggunaan kembali sisa produksi dari pemrosesan TPC, dari pengumpulan hingga penggiling dan pemrosesan ulang hingga aplikasi. Proyek TPC-Cycle berusaha mengembangkan jalur daur ulang yang terjangkau dan ramah lingkungan untuk pasar volume besar kelas atas — sambil menghasilkan bahan yang mempertahankan sebanyak mungkin properti mekanis dari bahan termoplastik asli. Proyek ini mengakui waktu siklus pendek, manufaktur bentuk net dan dikatakan memungkinkan produksi bentuk kompleks.

Kolaborasi ini mencakup beberapa mitra industri dalam rantai nilai, dari bahan, manufaktur, desain dan aplikasi, termasuk GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Rheden, Belanda), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Belanda) dan Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Belanda).

 

The right material for the right job

Jadi di tengah kegembiraan tentang bahan ini, pertanyaan yang timbul adalah, apakah TPC telah tiba? Pemasok tingkat 1 dan 2 penerbangan sedang berinvestasi di termoplastik. Ada lebih banyak minat dan investasi dari pemasok kecil dan menengah. Konsorsium seperti IRG CosiMo melihat baik pasar penerbangan maupun otomotif untuk memajukan teknologi proses guna mencapai produksi volume besar.

"Itu adalah Trifecta," ujar Mead, "OEM berinvestasi, para pemain mesin berinvestasi, bahan yang tepat telah dikembangkan. Semua komponen resep sedang bersama."

Dalam cakupan yang lebih luas, apa artinya semua ini ketika berkaitan dengan penggunaan bahan pada pesawat generasi berikutnya? Tapi, ada banyak bahan yang bersaing untuk mendapatkan tempat di pesawat masa depan, dan inovasi tidak melambat — komposit termoestabil terus berkembang; aluminium dan titanium akan terus memainkan peran.

"Saat produsen pesawat mengembangkan dasar kualifikasi dengan termoplastik, mereka sekarang memiliki pilihan," ujar Unger. "Dan pilihan itu akan didasarkan pada memilih bahan yang tepat untuk aplikasi tertentu yang memenuhi persyaratan tarif produksi dan biaya untuk komponen atau struktur yang bersangkutan. Saat Anda melihat penerbangan komersial ke depan, yang menurut saya Anda akan lihat produsen pesawat melakukan adalah menggunakan bahan yang tepat untuk pekerjaan yang tepat. Jika sebuah bahan memungkinkan struktur yang paling tepat dengan biaya terendah dan memenuhi persyaratan tarif build program, itu akan menemukan jalannya ke pesawat."

Generasi Berikutnya Manufaktur Penerbangan

Dengan industri penerbangan komersial diproyeksikan akan melipat ganda dalam 20 tahun ke depan, memenuhi permintaan pesawat penumpang dan pengiriman akan membutuhkan teknologi baru dan tingkat manufaktur yang tak tertandingi.

Pelajari lebih lanjut tentang bahan dan proses yang akan membentuk pesawat generasi berikutnya dalam kumpulan cerita dari CompositesWorld, Modern Machine Shop dan Additive Manufacturing, yang tersedia untuk dibaca atau diunduh secara gratis. Dapatkan di sini.