Pemesinan Hybrid Waterjet–Laser Meningkatkan Efisiensi Komponen CFRP & CMC
Seiring dengan proliferasi bahan polimer terkuat serat karbon (CFRP) dan komposit matriks keramik (CMC) di mesin pesawat, komponen ruang angkasa dan aplikasi hipersonik, pemesinan menjadi masalah di mana presisi dan efisiensi dapat mengubah hasil program. Mencoba memesin fitur yang handal dan akurat tinggi ke dalam CFRP dan CMC dapat menantang karena kekerasan dan abrasivitasnya, menghasilkan tarif pemesinan lambat, efek tidak diinginkan pada properti bahan, ketidakmampuan untuk memenuhi spesifikasi bagian dan biaya operasional tinggi, termasuk penggantian alat yang berulang.
Untuk menghadapi tantangan ini, berbagai teknologi laser telah dikembangkan untuk pemesinan komposit canggih tersebut. Sementara laser menawarkan potensi untuk efisiensi yang ditingkatkan dan eliminasi biaya alat yang berulang, panas yang dihasilkan menyerap ke dalam bahan, menciptakan potensi untuk mikro-retakan dan perubahan bahan. Laser juga memotong pada titik fokus cahaya, menghasilkan potongan V-angled yang dapat menjadi masalah untuk toleransi yang presisi.
Teknologi Laser MicroJet yang dikembangkan oleh Synova (Duillier, Swiss) menciptakan sinar laser yang sepenuhnya terkandung dalam waterjet. Laser dipantulkan pada antarmuka air-atau-air, mirip dalam prinsipnya dengan serat optik, sementara air menyejukkan zona pemotongan dan membersihkan sisa dari kerf. Keuntungan Laser MicroJet dibandingkan laser konvensional reportedly termasuk tidak ada pembakaran atau degradasi termal, lebih sedikit burr untuk permukaan yang lebih halus, potongan sisi lurus dan presisi yang lebih tinggi.
CW pertama kali menemui Laser MicroJet dalam tur 2017 ke pabrik produksi GE Aviation di Asheville, N.C., AS untuk komponen mesin CMC. Di sini, digunakan untuk memesin lubang di shroud CMC untuk mesin pesawat LEAP. "Teknologi ini membantu mempertahankan tingkat akurasi yang tinggi pada diameter lubang," ujar Ryan Huth, manajer produksi CMC GE Aviation. "MicroJet dapat membuat lubang ini dalam dua menit versus satu jam dengan pemesinan konvensional," ujar Huth. CW's majalah saudara, Modern Machine Shop, juga telah menerbitkan artikel informatif tentang Laser MicroJet.
Kekuatan air dan cahaya
Synova didirikan pada 1997 oleh Dr. Bernold Richerzhagen, yang mematentkan teknologi Laser MicroJet setelah risetnya di Federal Institute of Technology (EPFL, Lausanne, Swiss) pada tahun 1990-an. Teknologi ini secara luas diadopsi untuk pemotongan wafer semiconductor pada 2001. Synova kemudian mendirikan subsidi lokal di AS, Jepang, India dan Korea pada 2003. Ini telah diperluas untuk sekarang mencakup pusat mikromesin, dengan perencanaan perluasan dekat ke Taiwan dan China. Pada 2009, Synova mendirikan kemitraan pengembangan bersama dengan Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokyo, Jepang), memperkenalkan serangkaian mesin baru dan memajukannya untuk pemesinan alat medis, mekanisme jam, palang turbin gas dan mesin jet, perangkat semiconductor dan alat potong dari bahan superkeras.
Dalam sistem Laser MicroJet, sinar laser melewati ruang tekanan air dan difokuskan ke dalam nozzle. Laser adalah jenis industri umum — solid state Nd:YAG — dengan daya 10-200 watt dan panjang gelombang 1,064 (infra merah), 532 atau 355 nanometer. Jet halus seperti rambut — diameter 50-70 mikron — dari air difilter dan deionisasi digunakan pada tekanan rendah 200-650 bar. Ini menghasilkan konsumsi air rendah, sekitar 2-3 L/jam, dan gaya yang tidak signifikan kurang dari 0,1 newton yang dikerjakan pada bahan.
Bagaimana mungkin untuk mencapai ablasi laser yang efisien di dalam air? "Laser dipulser sekitar 10.000 kali per detik," menjelaskan Jacques Coderre, manajer bisnis Synova untuk AS. "Untuk setiap pulser laser, plasma dihasilkan yang mendorong air ke atas, memungkinkan ablasi untuk terjadi. Pada akhir pulser, plasma runtuh dan air sekarang membersihkan permukaan serta menyerap panas." Dia mencatat bahwa waterjet juga menghilangkan kompleksitas dan variasi proses dalam mempertahankan laser fokus yang biasanya diperlukan dengan sistem laser kering. "Ini memungkinkan pemotongan bagian tebal atau tidak rata tanpa harus khawatir tentang fokus," ujar Coderre. "Teknologi ini juga menghasilkan silinder laser yang menciptakan dinding yang sepenuhnya paralel dengan lebar kerf yang sempit."
Mengonfigurasi untuk komposit
Laser MicroJet bekerja baik untuk CMC, tetapi juga untuk CFRP dan laminat tumpukan. Saat pengujian, menghasilkan lubang diameter 3 milimeter dalam laminat CFRP tebal 2,6 milimeter pada kecepatan hingga 1.440 mm/min. "Dengan laser konvensional, Anda harus melambat karena panas," catat Coderre. "Pabrik konvensional dapat mencapai kecepatan yang serupa tetapi memiliki biaya operasional yang lebih tinggi karena penggantian alat yang diperlukan."
Laser MicroJet dapat memotong laminat CMC tebal 1 inci. "Kecepatan didasarkan pada tingkat ablasi yang cukup konstan 1 mm3/min," mengamati Coderre.
Synova memiliki berbagai mesin, memperkenalkan sistem CNC LCS 305 lima-axis tahun lalu. "Mesin ini unggul dalam potongan 3D yang akurat dan cocok untuk bagian CMC kecil," menjelaskan Coderre. "Tapi ini tidak cocok untuk bagian CFRP besar." Untuk ini, Synova telah mengintegrasikan Laser MicroJet-nya ke dalam mesin gantry, mampu memesin bagian lebih besar dari 2 meter x 3 meter. "Ini juga mudah diintegrasikan dengan robot dan mudah diprogram," katanya. Untuk potongan 2D, perangkat lunak MicroJet mengonversi file CAD menjadi kode mesin. Setelah diverifikasi, operator cukup menekan tombol dan mesin melakukan rutinitas pemotongan. Untuk potongan 3D, Coderre menjelaskan bahwa postprocessor mengekstrak data 3D yang diperlukan dari file CAD dan memformatnya untuk Laser MicroJet.
Untuk kemampuan Factory 4.0, meter daya laser, sensor posisi dan koreksi sudut jet otomatis terintegrasi ke dalam sistem Laser MicroJet. "Ini sangat fleksibel," ujar Coderre, "mudah diintegrasikan ke dalam produksi bagian sebagai sistem mandiri atau sebagai bagian dari garis otomatis penuh untuk produksi volume besar tanpa operator." Teknologi ini sudah terbukti di bagian CMC untuk mesin pesawat LEAP, katanya. "Untuk komposit, ini menawarkan biaya manufaktur yang lebih rendah, yang dicapai melalui kecepatan produksi yang lebih cepat, biaya operasional yang lebih rendah, keandalan yang lebih tinggi dan hasil yang lebih tinggi." Efisiensi seperti ini memang yang dibutuhkan komposit seiring dengan berkembangnya bahan, pasar dan teknologi logam bersaing baru.
