Merevolusi Manufaktur Komposit untuk Membuka Peluang Pasar Baru

Meskipun basis perusahaan pasti filament winding, CompoTech telah mendorong proses ini ke aplikasi baru melalui winding berbasis pin, overwinding dan konsep tooling serta bahan inovatif. Hasilnya adalah fluida dalam proses yang sering mencapai tingkat performa baru melalui hibridisasi, misalnya, dengan logam dan metode manufaktur seperti 3D printing dan versi sendiri dari automated fiber laying (AFL).

 

CompoTech menghasilkan bagian untuk berbagai aplikasi termasuk peralatan industri (assemble vacuum gripper, kiri atas) dan peralatan pertanian (boom sprayer, kanan atas) dari fasilitas di Sušice, Republik Czech (bawah). SUMBER:  Bilsing Automation (gripper, kiri atas), Hardi International (spray boom, kanan atas) dan CompoTech.

CompoTech (Sušice, Republik Czech) didirikan pada 1995 oleh Ondrej Uher dan Vitek Sprdlik, sekarang masing-masing R&D director dan technical director perusahaan. "Mereka awalnya membangun mesin filament winding untuk menghasilkan batang paddle kayak dan kanu yang mengintegrasikan teknologi sendiri untuk axial winding serat 0°," menjelaskan Humphrey Carter, business development director CompoTech. "Ini sekarang adalah kompetensi inti. Kami telah menunjukkan bahwa konstruksi ini menghasilkan struktur yang lebih kuat dan lebih kaku dengan resistensi yang lebih tinggi terhadap buckling serat."

Perusahaan juga mengembangkan kemampuan untuk winding hoop komposit integral untuk koneksi. Ini digunakan dalam bagian mulai dari spar layang layang hingga driveshaft dan komponen industri. "CompoTech merancang mesin dan perangkat lunak kontrol," ujar Carter. "Karena kami memiliki kontrol penuh atas proses, kami dapat lebih baik mengoptimalkan desain. Kami mengembangkan teknologi proses yang disesuaikan dengan kriteria desain dan dapat menyediakannya untuk mitra teknologi kami serta desainer dan produsen komposit. Misalnya, kami telah melisensikan teknologi ke Southern Spars/North Marine Group."

 

CompoTech memilat serat di sekitar pin (kiri) untuk menghasilkan struktur
dengan konektor terintegrasi (kanan). SUMBER: CompoTech

 

Merancang mesin perkakas

Saat ini, perusahaan menempati sekitar 50 orang, dengan hampir setengahnya di desain dan teknik. Ini juga memiliki hubungan yang kuat dengan Czech Technical University (CTU) di Praha dan juga dengan University of West Bohemia (Pilsen, Republik Czech). CompoTech telah mengembangkan solusi komposit untuk berbagai aplikasi, termasuk boom untuk peralatan spray pertanian, shaft untuk ujung palang angin, bingkai dan roda sepeda, tabung dan bingkai untuk assemble gripper otomotif dan komponen gantry ringan untuk laser cutter dan mesin CNC.

"Kami bekerja sejak awal tahun 2000 di sektor perkakas industri dan mesin karena prevalensinya di Republik Czech," menjelaskan Carter. "Ini adalah industri yang sangat konservatif yang tidak mengenal komposit. Jadi, kami pergi ke pameran perkakas mesin dan mendidik mereka. Industri itu sudah tahu bahwa getaran dari bagian yang mempercepat dan dari permukaan pemotongan, seperti gigi milling, menyebabkan penurunan akurasi pemesinan dan umur alat. CompoTech menjelaskan bahwa harmonics alat potong — getaran berdasarkan massa, kekakuan dan beban/gaya yang diterapkan — sering kali adalah faktor pembatas performa dan produktivitas. Tidak dikenal dengan baik adalah bahwa carbon fiber reinforced plastic (CFRP) dapat digunakan dalam struktur mesin dan holder alat untuk mengurangi massa dan meningkatkan kekakuan dibandingkan baja. Menggunakan pitch fiber, CompoTech melaporkan pengurangan berat 25% dan peningkatan kekakuan 200% (400 GPa tercapai dengan fiber unidirectional), masing-masing. Ini adalah dua cara utama untuk meningkatkan frekuensi alami struktur dan mencegah resonansi. Ini terjadi ketika struktur bergetar sendiri, yang memperparah masalah untuk bagian berputar yang sudah rentan getaran dan mesin kecepatan berubah-ubah.

 

CompoTech menggunakan CFRP dan bahan penahan getaran tambahan untuk mengurangi berat dan meningkatkan kekakuan serta penahanan getaran dibandingkan baja untuk mencegah getaran. Teknologi mereka juga mengurangi drift mesin perkakas, yang meningkatkan performa dan produktivitas pemesinan.  SUMBER: CompoTech

"Menggunakan proses kami untuk CFRP juga mengurangi drift mesin perkakas dibandingkan komposit autoclaved karena kami menginduksi stres termal yang lebih sedikit," tambah Carter. "Holder alat sering kali adalah balang panjang dan langsing yang dapat berubah seiring waktu, tergantung pada desain dan komposisi materialnya. Ini kemudian mempengaruhi posisi relasional alat, mengurangi akurasinya."

Untuk penahanan getaran, CompoTech telah melebihi sifat inherent dari fiber dan komposit polimer untuk menyelaraskan inklusi bahan lain, menyediakan penahanan getaran 12 hingga 20 kali lebih banyak dari baja, secara langsung mengantisipasi getaran dan bertindak untuk mempercepat pengayunnya (lihat grafik di atas). "Kami memiliki lebih dari satu dekade pengalaman merancang komposit dengan penahanan getaran untuk mencapai properti dan performa yang diinginkan," ujar Carter. Satu contoh adalah desain chuck workpiece baru sehingga diperlukan gela clamping jauh lebih sedikit dibandingkan chuck baja. Contoh lain adalah fixture yang dimodifikasi untuk pemutaran casing low pressure turbine (LPT) mesin pesawat yang terbuat dari Inconel 718 alloy yang sulit dimesin. Dikembangkan melalui proyek INTEFEX yang didanai Uni Eropa, CompoTech mengembangkan cincin CFRP untuk mengganti cincin logam yang digunakan sebagai lokator dalam fixture. Hasilnya adalah tidak ada kehilangan kekakuan atau fungsi sambil meningkatkan perilaku workpiece dan performa pemesinan yang lebih baik. Dalam arti, fixture dibuat cerdas, dapat menyesuaikan clamping workpiece sesuai kebutuhan selama proses.

 

CompoTech telah mengembangkan, dalam kolaborasi dengan CTU, KIMM dan Samyang Reduction Gear, gearbox hybrid logam/komposit kendaraan listrik dan shaft gear menawarkan pengurangan berat dan kebisingan. SUMBER: CompoTech

CompoTech juga memiliki pekerjaan berkelanjutan pada gearbox hybrid logam/komposit kendaraan listrik, bertujuan untuk mengurangi massa 25 persen dan juga mengurangi kebisingan dengan meningkatkan frekuensi alami dan penahanan getaran. Proyek ini (2016 hingga Oktober 2019) dalam kolaborasi dengan Czech Technical University (CTU) di Praha, Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM, Daejeon, Korea Selatan) dan Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Korea Selatan). Badan utama gearbox akan komposit dengan insert logam untuk permukaan pengisian. CompoTech merancang dan menghasilkan casing gearbox atas dan bawah, serta shaft gear. Semua terdiri dari berbagai bagian, yang diperekat bersama. CTU menyediakan pengujian dan analisis FE, sementara mitra Korea proyek menyediakan spesifikasi teknis dan akan menyelesaikan, merakit dan menguji gearbox.

 

CompoTech telah mengembangkan aileron satu potongan menggunakan filament welding dan tulang rusuk longitudinal — alih-alih tulang rusuk bulkhead konvensional, prepreg dan perekat bonding — menghasilkan struktur ringan dan tahan delaminasi, terutama di trailing edge.
SUMBER: Ginger Gardiner, CW at JEC 2019

 

Aileron tahan delaminasi

Carter menjelaskan bahwa banyak dari R&D CompoTech untuk mesin perkakas kemudian diterapkan ke aplikasi baru, seperti aileron untuk pesawat pelatih jet Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, Republik Czech) L-39NG. "Ini adalah aplikasi yang menuntut, dengan tekanan sangat tinggi di trailing edge," katanya. Selain beban penerbangan, versi bersenjata pesawat mengalami gelombang tekanan ketika roket yang dipasang di sayap ditembakkan. "Dengan konstruksi komposit konvensional, terjadi delaminasi di trailing edge aileron," catat Carter. "Kami menghilangkan semua perekat bonding dan alih-alih menciptakan struktur integral menggunakan wet filament winding dan co-curing. Kami menghabiskan bulan-bulan mengembangkan desain dan langkah proses. Pertama, winder bantu robot kami digunakan untuk filament weld keempat box beam yang membentuk spar aileron. Ini adalah trapezoid dan kemudian D-shape di forward dan trailing edge. Trailing edge juga memiliki potongan terpisah yang ditempatkan di atasnya untuk menciptakan permukaan yang lebih aerodinamis."

"Kami kemudian menyatukan semua bagian ini pada mandrel mereka bersama dan overwind untuk menciptakan permukaan luar di atas tulang rusuk longitudinal," lanjut Carter. Seluruh struktur vacuum bagged dan dikuring pada suhu ruangan dengan post-curing pada 90°C.

Proyek ini adalah contoh bagaimana kami bekerja sama dengan pelanggan mengembangkan teknologi proses dan desain. Ide kami bukan untuk mass producing aileron atau bagian lain. Kami akan memproduksi mesin dan pelanggan kami akan wind bagian. Aileron sekarang terbang dan Aero Vodochody memiliki backlog 4 tahun untuk pesanan L-39NG jet trainer.

Secara umum, proses wet winding CompoTech didasarkan pada presisi, pada dasarnya menciptakan towpreg secara langsung. "Kami sebagian besar menggunakan resin epoksi dan curing 100°C," ujar Carter. "Untuk aplikasi yang membutuhkan Tg lebih tinggi, seperti beberapa downhole tools yang kami produksi untuk digunakan di industri minyak dan gas, kami dapat curing pada 140°C."

   

Contoh komposit seluler 3D untuk kekakuan aksial tinggi, bagian tebal dan kompleks. SUMBER: CompoTech

Proses baru

3D cellular composite (3Dc) adalah nama CompoTech untuk serangkaian proses yang menghasilkan komposit dengan penguatan tiga dimensi. Hasilnya adalah penampang dengan penampilan seluler, konstruksi ini mencapai kandungan serat aksial tinggi di arah x yang terhubung dengan serat di arah y dan z, yang membentuk dinding sel. Kami menciptakan proses ini untuk bagian tebal yang memerlukan kekakuan aksial yang sangat tinggi," ujar Carter. Kekakuan itu diciptakan oleh kandungan serat 0° (aksial) yang sangat tinggi. Dinding sel juga membawa beban geser di seluruh penampang melalui dinding sel dan memungkinkan penampang yang lebih menarik untuk direalisasikan, seperti T-slot yang ditampilkan di atas.

Perusahaan juga mencetak 3D mandrel dan support untuk memenuhi persyaratan torsi dan frekuensi alami tanpa laminat yang lebih tebal. "Ini adalah proyek lain yang bekerja sama dengan CTU," ujar Carter, "di mana kami mengembangkan desain internal otomatis struktur." Dia mencatat bahwa winding komposit termoplastik sedang melonjak secara masif. "Itu adalah langkah berikutnya kami, untuk menggabungkan winding termoplastik kami dengan 3D printing dan menggunakan folding untuk menciptakan alat cetak inovatif untuk komposit serta struktur mesin perkakas."

   

CompoTech menggunakan proses hybrid untuk menciptakan struktur gantry CFRP yang kaku dan ringan yang meningkatkan akurasi dan kecepatan mesin. SUMBER: CompoTech, Eagle Laser.