Bagaimana Serat Karbon Mempercepat Masa Depan eVTOL Angkutan Udara

Blog ini sebagai tanggapan terhadap artikel Januari 2019 di majalah WIRED, yang mengklaim produksi komposit serat karbon menahan pengembangan pesawat kendaraan listrik (EV)/vertical takeoff and landing (VTOL) untuk pasar mobilitas perkotaan dan angkutan udara. Saya akan membahas ini, namun juga menawarkan beberapa teknologi baru yang berpotensi mengganggu, jadi baca sampai akhir.

Meskipun saya mengapresiasi penulis untuk menutupi industri yang muncul dengan cepat ini, dan untuk menyinggung kebutuhan merancang dengan mempertimbangkan kemanufakturan, dia kadang-kadang menyesatkan, kemungkinan besar karena dia tidak terlalu terdidiri tentang industri komposit. Misalnya:

Sementara itu benar secara teknis, Airbus sedang meningkatkan produksi ke 60 pesawat A320/bulan pada mid-2019 dan Boeing sedang menuju 57 pesawat/bulan untuk B737, juga pada 2019. Untuk A320, ini berarti memproduksi tiga 6,3-m-tinggi rangkaian ekor vertikal plastik terisi serat karbon (CFRP) per hari dan juga tiga rangkaian ekor horizontal CFRP 12,45-m-lebar per hari.

Rakit otomatis FLEXMONT untuk produksi CFRP ekor vertikal pesawat A320 (atas) dan Pultrusion RTM (14 cm/menit) untuk produksi stringer sayap pesawat A350 (bawah). SUMBER: Fraunhofer dan CTC Stade.  

Juga, Airbus telah memvalidasi satu teknologi setelah yang lain — banyak yang menggunakan komposit, dan semuanya bertujuan pada 60-70 pesawat per bulan — untuk iterasi berikutnya dari A320, yang disebut A320 Neo Plus. Teknologi komposit ini mencakup portofolio termasuk transfer resin (RTM), cetakan kompresi sheet molding compound (SMC) dan komposit termoplastik (TPCs) yang memiliki waktu siklus yang dengan mudah mampu 700+ pesawat per tahun. Beberapa teknologi terbaru yang sedang dikembangkan sedang memotong waktu siklus bagian CFRP dari 4 jam menjadi 15 menit atau kurang. Sebagian besar teknologi baru yang divalidasi Airbus sangat terotomatisasi, seperti metode rakit baru.

Industri otomotif juga telah membuka jalan menuju produksi massal yang lebih tinggi daripada yang akan dibutuhkan eVTOL (WIRED menyebutkan proyeksi permintaan 23.000 kendaraan pada 2035). BMW meningkatkan produksi model i3 dan i8 — keduanya memiliki sel penumpang seluruhnya CFRP — dari 130 hingga 200 unit/hari dan pemasok Audi Voith Composites memproduksi dinding belakang CFRP untuk A8 pada tingkat 150-300 unit/hari. Catat bahwa modul BMW i3 dan i8 sangat mirip dengan badan pesawat yang ditunjukkan di bawah untuk helikopter Airbus EC 135 — kedua produsen kemudian memasang eksterior dan komponen interior pada bingkai ini.

Badan badan BMW i3 dan i8 sangat mirip dengan helikopter Airbus EC135.
SUMBER: Milestones of the Leading-Edge Cluster – Review and Future Prospects, MAI Carbon, pp 36-7 (atas), BMW dan Airbus Helicopter (bawah).

Sementara itu, dinding belakang Audi A8 dibuat dengan waktu siklus 5 menit menggunakan RTM dan penempatan otomatis tape serat karbon kering, yang disesuaikan panjang dan orientasi serat untuk memenuhi beban spesifik, dan bervariasi dari dasar 6 lapisan (1,5 mm tebal) hingga 19 lapisan (3,7 mm tebal) di mana penguatan lokal ditambahkan untuk memenuhi beban titik tinggi. Bagian tunggal ini menyediakan 33 persen kekakuan torsional sel penggerak pada 50 persen berat dibandingkan dengan rangkaian tiga hingga lima bagian logam yang di las.

Dinding belakang Audi A8 2019 terbuat dari CFRP dalam 5 menit dari tape serat karbon.SUMBER: Audi dan Voith Composites.

Termoplastik

Namun contoh-contoh ini bahkan tidak mengeksploitasi teknologi termoplastik, yang dipilih sebagai pilihan untuk pesawat menengah baru Boeing (NMA), yang dijadwalkan untuk diumumkan sebelum 2Q 2019. Bagian termoplastik telah terbang di pesawat sejak tahun 1990-an, sementara pengembangan telah berlanjut, dengan Airbus dan pemasok Tier 1 Eropa membuat prototipe bagian sayap dan fuselage yang semakin besar (dengan penguat terintegrasi), scaling ke demonstrator fuselage ukuran penuh tahun ini. Catat bahwa komposit termoplastik juga memungkinkan pengelasan, memberikan peluang lebih lanjut untuk menghilangkan perekat dan rangkaian.

Automated Dynamics, kini bagian dari Trelleborg Group, menghasilkan boom ekor helikopter CF/PEEK ukuran penuh yang terintegrasi penguat pada 2012 menggunakan konsolidasi in-situ selama penempatan serat otomatis, menghilangkan siklus autoclave yang panjang serta perekat dan lem.
SUMBER: Automated Dynamics, Trelleborg

Rantai pasokan untuk material dan pemrosesan TPC telah menggumpal dengan cepat selama tiga tahun terakhir, dengan semua pemasok serat karbon utama sekarang menghasilkan tape termoplastik dan bagian cetak di atas yang waktu siklus rendah yang ditunjukkan oleh beberapa perusahaan untuk aplikasi penerbangan dan otomotif. Pengelasan termoplastik juga telah ditunjukkan oleh beberapa perusahaan.

Cuplikan dari "Overmolding as enabler for composites, aerospace to automotive", wawancara dengan Scott King di pembuat komposit CCP Gransden:

CCP Gransden telah menyempurnakan teknologi termoforming satu langkah dan cetak di atas komposit termoplastiknya untuk menghasilkan komponen kompleks ringan dengan biasanya waktu siklus < 2 menit, menggunakan berbagai macam polimer dan serat. SUMBER: CCP Gransden

 

Teknologi Terbaru

Namun teknologi telah bergerak maju sejak 2014 hingga kini mencakup beberapa perkembangan menarik:

Termoplastik-cetak di atas Termoset

Proyek OPTO-Light di AZL Aachen menunjukkan cetak di atas komposit termoplastik (TPC) rusuk dan klip pada bagian komposit serat karbon/epoksi.

   

Overmolding + UD Load-carrying Pultrusions

Proyek MAI Skelett telah menunjukkan pultrusion TPC yang dicetak di atas dalam proses dua langkah, 75 detik untuk menghasilkan anggota atap struktural/bingkai kaca depan yang melebihi semua persyaratan bagian BMW i3 sambil mengintegrasikan siapan dan klip, serta mengubah perilaku tabrakan dari mode kegagaler rapuh menjadi duktil untuk kekuatan sisa BIW yang ditingkatkan.

Mitra proyek SGL Carbon kini menyediakan serat karbon dengan ukuran yang sesuai untuk solusi matriks tunggal menggunakan keluarga PP atau PA6, termasuk pultrusion, organosheet dan komposit cetak di atas serta keahlian desain dan proses untuk pengembangan bagian, yang terakhir melalui Lightweight Applications Center (LAC, Meitingen, Jerman).

Sistem perekat paten baru dan presisi tinggi BMW menggunakan klip injeksi atau cetak di atas (bawah) dan bola pencetakan 3D (atas) tanpa perekat, lubang bor atau lem. Gambar bawah menunjukkan bagaimana sistem ini memungkinkan hiasan interior pencetakan 3D kustom untuk "dipasang" sebagai bagian dari program 2019 MINI Yours Customised.

SUMBER: Paten DE 10 2013 214 269 B3 (atas)
https://www.youtube.com/watch?v=1pyxNKw-nf8 (bawah)

Kembali ke artikel WIRED dan klaim yang tidak didasari:

Benar bahwa metode produksi CFRP ini telah digunakan selama bertahun-tahun, namun juga benar bahwa produsen pesawat dan otomotif telah beralih ke material dan proses yang lebih terotomatisasi, hampir nol limbah, serta termoplastik dengan keuntungan yang terbukti dalam menghilangkan perekat, memungkinkan daur ulang/konten daur ulang dan perbaikan.

Pada akhirnya, penulis WIRED menyangkal tesis keseluruhannya karena pioneer eVTOL ICON berencana untuk tidak hanya melanjutkan badan pesawat CFRPnya namun juga memproduksi bagian untuk pesawat yang lebih besar. Serat karbon jelas tidak akan melumpuhkan eVTOL melainkan justru sudah memainkan peran kunci dalam perusahaan yang mendorong rekayasa cerdas untuk berbagai kendaraan masa depan, baik di udara maupun di jalan raya. Penggunaan teknologi terbaru masuk akal karena semua kendaraan baru ini harus disertifikasi terlepas dari apa pun.

Satu poin kunci dibuat dalam artikel oleh CEO BetaTechnologies Kyle Clark:

CEO Blue Force Technologies Scott Bledsoe juga menekankan pentingnya memiliki tim aerodinamika, propulsif, gaya, struktur dan manufaktur, masing-masing dengan kursi yang setara di meja selama setiap langkah desain dan pengembangan.

Namun mungkin hal terpenting adalah untuk tetap up to date tentang kemana manufaktur komposit bergerak dan terhubung dengan banyak pemasok material, peralatan dan teknologi yang ingin berbagi keahlian mereka dan membantu mengembangkan aplikasi masa depan. Hubungi kami di CompositesWorld karena itulah yang kami lakukan — menyediakan koneksi dan informasi teknis yang andal.