Kemajuan dalam Pengelasan Komposit Termoplastik: Dari Riset hingga Penggunaan Komersial

Blog ini menemani fitur September 2018 “Pengelasan komposit termoplastik”. Ini adalah kumpulan gambar dan detail yang tidak muat dalam artikel cetak, termasuk timeline pengembangan pengelasan induksi dan detail kualifikasi untuk pesawat komersial masa depan, serta bagian singkat tentang perbaikan, pengembangan untuk otomotif dan pengelasan termoset ke termoplastik (TS-TP).

Hanya untuk mengulangi mengapa assembly komposit termoplastik terelasi (TPC) menarik untuk struktur ringan penerbangan dan otomotif, bandingkan dua gambar di bawah ini dari bulkhead tekanan belakang Airbus A320. Gambar atas adalah versi saat ini yang terbuat dari aluminium. Perhatikan jumlah besar baut sekrup. Sekarang bandingkan dengan demonstrator TPC terelasi yang ditampilkan oleh Premium Aerotec pada pameran udara ILA 2018 di Berlin. Perhatikan ketidakadaan baut sekrup. Untuk komposit, ini tidak hanya menghilangkan bobot, waktu dan biaya pematang, tetapi juga waktu dan biaya penempatan dan pembuatan lubang, plus pembersihan dan inspeksi lubang tersebut. Ini juga berarti struktur yang jauh lebih ringan tanpa pad up laminat yang diperlukan untuk menutupi potongan melalui serat beban.

Bulkhead tekanan belakang A320 komposit termoplastik terelasi (bawah) menawarkan solusi tanpa baut dibanding konstruksi aluminium saat ini (atas). SUMBER: RUAG (atas) dan Premium Aerotec (bawah), DLR Center for Lightweight Production Technology (Augsburg, Jerman)

“Manfaat lain adalah inspeksi untuk struktur terelasi lebih mudah dibanding assembly yang ditempelkan lem,” kata Dr. Hans Luinge, direktur R&D dan pengembangan produk komposit termoplastik untuk penyedia material TPC TenCate-Toray Group. “C-scan bekerja dengan baik, menunjukkan jika tidak ada porositas dalam laminat, yang berarti las yang baik. Untuk struktur yang ditempelkan lem, Anda dapat memiliki kissing bond atau kontaminan yang sulit terdeteksi.” Meskipun TenCate-Toray tidak mengembangkan teknologi las itu sendiri, ia mendukung berbagai proyek industri dan pelanggan. “Kami mengoptimalkan material kami sesuai kebutuhan,” kata Luinge, “dan mencoba membantu mengarahkan pengembangan ke arah yang benar berdasarkan partisipasi jangka waktu kami dalam upaya seperti TAPAS dan dengan mitra seperti KVE Composites, TPRC, supplier tier dan OEM.”
 

Pengembangan pengelasan induksi

KVE Composites telah mengembangkan pengelasan induksi untuk TPC sejak 2001. Aplikasi awal menggunakan laminat kain serat karbon/PPS, termasuk elevasi dan rudder untuk jet bisnis Gulfstream G650 dan Dassault Falcon 5X.

KVE Composites membantu mengembangkan produksi elevasi dan rudder terelasi induksi GKN Fokker (kiri) untuk Gulfstream G650 (kanan) dan pesawat Dassault Falcon 5X. SUMBER: KVE Composites, GKN Fokker (kiri) dan Gulfstream (kanan).

Aplikasi TPC terelasi induksi lainnya meliputi pintu akses tangki bahan bakar yang diproduksi oleh AVIACOMP S.A.S. (Launaguet, Prancis dan kini bagian dari Sogeclair Group) untuk sayap Airbus A220 (sebelumnya Bombardier CSeries). (Aviacomp juga memproduksi stringer untuk fuselage TPC terelasi STELIA yang ditampilkan pada Pameran Udara Paris 2017.)

Aviacomp menggunakan teknologi pengelasan induksi yang dikembangkan oleh KVE Composites dalam produksi pintu akses tangki bahan bakar TPC untuk pesawat narrowbody Airbus A220. SUMBER: Aviacomp, bagian dari Sogeclair Group.

Kategori umum pintu akses ini adalah peluang untuk pengelasan TPC untuk menghemat biaya, seperti yang ditunjukkan dalam studi desain dan manufaktur yang diselesaikan oleh KVE Composites. Bahkan pesawat kecil dapat memiliki hingga 60 panel akses ini, semua berbentuk berbeda, dan biasanya dibuat menggunakan konstruksi sandwich komposit dengan inti madu yang diproses. “Jika Anda menggunakan assembly termoplastik terelasi, Anda dapat membuat semua panel akses yang berbeda untuk pesawat dengan hanya $100.000 biaya alat, yang merupakan penghematan yang dramatis,” kata Harm van Engelen, manajer KVE Composites. “Kami tidak perlu memproses inti, kami hanya menggunakan komponen seperti lego — lembar datar dan penguat stempel — yang di las bersama untuk membentuk berbagai bentuk. Juga, alat kami lebih seperti jig las, jadi biaya relatif rendah dibandingkan apa yang mereka gunakan saat ini. Semua panel akses untuk pesawat dapat dibuat dalam satu sel las.”

KVE Composites terus mengembangkan teknologi las TPC, seperti yang diilustrasikan dalam timeline di bawah. Sel produksi yang ditampilkan di bawah untuk 2019 adalah mesin Falko ATL (automated tape laying), yang diproduksi oleh Boikon (Leek, Belanda) menggunakan end effector las ultrasonik yang dikembangkan oleh GKN Fokker. “Sel robotik ini memungkinkan proses dan sistem kontrol yang lebih efisien untuk produksi bagian TPC volume berikutnya dibandingkan metode pick and place yang digunakan saat ini,” menjelaskan Maarten Labordus, kepala R&D KVE Composites. “Misalnya, Anda dapat sepenuhnya otomatis lay-up kulit dan laminat rib untuk permukaan kontrol jet regional (yang sekitar 60 mm x 3 m), terapkan langkah konsolidasi dan forming out-of-autoklaf, dan kemudian selesaikan assembly di sel las berdekatan.” Mesin Falko ATL juga menunjukkan kontrol loop closed yang sudah dikembangkan oleh GKN Fokker untuk las ultrasonik. “Mesin mampu mengontrol tingkat energi sesuai kebutuhan per tipe material, ketebalan dan bentuk, namun konsolidasi leleh penuh dari preform datar diperlukan setelahnya selama forming bagian TPC yang selesai,” menjelaskan Arnt Offringa, kepala Aerostructures R&T untuk GKN Fokker.

Kualifikasi

Ditampilkan di atas sebagai inisiatif pengembangan kunci pada 2017, kualifikasi proses las induksi untuk struktur aero TPC adalah prioritas yang berlanjut. Menurut abstrak untuk presentasi mendatang KVE Composites pada 4^th Int. Conf. and Exhibition on Thermoplastic Composites (ITHEC, 30-31 Oktober 2018 di Bremen, Jerman), selama beberapa tahun terakhir las komposit termoplastik (TPC) telah mengalami pergeseran dari polimer seperti PPS dan PEI menuju polimer high-end seperti PEEK, PEKK dan kini Low Melt PAEK (LM PAEK, baca lebih dalam di blog saya “PEEK vs. PEKK vs. PAEK ...”), serta menuju tape UD yang ditempatkan otomatis dan laminat yang lebih tebal untuk struktur yang sangat dibebani. Responsnya, KVE Composites telah berusaha untuk meningkatkan dan standarisasi alat serta peralatan serta model simulasi berbasis FEA.

Setup standar untuk kualifikasi las induksi dengan material baru. SUMBER: KVE Composites

Untuk membantu maturasi dan kualifikasi proses las induksi dengan laminat komposit baru ini, KVE Composites telah mengembangkan setup standar untuk las coupon shear tunggal L dan T serta tarikan lepas. Setup ini mencakup:

• Bingkai kaku untuk menahan beban dari penerapan tekanan ke laminat selama las.
• Blok alat bawah yang dapat diposisikan di bawah bingkai untuk memungkinkan las panel standar yang dapat direproduksi.
• Mandrel dapat dianginkan (bellow tekanan dalam gambar di atas) dalam blok alat bawah yang dapat melebar hanya satu arah untuk memadat laminat yang sedang di las terhadap heat sink khusus (“material KVE” dalam gambar di atas) untuk membataskan panas di antarmuka las.

Dengan menukar blok alat bawah, berbagai coupon standar dapat di las dan kemudian diperiksa ultrasonik, setelahnya coupon yang lebih kecil dapat dipotong dan diuji secara mekanis. Setup standar ini sudah dipasang oleh:

• Thermoplastic Research Centre (TPRC, Enschede, Belanda)
• McNair Center di University of South Carolina (Columbus, SC, AS)
• Netherlands Aerospace Centre (NLR, Marknesse, Belanda).

   

Setup las induksi standar di KVE (kiri) dan contoh UD serat karbon/PEKK yang di las dengan termokopel untuk mencatat suhu di garis las (kanan). SUMBER: KVE Composites.
 

Perbaikan

Area pengembangan kunci lainnya adalah bagaimana memperbaiki struktur aero TPC. “Kami berfokus pertama pada struktur CF kain/PPS yang telah kualifikasi dan terbang,” kata Labordus. “Prosesnya pada dasarnya sama dengan yang digunakan untuk perbaikan komposit termoset: hapus material yang rusak, siapkan area tersebut dengan scarf runcing dan kemudian bond perbaikan patch prepreg. Labordus mengatakan salah satu masalahnya adalah prepreg termoplastik pada suhu ruang adalah papan dan tidak menempel, “jadi sulit untuk mendapatkan geometri yang cocok.” Namun, ia percaya sistem perbaikan robot yang sedang dikembangkan oleh Airbus, Lufthansa dan lainnya menawarkan solusi.

Sebagai bagian dari pengembangan berkelanjutan perbaikan struktural komposit termoplastik terelasi, KVE Composites telah mencapai sambungan linear taper 2D yang di las induksi dalam laminat CF kain/PPS dengan ketebalan seragam dan 90% properti material asli. SUMBER: KVE Composites.

Sistem tersebut menggunakan metrologi untuk mengukur secara presisi scarf taper yang diproses robot dan kemudian bond patch yang telah dibuat sebelumnya yang telah diproses robot taper machining untuk cocok. “Kami ingin menggunakan pengelasan induksi untuk me-las patch termoplastik ke struktur asli,” kata Labordus, tetapi masih ada masalah yang harus diselesaikan. “Bergantung pada bentuk bagian dan patch, arus eddy tidak terbentuk di mana-mana, jadi kita bisa mendapatkan area dingin atau panas berlebihan. KVE Composites telah melewati ini dan mampu mencapai sambungan linear taper 2D dalam laminat CF kain/PPS dengan ketebalan seragam dan las yang sempurna. “Kami berada dalam 10% dari properti material asli,” kata Labordus.

Langkah berikutnya akan menjadi pengelasan induksi dua bagian persegi panjang masing-masing dengan tepi scarf dan kemudian me-las patch taper ke lubang sirkel/elips dengan scarf taper, yang pada dasarnya adalah metode yang digunakan untuk perbaikan komposit termoset. “Jika itu berhasil, kami akan beralih ke laminat UD yang dibuat dengan PEEK dan PEKK,” kata Labordus. Ia mencatat bahwa sistem untuk menggunakan coil induksi untuk melakukan perbaikan di lapangan belum pernah ditunjukkan, “tapi dapat dilakukan di laboratorium.” Masalah lainnya adalah bagaimana memberikan tekanan untuk kontak yang cukup dekat antara patch perbaikan dan permukaan taper. “Saat ini, tekanan yang digunakan di alat lab adalah 5 bar. Saya tidak yakin apakah tekanan dari vacuum bag saja cukup, tetapi dengan material UD yang lebih datar, 1 bar dari vacuum bag saja mungkin cukup.”
 

Pengelasan induksi di bawah vacuum bag – pengikat yang mungkin untuk perbaikan komposit termoplastik di lapangan masa depan — sedang dikembangkan oleh Michel van Tooren dan timnya di University of South Carolina McNair Center. SUMBER: Michel van Tooren.

Kerja ini di KVE Composites sedang diperluas oleh Michel van Tooren, direktur SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, bagian dari McNair Center di University of South Carolina (Columbia, SC, AS). “Kami melakukan pengelasan induksi komposit termoplastik di bawah vacuum bag, yang sangat mirip dengan cara perbaikan komposit di lapangan dilakukan saat ini dengan hot bonder dan heat blanket,” menjelaskan. “Vacuum bag berperilaku seperti tooling lunak untuk kompresi dua bagian. Anda menerapkan arus induksi dan mencapai leleh perbaikan. Anda hanya perlu menentukan batas dan parameter proses. Dalam beberapa hal ini lebih mudah daripada perbaikan termoset karena Anda selalu dapat meleleh kembali perbaikan jika diperlukan, bahkan di seberang dunia atau setelah 20 tahun pelayanan. Dan hasilnya bukan bond lem melainkan bagian kohesif, jadi Anda menghilangkan semua masalah bonding dan bagaimana tahu apakah Anda memiliki bond yang baik dalam perbaikan termoset.” Ia juga percaya bahwa dengan teknologi perbaikan robot otomatis yang sedang dikembangkan sekarang, “pengelasan induksi perbaikan akan relatif sederhana.”
 

Pengelasan termoset ke termoplastik

Van Tooren juga mengembangkan pengelasan induksi untuk menggabungkan komposit termoset dan termoplastik. “Kami memperkenalkan termoplastik ke komposit termoset, tetapi hanya di tempat yang ingin kami las,” menjelaskan. “Kami menggraft nanopartikel dan melakukan sedikit cross-polymerisasi. Hasilnya adalah pulau termoplastik yang diimplantasi ke dalam dan secara kimiawi dicair bersama dengan komposit termoset. Saya kemudian dapat me-las ke pulau termoplastik.” Lagi, visinya adalah metode alternatif untuk penggabungan dan assembly komposit yang menghindari pembuatan lubang dan masalah yang terkait dengan bonding konvensional lem.
 

Skema sambungan TSC-TSC melalui lapis coupling PVB termoplastik sebelum las (atas). Setup (bawah) untuk pengelasan induksi (kiri) dan pengelasan ultrasonik (kanan). SUMBER: “Hybrid welding of CF/epoxy based composites”.

Pengelasan laminat komposit termoset (TSC) ke laminat TPC (atau pengelasan TS-TP) sedang diusulkan oleh berbagai organisasi penelitian. Irene Fernandez Villegas di TU Delft — yang disebut dalam artikel cetak sebagai pemimpin dalam pengembangan pengelasan ultrasonik berkelanjutan TPC — bersama-sama menulis paper 2017 berjudul “Hybrid welding of carbon-fiber reinforced epoxy based composites” bersama Francesca Lionetto di University of Salento (Lecce, Italia), Silvio Pappadagrave di CETMA Composites (Brandisi, Italia), dan lainnya. Dasar-dasarnya adalah sebagai berikut:

• Polyvinylbutyral (PVB) adalah polimer termoplastik semi-kristal, biaya rendah dengan suhu leleh 150-170°C yang dikarakterikan oleh kemampuan binding dan forming film yang baik serta adhesi ke banyak permukaan.
• PVB (Mowital, disuplai oleh Kurakay) digunakan sebagai lapis coupling, ditambahkan dan di co-cure ke laminat TSC kain serat karbon/epoksi 14-ply (prepreg Hexcel 3501-6 dengan konten volume serat 58% dan cure 180°C).
• Interlocking mekanis makro antara lapis coupling PVB dan komposit CF/epoksi dicapai melalui penetrasi parsial resin PVB ke lapis pertama TSC (biasanya antara 10 hingga beberapa ratus mikron ketebalan) selama co-curing dan difusi monomer epoksi ke film termoplastik PVB.
• Proses pengelasan induksi dan ultrasonik menghasilkan sambungan las yang cukup kuat, dengan sambungan las CF/epoksi ke CF/epoksi yang di las melalui lapis coupling PVB menunjukkan kekuatan shear lap ≈25 MPa, yang berada dalam rentang nilai kekuatan yang umum untuk sambungan las lem CF/epoksi.

Otomotif

Hampir semua perusahaan yang termasuk dalam artikel cetak pengelasan termoplastik memeriksa aplikasi otomotif serta penerbangan. “Las membantu membuat komposit kompetitif dibanding aluminium,” kata Offringa di GKN Fokker. “Otomotif juga memeriksa las sebagai alternatif cepat terhadap bonding. Kami telah berbicara dengan beberapa perusahaan otomotif mengenai pemrosesan komposit yang cepat.” Ia menegaskan bahwa badan mobil komposit serat karbon sebagian besar termoset, ditempelkan lem dengan ketebalan yang ditentukan. “Jika Anda dapat membuat bagian ini menggunakan komposit termoplastik dan menghilangkan celah antara komponen dengan me-las assembly, maka Anda dapat membuat struktur badan yang lebih kaku, yang membawa manfaat bobot, biaya dan performa.”

Setup proses pengelasan induksi dinamis Composite Integrity. SUMBER: Composite Integrity.

Jérôme Raynal, manajer pengembangan bisnis untuk Composite Integrity juga melihat potensi. Perusahaan bekerjasama dengan STELIA Aerospace untuk mengembangkan proses pengelasan induksi dinamis yang digunakan untuk menggabungkan stringer tape UD CF/PEKK dan kulit fuselage dalam demonstrator TP, yang diungkapkan pada Pameran Udara Paris 2017. “Kami telah mengembangkan las resistensi untuk otomotif dengan komposit poliamida [PA, nylon] dan polipropilena [PP],” kata Raynal. “Kami memiliki berbagai teknologi berbeda untuk ini. Misalnya, kami dapat menyematkan kawat logam di satu bagian, memasukkannya ke dalam kontak dengan bagian lain dan menyuntikkan arus. Kami juga dapat menempatkan patch resistensi serat karbon di antarmuka las untuk menghasilkan panas las yang diperlukan.” Dalam satu pengembangan, dua komponen yang terbuat dari CF/PA di las menggunakan patch resistensi yang dirancang khusus yang terbuat dari polimer yang sama dan kain serat kaca untuk mengisolasi listrik laminat yang berdekatan dan memusatkan energi di garis las. Bagaimana dengan sisip logam yang sangat umum dalam bagian otomotif? “Bagian dengan sisip logam tidak masalah dengan las resistensi, dan dengan pengelasan induksi Anda akan menggunakan coil yang dirancang khusus atau memodifikasi medan elektromagnetik dan arus dengan cara lain,” jawab Raynal. “Ini harus dikembangkan, tetapi mirip dengan apa yang sudah kami demonstrasikan untuk produksi otomatis struktur pesawat.”
 

Pengembangan lebih lanjut dan proyek lain

Catatan mengenai gambar pembuka. Ini menunjukkan rendering CAD dari proses otomatis yang dikembangkan oleh DLR Center for Lightweight Production Technology (DLR ZLP, Augsburg, Jerman) menggunakan head pengelasan ultrasonik pada robot industri KUKA Quantec KR210 untuk menggabungkan delapan bagian TPC menjadi bulkhead tekanan belakang (RPB) untuk pesawat tipe A320. Dalam artikel cetak yang menyertai tentang pengelasan TPC, saya membahas pengembangan DLR ZLP dari metode las resistensi yang digunakan pada demonstrator RPB A320 Premium Aerotec yang ditampilkan pada pameran udara ILA 2018 di Berlin. Menurut Lars Larsen, group manager untuk teknologi assembly dan gabungan di DLR ZLP, “Secara paralel dengan proses las resistensi menggunakan ‘jembatan las’, kami juga telah mengembangkan head pengelasan ultrasonik yang di actuate robot. Kami telah menyelesaikan uji awal untuk menentukan parameter proses las yang relevan, dan dalam beberapa bulan mendatang kami akan menyempurnakan integrasi end-effector las ultrasonik itu di robot kami. Tujuan kami adalah untuk mengembangkan satu proses industri tunggal untuk me-las stringer fuselage dan bulkhead tekanan belakang pesawat yang dibuat dengan komposit termoplastik.”

Proyek lain yang tidak saya peluangi kali ini termasuk EireComposites dan partisipasi mereka dalam proyek Ybridio dan Innova, mengevaluasi potensi las untuk mengurangi biaya dan meningkatkan otomasi. Perusahaan melaporkan kemampuan pengelasan induksi dan las resistensi untuk komposit CF/PEEK, CF/PEKK dan GF/PP dan bahwa pengelasan termoplastik telah dievaluasi untuk sayap Bombardier CSeries (sekarang Airbus A220).

Tods Aerospace, kini bagian dari Unitech Aerospace, berpartisipasi dalam National Aerospace Technology Exploitation Programme (NATEP) yang didanai Rolls-Royce yang meneliti pengembangan teknik las resistensi yang tidak menggunakan sisip logam tertanam. TenCate-Toray dan National Composites Centre (Bristol, UK) juga mitra.

Demonstrator proses ini mengeksplorasi metode untuk manufaktur struktur TPC reinforced hat-stiffened. SUMBER: Unitech Aerospace (mulai dari Bagian 6, hlm. 39)

Tunggu, karena saya berencana untuk membahas perkembangan Laser Zentrum Hannover (LZH) dengan las laser komposit termoplastik di masa mendatang.

SUMBER: LZH Laser Zentrum Hannover e.V.