Pengelasan komposit termoplastik

Tidak seperti komposit yang dibuat dengan termoset matriks, termoplastik komposit (TPC) tidak memerlukan reaksi kimia yang kompleks atau proses pengawetan yang lama. Prepreg termoplastik tidak memerlukan pendinginan, menawarkan umur simpan yang praktis tak terbatas. Polimer yang digunakan dalam TPC aerospace — polyphenylene sulfide (PPS), polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) dan polyarylketone (PAEK) — menawarkan toleransi kerusakan yang tinggi di bagian jadi, serta tahan kelembaban dan bahan kimia dan, dengan demikian, tidak terdegradasi dalam kondisi panas/basah. Dan mereka dapat dicairkan kembali, menjanjikan manfaat dalam perbaikan dan daur ulang di akhir masa pakainya. Tapi mungkin pendorong terbesar untuk penggunaan TPC dalam mengembangkan pesawat adalah kemampuan untuk menggabungkan komponen melalui ikatan/pengelasan fusi. Ini menghadirkan alternatif yang menarik untuk metode konvensional — pengikatan mekanis dan ikatan perekat — yang digunakan untuk menggabungkan bagian komposit termoset (TSC).

Sebagaimana didefinisikan dalam makalah yang banyak dikutip, “Fusion Bonding/Welding of Thermoplastic Composites,” oleh Ali Yousefpour, National Research Council Canada (Ottawa, ON, Canada), “Proses fusion-bonding melibatkan pemanasan dan peleburan polimer pada ikatan permukaan komponen dan kemudian menekan permukaan ini bersama-sama untuk pemadatan dan konsolidasi polimer.” Hasilnya sangat berbeda dengan penyambungan termoset.

“Anda menciptakan struktur yang disatukan, seperti tulang rusuk yang dilas ke kulit,” jelas Arnt Offringa, kepala R&T Aerostruktur untuk GKN Fokker (Hoogeveen, Belanda). “Jika dilihat di bawah mikroskop, Anda hanya melihat polimer homogen, jadi ini berbeda dari ikatan. Tidak ada garis pemisah, tidak ada perpecahan, tidak ada bahan penyambung yang dapat diidentifikasi seperti perekat. Hanya ada satu bahan, itulah sebabnya Anda menggunakan polimer yang sama di kedua sisi lasan. Dengan demikian, pihak berwenang akan menerima sambungan seperti itu tanpa pengencang mekanis.” (Ofringa menggunakan kata “join” disini karena hasil dari proses pengelasan tersebut bukanlah sebuah joint, melainkan satu kesatuan yang utuh.)

Faktanya, struktur TPC yang dilas seperti itu telah terbang selama beberapa dekade. Dan meskipun pengelasan resistansi dan pengelasan induksi adalah dua metode yang paling mapan, yang lain, termasuk pengelasan ultrasonik, pengelasan laser dan pengelasan konduksi, sedang dikembangkan untuk digunakan dengan komposit. Pengembangan metode ini terus berlanjut karena para pendukung pengelasan mencari keandalan yang diperlukan dalam perangkat lunak simulasi proses prediktif, peningkatan kontrol inline variabel proses pengelasan, dan perluasan proses pengelasan ke produksi struktur utama pesawat.

Pengelasan tahanan

Bersama dengan KVE Composites Group (Den Haag, Belanda), GKN Fokker adalah pemimpin yang diakui dalam pengembangan pengelasan TPC (lihat CW tur Fokker Aerostructures). “Kami mulai dengan pengelasan resistansi pada awal 1990-an,” kata Offringa. "Keanggunan dari metode ini adalah bahwa panas dihasilkan tepat pada antarmuka las." Arus listrik, melewati elemen resistif pada antarmuka las, menciptakan panas dan melelehkan polimer termoplastik (Gbr. 1). Namun, elemen resistif ini — logam atau serat karbon (CF) — tetap berada di bagian yang sudah jadi. “Kami mengembangkan metode menggunakan mesh logam berlapis PPS sebagai elemen resistif, dan kemudian mensertifikasi dan menerbangkan pintu roda pendarat utama CF/PPS yang dilas dengan resistensi pada Fokker 50 pesawat turboprop pada tahun 1998,” kata Offringa. “Ini kemudian mengarah ke percakapan dengan Airbus UK (Broughton, Chester, UK) dan pengembangan serat kaca/PPS fixed edge untuk A340/A350 dan kemudian pesawat berbadan lebar A380.” GKN Fokker telah melanjutkan penelitian pengelasan ketahanannya, yang berfokus terutama pada plastik yang diperkuat serat karbon (CFRP).

Teknologinya sudah maju. Premium AEROTEC (Augsburg, Jerman) memamerkan demonstran sekat tekanan belakang Airbus (Toulouse France) A320 di ILA Berlin Air Show 2018. Sekat terdiri dari delapan segmen kain CF/PPS yang dibentuk dengan tekanan yang dirakit melalui pengelasan resistansi. “Kami telah menggunakan pengelasan resistansi selama beberapa waktu,” kata Dr. Michael Kupke, kepala Pusat Teknologi Produksi Ringan (ZLP) untuk Pusat Dirgantara Jerman (DLR) di Augsburg. “Untuk demonstran Premium AEROTEC, kami memperpanjang panjang garis las menjadi 1,5m.”

ZLP memilih elemen resistif yang terbuat dari serat karbon vs. jaring baja tahan karat lama. “Untuk pengelasan induksi, sulit untuk mendapatkan suhu dan energi di tempat yang Anda inginkan dan tidak di bagian lain,” tegas Kupke. “Untuk pengelasan resistansi, ini secara inheren diselesaikan, tetapi kerugiannya, hingga sekarang, adalah resistor tetap berada di bagian itu.” Menggunakan resistor serat karbon mengurangi kerugian ini.

Namun, metode dasarnya tetap sama. “Anda menerapkan tegangan dan memberi tekanan pada kedua bagian untuk mendapatkan konsolidasi yang baik,” tambahnya. “Untuk bagian yang lebih kecil, efektor ujung robot menerapkan tekanan, tetapi untuk bagian yang lebih besar Anda memerlukan jig untuk memberikan tekanan penjepitan.” Jig untuk sekat tekanan belakang A320 adalah “jembatan las” logam melengkung yang dibuat oleh Premium AEROTEC (Gbr. 2). Ini berputar ke posisi di atas masing-masing dari delapan garis las dan menerapkan tekanan yang diperlukan melalui 10 silinder pneumatik di dalamnya.

Selain PPS, tim DLR ZLP Kupke telah memvalidasi bahwa proses ini juga berfungsi untuk kain serat karbon/PEEK. “Kalau bisa pakai PEEK, bisa beradaptasi dengan PEKK, PAEK dan PEI,” tambahnya. “Kita juga harus bisa mengelas pita unidirectional (UD),” ia juga mencatat (tantangan yang terkait dengan pita pengelasan UD dijelaskan di bawah). Kupke mengatakan tidak ada batasan untuk ketebalan bagian yang dilas, “bisa 3 mm atau 30 mm, tetapi harus berhati-hati dengan manajemen termal di garis las.”

Dia mengatakan langkah selanjutnya adalah mengembangkan berbagai elemen resistif CF yang dioptimalkan. “Kami baru saja menggunakan bahan yang tidak tersedia untuk saat ini.” Kupke menunjukkan ini hanya demonstran, bukan proses industri. “Untuk industrialisasi, kami akan melakukannya sedikit berbeda. Proses pengelasan untuk setiap sambungan pada sekat A320 memakan waktu 4 menit, namun arus pengelasan yang digunakan hanya 90 detik. Waktu yang tersisa adalah untuk pemanasan dan pendinginan termoplastik PPS di garis las. Dengan industrialisasi, kami yakin total waktu akan lebih cepat dan pengelasan hanya membutuhkan waktu 60-90 detik per 1,5 m sambungan.”

Pengelasan induksi

KVE mulai bekerja dengan pengelasan induksi pada awal 2000-an. Teknik dasar melibatkan menggerakkan kumparan induksi di sepanjang garis las. Kumparan menginduksi arus eddy dalam laminasi CFRP konduktif yang inheren, yang menghasilkan panas dan melelehkan termoplastik. “Kami mulai dengan kupon geser satu putaran, mengikuti pendekatan blok bangunan, dan berlanjut ke sambungan L, sambungan T, lalu struktur dasar dan terakhir elevator dan kemudi,” kenang direktur pelaksana KVE Harm van Engelen.

Perusahaan mengembangkan simulasi komputer secara paralel. “Simulasi membantu Anda memprediksi suhu di permukaan luar dan di garis las,” jelasnya. “Anda perlu memusatkan panas di garis las, tetapi tidak terlalu panas di bagian yang bersebelahan. Permukaan atas memanas lebih cepat daripada antarmuka, jadi Anda harus membuang panas itu.” KVE tidak hanya mematenkan teknologi manajemen panas dan material perkakas yang dihasilkan, tetapi juga pendekatan berbasis perkakasnya untuk mempertahankan tekanan selama pengelasan, dan kontrol robotiknya terhadap koil induksi dan kepala las, yang dikembangkannya pada tahun 2005.

“Ini memberikan alternatif untuk pengelasan resistansi untuk CFRP yang tidak memerlukan susceptor atau strip pengelasan,” kata Offringa dari GKN Fokker. “Kami melisensikan teknologi KVE dan mengimplementasikannya di Gulfstream G650 elevator dan kemudi, yang telah terbang sejak 2008.” KVE adalah mitra kunci dalam pengembangan dan industrialisasi proses pengelasan induksi robotik. Teknik generasi kedua yang disempurnakan digunakan untuk elevator dan kemudi di Dassault Falcon 5X . Van Engelen mencatat bahwa pengelasan untuk G650 otomatis tetapi diselesaikan dalam beberapa langkah. “Untuk Dassault, itu dilakukan dalam satu tembakan,” tambahnya. “Semua bagian ditempatkan di alat dan kemudian dua elevator dan kemudi dilas dalam satu shift dalam semalam.”

Pada tahun 2008, KVE telah memulai pengujian single-lap shear (SLS) dari pita UD CF/PEKK dan memproduksi demonstran untuk program Termoplastik Terjangkau Primer Aircraft Structure (TAPAS) program. Pada 2010, ia telah menyelesaikan simulasi 3D laminasi UD CF yang dilas dengan induksi dengan proteksi sambaran petir (LSP) dan telah bekerja dengan laminasi tebal (≤5 mm untuk UD PEEK dan PEKK, 15 mm untuk kain serat karbon/PPS). KVE juga telah merancang dan membangun kemudi TPC untuk Phantom Eye The Boeing Co. (Chicago, IL, US) UAV, yang kemudian mulai diproduksi oleh Boeing pada tahun 2011. Pada tahun 2014, perusahaan telah memproduksi demonstran UD CF/PEKK yang dilas dengan induksi dan sekarang bekerja dengan beberapa OEM dan pemasok Tier 1 untuk membantu memenuhi syarat teknologi ini untuk struktur pesawat lainnya.

Berpindah dari kain ke pita UD

Pengelasan induksi sangat cocok untuk kain serat karbon, kata Offringa, “tetapi dengan pita UD, ada serangkaian tantangan baru untuk mencapai kecepatan produksi.”

Seperti yang dijelaskan oleh Dr. Michel van Tooren, direktur SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, bagian dari McNair Center di University of South Carolina (Columbia, SC, AS), “Untuk induksi dalam laminasi CFRP, Anda memerlukan serat di dua sudut yang berbeda — sebaiknya sudut sejauh mungkin — untuk menghasilkan arus eddy.” Orientasi serat tegak lurus 0 ° dan 90 ° pada kain tenun sangat ideal, memungkinkan arus eddy dihasilkan di setiap lapisan laminasi. Namun, dengan tumpukan laminasi UD, biasanya ada lapisan 45° yang diselingi sehingga perbedaan sudut lebih kecil. “Mekanisme pemanasan arus eddy terpengaruh karena arah ini tidak tegak lurus , tambah Maarten Labordus, kepala R&D di KVE. “Juga tidak ada persilangan serat yang berbeda antara lapisan, mereka hanya berlapis. Dengan demikian, Anda memerlukan lebih banyak daya untuk menginduksi arus dibandingkan dengan laminasi kain.”

Namun, menambahkan lebih banyak daya tidak membuat pengelolaan proses pengelasan menjadi lebih mudah. Menyeimbangkan daya listrik dan temperatur pada garis las tidaklah mudah karena proses pengelasan induksi tidak hanya berubah dengan urutan susun tetapi juga dengan ketebalan laminasi dan geometri bagian. “Jadi kami melihat parameter proses dan bagaimana panas dihasilkan dalam material,” kata Sebastiaan Wijskamp, ​​direktur teknis TPRC. “Kami ingin memiliki pedoman dan alat desain untuk memprediksi kinerja las sebelumnya. Jika Anda ingin beralih dari fabric ke UD, bagaimana Anda bisa melakukannya dengan cepat tanpa harus melalui proses coba-coba? Idealnya, simulasi berdasarkan sifat konduktivitas listrik dan termal serat dan polimer, bahkan untuk layup tertentu, dan juga memfaktorkan geometri bagian, akan memungkinkan Anda merancang proses pengelasan per bagian. Kami melakukan penelitian kolaboratif dengan KVE dan Michel van Tooren di McNair Center untuk mengembangkan pemahaman mendasar untuk pedoman dan alat ini.”

“Kami menghitung semua faktor ini — UD vs. kain, urutan penumpukan, area resin yang lebih banyak dan lebih sedikit resin — dan menetapkan hubungan mereka, lalu kami menambahkannya kembali ke model pengelasan umum,” jelas Labordus (Gbr. 3) . Area dengan kandungan resin tinggi bertindak sebagai isolator, memperlambat panas, sedangkan area di mana kandungan resin lebih rendah (dan kandungan serat lebih tinggi) memfasilitasi pemanasan. “Awalnya, kami mendapat diskon 40% dari prediksi pengelasan kami dengan UD, tetapi sekarang kami berada dalam jarak 10% dan mendekati tingkat akurasi tinggi kami untuk kain CF/PPS,” tambah Labordus.

Van Tooren juga hampir bisa memprediksi kinerja pengelasan induksi untuk laminasi UD. “Pada akhir 2018, kami akan memiliki alat simulasi yang berfungsi untuk geometri yang relatif sederhana, membantu mengidentifikasi bentuk kumparan, daya, kecepatan robot, dan profil pemanasan yang diperlukan untuk aplikasi tertentu.” Kemampuan prediksi ini sedang dikembangkan secara paralel dengan pengujian fisik untuk mendukung penggunaan komponen TPC yang dilas dalam struktur utama yang lebih besar untuk pesawat masa depan. Laboratorium Van Tooren adalah mitra penelitian dengan KVE dan salah satu dari empat lokasi — bersama dengan fasilitas KVE di Den Haag, Pusat Dirgantara Belanda (NLR, Amsterdam) dan Pusat Penelitian komposit ThermoPlastic (TPRC, Enschede, Belanda) — yang telah memasang penyiapan pengelasan induksi standar yang dikembangkan oleh KVE (Gbr. 4) untuk mendukung kualifikasi proses di pemasok OEM dan Tier 1 (lihat “Cakrawala baru dalam pengelasan komposit termoplastik”).

Kumparan induksi dipesan lebih dahulu

Pendekatan pengelasan induksi alternatif telah digunakan oleh Integritas Komposit (Porcelette, Prancis) untuk mengembangkan proses "pengelasan induksi dinamis" yang digunakan untuk menggabungkan stringer pita CF/PEKK UD dan kulit badan pesawat di demonstrasi struktur STELIA Aerospace (Toulouse, Prancis) Arches TP proyek, diresmikan di 2017 Paris Air Show (Gbr. 5). Integritas Komposit adalah divisi komposit dalam Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, Prancis). “Kami memanfaatkan lebih dari 100 tahun pengalaman IS Groupe dalam pengelasan logam untuk merancang dan membangun kumparan induksi kami sendiri yang dioptimalkan untuk setiap bahan, ketebalan dan bentuk bagian, termasuk kumparan khusus untuk kain tenun, kain noncrimp dan UD,” jelas bisnis Integritas Komposit manajer pengembangan Jérôme Raynal. “Masalah utama dengan UD adalah bahwa tidak ada simpul pengelasan untuk menghasilkan arus induksi, jadi kami memerlukan kumparan khusus — dalam hal ini, kumparan multi.”

Didirikan sebagai Pôle de Plasturgie de l'Est (PPE) 25 tahun yang lalu, Composite Integrity adalah pemimpin dalam resin transfer moulding (RTM) dan struktur pesawat yang diresapi resin epoksi dengan perusahaan kedirgantaraan Prancis. Digabungkan ke dalam IS Groupe pada tahun 2016, telah bekerja dengan Aviacomp (Launaguet, Prancis) untuk mengembangkan teknologi pengelasan konsolidasi yang digunakan di pintu akses bahan bakar TPC untuk pesawat Airbus A350. “Komponen resistif pada permukaan bagian dalam dan luar yang dicetak memberikan panas ke dalam garis las,” kata Raynal.

Integritas Komposit mulai mengerjakan proyek STELIA Arches TP pada tahun 2015, memungkinkan pengelasan induksi pada bagian melengkung berukuran badan pesawat. Prosesnya digambarkan sebagai "dinamis" karena robot mengelas senar sepanjang badan pesawat dan mengakomodasi bentuk 3D, termasuk gerakan dalam arah-z selama pengelasan. “Baik stringer maupun skin pada demonstran STELIA memiliki perubahan ketebalan,” jelas Raynal. Rel aluminium berfungsi sebagai jig fiksasi untuk mencegah pergerakan stringer pada kulit saat dilas. Untuk demonstran, tekanan diterapkan melalui dua rol di kepala las. Ini duduk di atas koil. Selama pengelasan, rol berjalan di sepanjang stringer, di samping rel fiksasi saat koil berjalan di atas garis las.

“Kami sekarang telah mengembangkan kepala las baru yang menunggu paten, yang menggunakan roller tunggal dan meningkatkan sifat mekanik garis las,” catat Raynal. “Kami juga memiliki perangkat pendingin yang meniupkan udara pada permukaan pengelasan dengan tekanan untuk memastikan suhu di bawah suhu kristalisasi, sehingga tidak ada risiko de-pemadatan setelah tekanan dilepaskan.”

Penyediaan untuk pendinginan juga mempengaruhi kristalinitas matriks termoplastik di garis las. “Kami menguji untuk mengukur bahwa kristalinitas memenuhi standar kedirgantaraan dan kemudian menetapkan parameter yang sesuai untuk proses pengelasan,” jelas Raynal. Kecepatan juga menjadi faktor. “Untuk demonstran kecepatannya 2 m/menit, tapi target kita sekarang 5 m/menit,” katanya. “Mengelola cooldown dan kristalinitas PEEK dan PEKK lebih rumit, yang mempengaruhi kecepatan pengelasan global, tetapi kami memiliki hasil yang baik dengan keduanya, menggunakan organosheet konvensional yang dikualifikasi oleh Airbus.” Ketebalan maksimum bagian yang dilas sejauh ini adalah 5 mm. “Kami telah mendemonstrasikan ini, yang kira-kira merupakan ketebalan yang Anda miliki dalam komponen struktural,” Raynal mengamati. “Untuk STELIA, kami menggunakan serat karbon sebagai konduktor tanpa logam di antarmuka, tetapi sekarang kami mengembangkan teknologi untuk mengelas serat apa pun — serat kaca, misalnya — tanpa jaring logam juga. Kami tidak menambahkan bahan pada antarmuka, namun dapat mengelas UD ke tenun dan UD ke UD, tanpa masalah,” klaimnya.

Pengelasan ultrasonik

Teknik ketiga yang paling umum, pengelasan ultrasonik adalah teknologi lain yang dengannya GKN Fokker memiliki pengalaman yang signifikan. Proses ini menggunakan sonotrode untuk menghasilkan getaran frekuensi tinggi (20-40 kHz) yang menyebabkan panas gesekan dan pelelehan pada permukaan las.

“Ini bagus untuk pengelasan titik,” kata Offringa, mencatat bahwa untuk pesawat Gulfstream, “Kami telah menggunakan pengelasan ultrasonik untuk menyambungkan lebih dari 50.000 bagian TPC cetakan injeksi ke panel lantai. Ini sangat cepat dan sangat otomatis, tetapi ini adalah titik las, hanya di satu lokasi.” Namun, dia melihat potensi metode ini dalam produksi badan pesawat terintegrasi, seperti yang diusulkan dalam Demonstrator Pesawat Multifungsi program Clean Sky 2 (lihat “Cakrawala baru dalam pengelasan komposit termoplastik”). “Braket badan pesawat sering diikat, dipaku atau dibaut ke struktur badan pesawat termoset saat ini,” Offringa mengamati. “Dengan pengelasan ultrasonik, Anda dapat mencapai koneksi yang sangat baik dengan braket, yang sering kali merupakan termoplastik tanpa perkuatan.”

Pengelasan ultrasonik telah digunakan dengan plastik selama beberapa dekade, biasanya dengan pengarah energi pada antarmuka las. Bubungan segitiga atau persegi panjang dari resin rapi ini, yang dicetak ke permukaan yang akan dilas, meningkatkan pembangkitan panas lokal. Namun, Irene Fernandez Villegas di Universitas Teknologi Delft (TU Delft, Delft, Belanda) telah menunjukkan bahwa film termoplastik tanpa perkuatan setebal 0,08 mm dapat digunakan sebagai penggantinya. “Dia bekerja untuk mengembangkan pengelasan ultrasonik berkelanjutan,” kata Offringa, dan pekerjaan ini berlanjut di Clean Sky 2.

Dalam makalahnya tahun 2016, berjudul “Pengelasan ultrasonik cerdas komposit termoplastik,” Villegas menyatakan bahwa adalah mungkin untuk meningkatkan proses pengelasan ultrasonik melalui pengelasan berurutan — yaitu, membiarkan garis las titik yang berdekatan melayani tujuan yang sama dengan pengelasan kontinu. manik las. Pengelasan titik berurutan skala lab digunakan di panel badan pesawat TPC demonstrator Clean Sky EcoDesign, menggunakan direktur energi datar untuk mengelas engsel CF/PEEK dan klip CF/PEKK ke rangka C CF/PEEK (Gbr. 6). Perbandingan eksperimental dengan sambungan yang dikencangkan secara mekanis dalam uji geser dua putaran dan uji tarik menunjukkan harapan. Proses ini dieksplorasi lebih lanjut dalam makalah 2018 oleh anggota tim TU Delft Villegas, Tian Zhao.

Kupke melaporkan bahwa DLR ZLP juga sedang mengerjakan pengelasan ultrasonik berkelanjutan berbasis robot. “Pengelasan titik adalah keadaan seni saat ini, tetapi kami benar-benar berkelanjutan,” katanya. “Kami mengoptimalkan proses di bangku tes sepanjang kira-kira 1m, melakukan studi parametrik menggunakan bahan dan konfigurasi yang berbeda. Meskipun mesin las dan kontrol digital dirancang untuk manipulator robot, kami masih mengeksplorasi cara menyempurnakan kepala dan kecepatan serta energi mana yang paling cocok untuk setiap bahan dan ketebalan laminasi. Tujuan kami adalah untuk menunjukkan bahwa Anda dapat melakukan pengelasan yang sangat panjang, seperti sambungan badan pesawat.”

Pengelasan laser

Meskipun pengelasan transmisi laser dibahas dalam ulasan Yousefpour tahun 2004 tentang teknologi pengelasan TPC, sejak itu telah dikembangkan secara signifikan oleh Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH, Hannover, Jerman). Dalam proses ini, sinar laser pertama-tama dilewatkan melalui bagian yang transparan atau sebagian transparan dalam kisaran spektral inframerah dekat (misalnya, termoplastik tanpa penguat atau TPC serat kaca). Cahaya kemudian diserap oleh serat karbon atau aditif konduktif di bagian kedua yang berdekatan, mengubah energi laser menjadi panas, yang menciptakan las antara dua bahan.

Offringa di GKN Fokker menunjukkan bahwa banyak braket pesawat cetakan injeksi transparan laser. Dia melihat potensi besar untuk menggunakan pengelasan laser untuk mencapai perakitan braket ini ke struktur badan pesawat CFRP tanpa lubang, debu atau pengencang. Meskipun jenis tulangan dan ketebalan laminasi mempengaruhi lasan, LZH telah menunjukkan hasil yang baik dengan serat kaca dan serat karbon yang diperkuat PPS dan polieterimida (PEI) laminasi dalam proyek Laser Transmission Welding of Thermoplastic Composite Structures (LaWoCS, 2010-2013), yang juga termasuk KVE, TenCate Advanced Composites (Nijverdal, Belanda), Unitech Aerospace (Yeovil, UK) dan Element Materials Technology (Hitchin, UK). LZH telah mematenkan teknologi ini dan merupakan finalis Penghargaan Inovasi Dunia JEC 2018 dalam kategori aplikasi kedirgantaraan untuk "Panel Pengaku Termoplastik Modular" di mana kisi pengaku CFRTP yang dibentuk stempel dilas dengan laser ke kulit komposit. Mitra proyek termasuk perusahaan Jerman Fraunhofer ICT (Pfinztal), Airbus Operations (Hamburg), ElringKlinger (Dettingen an der Erms) dan KMS Automation (Schramberg), serta TenCate.

Pengelasan konduksi

Setelah industrialisasi pengelasan induksi, GKN Fokker mengembangkan pengelasan konduksi (Gbr. 7). “Ini adalah teknologi baru,” kata Offringa. “Semacam besi panas digunakan untuk menghantarkan panas melalui setidaknya salah satu bagian yang akan disambung. Seperti pengelasan resistansi, waktu proses tidak bergantung pada panjang las — jadi apakah sambungannya setengah meter atau 10m, waktu prosesnya sama untuk keduanya.” Ini karena kedua teknik menggunakan listrik untuk memasok panas sepanjang waktu dalam hitungan detik. Panel badan pesawat orthogrid TPC yang ditampilkan di JEC 2014 menampilkan pengelasan konduksi. “Rangka dilas pada langkah kedua menggunakan robot dengan end-effector pengelasan,” kata Offringa. “Panel badan pesawat melengkung dan bingkainya cukup pendek. Namun, metode ini dapat bekerja dengan baik untuk mengelas stringer sepanjang 6-10m ke kulit badan pesawat.”

Kontrol proses sebaris dan seterusnya

Langkah kunci dalam pematangan pengelasan TPC untuk struktur badan pesawat adalah kemampuan untuk memantau dan mengelola proses di tempat. “Saat ini, proses pengelasan induksi kami telah dikonfigurasi sebelumnya,” kata van Engelen di KVE. “Kami menggunakan termokopel di jalur las untuk mengkalibrasi prosesnya. Tapi kami lebih suka mengukur suhu di lasan dan memasukkannya kembali untuk mengatur daya ke koil.”

“Proses pengelasan kami dikontrol secara digital dan semua data proses disimpan,” kata Offringa di GKN Fokker, “tetapi kami bergerak menuju kontrol proses inline, berdasarkan pengukuran suhu waktu nyata.” Dia percaya ini mungkin untuk pengelasan induksi dan resistansi dalam beberapa tahun, sementara pengelasan ultrasonik sudah cukup dekat. Villegas di TU Delft menyatakan bahwa pemantauan proses in-situ dari pengelasan ultrasonik berurutan dimungkinkan berdasarkan kurva daya dan perpindahan yang disediakan oleh mesin las, yang memungkinkan untuk dengan cepat menentukan parameter pemrosesan yang optimal.

Selain kontrol proses, KVE juga mengerjakan inspeksi inline. “Jika hasil pengelasan menunjukkan masalah, kami hanya kembali dan mengelasnya kembali,” kata van Engelen.

“Inilah mengapa komposit termoplastik sangat bagus,” catat Raynal di Composite Integrity. “Pengelasan ulang tidak menyakiti mereka. Kami memiliki teknologi khusus untuk mengelas dan menghilangkan las dengan pengelasan resistansi untuk membongkar dengan menyuntikkan arus.” Perusahaannya juga mengembangkan inspeksi inline. "Kami akan memiliki sel termografi tepat setelah kepala las induksi dan memeriksa lasan menggunakan termografi langsung," kata Raynal. Van Tooren juga melakukan pemantauan dan inspeksi proses in-situ, tetapi menggunakan sensor serat optik, termasuk sistem ODiSI dari Luna (Roanoke, VA, US), yang menyediakan lebih dari 1.000 titik sensor per meter.

TPRC dan van Tooren masing-masing memiliki proyek yang sedang berjalan untuk mengembangkan kontrol proses inline untuk pengelasan induksi struktur melengkung yang besar dan ketebalan yang bervariasi, termasuk penumpukan lapisan dan penurunan pada stringer. Van Tooren juga mengembangkan pengelasan induksi di bawah kantong vakum. "Ini menjadi seperti perkakas lunak untuk kompresi dua permukaan yang dilas," katanya, dan saat ini ditujukan untuk aplikasi perbaikan potensial (lihat "Cakrawala baru dalam pengelasan komposit termoplastik"). Van Engelen’s list of KVE future developments also includes TPC repair, induction welding of glass fiber TPCs, nonaerospace applications and flux concentrators. “We are developing reflective materials to concentrate the electromagnetic field at the weldline,” he explains. “You want to put the energy here instead of at the part’s outer surface. With these flux concentrators, you direct the energy, similar to how you direct fiber where you want, using automated placement.”

“We are still developing all of the welding technologies,” Offringa sums up, “and exploring new ones. Most importantly, we don’t think there is a single technology with the most promise, but that each has its place.”

Wijskamp notes that with the recent Clean Sky 2 calls for proposals, it has become clear that Airbus wants to use welded TPCs in large airframe structures. “But we have seen this already in our 19 partners that have joined since 2009,” he adds.

Van Tooren believes that a welded, fastenerless, large component, if not a full fuselage, is within reach. “Preferably, on the Boeing New Midsize Airplane, but definitely the next aircraft.”