Niche Pionir: Inovasi Komposit Aerospace Van Horn Aviation
Seperti banyak perusahaan yang memproduksi bagian dan struktur komposit, Van Horn Aviation (VHA, Tempe, AZ, AS) datang ke bahan dengan sedikit pengalaman dan pengetahuan, namun dengan keinginan bawaan untuk membantu pelanggan menyelesaikan masalah, keinginan untuk belajar dan keinginan untuk mendorong perusahaan ke depan. Secara ironis, untuk Van Horn Aviation, semuanya dimulai dengan propeler — atau, lebih tepatnya, sebuah daun rotor.
Jim Van Horn mendirikan perusahaan di Tempe pada 2000, dan rencana bisnisnya sederhana: Mendesain dan membuat pengganti daun rotor logam (ekor dan utama) untuk helikopter yang masih dalam layanan, tetapi tidak lagi diproduksi. Ini terlihat seperti ide yang bagus. Bell (Ft. Worth, TX, AS) UH-1 Huey, misalnya, salah satu helikopter terlaris di dunia, tidak lagi diproduksi, tetapi masih ada ribuan unit dalam layanan. VHA melihat daun rotor ekor untuk pesawat ini dan melihat pelanggan menguntungkan untuk tidak hanya merancang pengganti, tetapi pengganti yang lebih baik. Namun, semakin banyak waktu VHA habiskan pada desain daun rotor, semakin jelas bahwa desain daun rotor yang benar-benar optimal memerlukan penggunaan bahan komposit.
Hanya ada satu masalah, kata presiden VHA Dean Rosenlof, yang bergabung dengan perusahaan segera setelah pintu dibuka 18 tahun yang lalu: "Kami tidak memiliki nol pengalaman dalam komposit. Untuk mengendalikan nasib kami, kami tahu kami sebaiknya membawa kemampuan ini secara in-house. Kami cukup bertanggung jawab untuk desain; kami harus cukup bertanggung jawab untuk membuatnya."
Bagaimana sebuah rumah desain berubah menjadi produsen komposit tanpa latar belakang manufaktur komposit? "Semua berkaitan dengan pasokan bahan dan vendor," kata Rosenlof. Memang, VHA bergantung pada beberapa pemasok bahan komposit terkenal untuk membantu perusahaan meluncurkan keahlian kompositnya: Toray Composite Materials America Inc. (Tacoma, WA, AS), Evonik Foams Inc. (Theodore, AL, AS) dan adesif 3M (St. Paul, MN, AS). Akhirnya, kata Rosenlof, VHA harus hanya mencoba memahami komposit sendiri dan secara bertahap membangun keahlian kompositnya sendiri.
VHA, kata Rosenlof, telah menghabiskan lebih dari satu dekade menyempurnakan kemampuan kompositnya. Dalam prosesnya, ia telah membangun reputasi untuk merancang dan memproduksi daun rotor berkualitas tinggi, performa tinggi, efisiensi tinggi yang melebihi spesifikasi OEM. Sebagai hasilnya, VHA adalah pemasok terdaftar Bell untuk daun rotor pengganti — keberkatan dari produsen helikopter yang dijaga erat dan sangat dicari. Saat ini, VHA memiliki tiga produk yang sudah terbukti: daun rotor utama untuk Bell 206B3 Jet Ranger, daun rotor ekor untuk Bell 206B3/OH-58 Jet Ranger, dan daun rotor ekor legacy UH-1 Huey.
Di lantai produksi
Setelah meninjau strategi dan posisi bisnis VHA, Rosenlof memimpin CW keluar ke lantai produksi perusahaan, tempat sebagian besar karyawan 28 orang bekerja. Di jalan, dia menunjukkan beberapa insinyur desain yang mewakili "rahasia" VHA. Dia mencatat bahwa VHA telah menjadi sangat mahir dalam mengoptimalkan berbagai parameter desain yang membuat produknya menonjol. Ini termasuk koefisien angkat dan drag, momen pitch dan getaran.
Pilot helikopter, kata Rosenlof, sangat sensitif terhadap "rasa" yang disampaikan daun rotor terhadap operasi dan penerbangan helikopter, jadi VHA menghabiskan banyak waktu untuk menguji penerbangannya untuk memverifikasi performa.
"Daun rotor yang berputar adalah medan tegangan — sentrifugal," katanya. "Dan komposit berperilaku berbeda dalam medan itu daripada daun rotor logam." Faktanya, daun rotor helikopter adalah salah satu struktur komposit di dunia yang kehilangan keuntungan saat kehilangan bobot. Rosenlof menyebutnya "weight bogey," yang berarti bahwa daun rotor yang tidak cukup berat berperilaku berbeda dari alternatif logam murni. Karena itu, kata Rosenlof, semua daun VHA dirancang berlebihan untuk menambahkan bobot kembali ke sistem.
Di atas itu, katanya, "Orang di aerospace tidak suka perubahan," yang berarti bahwa pergantian dari daun rotor logam ke daun rotor komposit harus, idealnya, mempertahankan karakteristik performa yang dihabituasi pilot. Ini adalah keseimbangan yang halus, tetapi satu yang telah dikelola VHA dengan baik. Garis bawah, namun, adalah keselamatan, dan dalam hal ini perusahaan telah menunjukkan keunggulan. "Kegagalan selama pengujian dan pengembangan membantu kami merancang daun rotor yang lebih baik," kata Rosenlof. "Kami mahir di hal itu. Saat kami pergi ke pasar, kami harus pertama-tama tidak mengakibatkan kerusakan pada pesawat dan kru, lalu melihat perbaikan performa. Itu tugas kami."
Tur meninggalkan insinyur dan muncul di area produksi daun rotor. Seperti banyak bengkel komposit, manufaktur di VHA dimulai dengan pemotongan plies, yang dilakukan pada sistem pemotongan flatbed otomatis panjang 3m yang disuplai oleh Eastman Machine (Buffalo, NY, AS). Sebagian besar prepreg yang digunakan VHA adalah versi unidirectional Torayca 2510, yang didasari oleh serat karbon T700G 12K tow Toray. Pada lapisan luar daun rotor VHA VHA menggunakan versi plain-weave Torayca 2510, yang didasari oleh serat karbon T700S 12K tow Toray. Rosenlof mengatakan VHA memiliki pengalaman baik dengan prepreg 2510, yang dapat diproses di dalam atau di luar autoclave, disuplai oleh Toray dari rak sebagai produk komoditas, dan mudah didapat dari produsen serat.
Plies, saat keluar dari meja, dikit dan dipersiapkan untuk layup, yang merupakan langkah berikutnya, dilakukan di ruang bersih yang berdekatan. Semua daun rotor VHA memiliki konstruksi sandwich, yang terdiri dari inti foam Evonik Rohacell yang dikelilingi oleh plies UD Torayca. VHA awalnya memesin inti secara in-house, tetapi akhirnya menyerahkannya kepada Evonik, yang melakukan pekerjaannya di fasilitas mereka di Mobile, AL, AS.
Layup dilakukan secara manual. Daun rotor utama diletupkan dalam cetakan komposit besar di tengah ruang. Daun rotor ekor ditempatkan di meja kerja berdiri. Penempatan plies dipandu oleh tanda pada cetakan. Untuk area di mana serat karbon dalam kontak langsung dengan foam, seperti doublers dan spar, ada area yang ditekan terlebih dahulu pada foam untuk memandu penempatan. VHA menggunakan cauls pada semua daun rotor, termasuk, di beberapa area, Airpad Airtech (Huntington Beach, CA, AS) karet non-silikon yang belum dikurasi, yang dapat dibentuk menjadi lembar tekanan caul dan mandrel fleksibel.
Setiap daun rotor yang diproduksi VHA termasuk fitting titanium untuk memasang daun rotor pada tiang daun rotor, dan fitting ini adalah bagian kritis dari setiap layup. Dibuat secara in-house oleh VHA, fitting ini membangunkan tambahan di sekitarnya untuk menjaga integritas daun rotor.
Layup daun rotor yang selesai kemudian dipindahkan ke salah satu dari dua autoclave VHA, masing-masing berukuran sekitar 7,3m panjang. Prepreg epoksi Torayca yang digunakan VHA memerlukan kuring standar 121°C.
Setelah kuring, daun rotor dipindahkan ke bengkel mesin, di mana mereka dipotong ke dimensi akhir. Ini juga di bengkel mesin bahwa VHA membuat hampir semua bagian logam yang digunakan dalam daun rotor, termasuk fitting titanium dan strip abrasi nickel untuk tepi depan daun rotor. VHA mengoperasikan dua CNC vertikal, dua CNC horizontal dan pemotong air OMAX (Kent, WA, AS). Tiga CNC disuplai oleh Haas Automation Inc. (Oxnard, CA, AS); satu disuplai oleh DMG Mori Seiki (Nagoya, Jepang).
Akhirnya, VHA melakukan pengujian yang ketat pada daun rotor yang dibuat, dan memiliki berbagai fitting dan mesin pengujian yang dirancang untuk mengevaluasi segalanya dari keseimbangan daun hingga properti kekuatan dan kekakuan. VHA juga memiliki helikopter Bell 206B sendiri, yang digunakan untuk mengevaluasi properti dinamis daun rotor, termasuk "rasa" yang sangat penting bagi pilot.
Namun, saat CW menanyakan tentang inspeksi non-destruktif (NDI), Rosenlof mencatat bahwa VHA tidak melakukannya. "Kami memiliki kualitas yang bergantung pada proses," katanya. "Kami memantau suhu, tekanan dan waktu, dan selama kami berada dalam spesifikasi untuk keduanya, maka kami membuat daun rotor yang baik." Rosenlof juga mencatat bahwa sebagian besar proses dan kontrol kualitas VHA berfokus pada toleransi permukaan atas daun rotor karena ini adalah sisi "fungsional" dari daun rotor dan paling kritis untuk performa daun rotor.
Langkah berikutnya
Pekerjaan daun rotor VHA belum selesai. Perusahaan saat ini mengembangkan produk baru, termasuk daun rotor ekor dan utama untuk Bell 212 dua mesin, dua daun, dan Bell 412 empat daun kelas Huey dua mesin. Rosenlof menambahkan bahwa VHA sedang mengembangkan teknologi co-curing yang dapat membangun efisiensi manufaktur yang lebih besar.
Saat tur berakhir, Rosenlof mencatat bahwa meskipun VHA adalah operasi yang relatif kecil (staf manajerial dan karyawan total 30), perusahaan telah menciptakan niche untuk dirinya sendiri yang tidak seperti banyak yang lain, dan telah melakukannya dengan melaksanakan kemampuan manufaktur komposit dengan berani dan percaya diri. Niche ini, sekuat yang dimiliki untuk VHA, tidak dibangun secara sederhana, dan dalam arti itu, sangat layak diterima. "Kami," ucapnya, "sukses malam hari berusia 18 tahun."
