Menguasai Penguat Serat: Seni dan Ilmu Pengleting
Di industri komposit, ada beberapa proses manufaktur yang, pada permukaannya, tampak relatif sederhana dan mudah dilakukan. Pengleting penguat serat, kata banyak orang, salah satunya. Pengleting, faktanya, dilakukan oleh cukup banyak pembuat. Memang, memperoleh dan menggunakan mesin pengleting untuk membuat preform, sleeves dan/atau kain serat karbon atau kaca dapat dicapai tanpa investasi uang atau waktu yang besar.
Namun, tidak banyak perusahaan di dunia yang telah menjadikan pengleting fokus dari semua perhatian, keahlian, investasi dan strateginya. Masih lebih sedikit yang menikmati reputasi yang dirintis oleh A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, AS) untuk keunggulan teknis dan artistik serta luasnya pengalaman dengan praktisch setiap penguat serat yang digunakan saat ini.
Apa yang ada di nama?
A&P berasal dari Atkins & Pearce Manufacturing Co., yang didirikan pada tahun 1817 untuk memproduksi mesin pemroses kapas. Atkins & Pearce akhirnya mulai melleting kapas untuk berbagai pasar akhir. Ini berlanjut melalui pertengahan abad ke-19 dan ke abad ke-20. Pada tahun 1986, saat industri komposit modern mulai terbentuk, Atkins & Pearce melihat peluang untuk menerapkan keahlian melletingnya pada fabrikasi komposit dan menciptakan A&P Technology sebagai unit R&D untuk mengevaluasi pengleting serat teknis. Bisnis A&P Technology tumbuh selama dekade berikutnya dan, pada tahun 1995, menjadi anak perusahaan sepenuhnya dari Atkins & Pearce. Pada tahun 1997, perusahaan mengambil langkah tambah dengan memisahkan A&P Technology sebagai perusahaan independen. Saat ini, ia dimiliki sepenuhnya oleh presidennya, Andrew Head.
A&P Technology tersebar di atas lima gedung di kampus yang terletak di sisi timur area metropolitan Cincinnati. Pengunjung disambut di Tech Center berukuran 1.255m2, gedung di dekat pintu utama kampus. Di sini Pam Schneider, COO, dan Mike Braley, VP, application engineering, menyambut CW untuk tur ini. Schneider melacak akarnya di A&P lebih dari 30 tahun ke belakang hingga didirikannya perusahaan. Braley bergabung dengan A&P lebih dari 20 tahun yang lalu, datang dari GE Aviation (Evendale, OH, AS), salah satu pelanggan lama A&P.
Duduk di lantai atas Tech Center, di tengah contoh bagian yang dihasilkan dari kontrak melleting A&P, bersama foto warisan dari hari awal Atkins & Pearce, Schneider menjelaskan bahwa keberhasilan A&P berasal terutama dari kemampuannya untuk merancang solusi bahan khusus untuk memenuhi beragam kebutuhan mekanis dan fisik. Dan ini mungkin karena peralatan melleting A&P dikembangkan dan diproduksi di dalam rumah, yang berarti perusahaan terkait erat dengan teknologinya, dari konsep hingga pengembangan hingga pembuatan.
Braley berpendapat bahwa pengleting penguat serat menawarkan serangkaian kemampuan bahan yang tidak ditemukan di mana pun di industri komposit. “Dasarnya,” katanya, “kami dapat mengubah arsitektur serat untuk memenuhi dimensi dan kebutuhan mekanis spesifik apa pun.”
Pengleting 101
Memahami pernyataan ini memerlukan pemahaman tentang pengleting itu sendiri. Pada level paling dasar, benang benang adalah sistem serat yang berkelanjutan, terinterlock secara mekanis dari dua atau tiga orientasi. Benang diungkit di sekitar gulungan silinder dan gulungan dipasang pada pembawa. Beberapa pembawa kemudian dipasang pada plate pengleting dengan lintasan serangga yang memandu pembawa. Benang ditarik dari setiap pembawa ke bidang pembentukan di atas lintasan pengleting. Pengleting dapat diorientasikan secara horizontal atau vertikal, dan ukurannya (jumlah pembawa) menentukan diameter bagian yang selesai.
Geometri benang yang selesai tergantung pada bentuk dan ukuran mandrel, serta konfigurasi pengleting, dan digunakan untuk membuat sleeve, preform 2D dan kain datar. Dalam semua kasus, pengleting yang baik menawarkan struktur serat yang berkelanjutan, konsisten dan terdistribusi merata, yang memberikan pada bagian komposit yang selesai resistensi yang sangat baik terhadap dampak dan propagasi retakan.
Kustomisasi arsitektur kain yang dirujuk Braley dibuat mungkin oleh variabel yang dapat diatur untuk benang: Jenis serat (karbon, kaca, aramid, alami, termoplastik atau hibrida), arsitektur (biaxial, triaxial, triax/biax atau unidirectional), jumlah pembawa, sudut benang (tetap atau bervariasi), tekanan benang, kecepatan pengleting dan bentuk mandrel.
A&P Technology, katanya Schneider, mengoperasikan mesin pengleting yang bervariasi ukuran dari 3 hingga 800 pembawa, dengan lebih dari 40 ukuran di antaranya, menghasilkan rentang preform dan produk menggunakan serat karbon, serat kaca, serat aramid dan lainnya. Pengleting 800 pembawa sangat besar — lebih dari 13m diameter — yang terbesar di dunia. Garis mesin A&P terus berkembang, dengan ukuran mesin baru ditambahkan sering untuk memenuhi persyaratan pelanggan tertentu. Pada tahun 2016, A&P menghasilkan lebih dari 453,6 MT produk yang diletingkan, dengan pertumbuhan tahunan 15-20% yang diharapkan selama beberapa tahun ke depan. Pasar akhir terbesar A&P adalah penerbangan, katanya Schneider, tetapi perusahaan juga membuat produk yang diletingkan untuk aplikasi otomotif, rekreasi dan infrastruktur.
Braley mengatakan A&P berutang banyak keberhasilannya pada kemampuannya untuk melleting dengan baik dan, dalam proses, membantu pelanggan menyelesaikan masalah yang sulit. Biasanya, katanya, pelanggan datang ke A&P dengan bagian logam yang gagal dalam beberapa cara, dan semua solusi lainnya telah gagal. “Kami sangat fokus pada hal ini selama waktu yang lama,” katanya tentang melleting. “Kami memiliki peralatan, sejarah, pengetahuan dan keahlian untuk mengembangkan solusi khusus. Faktanya,” lanjutnya, “beberapa pelanggan kami sedikit kewalahan dengan kemampuan khusus kami.”
Tempat pertama tur setelah meninggalkan area pameran Tech Center adalah di bawah di lab prototipe, di mana “tech” sebenarnya dilakukan. A&P tidak membuat bagian komposit untuk dijual, melainkan menciptakan ruang bagi pelanggan untuk mempercepat proses prototipenya. Di sini, A&P melakukan prototipe untuk pelanggan, dan juga membangun alat penataan serta melakukan uji ledak hidrolik. Juga termasuk adalah meja penataan besar, mesin pengleting komersial kecil yang tersedia, peralatan pengujian non destruktif, freezer untuk penyimpanan prepreg dan oven walk-in Wisconsin Oven (East Troy, WI, AS).
Terlihat di seluruh tempat adalah berbagai bagian dalam tahap manufaktur dan penilaian yang berbeda. Di antaranya adalah casing jet engine generasi selanjutnya, gear komposit untuk proyek helikopter, alat nacelle dan beberapa produk milik yang, dengan aneh, tidak memiliki apa-apa dengan komposit. Ini tidak terlihat tidak pada tempatnya, katanya Braley: “Kami dirancang untuk mengejar proyek berisiko tinggi, imbalan tinggi. Kami selalu mencari peluang untuk meletakkan teknologi kami untuk bekerja.”
Di Balik Pintu Tertutup
Di sini tur melanjutkan di balik pintu tertutup ke area yang diizinkan CW untuk dikunjungi dengan pemahaman bahwa semua observasi yang spesifik terhadap aplikasi dan mesin akan dijaga kerahasiaannya. A&P, faktanya, biasanya tidak mengizinkan tur pabrik untuk melindungi sifat proprietary desain pelanggannya dan teknologi terdepannya. Faktanya, hanya astronaut AS Neil Armstrong yang telah diberikan tur penuh. Kunjungan CW, pengecualian langka, telah diatur untuk memungkinkan industri yang dilayaninya untuk lebih memahami kemampuan luas A&P.
Tempat berikutnya adalah gedung Kontrak Jangka Panjang, fasilitas 3.250m2 di tepi utara kampus. Di sini kami menemukan sistem A&P bekerja, seperti yang namanya implikasikan, pada proyek pengleting untuk proyek multi-tahun — yang, katanya Braley, statis dan tidak dapat berubah. Yang pertama ditampilkan melibatkan susunan yang mengesankan dan rumit dari mesin pengleting dan mandrel yang memproduksi preform serat karbon untuk rangka fuselase yang ditujukan untuk The Boeing Co. (Chicago, IL, AS) 787-8 Dreamliner. A&P membuat 290 rangka per pesawat untuk Boeing, 161 darinya unik. Dalam satu shift, satu dari sistem pengleting/mandrel A&P ini menghasilkan empat preform, yang kemudian dibuat menjadi delapan rangka, dan sistem yang melakukan ini dioperasikan oleh salah satu dari program perangkat lunak paling kompleks dan terdirancang tinggi yang pernah dikembangkan perusahaan.
Schneider dan Braley kemudian menunjukkan workcell besar dengan mesin pengleting yang beroperasi untuk membuat preform casing kipas serat karbon untuk mesin GEnx GE Aviation. Preform ini keluar dari mesin pengleting sebagai tabung, yang kemudian diumpankan ke atas mezanin di atas mesin pengleting, dihaluskan dan diiris untuk membuat kain dua lapir, diungkit ke gulungan dan kemudian dikirim ke fasilitas jet engine GE Aviation di Batesville, MS, AS (lihat “Plant Tour: GE Aviation”). Braley mengatakan konsistensi di sini kritis, karena casing kipas dirancang untuk mengandung peristiwa “blade out”, di mana baluran kipas terlepas selama operasi (kejadian langka) dan mengenai casing: “Setiap lapisan harus, dan adalah, sama,” katanya. “Dari sudut dampak, sangat konsisten.” Selain GEnx, A&P menyediakan preform casing kipas yang diletingkan untuk mesin GE CF6-80C2, keluarga mesin HTF7000 Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, AS) dan untuk mesin FJ44-4 Williams International (Commerce Township, MI, AS).
Selanjutnya adalah mesin pengleting 336-pembawa, yang membuat preform serat karbon untuk mesin LEAP 1B/2B, serta GEnx. Setelah itu adalah sistem kompleks yang melleting serat karbon dan aramid untuk membuat preform untuk vana stator pada mesin Honeywell. Mesin pengleting ini, dikatakan CW kepada kami, menampung tujuh variasi desain, namun berfungsi sepenuhnya tanpa supervisi manusia.
Schneider dan Braley memimpin jalan keluar gedung LTC dan menuju ke Gedung Produk Inti. Dibangun baru 2 tahun yang lalu, ini adalah yang terbaru A&P. Ada 20 mesin pengleting berukuran berbeda di sini (yang terbesar dilengkapi 400 pembawa), banyak dari banyak ukuran, dan mayoritas berjalan pada waktu tertentu. Suara “clack-clacking” pembawa yang berputar membuatnya salah satu fasilitas paling bising di kampus. Peralatan baru sepenuhnya yang ada di sini berfokus pada pengleting kecepatan tinggi dari selang untuk berbagai aplikasi, termasuk insulasi emisi truk jalan raya, struktur sayap pesawat, prostetik, stick hoki dan palu baseball.
Tempat berikutnya adalah Gedung Kain, di mana A&P membuat empat kain diletingkan siap pakai, QISO, Bimax, ZERO dan TX-45, untuk berbagai aplikasi. QISO, di pasar selama sekitar lima tahun, adalah kain quasi-isotropik yang dirancang untuk alat cetak komposit, perbaikan infrastruktur dan aplikasi otomotif. Kombinasi bahan bervariasi tergantung pada aplikasi dan mencakup serat karbon grade penerbangan dan grade industri. Kain datang dalam beberapa bobot areal dan lebar.
Bimax adalah bahan stabil ±45° yang umum digunakan dalam stick hoki, piringan sinyal radio besar dan bagian otomotif. Jenis serat di sini adalah hibrida karbon dan kaca, dengan axials termoplastik ditambahkan untuk mengstabilkan arsitektur kain selama penataan. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, AS), katanya A&P kepada kami, beralih dari kain serat karbon yang dibenam ke Bimax untuk stick hokinya, dan dalam prosesnya, mengurangi penggunaan bahan sebesar 7%.
ZERO, kain non-pengleting tunggal A&P, awalnya dirancang untuk program F-22. Kain unidirectional nonwoven ini hampir tidak memiliki keriput dan ditawarkan dalam berbagai bobot ons.
TX-45 adalah kain terbaru A&P, kain twill 2x2 ±45°, 193-g/m2, diungkit pada kertas pembawa untuk memungkinkan penanganan yang mudah dan orientasi serat yang konsisten. Braley mengatakan TX-45 dikembangkan oleh A&P untuk pelanggan penerbangan yang tertarik pada pengganti untuk prepreg plain-weave ±45°.
Juga di Gedung Kain, A&P memproduksi preform termoplastik yang diletingkan untuk TiSeat (Titanium Seat) merek dagang Expliseat (Paris, Prancis). Beratnya hanya 4 kg, Expliseat menyebutnya kursi pesawat terringan di dunia. Ini menampilkan preform komposit yang dibuat dengan melleting tepit termoplastik sempit, yang katanya Braley cenderung lebih kaku daripada benang dan, oleh karena itu, lebih sulit untuk diletingkan. TiSeat sedang dipasang untuk Airbus A320, menghemat Airbus sekitar 2.090 kg per pesawat dibandingkan bahan dan produk bersaing.
Struktur terbesar di kampus A&P adalah Gedung Pengembangan Bisnis, fasilitas 7.430m2 yang berfungsi sebagai pusat manufaktur untuk berbagai proyek militer, industri dan penerbangan — khususnya yang terkait mesin. Pada tur keliling, Braley menunjukkan sistem pengleting yang sedang dikembangkan untuk spacer aliran mesin GE, sistem preform mesin GE9X yang sedang melalui kualifikasi (GE9X akan memenerbangkan Boeing 777X yang akan datang), body plies GEnx, mesin pengleting casing kipas untuk mesin Williams dan preform casing kipas mesin Honeywell.
Di sini juga ada Ruang Otomasi, di mana A&P menilai robotika dan teknologi serupa untuk membantu mempercepat tingkat produksi pengleting. Ini mencakup robot multi-sumbu untuk membantu pemuatan mandrel dan pengembangan teknik overbraiding yang lebih canggih. Juga dievaluasi adalah perangkat lunak jadwal dinamis dengan umpan balik pengleting waktu nyata dan sistem visi yang digunakan untuk inspeksi dalam proses. “Kami merasa kami berada di garis depan kemampuan pengleting,” katanya Braley, “tetapi selalu ada peluang untuk membaik, dan kami harus mendorongnya.”
Melanjutkan ke depan
Kembali di Tech Center, CW bertemu Andy Head, yang secara universal dijelaskan sebagai kekuatan penggerak teknis dan mekanis A&P. Diminta untuk menggambarkan posisi A&P dalam rantai pasok komposit, dia mencantumkan empat kekuatan: Kontrol numerik yang kuat, desain digital yang baik, kemampuan mekanis internal yang baik dan fleksibilitas yang inherent dalam proses pengleting itu sendiri.
Campuran kemampuan ini, katanya Head, telah menempatkan A&P dalam posisi unik di industri komposit: Sumber solusi braided teradvansi yang dirancang tinggi yang sulit ditemukan di tempat lain karena ambang masuk yang tinggi dari pengleting.
“Organisasi kami didasarkan pada minat bersama yang memaksa untuk membuat pelanggan kami berhasil,” tambahnya. “Kemampuan kami untuk merancang dan membangun mesin di dalam rumah memungkinkan kami memberikan solusi optimal kepada pelanggan kami dalam waktu yang singkat. Fleksibilitas desain ini menempatkan A&P di garis depan teknologi pengleting, posisi yang kami ambil sangat serius.”
“Tentu saja,” katanya Head, “posisi sumber tunggal kami adalah unik, tetapi kami memiliki sejarah panjang dalam mendukung program volume besar, program dengan persyaratan yang hanya dapat dipenuhi oleh mesin kami. Kami bangga dengan kemampuan kami untuk tidak hanya memenuhi persyaratan ini, tetapi untuk melebihi ekspektasi pelanggan kami terhadap kualitas dan pelayanan.”
Melihat kembali sejauh mana A&P telah berkembang, dan pada fokus industri komposit, hari ini, pada kecepatan manufaktur, waktu siklus, otomatisasi, kontrol proses dan konsistensi, Schneider melihat A&P sangat selaras dengan tujuan ini dan siap untuk memenuhi kebutuhan preforming di sektor penerbangan, otomotif dan industri dan di luarnya. “Ini 20 tahun yang hebat,” katanya, “tetapi kami belum selesai.”
