Fraunhofer IPT는 수소 저장고, 엔진 블레이드 등에 열가소성 복합 재료를 개발합니다.

Fraunhofer IPT 개발에는 (왼쪽 상단에서 시계 방향으로) 열가소성 합성물 항공기 엔진 팬 블레이드, 레이저 구조화 및 AFP를 사용하는 하이브리드 합성 금속 구조, 합성물의 SHM(구조적 상태 모니터링) 및 PrePro 2D 및 PrePro3D 시스템과 같은 열가소성 합성물 테이프 처리 시스템이 포함됩니다. Conbility에서 상용화. 사진 제공:Fraunhofer IPT

2020년 12월, 저는 Fraunhofer Institute for Production Technology(IPT, Aachen, Germany)가 열가소성 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 항공기 엔진 팬 블레이드용 완전 자동화된 테이프 부설 및 성형을 개발하는 방법에 대한 기사를 게시했습니다. 열가소성 복합 테이프의 현장 통합(ISC)은 Fraunhofer IPT가 잘 알고 있는 주제이며 ISC 개척자 Accudyne Systems Inc.(미국 델라웨어주 뉴어크) 및 Automated와 함께 초기에 이 기술을 주도했습니다. Dynamics, 현재 Trelleborg Sealing Solutions Albany(TSS Albany, Niksayuna, NY, US). [이 ISC 개척자에 대한 자세한 내용은 "열가소성 항공 구조 통합, 1부 및 2부"를 참조하십시오.] "IPT는 1988년부터 LATW(레이저 보조 테이프 권선) 분야에서 활발하게 활동해 왔으며 여전히 우리의 주요 주제 중 하나입니다. "라고 Fraunhofer IPT의 섬유 강화 플라스틱 및 레이저 시스템 기술 담당 수석 엔지니어이자 부서장인 Dr. Henning Janssen이 설명합니다. 그는 LATW 기술이 특히 지난 10-15년 동안 많이 바뀌었다고 말합니다. 이 블로그는 Fraunhofer IPT의 LATW 및 열가소성 복합 재료 개발에 대한 자세한 내용과 연구소가 앞으로 나아갈 기술 방향에 대해 자세히 설명합니다.

레이저 테이프 와인딩의 진화

Janssen은 "30년 전에 시작했을 때 레이저 기술은 열가소성 복합 재료의 고속 가공을 위한 준비가 되어 있지 않았습니다. “특히 제어 측면에서 아날로그 카메라만 있다고 상상할 수 있습니다. 지금 우리는 훨씬 더 나은 기술을 가지고 있습니다. 예를 들어 2008년 소형 레이저 와인딩 헤드를 개발하여 AFPT Germany(독일 Dörth)를 설립했을 때 프레임 속도가 8에 불과한 16픽셀 x 16픽셀 카메라를 사용해야 했습니다. 초당 프레임. 이제 우리는 640 x 480 픽셀과 초당 50프레임 이상을 쉽게 처리할 수 있습니다." 그는 이것이 중요하다고 설명합니다. "우리가 개발한 레이저 테이프 와인딩의 주요 장점 중 하나는 프로세스 및 또한 밀리초 이내에 처리 능력을 변경합니다. 예를 들어, 압력 용기의 돔과 같이 와인딩 속도가 느려지고 레이저 가열 전력을 낮춰야 하는 복잡한 형상을 이동할 때 좋은 이점을 제공합니다. 그런 다음 와인딩이 탱크 실린더를 따라 속도를 회복할 때 다시 조정해야 합니다. 15년 전에는 레이저, 제어 시스템, 열화상 기술이 준비되지 않았거나 너무 비싸고 오늘날처럼 강력하지 않았기 때문에 불가능했습니다.

Janssen은 계속해서 “디지털 측면에서 많은 것이 발전했습니다. 예를 들어 이제 우리는 디지털 트윈과 같은 것을 제공합니다. 여기에서 모든 센서 정보를 압력 용기에 매핑할 수 있으므로 제조된 부품과 디지털 설계를 비교하여 부품 품질을 평가하고 성능을 예측할 수 있습니다. 가상 공정 센서와 모델을 사용하면 공정 이력으로 정의된 적층 강도를 예측할 수도 있습니다.” 열가소성 테이프를 사용하는 LATW는 열 후처리 단계가 없기 때문에 권선 공정 자체에서 재료 및 부품 특성이 결정되는 빠른 가열 및 냉각을 사용하기 때문에 이것이 중요합니다. 따라서 신속한 공정 제어 능력을 갖추는 것이 중요합니다.

재료에서도 발전이 있었다고 Janssen은 말합니다. "20년 전에는 Cytec의 APC-2와 같은 열가소성 복합 테이프 재료가 제한적이었습니다. 현재는 Solvay(미국 조지아주 알파레타)입니다."라고 그는 설명합니다. “그러나 이제 더 많은 재료가 산업 응용 분야에 적합하며 탄소 섬유와 유리 섬유로 강화된 폴리프로필렌(PP)과 같은 많은 상용 재료와 폴리아미드 6(PA6)이 있습니다. 자동차 산업에서 꽤 많이 사용됩니다. 이제 대량 생산에 더 가까운 LATW에 대한 응용 프로그램도 있습니다. 예를 들어, 전기 모터의 고정 슬리브 및 기타 부품에 대한 추진력이 있습니다. 이들은 단순한 열가소성 복합 링 또는 튜브이지만 연간 10,000~50,000개입니다.”

ampliFIBRE, 석유 및 가스용 파이프

Janssen이 위에서 설명한 LATW의 디지털 제어 기능 중 일부는 ambiFIBRE 프로젝트(2015-2018)에서 개발되었습니다. "그 프로젝트에는 많은 파트너가 있었지만 그 중 하나는 Baker Hughes(영국 뉴캐슬과 미국 텍사스 휴스턴)였고 우리는 그들의 비금속 파이프에 LATW 장비를 사용했습니다." ambliFIBRE가 2018년에 종료된 직후 Baker Hughes는 CFRP(탄소 섬유 강화 플라스틱) 사용을 포함하여 비금속 파이프의 사용을 확대하기 위해 Saudi Aramco(사우디아라비아 리야드)와 합작 투자를 발표했습니다.

Baker Hughes는 이제 에너지 부문에서 비금속 재료의 도입을 가속화하는 것을 목표로 하고 있으며 Magma(영국 포츠머스)와 같이 파이프에 레이저 기반 기술을 사용하는 다른 회사도 있습니다. ("심해에서 떠오르는 열가소성 파이프" 및 "Magma Global이 고압 합성 라이저를 제공합니다... 참조).

Janssen은 "또한 열가소성 합성물 라이저 및 유동 라인에도 레이저 테이프 권선을 사용하는 것이 일반적입니다."라고 말합니다. "아직 다른 산업 분야에서는 이것이 일반적인 지식이 아니지만." 그는 최근 LATW에 대한 관심의 대부분이 수소 저장 탱크에 집중되었지만 이 기술은 이미 훨씬 더 광범위하게 적용되고 있다고 덧붙였습니다.

ambliFIBRE 프로젝트 내에서 Fraunhofer IPT는 예를 들어 수 킬로미터 길이의 파이프를 생산하기 위해 불연속(예:탱크) 및 연속 테이프 와인딩을 위한 디지털 프로세스 제어 모델을 개발했습니다. 사진 제공:amblifibRE 프로젝트를 위한 Fraunhofer IPT 비디오

Janssen은 “Fraunhofer IPT가 이러한 애플리케이션에 제공하는 것이 핵심입니다. "분명히 우리 연구소에서 연속 파이프 생산을 위한 본격적인 생산 라인을 운영하고 있지는 않지만 고객에게 제공하는 것은 재료 테스트 및 제품 검증입니다. 예를 들어, DNV-GL F114를 기반으로 하는 테스트 피라미드가 있습니다. 이 피라미드는 폴리머와 섬유의 자격 및 테스트부터 시작하여 복합 라미네이트 미세구조 또는 메조구조까지 확장됩니다. 그래서 우리는 쿠폰 수준에서 많은 테스트를 수행한 다음 더 작은 파이프와 대표적인 파이프로 확장합니다. 예를 들어 와인딩은 프레스 또는 자동 테이프 부설(ATL)과 다른 속성을 제공하기 때문입니다."

또한 그는 "재료에 다른 응력이 있기 때문에 이러한 복합 재료의 대부분은 길이가 2-3인치에서 수 미터까지인 작은 파이프에서 테스트됩니다. 따라서 이 테스트를 수행한 다음 실제 부품 길이(예:2-3km)에 대한 프로세스 이해를 적용합니다. 그 길이의 처리 시간이 며칠에 걸쳐 있을 수 있고 수축과 함께 상당한 영향을 미칠 수 있는 주변 기온의 변화와 같은 기타 요인을 고려해야 하기 때문에 매우 흥미롭습니다."

수소 저장 탱크의 LATW

Janssen은 Fraunhofer IPT가 2000년부터 석유 및 가스 회사와 협력해 왔다고 말합니다. "그리고 8년 전에 이것이 수소 탱크에 필요한 기술과 거의 동일하다는 것을 알게 되었습니다."라고 그는 회상합니다. “이제 우리는 IPT의 수소 제조와 연료 전지의 탄소 섬유 복합 재료에 대한 큰 이니셔티브를 갖게 되었습니다. 우리는 자동화된 연료 전지 제조를 위해 8천만 유로 규모의 시설을 구축하고 있으며 길이 7미터, 직경 2.5미터의 부품을 생산할 수 있도록 상당히 큰 새로운 권선 시설에도 투자하고 있습니다. 대형 압력 용기용.”

열가소성 복합 테이프를 사용하는 LATW는 아직 압력 용기 제조를 위한 최첨단 기술이 아니라고 Janssen은 말합니다. 그러나 우리는 열가소성 수지가 제공하는 낮은 투과성, 인성 및 재활용성이 중요하다고 굳게 믿습니다.” 그는 또한 모든 합성물이지만 별도의 열가소성 라이너를 사용하지 않는 Type V 압력 용기에서 열가소성 수지의 가능성을 보고 있습니다. "이것은 연료 전지 전기 트럭과 같은 일부 모바일 수소 저장 응용 프로그램에 대한 미래 솔루션을 제공할 수 있습니다."

"또한 기존의 열경화성 필라멘트 와인딩은 최소 와인딩 각도와 관련하여 제한적입니다.”라고 Janssen은 말합니다. "예를 들어, 섬유 각도가 10° 이상인 나선형 층의 돔을 돌아야 합니다. 따라서 기존의 필라멘트 권선 탱크에 0° 보강재를 넣을 수 없습니다.” 그러나 그는 "클래식 LATW에서는 들어오는 열가소성 프리프레그가 기판에 직접 용접되므로 원하는 방향으로 이동할 수 있으므로 훨씬 더 많은 디자인 자유를 제공합니다. 우리는 현재 안전하고 에너지 효율적이며 재활용하기 쉬운 수소 저장용 열가소성 압력 용기를 개발하기 위해 자동차 업계의 파트너와 프로젝트를 진행하고 있습니다.”

열가소성 합성 팬 블레이드

Fraunhofer IPT는 터보 기계 분야에서 매우 강력한 배경을 가지고 있다고 Janssen은 말합니다. “여기 아헨에 있습니다 국제 터보기계 제조 센터(ICTM), 제조 기술을 개발하고 향상시키기 위해 사전 경쟁 R&D 프로젝트에서 엔진 제조업체 및 공급업체와 공동으로 협력하는 사전 경쟁 커뮤니티입니다.”

그는 지난 20년 동안 블레이드 통합 디스크(blisk)와 같은 터빈 및 압축 섹션의 고급 제품을 위한 티타늄 또는 니켈 기반 합금 가공에 주로 초점을 맞추었다고 말합니다. 저온 섹션에서는 탄소 섬유 복합 팬 블레이드와 같은 복합 재료 부품이 1990년대에 GE에서 개발되었으며 현재 GE90 및 GEnx에서 서비스되고 있습니다. "그러나 이제 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)는 제트 엔진의 뜨거운 부분을 위한 차세대 재료로 간주됩니다."라고 Janssen은 말합니다. "더 높은 효율을 위해 더 적은 무게로 더 높은 온도를 가능하게 합니다.

"금속과 비교하여 복합 재료로 부품을 제조하는 것은 매우 다릅니다."라고 그는 말합니다. “금속의 경우 대량의 재료로 시작하여 대부분 기계가공인 감산 가공으로 부품을 추출하므로 설계가 제조에 크게 의존하지 않습니다. 항상 일종의 생성 과정을 필요로 하는 합성물에서는 그 반대입니다. 그래서 우리는 제조 관점에서 새로운 팬 블레이드 전략을 다루기로 결정했습니다.”

그는 또한 Fraunhofer가 Eco-Design 활동을 주도하고 있는 Clean Sky 2 공동 사업에 주목했습니다. Fraunhofer IPT는 수명 주기 평가 및 환경 영향 평가를 포함하는 엔진의 친환경 설계에 중점을 두고 있습니다. "이것이 우리가 열가소성 복합 재료를 살펴보기 시작한 이유입니다."라고 그는 설명합니다. “지금까지 우리는 TRL(기술 준비 수준)이 매우 낮습니다. 현재 개발은 거의 그물 모양 레이업 및 약간의 열성형(보정 단계와 비슷함)과 같은 다양한 공정 경로를 제조하고 시도한 다음 가공 측면에서 마무리하는 것에 관한 것입니다. 따라서 우리 앞에는 아직 할 일이 많습니다.”

한편, Fraunhofer IPT는 디지털 기술을 사용하여 모든 블레이드의 가공 매개변수를 모니터링하고 평가함으로써 금속 항공기 엔진 부품 가공에 대한 전문성을 복합 재료로 확장하고 있습니다. 그러나 복합 재료의 목표는 이러한 절삭 가공에서 더 적은 폐기물을 위한 더 많은 적층 가공으로 이동하는 것이 아닙니까? "예, 하지만 일부 공정 경로의 경우 치수 공차를 충족하기 위해 기계 가공이 필요합니다."라고 Janssen은 말합니다. "지금 우리가 작업하고 있는 것은 그물 모양에 매우 가깝습니다."

그는 현재 개발 중인 디자인이 루트에서 0.75인치 두께의 열가소성 라미네이트이고 팁에서 두께가 2밀리미터에 불과하다고 지적합니다. “그리고 설계 엔지니어와 함께 논의하는 다양한 설계 전략이 있습니다. 또한 이러한 종류의 매우 높은 하중을 받는 부품에 대한 오토클레이브 또는 프레스 단계가 있습니까? 이것은 또한 내부 응력과 관련하여 역할을 할 것입니다. 왜냐하면 이 블레이드가 회전하는 동안 약간 비틀린다는 것을 알고 있기 때문입니다. 그리고 물론 조류 충돌이 핵심 문제입니다.” 후자의 경우 Janssen은 PPS(폴리페닐렌 설파이드) 합성물이 바로 이러한 이유 때문에 날개 앞 가장자리에 사용된다는 점을 지적하면서 열가소성 수지의 인성 증가를 가능하게 하는 것으로 보고 있습니다.

열가소성 복합재료의 미래 응용

엔진 나셀에 열가소성 복합 재료를 사용할 가능성에 대해 질문했습니다. , 이는 2021년 3월 Aviation Week에 보고된 바와 같이 최근 4건의 블레이드 아웃 사고에 대한 솔루션을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다. 기사:

"... 엔진 덮개 또는 나셀의 부분을 치는 블레이드 파편으로 인한 손상은 엔진 흡입구 및 팬 카울의 일부를 포함하여 구조의 큰 부분이 파손되는 일련의 사건을 촉발했습니다. 떨어져있는." 4건의 사고 모두에서 항공기 동체가 손상을 입었고, 2018년 4월 사우스웨스트 1380편의 경우 창문 중 하나가 떨어져 승객이 사망하는 사고가 발생했습니다.

Janssen은 "엔진 컴파트먼트에 열가소성 복합 재료를 사용하는 것에 대한 업계의 관심이 어느 정도 있지만 이는 장기적인 발전입니다."라고 말합니다. 이러한 개발을 위한 한 가지 문제는 Fraunhofer IPT가 활동 중인 또 다른 영역인 항공 당국의 인증입니다. “우리는 이제 새로운 제조 프로세스가 현재 및 진화하는 표준을 준수함을 디지털 방식으로 증명하여 인증 노력을 줄이는 데 도움이 되는 방법을 인증 기관과 논의하고 있습니다. 그래서, 그것은 새로운 사고 방식입니다. 21세기 제조에는 사용할 수 있는 데이터가 너무 많기 때문에 테스트를 통해 하나의 프로세스나 하나의 디자인을 인증한 다음 동결되는 것이 아닙니다." 다시 말해, 오늘날 Industry 4.0 및 Composites 4.0에 대한 강조점은 센서와 AI 지원 소프트웨어가 지속적으로 데이터를 수집하고 인텔리전스를 개발하여 제조를 지속적으로 최적화하고, 그 인텔리전스를 디지털 스레드에서 뒤로 보내 설계를 개선한다는 것입니다. 이것은 오늘날의 제조업과는 실로 많이 다릅니다.

인증에 관한 Fraunhofer IPT의 작업은 "엔진 부품용 열가소성 합성물과 같은 신기술, 즉 기술, 설계 및 위험 관리를 포함한 모든 측면이 고려되면 새로운 기술을 가능하게 하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 Janssen은 말합니다. 그는 열가소성 복합 재료가 다양한 주요 과제를 극복하는 데 도움이 될 엄청난 잠재력을 제공한다고 주장합니다. Fraunhofer IPT는 예를 들어 새로 사용 가능한 디지털 제조 방법을 사용하여 열가소성 복합 재료의 처리 복잡성을 극복하기 위해 노력하고 있습니다. "게다가, 열가소성 복합 재료의 잠재력은 재사용 및 재활용을 포함한 전체 수명 주기를 고려한 후에만 완전히 활용할 수 있습니다."라고 Janssen은 말합니다. “따라서 Fraunhofer IPT는 열가소성 복합 재료의 기계적 재활용에도 노력하고 있습니다. 우리는 제조 과정에서 생성된 데이터와 복합 부품의 전체 수명 주기 동안 생성된 데이터를 모두 고려하여 고부가가치 재활용 재료를 달성하는 것이 가능할 것으로 보고 있습니다.”