DigiProp은 Dowty Propellers와 고객에게 지속 가능한 차세대 플랫폼을 제공합니다.

합성 프로펠러 시스템의 글로벌 리더이자 GE Aviation(미국 오하이오주 신시내티)의 일부인 Dowty Propellers(영국 글로스터)는 최대 규모의 프로펠러 연구 및 개발 프로그램인 DigiProp의 성공적인 완료를 발표했습니다. Dowty는 프로펠러 시스템의 설계, 제조 및 테스트의 모든 측면을 혁신하기 위해 4년 동안 2천만 파운드의 "디지털 추진" 프로그램을 주도했습니다.

운영 환경을 더 잘 나타내기 위해 진화하는 테스트 방법은 DigiProp 프로그램의 초점 영역이었습니다. 사진 제공:Dowty Propellers

DigiProp은 영국 정부의 자금 지원을 받아 영국의 고부가가치 제조 투석기 센터 3곳인 셰필드 대학의 첨단 제조 연구 센터(AMRC, Sheffield), 제조 기술 센터(MTC, Coventry) 및 내셔널 컴포지트와 협력했습니다. 센터(NCC, 브리스톨). 달성된 발전에는 복잡한 기하학적 구조를 위한 3축 브레이딩의 확장, 주조 또는 기계 가공의 대안으로 자동화된 폼 열성형 공정의 개발, 탄소 섬유 프리폼을 위한 로봇식 초음파 트리밍의 성공적인 사용이 포함됩니다. 추가 개발 사항은 다음과 같습니다.

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산업 규모로 개발된 3축 편조 , 고급 복합 재료의 방향성 특성을 활용하여 성능과 강도를 제공하는 동시에 경량 특성의 이점을 극대화하여 전체 블레이드 중량 감소를 가능하게 합니다.

열가소성 복합 재료 탄소 중립을 향한 추진력을 지원하는 재활용, 폐기물 감소 및 도구 재사용이 가능하도록 개발되었습니다.

디지털 트윈 도입 Dowty Propellers의 새로운 공장을 개발하는 동안 공장의 공간을 최적화했을 뿐만 아니라 제조 시간 및 에너지 소비 감소, 최초 수율 성능 개선 및 고객을 위한 시장 출시 시간 단축을 위한 프로세스 병목 현상을 식별했습니다.

복잡한 데이터 모델을 통해 공기역학 및 음향 성능 개선 이제 Dowty Propellers의 고객이 사용할 수 있으며 디지털 스레드의 생성은 빅 데이터 사용의 기반을 마련했습니다.

폼 열성형, 편조 및 초음파 트리밍에 대한 AMRC

AMRC의 복합재 시뮬레이션 기술 책임자인 Dr. Matt Smith는 “DigiProp 프로그램을 통해 AMRC Composite Center는 복합재 제조 능력의 한계를 뛰어 넘을 수 있었습니다. “폼 열성형을 통해 이러한 수준의 복잡성은 이전에 AMRC 내에서 수행한 작업이 아닙니다. Dowty Propellers는 결과에 정말 관심을 갖고 깊은 인상을 받았으며 DigiProp이 종료된 후에도 이 작업을 계속하기를 원했습니다.”

초음파 칼이 부착된 AMRC의 KSL 로봇 셀. KukaSim은 최적의 절단 경로를 위한 도구의 이상적인 위치를 찾는 데 사용되었습니다. 사진 제공:Dowty Propellers, AMRC

"또한 우리는 3축 브레이딩 기능을 개발하는 데 성공했습니다."라고 Smith는 말합니다. 우리는 맨체스터 대학교에서 간단한 관형 구조로 소규모 실험을 시작하여 Dowty Propeller가 지정한 복잡한 모양을 따를 수 있는 브레이드를 사용하여 실제 에어포일 형상으로 진행했습니다."

AMRC Composite Center 팀은 성형 전에 재료 스택을 스티칭하는 가능성도 입증했습니다. 그런 다음 로봇 팔에 장착된 초음파 칼을 사용하여 크기에 맞게 트리밍합니다. “초음파 트리밍은 정말 성공적이었습니다.”라고 Smith는 말합니다. "이 기술의 이점은 재료 스택이 효율적인 방식으로 안정화되고 초음파 절단 프로세스가 다축 절단 요구 사항을 처리할 수 있다는 것입니다."

"우리가 개발한 파라메트릭 프로펠러 시스템 모델을 사용하면 인간이 계산할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 변수를 사용할 수 있으므로 몇 주 만에 수천 년 분량의 수동 계산을 제공할 수 있습니다."라고 엔지니어링 리더인 Jonathan Chestney가 설명합니다. 다우티 프로펠러. "이를 통해 고객은 그 어느 때보다 빠른 설계 응답과 높은 수준의 설계 최적화를 얻을 수 있습니다."

AMRC는 현재 Foam Thermoforming 및 Ultrasonic Trimming의 미래 프로젝트를 찾고 있습니다.

혼합 탄소/TP 및 블래더 성형에 대한 NCC

DigiProp의 일부로 NCC 팀은 블레이드 제조 워크플로를 검토하여 블레이드 요구 사항과 일련의 기하학적 제약 조건을 입력하여 새로운 블레이드 구조 설계에 최대한의 유연성을 제공할 수 있는 다양한 기술과 프로세스를 탐색했습니다.

그런 다음 NCC는 터보프롭 항공기 프로펠러 블레이드의 실물 크기 프로토타입과 블래더 성형과 혼합 열가소성 수지 및 탄소 섬유 강화재의 3축 브레이딩을 결합한 새로운 제조 공정을 설계 및 제조했습니다. 블래더 시스템의 경우 실리콘으로 코팅된 왁스 몰드가 오버브레이드용 맨드릴로 사용됩니다.

블레이드는 내구성이 및 필요했기 때문에 다양한 재료 구성을 테스트해야 했습니다. 표면 결함이 없습니다. 건식 섬유 프리폼은 또한 맨드릴 주위에 적층될 때 처지거나 뒤틀리거나 움직이지 않고 형태를 유지해야 했습니다. 이는 블레이드 설계 의도 및 성능 요구 사항을 충족하도록 광섬유의 올바른 위치 지정 및 정렬을 보장하기 위한 것입니다.

열가소성 블레이드의 제조 공정은 몰드에서 쉽게 제거할 수 있지만 예비 성형 후에 팽창 가능한 실리콘 블래더가 남아 있는 브레이딩을 위한 단단한 맨드릴의 개발이 필요했습니다. 후자는 경화 동안 강화를 위한 내부 압력의 적용을 가능하게 할 것입니다. 실리콘 코팅된 왁스 몰드가 해결책을 제공했지만, 블래더의 고장과 복합 블레이드의 불완전한 통합을 방지하기 위해 실리콘의 두께를 최적화해야 했습니다.

NCC는 열가소성 수지를 사용하여 일반적인 열경화성 에폭시 수지의 경우 4시간이었던 경화 주기를 약 5분으로 단축했습니다. 한 번의 반복으로 NCC는 블레이드 구조에서 폼 코어를 제거하여 무게 감소와 피로 수명 및 내충격성 개선을 관찰했습니다. 총 6개의 프로토타입 프로펠러 블레이드가 개발되어 매번 설계 및 제조 기술을 발전시키고 향상시켰습니다.

NCC는 DigiProp 프로그램에 대한 작업이 다른 속이 빈 3D 구조에 대한 광범위한 적용을 통해 블레이드 설계를 위한 디지털 제조 기술을 개발할 수 있는 독특한 기회라고 보고했습니다. 그 예로는 소형 전기 항공기를 위한 경제적으로 재활용 가능한 복합 부품이 있습니다. 이 작업은 NCC가 Bristol에 기반을 둔 산악 자전거 제조업체인 Starling Cycles 및 열가소성 복합 브레이딩 기술의 선두주자인 Composite Braiding과 파트너 관계를 맺은 Novel Composite E-Bike라는 추가 프로젝트로 이어졌습니다.

현재 배포되는 미래 기술

Dowty Propellers의 사장인 Henry Johnston은 "이것은 우리가 Dowty에서 수행한 가장 큰 연구 프로젝트이며 이보다 더 적절한 시기는 없습니다."라고 말했습니다. "이제 우리는 첨단 신기술 제품군을 보유하고 있어 코로나 이후 발생하는 지속 가능한 플랫폼 가속화에 유리한 위치에 있습니다."

Aerospace Technology Institute의 첨단 시스템 및 추진 기술 책임자인 Mark Scully는 "이 프로젝트는 프로펠러에 대한 R&D를 혁신하는 데 도움이 된 설계 및 생산성을 통해 추진 성능과 비용의 혁신을 가져왔습니다."라고 말했습니다. "High Value Manufacturing Catapult 파트너의 도움으로 제조 혁신이 Gloucester의 새로운 최첨단 Dowty 시설에 배치되었습니다."

컨소시엄이 만든 제조 능력의 단계적 변화는 2천억 유로 규모의 유럽 항공 부문에서 생산 비용을 절감하고 미래 추진 시스템의 성능을 향상시키기 위해 산업 디지털화와 복합 기술을 활용함으로써 영국의 항공우주 프로펠러 제조 기반을 성장시킬 수 있는 새로운 기회를 열어줍니다.

Dowty Propellers는 이제 진화하는 항공기 애플리케이션과 차세대 플랫폼을 목표로 DigiProp에서 실현된 기술을 사용하기 시작했습니다. 잠재 고객은 성과 분석에 대한 짧은 소요 시간으로 무역 연구를 지원하는 회사의 능력으로부터 혜택을 받고 있습니다.

Dowty는 민간 항공우주 설계 및 제조 분야에서 영국의 경쟁력을 유지하고 성장시키기 위한 영국 정부 및 업계 공동 투자인 ATI 프로그램의 지원과 자금 지원 없이 DigiProp이 불가능했을 것임을 분명히 합니다. ATI(Aerospace Technology Institute), BEIS(Department for Business, Energy &Industrial Strategy) 및 Innovate UK 간의 파트너십을 통해 제공되는 ATI 프로그램은 기술, 역량 및 공급망 문제를 해결합니다.