열가소성 복합 재료 산업화를 가속화하기 위한 ENLIGHTEN 프로그램 시작

차량이 가벼울수록 연료 소비와 CO₂가 줄어듭니다. 방출됩니다. 승객의 안전을 보장할 만큼 충분히 강한 경량 소재는 자동차 및 항공기 제조업체에서도 인기가 있습니다. 열가소성 합성물(가열 시 부드러워지는 섬유 강화 플라스틱)은 가볍고 강하며 작업하기 쉽고 재활용하기 쉽습니다. 항공기 동체 및 날개의 특정 구성 요소는 이미 이 비교적 새로운 재료로 만들어지고 있습니다. 그러나 아직 널리 사용되지는 않습니다.

ENLIGHTEN의 목표 — 대용량 통합 경량 구조 구현 — 예측 가능하고 재현 가능하며 비용 효율적인 방식으로 이 재료를 사용하여 신뢰할 수 있는 전체 구조를 생산하는 방법을 찾는 것입니다. 이 600만 유로의 5년 프로젝트는 University of Twente(UT, Twente, The Netherlands)와 UT의 과학자인 Dr. Remko Akkerman 및 ThermoPlastic 복합 재료 연구 센터(TPRC, Twente, The Netherlands)에 의해 시작되었습니다. 네덜란드에 기반을 둔 Perspective 이 프로그램은 과학자들이 진정한 경제적, 사회적 영향을 미칠 수 있는 혁신적인 새로운 연구 라인을 구축하도록 도전합니다. 네덜란드 연구 위원회(NWO)와 경제 기후부가 설립한 6개의 Perspective 컨소시엄이 네덜란드에 설립되었으며 138개 기업과 조직이 네덜란드 정부에서 제공하는 2,200만 유로에 상응하는 자체 자금으로 1,000만 유로를 기부하고 있습니다.

다중 세부 사항 개발

CW ENLIGHTEN이 실제로 무엇을 수반하는지 더 잘 이해하기 위해 Akkerman과 이야기했습니다. “CompositesWorld 독자들은 우리가 용접, 오버몰딩 및 재활용을 포함하는 고속 열가소성 처리에 중점을 둔 TPRC에서 수행한 작업에 매우 익숙합니다.”라고 Akkerman은 말합니다. “우리는 재료, 프로세스 및 성능을 연구한 많은 결과를 발표했습니다. 그러나 이 공정은 합성물의 섬유-기질 분포와 다공성에 어떤 영향을 줍니까? 이는 차례로 부품의 기계적 성능에 어떤 영향을 미칩니까? 이러한 프로세스가 균열 시작 및 서비스 성장에 어떤 영향을 미칩니까? 더 넓은 산업적 사용을 위해 열가소성 복합 재료를 성숙시키려면 이러한 측면을 이해해야 합니다.”

이것이 ENLIGHTEN이 폴리머, 복합 미세 역학, 멀티스케일 디지털 모델링 및 디지털 데이터 과학 전문가를 포함하는 대규모 프로그램인 이유입니다. "우리의 목표는 최적화된 성능을 위해 이러한 열가소성 복합 공정을 최적화하는 데 사용할 수 있는 지식을 개발하는 것입니다."라고 Akkerman은 말합니다. "재료 품질은 프로세스 제어 능력에 달려 있기 때문에 프로세스 모니터링과 머신 러닝을 통합하여 최적화 속도를 높일 것입니다."

ENLIGHTEN에는 네덜란드의 3개 공과대학(트벤테 대학교, 델프트 공과 대학교 및 아인트호벤 공과 대학교)과 OEM, 계층 공급업체 및 중소기업을 포함한 자동차 및 항공우주 공급망 전체의 기업이 포함됩니다. 영국 CATAPULT 프로그램의 일환으로 Warwick 대학의 WMG Center for High Value Manufacturing 및 글로벌 자동차 제조업체 Tata Motors(인도 뭄바이)의 자회사인 Jaguar Land Rover를 비롯한 네덜란드 이외의 조직도 참여하고 있습니다.

이 현미경 사진은 연속 섬유 강화 블랭크와 단섬유 강화 사출 오버몰딩 사이의 웰드라인 위의 일부 섬유 이동을 보여줍니다. 이것이 부품의 강도와 성능에 어떤 영향을 미치는지 ENLIGHTEN이 답변해야 하는 많은 질문 중 하나입니다.

"우리가 조사할 프로세스에는 유도 및 초음파 용접과 오버몰딩이 포함됩니다. 오버몰딩은 각각 동일한 물리적 현상을 포함하지만 속도는 다릅니다. "따라서 섬유 이동, 응력 및 균열 발생과 관련된 동일한 모든 현상이 여기에도 적용됩니다." 그러나 용접된 열가소성 복합 재료 구조는 30년 넘게 상업용 항공기에서 비행하지 않았습니까? "예, 하지만 이러한 구조 중 어느 것도 단방향 테이프를 사용한 유도 또는 초음파 용접을 사용하지 않습니다."라고 그는 지적합니다. 피>

다중 스케일 모델링 및 물리적 테스트는 ENLIGHTEN 프로젝트에서 핵심적인 역할을 합니다. Akkerman은 "합성물을 만드는 데 사용된 제조 공정을 살펴보지 않고 합성물을 이해하는 것은 불가능합니다."라고 말합니다. “디지털 모델링을 통해 가설을 공식화한 다음 실험을 나란히 수행하여 결과를 검증하고 이해를 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 여기에는 마이크로 수준에서 결정 구조의 형성, 메조 수준에서 용접 과정 동안 섬유가 어떻게 움직이는지, 이러한 현상이 어떻게 상호 작용하여 응력, 미세 균열 및 매크로에서 구조의 궁극적인 하중의 발생에 영향을 미치는지 살펴보는 것이 포함됩니다. 수준. 이 매우 심층적이지만 결합된 수준의 조사는 아직 우리 업계에서 본 적이 없습니다.”

그러나 기계 학습은 어디에서 작동합니까? Akkerman은 "작업 패키지 1과 2의 각 분석 요소를 실행하는 데 몇 시간이 걸리며 각 특정 재료, 부품 및 프로세스에 대해 반복해야 합니다. 이러한 모든 규모와 모델에서 최적화를 달성하려면 수천 시간이 걸립니다. 그러나 이렇게 하면 이러한 모든 현상이 서로 어떻게 관련되어 있는지에 대한 데이터가 축적됩니다. 그런 다음 기본 물리학과 완전히 일치하여 이 데이터의 연결을 인식하도록 신경망을 훈련할 수 있습니다.”

그는 아래에 표시된 작업 범위를 보며 “왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 연결이 있을 것입니다. 이러한 모든 분석을 바탕으로 우리의 목표는 매번 처음부터 시작할 필요 없이 보다 일반적이고 유연한 방식으로 사용할 수 있는 알고리즘을 개발하는 것입니다. 즉, 이러한 알고리즘을 주어진 부품에 적용하여 공정 매개변수와 재료 선택을 최적화할 수 있습니다. 기계 학습을 많은 변수가 있는 일종의 곡선 피팅이라고 생각하십시오." 그는 이것이 완벽한 비유가 아니라는 점을 인정하지만, 이 경우 곡선(이 경우 더 다차원 초표면에 가깝습니다)이 앞으로 나아갈 방향을 가리키는 상관관계와 인과관계를 보여줄 것이라는 점에서 결과는 사실상 유사합니다.

자료, 보급 및 최종 목표

학습할 자료를 마무리하는 것은 ENLIGHTEN 프로젝트의 첫 번째 작업 중 하나입니다. "대부분의 폴리아미드 6(PA6, 나일론)은 자동차용으로, 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK)은 항공우주용으로 연구될 것입니다."라고 Akkerman은 말합니다. "우리는 다른 자료를 평가하고 사용 가능한 모든 데이터를 살펴볼 것입니다." 여기에는 탄소 섬유 강화 LM PAEK UD 테이프로 상당한 양의 테스트를 수행한 Clean Sky 2의 MECATESTERS와 같은 다른 프로그램에서 생성된 내용이 포함될 수 있습니다. 한편, Clean Sky 2 STUNNING 프로그램은 MFFD(Multifunctional Fuselage Demonstrator)의 하반부를 조립하면서 초음파 용접과 관련된 대량의 데이터를 생성할 예정이다. Akkerman은 다양한 재료 조합에 대한 오버몰딩을 연구한 TPRC에서 수행된 COMPeTE 프로젝트를 지적합니다.

프로젝트 결과의 보급과 관련하여 ENLIGHTEN 컨소시엄은 매년 총회를 열고 각 작업 패키지의 하위 그룹은 설정된 이정표를 달성하기 위해 필요에 따라 만날 것입니다. 프로젝트가 진행되는 동안 국내 및 국제 회의에서 개별 프레젠테이션을 하고 프로젝트 마지막 해에 전용 세션 또는 전체 국제 회의를 조직하여 전체 결과를 공유합니다.

Akkerman은 궁극적인 목표는 예를 들어 항공기 엔진의 단결정 금속에 대한 재료 설계 접근 방식을 통해 금속 산업이 가지고 있는 것과 같은 열가소성 복합 재료를 달성하는 것이라고 말합니다. “그들의 목표는 항공기의 미래에 필요한 성능을 달성하는 것이었습니다. 더 넓은 범위의 이동성에 대해서도 동일한 권한이 부여됩니다. 우리는 항공우주 및 자동차 구조용 경량 열가소성 합성물의 성능을 최적화하기 위해 용접 및 오버몰딩 공정을 설계하려고 노력하고 있지만 여전히 변동성이 많습니다. 그 결과 기술이 실제로 제공하는 것보다 과도한 안전 요소와 효율성이 떨어집니다. 예, 우리는 열가소성 복합 부품을 날고 있지만 여기까지 오는 데 30년이 걸렸습니다. 유럽은 30년 미만인 2050년까지 탄소 중립을 목표로 설정했습니다. 여전히 많은 시행착오가 수반되는 같은 길을 간다면 기후변화 대응에 필요한 목표를 달성하지 못할 것입니다. 우리는 ENLIGHTEN을 통해 다른, 더 효율적인 경로를 보고 있으며 지금이 행동할 때입니다.”