다기능 동체 시연기(MFFD)의 상반부 제조

이 블로그는 German Aerospace Center에서 제공한 프레젠테이션의 후속 조치입니다. (DLR, 슈투트가르트 및 아우크스부르크) 지난 가을 TU 뮌헨 심포지엄 및 CW 의 같은 시기에 발표된 요약 "다기능 동체 시연기(MFFD)로의 전진". 이 프로젝트는 ITHEC 2020 3일 차 9시 35분에 Lars Larsen이 "미래 동체 구조의 먼지 없는 조립을 위한 로봇 기반 연속 초음파 용접의 프로세스 데이터 기반 발전"이라는 프레젠테이션에서도 설명되었습니다.

Larsen이 설명했듯이 "주요 과제는 자동화를 사용하여 생산 비용을 크게 줄일 수 있음을 보여주는 것입니다." MFFD 상반부의 경우, 여기에는 오토클레이브 및 조립을 위한 분진/먼지 없는 용접을 피하기 위한 자동화된 테이프 부설/섬유 배치(ATL/AFP)를 통한 현장 통합이 포함됩니다. Larsen은 "이를 통해 향후 구성 요소 및 최종 조립 라인의 순서를 변경할 수 있습니다. 집회." 이는 패스너 구멍 가공과 달리 용접은 분산 전력, 내부 부속품 등과 같이 사전 설치된 시스템을 손상시킬 수 있는 칩이나 파편을 생성하지 않기 때문입니다.

이 블로그는 DLR Institute of Structures and Design(BT, Stuttgart)의 부품 설계 및 제조 기술 책임자인 Sebastian Nowotny와 DLR Center for Lightweight Production Technology( ZLP, 아우크스부르크). Fischer는 DLR의 MFFD 상반부 프로젝트 관리자이기도 합니다.

참고:위 이미지에서 글라이드 형태의 스트링거는 Applus+ Labaoratories 에서 Clean Sky 2 내에서 개발한 프로세스를 나타냅니다. (스페인 바르셀로나), 활공 성형에 대한 내 2017 블로그를 참조하십시오. 핫 프레스 클립은 스탬핑을 나타냅니다. 참조:

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항공우주 분야의 열가소성 복합 재료 가속화

열가소성 복합 재료 "클립" 시간, 작지만 중요한 부품 작업

열가소성 복합 재료 온상 내부

구조, 객실 및 시스템 결합

노보트니에게 MFFD 상반부의 역사를 물었다. 그는 “클린스카이2가 시작됐을 때 첫 번째 제안 요청이 나왔다”고 답했다. “2015년에 시작한 것 같은데, 대형 여객기(LPA) 프로그램의 공동 파트너 프로젝트인 ICASUS라는 프로젝트의 입찰을 받았습니다. 주요 초점은 다기능 동체 설계였습니다. 그 당시에는 열가소성 합성물이 아니었습니다. 주요 목표는 동체 캐빈, 시스템 및 구조를 하나의 설계 프로세스로 결합하는 것이었습니다. 그래서 기본적으로 그곳에서 수행된 작업은 이제 MFFD(다기능 동체 시연기)가 되었으며 상부 쉘 프로젝트에서 우리 작업에 대한 기술 지원입니다.”

이카서스

ICASUS 프로젝트는 차세대 다기능 기체, 객실 및 시스템 통합 동체를 위한 다기능 및 고도로 통합된 솔루션을 개발하는 것을 목표로 합니다. 오늘날 단일 통로 항공기의 제조 및 조립 프로세스는 비용과 시간이 많이 소요되는 순차적 단계로 진행됩니다. 특히 주요 부품 조립(MCA) 및 최종 조립 라인(FAL)은 더 빠르고 가속화된 프로세스를 방해하는 병목 현상입니다. 이러한 이유로 ICASUS는 다음을 목표로 하는 미래의 단일 통로 항공기 제조 및 조립을 위한 새로운 개념을 개발할 것입니다.

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월 60대의 항공기 고속 생산

기준 A321 ACF("Advanced Cabin Flex")에 비해 1백만 유로의 동체 반복 비용 절감

A321 ACF에 비해 1미터톤의 동체 중량 감소

이 접근 방식은 각 기능 및 요구 사항의 가장 유망한 조합 및 통합으로 끝내기 위해 객실/화물, 시스템 및 구조의 원래 자동 분야를 결합하는 것입니다. 이는 차세대 캐빈과 결합된 최첨단 시스템 아키텍처와 함께 첨단 소재를 사용하고 혁신적인 설계 원칙을 적용함으로써 달성될 것입니다.

주요 동인은 경량 시스템 및 시스템 아키텍처/통합을 적용하여 연료 소모를 크게 줄이는 것입니다. 이를 위해서는 종합적인 인더스트리 4.0 접근 방식의 개발 및 적용뿐만 아니라 여러 분야의 전반적인 최적화 절차가 필요합니다. 자동화된 제조, 자동화, 센서화, 데이터 분석 및 안전한 데이터 교환을 위한 설계가 활용됩니다. MFFD 제조의 주요 목표는 다기능 복합 구조의 비용 효율적이고 대량 생산의 검증과 열가소성 CFRP 조인트(예:용접)에 대한 인증 개념에 기여하는 것입니다.

동체 캐빈, 시스템 및 구조를 하나로 결합하는 방법은 무엇입니까? Nowotny는 다음과 같이 설명합니다. "각각의 요구 사항이 있는 해당 분야는 여전히 있지만 주요 목표는 이미 초기 단계에서 협업하는 접근 방식이라고 생각합니다."라고 Nowotny는 설명합니다. “항공기 동체 설계 프로세스에 대한 엄격한 규칙이 있어 제한 사항을 만들고 완전히 최적화된 항공기 설계를 방해했습니다. 구조, 캐빈 및 시스템을 결합하는 초기 아이디어는 이러한 세 가지 측면을 결합한 다음 전체 최적을 찾으려고 시도하는 설계 프로세스를 갖는 것이었습니다. 하나는 캐빈, 다음은 스트럭처, 다음은 시스템에 대한 것이었습니다. . 하지만 물론 규칙도 많고 인증도 포함되기 때문에 쉽지 않은 과정입니다.”

Fischer는 "디지털 플랫폼이 구축되었고 모든 유럽 파트너가 단일 디지털 설계에 대한 정보를 제공한다는 점에서 지속적인 프로세스입니다."라고 말합니다. “MFFD를 위한 이 통합 설계의 발전은 지난 몇 년 동안 진행되어 온 것입니다. 우리 팀은 캐빈 및 시스템 부착을 위한 조항과 함께 상반부를 제공할 것입니다. 비전은 완벽한 장비를 갖춘 주요 구성 요소를 제공하여 최종 조립에 혁신을 가져오는 것입니다.”

DLR은 이미 MFFD 설계 프로젝트의 일부였지만 2019년까지 제조 프로젝트에 대한 최종 진행을 받지 못했습니다. 상반부를 건설하는 컨소시엄은 전체 MFFD 프로젝트 리더인 Airbus로 구성되며 Premium Aerotec(독일 아우크스부르크) ) 산업 및 구조 설계 책임자이자 프레임 공급업체인 Aernnova(스페인 Vitoria-Gasteiz)는 스트링거를 생산하고 DLR은 스킨 레이업 및 용접 기술 개발을 주도합니다. Fischer는 지난 1년 동안 "선택된 기술로 제품을 제조할 수 있도록 상반부 디자인을 개선했습니다."라고 말합니다.

현장 통합

MFFD의 아래쪽 절반은 ATL 및 AFP를 사용하여 생산된 다음 오토클레이브 통합을 사용하여 생산되지만 위쪽 절반은 ATL/AFP 동안 현장 통합을 사용합니다. 왜요? Fischer는 "연구 프로젝트의 결과를 최대화하기 위해 기준선에 도전하고 하위 절반을 보완하는 기술을 사용할 기회를 활용하기로 결정했습니다."라고 말합니다. Nowotny는 다음과 같이 덧붙입니다. “우리는 제조 단계를 줄이는 린 생산에 중점을 둔 매우 유망한 제조 방법임을 보여주었습니다. 그러나 모든 목적에 부합하는 단일 제조 방법은 없다는 것이 분명하다고 생각합니다. 각 부품에 대한 최적의 제조 공정은 사례별로 결정해야 합니다.”

용접의 두 가지 유형

상반부에 대한 또 다른 선택은 두 가지 다른 용접 기술을 사용하는 것이었습니다. "우리는 스트링거에 로봇 기반 연속 초음파 용접을 사용합니다. 우리 생각에는 이것이 매우 긴 조인트, 특히 스트링거 구성에 가장 적합한 기술이기 때문입니다."라고 Fischer는 설명합니다. 동체 프레임을 통합하기 위해 저항 용접이 선택되었습니다. “이러한 선택은 프로젝트 초기에 Premium Aerotec과 함께 집중적으로 분석한 결과입니다. 우리는 다양한 용접 시나리오, 접합해야 할 대상 및 위치를 살펴보았습니다."

DLR이 개발한 연속 초음파 용접은 표준 산업용 로봇을 사용합니다. 용접 엔드 이펙터는 사전 실행 롤러, 25밀리미터 직경의 소노트로드 및 후속 압축 장치로 구성됩니다. 엔드 이펙터에는 인라인 프로세스 모니터링이 가능한 다중 센서가 장착되어 있습니다. 로봇을 매니퓰레이터로 사용하면 아래 동영상과 같이 곡선형 후방 압력 격벽이나 오메가 스트링거와 같은 다양한 형상을 피부에 용접할 수 있습니다.

Fischer는 "따라서 하나의 큰 차이점을 가진 두 개의 프로세스가 있습니다."라고 말합니다. "하나는 연속 프로세스이고 다른 하나는 불연속입니다. 프로세스. Z-스트링거의 8미터 길이 조인트에는 연속 초음파 용접을 선택했습니다. 그리고 접근성 및 허용 오차 관리 측면에서 매우 복잡한 사용 사례를 위해 프레임의 부착된 플랜지를 피부에 용접하기 위해 저항 용접을 선택했습니다. 저항 용접 요소를 프레임 형상에 맞춰 사전 장착하고 공압식으로 닫히고 용접 요소와 접촉한 다음 용접 프로세스를 시작하는 클램프 같은 용접 도구를 갖게 됩니다.”

Nowotny는 저항 용접이 가장 성숙도가 높고 강도가 높기 때문에 프레임과 클리트 사이의 접합부에서 볼 수 있는 더 높은 하중과 잘 어울린다고 말합니다. 그는 이 과정이 프레임을 피부에 용접하는 것이라고 지적합니다. 그리고 클리트를 프레임과 스트링거 모두에 용접합니다.

"저희는 JEC 2017에서 일반 부품에 대한 클립 통합을 보여주었습니다."라고 Fischer는 말합니다. Nowotny는 “그리고 실제로 2005-2008년에 Airbus Bremen의 고양력 부서와 함께 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 열가소성 수지를 사용한 저항 용접을 위해 HISYS 프로젝트를 진행했습니다. 우리는 리브를 피부에 용접하는 전체 프로세스를 TRL 5까지 가져왔습니다. 따라서 프로세스의 기본 사항은 충분히 이해되었으며 이제 프로세스의 적응, 자동화 및 견고성에 주로 집중할 수 있습니다."

“ Fischer는 "오랫동안 사용되어 온 다양한 용접 기술을 가능하게 하는 핵심 요소 중 하나는 필요한 자동화, 프로그래밍 및 품질 보증을 포함하여 산업에서 상업적으로 적용할 준비가 되었음을 보여주는 것입니다. . 우리가 보고 있는 주요 문제 중 하나는 용접이 양호한지 확인하는 방법입니다. 우리는 용접이 장기적으로 수행될 것이라는 것을 알고 있고 초음파를 사용한 후속 NDT 검사나 완성된 어셈블리의 또 다른 전체 검사를 요구하지 않는다는 것을 보여주는 프로세스 데이터가 있는지 확인하고 싶습니다. 따라서 이 프로젝트의 주요 목표 중 하나는 산업 품질 보증을 개발하는 것입니다.”

LM PAEK로의 전환

제 블로그 "다기능 동체 실증기용 LM PAEK 용접 입증"에서 설명한 것처럼 MFFD는 탄소 섬유/PEKK(폴리에테르케톤케톤)로 시작했지만 2019년 3월 10차 제안 요청(CFP10)까지 기본 재료가 탄소 섬유/PAEK(폴리아릴에테르케톤)로 전환. PAEK는 PEEK, PEKK 및 LM PAEK가 있는 전체 폴리머 제품군입니다. 상반부 팀은 LM PAEK에 대해 얼마나 많은 경험을 가지고 있습니까? Fischer는 “이미 여러 제조 시험에 사용했습니다. "재료 성능은 초음파 및 저항 용접 모두에서 매우 유망합니다. 여전히 재료는 개발 중이며 모든 유럽 파트너와 재료 공급업체 간에 학습 및 처리 지침 개발 측면에서 공통 교환 프로세스가 설정되었습니다.”

“ 그러나 Nowotny는 다음과 같이 덧붙입니다. “수년 전에는 Cytec APC-2만 있었고 다른 것은 없었기 때문에 이러한 재료를 선택할 수 있게 된 것은 좋은 일이라고 생각합니다. 특히 유럽에서는 자료를 얻을 때도 있고, '안돼, 미안하다'는 말이 나올 때도 있었다. 이제 우리는 재료 및 다양한 프로세스에 대해 적극적으로 작업하는 여러 재료 공급업체를 보유하고 있습니다. 예를 들어, 빅트렉스는 2020년 뮌헨 공과대학 심포지엄에서 발표된 것처럼 이제 적층 제조를 위한 최적화를 모색하고 있습니다. AFP 현장 통합을 위한 최적화 작업도 진행 중이며, 일부는 오토클레이브 및 다양한 오토클레이브 외(OOA) 제조 공정을 사용한 2차 통합을 위해 진행 중입니다. 그래서 지금은 더 많은 일이 진행되고 있으며, 이는 각 프로세스에 대해 좋은 자료를 얻을 가능성을 높입니다.”

타임라인 및 다음 단계

"우리는 기본적으로 2개의 프레임 베이가 있는 A320 직경과 950밀리미터 너비의 중간 데모용 설계 제조 프로세스를 완료했으며 내년(2021년) 초에 더 작은 하프쉘을 제작할 것입니다."라고 Fischer가 말했습니다. . “그와 별개로 우리는 전체 크기의 상반부 쉘을 위한 도구 조달을 시작했으며 2022년에 전체 크기의 상반부를 정시에 생산할 수 있도록 기술을 강화하고 있습니다. .”

이것은 무엇을 수반합니까? 한 가지 문제는 조립 공차입니다. Fischer는 "상부 및 하부 동체 절반의 왼쪽 및 오른쪽을 따라 길이 방향 조인트가 설계되었습니다."라고 설명합니다. "여기서 우리는 특정 요구 사항을 가지고 있으며 우리의 생산 허용 오차가 이러한 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다."

"우리가 상부 쉘로 하려고 하는 것의 기본 스토리는 열가소성 복합재 생산을 위한 가장 효율적인 경로를 보여주고 미래 항공기에서 알루미늄과 경쟁할 수 있는 길을 닦는 것입니다."라고 Fischer가 말했습니다. 그는 DLR이 2018년과 2019년에 보여진 용접 열가소성 후방 압력 격벽을 개발하기 위해 Premium Aerotec과 함께 작업에서 이미 이것을 보여주었다고 말합니다("열가소성 복합재 용접의 새로운 지평" 참조). 용접 및 린 생산은 열가소성 수지의 핵심 요소입니다. 이제 우리는 이러한 기술을 실험실에서 산업으로 가져와야 합니다. 그리고 업계에서 이러한 용접 기술을 실제로 사용할 수 있다고 믿게 하려면 실제 생산 작업에서 이러한 용접 기술이 자동화되고 예측 가능하며 신뢰성을 위해 제어될 수 있음을 보여야 합니다. 그것이 우리가 하고 있는 일입니다.”