Leonardo와 CETMA:비용 절감 및 환경 영향을 위한 혁신적 복합 재료

이 블로그는 재료 엔지니어이자 Leonardo Aerostructures Division(Grottaglie, Pomigliano, Foggia, Nola 생산 시설, 이탈리아 남부)의 연구 개발 책임자이자 IP 관리자인 Stefano Corvaglia와 연구 엔지니어이자 책임자인 Dr. Silvio Pappadà와의 인터뷰를 기반으로 합니다. CETMA에서 Leonardo와 함께한 프로그램(이탈리아 브린디시)

Leonardo(이탈리아 로마)는 전 세계적으로 138억 유로의 매출과 40,000명 이상의 직원을 보유한 항공 우주, 국방 및 보안 분야의 세계 주요 기업 중 하나입니다. 이 회사는 항공, 육상, 해상, 우주, 사이버 및 보안, 무인 시스템에 대한 글로벌 규모의 포괄적인 솔루션을 제공합니다. R&D에 약 15억 유로(2019년 매출의 11%)를 투자한 Leonardo는 항공우주 및 방위 분야의 연구 투자 측면에서 유럽 2위, 전 세계 4위입니다.

Leonardo는 Aerostructures Division을 통해 세계의 주요 민간 항공기 프로그램을 위한 복합 재료 및 기존 재료로 동체 및 부품을 포함한 대형 구조 구성요소의 제작 및 조립을 제공합니다.

복합 재료에서 Leonardo Aerostructures Division은 Grottaglie 공장에서 Boeing 787 중앙 동체 섹션 44 및 46을 위한 "원피스 배럴"과 Foggia 공장에서 수평 안정기를 생산하며 이는 787 기체의 약 14%에 해당합니다. 기타 복합 구조물 생산에는 Foggia 공장에서 ATR 및 Airbus A220 상업용 항공기용 날개의 제작 및 조립이 포함됩니다. Foggia는 또한 보잉 767 및 Joint Strike Fighter F-35, Eurofighter Typhoon 전투기, C-27J 군용 수송기 및 Leonardo가 생산한 Falco 무인 항공기 제품군의 최신 제품인 Falco Xplorer를 포함한 군사 프로그램용 복합 부품을 생산합니다.

CETMA와 협력

Corvaglia는 “예를 들어 열가소성 복합 재료 및 수지 이송 성형(RTM) 분야에서 CETMA와 함께 많은 활동을 진행하고 있습니다. “우리의 목표는 가능한 한 최단 시간 내에 생산을 위한 R&D 활동을 준비하는 것입니다. 우리 부서(R&D 및 IP 관리)에서는 더 낮은 TRL[기술 준비 수준 - 즉, 더 낮은 TRL은 더 초기 단계에 있고 생산에서 멀어짐]을 가진 파괴적인 기술을 찾고 있지만 더 경쟁력 있고 전 세계 고객을 지원하기를 기대합니다. .”

Pappadà는 "함께 작업을 시작할 때부터 비용과 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 항상 노력했습니다. 우리는 열가소성 복합 재료(TPC)가 열경화성 수지에 비해 두 가지 모두를 감소시킨다는 것을 발견했습니다.”

Corvaglia는 "실비오의 팀과 함께 우리는 이러한 기술을 개발하고 생산 단계에서 이를 평가하기 위해 자동화된 셀 프로토타입을 구축했습니다."라고 말합니다.

연속 압축 성형(CCM)

"CCM은 우리가 함께 작업한 좋은 예입니다."라고 Pappadà는 말합니다. "Leonardo는 열경화성 복합 재료로 만들어진 일부 구성 요소를 식별했으며 우리는 함께 TPC에 이러한 구성 요소를 제공하는 기술을 탐구하여 단순한 형상의 접합 구조 및 지지대와 같이 항공기에서 많은 수의 부품이 있는 위치를 조사했습니다."

그는 계속해서 "저비용과 높은 속도를 특징으로 하는 새로운 생산 기술이 필요했습니다. 그는 과거에는 단일 TPC 구성 요소가 많은 양의 폐기물과 함께 제조되었다고 지적합니다. “따라서 우리는 비등온 압축 성형을 기반으로 순 형상을 생산하지만 스크랩을 줄이기 위한 몇 가지 혁신(특허 진행 중)이 있습니다. 우리는 이를 위해 완전히 자동화된 셀을 설계했으며, 당시 이탈리아 회사가 우리를 위해 제작했습니다.”

이 전지는 Leonardo가 설계한 구성 요소를 "5분마다 하나의 구성 요소로 하루 24시간 작동"하여 생산할 수 있다고 Pappadà는 말합니다. 그러나 그의 팀은 프리폼의 생산을 파악해야 했습니다. "처음에는 플랫 라미네이션 프로세스가 필요했습니다. 당시에는 이것이 병목 현상이었기 때문입니다."라고 그는 설명합니다. “따라서 우리 공정은 블랭크(평판 라미네이트)로 시작하여 적외선(IR) 오븐에서 가열한 다음 성형을 위해 프레스로 가열합니다. 평평한 라미네이트는 일반적으로 대형 프레스를 사용하여 생산되며 4-5시간의 사이클 시간이 필요합니다. 우리는 더 빠른 방법으로 평평한 라미네이트를 생산할 수 있는 새로운 방법을 조사하기로 결정했습니다. 따라서 우리는 Leonardo 엔지니어들의 지원을 받아 CETMA에서 생산성이 높은 CCM 라인을 개발했습니다. 1미터 x 1미터 부품의 사이클 시간을 15분으로 단축했습니다. 중요한 것은 연속 공정이기 때문에 길이에 제한 없이 생산할 수 있다는 것입니다.”

그러나 Xperion, 현재 XELIS(독일 마크도르프)에서 10년 넘게 사용하고 있는 CCM과 비교하면 이 새로운 기능은 어떻습니까? "우리는 보이드와 같은 결함을 예측할 수 있는 분석 및 수치 모델을 개발했습니다."라고 Pappadà는 말합니다. “우리는 매개변수와 품질에 미치는 영향을 이해하기 위해 Leonardo 및 Salento 대학(이탈리아 레체)과 협력하여 이 작업을 수행했습니다. 우리는 이 모델을 사용하여 매우 높은 두께와 고품질을 가질 수 있는 이 새로운 CCM을 개발했습니다. 이러한 모델 덕분에 온도와 압력을 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 이를 적용하는 방법도 최적화할 수 있습니다. 온도와 압력의 균일한 분포를 위해 개발할 수 있는 많은 기술적 측면이 있습니다. 그러나 기계적 성능과 복합 구조의 결함 성장에 미치는 영향을 이해해야 했습니다."

Pappada는 계속해서 “우리 기술은 더 유연합니다. 또한 CCM은 20년 전에 개발됐지만, 이를 사용한 소수의 업체들이 지식과 ​​노하우를 공유하지 않아 관련 정보가 없다. 따라서 우리는 합성 및 처리에 대한 지식만으로 아무것도 없는 상태에서 시작해야 했습니다."

Corvaglia는 "우리는 현재 내부 프로그램과 고객과 함께 이러한 새로운 기술의 부품을 찾고 있습니다. "이 부품들은 생산을 시작하기 위해 재설계되고 재검증될 수 있습니다." 왜요? “목표는 비행기를 최대한 가벼우면서도 가격 경쟁력을 갖추는 것입니다. 따라서 두께도 최적화해야 합니다. 하지만 부품이 더 가벼워지거나 유사한 모양의 여러 부품을 식별할 수 있으므로 상당한 비용 절감이 가능합니다.”

그는 지금까지 이 기술이 소수의 손에 있었다고 거듭 강조합니다. “그러나 우리는 고급 프레스 성형을 추가하여 이러한 프로세스를 훨씬 더 자동화할 수 있는 대체 기술을 개발했습니다. 평평한 라미네이트를 넣고 사용할 준비가 된 부품이 나옵니다. 우리는 부품을 재설계하고 평면 대 모양 CCM을 개발하는 단계에 있습니다.”

"우리는 이제 CETMA에 매우 유연한 CCM 라인을 가지고 있습니다. 복잡한 모양을 만들기 위해 필요에 따라 다양한 압력을 가할 수 있습니다."라고 Pappadà는 말합니다. Leonardo와 함께 개발할 라인은 특정 요구 사항에 맞는 구성 요소에 더 중점을 둘 것입니다. 우리는 평면 패널과 L-스트링거에 대해 더 복잡한 모양에 대해 다른 CCM 라인을 가질 수 있다고 생각합니다. 이러한 방식으로 현재 복잡한 형상의 TPC 부품을 생산하는 데 사용되는 대형 프레스에 비해 장비 비용을 더 낮게 유지할 수 있습니다.”

현장 통합을 위한 유도 용접

Pappadà는 "유도 용접은 온도를 매우 잘 조정 및 제어하고, 매우 빠르게 가열하고, 매우 정확하게 제어할 수 있기 때문에 복합 재료에 매우 흥미롭습니다."라고 말합니다. “Leonardo와 함께 TPC 구성 요소를 결합하기 위한 유도 용접을 개발했습니다. 그러나 이제 우리는 TPC 테이프의 현장 통합(ISC)에 유도 용접을 사용할 생각입니다. 이를 위해 전용기를 사용한 유도 용접으로 매우 빠르게 가열할 수 있는 새로운 탄소 섬유 테이프를 개발했습니다. 테이프는 상업용 테이프와 동일한 매트릭스 재료를 사용하지만 전자기 가열을 개선하는 아키텍처가 다릅니다. 우리는 기계적 성능을 최적화하는 동시에 프로세스에 대해서도 생각하고 있으며, 예를 들어 자동화를 통해 비용 효율적으로 처리하는 방법과 같은 다양한 요구 사항을 충족시키기 위해 노력하고 있습니다.”

그는 TPC 테이프로 ISC를 달성하기가 매우 어렵다고 지적합니다. “산업 생산용으로 사용하려면 더 빨리 가열 및 냉각해야 하며 매우 통제된 방식으로 압력을 가해야 합니다. 그래서 우리는 재료를 통합하고 나머지 라미네이트는 차갑게 두는 작은 영역만 가열하기 위해 유도 용접을 사용하기로 결정했습니다.” 조립에 사용되는 유도 용접은 TRL이 더 높다고 Pappadà는 말합니다. "

현장 통합을 위해 유도 가열을 사용하는 것은 매우 파괴적인 것 같습니다. 다른 OEM이나 계층 공급업체는 현재로서는 공개적으로 하고 있지 않습니다. "예, 이것은 파괴적인 기술일 수 있습니다."라고 Corvaglia는 말합니다. “저희는 기계와 재료에 대한 특허를 받았습니다. 우리는 열경화성 복합 재료와 비교할 수 있는 것을 목표로 합니다. 많은 사람들이 TPC와 함께 AFP(자동 광섬유 배치)를 시도했지만 통합을 위해 2차 단계를 수행해야 합니다. 이는 형상, 비용, 사이클 시간 및 부품 크기 측면에서 큰 제한 사항입니다. 우리는 실제로 항공 부품을 생산하는 방식을 바꿀 수 있습니다.”

SQRTM

열가소성 수지 외에도 Leonardo는 계속해서 RTM 기술을 살펴봅니다. “이것은 우리가 CETMA와 협력하고 이전 기술(이 경우 SQRTM)을 기반으로 하는 새로운 개발에 대한 특허를 받은 또 다른 영역입니다. 동일한 자격을 갖춘 수지 이송 성형(SQRTM)은 처음에 Radius Engineering(미국 유타주 솔트레이크시티)에 의해 개발되었습니다. Corvaglia는 "이미 검증된 재료를 사용할 수 있는 OOA(out-of-autoclave) 방법을 갖는 것이 중요합니다."라고 말합니다. “또한 우리는 잘 알려진 특성과 품질을 가진 프리프레그를 사용할 수 있습니다. 우리는 이 기술을 사용하여 항공기 창틀을 설계, 시연 및 특허를 받았습니다.”

"이것도 오래된 기술이지만 웹에서 검색하면 이 기술에 대한 정보를 찾을 수 없습니다."라고 Pappadà는 말합니다. “중요한 점은 분석 모델을 사용하여 공정 매개변수를 예측하고 최적화한다는 것입니다. 이 기술을 사용하면 건조 영역이나 수지 풀링이 없는 우수한 수지 분포와 거의 0에 가까운 공극 함량을 가질 수 있습니다. 섬유 함량을 조절할 수 있어 높은 구조적 성능을 낼 수 있고, 이 기술을 이용하여 복잡한 형상을 생산할 수 있습니다. 우리는 오토클레이브 경화에 적합한 동일한 재료를 사용하고 있지만 대신 OOA 방식을 사용하고 있지만 사이클 시간을 몇 분으로 줄이기 위해 속경화 수지를 사용할 수도 있습니다.”

Corvaglia는 "현재 프리프레그를 사용하더라도 경화 시간을 단축했습니다. “예를 들어, 8-10시간의 일반적인 오토클레이브 주기에 비해 SQRTM을 사용하면 창틀과 같은 부품에 대해 3-4시간을 달성할 수 있습니다. 열과 압력이 부품에 직접 가해지며 가열되는 질량이 적습니다. 또한 오토클레이브에서 공기보다 액체 수지를 가열하는 것이 더 빠르고 부품 품질이 우수하여 특히 복잡한 형상에 유리합니다. 진공 백이 아니라 도구가 제어하므로 재작업이 없고 공극이 거의 0에 가까우며 표면 품질이 우수합니다.”

비전이 있는 기술 기반의 미래

Leonardo는 크고 다양한 기술 세트에서 혁신을 일으키고 있습니다. 기술의 급속한 발전으로 인해 고위험 R&D(낮은 TRL)에 대한 투자는 현재 제품에서 이미 유지하고 있는 점진적(단기) 개발을 넘어 미래 제품에 필요한 신기술을 개발하는 것이 중요하다고 생각합니다. 이러한 단기 및 장기 전략의 조합은 지속 가능하고 경쟁력 있는 회사를 위한 통합 비전인 Leonardo의 2030 R&D 마스터플랜에 결합되어 있습니다.

이 계획의 일환으로 첨단 연구 및 기술 혁신에 전념하는 기업 R&D 연구소의 국제 네트워크인 Leonardo Labs를 출범합니다. 2020년에 회사는 밀라노, 토리노, 제노바, 로마, 나폴리, 타란토 지역에 처음 6개의 레오나르도 연구소 개설을 추진할 예정이며 다음 분야에서 기술을 갖춘 68명의 연구원(레오나르도 연구원)을 모집하고 있습니다. 인공 지능 분야의 36개 직위 자율 지능 시스템, 빅 데이터 분석 15개, 고성능 컴퓨팅 6개, 항공 플랫폼 전기화 4개, 재료 및 구조 5개, 양자 기술 2개. Leonardo Labs는 Leonardo의 미래 기술의 혁신 전초 기지이자 생성기 역할을 할 것입니다.

특히 Leonardo가 항공기에서 상용화한 기술은 육상 및 해상 부문에도 적용될 수 있습니다. Leonardo에 대한 추가 업데이트와 합성물에 대한 잠재적 영향에 대해 계속 지켜봐 주십시오.