PtFS를 사용한 RAPM 개발

이 블로그는 The Boeing Co.가 주도하는 RApid 고성능 제조(RAPM, "wrap-em") 프로그램에 대해 설명하는 2020년 5월 특집인 "Revolutionizing the composite cost 패러다임, Part 2:Forming"의 온라인 사이드바입니다. (미국 일리노이주 시카고) 작고 복잡한 모양의 복합 부품을 빠르고 저렴하며 민첩하게 제조할 수 있도록 하는 DARPA의 맞춤형 공급 원료 및 성형(TFF) 프로그램의 "성형" 부분입니다.

RAPM 프로그램의 세 가지 재료 및 공정 트랙(수지 주입, 열경화성 프리프레그 및 열가소성 성형)에는 Surface Generation에서 제공하고 미국 보잉 R&T에 있는 PtFS(기능적 사양 생산) 픽셀 가열 제어 및 툴링 시스템을 사용한 시험이 포함되었습니다. 세인트루이스(아래 표 참조).

PtFS는 수년 동안 상용화되었습니다. 이 블로그는 PtFS 시스템을 사용한 RAPM의 프로세스 개발에 관한 것입니다. 이 블로그에 대한 참조는 다음과 같습니다.

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2019 SAMPE(5월 20-23일, 노스캐롤라이나주 샬럿) 기술 문서 및 슬라이드 프레젠테이션, Steven M. Shewchuk의 "유연성 복합재 제조 작업 셀을 위한 확장 가능한 동적 제어 아키텍처 개발" ¹ , 벤 할포드 ² , 마이클 P. Matlack ¹ , 앤드류 샤프 ² 및 피트 매시 ² . ¹ 미국 미주리주 세인트루이스의 Boeing Company ² Surface Generation Ltd.(영국 Rutland)

2020 SAMPE 기술 문서, Travis R. Adams, Timothy J. Luchini, Jared B. Hughes, Steven M. Shewchuk, Adam Martinez 및 Gail Hahn(The Boeing Company)의 "복잡한 열경화성 라미네이트의 압축 성형"

PtFS 시스템 구성요소

PtFS 시스템은 모듈식이며 완전히 독립형이거나 기존 인프라의 일부를 사용할 수 있습니다. 압축/압밀 압력의 경우 시스템은 기존 유압 프레스 또는 유압 작동식 도구 클램핑 고정 장치를 사용할 수 있습니다. Boeing St. Louis PtFS 셀에는 150미터톤의 클램핑 고정구인 후자가 장착되어 있습니다. Surface Generation에서 설계했습니다. 이 성형 셀은 750 x 750 x 100밀리미터의 부품 부피를 수용합니다.

Boeing St. Louis PtFS 셀에는 위치 및 압력 제어가 포함됩니다. "Surface Generation의 Orchestrator 소프트웨어는 CF-OaO-RAPM PtFS 작업 셀을 제어하는 ​​데 사용됩니다."라고 보잉의 기술 펠로우이자 RAPM 프로그램 관리자인 Gail Hahn은 말합니다. “각 도구는 변위 및 압력 조정을 통해 시스템에서 보정됩니다. 압력 보정은 유압을 처리하는 동안 공구가 경험할 예상 압력으로 조정하기 위해 수행됩니다. 도구 분리 및 변위 보정은 도구의 열기/닫기 위치와 수동 및 자동 제어 중에 도구 면을 보호하는 느린/빠른 닫기 영역을 설정하기 위해 수행됩니다.” 위치 측정은 4개의 스트링 전위차계로 완료된다고 보잉 복합 재료 엔지니어이자 RAPM 연구원인 Steven Shewchuk은 설명합니다. “각 장치는 클램핑 고정 장치의 가이드 포스트에 위치하여 플래튼 위치를 측정할 뿐만 아니라 작동 중 플래튼 랙킹을 식별하는 안전 방법을 제공합니다. 압력 제어는 단일 인라인 압력 변환기로 완료되어 클램핑 고정 장치의 유압 펌프에 피드백 제어를 제공합니다."

클램핑 고정구의 위와 아래는 상단 및 하단 히터 베이스 유닛입니다. . 여기에는 모든 가열/냉각 구성요소가 포함되며 제어 캐비닛 의 출력에 응답하여 작동합니다. (Boeing 설정에서 각 히터 베이스에 대해 3개의 캐비닛). 도구 면은 각 히터 베이스에 맞게 설계되었으며 레일 및 로딩 시스템을 사용하여 설치됩니다.

각 도구 면은 각 도구 면의 아래쪽으로 향하고 디퓨저를 통해 분산되는 압축 공기를 사용하여 가열 및 냉각됩니다. 일치하는 금속 도구 면의 각 세트 개별적으로 제어 가능한 180개의 히터 채널로 나뉩니다. — 상단 도구 면의 경우 90, 하단의 경우 90. 히터 채널은 각 도구 면을 가로질러 그리드에서 10.0cm 간격으로 배치됩니다. 각 채널에는 히터, 2단계 압축 공기 소스 및 2개의 피드백 열전대가 있습니다. 공구면의 뒷면과 긴밀한 접촉을 보장하기 위해 스프링이 장착되어 있습니다. RAPM 도구 면의 가열은 히터 채널당 압축 공기의 분당 1입방피트를 사용하고 냉각은 분당 3입방피트를 사용했습니다.

도구 면

RAPM의 공구면은 공구강에서 ≈3mm 두께로 가공되었습니다. TS-RAPM-001-201의 하단 공구면은 위 그림의 왼쪽 상단에 표시됩니다. 도구 면의 상단은 표준 스탬프 성형 도구처럼 보이지만 밑면은 가열 채널을 드러냅니다.

허용되는 형상의 도구 면은 동일한 히터 베이스용으로 설계된 다른 도구 면으로 변경할 수 있습니다. 이 도구에는 동일한 히터 채널 치수, 대략적인 열전쌍 배치 및 스프링 장착 열전쌍 이동 거리 내에 들어가는 깊이가 필요합니다.

도구 면을 변경하는 데 사용되는 레일 로딩 시스템은 180개의 모든 스프링 장착 피드백 열전대를 도구 면 뒷면의 슬리브에 정렬합니다. 핀은 도구 면을 정렬하고 정밀한 지게차 제어 없이 도구 로딩을 수행할 수 있도록 합니다. 공구면을 분해하고 액자에 재조립하는 작업을 포함하여 두 명의 작업자가 2~4시간 안에 공구 교체를 완료할 수 있습니다.

열 질량을 줄이고 가열 및 냉각 속도를 개선하기 위해 가능한 한 많은 재료를 가공합니다. 이러한 이유로 RAPM에 사용된 각 공구면은 공구면이 처리 온도 및 압력을 견딜 수 있는지 확인하기 위해 구조적 유한 요소 분석(FEA)이 필요했습니다. 공구 면은 선형 및 비선형 FEA는 물론 정상 상태 및 과도 전산 유체 역학(CFD) 열 해석을 사용하여 최적화되었습니다. 후자는 균일한 도구 가열을 보장하는 데 도움이 되었습니다. 각 히터 채널 내의 도구 두께와 공기 확산기는 온도 균일성을 향상시키기 위해 수정되었습니다. FEA와 CFD 간의 반복적인 루프를 통해 형상을 맞춤화하여 원하는 도구 표면 온도를 유지하는 동시에 도구 표면 지지에 필요한 안전 요소를 충족할 수 있었습니다.

난방 구역 및 온도 조절

히터 채널은 일반적으로 부품별로 지정된 구역당 히터 채널 수와 함께 구역으로 그룹화됩니다. 각 구역에는 관련된 가열 프로파일이 있으며 필요에 따라 구역 내 및 구역 간에 허용 오차를 설정할 수 있습니다. 이를 통해 각 구역의 모든 히터는 히터 전력 수준과 압축 공기 유량을 동적으로 변화시켜 규정된 가열 프로필에 따라 온도를 가열, 냉각 또는 유지할 수 있습니다.

PtFS 장비 제어 소프트웨어에는 다양한 가열 시나리오에 맞출 수 있는 아날로그 및 디지털 가열 전략이 모두 있지만 RAPM 셀은 아날로그 제어를 사용합니다. 이를 위해서는 목표 온도에서 히터 전력 수준을 결정하기 위해 시스템의 자동 조정이 필요합니다. 각 히터의 전력 수준은 가열/냉각 램프 동안 오버슈트 또는 언더슈팅을 방지하고 온도 설정점을 유지하도록 설정됩니다. 자동 조정은 각 지정된 온도에서 모든 히터 채널에 대해 수정된 비례 적분 미분 제어 방법에 대한 상수 값을 자동으로 결정합니다. 자동 조정이 완료되면 각 구역에 대한 가열 프로파일을 작성할 수 있습니다. 모든 열 프로파일은 복합 부품이 원하는 설정점의 ±5.5°C(±10°F) 이내의 온도에 노출되었는지 확인하기 위해 검증되었습니다.

보잉 PtFS 셀의 최대 온도는 440°C입니다. 처음에는 Boeing이 하루에 여러 번의 고온 사이클을 처리할 때 처리 사이클 사이의 냉각 부족으로 인해 특정 구성 요소가 손상될 수 있다는 우려가 있었습니다. 그러나 냉각 시스템은 2019년 9월-10월에 열 추출을 위한 추가 팬 용량을 포함하여 업그레이드되었습니다. 이 향상된 냉각 기능으로 셀은 440°C에서 연속적으로 처리할 수 있습니다.

냉각 방법으로 많은 양의 주변 온도 압축 공기를 사용하여 공구 표면 냉각은 온도 범위의 상단 부근에서 빠르지만 60°C(140°F)에 도달함에 따라 크게 느려졌습니다. 열가소성 온도(>350°C)로 가열하는 동안 도구 표면 온도는 평균 41°C/min(74°F/min)의 속도로 상승했습니다. 동일한 실행의 냉각 동안 최고 평균 냉각 속도는 36°C/분(65°F/분)이었습니다. 냉각을 위해 압축 공기를 사용하면 보다 지속적인 냉각 램프가 제공되고 능동 열 관리(예:필요할 때 가열)가 결합되어 냉각 중에 온도가 상당히 선형으로 유지되었습니다.

등온 TS 프리프레그 스탬핑

PtFS 작업 셀을 사용한 첫 번째 부품 시험은 열경화성 프리프레그 압축 성형(스탬핑)으로 만든 TS-RAPM-001 비드 액세스 커버 패널에 대한 것이었습니다. 이 부분의 도구는 RAPM PtFS 작업 셀의 180개 채널 중 112개를 차지합니다. 여기에는 상단 도구 면의 56개 채널과 하단 도구 면의 56개 채널이 포함됩니다. 그러나 실제 부품은 해당 도구 전체를 다루지 않고 각 도구 면(상단 및 하단)에 대해 56개 채널 중 30개만 덮습니다. 아래 그림은 RAPM-001 부품에 사용되는 78개의 열전대(TC) 배치를 보여줍니다. 둘 다에 대해 동일한 배치로 상단면에 39개, 하단면에 39개입니다. TC의 수는 셀당 하나(히터 채널)와 CFD 열 분석에서 식별된 고온 및 저온 지역의 추가 TC로 구성됩니다.

빈 도구 면의 온도 균일성을 테스트한 다음 16겹 탄소 섬유 직조/에폭시 라미네이트의 중간 지점에 열전대를 삽입한 후 테스트를 반복했습니다. 복합 재료가 추가되면 복합 재료가 열 전달 경로로 작용하기 때문에 도구 표면 온도 분포가 더 단단해집니다. 또한 복합 라미네이트 내부의 온도 균일성은 도구 면 판독값보다 더 엄격했습니다. 실행 1의 단일 최우수 사용자 (오른쪽 차트 상단의 아래 그림 참조) 원하는 온도 범위 이상으로 진동하는 것은 부품 가장자리 근처에서 발생했으며 부품 트림 라인 외부에 있는 인접 셀의 온도 변동으로 인해 발생한 것으로 의심됩니다.

공정의 등온 압축 성형은 ±5.5°C(±10°F) 허용 오차 내에서 176.7°C(350°F)에서 공구를 유지했습니다. TS-RAPM-001의 경우 다음 순서를 따랐습니다.

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시스템이 앱에서 187.7°C까지 가열됩니다. 8분

핫 툴에 로드된 컴포지트 블랭크

도구가 12:09에 종료됨(예:)

겔 합성을 위한 도구 사용 시간 30분

첫 번째 압력 단계:수지 압착을 최소화하면서 블랭크의 초기 급속 가열

두 번째 압력 단계:우수한 통합을 보장하고 보이드 성장을 방지하기 위해 300psi로 램프

후 경화를 위해 핫 툴에서 "녹색" 합성물 제거

이 프로세스는 고품질 부품을 얻었고 현재의 복합 재료 프로세스보다 더 짧은 주기 시간 부품을 보여줍니다. 더 높은 공정 온도는 복합재를 훨씬 더 빠르게 겔화할 수 있지만 재료 열화 및 발열 위험을 유발할 수도 있습니다. 이는 PtFS 도구가 발열을 흡수하기 위해 기존의 큰 열 질량을 사용하지 않고 발열을 분산시키기 위해 열 질량이 낮은 도구 뒷면의 능동적 냉각에 의존하기 때문에 문제였습니다.

PtFS 셀은 또한 TS-RAPM-012 "웨이브" 챌린지 부품을 만드는 데 사용되었습니다. 이전 개발 시도를 사용하여 177°C에서 30분 등온 사이클을 사용하여 이러한 부품을 경화한 다음 동일한 온도에서 2시간 후 경화하는 것으로 결정되었습니다. 그러나 이전 시험과의 차이점에는 8-하네스 새틴 및 단방향 탄소 섬유 층 및 외부 플라이와 결합된 오토클레이브 외 항공우주 부품의 표준인 CYCOM 5320-1 에폭시를 사용하여 보다 공격적인 형상과 준등방성 레이업이 포함됩니다. 한쪽 면에 Style 108 직조 유리 직물. RAPM PtFS 컨트롤러는 적절한 점도에 도달할 때까지 라미네이트에 최소한의 압력을 가하도록 프로그래밍되었습니다. 이 초기 단계 후에 최종 압력을 가하여 경화를 완료했습니다. 한 시험은 오븐에서 후경화되었고 나머지는 시험 사이의 시간을 줄이기 위해 PtFS 클램핑 고정구에서 후경화되었습니다. 여러 고품질 부품이 생산되었습니다.

수지 주입을 위한 동적 온도 주기

PtFS 작업 셀을 사용한 수지 주입 부품 시험은 RI-RAPM-003 곡선 C-채널 부품으로 시작되었습니다. 세 가지 다른 에폭시 수지 시스템이 처음에 시험되었습니다.

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Solvay CYCOM 823, 80°에서 주입한 다음 125°C에서 유지하도록 램프

100°C에서 150°C 드웰로 주입된 Huntsman FAF2(빠른 치료 시스템)

응용 Poleramic(현재 Kaneka에서 인수) API DD3-84(빠른 경화 시스템이기도 함)는 60°C에서 주입되고 160°C의 체류 온도를 유지합니다.

비압축 직물 프리폼을 주입하고 2°C/min의 속도로 지정된 체류 온도로 올린 다음 냉각하기 전에 60분 동안 유지했습니다. 급속 경화 수지의 경우 발열 반응이 진행됨에 따라 PtFS가 특정 부품 온도를 유지하기 위해 특정 도구 영역에 능동 냉각을 자동으로 적용했습니다.

PtFS 장비는 또한 RI-RAPM-003 부품에 대한 갭 주입 방식을 지원하기 위해 위치 제어를 제공할 수 있었습니다. 이 방법에서 도구는 진공 개스킷의 초기 높이까지 닫혀 있어 주입 중에 도구가 1.3mm 열린 상태를 유지합니다. 주입이 완료된 후, 도구는 z-방향으로 예비성형체로 수지를 밀어넣기 위해 남은 거리를 닫았습니다. 이 프로세스를 사용하여 부품이 성공적으로 만들어졌습니다.

열가소성 스탬핑을 위한 동적 온도 제어

PtFS 장비는 열가소성 복합 재료에서 RAPM-003 곡선 C 채널을 만드는 데에도 사용되었습니다. 특히, 부품 길이를 따라 32개에서 24개로 감소한 복잡한 프리폼을 단면이 테이퍼진 평평한 블랭크로 통합하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 통합된 블랭크는 ATC Manufacturing(미국 아이다호주 포스트 폴스)로 보내져 최종 부품에 수직 플랜지가 찍혔습니다.

TP-RAPM-003 곡선 C-채널을 위해 통합된 재료는 폴리에테르에테르케톤(PEEK)으로 분말 코팅된 탄소 섬유 2x2 능직물이었습니다. PtFS 작업 셀을 사용하여 열가소성 충전물 위에 AZ31 마그네슘 블래더를 초소성 형성하고 블래더를 가열하고 앱에서 400°C의 PEEK 공정 온도로 충전했습니다. 55분.

이 성형 온도에서 아르곤 가스를 블래더에 가하여 열가소성 복합 재료에 압밀 압력을 가했습니다. 그런 다음 셀은 방광을 냉각하고 30분 만에 PEEK 결정화 온도 아래로 충전하여 총 3시간의 사이클 시간을 제공합니다.

위의 슬라이드 11은 블래더의 초소성 성형 및 열가소성 수지의 경화 동안 적용된 압력의 진행을 보여줍니다. 블래더가 냉각을 통해 유지되는 초소성 성형 온도에 도달한 후 20psi에서 140psi로 증가합니다. 프리폼이 성공적으로 통합되어 ATC Manufacturing으로 보내져 이 극도로 까다로운 형상을 위해 부품이 스탬프 처리되었습니다.

PtFS 셀은 또한 다양한 옵션에 대한 연구에서 단방향(UD) 탄소 섬유/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 테이프의 균형 및 대칭 레이업으로 만든 TP-RAPM-017 패널의 1단계 블랭크-부품 스탬핑에 사용되었습니다. 부품 기능은 방광 형성에 영향을 미칩니다. TP-RAPM-017 패널은 높이가 1.3cm에 달하는 완만한 윤곽으로 40.6 x 40.6cm로 측정되었습니다. 평평한(플라이 드롭 없음), 단일 방향 플라이 드롭 및 액자의 세 가지 다른 부품 형상이 평가되었습니다. 두꺼운 영역에 32개의 플라이, 얇은 영역에 16개의 플라이, 그리고 그 사이의 플라이 드롭 비율이 20:1입니다. 부품 주기 시간은 모든 형상에 대해 1.5시간이었습니다.

도구면은 UD 열가소성 복합 테이프의 열팽창과 가장 잘 일치하도록 Invar 42로 가공되었습니다. UD 테이프 플라이 키트를 자르고 대조하고 초음파로 함께 용접한 다음 경화 도구에 넣고 385 ± 15°C로 가열했습니다. 다양한 압력 주기를 테스트한 후 부품을 220°C 미만으로 냉각한 후 압력을 해제하고 부품을 이형했습니다.

지오메트리 1에 대한 압력 사이클의 한 예는 실온에서 20psi, 지연 열전대가 310°C의 용융 온도에 도달한 후 140psi로 램프한 다음 부품 열전대가 220°C 미만으로 측정될 때까지 압력 하에서 10°C/분으로 냉각되었습니다. . 20psi, 30psi, 50psi 및 70psi의 초기 압력을 시험했습니다. 압력 램프도 분당 10psi에서 15초당 10psi, 최대 압력 140psi까지 다양했습니다.

한 가지 주목할만한 결과는 플라이가 초음파 가용접된 경우 모든 패널이 열악한 C-스캔 결과를 보여주었다는 것입니다. 따라서 최상의 결과를 얻으려면 이러한 가용접이 부품 네트 트림 라인 외부에 위치해야 합니다. 허용 가능한 부품이 생산되었지만 일부 부품은 플라이 가장자리에서 불량한 통합을 보였습니다. 이것은 가열 전에 초기 압축 압력을 30psi로 증가시켜 해결되었습니다. 그러나 이러한 압력 증가로 인해 부품의 블래더 쪽에 표면 거칠기/무광택 마감이 발생했습니다. 또한 50 및 70psi 초기 압축 압력을 사용하여 만든 일부 지오메트리 2 패널은 부품 중앙에 주름이 나타납니다. 이러한 더 높은 압력으로 인해 플라이가 가공 중에 서로 미끄러지는 것을 방지하여 부품의 주름을 가두는 것으로 여겨졌습니다.

시도된 또 다른 변형은 아르곤 가스를 블래더를 가압하기 위해 더 저렴한 질소 가스로 교체하는 것이지만, 이는 또한 표면 거칠기/무광택 마감을 포함하여 부품 품질을 감소시켰습니다. 섹션.

RAPM에서 PtFS의 장단점

PtFS 작업 셀은 빠른 가열을 보여주었습니다(≈180°C에서 에폭시 경화의 경우 <10분). 자동화된 도구 변경과 결합하면 빠른 부품 교체가 가능하고 짧은 제조 실행을 위한 복합 부품 비용을 줄일 수 있습니다. PtFS는 또한 고온 동적 실행(등온 부품 주기와 반대)에 매우 적합합니다.

보잉 세인트루이스 PtFS 셀의 기능은 RAPM 프로그램 동안 개선된 열 균일성 및 클램프 고정 장치 제어, 개선된 냉각 기능 및 열전대 제어, 자동화된 프레스클레이브 압력 제어 시스템 덕분에 크게 향상되었습니다. 각 히터 채널 설정점, 히터 파워 레버, 압축 공기 레벨 등을 포함하여 시스템에서 매초 생성 및 기록하는 방대한 양의 데이터를 사용하여 추가 기능 향상이 가능할 수 있습니다. 이 데이터에 기계 학습을 적용하면 부품 품질 및 프로세스 개선. 추가 소프트웨어 향상을 통해 이 데이터는 과도한 에너지가 필요하고 특정 도구 위치의 낮은 응답성과 같은 처리 이상을 식별할 수 있습니다.

Hahn은 "PtFS는 이름에서 알 수 있듯이 기능 사양에 따른 생산이라는 많은 사용자 정의를 제공합니다. 그러나 이러한 사용자 정의에는 새로운 도구/부품 구성을 위해 시스템을 설정하고 '조정'하는 데 시간 투자가 필요할 수 있습니다."라고 말합니다. RAPM을 위한 가공 금속 공구면 설계의 대부분은 영국의 Surface Generation에서 생산되었지만 Boeing과 Surface Generation은 미국 공구 설계자와 미국 공구 제조업체를 "교육"하여 금형면 설계가 미국에서 수행될 수 있음을 입증했습니다. Surface Generation 이외의 소스에 의해. 해당 도구 몰드 페이스 CMD-TP-RAPM-008-503은 TP-RAPM-008-203 단섬유 액세스 패널을 만드는 데 성공적으로 사용되었습니다.

Hahn은 "도구 및/또는 부품의 일부 온도 제어가 모든 복합 부품 성형에 도움이 되지만 실제로 필요한 것은 중요한 영역과 시간의 온도 제어이며 이는 부품 및 프로세스마다 다릅니다. 따라서 주어진 부품을 형성하는 데 실제로 필요한 온도 제어를 이해하는 것이 중요합니다. PtFS의 180개 영역은 유용하지만 각각 도구에서 가공된 채널이 필요하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 부품에 트리거 포인트 형상을 따라 외부 및 내부 영역 또는 특정 영역만 필요한 경우 다른 솔루션이 더 저렴할 수 있습니다. 그러나 이는 여러 유형의 프로세스 및 부품에 걸쳐 유연한 복합 부품 제조 셀을 개발하기 위한 최선의 접근 방식이 무엇인지에 대한 논쟁을 불러일으키고 있습니다.”

Boeing과 DARPA는 2020년에 RAPM 프로그램을 완료하고 추가 결과를 발표하면서 이 토론에 정보를 계속 추가할 것입니다.