항공우주 분야의 열가소성 복합 재료 가속화

연속 섬유 강화 열가소성 복합 재료(TPC)는 지속 가능한 항공기의 미래를 가능하게 하는 기술로 인용되어 왔으며, 구멍이나 패스너 없이 경제적인 용접 조립품에 결합할 수 있는 고강도 경량 부품의 생산 속도를 높여줍니다.

CW 2018년에 TPC 테이프, 현장 통합 및 용접에 관한 일련의 기사를 발표했으며 2019년에는 자동차 애플리케이션의 TPC 및 항공우주를 위한 TPC 개발에 대한 2개의 웨비나를 발표했습니다. 대부분의 내 현재까지의 기사 및 프레젠테이션은 유럽의 TPC 부품 제조업체 및 장비 공급업체와 미국의 Trelleborg Automated Dynamics 사업부를 참조합니다. 또한 미국에 본사를 둔 Tri-Mack Plastics를 견학했습니다. 그러나 불행하게도 15년 동안 조용히 기술과 생산 한계를 밀어붙였던 미국의 또 다른 TPC 부품 제조업체를 간과했습니다. ATC Manufacturing은 워싱턴주 스포캔 바로 외곽에 있는 아이다호주 포스트폴스에 위치하고 있으며 모두 연속 섬유 강화 열가소성 플라스틱과 항공우주 산업을 위한 연간 100만 개의 부품을 생산합니다. 3D 부품의 신속한 성형에 대한 고유한 전문 지식을 개발한 ATC는 Boeing Co.(미국 일리노이주 시카고) 및 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)과 함께 RApid 고성능 성형(RAPM) 연구 프로그램의 핵심 파트너이기도 합니다. (DARPA, 버지니아주 알링턴) 미국 국방부(DoD)

ATC Manufacturing은 리브, 클립, 브래킷 및 보강재를 포함하여 항공 우주 응용 분야를 위해 연간 100만 개의 열가소성 복합 부품을 생산합니다. 출처 | ATC 제조

ATC는 누구입니까?

ATC Manufacturing은 회사의 공동 회장으로 남아 있는 전 보잉 엔지니어 Dan Jorgenson에 의해 2004년에 설립되었습니다. ATC Manufacturing의 비즈니스 개발 이사인 David Leach는 "우리는 항상 기술 및 엔지니어링에 중점을 두었습니다. 이 회사는 또한 지난 5년 연속 Silver 레벨 공급업체로 인정받았고 2016년과 2017년에 Boeing 올해의 공급업체로 지명된 Boeing과 오랜 역사를 가지고 있습니다. 브래킷 및 더 작은 스탬프 부품"이라고 Leach는 말합니다. "하지만 최근 몇 년 동안 우리는 더 복잡한 어셈블리뿐만 아니라 길이가 최대 60인치인 훨씬 더 두껍고 큰 부품과 기본 구조용 부품으로 발전했습니다." 후자에는 구조적 날개 끝 구성 요소, 다양한 단면의 맞춤형 레이업이 있는 긴 빔, 동체 및 부속 구조가 포함됩니다.

회사에는 20명 이상의 엔지니어와 150명의 직원이 있습니다. 제조는 2015년에 특별히 제작되었으며 확장 여지가 있는 최적화된 워크플로를 위해 설계된 단일 67,000제곱피트 시설에 집중되어 있습니다. (참고로 52,500제곱피트의 공간은 이미 미래의 성장을 위해 미리 계획되어 있습니다.) Leach는 "모든 것이 한 지붕 아래에 있어 운영을 단순화합니다"라고 말합니다. 여기에는 30~150톤 범위의 용량과 최대 60인치 x 30인치의 압반 영역을 가진 9개의 스탬프 성형 프레스가 포함됩니다. "우리는 2019년 말까지 완전히 가동될 200톤 프레스를 추가로 설치하고 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. ATC에는 최대 12피트 길이의 부품을 처리할 수 있는 10개의 CNC 머시닝 스테이션과 최대 30피트 길이의 부품에 대한 워터젯 절단이 가능합니다.

ATC Manufacturing은 여기에 표시된 80톤 프레스를 포함하여 최대 150톤의 용량과 최대 60 x 30인치의 압반 영역을 가진 9개의 스탬프 성형 프레스를 운영합니다.
출처 | ATC 제조

비파괴 검사(NDI)는 펄스 에코를 제공하고 최대 30피트 길이의 부품에 대한 전송 테스트를 제공하는 5개의 C-스캔 탱크 시스템을 포함하여 시설의 운영 및 워크플로 설계에도 통합됩니다. 기타 사내 전문 지식에는 모든 표면 준비 및 페인팅이 포함됩니다. Leach는 ATC가 TPC 부품의 플라즈마 처리 작업도 하고 있다고 언급하면서 "도색 및 접착이 어려울 수 있는 열가소성 복합 재료를 위한 매우 효율적인 표면 준비를 개발했습니다."라고 말했습니다. 이 회사는 연간 200,000개의 부품을 페인트하고 가장자리 씰은 연간 70,000개의 부품을 밀봉합니다.

"우리는 또한 DARPA를 위한 RAPM 프로그램과 같은 연구에 막대한 투자를 했으며 우리는 ThermoPlastic 복합 재료 연구 센터(TPRC, Enschede, 네덜란드)의 회원입니다."라고 그는 말했습니다. ATC는 10월 8일 네덜란드 트벤테 대학교(University of Twente)에서 열리는 TPRC 10주년 기념 컨퍼런스 "Future of Thermoplastic Composites"에 참가합니다. Leach는 "ATC 부회장인 Corbin Chamberlain이 패널 세션에 참석할 예정이며 우리가 제작한 항공우주 구조 부품도 컨퍼런스와 함께 개최되는 전시회에서 시연할 것입니다."라고 말했습니다.

피팅이 설치된 도색된 열가소성 합성 채널. 출처 | ATC 제조

UD 테이프에 대한 직물, 성형 및 빠른 사이클 시간

ATC의 TPC 브래킷 및 클립 제조는 섬유 강화재로 시작했지만 이제는 단방향(UD) 테이프를 사용하는 방식으로 전환되었습니다. "그런 다음 우리는 UD 테이프로 3D 부품을 형성하는 방법에 대한 좋은 경험을 이미 개발했기 때문에 더 큰 구조 부품으로 발전했습니다."라고 Leach는 설명합니다. "두께가 1-2mm에서 6.5mm인 이 부품은 다른 구조와 짝을 이루어야 합니다. 예를 들어 ± 0.010인치(0.25밀리미터) 프로파일 허용오차 및 ± 0.5도 각도 허용오차와 같이 표면을 접합할 때 엄격한 치수 허용오차를 충족해야 합니다.”

그런 다음 회사는 긴 TPC 프로필을 개발하기 시작했습니다. "우리는 연속 압축 성형(CCM)을 사용하여 평평한 라미네이트 스톡을 만듭니다."라고 Leach는 말합니다. "평면 라미네이트용 CCM 기계 2대와 TPC 프리프레그를 연속 3D 프로파일로 형성하여 최대 75피트 길이의 채널을 생성하는 기계가 있습니다."

연속 압축 성형(CCM)을 사용하여 성형 중인 열가소성 합성 프로파일. 출처 | ATC 제조

ATC Manufacturing의 R&D 엔지니어링 이사인 Trevor McCrea는 3D 프로파일과 모양을 형성할 때의 어려움에 대해 질문을 받았을 때 "직물 자체가 진행 중인 많은 변형을 제어합니다. UD에는 다양한 역학이 있습니다. 예를 들어, 반지름에 대해 90°는 얇아지거나 두꺼워지기를 원하지만 구조적 부분에서는 가질 수 없습니다. 이러한 문제는 모양이 더 복잡할수록 악화됩니다. 당신은 또한 형성 과정을 관리하는 방법에 더 많은 도전을 가지고 있습니다.”

프로세스 관리? McCrea는 "우리에게 이것은 열경화성 수지로 성형하는 것과는 매우 다릅니다. 성형하는 데 2초밖에 걸리지 않기 때문입니다."라고 McCrea는 말합니다. “오토클레이브 주기에서 많은 죄를 덮을 수 있습니다.”라고 그는 덧붙입니다. “그러나 우리는 그러한 여유 없이 매우 빠른 성형 및 스탬핑 공정을 사용하고 있습니다. 결정도도 관리해야 합니다.” 이는 고하중 항공기 구조가 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 및 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK)과 같은 반결정성 열가소성 매트릭스 폴리머를 사용하기 때문입니다. 그들이 식을 때. McCrea는 "등온으로 결정화할 수 있습니다. 이는 평판에서는 그리 어렵지 않지만 3D 모양에서는 훨씬 더 어려워집니다."라고 말합니다. "재료는 충분히 가열되어 [이 재료의 용융 온도는 300-400°C 사이임] 성형해야 하지만 형상, 공차, 결정도 및 표면 마감을 관리하면서 열 순환을 방지하기 위해 열간 이형이 될 정도로 충분히 빠르게 냉각해야 합니다. .”

TPC 부품이 최근 몇 년 동안 성장한 이유 중 하나는 정말 빠른 주기 시간을 제공할 수 있는 능력입니다. "우리는 5분의 주기 시간으로 군용 항공기 시연기를 위한 갈비뼈를 만들었으며 평균 주기 시간은 약 10분입니다."라고 Leach는 말합니다. "우리는 현재 항공기 OEM이 추구하는 높은 생산 속도를 가능하게 할 수 있습니다." 매우 빠른 평균 사이클 시간으로 인해 실제로 부품 혼합이 끊임없이 변화합니다. McCrea는 "우리는 한 부품을 몇 달 동안 계속 생산하고 싶지만 우리의 속도 능력은 항공기 제조 능력을 능가합니다."라고 말합니다. "그래서 우리는 항상 다양한 부분을 순환합니다." ATC의 제조는 대부분 1일 1교대로 주 5일 근무합니다. Leach는 "증가한 생산량을 충족할 수 있는 충분한 능력이 있습니다."라고 말합니다.

열가소성 합성물 구조용 스트랩 및 도색된 프로파일. 출처 | ATC 제조

미래 비전

ATC는 10년 이상의 TPC 생산 경험을 통해 상당한 가치를 제공합니다. "우리는 종종 고객이 제조용 부품을 설계하도록 돕습니다."라고 Leach는 말합니다. “예를 들어, 원래 두께를 유지하기 위해 생산되는 동체 1차 구조 피팅과 같은 열경화성 복합 재료에서 부품을 변환하는 경우가 많습니다. 하지만 원래 TPC용으로 설계된 것이라면 훨씬 더 가벼운 부품이 될 수 있습니다.” 왜요? "이러한 반결정질 TP 매트릭스 재료가 더 높은 성능을 발휘하기 때문입니다."라고 그는 설명합니다. “열경화성 매트릭스에서와 같이 미세균열 및 손상 내성을 위해 설계할 필요가 없으며 고온/습식 녹다운도 훨씬 적습니다. 실제로 PEEK, PEEK 또는 PAEK에는 습식 녹다운이 전혀 없습니다. 또한 일반적으로 ≈150°C인 Tg에 근접하지 않는 한 뜨거운 녹다운이 없습니다. 예를 들어 샘플을 RT에서 120°C로 전환할 때 강도를 평가하는 손상 내성에 대한 표준 개방형 구멍 압축(OHC) 테스트의 경우 녹다운이 거의 발생하지 않습니다."

McCrea는 "우리는 더 얇은 부품을 설계할 수 있을 뿐만 아니라 현재 1세대 복합 재료 설계에 있는 알루미늄과 티타늄을 많이 제거할 수 있을 것입니다(예:Boeing 787 및 Airbus A350 와이드 바디 항공기)"라고 덧붙였습니다. "우리는 이러한 재료의 형성을 계속 발전시키고 있으며 계속해서 새로운 응용 프로그램을 열 것입니다."

Leach는 이것이 미래의 항공기 응용 분야에 상당한 영향을 미칠 것이라고 믿습니다. "요구되는 특성과 생산 속도 때문에 열경화성 수지를 사용하여 단순히 생산할 수 없는 부품을 실제로 살펴보고 있습니다."

추가 정보를 위해 ATC Manufacturing은 9월 25일 수요일 오후 4시 열가소성 재료 및 응용 세션에서 CAMX 2019에서 저자 Corbin Chamberlain, David Leach 및 Trevor McCrea가 작성한 기술 문서 'Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures'를 발표할 예정입니다. 210C호실에서.

또한 SAMPE 2019(5월 4일-7일, 미국 노스캐롤라이나주 샬럿)의 비공개 세션에서 “구조적 열가소성 복합 부품의 고속 고성능 성형”이라는 제목의 비공개 세션에서 보잉과 공동 논문을 발표했습니다. 내 블로그 참조:https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense- 신청