고성능 통합 열가소성 구조용 사출 성형

통합 합성 기어 구동축. Herone은 구동축 라미네이트를 통합하고 기어와 같은 기능 요소를 오버몰딩하여 중량, 부품 수, 조립 시간 및 비용을 줄이는 통합 구조를 생산하는 공정을 위한 예비 성형체로 편조 열가소성 복합 프리프레그 테이프를 사용합니다. 모든 이미지의 출처 | 영웅

현재 예측에 따르면 향후 20년 동안 상업용 항공기 함대가 두 배로 늘어날 것입니다. 이를 수용하기 위해 복합 재료 집약적인 광동체 제트 여객기의 2019년 생산량은 OEM당 월 10에서 14로 다양하지만 내로우바디는 이미 OEM당 월 60으로 증가했습니다. Airbus는 특히 공급업체와 협력하여 A320의 전통적이지만 시간 집약적인 수동 레이업 프리프레그 부품을 고압 수지 트랜스퍼 몰딩(HP-RTM)과 같은 더 빠른 20분 사이클 타임 프로세스를 통해 만들어진 부품으로 전환하여 부품을 돕습니다. 공급업체는 매월 100대의 항공기를 향한 추가 추진을 충족합니다. 한편, 신흥 도시 항공 이동성 및 운송 시장은 연간 3,000대의 전기 수직 이착륙(EVTOL) 항공기(월 250대)의 필요성을 예측하고 있습니다.

복합 기술 및 부품 제조 업체인 herone(독일 드레스덴)의 공동 설립자이자 관리 파트너인 Daniel Barfuss는 "업계에서는 열가소성 복합 재료가 제공하는 기능을 통합할 수 있는 주기 시간이 단축된 자동화된 생산 기술이 필요합니다."라고 말했습니다. 폴리페닐렌설파이드(PPS)에서 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 및 폴리아릴에테르케톤(PAEK)에 이르기까지 고성능 열가소성 매트릭스 재료를 사용하는 회사입니다. "우리의 주요 목표는 열가소성 복합 재료(TPC)의 고성능을 저렴한 비용과 결합하여 보다 다양한 연속 제조 응용 분야와 새로운 응용 분야를 위한 맞춤형 부품을 구현하는 것입니다."라고 herone의 두 번째 공동 설립자이자 관리인 Dr. Christian Garthaus가 덧붙입니다. 파트너.

이를 달성하기 위해 회사는 완전히 함침된 연속 섬유 테이프로 시작하여 이러한 테이프를 땋아 속이 빈 프리폼 "organoTube"를 형성하고 OrganoTube를 다양한 단면과 모양의 프로파일로 통합하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 후속 공정 단계에서 TPC의 용접성 및 열성형성을 사용하여 복합 기어와 같은 기능 요소를 구동축에 통합하거나 엔드 피팅을 파이프에, 하중 전달 요소를 인장-압축 스트럿에 통합합니다. Barfuss는 케톤 매트릭스 공급업체 Victrex(Cleveleys, Lancashire, UK)와 부품 공급업체 Tri-Mack(Bristol, RI, US)에서 개발한 하이브리드 성형 공정을 사용할 수 있는 옵션이 있다고 덧붙였습니다. 및 오버몰딩을 위한 PEEK, 결합 전체에 걸쳐 융합된 단일 재료를 가능하게 합니다("오버몰딩은 복합 재료에서 PEEK의 범위를 확장합니다" 참조). "또한 우리의 적응은 기하학적 형태 잠금을 가능하게 하여 더 높은 하중을 견딜 수 있는 통합 구조를 생성합니다"라고 덧붙였습니다.

땋아진 OrganoTube 기반 성형 공정

헤론 공정은 탄소 섬유 강화 열가소성 테이프가 완전히 함침되어 오르가노튜브로 땋아지고 통합되는 것으로 시작됩니다. Garthaus는 "우리는 10년 전에 이러한 오르가노튜브를 사용하여 항공용 복합 유압 파이프를 개발하기 시작했습니다."라고 말합니다. 그는 두 대의 항공기 유압 파이프가 동일한 형상을 가지지 않기 때문에 기존 기술을 사용하여 각각에 대해 금형이 필요할 것이라고 설명합니다. “우리는 개별 파이프 형상을 얻기 위해 후처리할 수 있는 파이프가 필요했습니다. 그래서 아이디어는 연속 합성 프로파일을 만든 다음 CNC가 이를 원하는 형상으로 구부리는 것이었습니다."

그림. 2 브레이드 프리프레그 테이프는 herone의 사출 성형 공정을 위한 organoTubes라고 하는 그물 모양의 프리폼을 제공하고 다양한 모양의 생산을 가능하게 합니다.

이것은 Sigma Precision Components(Hinckley, UK)가 탄소 섬유/PEEK 엔진 드레싱을 사용하여 수행하는 것과 유사하게 들립니다("복합 파이프로 항공기 엔진 교정" 참조). Garthaus는 "그들은 유사한 부품을 찾고 있지만 다른 통합 방법을 사용합니다. "우리의 접근 방식을 통해 항공우주 구조물의 경우 2% 미만의 다공성과 같이 성능이 향상될 가능성이 있습니다."

가트하우스 박사 ILK의 논문 작업은 연속 열가소성 합성물(TPC) 인발을 사용하여 편조 튜브를 생산하는 방법을 연구했으며, 그 결과 TPC 튜브 및 프로파일에 대한 특허된 연속 제조 공정이 탄생했습니다. 그러나 현재 herone은 불연속 성형 공정. "이를 통해 우리는 곡선 프로파일과 다양한 단면을 포함하는 다양한 모양을 모두 자유롭게 만들 수 있을 뿐만 아니라 국소 패치와 플라이 드롭오프를 적용할 수 있습니다."라고 그는 설명합니다. “우리는 로컬 패치를 통합한 다음 이를 복합 프로파일과 통합하는 프로세스를 자동화하기 위해 노력하고 있습니다. 기본적으로 평평한 라미네이트와 쉘로 할 수 있는 모든 작업을 튜브와 프로필에서 할 수 있습니다.”

이러한 TPC 중공 프로파일을 만드는 것은 실제로 가장 어려운 과제 중 하나였다고 Garthaus는 말합니다. “실리콘 주머니로 스탬프 성형이나 블로우 성형을 할 수 없습니다. 그래서 우리는 새로운 프로세스를 개발해야 했습니다.” 그러나 이 프로세스는 매우 고성능의 맞춤형 튜브 및 샤프트 기반 부품을 가능하게 한다고 그는 지적합니다. 또한 빅트렉스가 개발한 하이브리드 성형을 사용하여 용융 온도가 낮은 PAEK를 PEEK로 오버몰딩하여 유기 시트와 사출 성형을 단일 단계로 통합할 수 있었습니다.

OrganoTube 편조 테이프 프리폼 사용의 또 다른 주목할만한 측면은 폐기물이 거의 발생하지 않는다는 것입니다. Garthaus는 "편조를 사용하면 낭비가 2% 미만이고 TPC 테이프이기 때문에 이 소량의 폐기물을 오버몰딩에 다시 사용하여 재료 활용률을 최대 100%까지 높일 수 있습니다."라고 강조합니다.

회사 및 기어샤프트 시연기 개발

Barfuss와 Garthaus는 TU Dresden의 ILK(Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology)에서 연구원으로 개발 작업을 시작했습니다. Barfuss는 "이것은 복합 재료 및 하이브리드 경량 설계를 위한 유럽 최대 규모의 연구소 중 하나입니다."라고 말합니다. 그와 Garthaus는 거의 10년 동안 연속 TPC 인발 및 다양한 유형의 접합을 포함한 여러 개발에 참여했습니다. 그 작업은 결국 현재 최고의 TPC 프로세스 기술로 정제되었습니다.

Barfuss는 "그런 다음 이러한 기술을 산업계에 이전하고 매년 40-60개 프로젝트에 자금을 지원하는 독일 EXIST 프로그램에 지원했습니다."라고 말합니다. "우리는 자본 장비, 4명의 직원 및 다음 단계 확장을 위한 투자에 대한 자금을 받았습니다." 2018년 5월 JEC World에 출품하여 히로인이 되었습니다.

JEC World 2019에서 herone은 경량, 고토크, 통합 기어 구동축 또는 기어축을 비롯한 다양한 시연 부품을 생산했습니다. Barfuss는 "우리는 부품에 필요한 각도로 편조된 탄소 섬유/PAEK 테이프 organoTube를 사용하고 이를 튜브로 통합합니다"라고 설명합니다. "그런 다음 튜브를 200°C로 예열하고 380°C에서 짧은 탄소 섬유 강화 PEEK를 주입하여 만든 기어로 오버몰딩합니다." 오버몰딩은 Autodesk(미국 캘리포니아주 산 라파엘)의 Moldflow Insight를 사용하여 모델링되었습니다. 금형 충전 시간은 40.5초로 최적화되었으며 Arburg(독일 로스부르크) ALLROUNDER 사출 성형기를 사용하여 달성했습니다.

이 오버몰딩은 조립 비용, 제조 단계 및 물류를 줄일 뿐만 아니라 성능도 향상시킵니다. PAEK 샤프트의 용융 온도와 오버몰딩된 PEEK 기어의 용융 온도 사이의 40°C 차이는 분자 수준에서 둘 사이에 응집력 있는 용융 결합을 가능하게 합니다. 두 번째 유형의 결합 메커니즘인 형태 잠금은 사출 압력을 사용하여 오버몰딩 중에 샤프트를 동시에 열성형하여 형태 잠금 윤곽을 생성함으로써 달성됩니다. 이는 아래 그림 1에서 "사출 성형"으로 볼 수 있습니다. 매끄러운 원형 단면에 비해 기어가 결합되는 파형 또는 사인 곡선 원주를 생성하여 기하학적으로 잠긴 형태를 만듭니다. 이것은 테스트에서 입증된 바와 같이 통합 기어 샤프트의 강도를 더욱 향상시킵니다(오른쪽 하단의 그래프 참조). 그림. 1. 빅트렉스 및 ILK와 공동으로 개발한 herone은 오버몰딩 중 사출 압력을 사용하여 통합 기어 샤프트(상단)에 형태 잠금 윤곽을 생성합니다. 이 사출 성형 공정을 통해 형태 잠금 기능이 있는 통합 기어축(그래프의 녹색 곡선)이 형태 고정이 없는 오버몰딩된 기어 구동축(그래프의 검은색 곡선)에 비해 더 높은 토크를 유지할 수 있습니다.

"우리가 제공하는 주요 이점은 부품 수를 줄이는 것입니다."라고 그는 말합니다. “이는 항공기 스트럿 응용 분야에서 큰 과제인 피로를 단순화합니다. 폼 잠금은 플라스틱 또는 금속 인서트가 있는 열경화성 복합 재료에 이미 사용되지만 응집 결합이 없으므로 부품 간에 약간의 움직임이 발생할 수 있습니다. 그러나 우리의 접근 방식은 그러한 움직임이 없는 단일화된 구조를 제공합니다.”

Garthaus는 이러한 부품에 대한 또 다른 과제로 손상 내성을 언급합니다. "스트럿에 충격을 가한 다음 피로 테스트를 수행해야 합니다."라고 그는 설명합니다. "고성능 열가소성 매트릭스 재료를 사용하기 때문에 열경화성 수지에 비해 손상 내성을 최대 40% 높일 수 있으며 충격으로 인한 미세 균열은 피로 하중에 따라 더 적게 증가합니다."

데모 스트럿은 금속 인서트를 보여주지만, herone은 현재 복합 스트럿 본체와 하중 도입 요소 사이의 응집 결합을 가능하게 하는 전체 열가소성 솔루션을 개발하고 있습니다. Garthaus는 "가능한 경우 탄소, 유리, 연속 및 단섬유를 포함한 섬유 강화 유형을 변경하여 모든 복합 재료를 유지하고 속성을 조정하는 것을 선호합니다."라고 말합니다. “이러한 방식으로 복잡성과 인터페이스 문제를 최소화합니다. 예를 들어 열경화성 수지와 열가소성 수지를 결합하는 것에 비해 문제가 훨씬 적습니다.” 또한 PAEK와 PEEK 사이의 결합은 Tri-Mack에서 테스트한 결과 기본 단방향 CF/PAEK 라미네이트 강도의 85%를 가지며 산업 표준 에폭시 필름 접착제를 사용하는 접착 결합보다 2배 더 강한 것으로 나타났습니다.

새로운 공장, 새로운 부품, 새로운 시장

Barfuss는 herone에 현재 9명의 직원이 있으며 기술 개발 공급업체에서 항공 부품 공급업체로 전환하고 있다고 말했습니다. 다음 단계는 드레스덴에 새로운 공장을 건설하는 것입니다. "2020년 말까지 우리는 첫 번째 시리즈 부품을 생산하는 파일럿 공장을 갖게 될 것입니다."라고 그는 말합니다. "우리는 이미 항공 OEM 및 주요 Tier 1 공급업체와 협력하여 다양한 유형의 애플리케이션에 대한 설계를 시연하고 있습니다."

이 회사는 또한 미국의 eVTOL 공급업체 및 다양한 협력업체와 협력하고 있습니다. herone이 항공 애플리케이션을 성숙시키면서 박쥐 및 자전거 부품을 포함한 스포츠 용품 애플리케이션에 대한 제조 경험도 얻고 있습니다. Garthaus는 "저희 기술은 성능, 주기 시간 및 비용 이점을 갖춘 다양한 복잡한 부품을 생산할 수 있습니다. “PEEK를 사용하는 우리의 사이클 시간은 20분이며, 오토클레이브 경화 프리프레그를 사용하면 240분입니다. 우리는 다양한 기회를 보고 있지만 현재로서는 첫 번째 애플리케이션을 생산에 적용하고 이러한 부품의 가치를 시장에 입증하는 데 초점을 맞추고 있습니다.”

Herone은 Carbon Fiber 2019에서도 발표할 예정입니다. carbonfiberevent.com에서 이벤트에 대해 자세히 알아보세요.