열가소성 1차 공기 구조가 한 단계 더 나아갑니다

인성, 비교적 높은 면외 강도 및 지속 가능성/재활용성과 같은 열가소성 복합 재료의 유리한 특징은 항공기 디자인을 끌어들였습니다. 엔지니어들은 수십 년 동안 열가소성 복합 재료 기본 구조의 개념에 대해 연구해 왔습니다. 그러나 항공기 제조 엔지니어들은 CAD 시뮬레이션에서 생산 현장으로 발전시킬 수 있는 비용 효율적인 방법을 찾는 것에 대해 확신이 없었습니다. 그러나 그들은 제지되지 않았습니다. 필요한 제조 기술을 개발하기 위한 노력은 전 세계적으로 계속되었습니다. 아마도 네덜란드만큼 끈질긴 곳은 없을 것입니다.

통합 L 스트링거. Gulfstream을 위해 설계 및 제작된 GKN Fokker 탄소 섬유/PEKK 동체에는 도구를 해제할 수 있도록 약간 둔각을 가진 곡선형 세로 L-스트링거가 통합되어 있습니다. CW 사진 | 제프 슬론

2009년에 9개의 네덜란드 산업 회사 및 연구 기관이 Airbus(프랑스 툴루즈)와 함께 TAPAS(Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure) 컨소시엄을 구성했습니다. 이니셔티브는 2014년에 12개 파트너로 확장되었으며 TAPAS2로 계속되었습니다. GKN Fokker(네덜란드 Hoogeveen)는 TAPAS2에 따라 Airbus에서 개발한 애플리케이션을 대상으로 최근 열가소성 복합 동체 설계의 비용 효율적인 생산을 가능하게 하는 "맞대기 접합 오르토그리드 기술"을 사용하여 동체 시연기를 개발했습니다.

열가소성 복합 재료 1차 항공기 구조의 완전한 성과(아직 몇 년은 더 걸리지만)는 Gulfstream Aerospace(미국 조지아주 Savannah)가 GKN Fokker와 제휴하여 TAPAS2 동체 기술을 발전시켜 재료와 공정을 완전한 동체로 만듭니다. 새로 개발된 동체 패널(올해 초 JEC World에서 전시됨) 뒤에 숨겨진 이야기는 설계 및 제조 방법의 발전 중 하나이며 더욱 철저하게 통합된 설계-제조 엔지니어링 접근 방식입니다.

GKN Fokker의 수석 엔지니어 Andries Buitenhuis는 "전통적으로 디자이너는 직물을 사용하든 단방향 테이프를 사용하든 0도, 90도 및 45도 방향의 기존 레이어를 고수했습니다. 그들은 다른 분야와 상관없이 플라이 레이업 테이블에서 작업할 것입니다.” 새로운 접근 방식은 다양한 분야의 엔지니어가 모두 동일한 디지털 모델을 보고 더 복잡한 부품 설계를 개념화할 수 있는 통합된 디지털화된 설계-제조 소프트웨어 플랫폼(TAPAS를 통해 개발됨)입니다. "이것은 전례 없는 최적화 가능성의 완전히 새로운 세계를 열어줍니다"라고 Buitenhuis는 계속합니다. “복잡한 모양에서 섬유 방향은 도처에 있을 수 있습니다. 우리는 틀에 박힌 라미네이트를 제작하고 허용 가능한 설계, 제조 간극 및 겹침, 반경 등을 새롭게 살펴볼 수 있습니다. 그리고 구조의 강도를 국부적으로 최적화할 수 있습니다.” 이러한 확장된 설계 옵션은 AFP(자동 섬유 배치) 기계의 섬유 조정 기능과 아래에서 설명하는 기타 제조 기능의 발전을 더욱 완벽하게 활용합니다.

이 통합 디지털 시스템이 제공하는 설계 자유는 비즈니스 제트 패널의 설계 및 제조에 필수 불가결한 것으로 입증되었습니다. TAPAS2 동체 설계에서 탄소 섬유/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 패널(Solvay의 APC PEKK-FC로 제작)은 용접된 패스너가 없는 프레임 대 스킨 조인트를 특징으로 하며 이는 설계 비용 효율성에 필수적인 기여입니다. GKN Fokker의 열가소성 복합 재료 기술 책임자인 Arnt Offringa는 "알루미늄 동체 쉘로 비용 동등성을 달성할 것으로 예측합니다. 이는 알루미늄 쉘이 리벳으로 고정되어 있기 때문입니다."라고 설명합니다. 기계적 패스너를 제거하면 기존 복합재 솔루션에 비해 비용이 20%, 항공기 기본 구조가 10% 감소할 것으로 예상됩니다. 물론 비용과 무게 절감의 상당 부분은 패스너 자체의 제거와 이를 설치하는 인건비에서 비롯됩니다. 또한 패스너를 수용하기 위해 복합 부품에서 구멍을 제거하는 것이 매우 중요합니다. 구멍은 보강이 필요하므로 무게가 추가되어야 합니다.

GKN Fokker는 2017년 12월 TAPAS2에 따라 가압 동체에 대해 Airbus와 함께 기술 준비 수준(TRL) 3(개념 증명)에 도달하여 알루미늄 동체 패널과의 비용 동등성을 시연했습니다. 그 과정에서 GKN Fokker 팀은 이 열가소성 수지에 대한 비전을 확장했습니다. 상업용 여객기에서 비즈니스 제트기 애플리케이션에 이르기까지 동체 기술.

Gulfstream의 관심

열가소성 복합 부품에 대한 Gulfstream의 성공적인 작업에 대한 GKN Fokker의 역사는 비즈니스 제트기 제조업체와 파트너십을 논리적으로 다음 단계로 만들었습니다. Gulfstream의 ASMI(Advanced Structures and Materials Initiative) 관리자인 Mark Chapman은 "Gulfstream이 수년 동안 열가소성 복합 재료 부품을 비행해 왔다는 것은 널리 알려져 있습니다. 그는 동체 패널 프로젝트가 "단순한 부품에서 시작하여 주요 구조 부품으로 이동하면서 우리가 해온 것에서 자연스러운 진행"이라고 덧붙였습니다. GKN Fokker는 G650의 플로어 패널뿐만 아니라 테일 엘리베이터 및 방향타를 포함한 수많은 열가소성 복합 2차 구성요소의 개발에서 Gulfstream과 파트너 관계를 맺었습니다.

2015년에 Offringa와 Buitenhuis는 TAPAS2 프로젝트 개발을 Gulfstream에 발표했으며 Chapman과 그의 팀은 TAPAS2 결과의 이점을 얻을 수 있는 가능성을 인식했습니다. Chapman은 "우리는 잠재적인 무게 감소 이점, 더 나은 내충격성 및 인성, 향상된 성능을 보았습니다."라고 회상합니다. 패스너가 없는 디자인도 매력적입니다. Chapman은 "용접 기술을 사용하면 기계적으로 고정된 어셈블리보다 동체를 더 효율적으로 조립할 수 있습니다."라고 말합니다.

GKN Fokker와의 파트너십은 금속 구조로 생산하는 것이 경제적으로 불가능할 수 있는 보다 복잡한 동체 모양에 대한 Gulfstream의 연구 및 개발을 지원합니다. Chapman은 “지금까지는 금속을 늘이기만 하면 됩니다. "복잡한 형상에 필요한 접합 및 지지 구조는 그다지 효율적이지 않습니다." Offringa는 "이러한 복잡한 형상은 기존 기술로 제조하기 어렵습니다."라고 동의합니다.

설계 및 제조 결합

패스너가 없고 생산 가능한 설계를 달성하기 위해 GKN Fokker의 접근 방식은 동체 조인트가 받는 두 가지 주요 힘인 캐빈 압력과 도구 낙하와 같은 충격을 견디는 데 중점을 둡니다. 캐빈 압력은 동체에 반경 방향 힘을 가하여 프레임과 스킨 조인트에 높은 하중을 생성합니다. 기존 설계에서 동체 프레임에는 세로 스트링거가 통과하는 "마우스 구멍"이 있습니다. 캐빈 압력 하에서 이러한 마우스 구멍은 높은 박리력에 영향을 받는 불연속적인 역할을 합니다. 이는 금속에 비해 복합 재료의 면외 강도가 낮기 때문에 패스너가 없는 설계의 주요 관심사입니다. 프레임이 충격을 받을 때 구부러지지 않기 때문에 충격은 또한 프레임과 피부 연결부에 높은 하중을 생성합니다.

이중 곡률. 열가소성 합성물 동체 패널은 표면의 섬유 조종 AFP 레이업 및 직교 격자의 공동 통합을 통해 Gulfstream 비즈니스 제트 후미 동체의 복잡한 형상을 수용합니다. 나중에 프레임에 용접되는 원주형 블레이드 스트링거에 유의하십시오. 출처 | GKN 포커

GKN Fokker/Gulfstream 팀은 복잡한 곡률로 인해 발생하는 문제를 금속이나 기존 복합재 설계-제조 접근 방식으로 해결하는 것이 불가능하다는 것을 알고 있었습니다. 특히 뷰텐하우스는 “파이버 스티어링 없이는 복잡한 동체 설계가 불가능했을 것”이라고 지적했다. AFP 기계의 이러한 기능은 설계자가 쉘의 복잡한 모양에 따라 국부적으로 섬유 배향을 최적화하고 표준 0/45/90 섬유 배향 옵션에서 벗어날 수 있게 해주었습니다. Chapman은 "모양과 무게 최적화를 위한 섬유 조정은 이 프로젝트의 가장 중요한 발전 중 하나입니다."라고 믿습니다.

GKN Fokker는 신속한 열가소성 테이프 레이업을 위해 개발한 초음파 AFP 기계에서 동체 패널의 스킨을 만들었습니다. 테이프는 단방향이므로 패브릭 테이프에 비해 라미네이트 성능도 향상됩니다.

캐빈 압력과 충격력에 의해 생성되는 고하중 및 기타 성능 요구 사항을 성공적으로 처리하는 TAPAS 및 TAPAS2에서 개발된 새로운 개념은 현재 Gulfstream 패널에 사용됩니다. 용접된 프레임이 있는 피부." 이 설명을 풀면 (1) 직교 격자, (2) 맞대기 접합부 및 (3) 용접 기술의 세 가지 주요 설계 기능과 이를 구현하는 데 필요한 제조 개발이 강조됩니다.

직교 그리드

패널의 강도 요구 사항은 완전히 상호 연결된 직교 그리드 보강을 통해 부분적으로 충족됩니다. 이 직교 격자는 마우스 구멍과 관련된 최대 하중을 제거하여 박리력이 확대되는 지점의 디자인을 제거합니다. Orthogrid는 연속적인 세로 스트링거와 두 개의 별개 구성요소로 구성된 프레임으로 구성됩니다. 불연속적이지만 연결된 원주방향 블레이드 스트링거와 이들 위에 용접된 프레임입니다.

비용 효율적인 맞대기 접합부. GKN Fokker는 스트링거 웹 및 캡(여기서는 T 스트링거, Gulfstream 패널은 같은 기술을 사용하는 L 스트링거). 출처 | GKN 포커

따라서 이것은 수년간의 직교 개발 기간 동안 진화한 동체 보강재 설계의 새로운 세대를 나타냅니다. 처음에 GKN Fokker는 세로 및 원주 부재의 캡이 연속적이고 모서리에서 겹친 T 스트링거를 사용했습니다. 그러나 프레임과 결합하려면 원주 캡을 제거해야 했습니다. 따라서 T 스트링거는 L 스트링거가 되었고 프레임은 프레임이 있는 원주형 블레이드 스트링거가 된 다음 용접되었습니다.

길이 방향과 원주 방향 모두에 사용되는 곡선형 스트링거는 도구 해제를 훨씬 더 어렵게 만들기 때문에 또 다른 수정이 필요합니다. 따라서 L 스트링거는 90도 이상의 캡-웹 각도로 설계되어 도구 조각이 스트링거 그리드에서 항상 옆으로 미끄러질 수 있습니다.

맞대기 접합부

GKN Fokker는 직교 격자 설계뿐만 아니라 격자와 표피 결합 메커니즘에 대한 새로운 제조 접근 방식을 개발했습니다. Offringa는 "그리드를 제작하는 데 엄청나게 비용이 많이 들 수 있지만 우리 그리드는 평평한 라미네이트와 간단한 사출 성형 '충전재'로 구성되어 있습니다."라고 말합니다.

보다 구체적으로, GKN Fokker는 특허받은 맞대기 접합 기술을 Gulfstream 패널(이전 TAPAS 패널에도 적용)에 적용했습니다. 블레이드 스트링거 구성요소뿐만 아니라 T 또는 L 스트링거 구성요소의 웹 및 캡은 평평한 탄소 섬유/PEKK 라미네이트에서 워터젯 절단된 프리폼으로 제작됩니다. 결합 요소(스킨 대 웹 및 웹 대 캡)는 단섬유 탄소/PEKK 재료로 만든 사출 성형된 파이 모양 필러입니다. 수지 및 탄소 섬유 유형 모두 그리드 부재의 유형과 일치합니다.

스킨과 직교 격자는 Invar 내부 몰드 라인(IML) 도구에서 함께 통합됩니다. 이 도구에는 직교 구성요소와 도구 블록이 로드되는 홈이 있습니다. 그런 다음 AFP로 형성된 스킨을 IML 위에 놓고 전체 어셈블리를 백에 담아 오토클레이브에서 통합합니다.

용접

자동 용접. 열가소성 합성물 동체 패널의 경제성에 기여하기 위해 GKN Fokker는 로봇 용접 기술을 개발하고 사용했습니다. 출처 | GKN 포커

직교 격자와 맞대기 접합 설계의 조합으로 용접을 통해 직교 격자와 프레임을 패스너 없이 결합할 수 있습니다. 유도, 전도 및 초음파 용접 기술을 포함하여 TAPAS2 단계에서 TAPAS 팀원이 여러 용접 기술을 개발했습니다. Gulfstream 패널은 프레임 웹을 원주형 블레이드 스트링거에 결합하기 위해 전도 용접을 사용했습니다. 이 작업은 로봇에 장착된 용접 헤드로 수행되며 비용 효율적인 제조 가능성에 기여하는 또 다른 개발입니다.

여러 단계 중 한 단계

GKN Fokker는 2017년 Gulfstream과의 협력을 시작하여 동체 패널의 디자인 개념을 만들었습니다. 2018년과 2019년에 여러 곡면 패널의 설계 및 제작이 이어졌으며 올해 JEC World에서 이정표의 첫 번째 패널 시연자가 전시되었습니다.

완성된 구성요소. 원주형 블레이드 스트링거에 용접된 프레임 요소가 있는 Gulfstream 동체 패널은 회사가 열가소성 합성물 동체 생산을 위해 노력함에 따라 테스트, 평가 및 지속적인 개발을 위한 준비가 되었습니다. 출처 | GKN 포커

GKN Fokker는 계속해서 패널을 구축하고 있으며 올해 말에 TRL4(구성 요소 검증)를 달성할 것으로 기대하고 있습니다. Offringa는 "현재 완전한 성숙으로 가는 방법에 대해 논의하고 있습니다."라고 보고합니다. 패널 디자인이 특정 플랫폼을 대상으로 하지 않는다는 점을 지적하면서 Chapman은 패널 테스트가 재료 속성 및 성능에 대한 Gulfstream의 이해를 심화하는 데 도움이 될 것이라고 보고합니다. 제트의 성능, 제조 비용, 사용 비용 및 내구성을 포함한 열가소성 복합 1차 구조에 대한 광범위한 비즈니스 사례와 관련하여 Chapman은 다음과 같이 말했습니다. 현재로서는 이러한 복잡한 모양을 비용 효율적으로 만드는 데 중점을 두고 있습니다.”