비용 효율적인 CFRP 항공 구조의 연속 생산을 위한 HP-RTM

약 10년 전 수지 전사 성형(RTM)이 고압 RTM(HP-RTM)으로 전환되기 시작했을 때, 이 기술은 주로 자동차 응용 분야에서 찬사를 받았으며 복합 부품 사이클 시간을 몇 시간에서 2분 미만으로 단축했습니다. 이 기술을 항공우주 부품에 적용하는 것에 대해서는 거의 언급되지 않았습니다. 항공기 산업은 수천 개의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 팬 블레이드 및 상업용 항공기 엔진용 격납 케이스를 생산하는 데 사용하는 것을 포함하여 기존 RTM과 함께 오랜 역사를 가지고 있습니다. Airbus는 RTM을 사용하여 Airbus A320용으로 7미터 길이의 일체형 복합 다중 날개 플랩의 프로토타입을 만들기까지 했습니다. 그러나 몇 시간에 걸친 공정으로 이루어진 이러한 경험을 몇 분 만에 합성 항공기 부품의 완전 자동화 성형으로 전환할 수 있습니까? 몇몇 핵심 선수들은 그것이 가능하다고 말합니다.

여기에서 명확성을 위해 LP-RTM이라고 하는 기존 RTM은 일반적으로 10-20bar의 사출 압력을 사용합니다. 반면 HP-RTM은 30~120bar의 사출 압력을 사용합니다.

직렬 합성물용 혁신적인 툴링 시스템 공급업체인 Alpex Technologies(오스트리아 밀스 소재)의 연구 개발 책임자인 Bernhard Rittenschober는 "우리는 10년 전 EU 자금 지원 프로젝트를 통해 동체 프레임 제조를 통해 항공 우주 RTM 처리 작업을 시작했습니다. 부품 생산. "당시 [에어버스] A350의 많은 부품이 RTM으로 만들어질 것이라는 예측이 있었지만 실현되지 않았습니다." 그러나 Alpex는 이 기술에 대한 작업을 계속했으며 자동차 및 항공우주 산업의 공급업체로서 이 두 산업에서 사용되는 프로세스를 병합할 수 있는 방법을 살펴보기 시작했습니다. "아이디어는 항공우주에서 인증된 [Hexcel] RTM6 에폭시 수지를 사용하는 것이지만, 자동차 툴링 모범 사례와 더 짧은 사이클 시간을 위한 자동화 사출 시스템을 갖춘 것이었습니다."라고 Rittenschober는 설명합니다.

그 결과 Alpex가 파트너인 Airbus Helicopters(독일 도나우워스 시설), 장비 공급업체인 KraussMaffei(독일 뮌헨), 시험 전문가인 Aerospace and Advanced Composites와 함께 오스트리아 정부의 자금 지원을 받아 TAKE OFF라는 2013-2015년 연구 프로그램이 탄생했습니다. (AAC, Wiener Neustadt, Austria) 및 수지 공급업체 Hexcel(Stamford, Conn., 미국). 이 프로그램은 HP-RTM이 A350 도어 프레임의 비용을 30% 절감하고 2액형(2K) 수지 시스템 사용, 인몰드 센서를 통한 지능형 주입 및 경화 모니터링을 포함한 상당한 기술 개발을 가져왔다는 것을 입증했습니다. 부품 주기 시간을 추가로 줄이는 능력. Alpex는 개발을 계속했으며 현재 CFRP 생산 문제를 극복하는 데 도움이 되는 이 HP-RTM 기술의 잠재력을 보고 있습니다.

이러한 관점을 지원하기 위해 Airbus Operations GmbH의 자회사인 CTC(Composites Technology Center)도 10년 동안 자동화된 RTM을 개발해 왔으며, 처음에는 LP-RTM을 사용하다가 약 5년 전에 HP-RTM으로 전환했습니다. (CompositesWorld 2016년 시설 견학 중 CTC의 KraussMaffei HP-RTM 기계 및 개발 작업에 대해 언급했습니다.) "HP-RTM은 반응성이 높은 수지를 사용할 수 있는 고속 혼합으로 인해 사출 및 경화의 병목 현상을 해결합니다."라고 Jan Schiller는 설명합니다. 생산 시스템의 CTC 프로젝트 리더이자 RTM 기술의 리드 담당자입니다. "우리는 20분의 사이클 시간에 우주 항공 요구 사항(예:섬유 부피 60% 및 공극 2% 미만)을 충족하는 1-2미터 크기의 다소 복잡한 형상 부품을 생산하는 프로세스를 개발했습니다." 그는 작년에 Airbus 공급업체를 방문하고 논의한 후 HP-RTM으로 전환할 여러 부품이 확인되어 A320 항공기의 더 높은 생산 속도를 가능하게 했다고 덧붙였습니다. "우리는 현재 이들에 대한 특정 처리를 개발 중이며 올해 연속 생산을 위해 노력하고 있습니다."

HP-RTM A350 도어 프레임

Alpex의 개발은 SPARTA라는 프로젝트를 통해 오스트리아의 TAKE OFF 프로그램을 통해 완료되었습니다. "Airbus Helicopters가 부품을 선택했습니다."라고 Rittenschober는 회상합니다. “이 도어 프레임은 문이 열린 상태로 A350에 들어서면 보이는 것입니다. 높이 약 2m, 너비 200~250mm, 두께 8~10mm로 1차 구조인 조립 문의 다양한 요구 사항을 충족하는 복잡한 모양과 디자인 기능을 갖추고 있습니다.” A350 도어는 LP-RTM을 사용하여 독일 Donauworth에 있는 Airbus Helicopters에서 만든 14개의 부품으로 구성됩니다. SPARTA를 위해 선택한 프레임은 도어의 가장 까다로운 부품 중 하나입니다. "HP-RTM을 표준 항공우주 LP-RTM과 직접 비교할 수 있기 때문에 좋은 시연 부분입니다."라고 Rittenschober는 덧붙입니다.

Alpex는 현재 Airbus Helicopters에서 A350 도어 프레임 생산에 사용되는 LP-RTM 도구를 설계 및 제작했습니다. HP-RTM 도구의 설계 및 구축을 위해 더 많은 자동차 사고방식을 적용할 것입니다. "우리의 목표는 항공우주 복합 부품 생산에서 자동차 유형의 자동화를 가능하게 하는 것이었습니다."라고 Rittenschober는 말합니다. "이것은 Airbus가 더 많은 복합 부품으로 월 60~100대의 항공기를 생산하는 미래의 A320을 제작하려는 경우 필요합니다."

그는 계속해서 “ 우리는 부품과 공정을 단순화하여 주기 시간을 단축하기 위해 적극적으로 노력한 BMW용 금형을 생산하는 과정에서 왔으며 Airbus는 이전의 항공 우주 복잡성에서 비롯되었습니다. 예를 들어 우리가 시작했을 때 Airbus Helicopters는 이 금형에 몇 개의 부품이 포함될 것인지 물었습니다.” 현재 LP-RTM 도어 생산에는 복잡한 다중 부품 도구가 포함되었습니다. Rittenschober는 "HP-RTM 도구에는 상단 금형과 하단 금형이 하나씩만 있을 것이라고 설명했습니다."라고 말합니다.

따라서 Alpex는 간단한 금형 설계로 시작한 다음 더 강력하고 유연하게 처리할 수 있는 기능을 추가했습니다(예:자동차 대량 생산에 사용되는 밀봉 시스템). "또한 모든 센서가 금형에 통합되어 있습니다."라고 그는 말합니다.

예비 성형 및 프로세스

현재 A350 도어 프레임에 사용되는 프리폼은 직조된 소재를 사용하고 여러 단계의 부피 축소 단계를 거쳐야 하므로 생산 주기가 3일입니다. Rittenschober는 "대신 비압축 직물(NCF)을 사용하기로 결정했습니다. “이는 가격과 주기 시간을 크게 떨어뜨립니다. 우리는 또한 Hexcel 인증 직조 프리폼을 사용하여 일부 부품을 시연하게 되었지만 SGL 및 다른 업체가 개발한 직조 직물에서 테이프 및 NCF와 같은 저렴한 형태로 개발하면서 항공 우주 이외의 복합 산업에서 전환을 목격했습니다."

사출 지점과 섬유 세척 관련 문제에 대해 질문을 받았을 때 Rittenschober는 HP-RTM 도구에 사출 지점이 하나뿐이지만 프리폼이 클램핑되어 금형에 고정되어 매우 안정적이기 때문에 섬유 세척이 없다고 설명합니다.

또 다른 요점은 Alpex가 현재 Airbus Helicopters에서 사용하는 1액형 RTM6 대신 2액형(2K) 수지 시스템을 사용하기로 선택했다는 것입니다. Rittenschober는 2K 시스템이 더 반응성이 뛰어나 HP-RTM에 더 적합하며 사전 혼합되지 않고 위험 물질 운송이 필요하지 않기 때문에 비용을 절감할 수 있다고 주장합니다. 그러나 180°C의 더 높은 온도가 필요합니다. "120°C에서 처리하는 데 더 익숙했기 때문에 이것은 우리에게 가장 어려운 부분이었습니다."라고 Rittenschober는 말합니다.

KraussMaffei는 독일 뮌헨에 있는 경량 기술 센터에 자동화된 고압(최대 80bar/1,100psi) 혼합, 계량기 및 주입 기능이 있는 RimStar Compact HP-RTM 시스템의 완성된 툴링을 설치했습니다. 그런 다음 20개의 데모 부품을 만들었습니다. Rittenschober는 기본 프로세스를 설명합니다. 80°C에서 주입, 120°C로 상승, 1시간 동안 유지, 180°로 상승 및 90분 경화 동안 유지, 하강(2°C/분) 및 탈형. "사출은 20초밖에 걸리지 않지만 총 성형 주기는 약 4시간입니다."

주기 시간 및 비용

SPARTA 도어 프레임의 긴 경화 주기는 Airbus 인증을 받은 Hexcel RTM6 수지 배합 및 가공에 의해 주도됩니다. Rittenschober는 "열 응력을 제거하고 기계적 특성을 보장하기 위해 진공 상태에서 추가로 후경화하여 180°C에서 30분의 경화 주기를 달성할 수 있었습니다."라고 덧붙이며 특성이 상당히 우수했으며 LP와 견줄만하다고 덧붙였습니다. -RTM 부분.

Rittenschober는 "우리는 프로세스를 사용하고 더 많은 부품 볼륨에 대해 생산을 자동화할 수 있음을 보여주었습니다. "주형에 주입하고 경화한 다음 프레스에서 후 경화할 수 있습니다." 그는 이를 위해서는 추가 도구 세트가 필요하지만 하나의 프레스 및 사출 장치만 필요하다는 점을 인정합니다. "이 시스템을 사용하면 부품 비용을 700유로까지 절감할 수 있으므로 생산량도 많지 않은 연간 500~1,000개의 부품 생산 속도로 장비 비용을 쉽게 지불할 수 있습니다."

CTC 프로세스 개발 및 시연자

도구 및 프로세스는 제쳐두고 HP-RTM 도어 프로젝트에는 광섬유 형식의 혁신적인 사용도 포함되었습니다. "우리는 이미 Airbus의 인증을 받은 직물로 시작했고 매우 성공적이었습니다."라고 Schiller는 회상합니다. "그런 다음 우리는 NCF와 더 혁신적인 직물을 계속 사용했습니다." 후자는 건식 섬유 배치 및 인성 증가를 위한 스프레드 토우 층과의 인터리핑을 포함하지만, 후자는 섬유 및 층의 빡빡한 패킹에 문제가 있어 투과성이 불량하고 수지 침투를 방해합니다. "투과성을 향상시키기 위해 특수 섬유를 사용한 NCF와 같이 이를 해결하기 위한 개발도 있습니다."라고 그는 덧붙입니다.

HP-RTM에 대한 압력과 관련하여 Schiller는 프로세스 사용 결정이 높은 프로세스 압력보다 폴리우레탄 산업의 혼합 기술에 의해 주도되었음을 강조합니다. "우리는 반응성이 높은 수지를 잘 혼합하기 위해 HP-RTM을 사용하고 있습니다."라고 그는 설명합니다. “금형에 더 높은 압력이 있을 수 있지만 이는 빠른 사출의 2차 효과입니다. 사이클 타임이 2분인 자동차 부품의 경우 우리보다 훨씬 빠르게 건조 프리폼에 수지를 침투시켜야 합니다. 15분의 경화 시간은 수지 침투에 더 많은 시간을 허용하고 금형의 압력도 낮춥니다."

한편 프레스 톤수는 부품 크기에 따라 다릅니다. Schiller는 "최대 2미터 크기의 부품을 만드는 것은 잘 작동하지만(약 1,500톤) 4~6미터 크기의 부품은 프레스 투자가 매우 높기 때문에 비즈니스 사례를 계산해야 합니다"라고 말합니다. CTC는 2018년 JEC World에서 모든 가능한 항공우주 1차 구조를 나타내는 1.5미터 x 0.5미터 CFRP 리브를 전시했습니다. 또한 2019년 말에 더 높은 톤의 프레스를 받게 됩니다.

2K 수지 및 센서 기반 QA

Schiller는 이전의 모든 RTM 항공기 구조가 공급업체가 혼합한 1K 시스템만 사용했으며 공급업체는 혼합물을 인증하고 수지가 자격 요건을 충족하는지 확인하는 책임을 지는 것을 관찰했습니다. "이제 우리는 2K 시스템을 고려하고 있지만 문제는 믹싱 품질을 보장하는 것입니다."라고 그는 설명합니다. 사전 혼합된 1K 시스템은 부품 처리까지 반응을 방지하기 위해 저온 운송 및 보관이 필요합니다. 따라서 2K 시스템의 장점은 이 비용을 없애고 더 빠른 처리를 위한 더 높은 반응성을 포함합니다. 그러나 한 가지 문제는 품질 보증(QA)이 수지 공급업체에서 부품 제조업체로 이전된다는 것입니다. "이 QA는 혼합 비율 및을 감지해야 합니다. 혼합 수지 품질. 두 가지 모두 Airbus가 신소재를 인증하는 데 필요합니다. 따라서 이것은 혼합 직전의 두 성분과 혼합 후 수지의 측정을 의미합니다. 오늘날 우리는 믹스 헤드 앞에 센서가 있어 믹스에 얼마나 많은 수지와 경화제가 계량되는지 보여줍니다. 이것은 자격을 갖추기에 충분하지 않습니다.”

한편, Alpex는 Airbus가 요구하는 100% 적절하게 혼합된 수지의 검증을 제공하기 위해 인라인 품질 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. "우리는 이 개발 초기부터 Netzsch 인몰드 센서와 함께 작업했습니다."라고 Rittenschober는 말합니다. “이제 Netzsch가 Kistler(스위스 빈터투어)와 파트너 관계를 맺었으므로 새로운 기술을 사용할 수 있습니다. 금형에 포함된 단일 센서에서 온도, 압력 및 수지 경화를 모니터링할 수 있습니다."

"Alpex는 인몰드 센서를 사용한다고 말하고 혼합/사출 장비 공급업체는 센서가 자신의 시스템입니다.”라고 Schiller는 말합니다. "둘 다 맞다." 그러나 그는 후자에서도 개선이 필요하다고 지적합니다. Schiller는 "자동차 HP-RTM에서 수지 혼합 비율은 전체 프로세스에서 측정되므로 평균입니다."라고 설명합니다. “하지만 주입 중 마지막 0.5초 동안에도 혼합 비율이 항상 정확하다는 것을 알기 위해 프로세스 중 모든 개별 지점에서 이 측정이 필요합니다. 측정 시스템에서 더 나은 시간 분해능이 필요합니다.” Schiller는 믹스 헤드 앞, 믹스 헤드 내부 및 및 내부에 센서가 필요할 것이라고 제안합니다. 금형에서. “우리는 항공우주 응용 분야에서 2K 수지를 평가하는 것과 동시에 이 QA 개발을 진행하고 있으며 기계 공급업체와 함께 충분한 해상도를 약속하는 센서 시스템을 식별했습니다. 올해 안에 검증될 것입니다.”

Alpex는 또한 Aerospace &Advanced Composites(AAC, Wiener Neustadt, Austria)에서 개발한 새로운 하이브리드 다기능 압전 센서를 시험하고 있습니다. 위치 RTM 금형에서 압력 센서 역할을 하여 금형의 수지 흐름 선단을 모니터링합니다. 프리폼이 수지로 함침되고 경화가 시작되면 센서에서 임피던스 스펙트럼의 변화를 사용하여 경화 정도를 결정합니다. 경화가 완료되면 압전 센서는 음향 방출 센서와 같은 수동 모드 또는 유도 초음파를 사용하는 능동 모드에서 구조적 상태 모니터링에 사용할 부품 표면에서 동시 경화됩니다. 완성된 부품의 충격과 손상을 모니터링하는 것으로 입증되었습니다.

이 프로세스 데이터는 인더스트리 4.0 지능형 생산 시스템에 의해 분석되어 품질과 효율성의 추가 개선을 위한 경로를 식별할 수 있습니다. 이 프로세스 데이터는 각 부품의 디지털 트윈에 대해서도 기록될 수 있습니다.

미래 잠재력

Rittenschober는 HP-RTM 기술의 유일한 진짜 장애물은 인증이라고 말합니다. Schiller는 누가 1위가 될 것인지를 찾는 것이 항상 장애물이라는 데 동의하지만, 그는 또한 지난 한 해 동안 많은 부분에 대한 비즈니스 사례를 계산했습니다. “1년에 200개의 부품을 생산한다는 것은 말이 되지 않습니다. 그러나 예를 들어 A320의 부품의 경우 매력적입니다. 매달 우리는 A320 프로그램에 대한 더 높은 목표 비율을 봅니다. 이러한 부품의 대부분은 1980년대에 설계되었으며 수동으로 생산되므로 HP-RTM을 사용하여 훨씬 더 효율적으로 쉽게 만들 수 있습니다.”

CTC에서 입증한 20분의 부품 주기 시간을 통해 HP-RTM은 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기 시장에서도 매력적일 수 있습니다. 우버.

Alpex는 계속해서 다양한 RTM 발전을 개발할 것이라고 Rittenschober는 말합니다. "우리는 HP-RTM이 CFRP 항공 구조의 보다 비용 효율적이고 산업화된 생산을 통해 일부 문제를 해결하는 데 도움이 될 실질적인 잠재력이 있다고 믿습니다." Schiller는 많은 대상 A320 애플리케이션에 대해 선박 세트당 수많은 CFRP 부품이 있다는 점에 동의합니다. “따라서 보다 효율적인 프로세스의 이점이 축적되기 시작합니다. 프로덕션에서 첫 번째 애플리케이션을 얻을 수 있다면 다른 애플리케이션도 있을 것입니다.”