CFRP/CMC 가공의 효율성을 위한 워터젯, 레이저 융합

탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 및 세라믹 매트릭스 복합재(CMC) 재료가 항공기 엔진, 우주 부품 및 극초음속 응용 분야에서 확산됨에 따라 기계 가공은 정밀도와 효율성이 프로그램 결과를 변경할 수 있는 문제가 되었습니다. CFRP 및 CMC에 고신뢰성 및 고정밀 기능을 가공하려는 시도는 경도 및 마모성으로 인해 어려울 수 있으며, 결과적으로 느린 가공 속도, 재료 특성에 대한 바람직하지 않은 영향, 부품 사양 충족 불가능, 반복되는 공구를 포함한 높은 운영 비용 발생 교체.

이러한 문제를 해결하기 위해 이러한 고급 복합 재료를 가공하기 위한 다양한 레이저 기술이 개발되었습니다. 레이저는 효율성을 높이고 반복되는 도구 비용을 제거할 수 있는 잠재력을 제공하지만 생성된 열은 재료로 분산되어 미세 균열 및 재료 변경의 가능성이 있습니다. 레이저는 광선의 초점에서 절단하기 때문에 정확한 공차에 문제가 될 수 있는 V자형 절단이 생깁니다.

Synova(Duillier, Switzerland)가 개발한 Laser MicroJet 기술은 워터젯 내에 완전히 포함된 레이저 빔을 생성합니다. 레이저는 원칙적으로 광섬유와 유사하게 공기-물 계면에서 반사되는 반면 물은 절단 영역을 냉각시키고 절단에서 파편을 씻어냅니다. 기존 레이저와 비교하여 Laser MicroJet의 장점은 연소 또는 열 저하가 없고 더 부드러운 표면을 위한 더 적은 버, 직선형 절단 및 더 높은 정밀도를 포함합니다.

CW Laser MicroJet은 2017년 GE Aviation의 CMC 엔진 부품용 미국 노스캐롤라이나주 Asheville 생산 공장 투어에서 처음 접했습니다. 여기에서 LEAP 항공기 엔진용 CMC 슈라우드에 구멍을 가공하는 데 사용됩니다. GE Aviation의 CMC 생산 관리자인 Ryan Huth는 "이 기술은 구멍 직경에서 높은 수준의 정확도를 유지하는 데 도움이 됩니다. Huth는 "MicroJet은 기존 기계 가공으로 1시간이 아닌 2분 만에 이러한 구멍을 드릴할 수 있습니다"라고 말합니다. CW 의 자매지 Modern Machine Shop , Laser MicroJet에 대한 유익한 기사도 게시했습니다.

물과 빛의 힘

Synova는 1990년대 연방 공과 대학(EPFL, 스위스 로잔)에서 연구한 후 Laser MicroJet 기술에 대한 특허를 받은 Dr. Bernold Richerzhagen에 의해 1997년에 설립되었습니다. 이 기술은 2001년 반도체 웨이퍼 다이싱에 널리 채택되었습니다. 그 후 Synova는 2003년에 미국, 일본, 인도 및 한국에 현지 자회사를 설립했습니다. 현재 이러한 자회사는 마이크로머시닝 센터를 포함하도록 확장되었으며 대만과 중국으로 단기 확장이 계획되어 있습니다. 2009년 Synova는 Makino Milling Machine Co. Ltd.(일본 도쿄)와 협력 개발 파트너십을 구축하여 의료 기기, 시계 메커니즘, 가스 및 제트 엔진 터빈 블레이드, 반도체 기기의 가공을 위해 새로운 기계 시리즈를 도입하고 발전시켰습니다. 그리고 초경질 재료로 만든 절단 도구.

Laser MicroJet 시스템에서 레이저 빔은 가압 수실을 통과하여 노즐에 집중됩니다. 레이저는 10-200와트의 출력과 1,064(적외선), 532 또는 355나노미터의 파장을 갖는 일반적인 산업 유형인 고체 상태 Nd:YAG입니다. 직경 50-70 미크론의 머리카락처럼 얇은 제트가 200-650 bar의 낮은 압력에서 여과된 탈이온수에 사용됩니다. 그 결과 2-3L/hr 정도의 낮은 물 소비량과 0.1뉴턴 미만의 무시할 수 있는 힘이 재료에 가해집니다.

수중에서 효율적인 레이저 절제를 달성하는 방법은 무엇입니까? 미국의 Synova 비즈니스 관리자인 Jacques Coderre는 "레이저는 초당 대략 10,000번 펄스를 발생시킵니다. 각 레이저 펄스에 대해 물을 위로 밀어올리는 플라즈마가 생성되어 절제가 가능합니다. 펄스가 끝나면 플라즈마가 붕괴되고 이제 물이 표면을 청소하고 열을 발산시킵니다.” 그는 또한 워터젯이 건식 레이저 시스템에서 일반적으로 요구되는 레이저 초점을 유지하는 복잡성과 공정 변동을 제거한다고 말합니다. "이렇게 하면 초점이 맞춰지는 것에 대해 걱정할 필요 없이 두껍거나 평평하지 않은 부품을 절단할 수 있습니다."라고 Coderre는 말합니다. "또한 이 기술은 좁은 절단 폭으로 완벽하게 평행한 벽을 생성하는 원통형 레이저를 생성합니다."

복합 구성

Laser MicroJet은 CMC뿐만 아니라 CFRP 및 적층 라미네이트에서도 잘 작동합니다. 테스트 중에 최대 1,440mm/min의 속도로 2.6mm 두께의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 라미네이트에 직경 3mm의 구멍을 생성했습니다. "기존 레이저를 사용하면 열 때문에 속도를 줄여야 합니다."라고 Coderre는 말합니다. "기존의 밀은 비슷한 속도를 달성할 수 있지만 필요한 도구 교체로 인해 더 높은 운영 비용이 듭니다."

Laser MicroJet은 1인치 두께의 CMC 라미네이트를 절단할 수 있습니다. "속도는 1mm ³ 의 매우 일정한 절제율을 기반으로 합니다. /min,” Coderre가 관찰합니다.

Synova는 작년에 5축 CNC LCS 305 시스템을 도입하여 다양한 기계를 보유하고 있습니다. "이 기계는 고정밀 3D 절단에 탁월하며 작은 CMC 부품에 적합합니다."라고 Coderre는 설명합니다. "하지만 대형 CFRP 부품에는 적합하지 않습니다." 이를 위해 Synova는 2미터 x 3미터 이상의 부품을 가공할 수 있는 갠트리 기계에 Laser MicroJet을 통합했습니다. "또한 로봇과 통합하기 쉽고 프로그래밍하기 쉽습니다."라고 그는 덧붙입니다. 2D 절단의 경우 MicroJet 소프트웨어는 CAD 파일을 기계 코드로 변환합니다. 확인되면 작업자는 버튼을 누르기만 하면 기계가 절단 작업을 수행합니다. 3D 컷의 경우, Coderre는 포스트 프로세서가 CAD 파일에서 필요한 3D 데이터를 추출하여 Laser MicroJet용으로 포맷한다고 설명합니다.

Factory 4.0 기능을 위해 레이저 파워 미터, 포지셔닝 센서 및 자동 제트 각도 보정이 Laser MicroJet 시스템에 통합되어 있습니다. "매우 유연합니다."라고 Coderre는 말합니다. "독립형 시스템으로 또는 작업자가 필요 없는 대량 생산을 위한 완전 자동화 라인의 일부로 부품 생산에 쉽게 통합할 수 있습니다." 이 기술은 이미 LEAP 항공기 엔진용 CMC 부품에서 입증되었습니다. "복합재료의 경우 더 빠른 생산 속도, 감소된 운영 비용, 더 높은 신뢰성 및 더 높은 수율을 통해 달성된 더 낮은 제조 비용을 제공합니다." 이러한 효율성은 실제로 새로운 재료, 시장 및 경쟁력 있는 금속 기술이 계속 발전함에 따라 복합 재료에 필요한 것입니다.