복합소재를 혁신하여 새로운 시장 개척

회사의 기반은 필라멘트 와인딩이지만, CompoTech는 핀 기반 와인딩, 오버와인딩, 혁신적인 툴링 및 재료 개념을 통해 이 프로세스를 새로운 애플리케이션으로 밀어 넣었습니다. 그 결과 금속 및 3D 프린팅 및 자체 버전의 AFL(자동 섬유 부설)과 같은 제조 방법을 사용하여 하이브리드화를 통해 종종 새로운 수준의 성능을 달성하는 공정의 유동성이 생깁니다.

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CompoTech는 부품을 생산합니다. 산업 장비(진공 그리퍼 어셈블리, 상단 왼쪽) 및 농업 장비(스프레이 붐, 상단 오른쪽)를 포함한 광범위한 적용을 위해 체코 공화국 Sušice에 있는 시설(하단). 출처:Bilsing Automation(그리퍼, 왼쪽 상단), Hardi International(스프레이 붐, 오른쪽 상단) 및 CompoTech.

CompoTech(체코, Sušice)는 각각 현재 회사의 R&D 이사 및 기술 이사인 Ondrej Uher와 Vitek Sprdlik에 의해 1995년에 설립되었습니다. CompoTech 사업 개발 이사인 Humphrey Carter는 "그들은 원래 0° 섬유의 축 방향 감기에 대한 자체 기술을 통합한 카약 및 카누 패들 샤프트를 생산하기 위한 필라멘트 와인딩 머신을 제작했습니다."라고 설명합니다. “이제 핵심 역량입니다. 우리는 이 구조가 섬유 좌굴에 대한 저항성이 더 높고 더 강하고 단단한 구조를 생성한다는 것을 보여주었습니다.”

이 회사는 또한 연결을 위한 통합 복합 후프를 감는 기능을 개발했습니다. 행글라이더 스파부터 구동축 및 산업용 부품에 이르기까지 부품에 사용됩니다. Carter는 "CompoTech는 기계와 제어 소프트웨어를 설계합니다. “프로세스를 완전히 제어할 수 있기 때문에 설계를 더 잘 최적화할 수 있습니다. 우리는 설계 기준에 맞는 공정 기술을 개발하고 이를 기술 파트너와 복합 재료 설계자 및 생산자에게 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 Southern Spars/North Marine Group에 이 기술을 라이선스했습니다.”

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CompoTech 권선 섬유 구조물을 생산하기 위한 핀 주변(왼쪽)
통합 커넥터 포함(오른쪽). 출처:CompoTech

공작기계 설계

현재 이 회사는 약 50명의 직원을 고용하고 있으며 거의 ​​절반이 설계 및 엔지니어링 분야에 있습니다. 또한 프라하의 체코 공과 대학(CTU) 및 웨스트 보헤미아 대학(체코 공화국의 필젠)과도 긴밀한 관계를 맺고 있습니다. CompoTech는 농업용 스프레이 장비용 붐, 윈드 블레이드 팁용 샤프트, 자전거 프레임 및 휠, 자동차 조립 그리퍼용 튜브 및 프레임, 레이저 절단기 및 CNC 기계용 경량 갠트리 구성요소를 포함하여 광범위한 응용 분야를 위한 복합 솔루션을 개발했습니다.

Carter는 "우리는 체코 공화국에 널리 퍼져 있기 때문에 산업 및 공작 기계 부문에서 2000년대 초반부터 일해 왔습니다."라고 설명합니다. “이것은 합성물을 모르는 매우 보수적인 산업입니다. 그래서 공작기계 전시회에 가서 교육을 시키죠.” 해당 업계는 밀링 톱니와 같은 절삭 표면과 가속 부품의 진동이 가공 정확도와 공구 수명을 감소시킨다는 사실을 이미 알고 있습니다. CompoTech는 절삭 공구의 고조파(질량, 강성 및 적용된 하중/힘에 따른 진동)가 종종 성능과 생산성을 제한하는 요소라고 설명합니다. 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)이 기계 및 공구 홀더의 구조에 사용되어 강철에 비해 질량을 줄이고 강성을 높일 수 있다는 사실은 잘 알려져 있지 않습니다. 피치 섬유를 사용하여 CompoTech는 각각 25%의 무게 감소와 200%의 강성 증가(단방향 섬유로 400GPa 달성)를 보고합니다. 이것은 구조의 고유 진동수를 높이고 공진을 방지하는 두 가지 주요 방법입니다. 이것은 구조가 자체적으로 진동할 때 이미 진동하기 쉬운 회전 부품 및 가변 속도 기계의 문제를 악화시킵니다.

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CompoTech는 CFRP를 사용합니다 무게를 줄이고 강성을 높이기 위한 추가 댐핑 재료와 진동을 방지하기 위해 강철에 비해 댐핑. 그들의 기술은 또한 공작 기계의 드리프트를 줄여 가공 성능과 생산성을 향상시킵니다. 출처:CompoTech

Carter는 "CFRP에 우리 공정을 사용하면 열 응력을 덜 유발하기 때문에 고압 증기 멸균 복합 재료에 비해 공작 기계 드리프트도 감소합니다."라고 덧붙입니다. “공구 홀더는 설계 및 재료 구성에 따라 시간이 지남에 따라 변경될 수 있는 길고 가는 빔인 경우가 많습니다. 그러면 도구의 상대적 위치에 영향을 주어 정확도가 떨어집니다.”

감쇠의 경우 CompoTech는 섬유 및 폴리머 복합 재료의 고유한 특성을 넘어 다른 재료의 포함을 개척하여 강철의 12~20배 감쇠를 제공하고 진동에 직접 대응하고 감쇠 속도를 높이는 역할을 합니다(위 그래프 참조). Carter는 "우리는 원하는 특성과 성능을 달성하기 위해 감쇠 복합 재료를 설계하는 데 10년 이상의 경험을 가지고 있습니다."라고 말합니다. 한 가지 예는 새로운 공작물 척 설계로 강철 척에 비해 클램핑력이 훨씬 더 적게 필요합니다. 다른 하나는 가공이 어려운 Inconel 718 합금으로 만든 항공기 엔진 LPT(저압 터빈) 케이싱의 회전을 위한 수정된 고정 장치입니다. EU 자금 지원 INTEFIX 프로젝트를 통해 개발된 CompoTech는 고정 장치의 로케이터로 사용되는 금속 링을 대체하기 위해 CFRP 링을 개발했습니다. 그 결과 공작물 거동과 더 나은 가공 성능을 개선하면서 강성이나 기능의 손실이 없었습니다. 실제로 고정 장치는 지능화되어 공정 중에 필요에 따라 공작물 클램핑을 조정할 수 있습니다.

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CompoTech는 , CTU, KIMM 및 삼양 감속기어와 협력하여 전기 자동차 하이브리드 금속/복합 기어박스 및 기어 샤프트를 통해 무게와 소음을 줄였습니다. 출처:CompoTech

CompoTech는 또한 전기 자동차 하이브리드 금속/복합 기어 기어박스에 대한 지속적인 작업을 통해 질량을 25% 줄이고 고유 주파수와 감쇠를 증가시켜 소음을 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 프로젝트(2016년 ~ 2019년 10월)는 프라하의 체코 공과 대학(CTU), 한국 기계 재료 연구소(KIMM, 대전, 대한민국) 및 삼양 감속기(한국, 인천)와 공동으로 진행됩니다. 기어박스의 본체는 베어링 표면용 금속 인서트로 합성됩니다. CompoTech는 기어 샤프트뿐만 아니라 상부 및 하부 기어 박스 케이스를 설계 및 생산했습니다. 모두 접착 결합된 여러 부품으로 구성됩니다. CTU는 테스트 및 FE 분석을 제공했으며 프로젝트의 한국 파트너는 기술 사양을 제공하고 기어박스를 완료, 조립 및 테스트할 것입니다.

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CompoTech는 기존의 격벽 리브, 프리프레그 및 접착 결합 대신에 필라멘트 와인딩 및 세로 리브를 사용하는 단일 에일러론은 특히 후행 가장자리에서 가볍고 박리 방지 구조를 만듭니다.
출처:Ginger Gardiner, JEC 2019에서 CW

박리 방지 에일러론

Carter는 CompoTech가 공작 기계를 위해 수행한 많은 R&D가 Aero Vodochody AEROSPACE(Odolena Voda, Czech Republic) L-39NG 제트 훈련기용 에일러론과 같은 새로운 응용 분야에 적용된다고 설명합니다. "이것은 후행 가장자리에 매우 높은 압력이 가해지는 까다로운 응용 프로그램입니다."라고 그는 말합니다. 비행 하중 외에도 무장 버전의 항공기는 날개 장착 로켓이 발사될 때 압력파를 경험합니다. Carter는 "기존의 복합 재료 구조에서는 에일러론 뒷전에서 박리가 있었습니다. “우리는 모든 접착 결합을 제거하고 대신 습식 필라멘트 와인딩 및 동시 경화를 사용하여 일체형 구조를 만들었습니다. 우리는 디자인 및 프로세스 단계를 개발하는 데 몇 달을 보냈습니다. 먼저, 우리의 로봇 보조 와인더는 에일러론 스파를 형성하는 4개의 상자 빔을 필라멘트 와인딩하는 데 사용됩니다. 이것들은 사다리꼴이고 앞쪽과 뒤쪽 가장자리에서 D자 모양입니다.” 뒤쪽 가장자리에는 공기역학적인 표면을 만들기 위해 별도의 조각이 있습니다.

"그런 다음 맨드릴에 있는 이 모든 부품을 함께 결합하고 세로 리브 상단에 외부 표면을 만들기 위해 바람을 쐬어줍니다."라고 Carter는 말합니다. 전체 구조는 진공 포장되어 실온에서 90°C에서 후경화됩니다.

이 프로젝트는 프로세스 기술 및 설계를 개발하는 고객과 협력하는 방법의 좋은 예입니다. 우리의 아이디어는 에일러론이나 다른 부품을 대량 생산하는 것이 아닙니다. 우리는 기계를 생산하고 고객은 부품을 감습니다.” 에일러론은 현재 비행 중이며 Aero Vodochody는 L-39NG 제트 훈련기 주문에 대한 4년 잔고를 보유하고 있습니다.

일반적으로 컴포텍의 습식 와인딩 공정은 정밀성을 기반으로 하는 공정으로 기본적으로 즉석에서 토우프레그를 생성합니다. "우리는 주로 에폭시 수지와 100°C 경화를 사용합니다."라고 Carter는 말합니다. "석유 및 가스 산업에서 사용하기 위해 생산한 일부 다운홀 도구와 같이 더 높은 Tg가 필요한 응용 분야의 경우 140°C에서 경화할 수 있습니다."

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3D의 예 높은 축 강성, 두껍고 복잡한 단면 부품을 위한 셀룰러 복합 재료. 출처:CompoTech

새로운 프로세스

3D 셀룰러 합성물(3Dc)은 3차원 강화 합성물을 생산하는 일련의 공정에 대한 CompoTech의 이름입니다. 세포 모양의 단면을 생성하는 이 구조는 세포벽을 형성하는 y 및 z 방향의 섬유와 상호 연결된 x 방향의 높은 축방향 섬유 함량을 달성합니다. 매우 높은 축방향 강성을 요구하는 두꺼운 부품을 위해 이 프로세스를 만들었습니다.”라고 Carter는 말합니다. 그 강성은 매우 높은 0°(축) 섬유 함량에 의해 생성됩니다. 또한 셀 벽은 셀 벽을 통해 섹션 전체에 전단 하중을 전달하고 위에 표시된 T 슬롯과 같이 더 흥미로운 섹션을 실현할 수 있습니다.

이 회사는 또한 두꺼운 라미네이트 없이 비틀림 및 고유 진동수 요구 사항을 충족하기 위해 3D 프린팅 맨드릴 및 지지대를 제공합니다. Carter는 "이 프로젝트는 CTU와 협력하여 자동화된 내부 구조 설계를 개발하고 있는 또 다른 프로젝트입니다."라고 말합니다. 그는 열가소성 복합 와인딩이 크게 도약하고 있다고 지적합니다. "다음 단계는 열가소성 수지 와인딩을 3D 인쇄와 결합하고 접는 기술을 사용하여 복합 재료 및 공작 기계 구조를 위한 혁신적인 성형 도구를 만드는 것입니다."

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CompoTech는 하이브리드 기계 정확도와 속도를 향상시키는 견고하고 가벼운 CFRP 갠트리 구조를 만드는 프로세스. 출처:CompoTech, Eagle Laser.