공장 견학:Veelo Technologies, 미국 오하이오주 Woodlawn

귀사에서 상용화하려는 탄소나노튜브(CNT) 섬유가 미 공군과 보잉(미국 일리노이주 시카고)을 비롯한 잠재 고객이 필요로 하는 성능은 무엇입니까? 피벗하고 기본으로 돌아가 고급 재료 및 복합 재료 처리 전문 지식을 사용하여 다른 솔루션을 개발합니다. Veelo Technologies CEO Joe Sprengard는 “우리는 종종 나노물질을 사용하지만 결코 나노물질 회사가 아닙니다. “우리는 전기 전도성 재료와 비금속 가열 솔루션에 중점을 둔 첨단 재료 회사입니다. 연속 CNT 섬유 및 시트 개발에 대한 초기 초점과 낙뢰 보호(LSP) 및 전자기 차폐, 효율적인 복합 재료 처리를 위한 가열 담요 및 비금속 전열 제빙 시스템과 같은 현재 제품 포트폴리오 사이의 공통점은 우리의 능력입니다. 새로운 수준의 성능을 제공할 뿐만 아니라 무게와 비용 요구 사항을 충족하는 새로운 재료를 개발하기 위해."

이 회사는 직원을 4명에서 24명으로 늘리고 Evendale에 있는 GE Aviation 본사에서 1마일, 공군 연구소(AFRL)에서 남쪽으로 1시간 거리에 있는 신시내티 교외 Woodlawn에 20,000제곱피트의 새로운 제조 시설로 이전했습니다. 오하이오주 데이턴에 있는 라이트-패터슨 공군기지. Sprengard 리드 CW Veelo Technologies의 새로운 생산 현장을 둘러보고 나노 재료 공급업체에서 첨단 광역 제품 전문가, 미래 복합 재료를 위한 혁신 파트너로 회사가 진화하는 과정을 살펴봅니다.

나노에서 다기능 합성물 및 가공까지
Veelo Technologies는 연속 CNT 섬유 시트 (왼쪽 상단) 개발로 시작했습니다. 그러나 지금은 합성물 처리용 비금속 가열 담요 및 항공 구조물용 제빙 시스템용 낙뢰 보호용 제품에 다양한 재료를 사용하도록 발전했습니다. (하단 및 오른쪽) .

CNT 섬유 및 시트

Veelo Technologies는 원래 UC(University of Cincinnati)에서 General Nano로 분사되었습니다. 이 대학은 2007년에 세계에서 가장 긴 CNT 어레이(길이 18mm)를 생산했습니다. "AFRL의 재료 및 제조 이사회는 관심을 갖고 다년간 평가를 시작했습니다."라고 2009년에 회사에 합류한 Sprengard가 설명합니다. 몇 년 동안 우리는 이 긴 CNT를 고강도의 거시적 규모의 섬유로 변환하는 방법을 알아내려고 노력했고 AFRL이 관심을 가졌습니다. 그러나 그 속성은 실현되지 않았습니다.”

그래서 회사는 CNT를 연속 시트로 변환하는 방법을 개발하면서 방향을 틀었습니다. Boeing은 이 기술을 복합 항공기 구조에 대한 LSP 및 전자기 간섭(EMI) 차폐의 필요성에 대한 잠재적인 솔루션으로 보고 관심을 갖게 되었습니다. Sprengard는 "평균적으로 상업용 항공기는 1,000시간마다 번개를 맞는다"고 말합니다. 탄소 섬유는 전도성이 있지만 복합 재료의 매트릭스 수지는 전도성이 아닙니다. 따라서 Boeing이 777 및 787 상업용 항공기를 위해 기록적인 수로 생산한 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 항공 구조는 열 손상을 방지하기 위해 접지 연결부에 전류를 빠르게 전도하기 위해 확장 금속 호일 및 기타 금속 솔루션에 의존했습니다. . Veelo Technologies의 제품 개발 엔지니어인 Larry Christy는 "그러나 금속 메쉬는 무겁고 많은 기생 중량을 생성하며 복합 부품에서 처리하기 어려울 수 있습니다."라고 말합니다.

2015년까지 Boeing은 차세대 LSP 솔루션을 개발하기 위해 전사적으로 추진했으며 General Nano가 핵심 파트너였습니다. CW 그는 2016년 직후 여러 신생 기업을 수용한 신시내티 기반 비즈니스 인큐베이터 시설의 원래 위치에 있는 General Nano를 방문했습니다. Christy는 회사 연구실을 둘러보고 당시 진행 중인 기술 발전에 대해 논의했습니다. "금속 LSP와 차폐의 효과는 주파수에 따라 감소합니다."라고 그는 설명했습니다. “전도성을 개선하고 임피던스를 줄여야 하지만 두께는 25미크론 미만입니다. 그러나 CNT 대 CNT 접합은 시트 내에서 저항을 추가합니다. 2014년부터 2016년까지 우리는 전도성을 12배 향상시켰고 금속에 비해 25%의 중량 절감으로 200MHz의 주파수에서 차폐를 위한 드롭인 솔루션을 입증했습니다. 하지만 여전히 두께를 줄여야 합니다.”

이 시점에서 회사는 수백 피트 길이의 5피트 너비 기판에 정렬된 CNT를 생산할 수 있는 능력을 개발했습니다. 또한 제지 장비에 초과 용량을 보유한 유료 제조 파트너 네트워크를 사용하여 제곱미터당 20그램, 2밀리미터 두께의 CNT 종이 및 부직포 재료(CNT 연속 부직포의 일종)를 만들고 있었습니다. Christy는 "이러한 접근 방식은 유연성을 제공하며 고객과 협력하여 기능을 추가하고 제품의 속성과 형식을 맞춤화하는 데 집중할 수 있게 해줍니다."라고 설명했습니다. 회사는 또한 계속해서 테이프를 만들라는 요청을 받았고, 이를 다시 유료 네트워크를 사용하여 만들었습니다.

고성능 광범위한 상품으로 중심 전환

고객 요구 사항을 기반으로 제품을 수정하려는 이러한 맞춤성 및 의지가 핵심이었습니다. 회사가 설립된 지 약 10년이 되었을 때 회사는 미래가 과거와 많이 다를 수 있음을 이해했습니다. Christy는 LSP뿐만 아니라 EMI 차폐에도 여러 가지 요구 사항이 있다고 설명했습니다. “각각의 전기적 성능을 조정해야 합니다. 금속 메쉬의 특성은 주파수 의존적이며 시트의 구멍에서 누출로 인해 주파수가 증가함에 따라 낮아집니다. 우리의 제품은 구멍과 누출이 없는 연속적이기 때문에 주파수가 높을수록 성능이 향상됩니다. CNT는 고주파에서 금속을 능가하므로 HIRF(고강도 무선 주파수) 및 고출력 위성 통신 애플리케이션에 적합합니다. CNT는 또한 피부 효과가 없습니다 , 이것은 금속과 관련된 문제입니다.” 표피 효과는 교류가 도체의 중심을 통한 이동을 피하기 위해 표면이나 표피로 제한되는 경향이 있어 전류를 전달할 수 있는 단면적을 효과적으로 줄이고 저항을 증가시킵니다. Christy는 계속해서 “그러나 CNT는 저주파에서 경쟁할 수 없습니다. 전도도가 충분히 높지 않고 신호 손실이 너무 많습니다. 그래서 우리는 하이브리드를 찾고 있습니다.”

"이것은 나노 물질을 기반으로하지 않는 다른 시트 재료로 이어졌습니다."라고 Sprengard는 말합니다. "우리는 확장 동박(ECF)보다 70% 더 가볍고 Zone 1A 낙뢰 보호 요구 사항을 충족하는 LSP용 금속화 탄소 섬유 솔루션인 VeeloVEIL을 개발했습니다." Zone 1A는 레이돔/노즈, 날개 끝, 나셀 및 항공기 날개 말단을 포함하며 미연방항공청(FAA) 요구사항에 정의된 대로 200,000암페어의 전류를 견뎌야 합니다("복합 항공기에 대한 LSP 전략" 및 복합 구조”). "VeloVEIL은 전도성이 4배 더 높지만 다른 금속화 부직포에 비해 무게는 절반입니다."라고 그는 말합니다. "이는 우리가 개발한 화학 및 재료 처리 덕분에 가능합니다."

항공 구조물용 차세대 LSP
상업용 항공기는 평균적으로 1,000시간마다 벼락을 맞습니다. VeeloVEIL 금속화 탄소 섬유 부직포는 확장 동박에 비해 70% 더 가벼운 무게로 복합 항공기에 대한 Zone 1A 낙뢰 보호(LSP) 요구 사항을 충족합니다. AFP/ATL(자동 섬유 배치/테이프 부설) 기계로 처리되도록 설계된 VeeloVEIL은 80미크론 두께의 단일 플라이에서 파괴적인 전도성을 제공하고 총 LSP 재료와 처리 시간을 75% 이상 단축합니다.

항공 우주 산업은 현재 LSP에 탄소 섬유 베일을 사용하지 않는다고 Sprengard는 말합니다. "Zone 1A 요구 사항을 충족할 만큼 전도성이 있는 제품이 없기 때문입니다." VeeloVEIL은 제곱미터당 40-50그램의 면적 중량에서 5-10밀리옴의 전기 저항(저항이 낮을수록 전도성이 높은 재료를 의미함)을 제공하도록 설계되었으며 80미크론 두께의 단일 플라이를 사용하여 항공기 LSP 요구 사항을 충족합니다. "이는 재료를 매우 드레이프성 있게 만들어 ECF 제품에서 종종 요구되는 다공성 충전 후처리 없이 매끄러운 표면 마감을 가져옵니다."라고 그는 말합니다. "이를 통해 제조업체는 표면 수지를 덜 사용하여 재료 및 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 상위 3개 항공 구조물 OEM은 VeeloVEIL을 사용하여 총 LSP 재료 및 처리 시간을 20시간 이상에서 3시간 미만으로 줄일 수 있다고 들었습니다."

VeeloVEIL은 ECF와 동일한 제품 형태로 공급되므로 제조업체가 기존 제조 공정을 변경하지 않고 사용할 수 있습니다. Sprengard는 "항공우주 복합 재료를 위한 당사의 모든 전기 전도성 재료는 [자동 섬유 배치] AFP 기계로 처리되도록 설계되었습니다. Veelo Technologies는 또한 Tier 1 항공우주 프리프레거와 협력하여 VeeloVEIL을 표준 표면층 제품에 통합하는 과정에 있습니다.

난방용 전도율 조정

VeeloVEIL을 개발하는 동안 Sprengard의 팀은 광범위한 제품의 전기 전도도를 조정하는 기능이 전열 가열 응용 분야에도 사용될 수 있음을 깨달았습니다. 이로써 VeeloHEAT 제품군의 또 다른 가능성이 열렸습니다.

"VeeloHEAT는 제빙을 위해 항공기 구조에 통합되는 탄소 기반 비금속 재료입니다."라고 Sprengard는 말합니다. 이것은 아닙니다. 탄소 섬유. “오늘날 항공기 제빙 시스템은 특히 회전익기와 같은 고 피로 환경에서 내구성에 문제가 있는 금속 와이어를 사용하는 경우가 많습니다. 와이어 중 하나가 끊어지면 시스템이 더 이상 작동하지 않습니다. 이러한 기존의 금속 제빙 시스템은 일반적으로 실패하고 수리해야 하므로 시간과 비용이 많이 듭니다. 우리는 우리 제품이 훨씬 더 내구성이 뛰어나 항공기의 가동 중지 시간을 크게 줄인다는 것을 입증했습니다.” 그는 이러한 제품이 실제로 헬리콥터의 로터 블레이드에 사용되고 있으며 현재 도시 항공 이동성과 차세대 운송을 위해 개발 중인 EVTOL(전기 차량 이착륙) 항공기에 상당한 잠재력을 갖고 있다고 언급했습니다.

보다 가까운 장래에 Sprengard는 VeeloHEAT 제품이 2020년 1분기에 고정익 상업용 항공기에서 초기 단계 인증을 위해 비행할 예정이라고 말했습니다. "이 기술의 매력은 비밀이 아닙니다."라고 그는 Collins Aerospace(이전 UTC, 현재 Raytheon의 일부가 됨)가 2017년 1월에 CNT 기반 제빙 시스템에 대한 독점 라이선스를 발표했다고 언급했습니다. 시장을 잘 개척하고 미래를 위해 자신을 포지셔닝하고 있습니다. 그들의 투자는 이 기술이 어디로 향하고 있는지를 잘 보여줍니다.”라고 Sprengard는 덧붙입니다.

Veelo Technologies는 온도 출력과 균일성을 위해 모든 VeeloHEAT 담요를 테스트합니다.

제빙에서 복합 가공 및 수리까지

기존의 열 블랭킷은 결합된 스카프 수리 중에 복합 구조의 비교적 작은 영역(일반적으로 1제곱미터 미만)을 치료하기 위해 수십 년 동안 사용되었습니다. 이 열 담요는 실리콘 고무 또는 기타 재료에 내장된 기존 금속 와이어를 사용합니다(필요한 경화 온도에 따라 다름). Sprengard는 "금속 기반 제빙 시스템과 유사하게 하나의 전선이 끊어지면 열 담요가 짧아지고 더 이상 작동하지 않습니다."라고 말합니다. "우리는 탄소 기반 제빙 제품을 비금속 난방 블랭킷으로 활용하여 탁월한 내구성과 드레이프성, 성능을 제공합니다." 후자의 산업 표준은 3% 변동 계수(COV)이며, 이는 가열 제품, 덮개에서 덮개까지, 가장자리에서 가장자리까지의 균일성을 측정하는 것입니다. VeeloHEAT 담요는 평방 인치당 5와트의 일반적인 에너지 출력에서 ​​이 표준을 초과합니다.

Veelo의 열 담요는 최대 288°C(550°F)의 온도를 생성할 수 있으며 부품과 도구에 맞게 그물 모양으로 만들 수 있습니다. Sprengard는 "이 기능은 화학 물질을 공식화하고 맞춤형 저항을 가진 고유한 고급 재료를 제조할 수 있는 능력 때문에 가능합니다."라고 말합니다. Veelo Technologies는 이 기술을 15개월 만에 상용화했으며 현재 전체 생산에 들어갑니다. "우리는 이 제품 라인에서 매우 좋은 성장을 보고 있으며 현재 오토클레이브 및에서 대형 복합 구조를 접착하는 데 사용되는 VeeloHeat 담요를 대량으로 제조하고 있습니다. 고객이 요청한 여러 온도 영역 및 기타 처리 기능을 활용하는 오븐입니다."

생산 재배치 및 증가
Veelo Technologies의 새로운 20,000제곱피트 생산 홀은 제조 전환의 1단계에서 재배치 및 최대 속도로 증가된 VeeloHEAT 담요 생산을 확장할 수 있는 충분한 공간을 제공합니다. 2단계는 2019년 3분기까지 완료됩니다.

고객의 요구에 부응하는 제조

2018년 10월 Veelo Technologies는 즉각적인 강화가 필요한 주요 방어 프로그램을 수주했다는 확인을 받았습니다. Sprengard는 이렇게 회상합니다. “다행히 우리는 착공에 필요한 기반 시설을 이미 갖춘 거의 완벽에 가까운 입주 준비 시설을 찾았습니다. Woodlawn 시설은 최첨단 환경 제어, 조명 및 전면 에폭시 바닥을 갖추고 있습니다. 고객의 작업을 견학하면서 우주 항공 분야에서 표준으로 사용되는 Sprengard 메모가 특징입니다. "우리는 지름길을 택하지 않았습니다. 최고 품질의 재료와 마감재에 대한 투자는 미래에 대한 우리의 장기 전략과 비전을 반영합니다."라고 그는 설명합니다. 이러한 투자는 방위 계약에 필요한 시설의 출입 통제 및 보안 인력에도 반영됩니다.

필요한 시설 확장은 2019년 2분기에 완료되었으며, 그 후 Veelo는 생산 라인을 이전하기 시작했습니다. "우리의 모든 장비가 거의 최대 용량으로 가동되고 있어 모든 라인을 새 시설로 옮기기 위한 일정을 중단하는 것이 어려웠습니다."라고 그는 인정합니다. 이 회사는 2019년 7월에 제조 전환의 1단계를 완료하여 VeeloHEAT 담요 라인을 재배치하고 전체 생산으로 되돌렸습니다.

새로운 시설의 크고 개방된 생산 홀은 전면 로비에서 접근할 수 있습니다. 오른쪽은 VeeloHEAT 담요 제조 구역입니다. 4피트 x 10피트 레이업 테이블 4개를 사용하여 VeeloHEAT 필름을 다른 재료와 함께 성형된 금속 성형 도구에 적층합니다. 그런 다음 이러한 레이업은 JPW Industrial Furnaces(Trout Run, Pa., U.S.)에서 제공하는 10 x 10피트 오븐에서 경화됩니다. 완성된 블랭킷은 탈형되고 전기 공급 와이어에 연결되어 컴퓨터 제어 장치(핫 본더)와 함께 사용하여 복합 라미네이트 및 수리를 경화할 수 있습니다. 각 VeeloHEAT 담요는 온도 출력 및 균일성에 대해 테스트됩니다.

내구성이 더 좋고 순응성이 뛰어난 비금속 열 담요
VeeloHEAT 블랭킷(위) 생산 시 금속 공구를 가열하고 복합 경화 및 수리 중에 컴퓨터 제어 장치(핫 본더)에서 블랭킷으로 전류를 전달하는 데 와이어가 사용되지만 금속 와이어는 내부에서 사용되지 않습니다. 이를 통해 이러한 비금속 열 블랭킷을 단선, 단락 및 온도 균일성 문제(핫 및 콜드 스폿) 없이 3D 모양으로 생산할 수 있습니다. 내부의 탄소 기반 VeeloHEAT 필름은 5W/in2에서 3% COV로 최대 288°C(550°F)의 온도를 생성합니다.

히트 블랭킷 생산 구역 바로 너머에는 습식 화학 생산실이 있습니다. 여기에서 Silverson Machine(미국 매사추세츠주 이스트 롱메도우) 및 Netzsch(미국 매사추세츠주 벌링턴)에서 공급하는 산업용 장비를 사용하여 Veelo 제품에 사용되는 고급 화학 제제를 혼합합니다. 다음은 VeeloHEAT Blanket 내부의 핵심 기술인 Veelo의 탄소 기반 VeeloHEAT 필름을 제조하기 위한 독점 시스템이 있는 필름 제조실입니다. 다시 왼쪽으로 이동하면 VeeloVEIL 생산 영역입니다. 이 투어 당시 비어 있었지만 VeeloVEIL 생산을 위한 15인치 및 36인치 너비의 롤투롤 제조 라인은 모두 8월에 새 시설로 이전되었습니다. 회사는 또한 미래 수요를 충족시키기 위해 60인치 폭의 라인을 설계하는 중입니다. 10월까지 Veelo Technologies는 모든 제품 라인을 한 지붕 아래에서 운영하고 생산량을 늘릴 예정입니다.

차세대 솔루션

Veelo Technologies의 현재 성공으로 가는 길은 멀고 항상 쉽지만은 않습니다. "예, 우리는 나노물질에서 시작했으며 여전히 이 영역에서 상당한 전문성을 유지하고 있지만 우리가 나노물질을 사용하는지 여부에 대해 아무도 관심을 두지 않습니다."라고 Sprengard는 말합니다. “그들은 우리가 그들의 성능과 ROI 목표를 충족하는 강력한 솔루션을 제공하는 경우에만 관심을 갖습니다. 예를 들어, 차세대 제빙 시스템을 가능하게 하는 제품은 항공기에서 더 적은 전력을 사용하여 항공기 설계 및 운영 효율성에 대한 새로운 기회를 열어줍니다.”

Sprengard는 세 가지 Veelo 제품군이 모두 OEM 및 공급업체 적격 제품 목록(QPL)으로 최종 확정되거나 "고객 공급 기반에 부품 번호로 추가"되는 등 앞으로 나아가고 있다고 말했습니다. 현재 회사가 하는 일의 대부분은 열경화성 복합 재료에 대한 것이지만, 그는 열가소성 복합 재료와 적층 제조에도 관심을 갖기 시작했다고 말합니다.

Veelo Technologies는 미래를 위해 어디에 초점을 맞추고 있습니까? Sprengard는 "우리의 최우선 과제는 기존 주문과 전략적 기회를 계속 제공하는 것입니다. “시장은 우리에게 새로운 수준의 수요를 충족시키도록 압력을 가하고 있습니다. 이는 위대하고 도전적인 일입니다. 집중하는 것이 우리의 최우선 과제입니다.”

이제 Veelo가 설정한 목표는 이 지점에 도달하기 위한 12년의 개발을 통한 집념과 인내만큼이나 인상적입니다. Sprengard는 "Airtech 및 A&P Technologies와 같은 최고의 항공우주 복합 재료 공급업체를 보면 고객 개발 주기의 초기 단계에 자리를 잡고 있습니다. 그러한 혁신 파트너가 되기 위해서는 시간이 걸립니다.” 그는 "그리고 헌신"이라고 덧붙였습니다.

Veelo Technologies는 직원을 4명에서 24명으로 늘렸으며, 나노재료 공급업체에서 첨단 광범한 제품 전문가로, 그리고 2015년 Boeing에서 올해의 공급업체로 인정한 미래 복합재를 위한 혁신 파트너로 발전했습니다.