미 공군연구소, 브레이드 프리폼·상변화 툴링으로 엔진 인렛 덕트 생산 혁신

2020년 3월, 공군연구소(AFRL, 미국 오하이오주 데이턴) 제조·산업기술부문이 코너스톤 리서치 그룹(데이턴), A&P 테크놀로지(오하이오주 신시내티), 스핀테크 LLC(오하이오주 제니아)와 협력해 무인항공기용 11피트(약 3.35m) S자형 엔진 인렛 덕트 제작에 레거시 제조공정을 신공정으로 대체하는 이점 정량화 연구를 발표했다. 프로그램 명시 목표 중 하나는 신규 툴링과 공정 솔루션 도입으로 부품비와 생산시간 이점 파악이다.

Photo Credit: Air Force Research Laboratory

기존 공정 vs 신공정

인렛 덕트(항공기 엔진으로 부드러운 기류 유입 보장하는 중공 튜브 형상 부품)는 이전엔 다조각 강철 만드렐에 복합소재 프리프레그를 수작업 적층 후 오토클레이브 경화했다.

신공정에선 드라이 탄소섬유를 A&P 테크놀로지 자동 오버브레이드 공정으로 스핀테크 스마트 툴링 형상기억폴리머(SMP) 툴링 만드렐에 적층한다. 결과 프리폼을 진공보조 수지전사몰딩(RTM)으로 저가 에폭시 함침한다.

스마트 툴링 공정(아래 영상 또는 여기서 시연 참조): 드라이 탄소섬유를 강성 폴리머 툴에 적층한 후 진공백을 툴 외부와 중공 중심에 씌운다. 부품을 오븐에 넣고 가열 수지를 압력 하에 주입해 경화한다. 경화 후 스마트 툴링 툴을 탄성온도로 가져가면 완성된 복합부품에서 쉽게 추출, 재성형, 다시 냉각해 고체화해 재사용 가능하다.

최적화 및 검증

인렛 덕트 기하학적 복잡성으로 오버브레이딩 공정 설정 최적화로 복합소재 주름 최소화를 위한 다중 반복이 예상돼 총 4개 인렛 덕트를 제작해 레거시 부품과 비용·생산시간 비교한다. A&P의 QISO 트라이액시얼 브레이드가 프리폼 주력 구조로 쓰였다.

전체 프로그램 목표는 최종 인렛 덕트를 미 정부에 납품해 항공우주시스템국 기체 설계·제조 프로그램에 통합하고, 항공우주비행체부문에서 추가 구조 시험을 진행하는 것이다.