DLR 구조설계연구소, 열가소성 복합소재 동체 기술 진전

"LuFoV-3 TB-Rumpf" 프로젝트의 일환으로, 열가소성 프리프레그 라미네이트의 오토클레이브 없는 통합과 저항 용접이 미래 항공기 동체를 위한 기술 벽돌로 추가 개발 및 검증되고 있습니다. 이 작업은 독일 항공우주센터(DLR) 구조설계연구소(Institute BT, 슈투트가르트)에서 에어버스 등 항공우주 산업 파트너 및 기타 연구소와 협력하여 수행 중입니다.

DLR Institute BT는 스킨, 스트링거, 프레임, 클리트로 구성된 완전히 통합된 동체 교차부를 시연했습니다. 시연기는 코컨솔리데이트된 스트링거가 있는 오토클레이브 없는(OOA) 통합 곡면 스킨과 저항 용접을 통한 프레임 및 클리트 통합을 기반으로 합니다. 용접부는 기계적 시험으로 특성화되었으며 용접선은 광학 현미경으로 추가 조사되었습니다.

TB-Rumpf, OOA 통합 및 용접 성숙화

연속 섬유 강화 고온 열가소성(예: 폴리아릴에테르케톤 또는 PAEK)으로 만든 대면적 부품 통합의 최신 기술은 오토클레이브 통합입니다. 그러나 최적화된 공정 설정과 맞춤형 공정 제어를 통해 온도와 진공 압력만으로 완전한 통합을 달성할 수 있습니다. 자가 가열 금형이나 오븐 사용으로 오토클레이브가 필요 없어지며 비용 이점을 창출할 수 있습니다. TB-Rumpf 프로젝트는 VCT(진공 통합 기술) 공정을 성숙시키고 최대 라미네이트 두께 등 공정 한계를 결정하는 것을 목표로 합니다.

첨단 열가소성 복합소재의 미래 응용을 위한 또 다른 핵심 기술은 조립용 용접입니다. DLR과 에어버스는 고강도 구조 구현 능력으로 인해 저항 용접을 선도 기술로 선정했습니다. TB-Rumpf 프로젝트 내에서 저항 용접 공정과 필요한 용접 요소가 최적화되고 있습니다. 결과 시연기는 접합부의 기계적 성능과 용접된 복합소재 라미네이트를 검증하기 위해 구조적으로 시험됩니다.

진공 통합 기술(VCT) 조사

DLR Institute BT 프로젝트 리더 마티아스 혼(Matthias Horn)은 TB-Rumpf 시연기가 단방향 탄소섬유 강화 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM-PAEK)을 사용한다고 설명합니다. 이 열가소성 복합소재 테이프는 AFPT(Doerth, 독일) 엔드 이펙터와 6킬로와트 레이저로 테이프를 가열하는 쿠카(KUKA, 독일 아우크스부르크) 로봇을 사용한 자동 섬유 배치(AFP)로 가공됩니다.

VCT를 이용한 OOA 통합: "목표는 이 공정의 두꺼운 라미네이트 적용 가능성을 검증하는 것이었습니다."라고 DLR Institute BT 연구원이자 TB-Rumpf 통합 책임자 게오르그 돌(Georg Doll)은 말합니다. "미세조직 단면과 초음파 검사로 검증된 결과, 기공이나 기타 결함 없이 최대 11mm 두께 라미네이트까지 좋은 결과를 얻었습니다. 이 성공의 열쇠는 최적화된 VCT 설정, 맞춤형 가열 사이클, 균일하고 일관된 프리프레그 품질입니다."

스트리프너 요소의 OOA 코컨솔리데이션: VCT를 오토클레이브 없이 동체 스킨 패널 생산에 사용하는 것 외에도, TB-Rumpf 프로젝트는 단일 VCT 공정 사이클 동안 스트리프너 보강 요소를 스킨에 직접 통합하는 코컨솔리데이션 개발에도 성공했습니다.

곡면 및 이중 곡면 형상의 AFP 적층: VCT의 보완 공정인 레이저 기반 AFP를 조사했으며, 공정 및 소재 한계(예: 최대 테이프 조향)를 약 800 x 1,200mm 크기의 이중 곡면 라미네이트 제조를 통해 검토했습니다. 이러한 제조 시험 결과는 OOA 통합뿐만 아니라 2차 작업 없이 AFP 중에 달성되는 인시투 통합 발전에도 활용될 수 있습니다.

저항 용접

"구조적 동체 요소를 통합하여 미래 열가소성 동체 개념의 생산을 가능하게 하기 위해, 공정 견고성 증대와 강도 값 최적화 측면에서 저항 용접을 조사했습니다."라고 DLR Institute BT 연구원이자 TB-Rumpf 용접 책임자 사이먼 바우어(Simon Bauer)는 말합니다. "탄소섬유를 발열체로 하는 최적화된 용접 요소 설정과 향상된 전기 전도도, 그리고 가열 사이클, 온도, 압력, 전류, 전압 등 최적의 용접 파라미터 조합에 초점을 맞췄습니다." 저항 용접은 클리트를 프레임과 스트링거에 부착하는 데 사용되었으며, 프레임을 스킨에 부착하는 데도 사용되었습니다.

차세대 동체 설계를 위한 기술 벽돌

"시연된 기술 성숙도 덕분에 오토클레이브 없는 통합과 저항 용접 모두 미래 동체 설계에 중요한 역할을 할 수 있습니다."라고 에어버스 해당 프로젝트 책임자 폴 요른(Dr. Paul Jörn) 박사는 강조합니다.

기술을 산업 적용에 더 가깝게 가져가기 위해 향후 추가적인 도전 과제가 조사될 예정입니다. 진공 통합의 경우 크기 스케일링과 이중 곡면 형상 전이에 초점을 맞출 것입니다. 저항 용접의 경우 공차 및 자동화 측면을 다룰 것입니다.

여기 제시된 결과는 독일 연방 경제부 및 에너지부가 자금을 지원하는 연방 항공 연구 프로그램 V-3 프레임워크 내 TB-Rumpf 연구 프로젝트(FKZ: 20W1721D)에서 달성되었습니다.

자세한 정보는 dlr.de/bt를 방문하세요.