클린 스카이 2 FRAMES 프로젝트, 제논 플래시램프 적용 AFP용 열가소성 복합소재 가열 시뮬레이션 강화

2020년 7월 시작된 클린 스카이 2(CS2) 프로젝트 FRAMES의 주요 목표는 독일 항공우주센터(DLR)가 CS2 대형 여객기(LPA) 기술 플랫폼의 일환으로 제조한 첨단 후방 동체 시연기 생산에 사용되는 제조 접근법을 검증하는 것입니다. 이 시연기는 자동 섬유 배치(AFP) 중 가열 시뮬레이션의 신뢰성 있고 경쟁력 있는 솔루션을 제공하여 열가소성 스트리프너의 고속 제조와 스킨-스트리프너 어셈블리 코컨솔리데이션을 지원하는 자가 가열 툴링을 목표로 합니다.

FRAMES가 첨단 후방 동체 시연기 프로젝트 목표에 어떻게 부합하는지에 대한 더 많은 맥락은 이 기사의 마지막 섹션을 참조하세요.

제논 플래시램프 가열 시스템의 광학 열 모델링

탄소섬유 강화 열가소성(CFRTP) 복합소재의 AFP는 PEEK(폴리에테르에테르케톤), PEKK(폴리에테르케톤케톤), LM-PAEK(저융점 폴리아릴에테르케톤) 같은 고성능 열가소성 매트릭스 소재 가공에 필요한 고온 달성을 위해 주로 레이저 가열에 의존해 왔습니다. 그러나 강력한 광대역 열원에서 고에너지 단펄스를 전달하고 석영 라이트 가이드로 수집 및 전달하는 펄싱 제논 플래시램프 기반의 새로운 기술이 등장했습니다. AFP 헤드 니프 포인트 근처에 위치한 석영 라이트 가이드는 빛 에너지를 형성하고 위치시켜 통합 롤러 하에서 통합이 달성되기 전에 기판과 유입 토우를 가열합니다. 이 제논 플래시램프 시스템은 레이저의 빠른 응답 시간과 맞먹으면서 열가소성 복합소재 가공에 필요한 온도에 도달하는 것으로 나타났습니다.

AFP 가공 중 제논 플래시램프 펄스는 속도와 형상 변화를 고려해 목표 온도를 유지하도록 제어되어야 합니다. 이는 플래시램프 펄스 에너지, 지속 시간, 주파수를 변화시켜 달성합니다. 이러한 파라미터를 최적화하기 위해 광선 추적 기법(각 표면에서 굴절/반사 각도 계산)을 사용해 플래시램프 소스를 특성화하고, 유한 요소 해석(FEA)을 사용해 결과적인 가공 온도를 예측하는 광학-열 시뮬레이션 모델이 생성되었습니다. 이러한 시뮬레이션 도구를 사용하면 시행착오를 피할 수 있고, 펄스 파라미터를 선택해 비용과 시간이 많이 드는 물리적 시험 없이 원하는 가공 온도를 달성할 수 있습니다.

헤레우스 노블라이트(Heraeus Noblelight, 영국 케임브리지)가 자사 흄3(Humm3) 플래시램프 시스템에 적용된 광학 열 모델 개발을 주도하고 있습니다. 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 생성하는 과정에는 고니오메트릭(축 회전) 측정과 스펙트럼 조사량(표면이 받는 빛 에너지) 측정을 사용한 제논 플래시램프 소스의 광학 특성화가 포함되며, 이를 통해 스펙트럼 에너지 레벨, 공간 분포, 전기-복사 에너지 효율을 결정합니다.

스펙트럼 에너지 측정

아래 Fig. 1은 스펙트럼 조사량 측정을 사용해 파장에 따른 제논 플래시램프의 에너지 방출을 결정하기 위해 고안된 실험 설정을 보여줍니다. 이 시스템에서 제논 플래시램프의 빛은 설정된 거리(일반적으로 0.5~1미터, 왼쪽 아래)에 있는 검출기로 들어갑니다. 그런 다음 광케이블을 통해 이중 모노크로메이터 시스템(왼쪽 아래)으로 전달되어 특정 파장에서 빛 강도를 결정합니다. 그 결과 플래시램프의 방출된 빛 에너지 전체 방출 곡선이 측정되는 상세한 스펙트럼 조사량 플롯이 생성됩니다(Fig. 2).

에너지 효율 측정

시스템 효율은 독일 하나우 헤레우스 연구소의 적분구(Fig. 3)에서 평가되어 흄3 라이트 가이드에서 나가는 스펙트럼 에너지를 다양한 전압 레벨에서 정확하게 결정했습니다. 구체는 플래시램프 헤드에서 나가는 사실상 모든 광학 에너지를 이중 모노크로메이터 검출기로 향하게 하는 높은 반사 확산 표면을 특징으로 합니다. 주어진 펄스 지속 시간과 주파수에 대해 펄스 에너지를 변조함으로써, 흄3 헤드에서 나가는 평균 광학 출력을 파장의 함수로 다양한 플래시램프 전압 범위에서 측정합니다.

각도 에너지 분포 분석

AFP 헤드 니프 포인트 상대적인 플래시램프 헤드 위치도 고품질 복합소재 적층 달성의 중요한 측면입니다. 출력 전력 측정과 병행하여 제논 플래시램프 빛 강도의 소스로부터의 각도 변화가 측정되었습니다. 모든 측정은 이 시점에서 절대 전력 출력이 아닌 각도 에너지 분포를 조사하기 위해 정규화되었습니다. 이 결과는 플래시램프의 레이 트레이싱 시뮬레이션을 검증하는 데 사용되어 플래시램프 펄스 에너지가 기판, 니프 포인트, 유입 토우 사이에 어떻게 분포되는지 예측했습니다.

트레이스프로(TracePro) 소프트웨어(람다 리서치, 미국 매사추세츠주 리틀턴)를 사용해 달성된 광학 레이 트레이싱 분석(Fig. 4)은 복합소재 토우와 기판의 표면 조사량 프로파일을 계산하도록 상세화되었습니다. 이 조사량 프로파일은 열 시뮬레이션의 입력 경계 조건으로 사용됩니다. 탄소섬유 강화 LM-PAEK 테이프의 광학 및 열 거동도 관련 가공 온도에서 모델에 공급되도록 특성화되었습니다.

물리적 시험을 통한 검증

검증 단계로, 콤포지타두르(Compositadour, 프랑스 바욘)에서 물리적 AFP 시험이 수행되어 시뮬레이션이 실제 AFP 적층 중 관찰된 온도 값을 예측하는 능력을 보여주었습니다. 적외선 열화상과 복합소재 적층 내부에 내장된 얇은 열전대가 AFP 시험 중 가공 온도를 측정하는 데 사용되었습니다. 측정 결과는 니프 포인트 근처 영역과 두께 방향을 통해 예측된 온도 프로파일과 합리적인 일치를 보였습니다.

그러나 이러한 측정은 처음 몇 플라이에서 툴링의 열 관리에 대한 영향도 강조합니다. 적층 초기에 처음 몇 플라이는 툴 표면과 매우 가까워 열 싱크 역할을 할 수 있습니다. 이 때문에 가열 툴링이 사용되었습니다. 툴 온도는 AFP 니프 포인트 온도에 강한 영향을 미칩니다.

적층의 이 초기 단계에서 제논 플래시램프 펄스 파라미터는 니프 포인트 온도를 일정하게 유지하기 위해 조정되어야 합니다. 하지만 몇 플라이가 적층되면 적층이 일종의 단열층이 되어 툴 온도의 영향이 감소합니다. 이 시점에서 펄스 파라미터 추가 조정이 필요하지 않습니다.

FRAMES 프로젝트 검증 시험 중 가열 툴링을 사용해 AFP 중 다양한 가공 온도를 평가했다고 콤포지타두르 복합소재 프로젝트 수석 엔지니어 기욤 푸라지(Guillaume Fourage)는 설명합니다. "첨단 후방 동체 시연기의 제조 접근법은 아직 확정되지 않았으며, 공정 시간, 에너지 소비, 적층 품질 사이의 적절한 균형을 찾기 위해 스킨 적층에 대한 다양한 옵션을 평가하고 있습니다. 툴 표면 온도 변경은 적절한 니프 포인트 온도에 도달하기 위해 펄스 파라미터를 적절히 조정해야 합니다. 이는 광학 열 모델 개발 계획의 일부이며 다양한 적층 조건에서 시뮬레이션의 신뢰성과 견고성을 높이는 데 도움이 됩니다."

이 시뮬레이션 모델은 이제 CS2 열가소성 복합소재 첨단 후방 동체(ARE) 시연기 제조에 사용될 최종 가열 시스템과 툴링 구성에 맞게 조정되고 있습니다. 부품은 2021년 제조되어 2022년 조립되며, 2023년 프로젝트 종료 시 TRL 6 달성을 목표로 합니다. 병행하여 ARE 시연기뿐만 아니라 개발 중인 관련 제조 공정 및 툴에 대해서도 제조 준비도 수준(MRL) 5/6을 추구합니다. ARE 시연기 프로젝트의 전반적 목표는 비용 최대 20%, 부품 중량 최대 20%, 연료 소모 최대 1.5% 절감, 클린 스카이의 환경 목표에 부합하는 공기역학 개선입니다.

이 프로젝트는 유럽연합의 호라이즌 2020 연구 혁신 프로그램과 연합 외 클린 스카이 2 JU 회원들의 지원을 받는 클린 스카이 2 공동 수행(JU)의 자금 지원(보조금 협정 번호 886549)을 받았습니다.

자세한 정보는 기욤 푸라지(g.fourage@estia.fr)에게 문의하세요.