대형 AM을 활용하여 항공 우주 유연성 향상

Ascent Aerospace(미국 미시간주 매콤 타운십; 미국 캘리포니아 산타아나)는 스스로를 세계 최대의 항공우주 공구 공급업체로 자처하며 몰드, 조립, 트림 및 드릴 고정구를 위한 대부분 금속 솔루션을 제공합니다. 회사의 주형 제작은 나셀, 날개, 동체, 날개보, 스트링거 및 프레임과 같은 대형 항공 구조에 중점을 두고 있습니다. 트림 및 드릴 고정 장치는 CNC 가공, 로봇 용접, 자동 프레스, 검사 시스템 및 조립 애플리케이션에 사용됩니다.

2018년에 회사는 Santa Ana 포트폴리오에 대형 적층 제조를 추가하는 것을 고려하기 시작했고 시장에 나와 있는 시스템, 재료 및 응용 프로그램에 대한 평가를 수행했습니다. Ascent에 일반적인 크기의 도구를 생산할 수 있는 대형 기계가 필요하다는 것을 인식한 회사는 2019년 Thermwood(미국 인디애나주 데일)의 10 x 40피트 이중 갠트리/LSAM 시스템에 투자했습니다. 한쪽 끝에는 대형 프린터가 있고 다른 쪽 끝에는 CNC 가공 기능이 포함된 이중 기능의 압출 기반 적층 제조 셀. 이 시스템은 전염병이 시작된 2020년 2분기에 설치되었습니다.

Ascent의 Santa Ana 지점의 복합재 및 적층 제조 글로벌 제품 관리자인 Sean Henson은 시기가 이상적이지는 않았지만 Ascent는 새로운 LSAM을 즉시 작동할 수 있었고 기능, 이점을 이해하기 위해 여러 달에 걸친 노력을 시작했다고 말했습니다. 도구 제작 환경에서 대형 AM의 한계

학습 곡선과 전염병에도 불구하고 Ascent는 운영 첫해에 LSAM을 통해 20개 이상의 도구 프로그램을 제공했습니다. 이 작업의 대부분은 고정 장치, 진공 트림 도구, 프로토타입 및 금형 생산에 중점을 두었습니다. 트림 고정장치의 경우 Ascent는 주로 Techmer(미국 테네시주 클린턴)의 ABS 수지를 20wt% 절단 탄소 섬유로 강화했습니다. 고온 사이클링이 필요한 금형 제작 응용 분야의 경우 Ascent는 폴리에테르설폰(PESU) 또는 폴리에테르이미드(PEI)를 사용하여 인쇄하며, 둘 다 잘게 잘린 탄소 섬유로 강화됩니다. Ascent는 또한 ABS보다 약간 더 나은 특성을 제공하고 더 높은 온도에서 성능을 발휘하기 때문에 일부 응용 프로그램에서 폴리카보네이트(PC)로 인쇄했습니다. Henson은 LSAM 시스템으로 만든 제품의 약 75%가 실온용이며 나머지는 온도 순환용이라고 말합니다. 온도를 감지하는 금형 중 일부는 200°F 미만 환경용으로 설계된 금형 마스터이고, 다른 일부는 최대 350-400°F 및 100psi 압력의 오토클레이브 경화용으로 설계되었습니다.

그렇다면 LSAM의 가장 큰 장점은 무엇일까요? 속도와 비용이 중요하다고 Henson은 말합니다. LSAM으로 만든 금형의 리드 타임은 금속 금형의 절반이며 재료 비용도 적습니다. "그래서 속도는 엄청난 것입니다."라고 Henson은 말합니다. “우리가 대형 첨가제를 선택한 이유는 재료 증착 속도와 툴링이 크기 때문에 구축할 수 있는 양 때문이었습니다. 우리는 정말 큰 것을 정말 빨리 만들 수 있습니다. 우리의 인화는 일반적으로 8시간에서 15시간 정도 걸립니다. 그 시간에 최대 1,000파운드 또는 1,500파운드의 재료를 사용할 수 있는 도구를 제작할 수 있습니다. 그래서 우리는 길이가 13~14피트, 높이가 5피트인 발자국을 찾고 있으며 하루도 채 되지 않아 인쇄하고 있습니다."

또한, Ascent는 이중 갠트리/이중 기능 기계를 가지고 있기 때문에 금형을 동시에 인쇄하고 마무리할 수 있습니다. "이중 갠트리가 있습니다."라고 Henson은 말합니다. "따라서 우리는 시스템의 절반에 인쇄하고 다른 절반에 기계를 인쇄할 수 있는 능력이 있습니다. 그리고 그것들을 독립적으로 실행할 수 있어 길이가 10~15피트인 것을 인쇄하고 다른 한쪽에 기계를 가공할 수 있습니다. 동일한 길이의 테이블을 만들고 이러한 작업을 동시에 실행합니다." 또한 Henson은 인쇄 및 마무리 작업이 동일한 기계에 있기 때문에 "라우터는 프린터가 재료를 놓은 위치를 알고" 있어 다운스트림 가공 프로세스의 속도가 빨라진다고 말합니다. Henson은 올바른 응용 프로그램과 올바른 고객을 위해 3D 프린팅이 기존 재료나 공정보다 더 빨리 완성되고 사용 가능한 제품을 제공한다고 말합니다.

단점? 대형 압출기를 사용한 3D 프린팅의 거의 그물 모양 측면에서 시작하는 몇 가지가 있습니다. Henson은 “우리가 하는 모든 일은 후공정 가공으로 오버빌드하는 것입니다. “LSAM이 할 수 있는 한 최대한 빨리 재료를 내려놓는 절충안은 인쇄물의 해상도입니다. 우리의 [압출된] 비드는 너비가 3/4인치이고 높이가 약 1/4인치입니다. 인쇄된 그대로의 조각을 보면 그 가리비를 볼 수 있고 느낄 수 있습니다. 100번만 부풀린 FDM 도트 레이어입니다. 따라서 온도 몰드, 트림 도구 또는 매끄러운 프로토타입 등 모든 유형의 매끄러운 표면에는 특히 항공우주 분야에서 더 미세한 마무리를 얻기 위해 일부 가공 부품이 필요합니다."

두 번째 문제는 탄소 섬유 강화 열가소성 수지가 Invar, 알루미늄 또는 강철처럼 작동하지 않는다는 사실에 있습니다. 섬유 강화 재료의 이방성 특성은 열 순환 중에 금형에서 열팽창 계수(CTE)가 매우 가변적이어서 치수 사양을 충족하는 완성 부품을 생산하기 어려울 수 있음을 의미합니다. "그것은 우리가 디자인 측면과 인쇄 측면에서 직면한 가장 큰 도전 과제입니다."라고 Henson은 말합니다. "고객이 최종 모양을 제공한 다음 구조적 관점과 CTE 관점에서 도구가 어떻게 생겼는지 파악하기 위해 약간의 모델링 작업을 수행해야 합니다." Henson은 Ascent가 시행착오, 이전 인쇄 프로그램에서 파생된 데이터 및 설계 기능을 개선하는 데 도움이 되는 고객 피드백에 의존하여 설계의 CTE 가변성을 조정하는 방법을 배우고 있다고 말합니다.

Henson은 CTE 대 속도 및 비용이라는 이러한 비용/편익의 조합은 LSAM 기능을 신중하게 배포하여 제공 가능한 기한에 대한 애플리케이션 요구 사항을 평가해야 함을 의미한다고 말합니다. Henson은 "이는 몇 달이 아니라 몇 주 만에 도구를 얻을 수 있는 정말 좋은 방법입니다."라고 말합니다. “하지만 트레이드오프에 대해 알아두세요. 완벽한 부품을 얻을 수 있는 Invar 도구처럼 반응할 것으로 기대한다면 그렇게 하지 않을 것입니다. 그러나 많은 고객, 특히 많은 R&D 및 개발 고객에게는 빠른 도구를 얻을 수 있는 정말 좋은 방법입니다."

즉, Ascent가 LSAM에서 인쇄한 금형 중 적어도 하나는 이미 비행 항공기 생산에 사용 중이며 더 확실하게 출시될 예정입니다. 그리고 회사는 LSAM 용량을 최대화하고 더 추가해야 하는 날을 그리 멀지 않은 날로 생각하고 있습니다. Henson은 회사의 소유권이 3D 프린팅의 잠재력을 보고 있으며 확장된 사용을 적극 지지한다고 말합니다.