열유속 센서를 이용한 RTM 공정 가속화

 

항공기 중량의 3-5%를 차지하는 랜딩 기어는 항공기 효율 향상을 위한 경량화 목표로 오랫동안 주목받아 왔다. 이는 에너지 및 배출가스 저감 전기 추진 시스템으로의 임박한 전환으로 더욱 중요해졌다.

예를 들어, 사프란 랜딩 시스템(Safran Landing Systems, 프랑스 벨리지)은 항공기 랜딩 기어 휠에 통합된 전기 모터로 엔진 끄고 전기 택싱을 가능하게 하여 NOx, CO₂, CO, 미연소 탄화수소 배출을 각각 51%, 61%, 73%, 62% 줄인다. 이는 더 지속 가능한 항공의 큰 승리지만, 전기 모터에는 전력이 필요하고 이를 공급하는 배터리는 무겁다.

따라서 경량 랜딩 기어 구조에 대한 수요는 복합소재 적용에 완벽해 보이지만, 한 가지 문제가 있다. "랜딩 기어는 단일 하중 경로 구조이므로 구조 부품 고장이 심각한 비상 착륙 상황으로 이어질 수 있습니다."라고 GKN 포커 랜딩 기어(GKN Fokker Landing Gear, 네덜란드 헬몬트) 기술자 피트 베르고웬(Peet Vergouwen)은 말한다. GKN 포커 랜딩 기어는 10년 넘게 복합소재 랜딩 기어 구조의 기술적 실현 가능성을 입증해 왔으며, F-35 라이트닝 II용 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 드래그 스테이 브레이스 개발도 포함된다. "중요성 때문에 랜딩 기어 구조는 상업용 항공기에서 가장 보수적인 부품 중 하나입니다." 따라서 대부분 고강도 금속으로 제조되어 왔다.

그러나 조류가 바뀌기 시작했다. 클린 스카이 2(Clean Sky 2)는 HECOLAG(High Efficiency Composites LAnding Gear) 프로젝트에서 두 가지 응용 분야에 대해 CFRP 부품으로 30% 중량 감소를 추구한다. 첫 번째 응용 분야에서, A350-1000 노즈 랜딩 기어용 기존 알루미늄 어퍼 드래그 스테이(upper drag stay)의 CFRP 대안이 개발되었다. 원래 리에버-에어로스페이스(Liebherr-Aerospace, 독일 린덴베르크)가 개발 및 제조했다. HECOLAG 파트너인 네덜란드 왕립 항공우주 센터(NLR, 마르크네세)와 GKN 포커 랜딩 기어가 이 CFRP 드래그 스테이를 리에버 요구사항에 맞게 설계했다. 자체 개발한 자동화된 프리포밍 기술로 NLR이 CFRP 드래그 스테이 기능 시제품을 제작했고, GKN 포커 랜딩 기어가 테스트했다.

HECOLAG에서 평가 중인 두 번째 응용 분야에서, NLR과 GKN 포커 랜딩 기어는 전기화된 메인 랜딩 기어용 CFRP 로워 사이드 스테이(lower side stay)를 사프란 랜딩 시스템과 공동 개발했다. CW 는 올해 후반 HECOLAG 프로젝트 전체 결과에 대해 별도 보도할 예정이지만, 여기서는 GKN 포커 랜딩 기어가 토픽 매니저로 이끄는 INNOTOOL 4.0 하위 프로젝트에 초점을 맞춘다. 이는 수지 전이 몰딩(RTM)을 사용한 CFRP 랜딩 기어 구조의 고도 자동화 생산을 발전시키는 것이다. 구체적으로, INNOTOOL 4.0은 센서 통합 툴링을 시연하여 더 작고 가벼운 툴로 더 빠른 생산 사이클, 더 쉬운 취급, 에너지 소비 감소, 자동화 증대로 비용 절감 및 복합소재 4.0 지능형 공정 제어를 실현하고자 한다. INNOTOOL 4.0 프로젝트는 EU 호라이즌 연구 및 혁신 프로그램의 클린 스카이 2 공동 수행 기구 지원으로 GAP No. 821261 하에 자금 지원된다.

 

INNOTOOL 4.0 목표

이 두 번째 HECOLAG 부분의 데몬스트레이터(첫 이미지 참조)는 더 일반적인 부품이라고 베르고웬은 설명한다. "단일 통로 항공기에 필요한 성능, 생산 속도, 비용을 제공할 부품 설계, 시뮬레이션, 제조 방법론을 시연하기 위한 것입니다." 2017년 말까지 HECOLAG 컨소시엄은 초기 CFRP 데몬스트레이터 부품과 생산 툴을 정의하고, 툴 열 거동을 분석하고, 성능 시험을 실시했다. 이 크고 복잡한 제품은 예비 설계 검토를 통과하고 그해 기술 성숙도 수준(TRL) 4에 도달했다. "첫 데몬스트레이터의 문제점과 교훈을 바탕으로 RTM 툴링 기술을 개발하여 경화 사이클을 최적화하고 단축할 파트너를 찾았습니다."라고 베르고웬은 말한다. 2018년 클린 스카이 2 파트너 공모가 발행되어 INNOTOOL 4.0 컨소시엄에 수여되었는데, 이는 장비 및 자동화 공급업체 테크니-모듈 엔지니어링(TME, 프랑스 쿠드)과 수지 주입 전문 기업 아이소젯 이큅먼트(Isojet Equipements, 프랑스 코르바)로 구성된다. 이들은 2019년 4월 작업을 시작하여 2021년 3월 초기 마일스톤을 완료했다.

"복합소재 부품은 단조 강철과 알루미늄과 비용 경쟁력이 있어야 합니다."라고 GKN 포커 랜딩 기어의 베르고웬은 말한다. "자동화로 인건 시간을 매우 낮추고 현재 항공우주 등급 오토클레이브 경화 CFRP보다 저렴한 소재를 사용해야만 가능합니다."

따라서 INNOTOOL 4.0은 RTM 툴링에 센서를 통합하여 수지 흐름 전선 감지를 포함한 주입 및 경화 공정을 모니터링하고 관리하고자 했다. "목표는 완전히 자동화하는 것입니다. 프리폼을 적재하고 버튼을 누르면 성형 장비가 온도, 압력, 진공, 경화를 관리합니다."라고 TME 상업 이사 스테판 베송(Stéphane Besson)은 말한다. 그러나 이는 GKN 포커 랜딩 기어와 TME가 경화 모니터링을 처음 작업하는 것이다. "이전에는 온도와 압력 센서로 작업해 보았지만, 수지 흐름과 중합용 센서는 처음입니다."라고 베송은 말한다.

INNOTOOL 4.0 프로젝트 초기 마일스톤은 TME와 아이소젯이 NLR에 센서 장착 성형 툴과 주입 시스템을 납품하여 2021년 3월과 4월 데몬스트레이터 부품 생산에 사용하는 것이었다. 병행하여 TME는 기존 CFRP 플레이트 생산용 툴(크기 600 x 600mm, 두께 1-8mm)을 동일한 센서로 수정하여 자사 시설에서 공정 제어 시험에 사용했다. "이건 처음엔 작은 규모로 하는 게 낫습니다. 큰 툴에 고비용 부품으로 바로 가는 것보다."라고 베르고웬은 말한다. 따라서 TME는 다른 툴을 사용했지만 같은 센서로 능력과 깊이를 보여주었다. 이 테스트 완료 후 NLR이 메인 HECOLAG 툴을 재사용하여 새로운 CFRP 데몬스트레이터 라운드를 생산하여 실제 부품에서 공정 제어를 추가 최적화할 예정이다.

 

RTM 생산 툴 설계

TME는 다쏘 시스템(Dassault Systèmes, 프랑스 벨리지-빌라쿠블레)의 CATIA V5 소프트웨어로 기계 및 전기 설계를, ANSYS(미국 펜실베이니아주 캐논스버그)로 열 및 기계 시뮬레이션을 하여 RTM 툴 설계를 제작했다. 이 툴은 아이소젯의 피스톤 기반 1K-2K(1액형 및 2액형 수지용) 시스템과 짝을 이루어 헥셀(Hexcel, 미국 코네티컷주 스탬포드) 헥플로우(HexFlow) 2K RTM 6과 솔베이(Solvay, 미국 조지아주 알파레타) 1K PRISM EP 2400 단일 성분 항공우주 등급 에폭시 수지를 최대 20바 주입 압력으로 주입한다.

"이 성형 툴 형상이 매우 복잡합니다."라고 베송은 말한다. "3D 건식 프리폼의 다양한 두께와 폐쇄형 관형 형상이 결합되어 있습니다. 이는 복잡한 두께 전이를 만들며, 프리폼 조합, 플라이 끝 정확도, 내부 온도 기울기, 수지 수축, 가열 방법과 내부 맨드릴 가열 용량 최적화를 통한 짧은 사이클 타임 구현 등의 이슈가 있습니다. 짧은 사이클 타임을 위해 툴의 모든 요소가 사용하기 간단하고 견고하며 빠른 가열과 냉각을 허용해야 합니다." INNOTOOL 4.0 프로젝트가 잠시 비금속 금형 솔루션을 요청했지만, 성형 중 주름 최소화와 섬유 정렬 보장에 필요한 압력 때문에 일반적인 매칭된 상하 강철 금형 세트가 고안되었다.

매칭된 상하 금형과 맨드릴은 가열 및 냉각된다. "매칭 금형은 통합된 물 순환 회로를 사용하고 맨드릴은 전기 가열됩니다."라고 베송은 설명한다. "물 순환으로 빠른 가열과 냉각이 가능해 부품 사이클 타임을 줄이고, 전기 가열은 공간이 제한된 맨드릴에서 동일한 효과를 냅니다."

"또 다른 과제는 맨드릴의 부품 수였습니다."라고 베송은 말한다. "복잡한 형상과 성형 후 맨드릴 제거 필요성 때문에 자체 가열되는 6개 구성 요소와 센서가 통과하여 내부 맨드릴 조각 온도를 제어하는 2개 지지 요소로 구성되었습니다. 사용 시 베이스 지원이 작업자를 안내하여 손으로 이 요소들을 조립합니다." 팽창식 맨드릴 솔루션 작업은 더 큰 HECOLAG 프로젝트 내에서 완료될 예정이지만, INNOTOOL 4.0 하위 프로젝트에는 포함되지 않았다.

 

열유속 센서

TME는 처음에 수지 흐름과 경화 모니터링을 위해 유전체 센서 사용을 계획했다(복합소재 경화 모니터링을 위한 AC 및 DC 유전체 측정 결합 참조) 하지만 TFX(스위스 본쿠르트) 열유속 센서로 전환했다. "개발이 진행되면서 폴리머와 제어 대상 복합소재와 직접 접촉하지 않고 측정할 수 있는 센서를 원했습니다."라고 TME 프로젝트 매니저 호르헤 로페즈 토레스(Jorge Lopez Torres)는 설명한다. "TFX 센서는 열유속을 측정하는데, 이는 소재를 통해 전파되기 때문에 이를 가능하게 합니다." 그는 이것이 본질적으로 차등 주사 열량계(DSC)와 같은 측정이라고 지적한다. DSC는 폴리머나 복합소재의 경화 상태를 분석하는 실험실 기술이다. 주목할 점은 TFX 센서와 DSC 테스트 모두 중합/경화 중 방출되는 열을 측정하여 열유속 대 온도와 시간 곡선을 결과로 낸다는 것이다.

TFX 센서의 온도 데이터는 열유속 센서 내부의 내부 온도 센서에서 나온다. 유전체 센서도 마찬가지로 내부 온도 센서를 갖추고 있지만, 두 센서는 매우 다르다. "유전체 센서는 경화 중 폴리머 특성을 직접 측정합니다."라고 TFX 매니저 파비앙 카라(Fabien Cara) 박사는 설명한다. "열유속 센서는 주어진 순간의 소재 상태를 주지 않습니다. 그러나 수지 흐름과 중합 중 생성된 열을 측정하면 공정이 어떻게 거동하는지, 각 부품 생산마다 경화 사이클이 얼마나 반복 가능한지 잘 알 수 있습니다. DSC처럼 전체 경화 곡선을 봐야 하지만, 경화 모니터링 능력은 매우 신뢰할 수 있습니다."

수십 년의 경험

2000년 써모플럭스(Thermoflux)로 설립된 TFX 센서는 전 세계 100개 이상 고객이 R&D 센터와 산업 애플리케이션에서 시험 사용해왔다. "우리는 15년 전부터 RTM 작업을 시작했습니다."라고 카라는 말한다. "처음엔 BMW 자동차 부품과 현재 인스티튜트 드 수드르(Institute de Soudure, 프랑스 생타볼드)로 알려진 기술 센터와 함께했습니다. 2006년과 2012년, RTM과 3D 직조 프리폼으로 제작된 항공기 엔진 팬 블레이드 경화 모니터링을 위한 두 개의 대형 프로젝트를 시작했습니다. 사프란은 파리 인근 복합소재 연구실에서 사용할 데이터 수집 시스템을 우리가 개발했습니다. 동시 최대 100개 신호(열유속, 온도, 압력)를 기록하고 경화 및 공정 사이클 모니터링을 위해 분석할 수 있습니다." TFX 센서는 헥셀의 프랑스 레 아베니에르(Les Avenières) 연구실에서도 열경화성 수지가 건식 프리폼에 주입될 때 품질과 공정 사이클 모니터링에 사용되었다. TFX 센서는 IRT-M2P(프랑스 포르셀레트)와 압축 RTM 시연 프로젝트(자세히 알아보기)에도 사용되었다. "우리 센서는 SMC와 BMC 몰딩 컴파운드를 포함한 압축 몰딩 같은 빠른 공정에 매우 효율적입니다."라고 카라는 말한다. "2016년 헌츠만 어드밴스드 머티리얼스(스위스 바젤)와 '1분 이내 오토클레이브 품질의 구조용 에폭시 부품' 개발로 JEC 혁신상을 수상하기도 했습니다."

TFX는 복합소재 성형 공정 유형마다 센서를 보유하는데, 센서로의 열전달 방식에 기반한다: 전도(RTM, 압축 및 사출 성형), 대류(오토클레이브, 오븐), 복사(필라멘트 와인딩, AFP). INNOTOOL 4.0 프로젝트에 사용된 센서는 금속 RTM 금형 내 매립용으로 설계된 전도형이다. "툴 표면과 복합소재로부터 최대 1밀리미터 거리에서 예외적으로 반복 가능한 신호를 제공합니다."라고 카라는 말한다.

TME는 매칭 생산 툴셋의 상부 금형에 수지 진입부와 수지 출구부에 각각 하나씩 TFX-191 센서 두 개를 설치하여 NLR에 보냈다(Fig. 1, 2). NLR은 이 생산 툴로 2021년 3월과 4월 HECOLAG 데몬스트레이터 부품을 제작했다. TFX-191 센서는 두꺼운 금속 툴용이다.

병행하여 TME는 샘플 CFRP 플레이트 제작용 작은 사내 툴을 가져와 더 얇은 툴용으로 더 짧은 TFX-224 센서 두 개로 수정했다(Fig. 3). 이 RTM 플레이트 툴셋은 위에서 설명한 INNOTOOL 4.0 목표에 따라 센서 시연 시험에 사용되었다. "이 센서는 사프란용으로 사용한 것과 유사하지만, 이제 훨씬 더 콤팩트하고 민감하게 개선되었습니다."라고 카라는 말한다. 센서는 부품 중심 근처와 수지 출구 근처에 배치되었다. 열유속 센서 외에 TFX는 두 개의 데이터 수집 시스템을 개발 및 공급했다. 하나는 아이소젯에, 다른 하나는 TME의 CFRP 플레이트 시험용으로 사용되었다.

 

INNOTOOL 4.0 시험 결과

TFX 센서로 수정된 TME의 플레이트 툴 시험은 두 가지 다른 수지(헥플로우 RTM 6과 PRISM EP 2400)와 부품 두께 및 전체 경화 시간의 영향을 테스트했다. "센서가 경화 사이클 모니터링에 좋은 신호를 제공했습니다."라고 카라는 말한다. "팀이 경화 곡선을 분석한 결과, RTM 6의 경화 시간을 규정 2시간에서 최소 30분 단축할 수 있음을 보였다."

이는 아래 곡선에서 볼 수 있는데, t=0시간은 주입 시작 시점이다. 참고로, 경화 시간은 온도가 180°C에 도달하면 시작하고, 경화 끝은 상대 경화도 99%에 해당한다(오른쪽 세로축 참조). 경화 끝은 원시 열유속 안정화와도 일치한다.

이는 경화된 부품의 동적 기계 분석(DMA)을 사용한 경화 상태 측정으로 검증되었다. DMA는 복합소재의 유리 전이 온도(T_g)를 측정하는 DSC 대체 실험실 기술이다. "DMA 결과, RTM 6 수지의 경우 180°C에서 90분 경화 후 T_g가 변하지 않음이 확인되었습니다."라고 그는 덧붙인다.

두께 영향도 조사했다. "TME가 센서 시연 시험에서 처음 테스트한 CFRP 플레이트는 2밀리미터 미만 두께였습니다."라고 카라는 말한다. "이 플레이트들은 높은 섬유 부피(50-60%)와 느린 경화 사이클을 가져 발열과 잠재적 열 응력 및 부품 품질 문제를 방지했습니다. 이 모든 것이 항공우주 부품에 매우 일반적이지만, 수지가 매우 적어 수지 반응으로 방출되는 열유속 양이 작았습니다. 즉, 툴과 부품 가열이라는 열유속의 바다 속에서 수지 경화로 인한 열유속의 바늘을 찾는 격이었습니다."

카라가 설명하듯, "대부분 항공우주 RTM 경화 사이클은 한 온도에서 수지를 주입한 후 더 높은 두 번째 온도로 램프업하여 경화합니다. 따라서 주입 완료 후 툴을 경화 온도로 가열하면 전체 시스템에 큰 열유속이 발생합니다." 그러나 DSC 테스트와 마찬가지로 열유속 센서로 경화를 모니터링하는 핵심은 중합/경화 중 방출된 열을 측정하여 성형 시스템 내 열유속 대 온도와 시간 곡선으로 표시하는 것이다. "그래서 우리는 금형 가열과 그 열이 부품으로 전도되는 베이스라인을 빼서 수지 반응의 열유속을 식별할 수 있는 방법을 고안했습니다."

따라서 초기 얇은 플레이트 공정 조건이 매우 도전적이었지만, 카라는 "수지 반응의 열유속을 여전히 볼 수 있었습니다. 하지만 더 두꺼운 부품도 만들어 두께에 따른 열유속 레벨 차이를 정확히 확인할 수 있었고, 이는 얇은 부품에서의 경화 모니터링을 검증했습니다."라고 말한다. 위 곡선(첫 사진에도 표시)은 3.2밀리미터 두께 플레이트에서 RTM 6 수지로 얻은 것이다.

그러나 수지 흐름 전선 감지 결과는 더 문제가 있었다. "출구 근처 센서에서는 흐름을 잘 볼 수 있었지만, 수지가 매우 늦게 도착한 중심부 센서에서는 그렇지 않았습니다."라고 카라는 말한다. "열유속 센서로 흐름 전선 감지하려면 수지 흐름이 국소 열장에 변화를 일으켜야 합니다. 이는 수지가 프리폼과 다른 온도일 때 발생합니다." 그는 ΔT가 0.1°C보다 크면 감지 충분하다고 말한다. "하지만 얇은 CFRP 플레이트 시험에서 금형 내 온도가 매우 균일하고 수지가 매우 느리게 도착했습니다. 따라서 열적 대비가 전체 시스템의 열적 노이즈 대비 수지 도착 감지에 충분하지 않았습니다. 그러나 러너(프리폼과 금형 가장자리 사이 간격, 'RAPM의 복잡한 형상 부품 제조' 참조) 덕분에 출구에서 수지 도착이 더 빨라 더 큰 열적 대비가 생성되어 감지와 모니터링이 더 쉬웠습니다."

카라는 센서 내부에 통합 가열 기능을 갖춘 TFX가 개발한 새로운 액티브 센서로 이 수지 흐름 전선 모니터링을 개선할 수 있다고 제안한다. "이를 통해 본질적으로 열적 대비가 어려운 부품과 공정에서 센서가 필요한 열적 대비를 제공하는 데 도움을 줄 수 있습니다."라고 그는 설명한다.

 

복합소재 공정 제어 역량 확장

"우리는 지금까지 완료한 작업에 만족하지만, 이는 첫걸음일 뿐입니다."라고 토레스는 말한다. "목표는 이 열유속 센서를 생산 환경에서 복합소재 가공 관리에 사용하는 것입니다." 카라는 센서 시스템에서 수지 도착 시 주입 장비로, 경화 곡선에서 제로 기울기 시 프레스로 신호를 자동 전송하여 가능하다고 말한다. 토레스는 TME가 주입 머신과 RTM 프레스용 공정 제어 시스템을 보유하여 온도와 압력을 관리한다고 덧붙인다. "다음 단계는 TFX 센서를 이 제어 시스템에 통합하여 노트북에서 전체 공정을 관리하는 것입니다." 카라는 TFX 센서와 데이터 수집이 압력 센서(예: 키슬러, 스위스 빈터투어)와도 작동하여 전체 공정 제어를 돕고, 자사가 열유속, 온도 및 압력을 단일 통합 장치로 측정하는 센서를 개발 중이라고 말한다.

하지만 이 공정 제어가 경제적일까? 카라는 모니터링 시스템 초기 투자 1만-3만 달러가 개발 단계에서 시험 착오 감소로 인한 공정 및 부품 이해도 향상으로 일반적으로 회수된다고 말한다. "시스템은 이후 생산 단계에서 사이클 타임 단축, 반복성 보장, 드리프트나 부적합 조기 감지로 절감 효과를 제공합니다."

GKN 포커의 베르고웬은 사이클 타임 단축과 비용 개선 능력이 입증되면 "INNOTOOL 4.0과 HECOLAG 프로젝트에서 시연된 랜딩 기어 부품 유형뿐만 아니라 모든 유형의 부품에 복합소재를 적용할 수 있을 것입니다. 그러면 설계 공간이 열리고 경량 랜딩 기어의 경계를 더욱 밀어붙일 수 있게 될 것입니다."라고 믿는다. 베송은 더 넓은 적용을 본다: "이런 유형의 공정 제어는 모든 종류의 금형과 복합소재 부품에 개발될 수 있습니다."