노보테크(Novotech, 이탈리아 나폴리)는 1992년 나폴리 대학 "페데리코 2세"에서 스핀오프로 시작되었으며, 레오나르도 레체(Leonardo Lecce) 교수가 설립했다. "우리는 일반 항공 기업들을 지원하고 이탈리아 전역에 R&D 서비스를 제공했다"며, 현재 노보테크 CEO인 레체는 말한다. "항공기 부품 구조 해석을 제공하고 항공기 개발 지원도 했다."
보잉 787용 복합재 동체 섹션을 만드는 레오나르도 공장 근처에 위치한 노보테크는 2014년부터 복합재에 집중하기 시작했다. 코리올리스 컴포지츠(Coriolis Composites, 프랑스 케벤)에서 자동 섬유 배치(AFP) 셀을 구매하고, 수지 주입과 열가소성 복합재 제조를 포함한 오토클레이브 외(OOA) 가공, 특히 AFP를 이용한 인시투 콘솔리데이션 분야에서 특수 전문성을 개발했다.
노보테크는 수많은 산업 연구 프로젝트에 참여해 왔다:
"우리는 또한 영국 사이텍(Cytec)과 신규 복합 소재 및 공정 개발에 특별한 관계를 맺고 있다"고 레체는 말한다. 사이텍은 솔베이에 인수되었으며, 참조되는 위치는 영국 히너의 솔베이 복합 소재로, 최근 RAPM 프로그램을 통해 테스트된 이중 다이어프램 성형 공정 등 오랜 혁신 역사를 가진 사이트다. "우리의 마지막 그런 활동은 PEEK(폴리에테르에테르케톤)와 PEI(폴리에테르이미드)를 새로운 복합 소재로 결합하는 새로운 혁신적 프레스를 사용하는 OOA 열가소성 공정 개발이었다." 이 새로운 소재, 장비, 공정은 이제 NHYTE 프로젝트에서 AFP 인시투 콘솔리데이션과 용접을 사용하여 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 항공기 스트링거로 시연되었다.
유럽 위원회 호라이즌 2020 프로그램 지원을 받는 NHYTE는 2017년 5월부터 2020년 10월까지 수행된 연구 프로젝트다. "NHYTE는 비정질 본딩을 사용하여 열가소성 복합재(TPC)의 지속 가능한 온도 및 공정 조건을 가능하게 하는 것"이라며, NHYTE 프로젝트 코디네이터이자 노보테크 CTO인 마르코 바릴레(Dr. Marco Barile) 박사는 설명한다. 이 비정질 본딩(아래 다이어그램 참조)은 NHYTE 파트너인 레오나르도(이탈리아 로마) 항공구조물 사업부가 특허한 개념으로, 이탈리아 남부에 여러 생산 시설을 보유하고 있다.
"NHYTE에서 개발된 소재로, 반결정성 PEEK 폴리머의 400도 C 바로 아래 온도에서 가공하는 대신 비정질 PEI 층의 215도 유리 전이 온도(Tg) 바로 위에서 가열함으로써 AFP 인시투 콘솔리데이션(ISC)의 현재 소재 한계를 극복할 수 있다. PEI의 용융과 냉각도 PEEK만큼 제어할 필요 없이 더 빠르다." 바릴레는 이 개념이 다른 비정질 열가소성 수지에도 사용될 수 있다고 언급한다. PEI는 PEEK와 잘 결합되며, 여러 AFP 항공기 구조물 시연기에서 입증된 소재이기 때문에 선택되었다.
NHYTE에서 개발된 이 새로운 소재는 노보테크가 설계한 연속 프레스에서 생산되었다. 오르마 마키네(Orma Macchine, 이탈리아 베르가모)가 프레스 본체를 공급했고, 코멕 이노베이티브(COMEC Innovative, 이탈리아 키에티)가 권선 및 풀림 모듈을 제공했다. "이 프레스는 연속 롤 소재를 만들 수 있고, 이를 슬릿 테이프로 절단하여 AFP 기계에 사용한다"고 바릴레는 말한다. 세 가지 다른 소재가 이미지 왼쪽에서 프레스로 들어간다. "위아래에 PEI, 중간에 PEEK가 있다"고 바릴레는 설명한다.
반결정성 폴리머인 PEEK는 1차 구조물에 필요한 높은 기계적 특성을 제공하고, 비정질 PEI 층은 본딩을 위한 빠르고 간단한 용융을 제공한다. "프레스 플레이트를 따라 소재의 압력과 냉각을 제어하는데, 프레스 시작 부분에서 약 400도 C에서 끝 부분에서 200도 C 미만으로 한다. 결과는 세 입력 층의 조합인 하나의 소재다."
이 새로운 종류의 열가소성 테이프는 제조 중 이미 콘솔리데이션되어 AFP 중에는 비정질 본딩을 위해 PEI 층만 용융 및 압착하면 된다. 결과는 레오나르도 특허에 표시된 대로 완전 콘솔리데이션된 PEEK-PEI 테이프와 PEI-PEI 층으로 구성된 라미네이트다. 이 AFP 공정은 현재 시판 중인 항공우주급 소재를 사용한 현재 AFP ISC 대비 더 적은 장애물을 제시한다. 내 2018년 인시투 콘솔리데이션 특집 2부에서 설명했듯이, 현재 AFP ISC는 테이프와 기판을 용융 온도로 가열하고, 테이프를 기판에 배치한 후 롤러로 콘솔리데이션하여 냉각 공정이 정밀하게 제어되어 반결정성 폴리머가 구조적 특성을 위해 충분히 높은 결정성(30-40%)과 낮은 기공률(<3-5%)을 달성하도록 한다.
AFP ISC 비평가들은 그것이 너무 느리다고 주장한다 - "두 단계" 방법(빠른 AFP 레이업 후 오븐 또는 오토클레이브에서 2차 단계로 라미네이트 완전 콘솔리데이션/열응력 어닐링)의 600-700mm/s 대비 60-100mm/s 레이다운 속도. "우리 소재로 일반적인 인시투 콘솔리데이션만큼 느리지 않은 AFP 레이다운 속도를 달성할 수 있고, AFP 중 필요한 가열도 300도 C 이하로 유지할 수 있다"며, "현재 우리가 가진 표준 소재와의 성능 격차를 좁힐 수 있다"고 바릴레는 말한다. 여기서 바릴레는 열가소성 복합재 AFP ISC를 보잉 787과 에어버스 A350 항공기에 사용된 열경화성 복합재와 비교한다. "동체 섹션 같은 대형 구성품에서 문제는 오토클레이브 경화 사용 시 경제성이다. 열가소성 수지는 더 경제적인 생산 공정을 가능하게 하지만, 현재 시판 중인 항공우주급 소재로는 높은 온도와 느린 AFP 속도가 문제다. 우리 접근법은 이 이슈들을 해결하는 데 도움이 된다. 연속 프레스를 통해 테이프에서 약 30% 결정성을 달성할 수 있다. 따라서 그 결정성이 부품에 있고 AFP 중에는 비정질 층만 작업하면 된다. 아직 실험적 소재로 개선 가능하지만, NHYTE 프로젝트 목표는 구조적 항공우주 애플리케이션에 사용할 수 있는 원스텝 제조 공정을 갖는 것이다."
"첫 다층 테이프 소재들은 여기서 노보테크에서 만들어졌다"며, 바릴레는 말한다. 이 테이프들은 사빅(Sabic, 사우디아라비아 리야드) 울템 1000 언필드 슬릿 필름을 PEI로, 솔베이 APC-2/AS4 탄소섬유 강화 PEEK 테이프를 사용했다. 총 두께는 ~0.26mm로, PEI 층이 1 또는 2밀(.001 또는 .002인치) 두께였다. 프로젝트 1단계에서 두 변형의 다중 쿠폰을 층간 전단 강도(ILSS) 테스트하여 하이브리드 열가소성 소재 제조 공정을 검증했다. 작은 쿠폰들은 NHYTE 파트너 어플러스 래버러토리스(Applus Laboratories, 스페인 바르셀로나)에서 인장 및 압축 강도와 탄성률, 오픈 홀 압축(OHC), 채워진 홀 인장, 충격 후 압축(CAI), 육안 확인 가능 충격 손상(BVID), 유체 컨디셔닝 후 특성을 포함한 전체 기계적 특성 범위로 테스트되었다.
"우리는 열가소성 복합재 테이프 공급업체들과 같은 경험이 없어 소재 품질은 개선될 수 있다. 예를 들어, 섬유 부피가 두께 방향으로 낮음에서 높음으로 변하여 테이프와 라미네이트의 특성, ILSS 포함에 영향을 미친다. 하지만 NHYTE는 개념을 시연하는 것이 목표였고, 우리는 그것을 달성했다."
위 이미지에서 볼 수 있듯이, 새 소재에 대한 AFP 공정 최적화에는 상당한 실험 작업이 필요했다. "우리는 또한 실험 설계(DOE) 접근법으로 AFP 파라미터를 최적화했고, 남브르타뉴 대학(USB, 프랑스 로리앙) NHYTE 파트너가 개발한 도구로 예측 수치 시뮬레이션을 통한 레이저 가열 부하 개선을 했다."
이 시뮬레이션은 먼저 APC-2 테이프에 사용되어 예측 도구 품질을 검증한 후 새 다층 소재에 적용되었다. 이 작업에 대한 논문이 Composite Structures 저널에 제출되었다. "닙 포인트에서 열전도도를 모델링한다"며, "수치 시뮬레이션에서 예측된 것을 실험적으로 검증한다. 이는 인시투 콘솔리데이션 공정 중 레이다운 속도, 폴리머 용융 흐름, 복합 라미나 에이징[쿠킹] 사이의 최적 타협점을 결정하는 데 필요하다. 여러 변수의 균형이다. 들어오는 테이프가 이미 배치된 테이프 위로 온도 감소하는 것을 본다. 이 온도 변화를 관리하면 라미네이트의 잔류 응력을 줄일 수 있다. 그래서 레이다운 중 온도 변화를 평가했다. 경로 형상과 라미나 방향에 따라 가열을 커스터마이징해야 한다."
다음 단계는 스트링거 시연기 제작이었다. 먼저 고정 프레스로 만든 소규모 샘플, 그 다음 연속 스트링거 성형 공정 시연기로 산업용 부품 생산에 필요한 것을 검증했다. 이 스트링거들은 R&D 기관 CETMA(이탈리아 브린디시)가 개발한 유도 용접으로 AFP 동체 스킨 패널 시연기에 부착되었다.
새 다층 소재가 유도 용접에 이점을 제공했는가? "기본적으로 동일하게 처리됐다"며, "그러나 우리 새 소재가 표준 테이프 대비 더 적은 양의 탄소섬유를 가져 CETMA가 용접 공정 파라미터를 정의하기 쉽지 않았다." 스트링거 시연기들과 최종 동체 패널 시연기는 어플러스에서 테스트되었다. NHYTE 프로젝트 파트너 바스 대학(영국 바스)과 레오나르도 항공기도 NDI로 패널과 스트링거 품질을 평가했다.
"우리는 많은 쿠폰과 소형 부품, 대형 시연기를 만들었다"며, 바릴레는 말한다. "어플러스 테스트 결과는 현재 표준 대비 제조 공정의 낮은 비용을 고려하면 매우 좋다. 표준 열가소성 테이프 소재 대비 강도와 강성 특성에서 20-25% 낮지만, 이를 개선할 공정 개선점을 식별했다."
NHYTE는 2020년 10월 30일 종료됐다. "우리가 염두에 둔 모든 개선점을 포함하는 새 프로젝트로 진행하려는 게 우리의 생각"이라며, "소재 제작 방법, AFP 인시투 콘솔리데이션, 연속 성형, 유도 용접으로 가공하는 방법을 입증했다. 이제 산업화를 위해 추가 최적화가 필요하다." 노보테크는 새로운 파트너로 풍부해진 같은 컨소시엄으로 진행하려 한다.
주목할 점은 레오나르도도 유도 용접과 빠르게 가열 및 냉각 가능한 TPC 테이프로 AFP 인시투 콘솔리데이션 개선을 작업 중이다. 또한 IMDEA 머티리얼즈 인스티튜트(스페인 마드리드)와 피담크(FIDAMC, 스페인 마드리드) 연구자들의 PEI/PEEK 다층 복합재에 대한 고무적 결과가 최근 발표되었는데, 후자는 수년간 AFP 인시투 콘솔리데이션 리더였다. 더 많은 기술 논문은 NHYTE 간행물 참조.
신규 일반 항공을 위한 스마트 윙(SWING)은 피아지오 에어로스페이스(Piaggio Aerospace, 이탈리아 빌라노바 달벤가)의 승인으로 시작되었으며 이탈리아 경제 개발부(MISE)가 공동 자금 지원한다. 노보테크 외에 이탈리아 프로젝트 컨소시엄은 기술 개발 기업 프로톰(Protom, 나폴리)을 코디네이터로, 라에르 에어로노티컬 매뉴팩처링(Laer Aeronautical Manufacturing, 아이롤라), A. 아베테 에어로스트럭처스(A. Abete Aerostructures, 놀라), 항공우주 설계 전문 기업 이탈시스템(ItalSystem, 아벨리노)으로 구성된다. SWING 목표 중 하나는 피아지오의 P.180 아반티(Avanti) 전진 날개를 시연 플랫폼으로 사용하여 자동화된 오토클레이브 외(OOA) 복합재 공정(AFP 및 액체 수지 주입(LRI) 포함)을 소형 항공기의 비용 효율적이고 지속 가능한 생산에 적용하는 것이다.
"아이디어는 P.180 전진 날개를 단 두 개의 주요 부품으로 생산하는 것: 통합 스트링거와 스파를 가진 상부 패널과 하부 패널, 둘 다 몰딩"이라며, 레체는 말한다.
"우리에게 이것은 영국 솔베이 공인 연구소로서의 작업에서 시작됐다. 2015년부터 AFP, LRI, 열가소성 복합재를 위한 신소재와 공정에 협력해 왔다. 우리는 솔베이 프리즘 TX1100 드라이 파이버 테이프를 AFP용 건식 프리폼 제작에 사용했다. 이 프리폼들은 솔베이 프리즘 EP 2400 터프닝 에폭시 수지로 주입되어 오븐에서 경화되었다. 우리는 클린 스카이 2 그린 지역 항공기 프로그램의 AIRGREEN 2 프로젝트 프레임에서 이 작업을 했고, 그 후 SWING 프로젝트에서 계속 진행했다." 프리즘 TX1100과 프리즘 EP 2400은 통합 항공기 법인(United Aircraft Corporation)에 의해 상업용 항공기 최초의 수지 주입 날개 생산에 적격 판정받았는데, 이는 아에로컴포짓(AeroComposit)이 제조한 이르쿠트 MS-21 단일 통로 제트라이너였다.
몰딩된 상부 및 하부 패널은 구조용 접착제로 결합된 후 내년 정적 시험될 예정이다. "병렬로, 우리는 코베스트로(Covestro, 독일 레버쿠젠)의 수지 블렌드와 TX1100 드라이 테이프 기반의 또 다른 복합재를 특성화 중인데, 특히 더 높은 생산 속도를 요구하는 부문에 대해 항공우주급 수지의 유효한 대안이 될 수 있다"며, 바릴레는 덧붙인다. "이 수지는 그 시스템만큼 고성능은 아니지만 주입에 잘 작동하고 윙 박스 요구 사항을 충족한다. 비용을 줄이려면 어떤 타협이 있어야 한다. 이 개발이 AFP 기술을 일반 항공에 도입하는 데 기여하길 희망한다. 자동차 부문에도 사용될 수 있다."
노보테크는 또한 2019년 시작되어 2021년 종료될 클린 스카이 2 프로젝트 TRINITI - 항공기용 다중 소재 열가소성 고압 질소 탱크 - 에서도 작업 중이다. 노보테크의 이 프로젝트 진입은 다시 이탈리아 항공우주 기업과의 개발에서 진화했다. "우리는 현재 필라멘트 와인딩 공정 대비 발사체용 극저온 연료 탱크 생산에 우리 다층 테이프를 사용한 AFP 잠재력을 검증하고 있었다"며, 바릴레는 설명한다. "본질적으로 TRINITI는 NHYTE와 유사한 다층 소재 개념을 개발한 다음 AFP 인시투 콘솔리데이션으로 탱크를 만들 것이다."
"FW 대비 AFP의 장점"이라며, 그는 계속한다, "원하는 곳에 소재를 배치할 수 있다. 필라멘트가 부품을 지속적으로 감는 것에 제약받지 않는다. 필라멘트 와인딩 중 소재를 자를 수 없어 엔드 캡에 많은 소재가 있는 탱크를 고려해보라. AFP로 원하는 곳에서 섬유/테이프를 자르고 재시작하면 소재가 필요한 곳에만 사용된다. 따라서 가스 투과 방지에 중요한 테이프 간 간격 관리가 가능하다. 필라멘트 와인딩으로 이걸 하려면 소재를 더 늘려야 한다. AFP에서는 슬릿 테이프를 사용하므로 토프레그(towpreg)가 아니다. 그리고 인시투 콘솔리데이션으로 오토클레이브가 필요 없다. AFP가 실행 가능하고 매우 경제적인 대안이 될 수 있음을 입증했다."
"현재 CETMA가 다층 소재의 사양 대비 성능을 평가하기 위해 가스 투과 테스트를 수행 중"이라며, 바릴레는 말한다. 주제 관리자인 디엘 에비에이션(Diehl Aviation, 독일 길힝 및 드레스덴)이 항공기 화재 진압 시스템용 고압 장기 저장 질소 탱크 요구 사항을 제공했다. 이 탱크들은 지상에서 -55°C~85°C, 비행 중 -40°C~70°C, 최대 1,000바 압력을 견뎌야 한다.
"목표는 무게와 제작 단계 감소"라며, 그는 언급한다. "그러나 이 방법의 제조 비용은 정의되어야 한다. 불필요한 소재를 배치하지 않아 무게가 절약되지만, 필라멘트 와인딩이 AFP보다 더 빠른 공정이다." 또 다른 요소는 이런 유형의 탱크가 일반적으로 금속 또는 플라스틱 라이너를 가지고 있으며 CFRP로 오버랩된다는 점이다. 바릴레는 TRINITI가 라이너리스(Type V) 탱크를 시도하고 있다고 말한다. "저기공 AFP 라미네이트로 가스 투과를 피할 것이다. 지금 소재와 공정의 다양한 조합으로 CETMA에서 테스트 중이며 다운셀렉션 준비 중이다. 그런 다음 프로토타입 탱크를 만들 것이지만, 탱크 설계는 다운셀렉션된 소재와 최종 공정에 의존한다. 그래서 지금 그것을 향해 작업 중이다. 테스트 활동은 CTL 컴포지츠(CTL Composites, 아일랜드 골웨이)가 수행할 것이다."
도전적인 프로젝트 SEAGULL은 3년 전 시작됐다. "우리의 목표는 새로운 복합재 제조 기술, 하이브리드 전기 추진, 우리가 개발하고 특허받은 자동 폴딩 윙을 통합한 신세대 소형 수상비행기를 개발하는 것"이라며, 레체는 설명한다. "단거리 이착륙(STOL) 항공기로 수직 이착륙(VTOL) 항공기와 경쟁하지만 더 경제적인 것을 의도했다. 이것이 어떤 표면에서도 조작 가능한 개인용 항공기가 될 수 있고 미래 항공 및 모빌리티에 중요한 가능성이 될 것이라고 믿는다."
SEAGULL 팀은 하이브리드 추진 시스템을 테스트했고, 최초 수상 프로토타입을 제작했으며 10월 수상 테스트를 시작했다. "이 테스트가 완료되면 몇 달 내에 비행 프로토타입을 만들 것"이라며, 레체는 말한다. "일반 항공에서 50년 이상 경험을 가진 중요한 기업들로 구성된 매우 경험 많은 팀이다."
SEAGULL 비행 프로토타입은 복합재 동체, 꼬리, 날개를 특징으로 할 것이다. "다시 AFP와 수지 주입을 사용한 자동화 제조 적용을 추진할 것"이라며, 바릴레는 말한다. "이 공정들을 사용한 복합재의 주요 이슈 중 하나는 소재 비용이다. 사실 우리가 하려는 것은 비용 측면에서 더 민주적인 소재와 공정 조합을 찾는 것이다."
수지
재활용성은 열가소성 복합재(TPC) 사용의 오래된 약속된 혜택이었지만, 아직 대규모 상업적 활용은 이루어지지 않았습니다. 소재 공급업체 텐케이트 어드밴스드 컴포지츠와 열가소성 복합재 연구센터(TPRC)는 1차 제조사 GKN 포커와 협력하여 2016년 그러한 공정을 시연했습니다. 팀은 GKN 포커의 걸프스트림 G650 엘리베이터와 러더 생산에서 발생한 스크랩 텐케이트 세텍스 TC1100 직조 탄소섬유/폴리페닐렌 설파이드(CF/PPS) 소재를 사용하여 액세스 도어 패널을 개발했습니다. 생산 폐기물은 다진 후 TPRC가 설계한 공정과 금
내화 복합소재 수지 시장의 주요 공급업체 및 제품 동향 이 블로그는 2월 특집 기사 중량 증가 없이 화재 견디기의 후속입니다. 해당 기사 인터뷰에서 애쉬랜드(Ashland), 폴린트(Polynt), 스콧 베더(Scott Bader) 세 수지 공급업체가 언급되어 이들을 심층 취재했습니다. 주요 제품 포트폴리오 애쉬랜드의 대표적인 내화 복합소재 수지는 MODAR(Modified Acrylic Resin)로 비할로겐계입니다. 할로겐계인 헤트론(Hetron) 폴리에스터 또는 비닐에스터 제품도 제공합니다. 스콧 베더의 크레스타폴(Crest
