프라운호퍼 IPT, 열가소성 CFRP 엔진 팬 블레이드 생산 자동화로 효율성 증대

항공기 소재는 높은 내구성을 갖추면서 동시에 가능한 한 가벼워야 합니다. 이 두 가지 조건을 모두 충족하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 항공기 엔진 팬 블레이드에 점점 더 많이 사용되고 있습니다(「롤스로이스, 세계 최대 팬 블레이드 제조 시작」 참조). 그러나 이러한 부품의 생산은 오토클레이브에서 수 시간 동안 경화해야 하므로 매우 시간과 비용이 많이 소요됩니다. 독일 아헨에 위치한 프라운호퍼 생산기술연구소(IPT) 연구팀은 CFRP 팬 블레이드 생산을 더욱 자동화하기 위해 노력하고 있습니다.

유연한 공정 체인: 자동 테이프 적층 및 열성형

프라운호퍼 IPT가 독자 개발하여 라이선스 상용화한 완전 자동 테이프 적층 시스템을 사용하여, 구조물에 필요한 하중 방향에 따라 단방향(UD) 강화 열가소성 테이프를 층층이 쌓아 올립니다. 이를 통해 다층의 고강도 유연한 패널, 즉 '오가닉 시트(Organic Sheet)'가 생성됩니다. 연구진은 다양한 센서를 활용해 완전 자동 공정의 모든 단계를 모니터링하고 문서화합니다. 이를 통해 생산 중인 '블랙박스'를 들여다볼 수 있고, 각 오가닉 시트에 대한 '디지털 섀도우(Digital Shadow)'를 생성할 수 있습니다. 이 실물 오가닉 시트의 가상 이미지 덕분에 품질 편차를 조기에 발견하고 적절한 대응 조치를 취할 수 있습니다.

완성된 오가닉 시트는 다음 공정에서 가열되어 열성형 공정을 통해 니어넷셰이프(Near-net-shape) 형태로 성형됩니다. 이전 시험 시리즈에서는 두께 16mm의 직물 강화 PA12 및 탄소섬유 오가닉 시트로 공정을 처음 테스트했으며, 곧 PEEK 및 탄소섬유 테이프로 만든 오가닉 시트로 확대 적용할 예정입니다.

FRP 부품 밀링 가공 시험 시리즈

열성형 후, 성형된 오가닉 시트의 가장자리를 트리밍하고 밀링하여 최종 형상을 만듭니다. 이종 소재 구조로 인해 FRP 밀링은 매우 까다롭습니다. 또한 탄소섬유는 밀링 공구 절삭날에 강한 마모성을 띠어 공구 수명이 크게 단축되고 가공 품질이 불안정해집니다.

공구 수명을 연장하는 한 가지 방법은 다결정 다이아몬드(PCD) 코팅 밀링 공구를 사용하는 것입니다. 연구진은 소규모 CFRP 블레이드 가공 시험에서 PCD 코팅 공구의 수명이 비코팅 공구보다 현저히 길다는 것을 확인했습니다. 또한 개별 맞춤형 밀링 전략 설계가 가공 품질에 긍정적인 영향을 미쳤습니다.

다양한 산업 응용 분야로의 구현

열가소성 CFRP 소재로 얻은 초기 결과는 유망합니다. 프라운호퍼 IPT 터보기계 사업부장 다니엘 하이넨(Daniel Heinen)은 "연결된 제조 공정(블레이드 제조 및 마무리)이 작동함을 입증했습니다. 블레이드 반경 방향과 전연-후연 사이에서 매우 우수한 표면 품질을 달성했습니다. 이제 개별 공정을 더 면밀히 조사하고 최적화해야 합니다."라고 말했습니다.

앞으로 몇 달 동안 새로운 공정을 더욱 최적화하고 다양한 산업 응용 분야에서 검증하는 연구 프로젝트가 계획되어 있습니다. 아헨 연구진은 특히 고성능 열가소성 PEEK를 매트릭스로 사용하는 것과 오가닉 시트 내부에 센서 기술을 적층하는 것에 관심이 많습니다. 후자는 제조 공정 모니터링뿐만 아니라 엔진에서 후속 사용 시 부품 상태 모니터링도 가능하게 합니다. 이 공정 체인을 스테이터, 나셀 부품 등 다른 부품과 항공 외 산업 부품에도 적용하는 것도 목표입니다. 프라운호퍼 IPT는 프로젝트 참여를 원하는 기업을 환영합니다.