Fraunhofer IPT, 열가소성 CFRP 엔진 팬 블레이드 생산 자동화

항공기용 재료는 높은 탄력성과 동시에 가능한 가벼워야 합니다. 두 가지를 모두 제공하는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 항공기 엔진 팬 블레이드에 점점 더 자주 사용되었습니다. ("Rolls-Royce, 세계 최대 팬 블레이드 제조 시작" 참조). 그러나 이러한 구성 요소의 생산은 오토클레이브에서 몇 시간 동안 경화되어야 하기 때문에 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 듭니다. Fraunhofer Institute for Production Technology(IPT, Aachen, Germany)의 연구팀은 CFRP 팬 블레이드 생산을 더욱 자동화하기 위해 노력하고 있습니다.

많은 CFRP 구성 요소의 생산은 이미 부분적으로 자동화되어 있습니다. 일반적으로 섬유 강화 에폭시 수지로 만들어진 사전 함침 반제품 프리프레그는 맞춤형 레이업을 만들기 위해 얇은 층으로 도포되고 배향됩니다. 그런 다음 에너지, 비용 및 시간 집약적인 오토클레이브 공정에서 압력과 열로 경화됩니다. Fraunhofer IPT는 CFRP 블레이드 제조를 더욱 자동화하여 비용 효율성을 높일 수 있는 가능성을 연구해 왔습니다.

그러나 이 연구원들은 에폭시 수지 기반 재료가 아니라 탄소 섬유 강화 열가소성 수지에 의존하고 있습니다. . 이러한 재료는 이미 수십 년 동안 비행 구조물에 사용되어 왔으며 우수한 충격 거동과 결합된 우수한 경량 구조 특성을 가지며 자동화된 방식으로 빠르고 유연하게 처리될 수 있습니다. 열가소성 수지이기 때문에 경화를 위한 화학적 가교가 필요하지 않으며, 냉각을 제어하는 ​​동안 용융 및 압력을 가하기만 하면 됩니다. 또한 재가열 및 변형될 수 있습니다.

열가소성 복합 재료는 따라서 효율적인 제조 공정에 훨씬 더 적합하다고 Dr.-Ing는 설명합니다. Fraunhofer IPT의 섬유 복합 및 레이저 시스템 기술 부서 책임자인 Henning Janssen은 다음과 같이 말했습니다. 여러 테스트 시리즈에서 그의 팀은 이제 팬 블레이드 생산을 위한 두 가지 프로세스(완전 자동화된 테이프 배치 및 성형)를 결합하는 데 처음으로 성공했습니다.

유연한 프로세스 체인:자동 테이프 부설 및 열성형

라이센스 하에 상용화된 Fraunhofer IPT의 독점 개발인 완전 자동화된 테이프 부설 시스템을 통해 단방향(UD) 강화 열가소성 테이프가 규정에 따라 서로 겹쳐집니다. 구조에 필요한 하중 방향. 이러한 방식으로, 소위 유기 시트라고 하는 다층의 고탄성 및 유연한 패널이 생성됩니다. 연구원들은 다양한 센서를 사용하여 완전히 자동화된 프로세스의 모든 단계를 모니터링하고 문서화합니다. 이런 식으로 그들은 공정 중 생산의 "블랙 박스"를 들여다보고 각 유기 시트에 대해 소위 "디지털 그림자"를 만들 수 있습니다. 이 실제 유기 시트의 가상 이미지를 통해 품질 편차를 조기에 식별하고 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

완성된 유기 시트는 다음 생산 단계에서 가열되고 열성형 공정에서 거의 그물 모양으로 성형됩니다. 이전 일련의 테스트에서 이 공정은 처음에 PA12와 탄소 섬유로 만든 16밀리미터 두께의 직물 강화 유기 시트에서 테스트되었으며 곧 PEEK 및 탄소 섬유 테이프로 만든 유기 시트로 전환될 예정입니다.

FRP 부품 밀링용 테스트 시리즈

열성형 후, 형성된 유기 시트의 가장자리가 잘리고 최종 모양으로 밀링됩니다. FRP 밀링은 이질적인 재료 구조로 인해 매우 까다롭습니다. 또한 탄소 섬유는 밀링 공구의 인선에 높은 마모 영향을 미치므로 공구 마모가 심하고 가공 품질이 불안정합니다.

공구 수명을 연장할 수 있는 한 가지 방법은 다결정 다이아몬드(PCD)로 코팅된 밀링 공구를 사용하는 것입니다. CFRP 블레이드를 더 작은 규모로 가공하려는 시도에서 연구원들은 PCD 코팅 밀링 공구의 수명이 코팅되지 않은 공구의 수명보다 훨씬 더 길다는 것을 발견했습니다. 또한 밀링 전략의 개별 맞춤 설계는 가공 품질에 긍정적인 영향을 미쳤습니다.

다양한 산업 애플리케이션 컨텍스트에서 구현

열가소성 CFRP 재료를 사용한 첫 번째 결과는 유망합니다. Fraunhofer IPT의 터보기계 사업부. “우리는 블레이드의 반경 방향과 블레이드의 앞전과 뒷날 사이에서 모두 매우 우수한 표면 품질을 얻을 수 있었습니다. 이제 개별 프로세스를 보다 면밀히 검토하고 최적화해야 합니다.”

연구 프로젝트는 향후 몇 개월 동안 계획되어 있으며, 이 프로젝트에서는 새로운 프로세스가 다양한 산업 응용 분야에서 더욱 최적화되고 검토될 것입니다. Aachen 과학자들은 특히 고성능 열가소성 PEEK를 매트릭스로 사용하고 유기 시트 내부에 센서 기술을 적층하는 데 관심이 있습니다. 후자는 제조 프로세스를 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 나중에 엔진에서 사용하는 동안 구성 요소 상태를 모니터링할 수 있습니다. 예를 들어 고정자 및 나셀 구성 요소뿐만 아니라 항공 산업 외부의 구성 요소와 같은 다른 구성 요소에 대한 프로세스 체인의 적용도 모색됩니다. Fraunhofer IPT는 프로젝트에 참여하고자 하는 관심 있는 기업을 환영합니다.