이 블로그는 2020년 5월 특집 기사 "복합재 비용 패러다임 혁신, 2부: 성형"의 온라인 사이드바로, DARPA의 맞춤형 원료 및 성형(TFF) 프로그램의 '성형' 부분인 신속 고성능 제조(RAPM, '랩엠' 발음) 프로그램을 다룬다. 보잉사가 주도하는 RAPM은 소형의 복잡한 형상 복합 부품의 신속, 저비용, 민첩한 제조를 가능하게 한다.
RAPM 프로그램의 세 가지 소재 및 공정 트랙(수지 주입, 열경화성 프리프레그, 열가소성 성형) 모두 표면 생성(Surface Generation)이 공급한 생산-기능 사양(PtFS) 픽셀화 가열 제어 및 툴링 시스템을 사용한 시험을 포함했다. 이 시스템은 보잉 R&D 세인트루이스에 위치한다(아래 표 참조).
PtFS는 수년간 상용화되어 왔다. 이 블로그는 RAPM의 PtFS 시스템을 활용한 공정 개발에 관한 것이다. 참고 문헌:
PtFS 시스템은 모듈식으로 완전히 독립형이거나 기존 인프라의 일부를 사용할 수 있다. 통합/압축 압력을 위해 기존 유압 프레스나 유압 작동 툴 클램핑 고정구를 사용할 수 있다. 보잉 세인트루이스 PtFS 셀은 후자인 150톤 클램핑 고정구를 장착했으며 표면 생성이 설계했다. 이 성형 셀은 750×750×100mm 부품 부피를 수용한다.
보잉 세인트루이스 PtFS 셀은 위치 및 압력 제어를 포함한다. "표면 생성의 오케스트레이터 소프트웨어가 CF-OaO-RAPM PtFS 작업 셀을 제어한다"고 보잉 기술 펠로우이자 RAPM 프로그램 매니저 게일 한은 말한다. "각 툴은 변위 및 압력 튜닝을 통해 시스템에서 보정된다. 압력 보정은 가공 중 툴이 경험할 예상 압력에 유압을 튜닝하기 위해 수행된다. 툴 분리 및 변위 보정은 툴의 열림/닫힘 위치와 저속/고속 닫힘 영역을 설정하여 수동 및 자동 제어 중 툴 면을 보호한다." 위치 측정은 4개의 스트링 포텐쇼미터로 완료된다고 보잉 복합 소재 엔지니어이자 RAPM 연구원 스티븐 슈척은 설명한다. "각각은 클램핑 고정구의 가이드 포스트에 위치하여 플래튼 위치를 측정하고 작동 중 플래튼 랙킹을 식별하는 안전 방법을 제공한다. 압력 제어는 단일 인라인 압력 트랜스듀서로 완료되어 클램핑 고정구의 유압 펌프에 피드백 제어를 제공한다."
클램핑 고정구 위아래에는 상하 히터 베이스 유닛이 있다. 이들은 모든 가열/냉각 구성 요소를 포함하며 제어 캐비닛(보잉 설정에서 각 히터 베이스당 3개 캐비닛)의 출력에 따라 작동한다. 툴 면은 각 히터 베이스용으로 설계되어 레일 및 로딩 시스템을 사용하여 설치된다.
각 툴 면은 툴 면 아래쪽에 향한 압축 공기로 가열 및 냉각되며 디퓨저를 통해 분산된다. 각 세트의 매칭 금속 툴 면은 180개 개별 제어 가능한 히터 채널로 나뉜다(상부 툴 면 90개, 하부 툴 면 90개). 히터 채널은 각 툴 면을 가로지르는 그리드 형태로 10.0cm 간격으로 배치된다. 각 채널에는 히터, 2단계 압축 공기 소스, 툴 면 뒷면과 밀착 접촉을 보장하는 스프링 로드 방식의 피드백 열전대 2개가 있다. RAPM 툴 면 가열에는 히터 채널당 분당 1입방피트 압축 공기가 사용되었고 냉각에는 분당 3입방피트가 사용되었다.
RAPM의 툴 면은 약 3mm 두께로 툴 강철에서 가공되었다. TS-RAPM-001-201용 하부 툴 면이 위 그림 좌측 상단에 표시되어 있다. 툴 면 상부는 표준 스탬프 성형 툴처럼 보이지만 하부는 가열 채널을 드러낸다.
허용 가능한 형상의 툴 면은 동일한 히터 베이스용으로 설계된 다른 툴 면으로 교체 가능하다. 툴은 동일한 히터 채널 치수, 대략적인 열전대 배치, 스프링 로드 열전대 이동 범위 내의 깊이를 가져야 한다.
툴 면을 교체하는 레일 로딩 시스템은 모든 180개 스프링 로드 피드백 열전대를 툴 면 뒷면의 슬리브에 정렬한다. 핀이 툴 면을 정렬하여 정밀한 포크리프트 제어 없이 툴 로딩이 가능하다. 툴 교체는 분해 및 그림 프레임으로 툴 면 재조립 포함 2명의 작업자로 2~4시간 내 완료 가능하다.
열 질량을 줄이고 가열/냉각 속도를 개선하기 위해 가능한 한 많은 소재를 가공 제거한다. 이 때문에 RAPM에 사용된 각 툴 면은 가공 온도와 압력에서 툴 면이 견딜 수 있는지 판단하기 위해 구조 유한 요소 해석(FEA)이 필요했다. 툴 면은 선형 및 비선형 FEA와 정상 상태 및 과도 전산 유체 역학(CFD) 열 해석으로 최적화되었다. 후자는 균일한 툴 가열을 보장하는 데 도움이 되었다. 툴 두께와 각 히터 채널 내 공기 디퓨저 모두 원하는 툴 면 온도를 유지하면서 툴 면 지지에 필요한 안전 계수를 충족하도록 형상을 조정하기 위해 수정되었다. FEA와 CFD 간의 반복 루프를 통해 형상을 맞춤화했다.
히터 채널은 일반적으로 존으로 그룹화되며, 존당 히터 채널 수는 부품별로 지정된다. 각 존에는 관련된 가열 프로파일이 있으며, 존 내 및 존 간 공차는 필요에 따라 설정할 수 있다. 이를 통해 각 존의 모든 히터가 동적으로 히터 전력 레벨과 압축 공기 유량을 변화시키며 가열, 냉각 또는 온도 유지를 수행할 수 있다.
PtFS 장비 제어 소프트웨어에는 다양한 가열 시나리오에 맞출 수 있는 아날로그 및 디지털 가열 전략이 모두 있지만, RAPM 셀은 아날로그 제어를 사용한다. 이는 대상 온도에서 히터 전력 레벨을 결정하기 위한 시스템 자동 튜닝이 필요하다. 각 히터의 전력 레벨은 가열/냉각 램프 중 오버슈트나 언더슈트를 방지하고 설정 온도를 유지하도록 설정된다. 자동 튜닝은 지정된 각 온도에서 모든 히터 채널에 대해 수정된 비례 적분 미분 제어 방법의 상수 값을 자동으로 결정한다. 자동 튜닝 완료 후 각 존에 대한 가열 프로파일을 작성할 수 있다. 모든 열 프로파일은 복합 부품이 원하는 설정점의 ±5.5°C(±10°F) 이내 온도에 노출되도록 검증되었다.
보잉 PtFS 셀의 최대 온도는 440°C다. 초기에는 보잉이 하루에 여러 고온 사이클을 처리할 때 사이클 간 냉각 부족으로 특정 구성 요소가 손상될 우려가 있었다. 그러나 2019년 9~10월 냉각 시스템이 업그레이드되어 추가 팬 용량으로 열 추출이 개선되었다. 이 향상된 냉각으로 셀은 440°C에서 연속 가공이 가능하다.
대용량 상온 압축 공기를 냉각 방법으로 사용하여 툴 면 냉각은 고온 범위 상단 근처에서는 빨랐으나 60°C(140°F)에 도달하면 크게 느려졌다. 열가소성 온도(>350°C) 가열 시 툴 면 온도는 평균 41°C/분(74°F/분) 속도로 상승했다. 동일 런 냉각 시 최대 평균 냉각 속도는 36°C/분(65°F/분)이었다. 압축 공기 냉각은 더 연속적인 냉각 램프를 제공했으며 능동 열 관리(필요 시 가열)와 결합되어 냉각 중 온도가 상당히 선형적으로 유지되었다.
PtFS 작업 셀을 사용한 첫 부품 시험은 열경화성 프리프레그 압축 성형(스탬핑)으로 제작된 TS-RAPM-001 비드 액세스 커버 패널이었다. 이 부품용 툴은 RAPM PtFS 작업 셀의 180개 채널 중 112개를 차지한다. 상부 툴 면 56개, 하부 툴 면 56개 채널이다. 그러나 실제 부품은 그 툴 전체를 덮지 않고 상하 각각 56개 채널 중 30개만 덮는다. 아래 그림은 RAPM-001 부품에 사용된 78개 열전대(TC) 배치를 보여준다(상부 면 39개, 하부 면 39개, 동일 배치). TC 수는 셀(히터 채널)당 1개에 CFD 열 해석에서 식별된 핫/콜드 영역의 추가 TC들로 구성된다.
빈 툴 면의 온도 균일성을 테스트한 후 16겹 탄소 섬유 우븐/에폭시 라미네이트 중간 지점에 열전대를 임베드하여 테스트를 반복했다. 복합 소재가 추가되면 복합재가 열전달 경로 역할을 하여 툴 면 온도 분포가 더 타이트해진다. 또한 복합 라미네이트 내 온도 균일성이 툴 면 측정값보다 더 타이트했다. 런 1의 단일 TC(오른쪽 차트 상단 참조)가 원하는 온도 범위 이상으로 진동했는데, 부품 트림 라인 밖 인접 셀의 온도 변동이 원인으로 추정된다.
가공의 등온 압축 성형은 툴을 ±5.5°C(±10°F) 공차 내에서 176.7°C(350°F)로 유지했다. TS-RAPM-001의 경우 다음 시퀀스를 따랐다:
이 공정은 고품질 부품을 달성하고 현재 복합재 공정보다 낮은 사이클 타임 부품을 시연했다. 더 높은 공정 온도는 복합재를 더 빠르게 겔화시킬 수 있지만 소재 열화와 발열 반응 위험도 초래할 수 있다. 이는 PtFS 툴링이 발열 흡수를 위해 기존 대용량 열질량 대신 저열질량 툴의 후면 능동 냉각에 의존하기 때문에 우려 사항이었다.
PtFS 셀은 TS-RAPM-012 "웨이브" 챌린지 부품 제작에도 사용되었다. 이전 개발 시험을 통해 이 부품을 177°C에서 30분 등온 사이클로 경화하고 동일 온도에서 2시간 후경화하는 것으로 결정되었다. 이전 시험과의 차이점은 더 공격적인 형상과 준등방성 적층, CYCOM 5320-1 에폭시(OOA 항공우주 부품 표준)와 8해새틴 및 단방향 탄소 섬유 층 결합, 한 면에 스타일 108 우븐 유리 섬유 외부 플라이 사용이었다. RAPM PtFS 컨트롤러는 적절한 점도에 도달할 때까지 라미네이트에 최소 압력을 가하도록 프로그래밍되었다. 이 초기 단계 후 최종 압력을 가해 경화를 완료했다. 한 시험은 오븐에서 후경화했고 나머지는 시험 간 시간 단축을 위해 PtFS 클램핑 고정구에서 후경화했다. 다수의 고품질 부품이 생산되었다.
PtFS 작업 셀을 사용한 수지 주입 부품 시험은 RI-RAPM-003 커브드 C-채널 부품으로 시작했다. 세 가지 다른 에폭시 수지 시스템이 초기 시험되었다:
논크림프 패브릭 프리폼을 주입하고 분당 2°C로 지정된 드웰 온도까지 램프한 후 60분 유지한 뒤 냉각했다. 급속 경화 수지의 경우 발열 반응이 진행됨에 따라 PtFS가 자동으로 특정 툴 영역에 능동 냉각을 적용하여 지정된 부품 온도를 유지했다.
PtFS 장비는 RI-RAPM-003 부품의 갭 주입 방식을 지원하기 위한 위치 제어도 제공했다. 이 방식에서 툴은 진공 가스켓의 초기 높이로 닫혀 주입 중 1.3mm 열린 상태를 유지한다. 주입 완료 후 툴을 나머지 거리만큼 닫아 수지 방향(z-direction)으로 프리폼에 수지를 밀어 넣는다. 이 공정으로 부품이 성공적으로 제작되었다.
PtFS 장비는 열가소성 복합재로 RAPM-003 커브드 C-채널 제작에도 사용되었다. 구체적으로 복잡한 프리폼(부품 길이를 따라 32에서 24 플라이로 감소)을 테이퍼 단면을 가진 평평한 블랭크로 통합하는 데 사용되었다. 통합된 블랭크는 ATC 매뉴팩처링(미국 아이다호주 포스트 폴스)으로 보내 수직 플랜지가 있는 최종 부품을 스탬핑했다.
TP-RAPM-003 커브드 C-채널용 통합 소재는 PEEK 분말 코팅된 탄소 섬유 2x2 트윌 패브릭이었다. PtFS 작업 셀은 AZ31 마그네슘 블래더를 열가소성 차지 위로 초소성 성형하여 블래더와 차지를 PEEK 공정 온도 400°C까지 약 55분 만에 가열했다.
이 성형 온도에서 아르곤 가스를 블래더에 공급하여 열가소성 복합 소재에 통합 압력을 가했다. 셀은 블래더와 차지를 PEEK 결정화 온도 이하로 30분 만에 냉각하여 총 사이클 타임 3시간이었다.
위 슬라이드 11은 블래더 초소성 성형 및 열가소성 통합 중 가압 진행을 보여준다. 블래더가 초소성 성형 온도에 도달한 후 20psi에서 140psi로 증가하여 냉각 내내 유지되었다. 프리폼이 성공적으로 통합되어 ATC 매뉴팩처링으로 보내 이 극도로 어려운 형상의 부품이 스탬핑되었다.
PtFS 셀은 TP-RAPM-017 패널의 단일 단계 블랭크-투-파트 스탬핑에도 사용되었다. 균형 잡힌 대칭 적층의 단방향(UD) 탄소 섬유/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 테이프로 제작되었으며, 다양한 옵션과 부품 형상이 블래더 성형에 미치는 영향을 연구했다. TP-RAPM-017 패널은 40.6×40.6cm 크기에 1.3cm 높이의 완만한 윤곽을 가졌다. 세 가지 다른 부품 형상(평평함-플라이 드롭 없음, 단방향 플라이 드롭, 픽처 프레임)을 평가했는데, 두꺼운 영역 32플라이, 얇은 영역 16플라이, 중간 20:1 플라이 드롭 비율이었다. 부품 사이클 타임은 모든 형상에서 1.5시간이었다.
툴 면은 UD 열가소성 복합 테이프의 열팽창과 최적으로 매칭하기 위해 인바 42로 가공되었다. UD 테이프 플라이 키트를 절단, 적층, 초음파 용접하여 경화 툴에 넣고 385±15°C로 가열했다. 다양한 압력 사이클을 테스트했고, 부품을 220°C 이하로 냉각한 후 압력을 해제하고 탈형했다.
형상 1의 압력 사이클 예: 실온에서 20psi, 후행 열전대가 용융 온도 310°C 도달 후 140psi로 램프, 부품 열전대가 220°C 미만 측정될 때까지 분당 10°C로 압력 하 냉각. 초기 압력 20, 30, 50, 70psi를 시험했다. 압력 램프도 분당 10psi에서 15초당 10psi까지, 최대 압력 140psi까지 다양하게 시험했다.
주목할 만한 결과는 모든 패널이 초음파 택 용접된 플라이 영역에서 불량 C-스캔 결과를 보였다는 점이다. 따라서 최상의 결과를 위해 이러한 택 용접은 부품 순 트림 라인 밖에 위치해야 한다. 허용 가능한 부품이 생산되었으나 일부 부품은 플라이 가장자리에서 불량 통합을 보였다. 이는 가열 전 초기 압축 압력을 30psi로 높여 해결했다. 그러나 이 압력 증가는 블래더 측 부품 표면에 표면 거칠기/무광 마감을 유발했다. 또한 50 및 70psi 초기 압축 압력을 사용한 형상 2 패널 일부는 부품 중앙을 따라 주름이 나타났다. 이 높은 압력이 가공 중 플라이 간 슬라이딩을 방지하여 주름을 부품에 가둔 것으로 추정된다.
또 다른 변형으로 블래더 가압용 아르곤 가스를 더 저렴한 질소 가스로 대체 시도했으나 부품 품질이 저하되었다. 표면 거칠기/무광 마감으로 C-스캔 결과에서 더 높은 감쇠가 발생했으나 단면에서는 기공이 발견되지 않았다.
PtFS 작업 셀은 빠른 가열(~180°C 에폭시 경화 시 <10분)을 시연했다. 자동 툴 교체와 결합 시 빠른 부품 교체와 단기 생산 런의 복합 부품 비용 절감이 가능하다. PtFS는 등온 부품 사이클 대비 고온 동적 런에 적합하다.
보잉 세인트루이스 PtFS 셀의 능력은 RAPM 프로그램 중 크게 향상되었다. 더 나은 열 균일성과 클램프 고정구 제어를 위한 소프트웨어 업그레이드, 냉각 능력 및 열전대 제어 개선, 자동화된 프레스클레이브 압력 제어 시스템 덕분이다. 시스템이 매초 생성하고 기록하는 방대한 데이터(각 히터 채널 설정점, 히터 전력 레벨, 압축 공기 레벨 등)를 활용하면 추가 능력 향상이 가능하다. 이 데이터에 머신러닝을 적용하면 부품 품질과 공정 개선을 도출할 수 있다. 추가 소프트웨어 개선으로 과도한 에너지 요구나 특정 툴 위치의 낮은 응답성 같은 가공 이상 징후를 식별할 수도 있다.
"PtFS는 이름 그대로 '생산-기능 사양'에 따른 높은 맞춤화를 제공하지만, 새로운 툴/부품 구성에 대해 시스템을 설정하고 '튜닝'하는 데 시간 투자가 필요할 수 있다"고 한은 말한다. "RAPM용 가공 금속 툴 면 설계 대부분은 영국 표면 생성에서 제작되었다. 그러나 보잉과 표면 생성은 미국 툴 설계자와 미국 툴 제조업체를 '교육'하여 몰드 면 설계가 표면 생성 외 미국 소스에서도 수행될 수 있음을 입증했다. 그 툴 몰드 면 CMD-TP-RAPM-008-503은 TP-RAPM-008-203 단섬유 액세스 패널 제작에 성공적으로 사용되었다."
"어떤 형태의 툴 및/또는 부품 온도 제어는 모든 복합 부품 성형에 도움이 되지만, 실제 필요한 것은 중요한 영역과 시점의 온도 제어이며 이는 부품과 공정마다 다르다. 따라서 주어진 부품 성형에 실제로 필요한 온도 제어를 이해하는 것이 핵심이다. PtFS의 180개 존은 유용하지만 각 존이 툴에 가공 채널을 요구하므로 비용도 많이 든다. 부품이 외부/내부 존이나 트리거 포인트 형상을 따른 특정 존만 필요하면 다른 솔루션이 더 경제적일 수 있다. 그러나 이는 다중 공정 및 부품 유형에 유연한 복합 부품 제조 셀 개발의 최적 접근 방식에 대한 논의를 열어준다."
보잉과 DARPA는 2020년 RAPM 프로그램 완료와 추가 결과 발표를 통해 이 논의에 계속 정보를 더할 예정이다.
수지
CW 사진 | 스콧 프란시스 SAMPE 2019는 미국 노스캐롤라이나주 샬럿에서 개최되었으며, 이는 해당 행사의 해당 도시 첫 진출이었습니다. CompositesWorld가 현장에 있었고 쇼와 컨퍼런스의 하이라이트 요약을 제공합니다. SAMPE 2019에서 기조연설을 하는 보잉 CTO 그렉 하이슬롭(Greg Hyslop). CW 사진 | 스콧 프란시스 보잉 기조연설. SAMPE는 보잉사(Boeing Co., 미국 일리노이주 시카고) 최고 기술 책임자 그렉 하이슬롭(Dr. Greg Hyslop) 박사의 기조연설로 시작되었습니다.
현장의 아이디어가 가장 훌륭한 해결책이 될 수 있다는 믿음 아래, 제조업체들은 직원들이 직접 맞춤형 앱을 만들어 문제를 해결할 수 있도록 로우코드 및 노코드 프로그래밍 플랫폼을 도입하고 있습니다. 이러한 플랫폼이 등장한 배경에는 앱스토어에서 찾을 수 없는 특수 목적의 앱에 대한 수요, 숙련된 개발자 부족, 업무 과중으로 인한 IT 부서와 외주 업체의 병목 현상, 앱 개발에 드는 막대한 비용과 시간, 그리고 개발 결과물의 들쑥날쑥한 품질 문제가 복합적으로 작용했습니다. 그 결과, 글로벌 IT 리서치 및 자문 기업인 가트너(Gartn
