탄소 섬유/에폭시 프리프레그는 높은 기계적 특성, 정밀한 수지/섬유 함량, 적층 및 오토클레이브 경화 용이성으로 수십 년간 항공우주 복합재의 기준 소재였다. 그러나 항공기 및 도심 항공 모빌리티(UAM) 제조업체들이 더 높은 생산 속도와 낮은 비용을 모색하면서 압축 성형이 주목받고 있다. 이는 오토클레이브 대비 사이클 타임 단축과 효율성 향상을 제공하기 때문이다. 가장 단순하게 압축 성형은 성형 소재 예열, 열린 툴 캐비티에 배치, 온도에서 유압 압력으로 통합하는 과정으로, 이 동안 액체 열경화성 소재가 고체로 변환된다. 경화된 부품은 필요한 트리밍 및 마감 단계를 위해 이젝트된다.
프레스 성형과 프리프레그 결합은 프리프레그의 성능과 쉬운 취급으로 효율적인 고속 공정을 제공할 뿐만 아니라 수지 주입 및 수지 전이 성형(RTM) 같은 공정에서 건식 보강재를 액체 수지로 충전하는 복잡한 공정 역학을 회피한다. 특히 소형 항공우주 구조물의 경우 프리프레그 프레스 성형은 고품질 복잡한 형상 부품을 달성하면서 30분 미만의 택트 타임 잠재력을 제공한다.
솔베이 복합 소재(미국 조지아주 알파레타)는 보잉사(미국 일리노이주 시카고)가 주도하는 신속 고성능 제조(RAPM) 프로그램의 핵심 파트너였다. RAPM은 2015년 DARPA가 출범한 맞춤형 원료 및 성형(TFF) 프로그램의 '성형' 부분이다. 목표는 소형의 복잡한 형상 복합 부품의 신속, 저비용, 민첩한 제조를 가능하게 하고 복합재의 기계 가공 알루미늄 대비 경쟁력을 국방 분야에서 높이는 것이다.
보잉의 오랜 국방 분야 공급업체인 솔베이는 상업용 항공우주 분야에서도 비오토클레이브(OOA) 에폭시 프리프레그 CYCOM 5320-1, 자동차 분야에서도 1분 택트 타임의 비닐 하이브리드 솔바라이트 730 프리프레그 같은 새로운 솔루션의 리더였다.
RAPM은 솔베이가 실험 시스템 XEP-2750을 테스트하고 개선할 완벽한 기회였다. 이는 현재 CYCOM EP2750으로 상용화되었으며 항공우주와 자동차 복합 생산을 잇기 위해 개발되었다. 이 블로그(2020년 5월 특집 "복합재 비용 패러다임 혁신, 2부: 성형"의 온라인 사이드바)는 그 개발과 사용된 압축 성형 공정, CYCOM EP2750이 항공우주 및 자동차 복합 제조업체에 제공하는 것을 검토한다.
CYCOM EP2750은 보잉이 설정한 항공우주 터프닝 에폭시 성능 목표를 충족하도록 개발되었다. 유리 전이 온도(Tg) 최대 350°F(약 177°C), 우수한 노치 특성(예: 개구 압축(OHC) 및 개구 인장(OHT)), 내용제성 균형을 보인다. 이 새로운 등급의 프리프레그는 1차 및 2차 항공우주 구조물에 적용 가능하며 다양한 보강재(탄소 섬유, 유리 섬유)와 호환된다.
CYCOM EP2750은 자동화된 취급과 압축 성형을 사용한 생산 확대가 가능하도록 개발되었다. 이에는 330~370°F(약 166~188°C)에서 15~30분 온툴 경화 시간, 350°F(약 177°C)에서 1시간 후경화가 포함된다. 30분 이하의 택트 타임으로 툴당 연간 10,000개 부품 생산이 가능하다.
솔베이는 RAPM 프로그램 중 두 가지 압축 성형 변형을 사용했다: 스프링 프레임 성형과 이중 다이어프램 성형(DDF). 둘 다 평평한 블랭크를 고정하고 적외선(IR) 예열 단계를 거쳐 매칭 금속 툴 캐비티로 셔틀하는 원리를 사용한다. 프레스는 자동 프로그램에 따라 강철 금형을 닫고 남은 온툴 시간 동안 프리프레그에 최대 압력을 가한다.
스프링 프레임 성형과 DDF 모두 매칭 금속 툴을 사용하고 핫인-핫아웃 접근법을 제공하여 툴 가열/냉각을 없애 고속 생산을 가능하게 한다. 둘 다 패드업, 수직 플랜지, 3.8~8.9mm 두께 변형을 가진 다양한 복잡한 형상 부품을 성공적으로 성형했다. 이 부품들은 솔베이 영국 히아노 응용 센터에서 제작되었다. RAPM 기간 중에는 없었지만 히아노는 이제 프리프레그 롤에서 성형 부품까지 완전 자동화된 압축 성형 라인을 갖추고 있으며, EP2750으로 제작된 항공우주 부품은 15~60분 택트 타임, 자동차 프리프레그로 제작된 중소형 부품은 3분 이하 택트 타임을 달성한다. 솔베이는 DDF 공정의 여러 이점을 본다:
EP2750의 압축 성형 촉진 특성에는 자동화된 픽앤플레이스 취급을 위한 낮은 택, CYCOM 5320-1 대비 완전 함침 특성이 있다. CYCOM 5320-1은 OOA 공정으로 보이드 없는 라미네이트에 필요한 에지 브리딩을 위해 부분 함침되어 있다. 그러나 압축 성형은 더 높은 압력 적용(예: EP2750 일반 최대 350psi, 오토클레이브 공정 일반 35psi, 진공만 OOA 14.7psi 대비)으로 매우 빠른 강제 수지 흐름을 활용한다.
수지 함량이 약간 더 높을 뿐(EP2750 40% vs CYCOM 5320-1 36%) 더 완전 함침된 프리프레그는 매칭 금속 툴 캐비티에서 압축 및 경화 중 정수압을 유지하여 건조 영역, 불일치한 경화 합판 두께(CPT), 주름 및 기타 결함 위험을 줄이고 양호한 표면 품질을 보장한다.
주목할 점은 솔베이가 저수지 함량 CYCOM 5320-1 프리프레그 사용 시 정수압을 높이기 위해 특허받은 트랜스포머 필름을 개발했다는 점이다. 압축 성형 전 부품 적층에 적용하면 트랜스포머 필름이 수지 함량을 높여 RAPM 부품 성형 시험에서 CPT를 요건 수준으로 끌어올리는 데 도움을 주었다.
2020년 5월 CW 특집 기사에서 설명한 대로 CYCOM EP2750은 RAPM 열경화성 프리프레그 트랙에서 시험된 주요 소재 중 하나였다. 초기 제조 개발 단계에서 시험된 패스파인더 부품으로는 TS-RAPM-001 및 -009 비드 액세스 패널, TS-RAPM-002 리브, TS-RAPM-003 커브드 C-채널이 있다. 부품은 보잉(글로벌 다수 위치)에서 설계되었고, 툴링은 C-Con GmbH(독일 뮌헨)에서 제작되었으며, 부품은 솔베이 영국 히아노 응용 센터에서 제조되어 솔베이 애너하임(미국 캘리포니아주)과 보잉 세인트루이스(미국 미주리주)에서 테스트되었다.
표면 품질은 비파괴 검사(NDI)로 평가되었고 선택된 패널은 단면 절단되어 기공률, 단거리 전단 강도, 섬유 부피 분율, 수지 함량, 경화도, 유리 전이 온도 등을 분석했다.
압축 성형의 높은 통합 압력 덕분에 0.5% 미만 기공률이 쉽게 달성되었다. 공정 파라미터는 각 부품마다 최적화되어야 했지만, 일단 고정되면 공정은 반복 가능함이 입증되었다.
이 600mm 길이 평평한 부품은 다양한 형상의 평행 비드를 특징으로 했다. 두께가 한 모서리에서 3~6mm로 증가(패드업)하고 반대쪽 모서리는 일정한 두께 조글을 가졌다. 반대쪽 에지는 0°에서 20°로 선형 변화하는 드레프트 각도의 수직 플랜지를 가졌다.
초기 시험은 패드업을 적층 표면에 쌓아 진행했다. 그러나 패드업 플라이가 부품 에지 근처에 위치하여 부품 밖으로 짜낼 수 있었고, 이는 경화 중 저압 영역과 기공을 초래했다. 해결책은 패드업 플라이를 라미네이트 스택 내부에 인터리빙하는 것이었다. 패드업이 에지에서 떨어져 주변 소재에 의해 효과적으로 고정되는 나중 부품에서는 미끄러짐과 기공 위험이 보이지 않았다.
드웰 타임이 너무 길면 기공률 증가도 관찰되었다. 8분 드웰로 제작된 비드 패널이 10분 드웰보다 낮은 보이드 함량을 보였다. 이는 특히 패드업 영역에서 두드러졌는데, 10분 드웰 시 보이드 함량 5.5%, 8분 드웰 시 0.4%였다. 짧은 드웰은 높은 수지 흐름을 유지하여 섬유를 효과적으로 적시고 경화 중 툴 캐비티 압력을 유지한다.
긴 드웰은 수지 흐름과 압력 감소 특히 툴 캐비티 에지에 전단 에지나 단면 감소가 없는 패드업 영역에서 압력 감소를 허용했다. 따라서 툴 캐비티 압력이 부품 에지에서 감소했으며, 단면이 더 큰 두꺼운 영역에서 특히 그랬다. 이 영역의 압력 부재는 패드업 플라이 미끄러짐 위험도 악화시켰다. "툴링 설계 시 툴 캐비티 주변의 단면 감소는 특히 두께가 변하는 부품에서 압력 구축과 유지에 도움이 된다"고 보잉 연구 펠로우이자 RAPM 프로젝트 수석 연구원 게일 한은 설명한다. "캐비티 내 정수압 상태를 유도하기 위해 일종의 핀칭이나 씰링을 제시해야 한다."
TS-RAPM-009 비드 패널의 가공 파라미터가 확립된 후 TS-RAPM-002 리브에 공정을 반복했다. 최장 에지 540mm인 이 리브는 중앙에서 3.3~5.2mm로 두께가 증가하고 최종 트림 부품 기준 드로 깊이는 42mm였다. 네 모서리 모두 수직 플랜지를 가졌다. 비드 패널 시험 중 스프링인 보상 각도가 결정되어 리브 툴 형상에 적용되었다. 비드 패널 시험은 더 높은 장력 능력과 스프링 위치 모듈러리티로 이어졌다.
리브는 스프링 프레임 성형과 DDF 모두로 제작되었다. 리브의 깊은 드로로 인해 스프링 프레임 클램프 부착을 위해 여분 소재가 필요했으나 DDF 사용 시 감소 가능했다. 또 다른 이슈는 툴 설계가 툴 캐비티 근처에서 스프링 클램프를 위한 공간을 제한했다는 점이다.
경화 합판 두께(CPT)는 리브의 평평한 부분에서 수직 에지보다 높았다. 부품 형상이 수지를 중앙 평평한 영역에 가두어 수직 플랜지가 수지 씰 역할을 했다고 추론되었다. 이는 중앙 평평한 영역의 압축과 부품 마감을 도왔다. 그러나 수직 플랜지는 툴 닫힘 중 강한 전단을 겪어 표면 거칠기를 유발했으나 기공은 없었다(아래 기공 데이터 참조). 더 낮은 벌크 소재인 CYCOM EP2750이 이 효과를 완화했다. 낮은 두께가 전단을 줄였기 때문이다.
품질 조사 결과 0.1% 미만 기공률과 최소 섬유 주름/웨이브로 반복 가능한 리브가 생산되었다. 그러나 매칭 몰드 공정으로 부품 두께 변동이 최소화될 것이라 가정했음에도, 소재 가공 파라미터와 완제품 CPT 검토 결과 툴링 갭이 리브 수직 플랜지에서 고정되고 일관된 반면 웹 두께는 프리프레그 수지 함량(±2% 미만)과 공정 함수로 변동할 수 있었다. 수지가 캐비티 내부에서 이동하도록 허용됨에 따라 플랜지와 웹 간 CPT 변동이 발생할 수 있다.
이 부품은 640mm 길이로 최종 트림 피스 기준 40mm 깊이 U-섹션을 가졌다. 내경이 외경보다 크고 두께가 좁은 섹션 6.6mm에서 넓은 끝 8.8mm로 증가했다. 두께가 상당하여 이전 부품들보다 훨씬 무거웠다. 따라서 스프링 프레임은 이전 부품들보다 더 많은 부착점이 필요했다.
예비 통합된 블랭크 사용 시 내경에서 외경으로 전파되는 주름이 성형 부품 C-스캔에 나타났다. 회색 스케일은 주름이 기공도 동반함을 나타낸다.
이 주름과 기공은 CYCOM EP2750 프리프레그 부품에서 "더블 드웰" 공정으로 제거되었다. 이는 소재 점도 빌드업 직후 드웰 동안 일정 압력을 가하는 것이다. "이는 프레스와 툴이 공정 개발 중 제공한 데이터를 사용하여 결정되었다"고 한은 설명한다. "기본적으로 최대 압력 적용 전 두 단계의 점진적 압력 빌드업이 있다. 결과적으로 압력-시간 프로파일이 수지 점도 프로파일과 유사한 형태를 가진다. 벌크 두께에서 초기 드웰을 사용하여 수지 점도를 높여 차지[블랭크 또는 프리폼]의 얇아짐을 방지한다. 차지 두께가 상당하면 두 드웰을 사용하여 수지 수축으로 인한 압력 손실을 방지한다. 첫 드웰은 갭 X, 두 번째는 갭 Y에서, Y < X이다."
위 그림 18은 더블 드웰이 C-채널 부품 두께에 미치는 영향을 보여준다. 압력을 수지 점도에 맞춤으로써 더 많은 수지가 부품 내에 유지되어 섬유를 적시어 낮은 기공률로 양호한 적층을 만들고 두께를 요구 공칭치까지 높였으며 낮은 섬유 왜곡을 유지했다. 그러나 RAPM 팀은 이 더블 드웰 공정이 두꺼운 부품에만 유리함을 강조했다. 두께가 변하는 부품에서는 CPT 불균일을 유발할 수 있기 때문이다.
여기 논의된 RAPM 부품 시험은 프리프레그 압축 성형을 사용한 항공우주 구조 부품 고속 제조 지식에 기여했다. 교훈:
RAPM은 프리프레그 압축 성형이 사이클 타임과 노동력을 줄이면서 고품질 항공우주급 구조물을 생산할 수 있음을 보였다. 이는 복합재가 항공우주 응용 분야 트레이드 스터디에서 더 잘 경쟁할 수 있게 하며 중량 절감과 부품 성능(내식성, 내균열성, 내피로성 등) 향상을 제공한다.
솔베이와 보잉은 새로운 EP2750 프리프레그 시스템을 공동으로 개선하여 소재 화학, 프리프레그 및 공정 지식, 자동화 결합으로 20분까지 택트 타임을 달성했다.
위 제조 개발 부품 외에도 RAPM은 초기 개발을 도전하고 기계 가공 알루미늄 대비 국방 분야에서 경쟁력 있는 후보를 전환하기 위한 여러 챌린지 및 전환 부품을 생산했다. 여기에는:
이 부품 시험과 기타 RAPM 제조 특성 연구의 결과와 교훈은 2020/2021년 발표될 예정이다.
솔베이는 EP2750이 자동차 부품에서 어떻게 수행되는지도 보여주었다. 예를 들어 36×16×2인치 크기, 0.0725인치 두께의 B-필라 크기 부품으로 솔베이 THORNEL T650-35 표준 모듈러스 3K 토우 탄소 섬유 376g/m² 8해새틴 패브릭 5플라이로 구성되었다. 이 부품은 솔베이 영국 히아노에서 DDF로 제작되었다. 표준 프리프레그 오토클레이브 대비 CYCOM EP2750과 DDF 조합은 사이클 타임 60% 감소, 택트 타임(생산 라인에서 한 부품 시작부터 다음 부품 시작까지 - 즉 라인의 펄스 타임) 85% 감소를 제공한다.
수지
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