수지
산업 제조
탄소 섬유/에폭시 프리프레그는 높은 기계적 특성과 정밀한 수지/섬유 함량뿐만 아니라 레이업 및 오토클레이브 경화를 위한 취급 용이성을 제공하기 때문에 수십 년 동안 항공우주 복합 재료의 기본 재료였습니다. 그러나 항공기 및 UAM(Urban Air Mobility) 제조업체가 더 높은 생산 속도와 더 낮은 비용을 모색함에 따라 압축 성형이 매력적이어서 오토클레이브에 비해 사이클 시간이 단축되고 효율성이 향상됩니다. 가장 간단한 압축 성형은 성형 재료를 예열하고 개방된 공구 캐비티에 넣고 온도에서 수압으로 통합하는 것으로 구성되며, 이 동안 액체 열경화성 재료는 고체로 변환됩니다. 그런 다음 필요한 트리밍 및 마무리 단계를 위해 경화된 부품을 배출합니다.
프레스 성형과 프리프레그를 결합하면 프리프레그의 성능과 손쉬운 취급과 함께 효율적인 고속 공정을 제공할 뿐만 아니라 수지 주입 및 수지 이송 성형과 같은 공정 중에 건식 강화재를 액체 수지로 채우는 복잡한 공정 역학을 피할 수 있습니다. (RTM). 특히 소형 항공 구조의 경우 프리프레그 프레스 성형은 30분 미만의 택트 시간을 제공하면서도 고품질의 복잡한 형상 부품을 얻을 수 있습니다.
Solvay Composite Materials(미국 조지아주 알파레타)는 The Boeing Co.(미국 일리노이주 시카고)가 주도하는 RApid 고성능 제조(RAPM) 프로그램의 핵심 파트너였습니다. RAPM은 2015년 미국 국방고등연구계획국(DARPA, Arlington, Va.)에서 시작한 맞춤형 공급 원료 및 성형(TFF) 프로그램의 "형성" 부분입니다. 목표는 신속하고 저렴하며 민첩한 작고 복잡한 모양의 복합 부품을 제조하고 방위 응용 분야에서 가공 알루미늄과 경쟁할 수 있는 복합 재료의 능력을 향상시킵니다.
오랜 기간 동안 보잉의 방위 산업 공급업체인 Solvay는 OOA(out-of-autoclave) 에폭시 프리프레그 CYCOM 5320-1과 같은 상업용 항공우주용 및 1분 택트 타임, 비닐 하이브리드 SolvaLite 730 프리프레그
RAPM은 Solvay가 현재 CYCOM EP2750으로 상용화된 실험 시스템 XEP-2750을 테스트하고 개선할 수 있는 완벽한 기회였습니다. 이 시스템은 항공우주 및 자동차 복합재 생산을 연결하기 위해 개발되었습니다. 2020년 5월의 온라인 사이드바인 "복합재료 비용 패러다임의 혁명, 2부:성형" 기능의 이 블로그에서는 개발 및 사용된 압축 성형 공정과 CYCOM EP2750이 항공우주 및 자동차 복합재료 제조업체에 제공하는 내용을 검토합니다.
이 블로그에 대한 참조는 다음과 같습니다.
1 Boeing Company, Saint Louis, MO 63134, 2 Solvay 복합 재료, 미국 캘리포니아주 애너하임 및 3 Solvay 복합 재료, Heanor, 영국
<울> 
CYCOM EP2750은 최대 350°F의 유리 전이 온도(Tg) 균형, 우수한 노치 특성(예:개방 구멍 압축(OHC) 및 개방 구멍 장력)을 나타내는 항공 우주 강화 에폭시에 대해 Boeing이 설정한 성능 목표를 충족하도록 개발되었습니다. (OHT) — 및 내용제성. 이 새로운 클래스의 프리프레그는 1차 및 2차 공기 구조 모두에 적용할 수 있으며 여러 보강재(예:탄소 및 유리 섬유)와 호환됩니다.
CYCOM EP2750은 또한 자동 처리 및 압축 성형을 사용하여 생산을 확장할 수 있는 기능으로 개발되었습니다. 여기에는 330-370°F에서 15-30분의 온-툴 경화 시간과 350°F에서 1시간 후 경화가 포함됩니다. 30분 이하의 택트 타임으로 공구당 연간 10,000개의 부품 생산이 가능합니다.
Solvay는 RAPM 프로그램 중에 두 가지 변형된 압축 성형, 즉 스프링 프레임 성형과 이중 다이어프램 성형(DDF)을 사용했습니다. 둘 다 평평한 블랭크를 잡고 적외선(IR) 예열 단계를 통과한 후 일치하는 금속 공구 캐비티로 이동시키는 원리를 사용합니다. 그런 다음 프레스는 자동화된 프로그램에 따라 강철 주형을 닫고 공구에 남아 있는 시간 동안 프리프레그에 최대 압력을 가합니다.
스프링 프레임 몰딩과 DDF는 모두 일치하는 금속 도구를 사용하며 고속 생산을 위해 도구 가열 및 냉각을 제거하여 핫인, 핫아웃 접근 방식을 제공합니다. 둘 다 패드업, 수직 플랜지 및 3.8mm에서 8.9mm의 두께 변화가 있는 복잡한 형상 부품의 여러 유형을 성공적으로 성형하는 데 사용되었습니다. 이 부품은 영국 Heanor에 있는 Solvay의 애플리케이션 센터에서 제작되었습니다. RAPM 중에는 사용할 수 없었지만 Heanor는 이제 프리프레그 롤에서 성형 부품까지 완전 자동화된 압축 성형 라인을 갖추고 있어 EP2750 및 택트로 만든 항공우주 부품에 대해 15~60분의 택트 시간을 달성합니다. 자동차 프리프레그를 사용하는 중소형 부품의 경우 3분 이하의 시간. Solvay는 DDF 프로세스에서 다음과 같은 여러 이점을 보고 있습니다.
<울>압축 성형을 용이하게 하는 EP2750의 특징은 OOA 처리를 사용하는 보이드가 없는 라미네이트에 필요한 가장자리 호흡을 촉진하기 위해 부분적으로 함침되는 CYCOM 5320-1에 비해 자동화된 픽 앤 플레이스 처리를 위한 낮은 점착성과 완전히 함침된 특성을 포함합니다. 그러나 압축 성형은 적용되는 더 높은 압력으로 인해 매우 빠르고 강제적인 수지 흐름을 이용합니다. 예를 들어 오토클레이브 처리에서 일반적으로 사용되는 35psi 및 진공 전용 OOA 처리에서 14.7psi와 비교하여 최대 350psi(EP2750의 경우 일반적으로 최대값)가 가해집니다.
수지 함량이 CYCOM 5320-1의 36%에 비해 약간 높지만(CYCOM 5320-1의 36%에 비해 CYCOM EP2750의 경우 40%) 더 완전히 함침된 프리프레그를 사용하면 일치하는 금속 도구 캐비티에서 압축 및 경화 중에 정수압을 유지하여 건조한 영역, 일관되지 않은 경화 부품 두께(CPT), 주름 및 기타 결함이 있는 동시에 우수한 표면 품질을 보장합니다.
특히 Solvay는 수지 함량이 낮은 CYCOM 5320-1 프리프레그를 사용할 때 정수압을 증가시키기 위해 특허받은 변압기 필름을 개발했습니다. 압축 성형 전에 부품 레이업에 적용되는 Transformer Film은 수지 함량을 높이고 CPT를 RAPM 부품 성형 시험의 요구 사항에 맞추는 데 도움이 됩니다.
CW의 2020년 5월 특집 기사에서 설명했듯이 CYCOM EP2750은 RAPM의 열경화성 프리프레그 트랙에서 시험된 주요 재료 중 하나였습니다. 초기 제조 및 개발 단계에서 시험된 패스파인더 부품 포함
TS-RAPM-001 및 -009 비드 액세스 패널, TS-RAPM-002 리브 및 TS-RAPM-003 곡선 C 채널. 부품은 Boeing(전 세계적으로 여러 위치)에서 설계되었으며, 툴링은 C-Con GmbH(독일 뮌헨)에서 제작되었으며 부품은 영국 Heanor에 있는 Solvay 응용 센터에서 제조된 다음 미국 캘리포니아 Solvay Anaheim에서 테스트되었습니다. 미국 미주리주 보잉 세인트루이스
표면 품질은 비파괴 검사(NDI)를 사용하여 평가되었으며 선택된 패널은 다공성, 짧은 빔 전단, 섬유 부피 분율, 수지 함량, 경화도 및 유리 전이 온도에 대해 단면적이었습니다.
압축 성형의 높은 압밀 압력으로 인해 0.5% 미만의 다공성 수준이 쉽게 달성되었습니다. 공정 매개변수는 각기 다른 부품에 대해 최적화되어야 했지만 일단 잠기면 공정이 반복 가능한 것으로 나타났습니다.
이 600밀리미터 길이의 평평한 부분은 다양한 기하학의 평행한 구슬을 특징으로 합니다. 한쪽 모서리(패드업)의 두께는 3mm에서 6mm로 증가했으며 반대쪽 모서리는 일정한 두께로 조글했습니다. 반대쪽 가장자리는 0°에서 20°까지 선형으로 변하는 구배 각도를 가진 수직 플랜지로 구성되었습니다.
초기 시험은 레이업의 표면에 쌓인 패드업으로 실행되었습니다. 그러나 패드-업 플라이가 부품의 가장자리 근처에 위치했기 때문에 부품에서 압착될 수 있어 경화 및 다공성 동안 낮은 압력 영역이 생성되었습니다. 해결책은 라미네이트 스택 내에 패드-업 플라이를 삽입하는 것이었습니다. 패드업이 가장자리에서 멀리 떨어져 있고 주변 재료에 의해 효과적으로 고정된 이후 부분에서는 미끄러짐 및 다공성의 위험이 나타나지 않았습니다.
체류 시간이 너무 길면 증가된 다공성도 관찰되었습니다. 8분 체류를 사용하여 만든 비드 패널은 10분 체류로 만든 것보다 공극 함량이 낮습니다. 이것은 공극 함량이 10분 드웰의 경우 5.5%, 8분 드웰의 경우 0.4%인 패드업 영역에서 특히 사실입니다. 더 짧은 드웰은 높은 수지 흐름을 유지하여 섬유를 효과적으로 적시고 경화를 통해 도구 캐비티의 압력을 유지합니다.
더 긴 드웰은 전단 모서리나 단면 감소가 없는 공구 캐비티의 모서리에 근접하기 때문에 특히 패드업 영역에서 수지 흐름과 압력을 감소시킬 수 있었습니다. 따라서 공구 캐비티의 압력은 부품 모서리, 특히 단면이 더 큰 두꺼운 영역에서 감소했습니다. 여기에 압력이 없으면 패드업 플라이가 미끄러질 위험도 높아집니다. 보잉 연구원이자 RAPM 프로젝트의 수석 연구원인 게일 한(Gail Hahn)은 "공구를 설계할 때 공구 캐비티 주변의 단면 감소는 특히 다양한 두께의 부품에 대해 압력을 형성하고 유지하는 데 도움이 될 것입니다."라고 설명합니다. "캐비티의 정수압 상태를 유도하려면 어떤 형태로든 조이거나 밀봉해야 합니다."
TS-RAPM-009 비드 패널에 대한 처리 매개변수가 설정되면 가장 긴 가장자리에서 540mm를 측정한 TS-RAPM-002 리브에 대해 프로세스를 반복했습니다. 리브는 중앙에 3.3~5.2mm 두께로 쌓았고 드로우 깊이는 최종 손질된 부분에서 42mm였다. 네 모서리 모두 수직 플랜지가 특징입니다. 스프링 인 보정 각도는 비드 패널 시험 중에 결정된 다음 리브의 도구 형상에 적용되었습니다. 비드 패널 시험은 또한 스프링 프레임에서 더 높은 인장 능력과 스프링 위치 모듈성을 이끌어냈습니다.
리브는 스프링 프레임 몰딩과 DDF를 모두 사용하여 만들어졌습니다. 리브의 깊은 드로우로 인해 스프링 프레임 클램프를 부착하기 위해 여분의 재료가 필요했지만 DDF를 사용하면 이를 줄일 수 있습니다. 또 다른 문제는 공구 설계로 인해 스프링 클램프가 공구 캐비티 내에서 가까운 곳에 있어야 하는 공간이 제한된다는 것이었습니다.
경화된 플라이 두께(CPT)는 수직 모서리보다 리브의 평평한 부분에서 더 높았습니다. 수직 플랜지가 수지 씰 역할을 한다는 점을 감안할 때 부품의 기하학적 구조가 중앙의 평평한 영역 내에 수지를 유지한 것으로 생각됩니다. 이것은 중앙 평평한 영역에서 압축 및 부품 마감을 도왔습니다. 그러나 수직 플랜지는 공구를 닫는 동안 강한 전단력을 받아 표면 거칠기가 발생했지만 다공성은 발생하지 않았습니다(아래 다공성 데이터 참조). 더 낮은 벌크 재료인 CYCOM EP2750은 이러한 효과를 완화하는 데 도움이 되었습니다. 더 낮은 두께는 전단력을 줄였습니다.
품질 조사 결과 다공성이 <0.1%이고 섬유 주름/파열이 최소화된 반복 가능한 리브가 나타났습니다. 그러나 일치하는 금형 가공으로 부품 두께 편차가 최소화될 것으로 가정했지만 재료 처리 매개변수 및 완성 부품 CPT를 검토한 결과 리브 수직 플랜지의 툴링 간격은 고정되고 일정했지만 웹 두께는 함수에 따라 달라질 수 있음을 보여주었습니다. 프리프레그 수지 함량(+/-2% 미만) 및 공정 — 수지가 캐비티 내부로 이동할 수 있으므로 CPT가 플랜지와 웹 사이에서 다를 수 있습니다.
이 부품의 길이는 640밀리미터이고 최종 트림된 조각의 U자형 단면은 40밀리미터입니다. 단면의 내부 반지름은 외부 반지름보다 컸으며 두께는 좁은 단면의 6.6mm에서 넓은 쪽의 8.8mm로 증가했습니다. 두께 때문에 C-채널 부품은 이전에 논의된 부품보다 훨씬 더 무거웠습니다. 따라서 스프링 프레임에는 이전 부품보다 더 많은 부착 지점이 필요했습니다.
성형 부품의 C-스캔은 사전 통합된 블랭크를 사용하는 부품의 내부 반경에서 외부 반경으로 전파되는 주름을 강조합니다. 회색조는 주름에도 다공성이 있음을 나타냅니다.
CYCOM EP2750 프리프레그 부품의 이러한 주름과 다공성은 "이중 체류" 를 사용하여 제거되었습니다. 프로세스. 이것은 재료의 점도가 증가된 직후에 체류하는 동안 일정량의 압력을 가하는 것으로 구성됩니다. "이는 프로세스 개발 중에 언론에서 제공한 데이터와 도구를 사용하여 결정되었습니다."라고 Hahn은 설명합니다. “기본적으로 완전한 압력을 적용하기 전에 두 단계의 점진적인 압력 축적이 있습니다. 결과적으로 압력 대 시간 프로파일은 수지 점도 프로파일과 유사한 모양을 갖습니다. 벌크 두께의 초기 드웰은 재료 충전[블랭크 또는 프리폼]이 얇아지는 것을 방지하기 위해 수지 점도를 높이는 데 사용됩니다. 충전물의 두께가 상당한 경우 수지 수축으로 인한 압력 손실을 방지하기 위해 두 개의 드웰이 사용됩니다. 첫 번째 드웰은 X의 간격에 있고 두 번째 드웰은 Y
위의 그림 18은 C-채널 부품 두께에 대한 이중 드웰의 영향을 보여줍니다. 압력을 수지 점도에 맞추면 부품 내에 더 많은 수지를 유지할 수 있으며, 이는 낮은 다공성을 위해 섬유를 적시고 요구되는 공칭에 도달하지만 낮은 섬유 왜곡을 유지하기 위해 두께를 구축했습니다. 그러나 RAPM 팀은 이러한 이중 드웰 공정이 다양한 두께의 부품에서 CPT 불균일성을 유발할 수 있다는 점에 주목하면서 더 두꺼운 부품에만 선호된다는 점을 강조했습니다.
여기에서 논의된 RAPM 부품 시험은 프리프레그 압축 성형을 사용하여 항공우주 구조 부품의 고속 제조에 대한 지식을 제공했습니다. 배운 교훈:
RAPM은 프리프레그 압축 성형이 사이클 시간과 노동력을 줄이면서 고품질의 항공우주 등급 구조를 생산할 수 있음을 보여주었습니다. 이를 통해 복합 재료는 항공 우주 응용 분야에 대한 무역 연구에서 더 나은 경쟁을 하는 동시에 중량 절감 및 구성 요소 성능(예:부식, 균열 및 피로에 대한 저항성)을 높일 수 있습니다.
Solvay와 Boeing은 새로운 EP2750 프리프레그 시스템을 개선하기 위해 협력하여 재료 화학, 프리프레그 및 공정 지식과 자동화의 결합 덕분에 택트 시간을 20분으로 단축했습니다.
위에서 논의한 제조 개발 파트 외에도 RAPM은 도전하기 위한 여러 도전 및 전환 파트도 제작했습니다. 초기 개발 및 전환 방위 분야에서 가공 알루미늄과의 경쟁에서 승리할 가능성이 있는 후보자. 여기에는 다음이 포함됩니다.
이러한 부품 시험 및 기타 RAPM 제조 기능 연구에서 얻은 결과와 교훈은 2020/2021년에 발표될 예정입니다.
Solvay는 또한 376에 있는 Solvay THORNEL T650-35 표준 계수 3K 견인 탄소 섬유 5겹으로 구성된 0.0725인치 두께와 36 x 16 x 2인치 크기의 B 필러와 같은 자동차 부품에서 EP2750이 어떻게 작동하는지 설명했습니다. 그램/제곱미터 8-하네스 새틴 패브릭. 이 부품은 DDF를 사용하여 영국 Solvay Heanor에서 제작되었습니다. 오토클레이브 표준 프리프레그와 비교할 때 CYCOM EP2750과 DDF의 조합은 사이클 시간을 60%, 택트 시간을 85% 단축합니다. .
RAPM 교훈 및 추가 부품 시험
Solvay 자동차 부품 시험
수지
반복적으로 접고 구부릴 수 있는 리빙 경첩을 설계하는 것은 고사하고 플라스틱 부품을 설계하는 것도 충분히 어려울 수 있습니다. 경첩은 조립품 내의 구성 요소 수를 줄이거나 제조 비용을 줄이기 위해 플라스틱 부품 설계에서 종종 발견됩니다. 리빙 힌지는 두꺼운 플라스틱으로 둘러싸인 얇은 플라스틱 조각으로 부품을 1도에서 180도까지 접거나 구부릴 수 있습니다. 그러나 부품이 구부러지면 인장 응력이라는 변형이 발생합니다. 플라스틱이 너무 얇으면 필요한 강도를 갖지 못하고 부품이 찢어질 수 있습니다. 너무 두꺼우면 너무 많은 응력이 발생
우리는 때때로 열가소성 엘라스토머(TPE)가 열경화성 엘라스토머와 어떻게 다른지 그리고 주어진 부품에 가장 적합한 TPE가 무엇인지에 대한 질문을 받습니다. 열가소성 수지로 만든 부품과 열경화성 수지로 만든 부품의 가장 근본적인 차이점 중 하나는 부품이 형성될 때 발생하는 화학 작용과 관련이 있습니다. 이름은 본드…케미컬 본드 열가소성 엘라스토머(TPE)는 분자가 서로 결합하는 방식이 열경화성 엘라스토머와 다릅니다. 또 다른 차이점은 TPE가 기존 사출 성형 기계에서 가공될 수 있다는 것입니다. 수지는 융점 이상으로 가열되어 형태