압축 RTM: 미래 항공우주 복합 에어로스트럭처 생산 혁신

복합소재는 고강도 경량 구조를 구현하여 금속 대비 유지보수 비용을 절감할 수 있어 상용 여객기 동체에 영구적으로 자리 잡았습니다. 차세대 광동체 및 협동체 항공기 전망에서도 복합소재 동체 비중은 계속 증가할 것으로 보이지만, 소재와 공정이 낮은 비용과 높은 생산 속도라는 까다로운 목표를 충족해야만 가능합니다. 지금까지 오토클레이브 경화 에폭시 프리프레그가 탄소섬유강화폴리머(CFRP) 동체에서 주도적인 위치를 차지해 왔으나, 차세대 항공기 개발자들은 통합 자동화와 인라인 검사를 핵심 동력으로 하는 Industry 4.0 생산을 위해 오토클레이브 외 경화(OOA) 기술을 적극적으로 추구하고 있습니다.

장비 및 자동화 공급업체인 Techni-Modul Engineering(프랑스 쿠드)와 미국 자회사 Composite Alliance Corp.(미국 텍사스 댈러스), 첨단 소재 공급업체 Hexcel(미국 코네티컷 스탬포드)의 영국 및 프랑스 사업부가 협력하여 CFRP 리브와 스트링거의 자동화된 OOA 생산을 시연했습니다. 이 부품들은 Hexcel의 건식 탄소섬유 보강재 자동 프리포밍과 압축 수지 전이 성형(C-RTM) 공정을 통해 제작되며, Hexcel HexFlow RTM6 액체 에폭시 수지의 빠른 침투로 60%의 섬유 부피 함량과 1% 미만의 보이드를 달성하고, 2.5~3.0시간의 사이클 타임으로 고속 생산을 위한 다중 부품 생산 확장이 가능합니다.

건식 보강재 개발

"액체 복합 성형(LCM)은 비용 절감, 생산 속도 확보, 1차 구조물 성능 제공이라는 세 가지 과제에 대한 해답을 제공한다고 봅니다."라고 Hexcel의 액체 복합 성형 기술 지원 엔지니어인 Rémy Pagnac은 설명합니다. Hexcel은 LCM 공정 사용 시 1차 구조물 성능 요구를 충족하기 위해 HiMax 논크림프 패브릭(NCF)과 HiTape 단방향(UD) 탄소섬유 소재를 개발했습니다. HiMax는 날개 껍질 같은 대형 평면 구조물의 빠른 적층을 가능하게 하고, HiTape는 최소한의 폐기물로 대형 복잡 구조물에 맞춤형 적층을 가능하게 합니다. "최신 세대 UD 프리프레그와 동등한 물성을 달성할 수 있습니다."라고 Pagnac은 덧붙입니다.

Hexcel은 HiMax NCF의 벌크 감소와 드레이프성 향상을 위해 20 dTex의 미세한 스티치 원사를 적용했습니다. HiMax 소재는 2016년 Hexcel이 인수한 레스터(영국)의 구 Formax 시설에서 생산됩니다. 이 시설에서 생산되는 경량 스프레드 토우 멀티액시얼은 이미 레이싱 요트, 슈퍼카, 포뮬러 1 경주차 같은 까다로운 응용 분야에 솔루션을 제공해 온 오랜 역사를 가지고 있습니다. 현재 NCF 소재는 Airbus Defense and Space(스페인 카디스)와 Danobat(스페인 엘고이바르)가 완료한 날개 데몬스트레이터 프로젝트에서 Danobat의 자동 건식 소재 배치(ADMP) 기술(건식 패브릭을 위한 자동 섬유 배치(AFP) 유형)을 사용하여 적용되었습니다(참조: "대형 에어로스트럭처를 위한 건식 패브릭 인퓨전의 실행 가능성 입증"). 또한 Airbus가 후원하는 ZAero 프로젝트에서도 스트링거 보강 날개 껍질 같은 무결점 CFRP 구조물에 사용되었습니다(참조: "복합 부품의 무결점 제조").

HiMax와 HiTape 모두 얇은 저면적 중량의 열가소성 필라멘트 베일 층을 통합하여, 건식 소재의 프리포밍과 액체 성형에 역사적으로 사용되던 분말 바인더의 필요성을 없앴습니다. HiMax의 경우 이 베일이 NCF 합판 사이에 인터리빙되고, HiTape의 경우 카본 파이버 유니테이프 양면에 베일이 적용됩니다. "이를 통해 UD 레이어를 고정하기 위해 분말 바인더를 사용할 필요가 없습니다."라고 Pagnac은 설명합니다. "HiTape는 보정된 테이프로 슬릿 테이프가 아니어서 퍼즈가 없고 폭 변동이 적어 AFP 가공이 개선됩니다. 열가소성 베일은 최종 라미네이트에 강인성을 더하며, 차세대 AFP 장비로 높은 소재 적층 속도를 달성할 수 있음을 입증했습니다." 2015년 5월 SAMPE 논문에서 Hexcel은 레이저 장착 Coriolis Composites(프랑스 케베르) AFP 장비로 0.25인치 폭 HiTape를 사용하여 초당 1미터의 적층 속도로 단일 곡률 프리폼을 제조했다고 설명했습니다. 또한 Electroimpact(미국 워싱턴 주 무킬테오) AFP 장비와 협력하여 실물 크기 스페어 에어로스트럭처에 대해 시간당 최대 150kg의 적층 속도를 시연했습니다.

항공우주용 C-RTM 적용

C-RTM은 자동차 복합소재용 고압 RTM(HP-RTM)과 함께 처음 도입되었습니다. 기존 RTM과 마찬가지로 C-RTM도 건식 섬유 프리폼을 맞춤 금형에 배치하고 액체 수지를 프리폼에 주입한 후 작동 프레스를 사용하여 열과 압력을 가합니다. 그러나 C-RTM에서는 금형이 부분적으로만 닫혀 건식 프리폼과 상부 금형 표면 사이에 간극이 남습니다(그림 1). 진공을 가하고 정량 혼합 수지를 주입한 후 프레스가 금형의 간극을 닫아 액체 수지를 전체 부품에 걸쳐 z방향으로 프리폼 안으로 강제로 주입합니다. "이 방식은 수지를 부품 평면 방향으로 주입하는 것보다 훨씬 빠릅니다."라고 Techni-Modul Engineering의 공정 엔지니어인 Thomas Chevallet은 설명합니다.

Techni-Modul Engineering은 Clean Sky 2 "최적화된 복합 구조물"(OPTICOMS) 프로젝트에서 파트너 역할을 수행하며 항공우주용 C-RTM 적용 기회를 포착했습니다. 작업 패키지 B-1.2("보다 경제적인 복합 구조물") 내에서 구성된 OPTICOMS는 통합 구조와 자동화 제조를 탐색하여 소형 항공기(예: 지역 제트기) 생산 비용을 절감하는 것을 목표로 하며, 프리프레그와 액체 수지 방식 모두를 탐구합니다. OPTICOMS는 상부 날개 껍질과 세 개의 스페어로 구성된 복합 날개 데몬스트레이터를 설계했으며, 이는 원샷 공정으로 통합 구조물로 생산됩니다. 실물 크기 날개(그림 2)는 2025년 이후 생산될 차세대 항공기를 위한 기술 성숙도 수준(TRL) 6을 향한 기술 평가 및 성숙을 위한 AIRFRAME 혁신 기술 데몬스트레이터(ITD)의 일부입니다. Israel Aerospace Industries(이스라엘 로드)가 2016년 7월 OPTICOMS의 코디네이터로 선정되었습니다. 컨소시엄에는 소형 항공기 OEM인 Piaggio Aerospace(이탈리아 사보나), Techni-Modul Engineering, AFP 장비 공급업체인 Coriolis Composites와 Danobat도 포함됩니다.

"C-RTM은 업계에서 잘 알려진 기술이었습니다."라고 Chevallet은 설명합니다. "하지만 HP-RTM에서는 여전히 대형 프레스가 필요합니다. 우리의 개발은 낮은 압력을 사용한 빠른 주입을 위해 C-RTM을 적용하여, 높은 섬유 부피, 섬유 정렬, 낮은 보이드라는 항공우주의 엄격한 요구사항을 충족하면서 더 저렴한 비용으로 항공우주 부품을 생산할 수 있게 했습니다. OPTICOMS 프로젝트에서 길이 0.7미터, 폭 0.2미터 날개 리브의 주입 시간이 40분에서 5분으로 단축되었습니다. 별도 테스트 프로그램에서 길이 900mm, 높이 150mm의 I빔 스트링거의 주입 시간도 1시간에서 5분 미만으로 단축되었습니다."

"C-RTM이 제공하는 주입 시간 단축 효과는 풀 날개 껍질이나 헬리콥터 로터 블레이드 같은 대형 부품에서 더욱 클 것입니다."라고 Chevallet은 덧붙입니다. C-RTM은 고점도 수지 주입과 저압 주입 시스템, 저톤수 프레스 사용도 가능하여 비용을 절감합니다. "C-RTM 중 금형 압력은 6바에 불과하여 HP-RTM에서 사용하는 압력보다 훨씬 낮습니다."라고 Chevallet은 설명합니다. "이 공정은 항공우주급 복합소재 품질을 달성하면서도 대형 얇은 부품과 소형 복잡 형상 부품 모두에 잘 작동합니다."

자동화된 프리포밍

더 빠르고 저렴한 수지 주입과 OOA 성형은 보다 경제적인 에어로컴포지트 생산을 위한 이 접근법의 핵심 요소이지만, 공정 체인은 여전히 소재 절단 및 적층, 프리포밍을 위한 여러 단계를 필요로 합니다. "우리에게 OPTICOMS는 자동화에 관한 것이기도 했습니다."라고 Chevallet은 말합니다. Techni-Modul Engineering은 OPTICOMS 프로젝트에 C-RTM 주입 시스템뿐만 아니라 픽앤플레이스 로봇과 열 드레이프 성형(HDF) 장비도 공급했으며, 이 모든 것이 완전 자동화된 생산 셀에 통합되었습니다.

OPTICOMS가 2016년 시작된 직후, Techni-Modul Engineering 자회사 CAC는 CAMX 2016(9월 26~29일, 미국 캘리포니아 애너하임)에서 제조 부문 ACE 장비 및 툴링 혁신상을 수상했습니다. 건식 섬유나 프리프레그로 3D 프리폼을 생산할 수 있는 이 셀은 진공 흡착 그리퍼를 사용하여 절단된 플라이를 집어 가열된 프리폼 금형에 배치하고 접습니다. Techni-Modul Engineering과 CAC는 2D 소재의 절단 플라이를 복잡하고 전개 가능한 표면으로 성형하기 위한 소프트웨어를 개발했습니다. 이 셀은 OPTICOMS와 I빔 테스트 프로젝트에서 더욱 발전되었습니다.

1단계

Techni-Modul Engineering 자동화 셀 내에서 픽앤플레이스 로봇이 자동 절단기에서 플라이를 꺼내 가열된 프리포밍 툴에 적용합니다.

2단계

프리포밍 툴은 컴팩션 테이블 위에 놓여 있으며, 힌지식 재사용 가능한 진공 멤브레인(왼쪽 파란색)이 적층 중 5~8합마다 가열 디벌크를 완료하는 데 사용됩니다.

3단계

각 스트링거 프리포밍 사이클은 하나의 C빔 프리폼(I빔 웹을 구성하는 두 개 중 하나)과 하나의 평면 플랜지 프리폼을 생산합니다. 각 I빔 스트링거에 필요한 두 세트가 여기에 표시되어 있습니다.

4단계

네 개의 I빔 스트링거 프리폼이 RTM 금형에 배치되고, 진공이 가해지며 5분 만에 수지 주입이 완료됩니다.

5단계

90분 경화 후 스트링거가 탈형되고 수지 플래시가 트리밍되어 4.5시간의 완전한 부품 사이클이 완성됩니다.

6단계 – 리브 프리포밍

로봇이 절단된 플라이를 가열된 프리폼 툴에 배치합니다. 5~8합마다 가열 디벌크를 완료하여 프리폼을 압축합니다.

디벌킹 전에 블루 이형 필름이 적용됩니다.

브리더를 사용하여 프리폼 전체에서 공기를 배출합니다.

최종 디벌크 후, 프리폼은 툴 위에서 냉각되고 컷아웃이 트리밍됩니다(아래).

"로봇 픽앤플레이스를 사용하여 전통적인 수작업 플라이 적층을 자동화했습니다."라고 Chevallet은 말합니다. "로봇이 자동 절단기에서 플라이를 집어 컴팩션 테이블 위에 놓인 가열된 프리폼 툴로 이송합니다[1단계와 6단계]. 필 오프 플라이(6단계의 파란색 필름), 브리더(6단계의 흰색 소재), 힌지식 재사용 가능한 진공 멤브레인(2단계와 6단계의 왼쪽 연한 파란색)을 적용한 후 진공과 열을 가해 텍스타일 스택을 프리성형하고 공기를 제거하면서(열 드레이프 성형, HDF) 얇은 열가소성 베일을 녹여 압축된 프리폼을 만듭니다."

"한 번에 몇 합을 압축할 수 있는지는 소재와 부품 형상에 따라 다릅니다."라고 Chevallet은 설명합니다. "날개 껍질처럼 곡률이 낮은 부품의 경우 한 번에 50합까지 압축할 수 있습니다. 하지만 OPTICOMS 리브는 90도 각도가 있고, 테스트용 I빔 스트링거는 T자 형상이어서 프리포밍 중 플라이에 주름이 생기지 않도록 주의해야 합니다." 그는 이러한 복잡한 형상의 경우 5~8합마다 압축이 필요할 수 있지만, 여전히 대량 생산 공정의 일부가 될 수 있다고 덧붙입니다: 플라이 적층, 2분 HDF 압축, 재개방 및 재적층, 최종 프리폼 툴 위 냉각 후 RTM 금형으로 이송.

"우리 자동화 셀은 합당 15초의 속도로 배치할 수 있습니다."라고 Chevallet은 말합니다. "총 20합 미만인 OPTICOMS 리브의 적층은 20분 만에 완료되었습니다. I빔 스트링거의 적층은 복잡한 형상과 두께 변화(1.2~6mm)를 포함한 라미네이트 스택으로 인해 45분이 소요되었습니다. 이는 여전히 수작업 공정보다 훨씬 빠르며 오류 위험을 줄이고 반복성과 품질을 높이며 비용을 낮춥니다."

7단계

OPTICOMS 리브용 RTM 툴은 여러 부품으로 구성됩니다.

8단계

리브 프리폼이 RTM 툴에 배치됩니다.

9단계

진공이 가해지고 수지가 주입되어 프리폼에 침투한 후 90분 경화가 진행됩니다. 여기서는 프레스가 열려 경화된 부품이 드러난 상태입니다.

10단계

탈형이 완료된 후 수지 플래시가 제거되어 4시간의 완전한 부품 사이클이 완성됩니다.

스마트 제어

Techni-Modul Engineering의 자동화된 프리포밍 셀의 또 다른 핵심 기능은 통합 제어 시스템입니다. SMART CONTROL이라고 불리는 이 시스템의 핵심은 카메라 시스템과 다용도 소프트웨어로, 가공 중 촬영한 사진을 부품의 CAD 데이터베이스와 비교하여 프리폼 형상 인식, 섬유 방향 제어, 플라이 위치 확인, 결함 및 이물질(FOD) 감지를 가능하게 합니다. SMART CONTROL 피드백은 로봇이 올바른 순서와 타이밍으로 플라이를 집어 배치하도록 지시할 뿐만 아니라, 오류 감지 시 셀 운영자에게 알립니다. "운영자가 수동으로 플라이를 제거하고 시스템을 재시작하여 교체하도록 설정할 수도 있고, 고객과 협력하여 결함 플라이 제거와 오류 수정을 위한 자동화 솔루션을 만들 수도 있습니다."라고 Chevallet은 설명합니다.

플라이 가장자리와 윤곽 감지에 사용된 동일한 광학 이미지는 섬유 방향 제어에도 사용됩니다. Chevallet은 부품이 매우 큰 경우(예: 200x200mm 대비 2미터 길이), "플라이 가장자리를 감지하기 위해 더 높은 수직 위치에서 사진을 찍는 카메라가 필요할 수 있고, 섬유 방향 확인을 위해 부품에 더 가까이 접근해야 할 수 있다. 각 부품 유형별로 이 시퀀스를 보정한다. 주름과 FOD 감지를 위해서는 다양한 결함 데이터베이스가 있고 여기에 추가할 수 있어 딥러닝 알고리즘이 시간이 지남에 따라 개선된다. 아이디어는 적응형 시스템을 갖는 것이다."라고 인정합니다.

사이클 타임과 미래 생산

OPTICOMS 리브용 프리폼은 HiMax로, I빔 스트링거용 프리폼은 HiTape로 제작되었습니다. 둘 다 Hexcel의 HexFlow RTM6 단일 성분(1K) 액체 에폭시 수지 시스템을 사용했으며, 180°C에서 90~120분의 경화 사이클을 가집니다. 이 경화는 OPTICOMS 리브와 테스트용 I빔 스트링거 모두에서 부품 사이클 타임의 가장 긴 단계입니다(표 1 참조).

현재까지 이는 항공우주 구조물 RTM에 적합한 유일한 에폭시입니다. 그러나 주입 헤드에서 혼합되는 2성분 시스템에 대한 관심이 증가하고 있는데, 이는 경화 사이클 유연성을 높이고 미리 혼합된 RTM6의 조기 반응을 방지하기 위해 필요한 냉장 운송 및 보관의 필요성을 없애줍니다.

Airbus Helicopters(독일 도나우베르트)는 SPARTA 프로젝트에서 Alpex Technologies(오스트리아 밀스)와 협력하여 HexFlow RTM6의 2성분 버전을 사용한 HP-RTM 공정으로 A350 도어 프레임에 대해 180°C에서 30분 경화를 달성했습니다. 이는 높이 2미터, 폭 200~250mm, 두께 8~10mm의 복잡한 형상의 1차 구조물입니다(참조: "비용 효율적인 CFRP 에어로스트럭처 양산을 위한 HP-RTM"). Airbus는 또한 자회사인 복합 기술 센터(CTC, 독일 슈타데)를 통해 1.5m x 0.5m CFRP 리브를 HP-RTM으로 제작하여 60% 섬유 부피와 2% 미만 보이드로 20분 성형 사이클을 달성했습니다. 작년 CTC는 여러 티어 공급업체와 협력하여 A320의 수작업 프리프레그 부품을 HP-RTM으로 전환했습니다. 그러나 2K 수지 시스템은 에어로스트럭처 생산을 위해 인증되어야 하며, CTC는 2K 수지 시스템의 혼합 품질을 현장에서 지속적으로 보장하는 능력에 대해 우려하고 있습니다. Alpex는 Netzsch(독일 젤프)와 Kistler(스위스 빈터투어)의 인몰드 센서를 사용하여 이를 달성하고자 하며, 다른 솔루션도 개발 중입니다(참조: "복합 에어로스트럭처 생산 증대를 위한 2액형 에폭시").

2K 시스템 없이도 더 높은 생산량이 가능할 수 있습니다. SPARTA 프로젝트의 도어 프레임은 180°C에서 초기 30분 경화 후 프레스 밖으로 꺼내 진공 하에서 후경화하여 열응력을 제거하고 기계적 물성을 보장했습니다. Alpex의 R&D 책임자인 Bernhard Rittenschober에 따르면 이는 추가 툴 세트가 필요하지만 프레스와 주입 장치는 하나만 있으면 됩니다. 그는 추가 툴 비용이 공정 및 프레스 비용 절감으로 상쇄되어 연간 500~1,000개 같은 낮은 생산량에서도 빠르게 회수될 수 있다고 설명합니다.

"이 데몬스트레이터들의 주요 성과는 기존 항공우주 RTM 공정에서는 UD 탄소섬유 보강재가 있는 대형 부품에 수지를 침투시키는 것이 어렵고 긴 과정이었던 반면, 짧은 수지 주입으로 1차 에어로스트럭처를 제작할 수 있다는 능력을 입증한 것입니다."라고 Pagnac은 말합니다. "우리는 이런 유형의 지능형 자동화 프리포밍과 C-RTM 가공으로 달성할 수 있는 것의 시작점에 불과합니다."라고 Chevallet은 덧붙입니다. "이는 미래 항공기를 위해 구상되는 스트링거 통합 스킨 구조물의 더 비용 효율적이고 지속 가능한 생산을 달성할 잠재력을 가지고 있습니다."