항공우주 중량 절감을 위한 열가소성 플라스틱

Victrex, Tri-Mack 및 Safran Cabin이 개발한 항공기 보관함 브래킷은 PEEK 수지로 오버몰딩된 2개의 탄소 섬유/PAEK 인서트를 통합합니다. 그 결과 50%의 질량 감소, 20%의 비용 절감 및 구매 대 비행 비율의 상당한 개선이 이루어졌습니다. 출처 | 빅트렉스

금속성 항공 구조를 열경화성으로 변환하는 경우 합성물, 날개, 동체 및 꼬리 구조와 같은 낮은 행잉 과일의 대부분이 선택되었습니다. 차세대 항공기에서 열가소성 복합재료는 대형 구조물에서도 중요한 역할을 할 것입니다. 그러나 오늘 전환 기회가 있습니다. 열가소성 수지의 경우 .

그러한 부품 중 하나는 거의 볼 수 없지만 매우 중요한 유형인 내부 하중 지지 브래킷입니다. 이것은 격벽, 화장실, 조리실 및 수하물 보관함을 항공기의 바닥과 동체에 부착하는 브래킷(현재 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 티타늄)입니다. 이 브래킷은 부착되는 대상에 따라 다양한 모양과 크기로 제공됩니다. 그 자체로는 이러한 브래킷의 무게가 그다지 크지 않습니다. 그러나 각 항공기는 수백 개의 브래킷을 사용하기 때문에 총 중량이 상당합니다.

항공기 인테리어 전문업체인 Safran Cabin(미국 캘리포니아주 헌팅턴 비치)은 이를 인지하고 최근 열가소성 복합소재 전문업체인 빅트렉스(영국 손튼 클리블리스)와 제작업체인 트라이-맥 플라스틱 매뉴팩처링(미국 버지니아주 브리스톨)에 의뢰하여 알루미늄 보관함을 개조했습니다. VICTREX PEEK(폴리에테르에테르케톤) 150CA30 폴리머로 오버몰딩된 VICTREX AE 250 탄소 섬유/폴리아릴에테르케톤(PAEK) 단방향(UD) 테이프로 만든 새로운 디자인의 캐빈 브래킷

오버몰딩된 브래킷의 물리적 테스트. 출처 | 빅트렉스

브래킷에는 베이스 중앙에서 돌출된 두 개의 수직 인서트가 있는 직사각형 베이스가 있습니다. 베이스에는 패스너를 수용할 수 있도록 각 모서리에 하나의 몰드인 구멍이 있습니다. 또한 각 인서트에는 부착 핀 및 기타 하드웨어를 수용할 수 있도록 정점 근처에 구멍이 있습니다. 인서트는 탄소 섬유/PAEK 소재로 만들어집니다. 베이스는 PEEK 수지로 오버몰딩됩니다.

Victrex와 Tri-Mack은 Safran Cabin과 협력하여 설계 기능을 구현하고 주요 성능 매개변수를 충족하는 데 필요한 재료, 부품 설계 최적화, 처리 및 도구 전문 지식을 제공했습니다. Safran Cabin은 항공우주 서비스 및 인증 환경에 적용할 수 있도록 설계 및 제조에 대한 전문 지식을 제공했습니다.

Victrex의 Aerospace 이사인 Tim Herr는 적층체를 만들기 위해 탄소 섬유/PAEK UD 테이프를 놓는 Dieffenbacher(Windsor, Ontario, Canada) Fiberforge 기계로 인서트를 제작한다고 말했습니다. 이 라미네이트를 압착하여 가장자리를 다듬은 다음 워터젯 절단으로 인서트를 만듭니다. 워터젯 절단 중에 각 인서트는 오버몰딩 동안 기계적 인터록 표면을 생성하기 위해 베이스에서 부채꼴 모양으로 만들어집니다.

그런 다음 인서트를 도구에 넣고 PEEK를 사출 오버몰딩합니다. Herr는 "오버몰딩할 때 PAEK 복합 인서트와 사출 성형된 PEEK 재료 사이에 매우 강한 결합을 생성합니다."라고 말합니다. Herr는 이 인에이블러의 핵심은 PAEK와 PEEK의 고유한 조합이라고 말합니다. PAEK는 PEEK보다 공정 온도가 약 40°C 낮습니다. 이 온도 편차는 두 부품 사이의 친밀하고 내구성 있는 결합을 촉진합니다. Herr는 "PAEK의 발명 없이는 이러한 유형의 하이브리드 성형이 불가능했을 것"이라고 주장합니다.

하중 조건에서 브래킷 성능의 시뮬레이션 이미지를 설계합니다. 출처 | 빅트렉스

이 설계/공정 조합에는 광범위한 시뮬레이션, 분석, 프로토타이핑 및 물리적 테스트가 필요했으며, 이를 통해 빅트렉스는 인서트 변형, 수지 흐름 지연, 결합/계면 실패 및 보이드를 비롯한 여러 설계 및 공정 결함을 식별했습니다. 이를 통해 설계자는 설계를 최적화하기 위해 도면 보드로 돌아가고 제조 엔지니어는 프로세스 최적화를 위해 사출 성형기로 다시 보냈습니다. 최종 설계/공정 조합은 이러한 문제를 극복하고 열가소성 복합재 오버몰드 브래킷의 실행 가능성을 입증했습니다.

초기 프로토타입 브래킷은 Tri-Mack에서 생산되었습니다. 원래 알루미늄 부품과 비교하여 프로토타입 합성물은 20%의 비용 절감, 50%의 중량 절감 및 5배 더 나은 구매 비율을 달성했습니다.

Safran Cabin의 R&T 엔지니어인 Tyler Smithson은 "각 케이스마다 많은 하중, 제약 조건 및 노출 조건이 있는 항공기 브래킷 및 유사한 구조 부품에 대한 많은 요구에 응답해야 합니다."라고 말합니다. "성공의 열쇠는 여러 프로젝트에 사용할 수 있는 유연한 복합 플랫폼을 개발하여 부품 수와 설계 복잡성을 낮추고 시장 출시 시간을 단축하고 수익 창출 시간을 단축하는 것입니다."

빅트렉스는 하이브리드 오버몰딩 공정이 상업용 항공우주 고객이 스크랩 비율을 줄이고 사이클 시간을 단축하며 부품 통합을 촉진하고 2차 작업을 줄이는 데 도움이 될 잠재력이 있는 확장 가능하고 반복 가능한 기술이라고 말합니다.

브래킷의 두 번째 설계 반복에 따른 테스트 결과는 하중 한계와 실패 조건에서 상당한 개선을 보여주었습니다. 출처 | 빅트렉스

Herr는 "빅트렉스는 PAEK 재료의 처리 및 성능에 대한 노하우를 사용하여 우리가 서비스하는 부문에 '파괴적' 기술 접근 ​​방식을 도입한 실적을 자랑스럽게 생각합니다."라고 말했습니다. "하이브리드 오버몰딩과 빅트렉스 AE 250 복합재료는 확실히 이 범주에 속하지만 이것은 시작에 불과합니다. 우리는 이러한 재료의 잠재력을 최대한 발휘하기 위해 고객과 파트너의 지원을 받아 복합재료 제품을 계속 테스트하고 있습니다."

현재 브래킷은 생산 부품의 최종 테스트 및 적격성 평가를 위해 예정되어 있습니다. Herr는 "목표는 복합 브래킷을 2019년 후반에 사용하는 것입니다. 우리는 이 브래킷이 성능을 발휘할 수 있음을 보여주기 위해 최선을 다했습니다."라고 말합니다.

빅트렉스의 Frank Ferfecki, Safran의 Tyler Smithson, Tri-Mack의 Chris Bjerregaard가 9월 24일 화요일, 2일 화요일 Anaheim Convention Center(미국 캘리포니아주 애너하임)에서 열리는 CAMX 2019에서 Safran 하이브리드 브래킷 개발에 대한 프레젠테이션을 하고 있습니다. 오후 30시, 201D호실