열가소성 복합소재, 현대 항공기에서 상당한 경량화 실현

빅트렉스(VICTREX), 트라이맥(Tri-Mack), 사프란 캐빈(Safran Cabin)이 개발한 항공기 수납함 브래킷은 두 개의 탄소섬유/PAEK 인서트를 PEEK 레진으로 오버몰딩해 통합했습니다. 그 결과 50% 질량 감소, 20% 비용 절감, 바이-투-플라이(buy-to-fly) 비율 대폭 개선을 달성했습니다. 출처 | 빅트렉스

금속 항공구조물의 열경화성 복합소재 전환, 다음 단계는 열가소성

금속 항공구조물을 열경화성 복합소재로 전환하는 데 있어 날개, 동체, 꼬리 구조물 등 '손쉬운 과실'은 대부분 수확되었습니다. 차세대 항공기에서 열가소성 복합소재는 대형 구조물에서도 주요 역할을 할 것입니다. 한편, 현재 당장 열가소성 복합소재로 전환 가능한 기회도 존재합니다.

그런 부품 중 하나는 잘 눈에 띄지 않지만 매우 중요한 유형입니다: 내부 하중 지지 브래킷. 이들은 격벽, 화장실, 갤리, 수하물 수납함을 항공기 바닥과 동체에 고정하는 브래킷들(현재 알루미늄, 스테인리스강, 티타늄)입니다. 이 브래킷들은 고정 대상에 따라 다양한 형상과 크기로 존재합니다. 개별적으로는 무겁지 않지만, 항공기 한 대당 수백 개가 사용되므로 총중량은 상당합니다.

항공기 인테리어 전문 사프란 캐빈(헌팅턴 비치, 캘리포니아, 미국)은 이를 인지하고 최근 열가소성 복합소재 전문 빅트렉스(손턴 클리브리스, 영국)와 가공업체 트라이맥 플라스틱 매뉴팩처링(Tri-Mack Plastics Manufacturing, 브리스톨, 로드아일랜드, 미국)에 알루미늄 수납함 캐빈 브래킷을 새로운 설계로 전환 의뢰했습니다. 빅트렉스 AE 250 탄소섬유/폴리아릴에테르케톤(PAEK) 단방향(UD) 테이프를 빅트렉스 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 150CA30 폴리머로 오버몰딩한 설계입니다.

오버몰딩 브래킷 물리 테스트. 출처 | 빅트렉스

하이브리드 오버몰딩 공정으로 강도와 경량화 동시 달성

브래킷은 직사각형 베이스에 중앙에서 돌출한 두 개의 수직 인서트가 있는 구조입니다. 베이스는 각 모서리에 패스너용 성형 구멍이 하나씩 있고, 각 인서트도 꼭대기 근처에 부착 핀 및 기타 하드웨어용 구멍이 있습니다. 인서트는 탄소섬유/PAEK 소재로 제작되고, 베이스는 PEEK 레진으로 오버몰딩됩니다.

빅트렉스와 트라이맥은 사프란 캐빈과 협력해 설계 최적화, 가공 및 툴링 전문성을 제공해 설계 특징 구현과 핵심 성능 파라미터 달성을 지원했습니다. 사프란 캐빈은 항공우주 운용 및 인증 환경에서의 적용성을 보장하기 위한 설계 및 제조 전문성을 제공했습니다.

빅트렉스 항공우주 디렉터 팀 헤어(Tim Herr)는 인서트가 디펜바허(Dieffenbacher, 윈저, 온타리오, 캐나다) 파이버포지(Fiberforge) 머신으로 제작된다고 설명합니다. 이 장비는 탄소섬유/PAEK UD 테이프를 적층해 라미네이트를 만듭니다. 이 라미네이트는 프레스 통합, 에지 트리밍, 워터젯 커팅을 거쳐 인서트가 됩니다. 워터젯 커팅 시 각 인서트 베이스 부분이 스캘로핑(scalloping)돼 오버몰딩 시 기계적 인터록 표면이 생성됩니다.

인서트를 툴에 배치한 후 PEEK 사출 오버몰딩을 진행합니다. "오버몰딩할 때 PAEK 복합소재 인서트와 사출 성형된 PEEK 소재 사이에 매우 강한 결합이 생성됩니다."라고 헤어는 말합니다. 이 인에이블러의 핵심은 PAEK와 PEEK의 독특한 조합이라고 합니다. PAEK는 PEEK보다 공정 온도가 약 40℃ 낮습니다. 이 온도 차이가 두 부품 간 친밀하고 내구성 있는 결합을 용이하게 합니다. "PAEK 발명 없이는 이런 유형의 하이브리드 몰딩은 불가능했을 것입니다."라고 헤어는 주장합니다.

하중 조건 하 브래킷 성능 설계 시뮬레이션 이미지. 출처 | 빅트렉스

이 설계/공정 조합은 광범위한 시뮬레이션, 분석, 프로토타이핑, 물리 테스트를 거쳤으며, 빅트렉스는 인서트 변형, 레진 흐름 지연, 본드/인터페이스 실패, 기공 등 여러 설계 및 공정 결함을 발견했습니다. 이는 설계자들을 도면으로, 제조 엔지니어들을 사출 성형기로 돌려보내 설계 최적화와 공정 최적화를 수행하게 했습니다. 최종 설계/공정 조합은 이러한 과제를 극복하고 열가소성 복합소재 오버몰딩 브래킷의 실행 가능성을 입증했습니다.

초기 프로토타입 브래킷은 트라이맥에서 생산되었습니다. 기존 알루미늄 부품 대비 프로토타입 복합소재는 20% 비용 절감, 50% 중량 절감, 5배 향상된 바이-투-플라이 비율을 달성했습니다.

"항공기 브래킷과 유사 구조 부품에 대한 수많은 수요에 대응해야 하며, 각 케이스마다 많은 하중, 제약, 노출 조건이 있습니다."라고 사프란 캐빈 R&T 엔지니어 타일러 스미스슨(Tyler Smithson)은 말합니다. "성공의 열쇠는 여러 프로젝트에 활용 가능한 유연한 복합소재 플랫폼을 개발해 부품 수와 설계 복잡성을 줄이고, 시장 출시 기간과 매출 발생 시기를 단축하는 것입니다."

빅트렉스는 하이브리드 오버몰딩 공정이 확장 가능하고 반복 가능한 기술로, 상업용 항공우주 고객들이 스크랩율 감소, 사이클 타임 단축, 부품 통합 증대, 2차 작업 감소를 달성하는 데 도움을 줄 잠재력이 있다고 말합니다.

브래킷 2차 설계 반복 후 테스트 결과, 하중 한계와 실패 조건에서 대폭 개선. 출처 | 빅트렉스

"빅트렉스는 우리가 서비스하는 분야에서 '파괴적' 기술적 접근법을 도입한 실적을 자랑스럽게 생각합니다. PAEK 소재 가공 및 성능 분야 노하우로 상용화 과정을 가속화합니다."라고 헤어는 논평합니다. "하이브리드 오버몰딩과 빅트렉스 AE 250 복합소재는 확실히 이 범주에 속하지만 이는 단지 시작일 뿐입니다. 고객과 파트너들의 지원으로 우리 복합소재 제품을 지속 테스트해 이러한 소재의 완전한 잠재력을 입증해 나갈 것입니다."

현재 브래킷은 양산 부품의 최종 테스트와 인증 단계에 있습니다. "목표는 2019년 말 복합소재 브래킷을 운용에 투입하는 것입니다. 이 브래킷이 성능을 발휘할 수 있음을 입증하기 위해 할 수 있는 모든 것을 했습니다."라고 헤어는 말합니다.

빅트렉스 프랭크 페르페키(Frank Ferfecki), 사프란 타일러 스미스슨, 트라이맥 크리스 비에레가드(Chris Bjerregaard)가 CAMX 2019 애너하임 컨벤션 센터(애너하임, 캘리포니아, 미국)에서 9월 24일 화요일 오후 2:30, 201D룸에서 사프란 하이브리드 브래킷 개발 발표를 진행합니다.