항공우주 분야 열가소성 복합소재 급성장 견인: ATC 매뉴팩처링의 15년 혁신

연속섬유 강화 열가소성 복합소재(TPC)는 지속가능한 항공기의 미래를 위한 핵심 기술로 꼽히며, 경량 고인성 부품의 생산 속도 향상과 홀이나 패스너 없이 경제적 용접 어셈블리 구현을 가능하게 합니다.

CW는 2018년 TPC 테이프, 인시츄 통합, 용접에 대한 기사 시리즈를 게재했고 2019년 자동차용 TPC와 항공우주용 TPC 개발 웨비나 2회를 진행했습니다. 내 기사와 발표 대부분은 유럽의 TPC 부품 제조사와 장비 공급업체, 미국 트렐레보그 오토메이티드 다이나믹스(Trelleborg's Automated Dynamics) 사업부를 참조했습니다. 미국 소재 트라이맥 플라스틱(Tri-Mack Plastics) 견학도 했습니다. 하지만 안타깝게도 미국 내 또 다른 TPC 부품 제조사, 15년간 조용히 기술과 생산 한계를 밀어온 기업을 간과했습니다. ATC 매뉴팩처링(ATC Manufacturing) — 워싱턴 스포캔 인근 아이다호 포스트 폴스(Post Falls, Idaho) 소재 — 는 연간 100만 개 부품을 생산하며, 모두 연속섬유 강화 열가소성 복합소재이고 모두 항공우주 산업용입니다. 3D 부품 고속 성형 독자 전문성을 개발한 ATC는 보잉(Boeing Co., 시카고, 일리노이, 미국)과 미국 국방부(DoD) 산하 방위고등연구계획국(DARPA, 알링턴, 버지니아, 미국)의 RApid high-Performance Molding(RAPM) 연구 프로그램 핵심 파트너이기도 합니다.

ATC 매뉴팩처링은 항공우주 애플리케이션용 열가소성 복합소재 부품을 연간 100만 개 생산합니다. 리브, 클립, 브래킷, 스티프너 포함. 출처 | ATC 매뉴팩처링

ATC는 누구인가?

ATC 매뉴팩처링은 전 보잉 엔지니어 댄 요르겐슨(Dan Jorgenson)이 2004년 설립했으며 현재도 공동 회장으로 있습니다. "우리는 항상 강력한 기술 및 엔지니어링 초점을 유지해왔습니다."라고 ATC 매뉴팩처링 비즈니스 개발 디렉터 데이비드 리치(David Leach)는 말합니다. 회사는 보잉과 오랜 역사를 가지며 과거 5년 연속 실버 레벨 공급업체로 인정받았고 2016년과 2017년 보잉 올해의 공급업체로 지명되었습니다. "주로 빌드-투-프린트 회사로 시작해 클립, 브래킷, 소형 스탬핑 부품부터 시작했습니다."라고 리치는 말합니다. "하지만 최근 몇 년간 더 복잡한 어셈블리와 훨씬 두껍고 큰 부품(최대 60인치 길이), 1차 구조물용 부품으로 진화했습니다." 후자에는 구조적 윙팁 부품, 다양한 단면의 맞춤형 적층 장빔, 동체 및 엠페나지 구조물이 포함됩니다.

회사는 150명 직원 중 20명 이상 엔지니어를 보유합니다. 제조는 2015년 목적 건립된 단일 67,000평방피트(약 6,225㎡) 시설에 집중돼 있으며 최적화된 워크플로와 확장 공간을 위해 설계되었습니다. (참고: 52,500평방피트 공간이 미래 성장을 위해 이미 사전 계획됨) "모든 것이 한 지붕 아래 있어 운영이 단순화됩니다."라고 리치는 말합니다. 이에는 30~150톤 용량, 최대 60×30인치 플랫엔 영역의 스탬프 성형 프레스 9대가 포함됩니다. "2019년 말까지 200톤 프레스 추가 설치로 완전 가동 예정입니다."라고 그는 덧붙입니다. ATC는 12피트(약 3.66m) 길이 부품 가공 가능한 CNC 머시닝 스테이션 10대와 30피트(약 9.14m) 길이 부품 워터젯 커팅을 보유합니다.

ATC 매뉴팩처링은 80톤 프레스를 포함해 9개 스탬프 성형 프레스를 운영, 최대 150톤 용량, 60×30인치 플랫엔 영역. 출처 | ATC 매뉴팩처링

비파괴 검사(NDI)도 시설 운영과 워크플로 설계에 통합돼 있으며, 30피트 길이 부품까지 펄스-에코 및 투과 테스트 가능한 5개 C-스캔 탱크 시스템이 포함됩니다. 기타 내부 전문성으로는 모든 표면 처리 및 도장이 있습니다. "열가소성 복합소재의 효율적 표면 처리를 개발했는데, 이는 도장과 본딩이 어려울 수 있습니다."라고 리치는 말하며 ATC가 TPC 부품 플라즈마 처리도 수행했다고 언급합니다. 회사는 연간 20만 개 부품 도장, 7만 개 부품 에지 실링을 수행합니다.

"DAPRA용 RAPM 프로그램 등 연구에도 막대한 투자를 했으며 열가소성 복합소재 연구 센터(TPRC, 엔스헤데, 네덜란드) 회원사이기도 합니다."라고 그는 계속합니다. ATC는 트벤테 대학교에서 10월 8일 열리는 TPRC 10주년 기념 '열가소성 복합소재의 미래' 컨퍼런스 패널 세션에 코빈 체임벌린(Corbin Chamberlain) ATC 부회장이 참여하고, 연계 전시회에서 ATC가 제작한 항공우주 구조 부품도 시연할 예정이라고 밝혔습니다.

피팅이 장착된 도장된 열가소성 복합소재 채널. 출처 | ATC 매뉴팩처링

패브릭에서 UD 테이프로, 성형과 빠른 사이클 타임

ATC의 TPC 브래킷과 클립 제조는 패브릭 보강으로 시작했으나 현재는 단방향(UD) 테이프를 사용합니다. "UD 테이프로 3D 부품 성형에 대한 좋은 경험을 이미 쌓았기 때문에 더 큰 구조 부품으로 진화할 수 있었습니다."라고 리치는 설명합니다. "이 부품들은 1~2mm에서 6.5mm 두께 범위로 다른 구조물과 결합해야 합니다. 페이잉 표면 등 엄격한 치수 공차를 맞춰야 합니다. 예: 프로파일 공차 ±0.010인치(0.25mm), 각도 공차 ±0.5도."

회사는 장척 TPC 프로파일 개발을 시작했습니다. "연속 압축 몰딩(CCM)으로 자체 평판 라미네이트 스톡을 만듭니다."라고 리치는 말합니다. "평판 라미네이트용 CCM 머신 2대와 TCP 프리프레그를 연속 3D 프로파일로 성형하는 CCM 머신 1대를 보유해 최대 75피트(약 22.9m) 길이 채널 생산이 가능합니다."

열가소성 복합소재 프로파일이 연속 압축 몰딩(CCM)으로 성형되는 모습. 출처 | ATC 매뉴팩처링

3D 프로파일과 형상 성형 과제에 대해 ATC 매뉴팩처링 R&D 엔지니어링 디렉터 트레버 맥크리아(Trevor McCrea)는 패브릭의 경우 "직조 자체가 발생하는 변형의 많은 부분을 제어합니다. UD는 다른 역학입니다. 예: 반경 90° 방향에서 얇아지거나 두꺼워지려 하지만 구조 부품에선 안 됩니다. 형상이 복잡해지면 문제가 악화됩니다. 성형 공정 관리에도 더 큰 과제가 있습니다."라고 설명합니다.

공정 관리? "우리에게는 열경화성 수지와 매우 다릅니다. 성형에 단 2초만 있기 때문입니다."라고 맥크리아는 말합니다. "오토클레이브 사이클에서는 많은 결함을 커버할 수 있습니다. 하지만 우리는 그런 여유 없이 매우 빠른 성형과 스탬핑 공정을 사용합니다. 결정도 관리도 필수입니다." 고부하 항공기 구조물은 반결정성 열가소성 매트릭스 폴리머(PEEK, PEKK, 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK) 등)를 사용하는데, 이들은 냉각 시 발달하는 결정 구조에서 뛰어난 기계적 물성과 내화학성을 얻습니다. "등온 결정화는 평판에선 그리 어렵지 않지만 3D 형상에선 훨씬 어렵습니다."라고 맥크리아는 말합니다. "성형을 위해 소재를 충분히 가열해야 하지만[이 소재들 용융점은 300~400℃ 사이] 툴 열 사이클링을 피하기 위해 핫 디몰딩할 수 있을 만큼 급속 냉각하면서 형상, 공차, 결정도, 표면 마감을 관리해야 합니다."

TPC 부품이 최근 성장한 이유 중 하나는 정말 빠른 사이클 타임 능력입니다. "군용 항공기 데모스트레이터용 리브를 5분 사이클 타임으로 제작했고, 평균 사이클 타임은 약 10분입니다."라고 리치는 말합니다. "현재 항공기 OEM들이 추구하는 높은 생산률을 가능하게 합니다." 이 매우 빠른 평균 사이클 타임은 끊임없이 변하는 부품 믹스를 초래합니다. "한 부품을 몇 달 동안 계속 생산하고 싶지만 우리 생산 능력이 항공기 제조 속도를 앞섭니다."라고 맥크리아는 말합니다. "그래서 항상 다양한 부품을 순환 생산합니다." ATC 제조 대부분은 하루 1교대, 주 5일입니다. "증가된 생산 수요 충족할 충분한 여유 능력이 있습니다."라고 리치는 말합니다.

열가소성 복합소재 구조 스트랩과 도장 프로파일. 출처 | ATC 매뉴팩처링

미래 비전

ATC는 10년 이상의 TPC 생산 경험으로 상당한 가치를 제공합니다. "고객이 제조용 설계를 돕는 일이 잦습니다."라고 리치는 말합니다. "열경화성 복합소재에서 부품 전환이 많은데, 예: 동체 1차 구조물 피팅이 원래 두께 유지를 위해 생산됩니다. 하지만 원래 TPC용으로 설계됐다면 훨씬 더 가벼운 부품이 될 수 있습니다." 왜냐고요? "이 반결정성 TP 매트릭스 소재가 더 높은 성능이기 때문입니다."라고 그는 설명합니다. "열경화성 매트릭스처럼 미세균열과 손상 허용도를 위해 설계할 필요 없고, 뜨겁고 습한 환경에서의 노크다운도 훨씬 적습니다. 사실 PEEK, PEKK, PAEK에서는 습식 노크다운이 전혀 없습니다. Tg(약 150℃)에 근접하지 않는 한 고온 노크다운도 없습니다. 표준 오픈 홀 압축(OHC) 손상 허용도 테스트에서 실온에서 120℃로 전이할 때 강도 평가 시 거의 노크다운이 없습니다."

"현재 1세대 복합소재 설계[보잉 787, 에어버스 A350 와이드바디 항공기 등]에 있는 알루미늄과 티타늄을 많이 제거하고 더 얇은 부품 설계가 가능해질 것입니다."라고 맥크리아는 덧붙입니다. "이 소재들 성형을 계속 발전시키고 있어 새로운 애플리케이션이 계속 열릴 것입니다."

리치는 이것이 미래 항공기 애플리케이션에 상당한 영향을 미칠 것이라 믿습니다. "현재 열경화성으로는 소재 특성과 요구되는 생산률 때문에 생산 불가능한 부품들을 보고 있습니다."

자세한 정보: ATC 매뉴팩처링이 CAMX 2019 열가소성 소재 및 애플리케이션 세션에서 9월 25일 수요일 오후 4:00, 210C룸에서 코빈 체임벌린, 데이비드 리치, 트레버 맥크리아 저 '항공구조물용 비용 효율적 열가소성 복합소재' 기술 논문 발표 예정. SAMPE 2019(5월 4~7일, 샬럿, 노스캐롤라이나, 미국) 비공개 세션에서 보잉과 공동 논문 '구조용 열가소성 복합소재 부품의 고속 고성능 몰딩' 발표. 내 블로그 참조: https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications