고성능 일체형 열가소성 복합 구조물을 위한 사출 성형

일체형 복합 기어 드라이브샤프트. herone은 브레이드 열가소성 복합 프리프레그 테이프를 프리폼으로 사용해 드라이브샤프트 라미네이트를 콘솔리데이션하고 기어 같은 기능 요소를 오버몰딩해 중량, 부품 수, 조립 시간, 비용을 줄이는 일체형 구조물을 생산합니다. 모든 이미지 출처 | herone

현재 전망에 따르면 향후 20년간 상업용 항공기 대수가 두 배로 늘어날 것입니다. 이를 수용하기 위해 2019년 복합재 집약적 광동체 여객기 생산율은 OEM당 월 10~14대, 협동체는 이미 OEM당 월 60대로 증산되었습니다. Airbus는 특히 A320의 전통적이지만 시간이 많이 소요되는 핸드 레이업 프리프레그 부품을 고압 수지전달성형(HP-RTM) 같은 20분 사이클 타임 공정으로 만든 부품으로 전환하기 위해 공급업체들과 협력 중이며, 부품 공급업체들이 월 100대 항공기 생산 목표를 달성하도록 돕고 있습니다. 한편 신흥 도심 항공 모빌리티 및 수송 시장은 연간 3,000대(월 250대) 전기 수직 이착륙(EVTOL) 항공기 수요를 예측합니다.

"산업은 열가소성 복합재(TPC)가 제공하는 기능 통합이 가능한 단축된 사이클 타임의 자동화 생산 기술을 요구합니다."라고 herone(독일 드레스덴)의 공동 창업자이자 매니징 파트너 Daniel Barfuss는 말합니다. herone은 폴리페닐렌설파이드(PPS)부터 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 등 고성능 열가소성 매트릭스 소재를 사용하는 복합재 기술 및 부품 제조 기업입니다. "우리의 주된 목표는 열가소성 복합재(TPC)의 고성능을 낮은 비용과 결합해 더 다양한 양산 응용 분야와 신규 응용 분야에 맞춤형 부품을 가능하게 하는 것입니다."라고 herone의 두 번째 공동 창업자이자 매니징 파트너 Dr. Christian Garthaus가 덧붙입니다.

이를 위해 회사는 완전히 함침된 연속 섬유 테이프로 시작해 이 테이프들을 브레이딩해 중공 프리폼 'organoTube'를 만들고, organoTube를 가변 단면과 형상의 프로파일로 콘솔리데이션하는 새로운 접근법을 개발했습니다. 후속 공정 단계에서 TPC의 용접성과 열성형성을 활용해 드라이브샤프트에 복합 기어, 파이프에 엔드 피팅, 텐션-컴프레션 스트럿에 하중 전달 요소 같은 기능 요소를 통합합니다. Barfuss는 케톤 매트릭스 공급업체 Victrex(영국 랭커셔 클리브리스)와 부품 공급업체 Tri-Mack(미국 로드아일랜드 브리스톨)이 개발한 하이브리드 몰딩 공정(낮은 융점 PAEK 테이프로 프로파일 제작, PEEK로 오버몰딩해 접합부에서 단일 소재로 융합) 사용 옵션도 있다고 덧붙입니다(「오버몰딩으로 PEEK의 복합재 적용 범위 확대」 참조). "우리의 적응은 기하학적 폼락킹도 가능하게 해 더 높은 하중을 견딜 수 있는 일체형 구조물을 생산합니다."

브레이드 organoTube 기반 몰딩 공정

herone 공정은 완전히 함침된 탄소섬유 강화 열가소성 테이프를 브레이딩해 organoTube로 만들고 콘솔리데이션하는 것으로 시작합니다. "10년 전 이 organoTube로 항공용 복합 유압 파이프 개발을 시작했습니다."라고 Garthaus는 말합니다. 그는 기존 기술로는 두 항공기 유압 파이프의 기하학이 같지 않아 각각 금형이 필요하다고 설명합니다. "개별 파이프 기하학을 달성하기 위해 후처리 가능한 파이프가 필요했습니다. 그래서 연속 복합 프로파일을 만들고 CNC 벤딩으로 원하는 기하학을 구현하는 아이디어가 나왔습니다."

Fig. 2 브레이드 프리프레그 테이프는 herone의 사출 성형 공정용 넷셰이프 프리폼인 organoTube를 제공하며 다양한 형상 생산을 가능하게 합니다.

이는 Sigma Precision Components(영국 힌클리)가 하는 일과 유사해 보입니다(「복합 파이프로 항공 엔진 드레싱 재정의」 참조). 탄소섬유/PEEK 엔진 드레싱을 사용합니다. "그들은 유사한 부품을 보지만 다른 콘솔리데이션 방식을 사용합니다." Garthaus는 설명합니다. "우리 접근법으로는 항공우주 구조물용 2% 미만 기공률 등 성능 향상 잠재력을 봅니다."

Garthaus의 박사 논문은 ILK에서 연속 열가소성 복합재(TPC) 풀트루전으로 브레이드 튜브 생산을 탐구해 TPC 튜브와 프로파일 연속 제조 공정 특허로 이어졌습니다. 하지만 현재 herone은 항공 공급업체 및 고객과 협력하기 위해 불연속 몰딩 공정을 선택했습니다. "이렇게 하면 곡선 프로파일과 가변 단면 프로파일, 로컬 패치와 플라이 드롭오프 적용 등 모든 다양한 형상을 만들 자유가 생깁니다." 그는 설명합니다. "로컬 패치 적용 공정 자동화와 패치와 복합 프로파일 동시 콘솔리데이션을 위해 노력 중입니다. 평면 라미네이트와 쉘로 할 수 있는 모든 것을 튜브와 프로파일에도 할 수 있습니다."

이 TPC 중공 프로파일 제작이 실제로 가장 어려운 과제 중 하나였다고 Garthaus는 말합니다. "스탬프 성형이나 실리콘 블래더 블로 몰딩을 쓸 수 없어 새 공정을 개발해야 했습니다." 하지만 이 공정은 매우 고성능이고 맞춤형 튜브와 샤프트 기반 부품을 가능하게 합니다. 또한 Victrex가 개발한 하이브리드 몰딩(낮은 융점 PAEK을 PEEK로 오버몰딩해 organoSheet 콘솔리데이션과 사출 성형을 단일 단계로 통합)도 가능하게 했습니다.

organoTube 브레이드 테이프 프리폼을 사용하면 폐기물이 매우 적다는 것도 주목할 만합니다. "브레이딩으로 2% 미만 폐기물이 발생하며, TPC 테이프라 이 소량 폐기물을 오버몰딩에 재사용해 소재 이용률을 100%까지 높일 수 있습니다." Garthaus는 강조합니다.

회사 설립과 기어샤프트 데몬스트레이터 개발

Barfuss와 Garthaus는 TU Dresden의 Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology(ILK) 연구원으로 개발 작업을 시작했습니다. "이곳은 복합재와 하이브리드 경량 설계 분야에서 유럽 최대 연구소 중 하나입니다." Barfuss는 말합니다. 그들은 거의 10년간 연속 TPC 풀트루전과 다양한 접합 유형 등 여러 개발에 참여했습니다. 그 작업이 결국 현재 herone TPC 공정 기술로 정리되었습니다.

"독일 EXIST 프로그램에 지원했습니다. 이 프로그램은 그런 기술을 산업으로 이전하는 것을 목표로 연간 40~60개 프로젝트를 다양한 연구 분야에서 지원합니다." Barfuss는 말합니다. "자본 장비, 4명 직원, 다음 단계 스케일업 투자를 지원받았습니다." 2018년 5월 JEC World 전시 후 herone을 설립했습니다.

JEC World 2019까지 herone은 경량 고토크 일체형 기어 드라이브샤프트(기어샤프트) 등 다양한 데모 부품을 제작했습니다. "부품 요구 각도로 브레이드된 탄소섬유/PAEK 테이프 organoTube를 콘솔리데이션해 튜브를 만듭니다." Barfuss는 설명합니다. "튜브를 200°C로 예열하고 380°C에서 단탄소섬유 강화 PEEK를 사출해 기어를 오버몰딩합니다." 오버몰딩은 Autodesk(미국 캘리포니아 산라파엘)의 Moldflow Insight로 모델링했습니다. 몰드 충전 시간은 40.5초로 최적화되어 Arburg(독일 로스부르크) ALLROUNDER 사출 성형기로 달성했습니다.

이 오버몰딩은 조립 비용, 제조 단계, 물류를 줄일 뿐만 아니라 성능도 향상시킵니다. PAEK 샤프트와 오버몰딩 PEEK 기어의 40°C 융점 차이로 분자 수준에서 응집적 용융 접합이 가능합니다. 두 번째 접합 메커니즘인 폼락킹은 사출 압력을 사용해 오버몰딩 중 샤프트를 동시에 열성형해 폼락킹 윤곽을 만듭니다. 이는 Fig. 1 아래에서 '사출 성형'으로 볼 수 있습니다. 기어가 접합되는 부위에서 매끄러운 원형 단면 대신 주름진 또는 정현파 둘레를 만들어 기하학적으로 잠기는 형태를 형성합니다. 이는 테스트에서 입증된 바와 같이 일체형 기어샤프트의 강도를 더욱 향상시킵니다(우측 하단 그래프 참조).Fig. 1. Victrex와 ILK 협력으로 개발된 herone은 오버몰딩 중 사출 압력으로 일체형 기어샤프트에 폼락킹 윤곽을 만듭니다(위).이 사출 성형 공정으로 폼락킹이 있는 일체형 기어샤프트(그래프 녹색 곡선)가 폼락킹 없는 오버몰딩 기어-드라이브샤프트(그래프 검은 곡선)보다 더 높은 토크를 견딜 수 있습니다.

"우리가 주는 주요 이점은 부품 수 감소입니다." 그는 말합니다. "이는 피로 문제를 단순화하는데, 항공기 스트럿 응용에서 큰 과제입니다. 폼락킹은 열경화성 복합재에서도 플라스틱이나 금속 인서트로 사용되지만 응집 접합이 없어 부품 간 미세한 움직임이 발생할 수 있습니다. 우리 접근법은 그런 움직임이 없는 일체형 구조를 제공합니다."

Garthaus는 손상 허용도도 이 부품들의 또 다른 과제라고 인용합니다. "스트럿에 충격을 가한 후 피로 시험을 해야 합니다." 그는 설명합니다. "고성능 열가소성 매트릭스 소재를 사용해 열경화성 대비 최대 40% 높은 손상 허용도를 달성할 수 있으며, 충격으로부터 발생한 미세 크랙도 피로 하중 하에서 덜 성장합니다."

데모 스트럿에 금속 인서트가 보이지만 herone은 현재 전 열가소성 솔루션 개발 중으로, 복합 스트럿 바디와 하중 전달 요소 간 응집 접합을 가능하게 합니다. "가능하면 올컴포지트로 유지하며 섬유 보강 유형(탄소, 유리, 연속, 단섬유 포함)을 변경해 특성을 조정하는 것을 선호합니다." Garthaus는 말합니다. "이렇게 하면 복잡성과 계면 이슈를 최소화합니다. 예를 들어 열경화성과 열가소성 결합 대비 문제가 훨씬 적습니다." 또한 PAEK와 PEEK 접합은 Tri-Mack 테스트에서 기본 단방향 CF/PAEK 라미네이트 강도의 85%를 가지며 업계 표준 에폭시 필름 접착제 접합 강도의 2배임을 보였습니다.

새 공장, 새 부품, 새 시장

Barfuss는 herone이 현재 9명 직원으로 기술 개발 공급업체에서 항공 부품 공급업체로 전환 중이라고 말합니다. 다음 큰 단계는 드레스덴 새 공장 개발입니다. "2020년 말까지 파일럿 플랜트에서 첫 양산 부품 생산 예정입니다." 그는 말합니다. "이미 항공 OEM과 주요 Tier 1 공급업체들과 협력해 다양한 응용 분야 설계를 데모하고 있습니다."

회사는 eVTOL 공급업체들과 다양한 미국 협력자들과도 협력 중입니다. herone이 항공 응용을 성숙시키는 동안 스포츠 용품(배트, 자전거 부품 등) 제조 경험도 쌓고 있습니다. "우리 기술은 성능, 사이클 타임, 비용 이점을 가진 광범위한 복잡 부품을 생산할 수 있습니다." Garthaus는 말합니다. "PEEK 사용 시 우리 사이클 타임은 20분, 오토클레이브 경화 프리프레그는 240분입니다. 넓은 기회 분야를 보지만 현재는 첫 응용 분야를 양산에 진입시키고 그런 부품의 가치를 시장에 입증하는 데 집중하고 있습니다."

Herone은 Carbon Fiber 2019에서도 발표할 예정입니다. 자세한 내용은 carbonfiberevent.com 참조.