열가소성 항공 구조물 발전: 새로운 제조 혁신

인성, 비교적 높은 면외 강도, 지속가능성/재활용성 같은 열가소성 복합재의 유리한 특성들은 수십 년 동안 항공기 설계 엔지니어들을 열가소성 복합재 1차 구조물 개념으로 끌어들였습니다. 하지만 항공기 제조 엔지니어들은 CAD 시뮬레이션에서 생산 현장으로 이를 발전시킬 비용 효율적인 방법을 찾는 데 불확실했습니다. 그러나 그들은 낙담하지 않았습니다: 필요한 제조 기술 개발을 위한 노력은 전 세계적으로 계속되어 왔습니다 — 아마도 네덜란드만큼 끈질기게는 없을 것입니다.

일체형 L-스트링거. 걸프스트림을 위해 설계 및 제작된 GKN 포커(GKN Fokker)의 탄소 섬유/PEKK 동체에는 공구 이형을 가능하게 하기 위해 약간 둔각인 곡선 종방향 L-스트링거가 적용되었습니다. CW 사진 | 제프 슬로안

2009년, 네덜란드의 9개 산업 기업과 연구소, 에어버스(프랑스 툴루즈)가 열가소성 경제적 1차 항공기 구조물(TAPAS) 컨소시엄을 구성했습니다. 이 이니셔티브는 2014년 12개 파트너로 확대되어 TAPAS2로 계속되었습니다. TAPAS2 하에서 에어버스 개발 응용을 목표로, GKN 포커(네덜란드 호헤베엔)는 최근 '버트 조인트 오쏘그리드 기술(butt-jointed orthogrid technology)'이라 부르는 것을 사용하여 열가소성 복합재 동체 설계의 비용 효율적 생산을 가능하게 하는 동체 데모 부품을 개발했습니다.

열가소성 복합재 1차 항공기 구조물의 완전한 결실은 여전히 수년 뒤지만, 걸프스트림 에어로스페이스(미국 조지아주 사바나)가 GKN 포커와 협력하여 TAPAS2 동체 기술을 발전시키면서, 소재와 공정을 전체 동체에 적용할 가능성이 보이고 있습니다. 올해 초 JEC World에서 전시된 새로 개발된 동체 패널 뒤의 이야기는 설계 및 제조 방법의 발전, 그리고 더 철저히 통합된 설계-제조 엔지니어링 접근법의 이야기입니다.

"전통적으로," GKN 포커 수석 엔지니어 안드리스 뷔텐하위스(Andries Buitenhuis)는 설명합니다, "직물이든 단방향 테이프든, 설계자들은 대부분 0°, 90°, 45° 방향의 기존 레이어에 머물렀습니다. 그들은 다른 분야와 독립적으로 플라이 레이업 테이블에서 작업했습니다." 새로운 접근법은 TAPAS를 통해 개발된 통합된 디지털화된 설계-제조 소프트웨어 플랫폼으로, 다양한 분야의 엔지니어들이 동일한 디지털 모델을 보고 더 복잡한 부품 설계를 개념화할 수 있는 능력을 가집니다. "이는 전례 없는 최적화 가능성의 완전히 새로운 세계를 엽니다." 뷔텐하위스는 계속합니다. "복잡한 형상에서 섬유 방향은 여기저기 있을 수 있습니다. 우리는 비전통적인 라미네이트를 구축하고 설계 허용치, 제조 간격 및 오버랩, 반경 등에 대해 새로운 시각을 가질 수 있습니다... 그리고 구조물의 강도를 국소적으로 최적화할 수 있습니다." 이러한 확장된 설계 옵션은 자동 섬유 배치(AFP) 기계의 섬유 조향 능력을 더 완전히 활용하고, 아래에서 논의할 다른 제조 능력의 발전을 가능하게 합니다.

이 통합 디지털 시스템이 제공하는 설계 자유도는 비즈니스 제트 패널의 설계와 제조에 필수적인 것으로 입증되었습니다. TAPAS2 동체 설계에서 탄소 섬유/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 패널(솔베이의 APC PEKK-FC 사용)은 용접된 패스너 없는 프레임-투-스킨 조인트를 특징으로 하며, 이는 설계의 비용 효율성에 필수적인 기여자입니다. "알루미늄 동체 쉘과 비용 동등성을 달성할 것으로 예측합니다."라고 GKN 포커의 열가소성 복합재 기술 책임자인 아른트 오프링가(Arnt Offringa)는 설명합니다. "알루미늄 쉘은 리벳으로 고정되기 때문입니다." 기계적 패스너 제거는 기존 복합재 솔루션 대비 항공기 1차 구조물에서 20% 비용 절감과 10% 중량 감소를 가져올 것으로 예상됩니다. 물론 비용과 중량 절감의 많은 부분은 패스너 자체의 제거와 설치 인건비에서 나옵니다. 또한 패스너를 수용하기 위한 복합재 부품의 구멍 제거(구멍은 추가 보강이 필요하므로 추가 중량 발생)도 매우 중요합니다.

GKN 포커는 TAPAS2 하에서 2017년 12월 에어버스를 위해 가압 동체로 기술 성숙도 수준(TRL) 3(개념 증명)에 도달했으며, 알루미늄 동체 패널과 비용 동등성을 입증했습니다. 그 과정에서 GKN 포커 팀은 이 열가소성 동체 기술에 대한 비전을 상업용 여객기에서 비즈니스 제트 응용으로 확장했습니다.

걸프스트림의 관심

GKN 포커의 걸프스트림을 위한 열가소성 복합재 부품 성공적 작업 이력은 비즈니스 제트 제조업체와의 파트너십을 논리적 다음 단계로 만들었습니다. "걸프스트림이 수년간 열가소성 복합재 부품을 비행해 왔다는 것은 널리 알려져 있습니다."라고 걸프스트림의 첨단 구조 및 소재 이니셔티브(ASMI) 매니저인 마크 채프먼(Mark Chapman)은 말합니다. 그는 동체 패널 프로젝트가 "우리가 해왔던 것에서 자연스러운 진행으로, 더 단순한 부품에서 시작하여 1차 구조 부품으로 이동하는 것입니다."라고 덧붙입니다. GKN 포커는 걸프스트림과 테일 엘리베이터, 러더, G650의 플로어 패널을 포함한 수많은 열가소성 복합재 2차 부품 개발에 파트너십을 맺어왔습니다.

2015년, 오프링가와 뷔텐하위스는 TAPAS2 프로젝트 개발 사항을 걸프스트림에 발표했고, 채프먼과 그의 팀은 TAPAS2 결과의 혜택을 얻을 잠재력을 인식했습니다. "잠재적 중량 감소 혜택, 더 나은 충격 저항과 인성, 향상된 성능을 보았습니다."라고 채프먼은 회상합니다. 패스너 없는 설계도 매력적입니다. "용접 기술은 기계적 패스너 조립보다 동체를 더 효율적으로 조립할 수 있게 해줄 것입니다."라고 채프먼은 말합니다.

GKN 포커와의 파트너십은 금속 구조물로는 경제적으로 제작하기 어려울 수 있는 더 복잡한 동체 형상에 대한 걸프스트림의 연구 개발을 지원합니다. "금속은 스트레치 포밍으로만 어느 정도까지 가능합니다."라고 채프먼은 지적합니다. "복잡한 형상에 필요한 스플라이스와 지지 구조는 그다지 효율적이지 않습니다." 오프링가는 동의합니다: "그러한 복잡한 지오메트리는 기존 기술로 제조하기 어렵습니다."

설계와 제조의 결합

패스너 없는 생산 가능한 설계를 달성하기 위해, GKN 포커의 접근법은 동체 조인트가 받는 두 가지 핵심 힘, 즉 캐빈 압력과 공구 낙하 같은 충격을 견디는 데 초점을 맞춥니다. 캐빈 압력은 동체에 방사 방향 힘을 가해 프레임-투-스킨 조인트에 높은 하중을 생성합니다. 기존 설계에서 동체 프레임에는 종방향 스트링거가 통과하는 '마우스 홀(mouse holes)'이 포함됩니다. 캐빈 압력의 힘 아래에서 이 마우스 홀은 높은 박리 힘의 대상이 되는 불연속성으로 작용합니다. 이는 복합재의 면외 강도가 금속에 비해 낮다는 점을 고려할 때 패스너 없는 설계의 주요 우려 사항입니다. 충격도 프레임이 충격 하에서 굽히지 않기 때문에 프레임-투-스킨 조인트에 높은 하중을 생성합니다.

이중 곡률. 열가소성 복합재 동체 패널은 걸프스트림 비즈니스 제트 후방 동체의 복잡한 지오메트리를 수용하며, 스킨의 섬유 조향 AFP 적층과 오쏘그리드의 공동 경화를 특징으로 합니다. 나중에 프레임에 용접될 원주 방향 블레이드 스트링거에 주목하세요. 출처 | GKN Fokker

GKN 포커/걸프스트림 팀은 복잡한 곡률로 인한 과제를 금속이나 기존 복합재 설계-제조 접근법으로는 해결할 수 없음을 알았습니다. 특히 뷔텐하위스는 "복잡한 동체 설계는 섬유 조향 없이는 불가능할 것입니다."라고 지적합니다. AFP 기계의 이 능력은 설계자들이 셸의 복잡한 형상에 기반하여 국소적으로 섬유 배향을 최적화하고, 표준 0/45/90 섬유 배향 옵션에서 벗어날 수 있게 했습니다. "형상과 중량 최적화를 위한 섬유 조향은 이 프로젝트에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다."라고 채프먼은 믿습니다.

GKN 포커는 동체 패널의 스킨을 초음파 AFP 기계로 제작했는데, 이 회사가 급속 열가소성 테이프 레이업을 위해 개발한 것입니다. 테이프는 단방향으로, 직물 테이프에 비해 라미네이트 성능을 향상시킵니다.

캐빈 압력과 충격 힘으로 생성된 높은 하중 및 기타 성능 요구사항을 성공적으로 처리하면서, TAPAS와 TAPAS2 하에서 개발되고 이제 걸프스트림 패널에 사용되는 새로운 개념은 '버트 조인트 직교 보강 스킨과 용접된 프레임(butt joint orthogonally stiffened skin with welded frames)'으로 설명됩니다. 이 설명을 풀면 세 가지 핵심 설계 특징과 이를 구현하는 데 필요한 제조 개발이 강조됩니다: (1) 오쏘그리드, (2) 버트 조인트, (3) 용접 기술.

오쏘그리드(Orthogrid)

패널의 강도 요구사항은 완전히 상호 연결된 직교 격자 보강을 통해 부분적으로 충족됩니다. 이 오쏘그리드는 마우스 홀과 관련된 피크 하중을 제거하여 박리 힘이 증폭되는 지점에서 설계를 자유롭게 합니다. 오쏘그리드는 연속 종방향 스트링거와 두 개의 개별 구성요소로 이루어진 프레임으로 구성됩니다: 불연속적이지만 연결된 원주 방향 블레이드 스트링거와 그 위에 용접된 프레임.

비용 효율적 버트 조인트. GKN 포커는 오쏘그리드와 오쏘그리드-투-스킨 결합을 비용 효율적인 단섬유 사출 성형 요소와 스트링거 웹과 캡용 연속 섬유 평판 라미네이트로 가능하게 하는 버트 조인트를 혁신하고 특허받았습니다(여기서는 T 스트링거; 걸프스트림 패널은 동일한 기술로 L 스트링거를 통합). 출처 | GKN Fokker

따라서 이는 수년간의 오쏘그리드 개발 동안 진화한 동체 보강재 설계의 새로운 세대를 나타냅니다. 초기에는 GKN 포커가 종방향과 원주 방향 멤버의 캡이 모두 연속적이고 모서리에서 겹치는 T 스트링거를 사용했습니다. 그러나 프레임과의 결합에는 원주 방향 캡 제거가 필요했습니다. 따라서 T 스트링거는 L 스트링거가 되었고 프레임은 원주 방향 블레이드 스트링거가 되었으며 프레임이 이들에게 용접되었습니다.

또 다른 수정은 종방향과 원주 방향 모두에 사용되는 곡선 스트링거가 공구 이형을 훨씬 더 어렵게 만들기 때문에 필요합니다. 따라서 L 스트링거는 캡-투-웹 각도가 90도 이상으로 설계되어 공구 조각이 항상 스트링거 그리드에서 옆으로 미끄러져 나올 수 있도록 했습니다.

버트 조인트(Butt Joints)

GKN 포커는 오쏘그리드 설계뿐만 아니라 그리드와 그리드-투-스킨 결합 메커니즘에 대한 새로운 제조 접근법도 개발했습니다. "그리드 제작은 엄청나게 비쌀 수 있습니다."라고 오프링가는 지적합니다. "하지만 우리 그리드는 평판 라미네이트와 단순한 사출 성형 '필러(fillers)'로 구성됩니다."

보다 구체적으로, GKN 포커는 걸프스트림 패널(이전 TAPAS 패널에도)에 특허받은 버트 조인트 기술을 적용했습니다. T 또는 L 스트링거 구성요소의 웹과 캡, 블레이드 스트링거 구성요소는 평판 탄소 섬유/PEKK 라미네이트에서 워터젯으로 컷팅된 프리폼으로 제작됩니다. 결합 요소(스킨-투-웹, 웹-투-캡)는 단섬유 탄소/PEKK 소재로 만든 파이(π) 모양의 사출 성형 필러입니다. 레진과 탄소 섬유 유형 모두 그리드 멤버의 것과 일치합니다.

스킨과 오쏘그리드는 인바(Invar) 내부 몰드 라인(IML) 툴에서 공동 경화됩니다. 이 툴에는 오쏘그리드 구성요소와 툴링 블록이 로드되는 그루브가 있습니다. AFP로 성형된 스킨이 IML 위에 놓이고, 전체 어셈블리가 백킹되어 오토클레이브에서 공동 경화됩니다.

용접(Welding)

자동 용접. 열가소성 복합재 동체 패널의 경제적 실행 가능성에 기여하여, GKN 포커는 로봇 용접 기술을 개발하고 사용했습니다. 출처 | GKN Fokker

오쏘그리드와 버트 조인트 설계의 결합은 오쏘그리드와 프레임의 패스너 없는 결합을 용접으로 가능하게 합니다. TAPAS 팀 멤버들에 의해 TAPAS2 단계에서 유도, 전도, 초음파 용접 기술을 포함한 여러 용접 기술이 개발되었습니다. 걸프스트림 패널은 전도 용접을 사용하여 프레임 웹을 원주 방향 블레이드 스트링거에 결합했습니다. 이 작업은 용접 헤드를 로봇에 장착하여 수행되며, 이는 비용 효율적인 제조 가능성에 기여하는 또 다른 개발입니다.

여러 단계 중 한 걸음

GKN 포커는 2017년 걸프스트림과의 협력을 시작하여 동체 패널 설계 개념을 만들었습니다. 2018년과 2019년에 여러 곡면 패널의 설계와 제작이 이어졌고, 올해 JEC World에서 마일스톤이 된 첫 패널 데모 부품이 전시되었습니다.

완성된 부품. 프레임 요소가 원주 방향 블레이드 스트링거에 용접되어, 걸프스트림 동체 패널은 테스트, 평가, 그리고 회사들이 생산 열가소성 복합재 동체를 향해 작업하면서 지속적인 개발을 위해 준비되었습니다. 출처 | GKN Fokker

GKN 포커는 패널 제작을 계속하고 있으며 올해 말 TRL4(부품 검증) 달성을 기대합니다. "우리는 완전한 성숙을 위한 향후 방향을 현재 논의 중입니다."라고 오프링가는 보고합니다. 패널 설계가 특정 플랫폼을 목표로 하지 않는다는 점을 지적하며, 채프먼은 패널 테스트가 걸프스트림의 소재 특성과 성능에 대한 이해를 심화하는 데 도움이 될 것이라고 보고합니다. 제트기의 성능, 제조 비용, 사용 비용, 내구성을 포함한 열가소성 복합재 1차 구조물의 더 광범위한 비즈니스 케이스에 대해 채프먼은 "연구 개발 길을 더 내려가면서 그것들을 더 잘 이해하게 될 것입니다. 현재로서는 이 복잡한 형상을 비용 효율적으로 만드는 데 초점을 맞추고 있습니다."라고 언급합니다.