고압 RTM: CFRP 항공우주 구조물의 효율적, 비용 효율적 생산

레진 트랜스퍼 몰딩(RTM)이 약 10년 전 고압 RTM(HP-RTM)으로 전환되기 시작했을 때, 대부분 자동차 응용 분야에서 복합재 부품 사이클 타임을 수 시간에서 2분 미만으로 단축한 것으로 칭송받았습니다. 이 기술을 항공우주 부품에 적용하는 것에 대해서는 덜 언급되었습니다. 항공기 산업은 수천 개의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 팬 블레이드와 상용 항공기 엔진용 컨테인먼트 케이스를 생산하는 데 사용된 기존 RTM을 포함하여 RTM과 오랜 역사를 가지고 있습니다. 에어버스는 RTM을 사용하여 7미터 길이의 원피스 복합재 멀티스파 플랩을 A320용으로 프로토타이핑하기도 했습니다. 하지만 수 시간 걸리는 공정 경험을 완전 자동화된 복합재 항공기 부품 성형으로 분 단위로 전환하는 것이 가능할까? 몇몇 주요 플레이어들은 가능하다고 말합니다.

기존 RTM은 여기서는 명확성을 위해 LP-RTM으로 지칭되며, 일반적으로 10-20 바의 주입 압력을 사용합니다. 반면 HP-RTM은 30-120 바의 주입 압력을 사용합니다.

"우리는 EU 자금 지원 프로젝트를 통해 동체 프레임 제조를 위해 항공우주 RTM 가공을 10년 전부터 시작했습니다."라고 알펙스 테크놀로지스(Alpex Technologies, 오스트리아 밀스)의 연구 개발 책임자 베른하르트 리텐쇼버(Bernhard Rittenschober)는 말합니다. 알펙스는 직렬 복합재 부품 생산을 위한 혁신적인 툴링 시스템 공급업체입니다. "당시 예측은 [에어버스] A350의 많은 부품이 RTM으로 제작될 것이었지만, 이는 실현되지 않았습니다." 그러나 알펙스는 기술을 계속 연구했고, 자동차와 항공우주 산업 모두에 공급업체로서 이 두 산업에서 사용되는 공정이 어떻게 병합될 수 있는지 살펴보기 시작했습니다. "아이디어는 항공우주에서 인증된 [헥셀] RTM6 에폭시 레진을 사용하되, 자동차 툴링 모범 사례와 자동화된 주입 시스템을 사용하여 사이클 타임을 낮추는 것이었습니다."라고 리텐쇼버는 설명합니다.

그 결과는 2013-2015년 오스트리아 정부 자금 지원으로 알펙스가 에어버스 헬리콥터스(독일 도나우워트 시설), 장비 공급업체 크라우스마페이(KraussMaffei, 독일 뮌헨), 테스트 전문 항공우주 및 첨단 복합재(AAC, 오스트리아 비너 노이슈타트), 레진 공급업체 헥셀(Hexcel, 미국 코네티컷주 스탬포드)과 함께 참여한 TAKE OFF라는 연구 프로그램이었습니다. 이 프로그램은 HP-RTM이 A350 도어 프레임 비용을 30% 절감하고, 2성분(2K) 레진 시스템 사용, 인몰드 센서를 통한 지능형 주입 및 경화 모니터링, 부품 사이클 타임 추가 단축 능력 등 상당한 기술 개발을 가져왔음을 입증했습니다. 알펙스는 개발을 계속하며 이 HP-RTM 기술이 현재 CFRP 생산 문제를 극복하는 데 도움이 될 잠재력을 보고 있습니다.

이 견해를 뒷받침하듯, 에어버스 오퍼레이션즈 GmbH의 자회사인 복합재 기술 센터(CTC)도 10년간 자동화된 RTM을 개발해 왔으며, 처음에는 LP-RTM으로 시작했다가 약 5년 전 HP-RTM으로 전환했습니다. (CompositesWorld는 2016년 시설 투어 중 CTC의 크라우스마페이 HP-RTM 기계와 개발 작업을 언급했습니다.) "HP-RTM은 고속 혼합으로 고반응성 레진 사용을 가능하게 하여 주입과 경화의 병목 현상을 해결합니다."라고 CTC 생산 시스템 프로젝트 리더이자 RTM 기술 담당 주연락인 얀 실러(Jan Schiller)는 설명합니다. "우리는 1-2미터 크기의 다소 복잡한 지오메트리 부품을 항공우주 요건(예: 60% 섬유 부피율, 2% 미만 보이드) 충족하며 20분 사이클 타임으로 생산하는 공정을 개발했습니다." 그는 작년 에어버스 공급업체들과의 방문과 논의 후, 여러 부품이 HP-RTM으로 전환되어 A320 항공기의 고속 생산을 가능하게 할 것으로 식별되었다고 덧붙입니다. "우리는 현재 이것들에 대한 구체적인 공정을 개발하고 있으며, 올해 그것들을 양산에 투입하기 위해 노력하고 있습니다."

HP-RTM A350 도어 프레임

알펙스의 개발은 SPARTA라는 프로젝트를 통해 오스트리아 TAKE OFF 프로그램을 통해 완료되었습니다. "에어버스 헬리콥터스가 부품을 선택했습니다."라고 리텐쇼버는 회상합니다. "이 도어 프레임은 A350에 문이 열려 있을 때 들어갈 때 보이는 것입니다. 높이는 약 2미터, 폭 200-250mm, 두께 8-10mm로 복잡한 형상과 조립된 도어의 다양한 요건을 충족하는 설계 특징을 가지고 있습니다. 도어는 1차 구조물입니다." A350 도어는 에어버스 헬리콥터스가 독일 도나우워트에서 LP-RTM으로 만든 14개 부품으로 구성됩니다. SPARTA로 선택된 프레임은 도어의 더 어려운 부품 중 하나입니다. "HP-RTM을 표준 항공우주 LP-RTM과 직접 비교할 수 있기 때문에 좋은 데모 부품입니다."라고 리텐쇼버는 덧붙입니다.

알펙스는 현재 에어버스 헬리콥터스에서 A350 도어 프레임 생산에 사용되는 LP-RTM 툴링을 설계하고 제작했습니다. HP-RTM 툴링의 설계와 제작에는 더 자동차적인 마인드셋을 적용할 것입니다. "우리의 목표는 자동차형 자동화를 항공우주 복합재 부품 생산에 가능하게 하는 것입니다."라고 리텐쇼버는 말합니다. "에어버스가 미래 A320을 더 많은 복합재 부품으로 월 60-100대 속도로 제작하려면 이것이 필요합니다."

그는 계속합니다. "우리는 BMW용 금형 생산에서 왔는데, BMW는 부품과 공정을 단순화하여 사이클 타임을 줄이려 적극적으로 노력했습니다. 반면 에어버스는 이전 항공우주 복잡성에서 왔습니다. 예를 들어, 시작할 때 에어버스 헬리콥터스는 이 금형이 몇 개 부품을 가질지 물었습니다." 현재 LP-RTM 도어 생산에는 복잡한 다중 부품 툴이 포함되었습니다. "우리는 HP-RTM 툴은 상부 금형 하나와 하부 금형 하나만 가질 것이라고 설명했습니다."라고 리텐쇼버는 말합니다.

따라서 알펙스는 단순한 금형 설계로 시작하여 가공을 더 견고하고 유연하게 만드는 특징을 추가했습니다. 예를 들어, 대량 자동차 생산에 사용되는 씰링 시스템. "게다가 우리는 모든 센서를 금형에 통합했습니다."라고 그는 언급합니다.

프리폼과 공정

현재 A350 도어 프레임에 사용되는 프리폼은 직물 소재를 사용하며 여러 디벌킹 단계를 필요로 하여 3일 생산 주기가 소요됩니다. "우리는 논크림프 패브릭(NCF)을 대신 사용하기로 결정했습니다."라고 리텐쇼버는 말합니다. "이는 가격과 사이클 타임을 크게 낮춥니다. 우리는 또한 헥셀 인증 직물 프리폼으로 일부 부품을 데모했지만, 항공우주 밖의 복합재 산업에서 직물에서 테이프와 NCF 같은 저비용 형태로의 전환 개발을 보고 있습니다."

주입 지점과 섬유 세척 문제에 대해 묻자, 리텐쇼버는 HP-RTM 툴은 단일 주입 지점만 있지만, 프리폼이 금형에 고정되어 매우 안정적이기 때문에 섬유 세척이 없다고 설명합니다.

또 다른 핵심 포인트는 알펙스가 현재 에어버스 헬리콥터스가 사용하는 단일 성분 RTM6 대신 2성분(2K) 레진 시스템을 선택했다는 것입니다. 리텐쇼버는 2K 시스템이 더 반응성이 높아 HP-RTM에 더 적합하며, 사전 혼합되지 않고 위험물 운송이 필요 없어 비용을 절감할 수 있다고 주장합니다. 그러나 180°C의 더 높은 온도가 필요합니다. "이것이 우리에게 가장 도전적인 부분이었습니다."라고 리텐쇼버는 말합니다. "우리는 120°C에서 가공하는 데 더 익숙했기 때문입니다."

크라우스마페이는 독일 뮌헨의 경량 기술 센터에 완성된 툴링을 자사의 RimStar Compact HP-RTM 시스템에 설치했습니다. 이 시스템은 자동화된 고압(최대 80바/1,100psi) 혼합, 계량, 주입을 특징으로 합니다. 그런 다음 20개의 데모 부품을 만들었습니다. 리텐쇼버는 기준 공정을 설명합니다: 80°C에서 주입, 120°C로 램프업 후 1시간 유지, 180°C로 램프업 후 90분 경화 유지, 램프 다운(분당 2°C), 탈형. "주입은 단 20초만 걸리지만, 총 성형 사이클은 약 4시간입니다."라고 그는 말합니다.

사이클 타임과 비용

SPARTA 도어 프레임의 여전히 긴 경화 사이클은 에어버스 인증 헥셀 RTM6 레진 제형과 가공에 의해 주도됩니다. "우리는 180°C에서 30분 경화 사이클을 달성할 수 있었고, 이후 진공 하에서 추가 후경화로 열응력을 제거하고 기계적 특성을 보장했습니다."라고 리텐쇼버는 언급하며, 특성이 꽤 좋았고 LP-RTM 부품과 비교 가능했다고 덧붙입니다.

"공정을 사용하고 더 높은 부품 볼륨을 위해 생산을 자동화할 수 있음을 보여주었습니다."라고 리텐쇼버는 말합니다. "금형에서 주입과 경화를 하고 프레스 밖에서 후경화할 수 있습니다." 그는 이것이 추가 툴 세트가 필요하지만 단일 프레스와 주입 유닛만 필요하다고 인정합니다. "이 시스템으로 부품 비용을 700유로 줄일 수 있으며, 연간 500-1,000개 생산 속도로 장비 비용을 쉽게 회수할 수 있습니다. 이는 매우 높은 볼륨도 아닙니다."

CTC 공정 개발과 데모 부품

툴링과 공정 외에도, HP-RTM 도어 프로젝트에는 혁신적인 섬유 포맷 사용이 포함되었습니다. "우리는 에어버스 인증 직물로 시작했고 매우 성공적이었습니다."라고 실러는 회상합니다. "그런 다음 NCF와 더 혁신적인 텍스타일로 계속했습니다." 후자에는 드라이 파이버 배치와 스프레드 토우 레이어 인터리빙으로 인성 증가가 포함되었지만, 후자는 섬유와 레이어의 타이트한 패킹으로 투과성이 나빠지고 레진 침투를 방해하는 문제를 나타냈습니다. "이를 해결하기 위한 개발도 있습니다. 예를 들어 투과성을 개선하기 위한 특수 섬유를 가진 NCF."라고 그는 덧붙입니다.

HP-RTM 압력에 관해, 실러는 공정 사용 결정이 폴리우레탄 산업의 혼합 기술에 의해 주도되었지 높은 공정 압력에 의한 것이 아니라고 강조합니다. "우리는 고반응성 레진의 좋은 혼합을 얻기 위해 HP-RTM을 사용합니다."라고 그는 설명합니다. "금형에 약간 더 높은 압력이 있을 수 있지만, 이는 빠른 주입에 의한 2차 효과입니다. 2분 사이클 타임의 자동차 부품은 건식 프리프레그에 레진을 우리보다 훨씬 빨리 침투시켜야 합니다. 우리의 15분 경화 시간은 레진 침투에 더 많은 시간을 허용하며, 이는 금형 내 압력도 낮춥니다."

프레스 톤수는 부품 크기에 따라 달라집니다. "2미터 크기까지 부품 제작은 잘 작동합니다(약 1,500톤) 하지만 4-6미터 크기 부품은 프레스 투자가 매우 높아 비즈니스 케이스를 계산해야 합니다."라고 실러는 말합니다. CTC는 2018년 JEC World에서 1.5m x 0.5m CFRP 리브를 전시했는데, 이는 가능한 모든 항공우주 1차 구조를 나타냅니다. 2019년 말 더 높은 톤수의 프레스를 받을 예정입니다.

2K 레진과 센서 기반 QA

실러는 이전 모든 RTM 항공기 구조물이 공급업체가 혼합하는 1K 시스템만 사용했으며, 공급업체가 혼합물을 인증하고 레진이 인증 요건을 충족하도록 하는 책임을 부담했다고 관찰합니다. "이제 우리는 2K 시스템을 고려하고 있지만, 과제는 혼합 품질을 보장하는 것입니다."라고 그는 설명합니다. 사전 혼합 1K 시스템은 부품 가공까지 반응을 방지하기 위해 냉장 운송과 보관이 필요합니다. 따라서 2K 시스템의 장점에는 이 비용 제거와 더 빠른 가공을 위한 더 높은 반응성이 포함됩니다. 그러나 한 가지 문제는 품질 보증(QA)이 레진 공급업체에서 부품 제조업체로 이전된다는 것입니다. "이 QA는 혼합 비율 그리고 혼합 레진 품질의 감지를 필요로 합니다. 둘 다 에어버스의 새 소재 인증에 필요합니다. 따라서 혼합 직전 두 성분 측정과 혼합 후 레진 측정이 필요합니다. 현재 우리는 믹스 헤드 전에 센서만 있어 얼마나 많은 레진과 경화제가 믹스에 계량되는지 보여줍니다. 이것은 인증에 충분하지 않습니다."

한편 알펙스는 에어버스가 요구하는 100% 적절하게 혼합된 레진 검증을 제공하는 인라인 품질 시스템 개발에 노력하고 있습니다. "우리는 이 개발 초기부터 네츠치(Netzsch) 인몰드 센서와 협력해 왔습니다."라고 리텐쇼버는 언급합니다. "이제 네츠치가 키슬러(Kistler, 스위스 빈터투어)와 파트너십을 맺으면서 새로운 기술이 가능해졌습니다. 우리는 온도, 압력, 레진 경화를 단일 센서로 모니터링할 수 있으며, 이를 금형에 포함시킵니다."

"알펙스는 인몰드 센서를 사용하라고 하고, 믹스/주입 장비 공급업체는 센서가 자신들의 시스템에 있어야 한다고 말합니다."라고 실러는 말합니다. "둘 다 맞습니다." 하지만 그는 후자에도 개선 필요성이 있다고 지적합니다. "자동차 HP-RTM에서 레진 혼합 비율은 전체 공정에 걸쳐 측정되므로 평균값입니다. 그러나 나는 공정 중 모든 이산 지점에서 이 측정이 필요합니다. 주입 중 마지막 0.5초라도 혼합 비율이 항상 정확한지 알기 위해서입니다. 측정 시스템에서 더 나은 시간 분해능이 필요합니다." 실러는 믹스 헤드 전, 믹스 헤드 내부, 그리고 금형 내 센서가 아마도 필요할 것이라고 제안합니다. "우리는 2K 레진의 항공우주 응용 평가를 위해 이 QA 개발을 병행하고 있으며, 기계 공급업체들과 함께 충분한 분해능을 약속하는 센서 시스템을 식별했습니다. 올해 내에 검증될 예정입니다."

알펙스는 또한 항공우주 및 첨단 복합재(AAC, 오스트리아 비너 노이슈타트)가 개발한 새로운 하이브리드 다기능 압전 센서를 시험하고 있습니다. RTM 금형 위에 배치되어 금형 내 레진 흐름 전선을 모니터링하는 압력 센서 역할을 합니다. 프리폼이 레진에 의해 함침되고 경화가 시작되면 임피던스 스펙트럼 변화가 센서에 의해 경화도를 결정하는 데 사용됩니다. 경화가 완료되면 압전 센서가 부품 표면에 공동 경화되어 수동 모드에서 음향 방출 센서로, 능동 모드에서 유도 초음파를 사용하여 구조 건강 모니터링에 사용됩니다. 완제품의 충격 및 손상 모니터링에 시연되었습니다.

이 공정 데이터는 인더스트리 4.0 지능형 생산 시스템으로 분석되어 품질과 효율성의 추가 개선 경로를 식별할 수 있습니다. 이 공정 데이터는 각 부품의 디지털 트윈으로 기록될 수도 있습니다.

미래 잠재력

리텐쇼버는 HP-RTM 기술의 유일한 진정한 장애물은 인증이라고 말합니다: "우리는 에어버스 헬리콥터스와 이 공정이 작동할 수 있음을 입증하고 있지만, 누군가가 인증해야 합니다." 실러는 누가 첫 번째가 될지 찾는 것이 항상 장애물이라는 데 동의하지만, 작년 많은 부품에 대한 비즈니스 케이스도 계산했습니다. "연간 200개 부품으로는 타당하지 않습니다. 그러나 A320 부품의 경우 매력적이 됩니다. 매달 A320 프로그램의 더 높은 목표 속도를 봅니다. 이 많은 부품들은 1980년대에 설계되어 수동으로 생산되므로 HP-RTM으로 훨씬 더 효율적으로 만들 수 있습니다."

CTC가 입증한 20분 부품 사이클 타임으로, HP-RTM은 연간 5,000대 항공기 생산이 상한으로 제안된 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기 시장에도 매력적일 수 있습니다. 에어 택시 제조사 우버(Uber)에 의해 제안되었습니다.

알펙스는 다양한 RTM 발전을 계속 개발할 것이라고 리텐쇼버는 말합니다. "우리는 HP-RTM이 CFRP 항공 구조물의 더 비용 효율적이고 산업화된 생산 문제를 해결하는 데 진정한 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다." 실러도 동의하며, 많은 표적 A320 응용 분야에 선체당 수많은 CFRP 부품이 있다고 지적합니다. "따라서 더 효율적인 공정의 혜택이 누적되기 시작합니다. 첫 번째 응용이 양산에 들어가면 다른 것들도 따라올 것입니다."

고압 RTM: CFRP 항공우주 구조물의 효율적, 비용 효율적 생산