맞춤형 프리폼 엔지니어링: 열가소성 복합재 제조의 최첨단 자동화

최근 사이클 타임과 복합재 비용 절감을 위한 많은 신기술이 개발되었으며, 자동차, 산업, 소비재 적용 분야에서 복합재 사용 증가를 목표로 합니다. 가장 유망한 개발 분야 중 하나는 열가소성 프리프레그 테이프를 절단하고 배치하여 맞춤형 블랭크를 형성한 다음, 압축 성형과 사출 오버몰딩으로 부품으로 변환하는 자동화 생산 라인입니다. 이 개발에 활발한 기업으로는 에어본(네덜란드 헤이그), 반 위스 UD 및 크로스플라이 테크놀로지(네덜란드 틸부르크), 프랑스 엔지니어링 및 첨단 제조 R&T 기관 세팀(Cetim, 낭트)이 있습니다. 후자는 2015년 퀼티드 스트라텀 공정(QSP)을 공개했습니다. QSP는 40-90초 생산 라인 펄스 타임으로 복잡한 형상 부품을 생산할 수 있습니다. 예를 들어 QSP를 사용하여 L자형 빔에 성형된 오메가 형상 프로파일은 1.5, 2, 3mm 두께 오르가노시트(직물 열가소성 프리프레그) 13개 패치와 UD 테이프를 6mm 두께 부품에 통합하며, 부품당 77초 미만 사이클 타임을 가집니다.

그러나 QSP 같은 자동화 기술을 활용하려면 엔지니어들은 부분 플라이의 많은 이론적 조합과 플라이 수, 두께, 위치, 구성(보강재 유형, 섬유 배향 등)의 해당 변동을 평가할 수 있는 설계 및 최적화 방법을 개발해야 합니다. 이를 염두에 두고 세팀은 복합재 구조 해석, 비파괴 검사(NDT), 제조 경험을 오네라(ONERA, 프랑스 항공우주 연구소)의 항공우주 산업에서 수년간 사용된 첨단 최적화 방법 전문성과 결합했습니다. 결과는 알테어 엔지니어링(미국 미시간주 트로이)의 하이퍼웍스(HyperWorks) 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 소프트웨어에서 이제 사용 가능한 QSD 도구입니다. 이는 기본적으로 테이프 및 오르가노시트 기반 공정으로 제작된 복합재 부품 설계와 비용 제어를 돕는 최적화 애드온으로, 생산 스크랩 재사용을 통한 제로 웨이스트, 폐쇄 루프 제조 방법도 포함합니다.

4단계 공정

QSD 방법론은 구조 최적화, 형상 분석, 적층 식별, 설계-비용 분석 4단계로 구성됩니다(그림 1). 각 단계는 설계자가 입력 소재로 무엇을 할 수 있는지 빠르게 테스트하고 기계적 및 제조 제약 조건에 대한 올바른 결정을 내려 부품 비용을 제어하는 데 도움이 됩니다. QSD 애드온은 알테어와 개발되어 모든 하이퍼웍스 옵티스트럭트(OptiStruct) 사용자가 친숙한 환경에서 직접 사용할 수 있도록 했습니다. 이 사용자들은 이미 알테어 소프트웨어로 개발된 내부 노하우를 활용하여 새로운 유한 요소 모델 개발 없이 QSD를 활용할 수 있습니다.

구조 최적화

QSD 공정 첫 단계에서 열가소성 테이프 소재를 선택하고 강도, 탄성률 등 표준 파라미터를 포함하는 특성을 설계자가 선택한 데이터베이스나 알테어의 다중스케일 디자이너 데이터베이스(이방성 열가소성 복합소재 및 미시역학 모델)에서 입력합니다. QSD는 이 데이터베이스와 하이퍼웍스 옵티스트럭트를 사용하여 '강성 매칭' 최적화를 완료합니다. 이 분석 일부 결과가 쉽게 구상되지 않기 때문에(예: 이방성 강성), QSD는 직접 변수 필드나 주요 강성 방향, 강성 극좌표 플롯 같은 해석된 결과를 포함하여 복잡하지만 풍부한 데이터와 상호작용하는 다양한 방법을 제공합니다(그림 1). 이 모든 표시는 동일한 기계적 반응을 정의하지만 사용자 선택 선호도에 따라 맞춤형 뷰를 제공합니다. 목표는 설계자가 원하는 부품 성능 달성을 위한 전진 경로 이해와 시각화를 돕는 것입니다. 이 단계에서 두께와 질량을 최적화할 수 있으며, 후자는 일반적으로 금속 부품 대비 최대 50%까지 감소합니다.

형상 분석

다음 단계는 드레이프 추정 도구로 부품을 평탄화하여 3D 형상에서 2D 시트로 변환한 다음, 클러스터링 알고리즘을 사용하여 이 시트를 자동 분할함으로써 설계자가 필수적인 타협을 할 수 있도록 돕습니다. 목표는 평탄한 프리폼과 최종 부품 간 연결 평가를 더 간단하고 빠르게 만드는 것입니다. 그림 2에 표시된 자동차 위시본은 유한 요소 메쉬와 옵티스트럭트 결과에 기반하여 원래 300개 존으로 분할되었으나 QSD로 5개 존으로 줄어들었습니다.

설계자는 각 존의 모서리를 펴고 매끄럽게 하여 해당 절단 플라이의 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 이는 제조 실행 가능성을 개선하여 비용을 제어하는 핵심 단계입니다. 이 단계는 또한 플라이 및 형상 단순화가 부품 기계적 성능에 미치는 영향을 평가할 수 있기 때문에 흥미롭습니다. 기계적 성능과 부품 제조 가능성/스크랩/비용 간 타협이 필요한 경우 이 단계가 그 평가를 위한 데이터를 제공합니다.

적층 식별

이 단계의 목표는 QSD 적층 데이터베이스 또는 플라이 라이브러리에서 선택하여 각 존에 최적의 지역 적층을 결정하는 것입니다. 이는 사용자 특정 데이터로 보강될 수 있습니다. QSD 도구는 설계자가 부품 플라이를 스케치하고 기계적 기준(예: 지역 변위, 좌굴 계수, 고유주파수)을 통해 부품 반응을 평가하여 최적 적층 전략을 찾도록 돕습니다.

설계-비용 분석

이 마지막 단계에서 설계자는 스크랩 폐기물을 포함한 부품 소재 비용과 플라이 절단 및 조립으로 인한 제조 비용을 평가할 수 있습니다. 실제로 플라이 수와 플라이당 소재 폐기물이 주요 비용 동인입니다. 폐기물 빠른 평가가 QSD에서 곧 제공되어 초기 설계 반복 중 추정값을 가능하게 합니다. 최종 반복에서는 각 플라이를 내보내어 사용자가 선호하는 소프트웨어에서 상세 네스팅 분석을 수행할 수 있습니다. 부품 비용 평가 공식 파라미터도 설계자가 필요시 커스터마이징할 수 있습니다. 따라서 설계자는 다양한 적층 전략을 비교하여 폐기물, 제조 가능성, 비용, 기계적 성능을 평가할 수 있습니다.

QSD는 테이프, 직조 또는 교차 플라이 오르가노시트 같은 모든 종류의 반제품 평가를 가능하게 합니다. 또한 카본 컨버전스, ELG 카본 파이버 등의 재활용 탄소섬유로 만든 논우븐 매트나 세팀의 써모소익(Thermosaïc) 기술이나 유사 공정으로 열가소성 스크랩에서 만든 열성형 가능 시트 같은 재활용 소재 평가도 가능합니다. 물론 그러한 소재의 기계적 특성이 필요하지만, 일단 결정되면 QSD 모듈에 쉽게 입력할 수 있으며 최종 플라이 라이브러리/적층 데이터베이스에도 포함됩니다. 이렇게 하면 이 부품의 스크랩이 이 부품에 다시 사용되어 제로 웨이스트, 폐쇄 루프 제조가 가능해집니다. 이는 지속가능성 측면에서 모든 복합재 제조의 이상적 목표입니다.

복합재 사용 증대를 위한 도구

QSD는 세팀의 QSP 공정뿐만 아니라 맞춤형 프리폼을 생성하는 모든 공정(자동 테이프 배치, 자동 절단 및 수작업 적층 등)과 자동화 정도에 관계없이 적합하므로 설계 프로세스 초기 단계에 적합합니다. 엔지니어들이 부품을 최적화하고 설계 워크플로 초기에 잘못된 설계 선택을 피하도록 돕도록 설계되었습니다.

참고문헌:

[1] "A novel design method for the fast and cost-effective manufacture of composite parts employing the Quilted Stratum Process" 프랑수아-자비에 이리사리, 테렌스 맥쿼트, 세드릭 줄리앙, 드니 에스피나수.

저자 소개

드니 에스피나수는 기계 엔지니어이자 QSD 프로젝트 리더입니다. 2010년 프랑스 기계 연구소 세팀에 합류하여 장섬유 열가소성 복합재 구조 설계 및 최적화 전문가로 활동했습니다. 또한 프로토타입 제조와 기계적 검증을 통한 제품 개발도 담당합니다.