열가소성 복합 재료 용접

열경화성 수지로 만든 합성물과 달리 매트릭스, 열가소성 복합재(TPC)는 복잡한 화학 반응이나 긴 경화 과정이 필요하지 않습니다. 열가소성 프리프레그는 냉장이 필요하지 않아 사실상 무한한 저장 수명을 제공합니다. 항공 우주 TPC에 사용되는 폴리머(폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 및 폴리아릴케톤(PAEK))는 완성된 부품에서 높은 손상 내성과 습기 및 내화학성을 제공하며, 따라서 뜨겁거나 습한 조건에서 성능이 저하되지 않습니다. 그리고 그것들은 재용해될 수 있으며, 수리 및 수명이 다한 재활용 가능성에서 이점을 약속합니다. 그러나 아마도 항공기 개발에서 TPC를 사용하는 가장 큰 동인은 융합 결합/용접을 통해 구성요소를 결합하는 능력일 것입니다. 이는 열경화성 복합재(TSC) 부품을 결합하는 데 사용되는 기계적 고정 및 접착 결합과 같은 기존 방법에 대한 매력적인 대안을 제시합니다.

널리 인용된 논문 "Fusion Bonding/Welding of Thermoplastic Composites"에서 정의한 바와 같이 Ali Yousefpour, National Research Council Canada(Ottawa, ON, Canada), 구성 요소의 표면을 만든 다음 폴리머 응고 및 통합을 위해 이러한 표면을 함께 누릅니다." 결과는 열경화성 접합과 매우 다릅니다.

GKN Fokker(네덜란드 Hoogeveen)의 Aerostructures R&T 책임자인 Arnt Offringa는 "피부에 용접된 리브와 같은 통합 구조를 만들고 있습니다."라고 설명합니다. “현미경으로 보면 균질한 폴리머만 보이므로 결합과 다릅니다. 구분선, 갈라짐, 접착제 등의 식별 가능한 접합재가 없습니다. 재료가 하나뿐이므로 용접의 양면에 동일한 폴리머를 사용합니다. 따라서 당국은 기계적 패스너 없이 이러한 결합을 수락할 것입니다.” (Offringa는 용접 과정의 결과가 조인트가 아니라 하나의 단단한 조각이기 때문에 여기에서 "결합"이라는 단어를 사용합니다.)

실제로 이러한 용접된 TPC 구조는 수십 년 동안 비행해 왔습니다. 그리고 저항용접과 유도용접이 가장 많이 정립된 ​​두 가지 방법이지만, 초음파용접, 레이저용접, 전도용접 등의 다른 방법들도 복합재료에 사용하기 위해 발전되고 있다. 용접 지지자들이 예측 공정 시뮬레이션 소프트웨어에서 필요한 신뢰성, 용접 공정 변수의 인라인 제어 증가, 용접 공정을 항공기 1차 구조 생산으로 확장함에 따라 이러한 방법의 개발은 계속됩니다.

저항 용접

KVE Composites Group(네덜란드 헤이그)과 함께 GKN Fokker는 TPC 용접 개발 분야에서 인정받는 리더입니다(CW 참조). 의 Fokker Aerostructures 투어). Offringa는 “1990년대 초에 저항 용접을 시작했습니다. "이 방법의 우아함은 열이 용접 인터페이스에서 정확히 생성된다는 것입니다." 용접 경계면에서 저항 요소를 통과하는 전류는 열을 생성하고 열가소성 폴리머를 녹입니다(그림 1). 그러나 이 저항 요소(금속 또는 탄소 섬유(CF))는 완성된 부품에 남아 있습니다. “우리는 PPS 코팅된 금속 메쉬를 저항 요소로 사용하는 방법을 개발한 다음 Fokker 50에 저항 용접된 CF/PPS 주 랜딩 기어 도어를 인증 및 비행했습니다. 1998년에 터보프롭 항공기를 도입했습니다.”라고 Offringa는 말합니다. "이는 그 후 Airbus UK(영국 체스터 소재 Broughton)와 A340/A350 및 A380 광동체 항공기를 위한 유리 섬유/PPS 고정 앞 가장자리의 개발로 이어졌습니다." GKN Fokker는 주로 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)에 중점을 둔 저항 용접 연구를 계속해 왔습니다.

기술이 발전했습니다. Premium AEROTEC(독일 아우크스부르크)는 2018 ILA 베를린 에어쇼에서 Airbus(Toulouse France) A320 후방 압력 격벽 시연기를 선보였습니다. 격벽은 저항 용접을 통해 조립된 8개의 프레스 성형 CF 패브릭/PPS 세그먼트로 구성됩니다. 아우크스부르크에 있는 독일 항공 우주 센터(DLR)의 경량 생산 기술 센터(ZLP) 책임자인 Dr. Michael Kupke는 "저희는 얼마 동안 저항 용접을 사용해 왔습니다. "Premium AEROTEC 시연기의 경우 웰드라인 길이를 1.5m로 확장했습니다."

ZLP는 기존 스테인리스 스틸 메쉬 대신 탄소 섬유로 만든 저항성 요소를 선택했습니다. "유도 용접의 경우 부품의 다른 곳이 아닌 원하는 위치에 온도와 에너지를 얻는 것이 어렵습니다."라고 Kupke는 주장합니다. "저항 용접의 경우 이것은 본질적으로 해결되지만 지금까지는 부품에 저항이 남아 있다는 단점이 있었습니다." 탄소 섬유 저항기를 사용하면 이러한 단점이 완화됩니다.

그러나 기본 방법은 동일하게 유지됩니다. "전압을 인가하고 두 부품에 압력을 가하면 양호한 통합을 얻을 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. "작은 부품의 경우 로봇 엔드 이펙터가 압력을 가하지만 더 큰 부품의 경우 클램핑 압력을 제공하기 위해 지그가 필요합니다." A320 후방 압력 격벽용 지그는 Premium AEROTEC에서 제작한 곡선형 금속 "용접 브리지"입니다(그림 2). 8개의 웰드라인 각각 위에 위치하도록 회전하고 내부에 있는 10개의 공압 실린더를 통해 필요한 압력을 가합니다.

PPS 외에도 Kupke의 DLR ZLP 팀은 이 프로세스가 탄소 섬유 직물/PEEK에서도 작동함을 확인했습니다. "PEEK를 사용할 수 있다면 PEKK, PAEK 및 PEI에 적응할 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. "우리는 단방향(UD) 테이프도 용접할 수 있어야 합니다."라고 그는 말합니다(UD 테이프 용접과 관련된 문제는 아래에 설명되어 있음). Kupke는 용접되는 부품 두께에 제한이 없다고 말합니다. "3mm 또는 30mm일 수 있지만 용접선에서 열 관리에 주의해야 합니다."

그는 다음 단계가 최적화된 CF 저항 요소의 범위를 개발하는 것이라고 말했습니다. "지금은 기성품만 사용했습니다." Kupke는 이것이 산업 공정이 아니라 단지 시연에 불과하다고 지적합니다. “산업화를 위해 우리는 조금 다르게 할 것입니다. A320 격벽의 각 접합에 대한 용접 프로세스는 4분이 걸렸지만 용접 전류는 90초만 인가되었습니다. 나머지 시간은 웰드라인에서 PPS 열가소성 수지를 가열 및 냉각하는 데 사용되었습니다. 산업화로 인해 총 시간이 더 빨라지고 용접은 여전히 ​​1.5m 결합당 60-90초 밖에 걸리지 않을 것이라고 믿습니다.”

유도 용접

KVE는 2000년대 초반에 유도 용접 작업을 시작했습니다. 기본 기술은 웰드라인을 따라 유도 코일을 움직이는 것입니다. 코일은 본질적으로 전도성인 CFRP 라미네이트에 와전류를 유도하여 열을 발생시키고 열가소성 수지를 녹입니다. KVE 상무이사인 Harm van Engelen은 이렇게 회상합니다.

이 회사는 컴퓨터 시뮬레이션을 병렬로 개발했습니다. "시뮬레이션을 통해 외부 표면과 웰드라인의 온도를 예측할 수 있습니다."라고 그는 설명합니다. “웰드라인에 열을 집중시켜야 하지만 인접 섹션을 과열해서는 안 됩니다. 윗면은 인터페이스보다 더 빨리 뜨거워지므로 그 열을 제거해야 합니다.” KVE는 결과적인 열 관리 기술 및 도구 재료뿐만 아니라 용접 중 압력을 유지하기 위한 도구 기반 접근 방식, 그리고 2005년까지 개발한 유도 코일 및 용접 헤드의 로봇 제어에 대한 특허를 취득했습니다.

GKN Fokker의 Offringa는 “이는 서셉터나 용접 스트립이 필요하지 않은 CFRP용 저항 용접의 대안을 제공했습니다. “우리는 KVE 기술에 대한 라이선스를 부여하고 Gulfstream G650에 구현했습니다. 2008년부터 날고 있는 엘리베이터와 방향타.” KVE는 로봇 유도 용접 공정의 개발 및 산업화의 핵심 파트너였습니다. 세련된 2세대 기술은 Dassault Falcon 5X의 엘리베이터와 방향타에 사용됩니다. . Van Engelen은 G650의 용접이 자동화되었지만 여러 단계를 거쳐 완료되었습니다. "Dassault의 경우 한 번에 완료됩니다."라고 그는 덧붙입니다. "모든 부품을 도구에 넣은 다음 두 대의 엘리베이터와 방향타를 하룻밤 사이에 한 교대로 용접합니다."

2008년까지 KVE는 UD CF/PEKK 테이프의 단일 랩 전단(SLS) 테스트를 시작했으며 TAPAS(Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure) 프로그램을 위한 시연기를 생산했습니다. 2010년까지 낙뢰 보호(LSP) 기능이 있는 유도 용접된 UD CF 라미네이트의 3D 시뮬레이션을 완료하고 두꺼운 라미네이트(UD PEEK 및 PEKK의 경우 5mm 이하, 탄소 섬유 직물/PPS의 경우 15mm 이하)로 작업했습니다. KVE는 또한 Boeing Co.(미국 일리노이주 시카고) Phantom Eye의 TPC 방향타를 설계 및 제작했습니다. 보잉은 2011년에 생산을 시작한 UAV입니다. 2014년까지 회사는 유도 용접된 UD CF/PEKK 시연기를 생산했으며 현재 여러 OEM 및 Tier 1 공급업체와 협력하여 이 기술을 다른 항공기 구조에 적용할 수 있도록 지원하고 있습니다.

패브릭에서 UD 테이프로 이동

유도 용접은 탄소 섬유 직물에 매우 적합하지만 "UD 테이프를 사용하면 생산 속도에 도달하기 위한 새로운 도전 과제가 있습니다"라고 Offringa는 말합니다.

사우스 캐롤라이나 대학교(미국 사우스캐롤라이나주 컬럼비아)의 McNair 센터의 일부인 SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures의 책임자인 Dr. Michel van Tooren은 다음과 같이 설명합니다. 와전류가 생성되도록 두 개의 다른 각도(바람직하게는 가능한 한 멀리 각도)." 직조 직물의 수직 0° 및 90° 섬유 배향이 이상적이며 라미네이트의 각 플라이에서 와전류를 생성할 수 있습니다. 그러나 UD 라미네이트 스택의 경우 각도 차이가 더 작도록 45° 플라이가 산재되어 있는 것이 일반적입니다. "와류 가열 메커니즘은 이러한 방향이 수직이 아니기 때문에 영향을 받습니다. , KVE의 R&D 책임자인 Maarten Labordus가 덧붙입니다. “또한 플라이 사이에 뚜렷한 섬유 크로스오버가 없으며 단지 겹겹이 쌓일 뿐입니다. 따라서 패브릭 라미네이트에 비해 전류를 유도하기 위해 더 많은 전력이 필요합니다.”

그러나 더 많은 전력을 추가한다고 해서 용접 프로세스를 더 쉽게 관리할 수 있는 것은 아닙니다. 웰드라인에서 전력과 온도의 균형을 맞추는 것은 간단하지 않습니다. 유도 용접 프로세스는 적층 순서 뿐만 아니라 라미네이트 두께 및 부품 형상에 따라 변경되기 때문입니다. TPRC의 기술 이사인 Sebastiaan Wijskamp는 "그래서 우리는 공정 매개변수와 재료에서 열이 생성되는 방식을 살펴봅니다. “우리는 용접 성능을 미리 예측할 수 있는 지침과 설계 도구를 원합니다. Fabric에서 UD로 전환하려는 경우 시행착오 과정을 거치지 않고 어떻게 신속하게 전환할 수 있습니까? 이상적으로는 특정 레이업과 부품 형상을 고려한 섬유 및 폴리머의 전기 및 열 전도성 특성을 기반으로 하는 시뮬레이션을 통해 부품별로 용접 프로세스를 설계할 수 있습니다. 우리는 이러한 지침 및 도구에 대한 근본적인 이해를 개발하기 위해 McNair 센터에서 KVE 및 Michel van Tooren과 공동 연구를 수행하고 있습니다.”

"우리는 UD 대 직물, 적층 순서, 더 많은 수지와 더 적은 수지의 영역과 같은 이러한 모든 요소를 ​​정량화하고 이들의 관계를 설정한 다음 이를 일반 용접 모델에 다시 추가합니다"라고 Labordus는 설명합니다(그림 3). . 수지 함량이 높은 영역은 절연체 역할을 하여 열을 지연시키는 반면 수지 함량이 낮고 섬유 함량이 높은 영역은 가열을 촉진합니다. "처음에는 UD로 용접 예측을 40% 할인했지만 지금은 10% 이내로 CF 패브릭/PPS에 대한 고정확도 수준에 가까워지고 있습니다."라고 Labordus가 덧붙입니다.

Van Tooren은 또한 예측할 수 있습니다. UD 라미네이트의 유도 용접 성능. "2018년 말까지 우리는 주어진 애플리케이션에 필요한 코일 모양, 전력, 로봇 속도 및 가열 프로파일을 식별하는 데 도움이 되는 비교적 단순한 형상에 대해 작동하는 시뮬레이션 도구를 갖게 될 것입니다." 이 예측 기능은 미래 항공기를 위한 더 큰 기본 구조에서 용접된 TPC 구성 요소의 사용을 지원하기 위해 물리적 테스트와 병행하여 개발되고 있습니다. Van Tooren의 연구실은 KVE의 연구 파트너이며 헤이그, 네덜란드 항공우주 센터(NLR, 암스테르담) 및 ThermoPlastic 복합 재료 연구 센터(TPRC, Enschede, 네덜란드)에 있는 KVE 시설과 함께 4개 사이트 중 하나입니다. OEM 및 Tier 1 공급업체의 프로세스 자격을 지원하기 위해 KVE(그림 4)에서 개발한 표준화된 유도 용접 설정("열가소성 복합재 용접의 새로운 지평" 참조).

맞춤형 유도 코일

STELIA Aerospace(프랑스 툴루즈) Arches TP 구조 시연에서 CF/PEKK UD 테이프 스트링거와 동체 스킨을 결합하는 데 사용되는 "동적 유도 용접" 프로세스를 개발하기 위해 Composite Integrity(프랑스 Porcelette)에서 대안적인 유도 용접 접근 방식을 사용했습니다. 2017 파리 에어쇼에서 공개된 프로젝트(그림 5). Composite Integrity는 Institut de Soudure(IS Groupe, Villepinte, France) 내의 복합 재료 부서입니다. "우리는 금속 용접 분야에서 IS Groupe의 100년 이상의 경험을 바탕으로 직물, 비압축 직물 및 UD용 특정 코일을 포함하여 각 재료, 두께 및 부품 모양에 최적화된 자체 유도 코일을 설계 및 구축합니다."라고 Composite Integrity 비즈니스가 설명합니다. 개발 관리자 Jérôme Raynal. "UD의 주요 문제는 유도 전류를 생성하는 용접 노드가 없기 때문에 특정 코일(이 경우 다중 코일)이 필요하다는 것입니다."

25년 전 PPE(Pôle de Plasturgie de l'Est)로 설립된 Composite Integrity는 프랑스 항공우주 회사와 함께 수지 이송 성형(RTM) 및 에폭시 수지 주입 항공기 구조의 선두 주자입니다. 2016년 IS Groupe에 통합된 이 회사는 Aviacomp(프랑스 로나게)와 협력하여 Airbus A350 항공기의 TPC 연료 접근 도어에 사용되는 공동 통합 용접 기술을 개발했습니다. Raynal은 "성형된 내부 및 외부 복합재 부품 표면의 저항성 부품이 웰드라인에 열을 가합니다."라고 말합니다.

Composite Integrity는 2015년 STELIA Arches TP 프로젝트 작업을 시작하여 동체 크기의 곡선 부품의 유도 용접을 가능하게 했습니다. 로봇이 동체 및 길이로 스트링거를 용접하기 때문에 이 프로세스를 "동적"이라고 설명합니다. 용접 중 z 방향의 움직임을 포함하여 3D 모양을 수용합니다. "STELIA 시연기의 스트링거와 스킨 모두 두께가 변경되었습니다."라고 Raynal은 설명합니다. 알루미늄 레일은 고정 지그 역할을 하여 스트링거가 용접될 때 피부에 대한 움직임을 방지합니다. 시연자의 경우 용접 헤드에 있는 두 개의 롤러를 통해 압력이 가해졌습니다. 이것들은 코일 위에 있습니다. 용접하는 동안 롤러는 고정 레일 옆의 스트링거를 따라 달리고 코일은 용접선 위로 이동합니다.

"우리는 이제 단일 롤러를 사용하고 웰드라인 기계적 특성을 향상시키는 새로운 특허 출원 중인 용접 헤드를 개발했습니다."라고 Raynal은 말합니다. "또한 우리는 결정화 온도 미만인지 확인하기 위해 압력이 가해진 용접 표면에 공기를 불어넣는 냉각 장치를 가지고 있으므로 압력이 해제되면 압축이 풀릴 위험이 없습니다."

냉각 장치는 또한 웰드라인에서 열가소성 매트릭스의 결정도에 영향을 미칩니다. "우리는 결정도가 항공우주 표준을 충족하는지 측정하기 위해 테스트한 다음 용접 프로세스에 대한 해당 매개변수를 설정합니다."라고 Raynal은 설명합니다. 속도도 요인입니다. "시연자의 경우 속도는 2m/min이었지만 이제 우리의 목표는 5m/min입니다."라고 그는 말합니다. "PEEK 및 PEKK의 쿨다운 및 결정도를 관리하는 것은 더 복잡하며 이는 전체 용접 속도에 영향을 주지만 Airbus에서 인증한 기존 유기 시트를 사용하여 둘 모두에서 좋은 결과를 얻었습니다." 지금까지 용접된 부품의 최대 두께는 5mm입니다. "우리는 이것을 시연했는데, 이는 대략 구조 구성요소에서 가질 수 있는 두께입니다."라고 Raynal은 말합니다. “STELIA의 경우 인터페이스에 금속이 없는 도체로 탄소 섬유를 사용했지만 지금은 금속 메쉬 없이 모든 섬유(예:유리 섬유)를 용접하는 기술을 개발하고 있습니다. 인터페이스에 재료를 추가하지 않았지만 문제 없이 UD를 woven으로, UD를 UD로 용접할 수 있습니다.”라고 그는 주장합니다.

초음파 용접

세 번째로 많이 사용되는 기술인 초음파 용접은 GKN Fokker가 상당한 경험을 축적한 또 다른 기술입니다. 이 프로세스는 소노트로드를 사용하여 용접 표면에서 마찰열과 용융을 유발하는 고주파수(20-40kHz) 진동을 생성합니다.

Offringa는 Gulfstream 항공기의 경우 “이것은 점용접에 좋습니다. 우리는 50,000개 이상의 사출 성형된 TPC 부품을 바닥 패널에 접합하기 위해 초음파 용접을 사용했습니다. 매우 빠르고 고도로 자동화되어 있지만 한 곳에서만 스폿 용접입니다.” 여전히 그는 Clean Sky 2 프로그램의 다기능 동체 데모에서 제안된 것과 같은 통합 동체 생산에서 이 방법의 가능성을 보고 있습니다("열가소성 복합재 용접의 새로운 지평" 참조). "동체 브래킷은 종종 현재의 열경화성 복합 동체 구조에 접합, 리벳 또는 볼트로 고정됩니다."라고 Offringa는 관찰합니다. "초음파 용접을 사용하면 강화되지 않은 열가소성 수지인 브래킷과 매우 잘 연결될 수 있습니다."

초음파 용접은 일반적으로 에너지 디렉터와 함께 수십 년 동안 플라스틱에 사용되었습니다. 용접 인터페이스에서. 용접할 표면에 몰딩된 이러한 삼각형 또는 직사각형 수지의 능선은 국부적 열 발생을 증가시킵니다. 그러나 Delft University of Technology(네덜란드 델프트 소재 TU Delft)의 Irene Fernandez Villegas는 0.08mm 두께의 강화되지 않은 열가소성 필름이 대신 사용될 수 있음을 보여주었습니다. Offringa는 "그녀는 연속 초음파 용접을 개발하기 위해 노력하고 있으며 이 작업은 Clean Sky 2에서 계속되고 있습니다.

Villegas는 "열가소성 복합 재료의 스마트 초음파 용접"이라는 제목의 2016년 논문에서 순차적 용접을 통해 초음파 용접 프로세스를 확장하는 것이 가능하다고 말합니다. 용접 비드. CF/PEEK 힌지와 CF/PEKK 클립을 CF/PEEK C 프레임에 용접하기 위해 평면 에너지 디렉터를 사용하여 Clean Sky EcoDesign 시연자의 TPC 기체 패널에 실험실 규모의 순차 스폿 용접이 사용되었습니다(그림 6). 이중 랩 전단 및 풀스루 테스트에서 기계적으로 고정된 조인트와의 실험적 비교는 가능성을 보여주었습니다. 이 과정은 Villegas의 TU Delft 팀원 Tian Zhao의 2018년 논문에서 더 자세히 설명됩니다.

Kupke는 DLR ZLP가 로봇 기반 연속 초음파 용접도 연구하고 있다고 보고합니다. "스폿 용접은 최신 기술이지만 우리는 진정으로 연속적입니다."라고 그는 말합니다. “우리는 약 1m 길이의 테스트 벤치에서 프로세스를 최적화하고 다양한 재료와 구성을 사용하여 매개변수 연구를 수행하고 있습니다. 용접 기계와 디지털 제어 장치가 로봇 조작기를 위해 설계되었지만, 우리는 여전히 헤드를 미세 조정하는 방법과 각 재료 및 라미네이트 두께에 가장 적합한 속도와 에너지를 탐구하고 있습니다. 우리의 목표는 동체 접합부와 같이 매우 긴 용접을 수행할 수 있음을 보여주는 것입니다.”

레이저 용접

Yousefpour의 TPC 용접 기술에 대한 2004년 리뷰에서 레이저 투과 용접이 논의되었지만 그 이후 Laser Zentrum Hannover e.V.에 의해 크게 발전했습니다. (LZH, 하노버, 독일). 이 프로세스에서 레이저 광은 먼저 근적외선 스펙트럼 범위에서 투명하거나 부분적으로 투명한 부품(예:강화되지 않은 열가소성 수지 또는 유리 섬유 TPC)을 통과합니다. 그런 다음 빛은 두 번째 인접 부품의 탄소 섬유 또는 전도성 첨가제에 의해 흡수되어 레이저 에너지를 열로 변환하여 두 재료 사이에 용접을 생성합니다.

GKN Fokker의 Offringa는 사출 성형된 많은 항공기 브래킷이 레이저로 투명하다고 지적합니다. 그는 구멍, 먼지 또는 패스너 없이 이러한 브래킷을 CFRP 동체 구조에 조립하기 위해 레이저 용접을 사용할 수 있는 큰 잠재력을 보고 있습니다. 보강 유형과 라미네이트 두께가 모두 용접에 영향을 미치지만 LZH는 열가소성 복합 구조의 레이저 투과 용접 프로젝트(LaWoCS, 2010-2013)에서 유리 섬유 및 탄소 섬유 강화 PPS 및 폴리에테르이미드(PEI) 라미네이트로 좋은 결과를 보여주었습니다. KVE, TenCate Advanced Composites(네덜란드 Nijverdal), Unitech Aerospace(영국 Yeovil) 및 Element Materials Technology(영국 Hitchin)도 포함됩니다. LZH는 이 기술에 대한 특허를 받았으며 스탬프 형태의 CFRTP 보강 그리드가 복합 스킨에 레이저 용접되는 "모듈식 열가소성 보강 패널"의 항공우주 응용 분야 부문에서 2018 JEC 세계 혁신상 결선 진출자였습니다. 프로젝트 파트너로는 독일 회사인 Fraunhofer ICT(Pfinztal), Airbus Operations(Hamburg), ElringKlinger(Dettingen an der Erms), KMS Automation(Schramberg), TenCate가 있습니다.

전도 용접

유도 용접을 산업화한 후 GKN Fokker는 전도 용접을 개발했습니다(그림 7). “이것은 새로운 기술입니다.”라고 Offringa는 말합니다. “일종의 열선을 사용하여 접합할 부품 중 하나 이상을 통해 열을 전도합니다. 저항 용접과 마찬가지로 처리 시간은 용접 길이와 무관합니다. 따라서 접합이 0.5미터이든 10m이든 둘 다 공정 시간은 동일합니다.” 두 기술 모두 전기를 사용하여 몇 초 안에 길이를 따라 열을 공급하기 때문입니다. JEC 2014에서 전시된 TPC orthogrid 동체 패널은 전도 용접을 특징으로 했습니다. Offringa는 "용접 엔드 이펙터가 있는 로봇을 사용하여 두 번째 단계에서 프레임을 용접했습니다."라고 말합니다. “동체 패널이 구부러져 있고 프레임이 상당히 짧습니다. 그러나 이 방법은 6-10m 길이의 스트링거를 동체 스킨에 용접하는 데 적합할 수 있습니다.”

인라인 프로세스 제어 및 그 이상

동체 구조에 대한 TPC 용접 성숙의 핵심 단계는 현장에서 프로세스를 모니터링하고 관리하는 능력입니다. KVE의 van Engelen은 "현재 우리의 유도 용접 프로세스는 사전 구성되어 있습니다. “우리는 공정을 교정하기 위해 웰드라인에서 열전대를 사용합니다. 그러나 우리는 용접부의 온도를 측정하고 코일에 대한 전력을 관리하기 위해 이를 피드백하는 것을 선호합니다.”

GKN Fokker의 Offringa는 "우리 용접 프로세스는 디지털 방식으로 제어되고 모든 프로세스 데이터가 저장되지만 실시간 온도 측정을 기반으로 하는 인라인 프로세스 제어로 이동하고 있습니다."라고 말합니다. 그는 이것이 몇 년 안에 유도 및 저항 용접에 가능하다고 생각하지만 초음파 용접은 이미 상당히 가깝습니다. TU Delft의 Villegas는 용접 기계가 제공하는 전력 및 변위 곡선을 기반으로 순차 초음파 용접의 현장 공정 모니터링이 가능하므로 최적의 공정 매개변수를 신속하게 정의할 수 있다고 말합니다.

KVE는 공정 제어 외에도 인라인 검사도 진행하고 있습니다. "용접에 문제가 있으면 돌아가서 다시 용접하기만 하면 됩니다."라고 van Engelen은 말합니다.

Composite Integrity의 Raynal은 "이것이 열가소성 복합 재료가 좋은 이유입니다."라고 말합니다. “재용접은 그들에게 해를 끼치지 않습니다. 전류를 주입하여 분해하는 저항용접으로 용접 및 해제하는 고유의 기술을 보유하고 있습니다.” 그의 회사는 인라인 검사도 개발하고 있습니다. "우리는 유도 용접 헤드 바로 뒤에 열화상 셀이 있고 라이브 열화상 촬영을 사용하여 용접을 확인할 것입니다."라고 Raynal은 말합니다. Van Tooren은 또한 현장 공정 모니터링 및 검사를 추구하고 있지만 미터당 1,000개 이상의 센서 포인트를 제공하는 Luna(미국 버지니아주 로어노크)의 ODiSI 시스템을 비롯한 광섬유 센서를 사용하고 있습니다.

TPRC와 van Tooren은 각각 스트링거의 플라이 빌드업 및 드롭오프를 포함하여 크고 곡선형 구조와 다양한 두께의 유도 용접을 위한 인라인 공정 제어를 개발하기 위한 프로젝트를 진행 중입니다. Van Tooren은 또한 진공 백 아래에서 유도 용접을 개발하고 있습니다. 그는 "용접되는 두 표면의 압축을 위한 부드러운 도구와 같으며 현재 잠재적인 수리 응용 분야를 목표로 하고 있습니다("열가소성 복합재 용접의 새로운 지평" 참조). Van Engelen’s list of KVE future developments also includes TPC repair, induction welding of glass fiber TPCs, nonaerospace applications and flux concentrators. “We are developing reflective materials to concentrate the electromagnetic field at the weldline,” he explains. “You want to put the energy here instead of at the part’s outer surface. With these flux concentrators, you direct the energy, similar to how you direct fiber where you want, using automated placement.”

“We are still developing all of the welding technologies,” Offringa sums up, “and exploring new ones. Most importantly, we don’t think there is a single technology with the most promise, but that each has its place.”

Wijskamp notes that with the recent Clean Sky 2 calls for proposals, it has become clear that Airbus wants to use welded TPCs in large airframe structures. “But we have seen this already in our 19 partners that have joined since 2009,” he adds.

Van Tooren believes that a welded, fastenerless, large component, if not a full fuselage, is within reach. “Preferably, on the Boeing New Midsize Airplane, but definitely the next aircraft.”