섬유 강화 브레이딩 기술의 예술과 과학: A&P 테크놀로지

복합재 산업에는 겉보기에는 비교적 단순하고 쉽게 수행할 수 있는 제조 공정이 몇 가지 있습니다. 섬유 강화재 브레이딩은 그중 하나로 논쟁의 여지가 있습니다. 실제로 브레이딩은 상당수의 제조업체가 수행하고 있습니다. 탄소 섬유나 유리 섬유 프리폼, 슬리브, 직물을 만들기 위해 브레이더를 구입하고 사용하는 것은 엄청난 비용이나 시간을 투자하지 않고도 달성할 수 있습니다.

그러나 전 세계적으로 브레이딩에 모든 관심, 전문성, 투자, 전략을 집중하는 회사는 드뭅니다. 오늘날 사용되는 거의 모든 섬유 강화재에 대한 기술적, 예술적 우수성과 폭넓은 경험으로 A&P 테크놀로지(미국 오하이오주 신시내티)만큼 명성을 누리는 회사는 더 적습니다.

이름에 담긴 의미

A&P는 1817년 설립된 앳킨스 앤 피어스 매뉴팩처링(Atkins & Pearce Manufacturing Co.)에서 유래했습니다. 이 회사는 면 가공 기계를 생산하기 위해 설립되었습니다. 앳킨스 앤 피어스는 결국 다양한 최종 시장을 위해 면을 브레이딩하기 시작했습니다. 이는 19세기 중반부터 20세기까지 이어졌습니다. 1986년 현대 복합재 산업이 형성되기 시작하자, 앳킨스 앤 피어스는 자사의 브레이딩 노하우를 복합재 제조에 적용할 기회를 보고 A&P 테크놀로지를 R&D 부서로 설립하여 기술 섬유 브레이딩을 평가했습니다. A&P 테크놀로지 비즈니스는 이후 10년간 성장했고, 1995년 앳킨스 앤 피어스의 100% 자회사가 되었습니다. 1997년 회사는 A&P 테크놀로지를 독립 회사로 분사하는 추가 조치를 취했습니다. 오늘날 이 회사는 사장 앤드류 헤드가 100% 소유하고 있습니다.

A&P 테크놀로지는 신시내티 대도시권 동쪽에 위치한 캠퍼스의 5개 건물에 걸쳐 있습니다. 방문객들은 캠퍼스 메인 입구 근처에 있는 1,255m² 규모의 테크 센터에서 맞이합니다. 이곳에서 팜 슈나이더 COO와 마이크 브레이리 VP(애플리케이션 엔지니어링)가 CW를 맞이했습니다. 슈나이더는 회사 설립 30년 전으로 거슬러 올라가는 A&P의 뿌리를 가지고 있습니다. 브레이리는 20년 전 GE 에비에이션(미국 오하이오주 이벤데일)에서 입사했는데, 이곳은 A&P의 오랜 고객 중 하나입니다.

테크 센터 최상층에 앉아, A&P의 브레이딩 계약에서 파생된 부품 샘플들과 앳킨스 앤 피어스 초기 시절의 유산 사진들 사이에서 슈나이더는 A&P의 성공이 주로 고객의 다양한 기계적, 물리적 요구사항을 충족하는 맞춤형 소재 솔루션을 엔지니어링하는 능력에서 비롯된다고 설명합니다. 이는 A&P의 브레이딩 장비가 사내에서 개발 및 제조되기 때문에 가능하며, 이는 회사가 개념부터 개발, 제작까지 기술과 밀접하게 연결되어 있음을 의미합니다.

브레이리는 섬유 강화재 브레이딩이 복합재 산업 어디에서도 찾아볼 수 없는 소재 역량 세트를 제공한다고 주장합니다. "기본적으로," 그는 말합니다, "우리는 특정 치수와 특정 기계적 요구사항을 충족하기 위해 섬유 아키텍처를 변경할 수 있습니다."

브레이딩 101

이 진술을 이해하려면 브레이딩 자체를 이해해야 합니다. 가장 기본적인 수준에서 브레이드는 두 개 또는 세 개의 방향을 가진 연속적인, 기계적으로 인터록된 섬유 시스템입니다. 원사는 원통형 보빈에 감겨 있고, 보빈은 캐리어에 장착됩니다. 여러 캐리어가 뱀 모양의 트랙으로 캐리어를 안내하는 브레이더 플레이트에 부착됩니다. 원사는 각 캐리어에서 브레이더 트랙 위의 형성 평면으로 끌어당겨집니다. 브레이더는 수평 또는 수직으로 배치될 수 있으며, 그 크기(캐리어 수)가 완제품 브레이드 부품의 직경을 결정합니다.

완성된 브레이드의 기하학은 맨드럴의 모양과 크기, 브레이더 구성에 따라 달라지며, 슬리브, 2D 프리폼, 평직 직물을 만드는 데 사용됩니다. 모든 경우에 잘 수행된 브레이딩은 연속적이고 일관되며 균일하게 분포된 섬유 구조를 제공하여 완제품 복합재 부품에 뛰어난 내충격성과 크랙 전파 저항성을 부여합니다.

브레이리가 언급한 직물 아키텍처의 커스터마이징은 브레이드에 대해 조정 가능한 변수들로 가능합니다: 섬유 유형 수(탄소, 유리, 아라미드, 천연, 열가소성 또는 하이브리드), 아키텍처(바이액셜, 트라이액셜, 트라이액스/바이액셜 또는 단일 방향), 캐리어 수, 원사 각도(고정 또는 가변), 원사 장력, 브레이딩 속도, 맨드럴 모양.

A&P 테크놀로지는 3에서 800 캐리어까지 다양한 크기의 브레이딩 머신을 운용하며, 그 사이에 40개 이상의 크기가 있고, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등을 사용하여 다양한 프리폼과 제품을 생산합니다. 800-캐리어 브레이더는 직경 13m 이상으로 세계 최대 규모입니다. A&P의 기계 라인은 지속적으로 진화하며, 특정 고객 요구사항을 충족하기 위해 새로운 머신 크기가 자주 추가됩니다. 2016년 A&P는 453.6톤 이상의 브레이드 제품을 생산했으며, 향후 몇 년간 연간 15-20% 성장이 예상됩니다. 슈나이더에 따르면 A&P의 최대 최종 시장은 항공우주이지만, 자동차, 레저, 인프라 응용 분야용 브레이드 제품도 생산합니다.

브레이리는 A&P의 성공 대부분이 브레이딩을 잘하고, 그 과정에서 고객이 어려운 문제를 해결하도록 돕는 능력에 기인한다고 말합니다. 가장 자주, 고객은 어떤 방식으로든 실패하는 금속 부품을 가지고 오며, 다른 모든 해결책이 부족했습니다. "우리는 아주 오랫동안 이 분야에 극도로 집중해왔습니다"라고 그는 브레이딩에 대해 말합니다. "우리는 장비, 역사, 지식, 전문성을 갖추고 맞춤형 솔루션을 개발합니다. 사실," 그는 주장합니다, "우리의 맞춤형 역량에 다소 압도당하는 고객도 있습니다."

테크 센터 전시 구역을 떠난 투어의 첫 번째 정거장은 지하 프로토타입 랩으로, 실제 '기술'이 이루어지는 곳입니다. A&P는 판매용 복합재 부품을 만들지 않지만, 고객의 프로토타이핑 프로세스를 신속화하기 위한 공간을 만들었습니다. 여기서 A&P는 고객을 위해 프로토타이핑을 수행하고, 레이업 툴을 제작하며, 유압 버스트 테스트를 수행합니다. 또한 대형 레이업 테이블, 소형 상용 브레이더, 비파괴 시험 장비, 프리프레그 보관용 냉동고, 워크인 위스콘신 오븐(미국 위스콘신주 이스트 트로이)도 갖추고 있습니다.

제작 및 평가 단계가 다양한 다양한 부품들이 보입니다. 그중에는 차세대 제트 엔진 팬 케이스, 헬리콥터 프로젝트용 복합재 기어, 나셀 툴, 그리고 호기심스럽게도 복합재와는 아무 관련 없는 몇 가지 독점 제품들이 있습니다. 이들은 그러나 제자리에 있습니다. 브레이리는 "우리는 하이 리스크, 하이 페이오프형 프로젝트를 추구하도록 설계되었습니다. 우리는 우리 기술을 활용할 기회를 항상 찾고 있습니다"라고 말합니다.

비공개 구역에서

여기서 투어는 CW가 애플리케이션과 기계에 대한 모든 관찰을 기밀로 유지한다는 이해 하에 방문할 수 있는 비공개 구역으로 이어집니다. A&P는 사실 일반적으로 플랜트 투어를 허용하지 않으며, 고객 설계와 최첨단 기술의 독점적 성격을 보호하기 위함입니다. 사실 미국 우주비행사 닐 암스트롱만이 전체 투어를 허용받았습니다. CW의 방문은 드문 예외로, A&P가 서비스하는 업계가 그 광범위한 역량을 더 잘 이해할 수 있도록 마련되었습니다.

다음 정거장은 캠퍼스 북쪽 끝에 있는 3,250m² 규모의 롱텀 컨트랙츠 빌딩입니다. 이름에서 알 수 있듯, 여기서는 브레이리가 정적이며 변경할 수 없다고 말하는 다년 프로젝트, 즉 장기 계약 프로젝트에서 A&P 시스템이 작동 중입니다. 첫 번째로 보이는 것은 보잉사(미국 일리노이주 시카고)의 787-8 드림라이너용 동체 프레임용 탄소 섬유 프리폼을 제조하는 인상적이고 복잡한 브레이더 및 맨드럴 어레이입니다. A&P는 보잉용으로 항공기당 290개의 프레임을 제작하며, 그중 161개가 고유합니다. 한 교대 근무에서 하나의 A&P 브레이더/맨드럴 시스템이 4개의 프리폼을 생산하며, इससे 8개의 프레임이 만들어집니다. 이 작업을 수행하는 시스템은 회사가 지금까지 개발한 가장 복잡하고 고도로 엔지니어링된 소프트웨어 프로그램 중 하나로 운영됩니다.

슈나이더와 브레이리는 GE 에비에이션의 GEnx 엔진용 탄소 섬유 팬 케이스 프리폼을 제작 중인 브레이더가 작동 중인 대형 워크셀을 가리킵니다. 이 프리폼은 실린더 형태로 브레이더에서 나와 브레이더 위의 메자닌으로 이송되어 평평해지고 슬릿되어 2층 직물이 되며, 스풀에 감겨 GE 에비에이션의 미시시피주 베이트빌 제트 엔진 시설로 출하됩니다( '플랜트 투어: GE 에비에이션' 참조). 브레이리는 여기서 일관성이 중요하다고 말합니다. 팬 케이스는 작동 중 팬 블레이드가 분리되어(드문 발생) 케이스에 충격을 주는 '블레이드 아웃' 이벤트를 견디도록 설계되었기 때문입니다: "모든 레이어는 동일해야 하며, 실제로 동일합니다. 충격 관점에서 보면 극도로 일관됩니다." GEnx 외에도 A&P는 GE CF6-80C2, 허니웰 에어로스페이스(미국 애리조나주 피닉스) HTF7000 엔진 패밀리, 윌리엄스 인터내셔널(미국 미시간주 커머스 타운십) FJ44-4 엔진용 브레이드 팬 케이스 프리폼을 공급합니다.

다음은 336-캐리어 브레이더로, LEAP 1B/2B 엔진과 GEnx용 탄소 섬유 프리폼을 제작합니다. 그 다음은 허니웰 엔진용 스테이터 베인 프리폼을 제작하기 위해 탄소 섬유와 아라미드 섬유를 브레이딩하는 복잡한 시스템입니다. 이 브레이더는 7가지 설계 변형을 수용하면서도 완전히 무인 감독으로 작동한다고 CW는 들었습니다.

슈나이더와 브레이리는 LTC 빌딩을 나와 코어 프로덕츠 빌딩으로 향합니다. 2년 전에 지어진 이곳은 A&P의 최신 시설입니다. 여기에는 20가지 크기의 브레이더가 있습니다(최대 400 캐리어 장착), 여러 크기의 다중 장비, 대부분이 주어진 시간에 가동 중입니다. 회전하는 캐리어의 끊임없는 '딸깍딸깍' 소리는 이곳을 캠퍼스에서 가장 시끄러운 시설 중 하나로 만듭니다. 이곳에 있는 완전히 새로운 장비는 다양한 응용 분야용 슬리빙의 고속 브레이딩에 중점을 둡니다. 여기에는 육상 트럭 배기가스 단열재, 항공기 날개 구조물, 의족, 하키 스틱, 야구 방망이가 포함됩니다.

다음 정거장은 패브릭스 빌딩으로, A&P는 네 가지 기성품 브레이드 직물(QISO, Bimax, ZERO, TX-45)을 다양한 응용 분야용으로 제작합니다. 약 5년간 시장에 나온 QISO는 준등방성 직물로 복합재 툴링, 인프라 수리, 자동차 응용 분야용으로 설계되었습니다. 소재 조합은 응용 분야에 따라 달라지며 항공우주급 및 산업용 탄소 섬유가 포함됩니다. 직물은 여러 면중량과 폭으로 제공됩니다.

Bimax는 하키 스틱, 대형 무선 신호 안테나, 자동차 부품에 흔히 사용되는 안정화된 ±45° 소재입니다. 여기의 섬유 유형은 탄소와 유리의 하이브리드이며, 레이업 중 직물 아키텍처를 안정화하기 위해 열가소성 축향 섬유가 추가됩니다. 바우어 하키(미국 뉴햄프셔주 엑서터)는 하키 스틱용으로 직조 탄소 섬유에서 Bimax로 전환하여 소재 사용량을 7% 줄였습니다.

ZERO는 A&P의 유일한 언브레이드 직물로, 원래 F-22 프로그램용으로 설계되었습니다. 이 논우븐 단일 방향 직물은 사실상 크림프가 없으며 다양한 온스 중량으로 제공됩니다.

TX-45는 A&P의 최신 직물로, ±45°, 193g/m², 2x2 트윌로 캐리어 페이퍼에 제공되어 쉬운 취급과 일관된 섬유 배향을 가능하게 합니다. 브레이리는 TX-45가 ±45° 평직 프리프레그 대체재에 관심 있는 항공우주 고객을 위해 A&P가 개발했다고 말합니다.

패브릭스 빌딩에서도 A&P는 익스플리시트(프랑스 파리)의 상표권 제품인 티시트(TiSeat, 티타늄 시트)용 브레이드 열가소성 프리폼을 제조합니다. 무게 단 4kg으로, 익스플리시트는 이를 세계에서 가장 가벼운 항공기 시트라고 부릅니다. 좁은 슬릿 열가소성 테이프를 브레이딩하여 만든 복합재 프리폼이 특징인데, 브레이리는 테이프가 원사보다 더 뻣뻣하여 브레이딩이 더 어렵다고 말합니다. 티시트는 에어버스 A320에 장착되어 경쟁 소재 및 제품 대비 항공기당 약 2,090kg을 절감합니다.

A&P 캠퍼스에서 가장 큰 구조물은 7,430m² 규모의 비즈니스 디벨롭먼트 빌딩으로, 다양한 군용, 산업용, 항공우주 프로젝트, 특히 엔진 관련 프로젝트의 제조 허브 역할을 합니다. 둘러보는 동안 브레이리는 GE 엔진 플로우 패스 스페이서용 개발 중인 브레이딩 시스템, GE9X 엔진 프리폼 시스템(자격 인증 중, GE9X는 향후 보잉 777X에 동력 공급), GEnx 바디 플라이, 윌리엄스 엔진용 팬 케이스 브레이더, 허니웰 엔진 팬 케이스 프리폼을 가리킵니다.

이곳에는 자동화 룸도 있어, A&P는 로봇 공학 및 유사 기술을 평가하여 브레이딩 생산 속도를 높이는 데 도움을 줍니다. 이에는 맨드럴 로딩을 지원하는 다축 로봇과 더 진보된 오버브레이딩 기술 개발이 포함됩니다. 또한 동적 스케줄링 소프트웨어(실시간 브레이더 피드백 포함)와 공정 내 검사용 비전 시스템도 평가 중입니다. "우리는 브레이딩 역량의 최전선에 있다고 느끼지만, 항상 개선의 기회가 있으며 우리는 그것을 주도해야 합니다"라고 브레이리는 말합니다.

앞으로 나아가며

테크 센터로 돌아온 CW는 A&P의 기술적, 기계적 원동력으로 통하는 앤디 헤드를 만납니다. A&P가 복합재 공급망에서 차지하는 위치를 설명해달라는 요청에 그는 네 가지 강점을 나열합니다: 강력한 수치 제어, 우수한 디지털 설계, 탁월한 사내 기계 역량, 브레이딩 공정 자체에 내재된 유연성.

이 역량 조합은 A&P를 복합재 산업에서 독특한 위치에 놓았습니다: 브레이딩의 높은 진입 장벽으로 인해 다른 곳에서 찾기 어려운 고도로 엔지니어링된 첨단 브레이드 솔루션의 공급원입니다.

"우리 조직은 고객의 성공을 돕는 상호 설득력 있는 이해관계를 기반으로 합니다"라고 그는 덧붙입니다. "기계를 사내에서 설계하고 제작할 수 있는 능력 덕분에 우리는 고객에게 단기간 내 최적의 솔루션을 제공할 수 있습니다. 이 설계 유연성은 A&P를 브레이딩 기술의 최전선에 위치시키며, 우리는 이 위치를 매우 진지하게 받아들입니다."

"인정하건대," 헤드는 말합니다, "우리의 단독 공급자 위치는 독특하지만, 우리는 오직 우리 기계로만 충족될 수 있는 요구사항을 가진 대량 프로그램들을 오랜 역사 동안 지원해왔습니다. 우리는 이러한 요구사항을 충족할 뿐만 아니라 고객의 품질과 서비스 기대를 뛰어넘는 능력에 자부심을 느낍니다."

A&P가 얼마나 멀리 왔는지, 그리고 오늘날 복합재 산업의 초점이 제조 속도, 사이클 타임, 자동화, 공정 제어, 일관성에 맞춰져 있는 것을 돌아보며, 슈나이더는 A&P가 이러한 목표와 잘 부합하며 항공우주, 자동차, 산업 분야 및 그 이상의 프리포밍 니즈를 충족할 준비가 되어 있다고 봅니다. "지난 20년은 훌륭했지만, 우리는 아직 끝나지 않았습니다."