항공우주 분야 CFRP 복합소재 드릴링 및 밀링 최적화

항공우주 분야에서는 경량 복합소재 작업이 표준입니다. 우리는 최근 산드빅 코로만트와 탄소섬유 복합소재의 일반적인 금속 가공 문제와 극복 방법에 대해 이야기했습니다.

탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 같은 복합소재는 매우 마모성이 강해, 금속용으로 설계된 표준 공구와 방법으로는 항공우주 부품 제조 시 층간 박리(delamination)와 파이버 풀아웃(pulled fibers)을 방지할 수 없습니다.

"탄소섬유는 훨씬 적은 무게로 우수한 강도를 제공하므로 상업용 항공우주에서 정말 긍정적인 효과를 가져옵니다."라고 산드빅 코로만트의 항공우주 산업 전문가이자 엔지니어인 데이비드 덴 보어는 말합니다. "항공기가 가벼워지면 엔진 효율이 높아집니다."

예를 들어 보잉 787은 약 50%가 CFRP로 제작되며, 동급 알루미늄 항공기보다 20~25% 적은 제트 연료를 사용합니다. 복합 동체는 세그먼트와 조각이 아닌 완전한 원통형 섹션으로 제조됩니다. 그러나 이러한 항공기 제작은 가공 개발 공정에 과제를 안겨줍니다.

"일반적으로 엔진 부품을 작업할 때는 절삭 공구와 공정을 부품 자체에서 실험하지만, 3,000만 달러짜리 동체 측면에 구멍을 뚫는 연습을 할 수는 없습니다."라고 산드빅 코로만트의 제품 매니저 제프리 워시번은 말합니다. "그래서 모든 공정 테스트와 개발은 최종 부품을 면밀히 대표하는 '쿠폰(coupon)'에서 별도로 수행됩니다."

더 깊이 알고 싶으신가요? 항공우주에서 사용되는 가볍고 강한 소재에 대해 알아보세요. "절삭 과제: 혼합 매트릭스 복합체 및 섬유 강화 복합체"를 읽어보세요.

복합소재 밀링 및 드릴링용 공구

"탄소섬유 소재는 매우 마모성이 강합니다."라고 덴 보어는 말합니다. "알루미늄 같은 금속에서는 일반적인 초경 절삭 공구가 수백 개의 구멍을 가공할 수 있지만, CFRP에서는 20개 구멍 정도만 가공할 수 있습니다."

더 오래 사용하려면 CFRP용 공작기계 공구는 베인드 다결정 다이아몬드(PCD)이거나 서브미크론 다이아몬드 입자 층으로 코팅되어야 합니다. 이는 각 공구를 기존 공구보다 더 비싸게 만듭니다. 하지만 워시번에 따르면 부품 생산 비용을 측정하는 올바른 방법은 공구당 비용이 아닌 구멍당 비용입니다.

또 다른 고려 사항은 공구 교체 비용입니다.

"대형 갠트리 CNC 기계로 동체 상단을 밀링하는데, 새로운 공구로 교체하러 내려갔다가 다시 올라오는 데 10~15분이 걸린다고 가정해 봅시다."라고 덴 보어는 말합니다. "하나의 다이아몬드 코팅 공구로 787 섹션 전체를 가공하는 데 필요한 기계 시간과 초경 공구 80~90개를 교체하는 시간을 비교하면, 경제성이 입증됩니다."

공구 소재만 CFRP 가공에서 다른 것이 아닙니다. 금속과 달리 CFRP 밀링 및 드릴링에서 가장 어려운 두 가지 문제는 구멍 내 파이버 잔존과 박리라고 워시번은 말합니다.

"구멍 품질을 분석할 때 크기가 완벽해도, 공구의 절삭 작용이 구멍 내에 미절삭 파이버를 남기면 좋은 절삭으로 간주되지 않습니다."라고 워시번은 말합니다. "그리고 표면 가장자리를 따라 밀링할 때, 파이버를 표면에서 뽑아내거나 박리하지 않고 깨끗하게 절삭할 수 있을 만큼 공구를 날카롭게 유지하고 싶습니다."

워시번에 따르면, CFRP용으로 설계된 공구는 공정과 애플리케이션에 따라 매우 다른 형상 세트를 가집니다.

"일반적인 헬릭스 엔드밀은 항상 절삭에서 소재를 들어 올리려 합니다. 그래서 금속 절삭 형상을 탄소섬유에 적용하면 헬릭스 각도가 표면을 위로 당겨 박리를 유발하는 경향이 있습니다."라고 그는 말합니다. "해답은 아래에서 위로 당기고 위에서 아래로 동시에 밀어주는 공구를 설계하는 것입니다. 즉, 소재를 짜내듯 고정하여 박리되지 않게 하는 것입니다."

금속과 적층된 CFRP

하지만 이러한 특수 공구는 일반적으로 금속 애플리케이션에서는 작동하지 않아 또 다른 복잡성을 더합니다.

"복합소재는 종종 다른 소재와 적층되어 있어, 예를 들어 CFRP를 뚫고 나서 티타늄이나 알루미늄 층을 만나게 됩니다. 단일 홀을 생산하기 위해 공구가 둘 다 가공할 수 있어야 합니다."라고 워시번은 말합니다.

적층된 소재 간의 인성과 마모성 차이는 창의적인 솔루션을 요구합니다.

"CFRP가 금속 시트와 적층되어 가공될 때의 한 가지 과제는, 많은 항공기 부품을 절삭유에 노출시킬 수 없다는 점입니다. 이는 냉각과 칩 배출을 위해 절삭유가 필요합니다."라고 워시번은 말합니다. "예를 들어 냉각수 없이 티타늄을 가공하려 할 때 문제가 됩니다."

"알루미늄 시트에 칩 브레이커를 추가하여 긴 칩 스트링이 파이버를 찢고 구멍을 너무 크게 만드는 것을 방지하는 등, 서로 다른 층을 수용하기 위해 다양한 시도를 합니다."라고 덴 보어는 말합니다.

"자동 드릴링 장치로 구멍을 뚫는 경우, 최신 장치 중 일부는 프로그래밍 가능한 RPM과 이송 속도를 갖추고 있어, CFRP를 한 속도와 이송으로 스택에서 드릴링하고, 티타늄에 도달하자마자 절삭 데이터를 변경하여 각 층에 맞게 최적화할 수 있습니다."라고 덴 보어는 말합니다.

CFRP 복합소재 절삭 중 문제를 겪어보셨나요? 무슨 일이 있었고 어떻게 해결했는지 알려주세요.