편조 테이프, 오버몰딩 및 폼 잠금 기능을 결합한 herone은 광범위한 응용 분야에 대한 시연용으로 단일체, 고토크 기어 구동축을 생산합니다.
통합된 복합 기어 구동축.Herone은 구동축 라미네이트를 통합하고 기어와 같은 기능적 요소를 오버몰딩하는 공정을 위한 프리폼으로 편조 열가소성 복합 프리프레그 테이프를 사용하여 무게, 부품 수, 조립 시간 및 비용을 줄이는 단위 구조를 생산합니다.모든 이미지의 출처 |주인공
현재 예상에 따르면 향후 20년 동안 상업용 항공기 보유량이 두 배로 늘어날 것으로 예상됩니다.이를 수용하기 위해 2019년 복합재 집약형 광동체 제트여객기의 생산 속도는 OEM당 월 10~14개로 다양하며, 협폭동체는 이미 OEM당 월 60개로 늘어났습니다.Airbus는 특히 공급업체와 협력하여 A320의 전통적이지만 시간 집약적인 핸드 레이업 프리프레그 부품을 고압 수지 이송 성형(HP-RTM)과 같은 보다 빠른 20분 주기 공정을 통해 제조된 부품으로 전환하여 부품 공급에 도움을 주고 있습니다. 공급업체는 월 100대의 항공기를 향한 추가 추진을 충족합니다.한편, 신흥 도시 항공 모빌리티 및 운송 시장에서는 전기 수직 이착륙(EVTOL) 항공기가 연간 3,000대(월 250대) 필요할 것으로 예상하고 있습니다.
복합재 기술 및 부품 제조 기업인 herone(독일 드레스덴)의 공동 창립자이자 관리 파트너인 Daniel Barfuss는 "업계에서는 열가소성 복합재가 제공하는 기능 통합을 가능하게 하는 단축된 주기 시간을 갖춘 자동화된 생산 기술이 필요합니다."라고 말합니다. 폴리페닐렌설파이드(PPS)부터 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리아릴에테르케톤(PAEK)까지 고성능 열가소성 매트릭스 재료를 사용하는 회사입니다."우리의 주요 목표는 열가소성 복합재(TPC)의 고성능과 저렴한 비용을 결합하여 다양한 연속 제조 응용 분야와 새로운 응용 분야에 맞는 맞춤형 부품을 구현하는 것입니다."라고 herone의 두 번째 공동 창립자이자 관리 책임자인 Christian Garthaus 박사는 덧붙였습니다. 파트너.
이를 달성하기 위해 회사는 완전히 함침된 연속 섬유 테이프로 시작하여 이러한 테이프를 편조하여 속이 빈 프리폼 "organoTube"를 형성하고 OrganoTube를 다양한 단면과 모양의 프로파일로 통합하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다.후속 공정 단계에서는 TPC의 용접성과 열성형성을 사용하여 복합 기어와 같은 기능 요소를 구동축에 통합하거나 파이프에 엔드 피팅을 통합하거나 인장 압축 스트럿에 하중 전달 요소를 통합합니다.Barfuss는 케톤 매트릭스 공급업체인 Victrex(영국 랭커셔주 Cleveleys 소재)와 부품 공급업체인 Tri-Mack(미국 로드아일랜드주 브리스톨)이 개발한 하이브리드 성형 공정을 사용할 수 있는 옵션이 있다고 덧붙였습니다. 이 프로세스는 프로필에 더 낮은 용융 온도 PAEK 테이프를 사용합니다. 그리고 오버몰딩을 위한 PEEK를 사용하여 결합 전체에 걸쳐 융합된 단일 재료를 가능하게 합니다(“오버몰딩은 복합재에서 PEEK의 범위를 확장합니다” 참조)."우리의 적응은 또한 기하학적 형태 잠금을 가능하게 하여 훨씬 더 높은 하중을 견딜 수 있는 통합 구조를 생성합니다."라고 그는 덧붙입니다.
herone 프로세스는 완전히 함침된 탄소 섬유 강화 열가소성 테이프를 유기튜브로 엮어 통합하는 것으로 시작됩니다.Garthaus는 "우리는 10년 전부터 이러한 OrganoTube를 사용하여 항공용 복합 유압 파이프를 개발하기 시작했습니다."라고 말합니다.그는 두 개의 항공기 유압 파이프가 동일한 형상을 가지지 않기 때문에 기존 기술을 사용하여 각각에 대해 금형이 필요할 것이라고 설명합니다.“우리는 개별 파이프 형상을 얻기 위해 후처리할 수 있는 파이프가 필요했습니다.그래서 아이디어는 연속적인 복합 프로파일을 만든 다음 이를 원하는 형상으로 CNC로 구부리는 것이었습니다.”
그림 2 Braided prepreg tape은 herone의 사출성형 공정에 필요한 OrganoTubes라는 그물 모양의 프리폼을 제공하여 다양한 형태의 생산이 가능합니다.
이는 Sigma Precision Components(영국 Hinckley)가 탄소 섬유/PEEK 엔진 드레싱을 사용하여 수행하는 작업("복합 파이프로 항공기 엔진 수리" 참조)과 유사하게 들립니다."그들은 비슷한 부품을 보고 있지만 다른 통합 방법을 사용하고 있습니다."라고 Garthaus는 설명합니다."우리의 접근 방식을 통해 항공우주 구조물의 다공성이 2% 미만인 등 성능이 향상될 가능성이 있음을 확인했습니다."
가르트하우스 박사ILK의 논문 작업에서는 연속 열가소성 복합재(TPC) 인발 성형을 사용하여 편조 튜브를 생산하는 방법을 연구했으며, 그 결과 TPC 튜브 및 프로파일에 대한 특허 연속 제조 공정이 탄생했습니다.그러나 현재로서는 Herone은 불연속 성형 공정을 사용하여 항공 공급업체 및 고객과 협력하기로 결정했습니다."이를 통해 우리는 곡선 프로파일과 다양한 단면을 포함하는 다양한 모양을 모두 만들 수 있을 뿐만 아니라 로컬 패치와 플라이 드롭오프를 적용할 수 있게 되었습니다."라고 그는 설명합니다.“우리는 로컬 패치를 통합한 다음 이를 복합 프로필과 공동 통합하는 프로세스를 자동화하기 위해 노력하고 있습니다.기본적으로 평면 라미네이트와 쉘로 할 수 있는 모든 작업을 튜브와 프로파일에서도 할 수 있습니다.”
이러한 TPC 중공 프로파일을 만드는 것은 실제로 가장 어려운 과제 중 하나라고 Garthaus는 말합니다.“실리콘 주머니로는 스탬프 성형이나 블로우 성형을 사용할 수 없습니다.그래서 우리는 새로운 프로세스를 개발해야 했습니다.”그러나 이 프로세스는 매우 고성능의 맞춤형 튜브 및 샤프트 기반 부품을 가능하게 한다고 그는 지적합니다.또한 빅트렉스가 개발한 하이브리드 성형 기술을 사용하여 용융 온도가 낮은 PAEK를 PEEK로 오버몰딩하여 유기 시트와 사출 성형을 단일 단계로 통합할 수 있었습니다.
OrganoTube 편조 테이프 프리폼 사용의 또 다른 주목할만한 측면은 폐기물이 거의 발생하지 않는다는 것입니다."편조를 사용하면 폐기물이 2% 미만이고 TPC 테이프이기 때문에 이 소량의 폐기물을 오버몰딩에 다시 사용하여 재료 활용률을 최대 100%까지 높일 수 있습니다"라고 Garthaus는 강조합니다.
Barfuss와 Garthaus는 TU Dresden의 경량 공학 및 고분자 기술 연구소(ILK)에서 연구원으로 개발 작업을 시작했습니다.Barfuss는 “이 곳은 복합재 및 하이브리드 경량 설계 분야에서 유럽 최대 규모의 연구소 중 하나입니다.”라고 말합니다.그와 Garthaus는 그곳에서 지속적인 TPC 인발 성형과 다양한 접합 유형을 포함한 다양한 개발 작업에 거의 10년 동안 참여했습니다.그 작업은 결국 현재의 헤론 TPC 공정 기술로 증류되었습니다.
Barfuss는 "그런 다음 우리는 이러한 기술을 산업계에 이전하고 매년 다양한 연구 분야에서 40-60개의 프로젝트에 자금을 지원하는 것을 목표로 하는 독일 EXIST 프로그램에 지원했습니다."라고 말했습니다."우리는 자본 장비, 4명의 직원 및 다음 단계 확장을 위한 투자에 대한 자금을 받았습니다."그들은 JEC World에 참가한 후 2018년 5월에 Heroone을 결성했습니다.
JEC World 2019에서 herone은 경량, 고토크, 통합 기어 드라이브샤프트 또는 기어샤프트를 포함한 다양한 데모 부품을 생산했습니다.Barfuss는 “우리는 부품에 필요한 각도로 편조된 탄소 섬유/PAEK 테이프 OrganoTube를 사용하고 이를 튜브에 통합합니다.”라고 설명합니다."그런 다음 튜브를 200°C에서 예열하고 단탄소 섬유 강화 PEEK를 380°C에서 주입하여 만든 기어로 오버몰딩합니다."오버몰딩은 Autodesk(미국 캘리포니아주 산 라파엘 소재)의 Moldflow Insight를 사용하여 모델링되었습니다.금형 충전 시간은 40.5초로 최적화되었으며 Arburg(독일 로스부르크) ALLROUNDER 사출 성형기를 사용하여 달성되었습니다.
이러한 오버몰딩은 조립 비용, 제조 단계 및 물류를 줄일 뿐만 아니라 성능도 향상시킵니다.PAEK 샤프트의 용융 온도와 오버몰딩된 PEEK 기어의 용융 온도 사이의 40°C 차이로 인해 둘 사이의 분자 수준에서 접착성 용융 결합이 가능해집니다.두 번째 유형의 결합 메커니즘인 형태 잠금은 형태 잠금 윤곽을 생성하기 위해 오버몰딩 중에 사출 압력을 사용하여 동시에 샤프트를 열성형함으로써 달성됩니다.이는 아래 그림 1에서 "사출 성형"으로 볼 수 있습니다.이는 기어가 결합되는 주름진 또는 사인 곡선 원주를 생성하고 매끄러운 원형 단면을 생성하여 기하학적으로 잠긴 형태를 만듭니다.이는 테스트에서 입증된 것처럼 통합 기어샤프트의 강도를 더욱 향상시킵니다(오른쪽 하단 그래프 참조).1. Victrex 및 ILK와 협력하여 개발된 herone은 오버몰딩 중 사출 압력을 사용하여 통합 기어샤프트(상단)에 형상 고정 윤곽을 생성합니다. 이 사출 성형 공정을 통해 형상 고정 기능이 있는 통합 기어샤프트(그래프의 녹색 곡선)가 형태 잠금 없이 오버몰딩된 기어 구동축에 비해 더 높은 토크를 유지합니다(그래프의 검은색 곡선).
Garthaus는 "많은 사람들이 오버몰딩 중에 응집력 있는 용융 결합을 달성하고 있으며 다른 사람들은 복합재에 형태 잠금을 사용하고 있지만 핵심은 이 두 가지를 하나의 자동화된 프로세스로 결합하는 것입니다."라고 말합니다.그는 그림 1의 테스트 결과에 대해 샤프트와 기어의 전체 원주를 별도로 고정한 다음 회전시켜 전단 하중을 유도했다고 설명합니다.그래프의 첫 번째 실패는 원으로 표시되어 형태 잠금이 없는 오버몰드 PEEK 기어에 대한 것임을 나타냅니다.두 번째 실패는 별 모양의 주름진 원으로 표시되며 이는 폼 잠금 기능이 있는 오버몰딩 기어 테스트를 나타냅니다.Garthaus는 "이 경우 결합력과 형태 고정 결합이 모두 가능하며 토크 부하가 거의 44% 증가합니다."라고 말합니다.지금의 과제는 초기 단계에서 하중을 흡수하여 이 기어샤프트가 고장나기 전에 처리할 토크를 더욱 증가시키는 형태 잠금 장치를 확보하는 것이라고 그는 말합니다.
herone이 사출 성형을 통해 달성한 윤곽 형태 잠금에 대한 중요한 점은 개별 부품과 해당 부품이 견뎌야 하는 하중에 완전히 맞춤화된다는 것입니다.예를 들어, 기어샤프트에서 폼 잠금은 원주형이지만 아래의 인장 압축 스트럿에서는 축형입니다."이것이 바로 우리가 개발한 접근 방식이 더 광범위한 접근 방식인 이유입니다."라고 Garthaus는 말합니다."기능과 부품을 통합하는 방법은 개별 애플리케이션에 따라 다르지만 이를 더 많이 수행할수록 무게와 비용을 더 많이 절약할 수 있습니다."
또한 기어와 같은 오버몰드 기능성 요소에 사용되는 단섬유 강화 케톤은 우수한 마모 표면을 제공합니다.빅트렉스는 이를 입증했으며 실제로 PEEK 및 PAEK 소재에 대해 이 사실을 홍보하고 있습니다.
Barfuss는 항공우주 부문에서 2019 JEC 세계 혁신상을 수상한 통합 기어샤프트가 "단순히 단일 애플리케이션에 초점을 맞춘 프로세스가 아니라 우리의 접근 방식을 보여주는 것"이라고 지적합니다.우리는 제조를 얼마나 간소화하고 TPC의 특성을 활용하여 기능화되고 통합된 구조를 생산할 수 있는지 탐구하고 싶었습니다."이 회사는 현재 스트럿과 같은 응용 분야에 사용되는 인장 압축 로드를 최적화하고 있습니다.
그림 3 인장 압축 스트럿사출 성형은 스트러트로 확장되며, 여기서 herone은 접합 강도를 높이기 위해 축형 폼 잠금을 사용하여 부품 구조에 금속 하중 전달 요소를 오버몰딩합니다.
인장-압축 스트럿의 기능 요소는 금속 포크에서 복합 튜브로 하중을 전달하는 금속 인터페이스 부품입니다(아래 그림 참조).사출 성형은 금속 하중 도입 요소를 복합 스트럿 본체에 통합하는 데 사용됩니다.
“우리가 제공하는 주요 이점은 부품 수를 줄이는 것입니다.”라고 그는 말합니다.“이것은 항공기 스트럿 응용 분야에서 큰 과제인 피로를 단순화합니다.형태 고정은 이미 플라스틱이나 금속 인서트가 포함된 열경화성 복합재에 사용되지만 응집력 있는 결합이 없으므로 부품 간에 약간의 움직임이 발생할 수 있습니다.그러나 우리의 접근 방식은 그러한 움직임이 없는 단위화된 구조를 제공합니다.”
Garthaus는 이러한 부품의 또 다른 과제로 손상 내성을 언급합니다.“스트러트에 충격을 가한 다음 피로 테스트를 수행해야 합니다.”라고 그는 설명합니다."우리는 고성능 열가소성 매트릭스 재료를 사용하기 때문에 열경화성 수지에 비해 최대 40% 더 높은 손상 내성을 달성할 수 있으며, 피로 하중으로 인해 충격으로 인한 미세 균열도 줄어듭니다."
데모 버팀대가 금속 인서트를 보여주더라도 herone은 현재 복합 버팀대 본체와 하중 도입 요소 사이의 응집력 있는 결합을 가능하게 하는 완전 열가소성 솔루션을 개발하고 있습니다.Garthaus는 "가능한 경우 탄소, 유리, 연속 섬유 및 단섬유를 포함한 섬유 강화 유형을 변경하여 전체 복합재를 유지하고 특성을 조정하는 것을 선호합니다."라고 말합니다.“이런 방식으로 우리는 복잡성과 인터페이스 문제를 최소화합니다.예를 들어 열경화성 수지와 열가소성 수지를 결합하는 것보다 문제가 훨씬 적습니다.”또한 PAEK와 PEEK 사이의 결합은 Tri-Mack에서 테스트한 결과 기본 단방향 CF/PAEK 라미네이트 강도의 85%를 가지며 업계 표준 에폭시 필름 접착제를 사용하는 접착 결합보다 2배 더 강한 것으로 나타났습니다.
Barfuss는 herone이 현재 9명의 직원을 보유하고 있으며 기술 개발 공급업체에서 항공 부품 공급업체로 전환하고 있다고 말했습니다.다음 큰 단계는 드레스덴에 새로운 공장을 개발하는 것입니다.“2020년 말까지 우리는 첫 번째 시리즈 부품을 생산하는 파일럿 공장을 갖게 될 것입니다.”라고 그는 말합니다."우리는 이미 항공 OEM 및 주요 Tier 1 공급업체와 협력하여 다양한 유형의 응용 분야에 대한 설계를 시연하고 있습니다."
이 회사는 또한 미국의 eVTOL 공급업체 및 다양한 협력업체와 협력하고 있습니다. herone은 항공 애플리케이션이 성숙해짐에 따라 배트 및 자전거 부품을 포함한 스포츠 용품 애플리케이션에 대한 제조 경험도 얻고 있습니다."우리의 기술은 성능, 주기 시간 및 비용 이점을 갖춘 광범위하고 복잡한 부품을 생산할 수 있습니다."라고 Garthaus는 말합니다.“PEEK를 사용한 사이클 시간은 20분인데 비해 오토클레이브 경화 프리프레그는 240분입니다.우리는 다양한 기회 분야를 보고 있지만, 지금은 첫 번째 응용 프로그램을 생산에 적용하고 해당 부품의 가치를 시장에 입증하는 데 중점을 두고 있습니다."
Herone은 Carbon Fiber 2019에서도 발표할 예정입니다. 이벤트에 대한 자세한 내용은 carbon섬유event.com에서 알아보세요.
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게시 시간: 2019년 8월 19일