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항공기용 매우 강력한 복합 구조 부품을 만들기 위해 오랫동안 열경화성 탄소 섬유 재료에 의존해온 항공우주 OEM은 이제 기술 발전으로 새로운 비열경화성 부품을 대량, 저비용, 자동화된 제조로 자동화할 수 있게 되면서 또 다른 종류의 탄소 섬유 재료를 수용하고 있습니다. 더 가벼운 무게.

열가소성 탄소섬유 복합재료는 "오랜 시간 동안 사용되어 왔지만" 최근에야 항공우주 제조업체들이 주요 구조 부품을 비롯한 항공기 부품 제작에 열가소성 탄소섬유 복합재료의 광범위한 사용을 고려할 수 있게 되었다고 Collins Aerospace의 Advanced Structures 사업부 엔지니어링 부사장인 Stephane Dion은 말했습니다.

열가소성 탄소섬유 복합재는 잠재적으로 항공우주 OEM에게 열경화성 복합재에 비해 몇 가지 장점을 제공하지만 최근까지 제조업체는 열가소성 복합재를 사용하여 높은 가격과 저렴한 비용으로 부품을 만들 수 없었다고 그는 말했습니다.

지난 5년 동안 OEM은 탄소 섬유 복합 부품 제조 과학이 발전함에 따라 열경화성 재료로 부품을 만드는 것 이상을 고려하기 시작했습니다. 먼저 수지 주입 및 RTM(수지 이송 성형) 기술을 사용하여 항공기 부품을 만든 다음, 열가소성 복합재를 사용합니다.

GKN Aerospace는 대형 항공기 구조 부품을 저렴하고 빠른 속도로 제조하기 위한 수지 주입 및 RTM 기술 개발에 막대한 투자를 해왔습니다. GKN Aerospace의 Horizon 3 첨단 기술 이니셔티브 기술 담당 부사장인 Max Brown에 따르면 GKN은 이제 수지 주입 제조를 사용하여 17미터 길이의 단일 부품 복합 날개 스파를 만들고 있습니다.

Dion에 따르면 지난 몇 년간 OEM의 대규모 복합재 제조 투자에는 열가소성 부품의 대량 제조를 가능하게 하는 역량 개발에 전략적으로 투자하는 것도 포함되었습니다.

열경화성 재료와 열가소성 재료의 가장 눈에 띄는 차이점은 열경화성 재료는 부품으로 성형되기 전에 냉장 보관해야 하며 일단 성형되면 열경화성 부품은 오토클레이브에서 여러 시간 동안 경화되어야 한다는 사실에 있습니다. 이 공정에는 많은 에너지와 시간이 필요하므로 열경화성 부품의 생산 비용이 여전히 높은 경향이 있습니다.

경화는 열경화성 복합재의 분자 구조를 되돌릴 수 없게 변경하여 부품에 강도를 부여합니다. 그러나 현 기술 개발 단계에서 경화는 부품의 재료를 주요 구조 구성 요소에 재사용하기에 부적합하게 만듭니다.

그러나 열가소성 소재는 부품으로 만들 때 냉장 보관하거나 베이킹할 필요가 없다고 Dion은 말합니다. 간단한 부품(Airbus A350의 동체 ​​프레임용 모든 브래킷은 열가소성 복합 부품임)의 최종 형상에 스탬프를 찍거나 보다 복잡한 부품의 중간 단계에 스탬프할 수 있습니다.

열가소성 소재는 다양한 방법으로 함께 용접될 수 있으므로 단순한 하위 구조로 복잡하고 모양이 높은 부품을 만들 수 있습니다. Dion에 따르면 오늘날 유도 용접이 주로 사용되며, 이는 하위 부품으로 편평하고 일정한 두께의 부품만 만들 수 있다고 합니다. 그러나 Collins는 열가소성 부품을 결합하기 위한 진동 및 마찰 용접 기술을 개발하고 있으며, 일단 인증을 받으면 궁극적으로 "진정으로 진보된 복잡한 구조"를 생산할 수 있을 것으로 기대한다고 그는 말했습니다.

복잡한 구조를 만들기 위해 열가소성 재료를 함께 용접할 수 있는 능력을 통해 제조업체는 접합 및 접기 위해 열경화성 부품에 필요한 금속 나사, 패스너 및 경첩을 없앨 수 있으며, 이를 통해 약 10%의 중량 감소 이점을 얻을 수 있다고 Brown은 추정합니다.

여전히 열가소성 복합재는 열경화성 복합재보다 금속에 더 잘 결합한다고 Brown은 말합니다. 열가소성 특성에 대한 실용적인 응용 프로그램 개발을 목표로 하는 산업 R&D는 "초기 성숙 기술 준비 수준"으로 유지되지만 결국 항공우주 엔지니어는 하이브리드 열가소성 및 금속 통합 구조를 포함하는 구성 요소를 설계할 수 있습니다.

예를 들어, 한 가지 잠재적인 응용 분야는 승객이 기내 엔터테인먼트 옵션, 좌석 조명, 머리 위 팬을 선택하고 제어하는 ​​데 사용하는 인터페이스에 필요한 모든 금속 기반 회로가 포함된 일체형 경량 여객기 승객석이 될 수 있습니다. , 전자 제어식 좌석 리클라이닝, 창문 가리개 불투명도 및 기타 기능.

Dion에 따르면, 부품을 만들 때 필요한 강성, 강도 및 모양을 만들기 위해 경화가 필요한 열경화성 재료와 달리 열가소성 복합 재료의 분자 구조는 부품으로 만들어질 때 변하지 않습니다.

결과적으로, 열가소성 소재는 열경화성 소재보다 충격 시 파손에 훨씬 더 강하면서도 구조적 인성과 강도는 비슷하거나 더 강하지는 않습니다. "그래서 훨씬 더 얇은 게이지로 [부품]을 설계할 수 있습니다."라고 Dion은 말했습니다. 즉, 열가소성 부품은 금속 나사나 패스너가 필요하지 않기 때문에 추가적인 무게 감소는 별개로 하더라도 열가소성 부품은 교체하는 열경화성 부품보다 무게가 가볍다는 의미입니다. .

또한 열가소성 부품을 재활용하는 것은 열경화성 부품을 재활용하는 것보다 공정이 더 간단한 것으로 입증되었습니다. 현재의 기술 상태에서는(그리고 당분간) 열경화성 재료를 경화하여 생성된 분자 구조의 돌이킬 수 없는 변화로 인해 동일한 강도의 새로운 부품을 만들기 위해 재활용 재료를 사용하는 것이 불가능합니다.

열경화성 부품을 재활용하려면 재료의 탄소 섬유를 작은 길이로 분쇄하고 재처리하기 전에 섬유와 수지 혼합물을 태워야 합니다. 재처리를 위해 얻은 재료는 재활용 부품을 만든 열경화성 재료보다 구조적으로 약하기 때문에 열경화성 부품을 새로운 것으로 재활용하면 일반적으로 "2차 구조가 3차 구조로" 전환된다고 Brown은 말했습니다.

반면, 열가소성 부품의 분자 구조는 부품 제조 및 부품 접합 공정에서 변하지 않기 때문에 간단히 액체 형태로 녹여 원래 부품만큼 강한 부품으로 재가공할 수 있다고 Dion은 말합니다.

항공기 설계자는 부품 설계 및 제조 시 선택할 수 있는 다양한 열가소성 재료 중에서 선택할 수 있습니다. 1차원 탄소 섬유 필라멘트 또는 2차원 직조를 내장하여 다양한 재료 특성을 생성할 수 있는 "매우 광범위한 수지"를 사용할 수 있다고 Dion은 말했습니다. “가장 흥미로운 수지는 저융점 수지입니다.” 이는 상대적으로 낮은 온도에서 녹기 때문에 더 낮은 온도에서도 모양을 만들고 형성할 수 있습니다.

Dion에 따르면 열가소성 수지의 종류에 따라 강성 특성(높음, 중간, 낮음)과 전반적인 품질도 다양합니다. 최고 품질의 수지는 비용이 가장 많이 들며, 열경화성 재료와 비교하여 열가소성 수지의 경제성은 아킬레스 건을 나타냅니다. 일반적으로 열경화성 수지보다 비용이 더 많이 들기 때문에 항공기 제조업체는 비용/이익 설계 계산에서 이 사실을 고려해야 한다고 Brown은 말했습니다.

부분적으로 그러한 이유 때문에 GKN Aerospace 및 기타 회사는 항공기용 대형 구조 부품을 제조할 때 계속해서 열경화성 재료에 가장 중점을 둘 것입니다. 그들은 이미 미부, 방향타, 스포일러와 같은 소형 구조 부품을 만드는 데 열가소성 소재를 널리 사용하고 있습니다. 그러나 머지않아 경량 열가소성 부품의 대량, 저비용 제조가 일상화되면 제조업체는 특히 급성장하는 eVTOL UAM 시장에서 이를 훨씬 더 광범위하게 사용할 것이라고 Dion은 결론지었습니다.

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