항공우주 복합재료: 유형, 응용 분야 및 가공 가이드

보잉 787 드림라이너(Boeing 787 Dreamliner)는 14,000km를 여행하며 250명 이상의 승객을 운송합니다. 무게 기준으로 구조의 절반이 복합 재료입니다. . 이 단일 통계는 기술 요약보다 지난 30년 동안 항공우주 공학의 변화에 ​​대해 더 많은 정보를 제공합니다. 복합재는 항공 산업에 적용되지 않았습니다. 그들은 그것을 인수했습니다.

항공우주 등급 부품을 사용하는 엔지니어, 조달 팀 및 제조업체의 경우 복합 재료의 작동 방식, 더 중요하게는 절단, 드릴링 및 밀링에 반응하는 방식을 이해하는 것은 더 이상 선택 사항이 아닙니다. 이 가이드에서는 항공우주 복합 재료가 무엇인지, 어디에 사용되는지, 왜 기계 가공이 어려운지, 올바른 도구를 사용하여 접근하는 방법 등 전체 그림을 다룹니다.

항공우주 엔지니어가 복합재료에 의존하는 이유

항공기 설계의 핵심 문제는 항상 동일했습니다. 구조 중량 1kg당 연료, 항속 거리 및 탑재량 용량이 필요합니다. 알루미늄과 강철은 초기 항공의 강도 요구 사항을 해결했지만 이후 복합재가 파괴한 효율성에 한계를 두었습니다.

에 따르면 FAA의 고급 복합 재료 기술 규율 , 둘 이상의 구성 재료로 가공된 복합재는 어느 구성 요소도 단독으로 달성할 수 없는 특성(강도, 유연성, 내식성, 내열성)을 제공할 수 있습니다. 실제로 이는 무게가 덜 나가고 연료 소모가 적으며 부식 검사 빈도가 더 낮은 항공기를 의미합니다.

실제 프로그램의 숫자는 놀랍습니다. Airbus의 A350 XWB는 53%의 탄소 복합재 구조를 사용하여 운영 비용과 연료 소모량을 25% 절감합니다. A220은 46% 복합재료와 24% 알루미늄-리튬 합금을 통합합니다. 이는 점진적인 개선이 아니라 항공기의 근본적인 재설계를 나타냅니다.

항공우주 복합재의 세 가지 주요 유형

모든 복합재가 상호 교환 가능한 것은 아닙니다. 각 섬유 유형은 서로 다른 성능 프로필을 제공하며 올바른 선택은 강도, 무게, 비용 및 충격 저항에 대한 응용 분야의 요구 사항에 따라 달라집니다.

CFRP는 구조적 항공우주 응용 분야를 지배합니다. 다른 어떤 소재도 규모에 맞지 않는 조합으로 강성과 가벼운 무게를 모두 제공하기 때문입니다. 일반적으로 직경이 약 7~8마이크로미터인 탄소 섬유는 폴리머 매트릭스(보통 에폭시)에 내장되어 기체에 최소한의 질량을 기여하면서 막대한 하중을 처리하는 패널과 구성 요소를 생산합니다.

유리섬유는 궁극적인 성능보다 비용이 더 중요한 비구조 또는 반구조 부품의 주력 제품으로 남아 있습니다. Kevlar는 전문적인 틈새 시장을 점유하고 있습니다. 엔진 나셀부터 조종석 장갑에 이르기까지 충격 저항이 주요 설계 제약 조건인 곳이라면 아라미드 섬유는 CFRP나 유리 섬유보다 기계 가공이 더 어렵음에도 불구하고 그 자리를 차지합니다.

매트릭스 재료: 이를 작동시키는 바인더

섬유는 힘을 제공합니다. 매트릭스는 모든 것을 제 위치에 유지하고 섬유 사이에 하중을 전달합니다. 매트릭스 재료의 선택에 따라 열, 화학물질 노출 및 장기간의 피로 하에서 복합재의 성능이 결정됩니다.

에폭시 수지 고성능 항공우주 복합재의 표준 매트릭스입니다. 이 제품은 탄소 섬유를 매우 잘 적시고, 견고하고 화학적으로 저항하는 구조로 경화되며, 오토클레이브 제조에 사용되는 온도 및 압력 주기 하에서 안정적으로 결합됩니다. 날개 스파, 동체 패널, 격벽 등 거의 모든 구조용 CFRP 항공우주 부품은 에폭시 매트릭스를 사용합니다.

페놀수지 최초의 현대적 매트릭스는 제2차 세계 대전까지 거슬러 올라가 복합 항공기에 사용되었습니다. 부서지기 쉽고 습기를 흡수하지만 내화성과 연소 독성이 낮아 FAA 가연성 요구 사항이 엄격한 내부 패널에 지속적으로 선택됩니다.

폴리에스터 수지 가장 저렴한 옵션이자 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 매트릭스입니다. 하지만 항공우주 구조 응용 분야에서는 거의 사용되지 않습니다. 열악한 내화학성과 높은 가연성으로 인해 비용 제어와 중량 절감이 주요 동인인 2차 구조 및 중요하지 않은 구성 요소로 제한됩니다.

새롭게 떠오르는 네 번째 범주인 열가소성 매트릭스(PEEK 및 PAEK 계열 폴리머 포함)는 미적분학을 재구성하고 있습니다. 열경화성 플라스틱과 달리 열가소성 플라스틱은 다시 녹고 변형될 수 있어 용접 접합, 재활용이 가능하고 생산 주기가 대폭 단축됩니다. PEEK 매트릭스 복합재는 강성을 동일하거나 초과하면서 동급 금속보다 최대 70% 가벼울 수 있으며, 열경화성 생산 비용을 높이는 긴 오토클레이브 경화 시간 없이 가공할 수 있습니다.

현대 항공기의 구조적 응용

복합재는 보조 페어링에서 기체의 가장 하중이 중요한 부분으로 이동했습니다. 발전하는 데 수십 년이 걸렸지만 현재 세대의 상업용 항공기는 복합재를 전문 대체재가 아닌 기본 구조 재료로 취급합니다.

• 날개와 날개 상자: 모든 항공기의 주요 하중 경로인 787 및 A350과 같은 프로그램의 날개는 수천 개의 패스너를 제거하여 무게와 잠재적인 피로 시작 지점을 모두 줄이는 일체형 복합 배럴 섹션을 사용합니다.
• 동체 섹션: 전체 CFRP 동체 배럴은 주어진 구조 중량에 대해 더 큰 객실 단면적을 허용하고 더 높은 객실 압력 차이를 가능하게 합니다. 이것이 바로 787이 일반적인 알루미늄 동체 항공기의 8,000피트 대신 6,000피트의 객실 고도를 유지할 수 있는 이유입니다.
• 제어 표면: 에일러론, 엘리베이터, 방향타 및 스포일러는 최초의 복합재 응용 분야 중 하나이며 현재는 거의 보편적입니다. 여기에서 절약된 무게는 증폭됩니다. 제어 표면이 가벼워지면 더 작은 액추에이터가 필요하므로 유압 시스템 무게가 줄어들고 비용 절감 효과가 커집니다.
• 엔진 나셀 및 역추력 장치: 터빈 배기 장치 근처의 열 부하는 초기 복합재 사용을 탄소-페놀 시스템으로 밀어 넣었습니다. 현대식 나셀은 가장 뜨거운 부분에 고급 세라믹 매트릭스 복합재를 사용하여 폴리머 매트릭스 재료를 파괴할 수 있는 온도에서도 견딜 수 있습니다.
• 내부 구조: 바닥 패널, 머리 위 선반, 조리실 및 화장실은 유리 섬유와 페놀 복합재를 사용하여 화재, 연기 및 독성 규정을 충족하는 동시에 객실 무게를 낮게 유지합니다.
• 우주 및 방위 애플리케이션: 위성 구조물, 열 차폐물 및 로버 구성 요소는 –180°C ~ 200°C 범위의 열 순환을 견디도록 특별히 설계된 고온 에폭시 및 시아네이트 에스테르 시스템을 사용합니다.

가공 과제: 복합재가 금속보다 절단하기 어려운 이유

항공우주 복합재료는 기존 금속 가공과 달리 가공 문제를 안고 있습니다. 고장 모드가 다르고 도구 마모 패턴이 다르며 오류에 대한 허용 오차가 상당히 낮습니다. 박리된 복합 패널은 단순히 용접하거나 다시 주조할 수 없습니다.

핵심 문제는 이방성입니다. 금속은 균질합니다. 알루미늄을 절단하는 초경 엔드밀은 모든 방향에서 거의 동일한 저항을 받습니다. CFRP는 특정 방향으로 배향된 섬유의 층 구조로, 각 층은 수지로 다음 층과 접착됩니다. 절단 도구는 섬유를 매트릭스 밖으로 잡아당기거나 라미네이트 층 사이에 균열(박리라고 불리는 결함)을 일으키지 않고 섬유를 깨끗하게 절단해야 합니다.

복합 가공의 주요 실패 모드는 다음과 같습니다.

• 박리: 드릴링 중 과도한 추력으로 인해 입구와 출구에서 라미네이트 플라이가 분리됩니다. 일단 시작되면 박리는 서비스 부하에 따라 전파되며 일반적으로 구성 요소를 서비스할 수 없게 만듭니다.
• 섬유 풀아웃: 무디거나 잘 맞지 않는 절단 모서리는 섬유를 절단하는 대신 찢어져 피로 하중으로 인해 손상되는 거칠고 약화된 표면을 남깁니다.
• 매트릭스 크레이터링: 부적절한 칩 배출이나 부정확한 속도로 인한 국부적인 열 스파이크는 수지 매트릭스를 부드럽게 하거나 태워서 층간 전단 강도를 감소시키는 보이드를 생성할 수 있습니다.
• 빠른 공구 마모: 탄소 섬유는 도구 가장자리에 대한 마모성이 높습니다. 기존 절삭 속도에서 코팅되지 않은 고속 강철 공구는 몇 분 안에 모서리 형상을 잃습니다. 초경 공구도 CFRP에서 상대적으로 짧은 절단 거리 후에 측정 가능한 측면 마모를 보여줍니다.

CFRP 패널이 티타늄 패스너 보스 또는 알루미늄 리브와 만나는 혼합 재료 항공우주 구조물에서 작업하는 팀의 경우 가공이 어려운 복합물입니다. 우리를 참조하십시오 절삭 공구 선택 및 재료 최적화 가이드 그리고 우리의 전담 리소스는 항공우주 분야에서 티타늄을 절단하는 기술 이러한 재료가 도입하는 보완적인 과제에 대해 설명합니다.

항공우주 복합재 부품의 절삭 공구 전략

성공적인 복합 가공은 도구 형상, 기판 재료 및 절단 매개변수라는 세 가지 변수로 귀결됩니다. 그 중 하나라도 잘못되면 복합재 부품을 재작업하거나 폐기하는 데 비용이 많이 드는 박리 또는 섬유 풀아웃 오류가 발생하는 경향이 있습니다.

도구 기판: 고체 텅스텐 카바이드는 항공우주 복합재 작업에 허용되는 최소한의 기판입니다. HSS 도구는 깨끗한 섬유 절단에 필요한 가장자리 형상을 유지하기 위해 연마성 탄소 섬유에 비해 너무 빨리 마모됩니다. 더 미세한 입자의 초경 등급(일반적으로 미크론 미만)은 더 나은 모서리 유지력을 제공하고 섬유 풀아웃을 유발하는 미세 칩핑을 방지합니다. 우리의 고경도, 고속 가공을 위해 설계된 솔리드 초경 엔드밀 연마재 시스템에 최적화된 가장자리 준비를 통해 정확히 이러한 유형의 모재에 제작되었습니다.

구멍 만들기를 위한 드릴 형상: 표준 트위스트 드릴 형상은 입구측 박리를 촉진하는 높은 축 추력을 생성합니다. 특히 CFRP의 경우 날카로운 2차 절삭날이 있는 브래드 포인트 또는 대거 스타일 드릴 형상은 1차 절삭날이 구멍에 도달하기 전에 구멍 주변의 섬유를 절단하여 돌파의 중요한 순간에 추력을 크게 줄입니다. 우리의 까다로운 재료에 구멍을 만들기 위한 정밀 초경 드릴 비트 존재하는 복합 스택의 입구 및 출구 문제에 적합한 기하학적 프로파일을 사용하십시오.

트리밍 및 프로파일링을 위한 엔드밀 형상: 위쪽 및 아래쪽 나선형 섹션이 있는 도구인 압축 라우터는 CFRP 패널을 트리밍하는 데 사용됩니다. 반대 나선 각도가 위쪽과 아래쪽 표면 모두에서 동시에 섬유를 압축 상태로 유지하여 가장자리가 닳는 것을 방지하기 때문입니다. 복합 패널에 인접한 티타늄 강화 패스너 영역의 경우, 전용 티타늄 합금 밀링 커터 적절한 경사각을 사용하면 칩이 얇아지는 것을 유지하여 Ti-6Al-4V에서 공구 수명을 망치는 가공 경화를 방지할 수 있습니다.

절단 매개변수: 일반적인 원리는 고속, 날당 낮은 이송, 절삭유 없음(또는 공기 분사만 제어)입니다. 수성 냉각수는 절단 가장자리의 복합 매트릭스에 흡수되어 시간이 지남에 따라 치수 불안정성을 유발할 수 있습니다. 역설적이게도 열은 금속 절단보다 CFRP 밀링에서 문제가 덜합니다. 섬유 축을 따라 탄소 섬유의 열 전도성이 높고 칩 부하가 작게 유지되면 칩이 열을 효과적으로 전달합니다.

미래 방향: 열가소성 수지 및 지속 가능한 복합재

항공우주 복합재료의 차세대 물결은 이미 실험실에서 생산 현장으로 이동하고 있습니다. 두 가지 추세가 향후 10년 동안 항공우주 복합재의 모습을 재편하고 있습니다.

열가소성 복합재 가장 상업적으로 중요한 변화를 나타냅니다. 열경화성 CFRP에 긴 오토클레이브 경화 주기가 필요한 경우(종종 높은 온도와 압력에서 몇 시간 내에 측정됨) PEEK 및 PAEK 기반 복합재와 같은 열가소성 매트릭스 시스템은 몇 분 안에 통합될 수 있고 볼트 체결 대신 용접되며 원칙적으로 수명이 끝나면 재활용될 수 있습니다. Airbus는 이미 A220에 열가소성 복합재를 생산하기로 결정했으며, 2010년 후반에 예상되는 차세대 내로우바디 플랫폼 전반에 걸쳐 더 폭넓게 채택될 것으로 예상됩니다.

가공에 미치는 영향은 중요합니다. 열가소성 복합재는 실온에서 열경화성 복합재보다 더 단단하고 도구 선명도가 떨어지면 절단 표면이 번지기 쉽습니다. 모서리 준비 요구 사항은 에폭시 기반 시스템보다 더 까다롭습니다. 이는 상용 대안보다 프리미엄 솔리드 초경 공구에 대한 주장을 강화합니다.

지속 가능한 생체 유래 복합재 연구 프로그램에서 초기 인증 노력으로 전환하고 있습니다. 하이브리드 세라믹-폴리머 구조, 재활용 탄소 섬유 프리폼, 천연 섬유 강화재(아마, 현무암)는 인증 기준이 기본 구조보다 낮은 내부 및 2차 구조 응용 분야에 대해 평가되고 있습니다. 동인은 쌍둥이입니다. 수명이 다한 복합 폐기물을 줄이려는 규제 압력과 항공기 조달 기준에 점점 더 많이 포함되는 탄소 회계 요구 사항입니다.

제조업체에게 실질적인 의미는 복합 재료 다양성이 감소하는 것이 아니라 증가한다는 것입니다. 787 시대에 업계에 사용되었던 단일 전략 접근 방식(에폭시/CFRP, 오토클레이브 경화, 다이아몬드 코팅 초경 드릴)은 열가소성 수지, 하이브리드 레이업 및 새로운 섬유 아키텍처를 수용하도록 확장되어야 합니다. 복합재 시스템이 다양해짐에 따라 툴링 유연성과 기판 품질이 더 중요해질 것입니다.