프랑스 용접 연구소(IS) 그룹은 금속 용접 분야에서 100년 이상의 경험을 보유하고 있으며 현재 열가소성 복합 재료 용접 분야의 리더가 되고 있습니다. IS 그룹은&'동적 유도 용접&'을 개발했습니다. Airbus's STELIA Aerospace 의 항공우주 열가소성 합성물 시연 프로젝트에서 탄소 섬유/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 단방향 벨트 스트링거와 동체 스킨을 연결하는 데 사용된 프로세스입니다.
이 프로세스의 성공에도 불구하고 인터페이스에 서셉터가 없으므로 접합된 스트링거의 반경 성능과 벽 패널의 전체 가열에 제한이 있습니다. 서셉터는 열가소성 복합 용접 조인트의 두 접합체 사이에 배치되는 재료이며 재료는 용접 조인트의 유도 코일에 의해 가열됩니다. 서셉터는 저항에 의해 가열되는 전도체 또는 히스테리시스에 의해 가열되는 자성체가 될 수 있습니다. 용접 인터페이스에서 베이스를 녹이고 베이스를 함께 눌러 고강도 용접 조인트를 형성합니다. 열가소성 복합 재료의 유도 용접에 사용되는 서셉터는 원래 금속 스크린 또는 그리드였으며 때로는 폴리머가 함침되었습니다.
IS Group은 Welding Innovation Solution이라는 특허 기술을 공동 개발 및 확보하기 위해 열가소성 소재 공급업체인 Arkema와 파트너십을 체결했습니다.
혁신적인 용접 솔루션의 기초
혁신적인 용접 솔루션의 기본은 용접 인터페이스를 가열하기 위해 서셉터를 사용하는 것이지만 이것은 용접 헤드에 연결된 이동식 서셉터입니다. 서셉터를 사용하면 프로세스가 용접의 가열 영역을 완벽하게 찾을 수 있으며 서셉터가 있는 용접 헤드가 이동하므로 계면에 잔류물이 없고 용접된 구조의 성능을 방해하지 않습니다. 유도 용접의 초기 반복에서 금속 메쉬 서셉터가 용접부에 남아 있었지만 이것은 원하는 결과가 아니었습니다. 일반 항공우주 적층판의 탄소 섬유는 전도성이 있기 때문에 최신 기술은 서셉터를 제거할 수 있었고 탄소 섬유 재료를 서셉터로 사용할 수도 있습니다.
혁신적인 용접 솔루션의 또 다른 특징은 순수한 열가소성 매트릭스 또는 용접 계면에서 섬유 함량이 낮은 층을 사용하여 수지 유동성을 증가시키는 것입니다. 계면층의 용융 온도 및 점도를 조정할 수 있으며 탄소 섬유와 알루미늄 또는 강철 사이의 전기적 부식과 같은 전기적 부식을 방지하기 위해 전도성 또는 절연성을 제공하도록 기능화할 수도 있습니다.
혁신적인 용접 솔루션의 결과
이 솔루션의 접합 계수는 80%~90%입니다. 접합 계수는 용접 강도에 해당하며 금속, 플라스틱 및 복합 재료에 사용됩니다. 이 솔루션을 사용하여 함께 용접된 두 개의 사전 경화된 판에 대한 단일 랩 전단 시험에서 용접되지 않은 고압멸균 기준 판의 성능의 80% ~ 90%가 얻어졌습니다. 이 테스트에서는 Hextow AS7 탄소 섬유와 Arkema Kepstan 7002 PEKK로 만든 단방향 벨트를 사용했습니다.
용접 혁신적인 솔루션은 PE, PA, PEKK, PEEK 및 탄소, 유리 또는 아라미드 섬유 강화 열가소성 복합 재료와 같은 모든 종류의 기판을 용접하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 구리 그리드가 있는 구성 요소를 용접하여 항공 우주 구조물 제조의 핵심인 낙뢰를 방지할 수도 있습니다. 혁신적인 용접 솔루션의 설계는 6축 로봇 팔 로봇에 장착된 용접 헤드로 완전히 자동화되었습니다.
용접 온도 조절
자기장에 노출될 때 금속 메쉬 서셉터의 일반적인 문제는 용접 부품의 고르지 않은 온도 분포입니다. 솔루션은 서셉터를 사용하여 용접 인터페이스를 녹이고 레이저 고온계를 사용하여 온도를 감지하여 실제로 측면에서 서셉터의 가장자리를 측정하여 이를 제어합니다. 따라서 인터페이스의 정확한 온도를 알 수 있습니다. 냉각 방법은 온도를 제어하고 열가소성 재료가 용접 공정 전반에 걸쳐 완전히 결정화될 수 있도록 하는 데에도 사용됩니다.
스트링거 스킨 용접 테스트
Airbus의 자회사인 STELIA는 이 유도 용접 공정의 첫 번째 고객 중 하나입니다. IS Group과 Arkema는 STELIA를 위해 7층의 탄소/PEKK 스트링거를 14층의 피부에 용접하고 낙뢰를 방지하기 위해 구리 그리드로 덮는 특별 연구를 수행했습니다. 궁극적인 목표는 길이 30m, 직선 및 이중 곡선 섹션의 구조를 용접하는 것입니다. 구성 요소는 Tenax HST45 탄소 섬유 및 Kepstan 7002 PEKK를 포함하는 194gsm 단방향 테이프로 만들어집니다. STELIA는 오토클레이브에 의해 경화된 기준 재료의 85%보다 큰 기계적 특성을 갖는 균질한 용접을 지정하며 피착체의 열적 또는 기계적 특성은 저하되지 않습니다. STELIA는 또한 피착체의 두께를 변경하기 위한 견고한 공정의 개발이 필요했습니다. IS Group은 용접 부품에 대한 화학적 및 성능 테스트를 수행했습니다.
IS Group과 Arkema는 STELIA'의 요구 사항을 충족할 수 있었고, 오토클레이브에 의해 경화된 참조 라미네이트와 비교하여 단일 랩 전단 및 층간 전단 강도 성능의 85% 이상을 달성했습니다. 구성 요소 라미네이트 또는 낙뢰 보호 그리드에 확산 또는 저하가 없습니다. 유일한 단점은 속도입니다. STELIA는 용접 속도가 1m/min 이상이어야 합니다. 현재 이 솔루션의 속도는 분당 0.3미터입니다. 용접 가능한 모재의 두께는 항공우주 구조물의 일반적인 두께를 용접할 수 있으며 5mm 두께의 부품을 5mm 베이스에 용접할 수 있습니다.
기술적 기회와 도전
IS Group과 Arkema는 혁신적인 용접 솔루션 기술의 공동 소유자이며 이미 5개의 프랑스 및 국제 특허 출원을 포함하는 신뢰할 수 있는 특허 포트폴리오를 통해 기술을 보호해 왔습니다. 혁신적인 용접 솔루션은 모든 열가소성 복합 매트릭스와 함께 사용할 수 있으며 IS Group은 유럽 및 미국 회사와 협력 계획을 통해 기술을 시연하고 있습니다. Arkema는 미래 항공기용 탄소/열가소성 벨트를 개발하기 위해 2018년 Hexcel과 전략적 제휴를 맺은 PEKK에 중점을 두고 있으며 고객에게 더 낮은 비용과 더 빠른 생산 속도를 제공하는 데 중점을 두고 있습니다. 파트너십의 일환으로 프랑스는 공동 연구 및 개발 연구소를 설립할 예정입니다.
적응형 구조를 위한 1,350만 유로, 48개월의 고도로 자동화된 통합 복합 재료 프로젝트는 Arkema와 Hexcel 간의 전략적 제휴의 연속입니다. 이 프로젝트는 경쟁력 있는 비용을 달성하기 위해 복합 부품 생산에 사용되는 재료의 설계 및 제조를 최적화할 것입니다. 또한 보다 효율적인 복합 재료 배치/레이아웃 기술과 용접으로 최종 부품을 조립하는 온라인 품질 관리를 갖춘 새로운 시스템을 개발할 것입니다. 대상 응용 프로그램에는 항공기의 주요 구조, 자동차 산업의 구조 부품, 석유 및 가스 산업의 파이프라인이 포함됩니다. 열가소성 소재가 제공하는 재활용 가능성 및 지속 가능성 이점도 이러한 시장에 중요하며 프로젝트에서 시연되고 정량화될 것입니다.
2017년과 비교하여 혁신적인 용접 솔루션이 제공할 수 있는 이점 중 하나는 동적 유도 용접 프로세스에 비해 필요한 전력이 50% 이상 감소한다는 것입니다. 기존 유도 방식에서는 표면을 가열하는 데 높은 전력이 필요하지만 계면에 서셉터를 사용하면 가열된 표면이 훨씬 작아지고 필요한 에너지도 훨씬 적습니다. 이것은 또한 스트링거 반경이 진동하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 가열이 너무 많으면 반경의 재료가 부드러워지고 섬유가 그곳으로 이동합니다. 그러나 여전히 방열 문제가 있습니다. 평평한 모양의 경우 열 제어는 매우 간단하지만 모양이 복잡해질수록 더 어려워집니다. 현재 주요 목표는 일반적인 규모의 스킨 상부 빔 용접을 계속 개발하고 달성하는 것이며 초점은 여전히 새로운 항공기 개발 계획에 기술을 도입하는 것입니다.