제품 설계에서 경량 구조가 필수적인 이유는 무엇입니까?

HBK는 데이터 수집 및 분석 도구를 위한 센서, 측정 전자 장치 및 소프트웨어를 테스트 및 측정 세계에 제품 또는 종단 간 솔루션으로 제공합니다. 이는 구조적 무결성, 소음 및 진동, 효율성, 성능 및 실험실, 벤치 또는 차량 내 테스트에서 테스트 중인 구조의 더 많은 측면을 평가하는데 도움이 됩니다.

경량 구조 설계 및 검증과 같은 기술 및 산업의 주요 동향을 살펴보면 HBK는 물리적 테스트에서 수명 시뮬레이션 및 데이터 수집 및 분석을 위한 최적의 에코 시스템을 제공하는데 중요한 역할을 하며 현대적인 설계 및 건설을 검증하는 데 도움이 됩니다.

경량 구조 및 검증의 도전적인 분야에 대한 통찰력과 경험을 제공하기 위해경량 구조에 대한 HBK 전문가 Gianmarco Sironi, Lance Steinmacher, Andrew Halfpenny 박사, Michelle Hill, Manuel Schultheiss 및 Sandro Di Natale을 인터뷰했습니다.

 

An Introduction to Lightweight

1. 경량 소재와 디자인이 지속 가능한 미래에 어떻게 기여할 수 있습니까?

Gianmarco Sironi and Lance Steinmacher

이것은 시작하기에 좋은 질문입니다. 탄소 발자국 관점에서 무게를 줄이는 것은 기후 변화에 대한 영향을 최소화하는 데 중요합니다. 우리는 CAE/CAD를 사용하는 항공기 제조업체가 원하는 경우 강도 또는 유연성을 제어하기 위해 다양한 합성 레이업을 살펴보는 것을 봅니다. 예를 들어 787, 777X 날개는 무게가 감소하면 연료 소모가 줄어듭니다. 회전익기의 경우 한 방향으로 강성을 제공하고 다른 방향으로 원하는 유연성을 제공하도록 복합 레이업을 제어할 수 있습니다.

그러나 단점에 대해서도 이야기해야 합니다. 복합 재료의 재활용 또는 폐기는 훨씬 더 복잡하거나 심지어 불가능하지만 기존 금속은 쉽게 재활용할 수 있습니다. 또한 복합 재료의 경우 일부 성형 기술이 가장 환경 친화적이지 않습니다.

 

2. 경량 설계에 있어 가장 중요한 세 가지 산업의 이름과 그 이유는 무엇입니까?

Manuel Schultheiss and Sandro Di Natale

경량 설계는 일반적으로 항공기 산업, 자동차 산업 및 스포츠 장비에서 볼 수 있습니다.

  • 항공 산업: 항공기 산업은 역사적으로(그러나 계속해서 계속해서) 경량 설계를 설계하고 사용해야 한다는 주장을 하고 있습니다. 전 세계적으로 항공사와 항공기 제조업체는 경제적인 이유뿐 아니라 환경적인 이유로 연료를 절약해야 합니다. 연료 비용은 항공기 운영에서 가장 큰 부분을 차지하기 때문에 시간이 지남에 따라 약간의 절감이라도 효과를 볼 수 있습니다. 경량 설계는 비용을 절감할 수 있는 영역 중 하나입니다.
  • 자동차 산업: 자동차 산업은 새로운 EURO 7 표준과 같은 CO2 및 NOX와 같은 오염 물질 배출에 대한 정부의 규제로 인해 압박을 받고 있습니다. 제한이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 이를 충족하기 위한 한 가지 핵심 측면은 무게를 줄여 에너지 소비를 줄이는 것입니다. 또 다른 측면은 전기 자동차의 점유율이 증가하고 있다는 것입니다.
  • 스포츠 장비: 스포츠 장비는 스키, 산악 자전거, 도로 경주, 모터 바이크와 같은 경량 재료를 많이 사용하지만 모터 스포츠의 스포츠 차량은 경량 구조의 이점을 크게 받으며 경쟁에서 승리하는 데 필수적입니다. 복합 재료는 운전자의 안전을 크게 향상시키는 데 도움이 되었습니다.

몇 가지 숫자를 추가하기 위해 다음과 같은 작은 예가 있습니다.

항공 및 우주 산업에서 경량 설계는 효과가 있습니다. 무게를 1kg 줄이면 약 0.02~0.03kg의 등유가 절약되거나 1000km당 약 2~3센트가 절약됩니다. 777과 같은 항공기가 수명 동안 5천만 마일 이상을 비행하는 경우 항공기 수명 동안 약 80,000,000km x 2.5센트/1,000km = kg당 2,000유로가 감소합니다. 설계상 100kg 더 가벼운 항공기를 생각해 보십시오!


따라서 항공기와 우주선은 이미 2세대 경량 설계 단계에 있습니다. 탄소 나노 강화 폴리머(CNRP)는 더 강력하고 무게가 30% 더 가볍기 때문에 현재 다른 유형의 복합 재료로 만들어진 부품을 대체합니다. 적층 제조는 최신 항공기에 널리 사용되어 캐빈 브래킷과 같이 더 낮은 중량으로 새로운 설계를 가능하게 합니다.

3. 경량 재료는 무엇이며 경량 구조의 이점은 무엇입니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

경량 소재의 분류는 큰 주제입니다. 다양한 각도에서 볼 수 있습니다.

  • 개별 재료의 무게: 일반적으로 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 등의 재료와 복합 재료를 생각합니다. 여기에서 재료 자체의 무게를 우선시합니다.
  • 총 질량: 일부 재료는 더 무거워지지만 재료가 더 적게 필요한 경우에도 총 무게는 줄어듭니다. 좋은 예는 50% 복합 재료로 만들어진 Dreamliner 항공기(Boeing 787)입니다. 그럼에도 불구하고 강철을 사용하는 이유는 무거운 하중을 운반해야 하기 때문입니다. 마찬가지로 많은 복합 부품이 알루미늄, 티타늄 등으로 결합됩니다. 따라서 가장 가벼운 재료를 선택하는 것이 아니라 적절한 재료를 사용하고 구조의 전체 무게를 줄이기 위해 현명하게 사용하는 것입니다.

경량 구조의 장점에도 불구하고 비용 효율성 측면이 있습니다. 재료 측면에서가 아니라 에너지 소비 비용 측면에서. 주로 지상 차량, 자동차, 트럭, 기차 또는 항공 우주 부문의 고객 기반을 사용하면 추가 질량이 추가로 필요한 힘과 결과적으로 더 많은 에너지를 의미한다는 문제가 항상 있습니다. 경량 구조는 필요한 견인력을 줄여 비용을 절감할 뿐만 아니라 환경 친화성을 생성할 수 있습니다.

장섬유 복합재료 외에도 폴리머(구어적으로 플라스틱)도 살펴봐야 합니다. 자동차 부품에서 폴리머의 구조적 사용을 많이 볼 수 있습니다. 다시 말하지만, 재료를 원하는 위치에 정확히 두는 트릭에 관한 것입니다. 이것이 적층 제조(AM)의 장점이 되는 곳입니다. AM을 사용하면 더 이국적인 형상을 가질 수 있습니다. 따라서 모든 중복 자료를 잘라낼 필요가 없기 때문에 많은 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

 

4. 경량 구조 설계에서 고려해야 할 중요한 파라미터는 무엇입니까?

Lance Steinmacher

이러한 새로운 재료 중 일부를 만들 때 회사는 지적 재산을 보호하여 경쟁 우위를 제공합니다. 이렇게 하면 복합 재료 속성 중 일부가 특허를 받거나 독점되며 NDA(비공개 계약) 뒤에 숨겨집니다. 이것은 실제 재료 레이업(다진 섬유, 섬유, 방향성, 단방향성 등), 사용된 접착제 또는 에폭시, 제조 공정에 적용됩니다. 그 결과 합성물에 대한 제한된 정보만 대중에게 공개됩니다.

New Approaches and Technologies

5. 복합재료의 장단점은 무엇입니까?

Gianmarco Sironi and Lance Steinmacher

많은 사람들이 복합 재료의 장점을 경량 구조라고 생각하지만 유일한 것은 아닙니다. 일부 응용 분야에서는 복합 재료가 중량 감소가 아니라 피로 수명에서 뛰어난 성능을 위해 도입되었습니다.

복합 재료로 만든 헬리콥터 메인 로터 블레이드는 구형 알루미늄 합금에 비해 '가벼움'이 아니지만 훨씬 더 내구성이 있습니다. 비행 시간의 피로 수명이 훨씬 더 뛰어납니다. 그것은 큰 도약이지만 유일한 도약은 아닙니다. 금속 로터 블레이드는 유지 보수의 악몽이었고 예고 없이 빠르게 균열이 발생하여 과거에 많은 사고를 일으켰기 때문에 많은 비파괴 검사(NDI)가 필요했습니다. 복합 블레이드 덕분에 특히 중형 및 대형 헬리콥터의 경우 상당한 개선이 가능했습니다. 따라서 무게뿐만 아니라 비행 안전과 더 쉽고 효율적인 유지 관리에 관한 것입니다.

반면에 알루미늄 또는 티타늄 합금과 같은 재료는 수십 년 동안 연구되어 온 피로 거동에 대한 많은 문헌이 있다는 본질적인 이점을 여전히 제공합니다. 고급 복합 재료는 금속에 비해 상대적으로 젊고 이 문헌은 아직 제공되지 않거나 존재하는 경우 다소 제한적입니다.

복합 재료는 균일하지도 등방성도 아니므로 특성을 규명하는 것이 매우 어렵습니다. 또한 라미네이트에서 단일 플라이를 변경할 때마다(또는 동일한 플라이를 유지하지만 방향을 변경할 때마다) 기본적으로 새로운 재료를 생성한 것입니다. 따라서 간단한 테스트 샘플부터 피로 특성 분석을 다시 시작해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요됩니다. 따라서 처음 라미네이트를 설계할 때 상당히 좋은 재료 지식과 시뮬레이션 기능을 갖는 것이 매우 편리합니다.

 

6. 적층 제조의 장점과 단점은 무엇입니까?

Sandro Di Natale

이 질문에 일반적으로 대답하기는 어렵습니다. 이 용어에 요약된 다양한 기술이 있습니다. 필라멘트를 기반으로 하는 소비자 중심 기술 외에도 광조형, 바인더 분사 등이 있습니다. 산업적 관점에서 금속 분말을 사용하여 작업하는 선택적 레이저 소결 및 용융(SLS 및 SLM)이 가장 유망한 기술 중 하나라고 생각합니다.

예를 들어 티타늄 분말로 제조된 부품은 주조 또는 기계 부품과 유사한 방식으로 작동합니다. 그러나 특성이 등방성이고 레이어 구조의 영향이 없는지 확인하려면 테스트에 특별한 주의가 필요합니다. 이것이 주어지면 무게 감소와 새로운 디자인의 가능성은 거의 무한합니다. 불행히도, 분말은 여전히 ​​상당히 비싸고 제조 속도가 느립니다. 최신의 가장 큰 기계는 시간당 수백 입방센티미터의 속도로 제작할 수 있습니다.

 

7. 적층 제조를 생산에 사용할 수 있는지 여부를 결정하는 주요 속성은 무엇입니까?

Sandro Di Natale

적층 제조를 생산에 사용할 수 있는지 여부는 다음 기준에 따라 다릅니다.

  • 제품 디자인의 복잡성: 기존의 방법으로는 만들 수 없는 새로운 디자인은 기본적으로 제한이 없기 때문에 적층가공이 예정되어 있습니다.
  • 전통적인 제조방식에 대한 툴링 비용 및 대수: 제조된 유닛의 수가 수만 개와 같이 많을 경우, 유닛당 툴링 비용은 덜 중요해진다. 숫자가 낮으면 단위당 툴링 비용이 엄청나게 증가합니다. 일반적으로 적층 제조가 전통적인 방법보다 유리한 최대 손익분기점은 연간 수백 또는 수천 단위 범위입니다. 이것이 항공기 및 우주 산업이 이러한 기술의 얼리 어답터인 이유입니다.

장점은 로트 크기가 1로 훨씬 더 분명해집니다. 의료 산업에서 적층 제조된 보철물과 교정 지지대는 잘 확립되어 있습니다.

 

8. 바이오닉스는 어떤 역할을 하나요?

Manuel Schultheiss

우리가 새의 디자인에서 비행기를 만들고 날게 만드는 방법을 배웠듯이 생체 공학은 경량 구조에 대해 이야기할 때 매우 중요한 역할을 합니다.

예를 들어 비행기 표면에 적용되는 상어 가죽 표면이나 비행기 날개 끝의 난류를 줄이기 위한 윙렛에 대해 생각할 때 예를 들어 기술 설계를 최적화하는 방법에 대해 더 많이 배울 수 있습니다. 식물과 나무의 전체 기계적 구조를 사용하여 파손 위험이 가장 적고 재료 내부의 응력이 가장 낮은 최적의 기계적 설계를 도출할 수 있습니다. 자연은 환경에 가장 잘 맞는 디자인을 배우고 적응했습니다.

신소재와 제조 방법의 흥미로운 요소는 맞춤형 디자인을 수립하기가 더 쉽다는 것입니다. 한 가지 예는 적층 제조입니다. 이 접근 방식을 사용하면 응력 집중이 적은 설계에서 더 부드러운 라운딩을 생성하고 응력이 가장 낮고 수명이 가장 긴 최적의 기계적 프레임을 생성할 수 있습니다.

Lightweight in Our Daily Life

9. 지난 몇 년 동안 경량 구조, 시뮬레이션 및 검증 영역에서 가장 놀랐던 점은 무엇입니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

두 가지가 있습니다. 첫 번째는 놀라운 일이 아니었지만 그랬습니다. 우리는 많은 재료를 사용하며 함께 결합해야 합니다. 과거에는 강철과 강철만 용접했지만 이제는 셀프 피어싱 리벳, 볼트 연결, 접착제 또는 리벳이 있는 접착제와 같은 하이브리드 사용과 같은 다양한 유형의 조인트를 살펴보고 있습니다. 더 많은 이국적인 유형의 결합이 있으며 더 많은 정확도가 필요합니다. 과거에는 용접이 보수적으로 이루어졌으며 모두가 괜찮았습니다. 그러나 이제는 용접 곡선에서도 무게를 줄여야 하므로 더 이상 보수를 원하지 않습니다.

품질을 고려할 때 두 번째 요점은 불확실성에 대한 지식이 필요하다는 것입니다. 이전에는 엔지니어가 무언가를 설계하고 단순히 소위 안전 계수를 적용했습니다. 이것은 진정한 안전과 "무지의 계수"의 조합입니다. 이제 이것은 더 이상 허용되지 않으며 정량화해야 합니다. 이러한 요구는 원자력 산업, 항공우주 등과 같은 안전이 중요한 조직에서 주도하고 있습니다. 안전 여유가 어디에서 오는지, 그리고 그것이 실제로 우리가 생각하는 것만큼 큰지 더 잘 이해해야 한다는 요구 사항이 있습니다. 따라서 더 이상 숫자를 예측하는 것이 아니라 사람들이 자신 있게 말할 수 있도록 다양한 값을 제공하여 천 분의 1은 실패하고 실패하더라도 재앙이 되지는 않을 것임을 받아들일 수 있도록 하는 것입니다

데이터 수집(DAQ)의 경우 정확도, 데이터 정밀도 또는 요구 사항이 증가하고 있습니다. 이것의 구체적인 예는 확률적 피로에 대한 우리의 현재 작업입니다. 부품 수명의 확률을 계산하는 것은 새로운 것이 아닙니다. 10년 전, 우리는 이 새로운 기술에 대해 고객과 이야기를 나누었지만, 그 당시 대부분의 고객은 예상 부하가 얼마나 되는지, 편차가 얼마나 되는지조차 모른다고 말했습니다. 이제 같은 사람들이 와서 사물 인터넷을 통해 이러한 부하가 얼마나 높은지 잘 알고 있으며 표준 편차도 알고 있다고 말합니다. 이전에는 없었던 모든 데이터를 사용할 수 있게 된 지난 10년 동안의 큰 변화입니다. 이것이야말로 정확성에 대한 요구를 실제로 이끄는 것입니다. 이제 우리는 기능, 필요한 데이터 입력 및 이를 가져오기 위한 경량 설계의 필요성이 있습니다. 처음에는 게이지 부정확성이 작을 수 있지만 피로해질 때까지 기하급수적으로 증가합니다. 이것은 추적해야 합니다.

 

10. 우리는 무거운 리튬 이온 배터리를 사용하여 배터리 전기 자동차를 만드는 시장에서 많은 개발과 새로운 플레이어를 봅니다. 경량 디자인이 여기서 역할을 할 수 있습니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

배터리의 경우 비화학적인 관점에서 모든 것이 섀시 또는 지원 시스템이 필요합니다. 흥미로운 점은 예를 들어 이러한 배터리를 전기 자동차에서 구조적으로 사용하므로 차량 구조의 일부이며 섀시가 구조적 하중을 전달할 수 있어야 한다는 것입니다. 또한, 대용량 배터리 자체가 위아래로 튕겨져 동적 부하를 생성합니다. 따라서 설계자는 무거운 중량이 진동하고 구조적 하중이 전달되는 복잡한 시나리오를 가지고 있습니다.

또한 내부의 고전압으로부터 사람을 보호해야 하는 요구 사항이 있습니다. 이것은 금속의 사용이 문제가 될 수 있음을 의미합니다. 무게를 줄이는 것 외에도 접착제와 같은 비금속 접합부가 이 시점에서 더욱 중요해집니다.

전반적으로 이것을 테스트하는 것은 상당히 어렵습니다.  이제 우리는 아직 어떻게 대답해야 할지 모르는 많은 질문을 받고 있지만 이 주제에 대해 이야기하게 되어 매우 기쁩니다.

11. 회사에서 어떻게 '경량한 사고방식'을 확립할 수 있습니까?

Gianmarco Sironi and Lance Steinmacher

일종의 '효율성 사고방식'이다. 경량은 필요한 정적 강도 및/또는 피로 수명을 달성하는 데 필요한 재료만 넣는 것입니다. 그러나 항공과 같은 일부 산업에서는 이러한 사고 방식이 종종 안전 및 이중화 요구 사항과 충돌합니다. 가벼운 마음가짐도 중요하지만 안전에 대한 마음가짐이 절대 우위에 있어서는 안 된다고 생각합니다. 구조 테스트는 두 가지 요구 사항이 모두 충족되도록 하는 가장 효과적인 방법입니다.

 

12. 일부 장애를 어떻게 해결할 수 있습니까?

Manuel Schultheiss

비용과 시간이 큰 역할을 합니다. 시리즈 생산 부품에는 몇 가지 문제가 있습니다. 모터스포츠 팀이나 요트용 부품과 같이 단일 품목에 대해 제조 시간이 그다지 관련이 없는 경우에는 문제가 되지 않지만 이러한 부품을 빠르고 안전하게 공정하게 생산할 수 있는 공정이 있어야 합니다. 특히 적층가공 및 섬유복합소재(예: 탄소섬유강화폴리머(CFRP))에 대해 이야기할 때 이는 공정적으로 해결되지 않는 포인트입니다. 이 분야에는 많은 혁신이 있습니다.

또 다른 포인트는 이러한 재료의 재활용입니다. 지속 가능한 미래를 생각하는 제품을 만든다는 주장이 있습니다. 구조 때문에 재료를 재사용할 수 없는 경우 이것이 중요합니다. 섬유와 에폭시의 보다 자연스러운 접근 방식을 사용하면 장애를 해결할 수 있습니다.

 

13. 세계적 대유행은 많은 산업과 가속화된 디지털 프로세스에 영향을 미쳤습니다. 경량 구조의 혁신에 영향이 있었습니까?

Manuel Schultheiss

우리는 전염병의 영향을 과도하게 확장해서는 안됩니다. 나는 팬데믹 자체에 의해 경량 재료나 건축으로 이동하려는 큰 추진력이 없다고 생각합니다. 프로세스는 지속적으로 가속화되고 디지털화됩니다. 일부 회사는 시간을 사용하여 스스로를 "재창조"하고 새로운 것을 시도했을 수 있습니다.

Simulation and Testing of New Materials and Designs

14. 향상된 컴퓨팅 성능과 향상된 시뮬레이션 도구를 고려한 물리적 테스트의 역할은 무엇입니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

물리적 테스트에 대해 이야기할 때 대부분의 사람들은 헬리콥터를 진동 상태로 설정하는 것과 같은 본격적인 테스트를 생각합니다. 그러나 테스트 범위를 나타내는 삼각형(그림 1)을 보면 전체 테스트가 그 중 일부에 불과하다는 것을 알 수 있습니다. 테스트를 전체 규모 테스트와 매개변수 테스트를 포함한 자격 테스트로 나눕니다. 우리는 주로 매개변수 테스트, 정확히는 주로 쿠폰 테스트를 위해 하드웨어와 소프트웨어를 사용하며 현재 증가하고 있습니다.

쿠폰 테스트를 수행할 때 주요 목표는 시뮬레이션에 사용할 수 있는 물리적 모델을 도출하기 위해 물리적 매개변수를 얻는 것입니다. 경량화 이전에는 엄청난 무지 계수가 있을 때 Google에서 재료 속성을 가져오는 것이 괜찮았습니다. 이제 그렇게 할 여유가 없습니다. 테스트에 €15 – €30,000를 쓰는 것이 백만 대의 과도하게 설계된 자동차를 가지고 나가는 것보다 훨씬 저렴합니다.

삼각형의 다음 수준에서 요소 테스트를 볼 수 있습니다. 단순한 조명 구성 요소 수준에서도 일반적으로 어떤 방식으로든 주조되거나 제작된 구조입니다. 우리는 그것들을 실패까지 테스트하여 수명 대 부하를 결정합니다. 이제 이것을 스트레스 대 삶으로 변환해야 합니다. 여기에는 시뮬레이션 모델을 통한 재료 속성의 역계산이 포함됩니다. 따라서 테스트 요소의 유한 요소 모델을 구축하고 복잡한 최적화를 수행하여 필요한 매개변수를 결정합니다. 여기에서 고객이 전체 구조 모델에서 사용하는 것과 동일한 유한 요소 모델링 지침을 사용하는 것이 중요합니다. 그래야만 고객이 필요로 하는 결과를 제공할 수 있습니다.

위의 레벨은 컴포넌트 테스트를 보여줍니다. 여기에서 좀 더 전체적인 매개변수를 계산하려고 합니다. 예를 들어 진동의 경우 감쇠는 에너지를 흡수하는 유일한 요소이기 때문에 매우 중요합니다. 이를 알아야 하며 구성 요소 테스트 수준에서 시뮬레이션을 위한 매개변수를 얻으려고 합니다.

자격 테스트는 일반적으로 주기가 끝날 때 이루어지며 가정이 올바른지 확인하기 위해 많은 측정을 수행할 수 있습니다. 구조가 실패하면 다음 라운드로 넘어가기 전에 시뮬레이션을 사용하여 실패를 제거할 수 있도록 실패한 이유를 시뮬레이션해야 합니다. 그리고 자격 테스트가 마지막에 있기 때문에 모든 변경은 고객에게 막대한 비용이 든다는 것을 의미합니다. 따라서 모델을 보다 강력하고 정확하게 만들기 위해 매개변수 테스트를 늘려야 합니다.

그림에서 세 번째 범주의 테스트인 신뢰성 테스트를 찾을 수 있습니다. 매개변수 테스트가 물리적 모델을 실패로 매핑하는 동안 신뢰성 테스트는 통계 모델을 실패로 매핑합니다. HBK에서 테스트의 목표는 고객이 예를 들어 10년 보증을 제공할 경우 얼마나 많은 제품이 고장날 것인지와 그 비용이 얼마인지에 대한 정보를 얻는 것입니다.

 

15. 기존 금속과 비교하여 경량 재료 인증의 차이점은 무엇입니까?

Manuel Schultheiss

다양한 수준의 인증이 있습니다. 재료 수준을 살펴보겠습니다.

  • CFRP와 같은 재료의 시험에는 ASTM D 3039/DIN 65378(인장), ASTM D 695(평면압축), ASTM D 3518(면내전단), ASTM D 707(V노치레일) 등의 규격이 있습니다. 전단). 이러한 표준은 수년에 걸쳐 확립되고 발전되었습니다.
  • 재료의 적층제조 인증과 같은 새로운 기술을 위해서는 이러한 표준이 발명되어야 합니다. 이러한 재료에 사용할 수 있는 재료 데이터베이스가 많지 않아 오늘날 제품에 사용하기가 더 어렵습니다
  • 오랜 경험과 다양한 표준을 기반으로 표준 기존 재료를 인증할 수 있습니다. 예를 들어 쿠폰 테스트의 경우 다양한 하중 케이스 및 테스트 시나리오를 사용할 수 있습니다. 이러한 표준을 공통 언어로 참조하면 설계 엔지니어가 새로운 재료로 설계하는 것보다 해당 재료를 사용하는 것이 훨씬 쉽습니다.

항공기와 같은 구조물 또는 전체 제품의 인증을 보면 훨씬 더 복잡합니다. 이는 단순한 "쿠폰 테스트 방법"보다 더 많은 측면을 다루고 재료 속성을 정의합니다. 이러한 인증에는 전체 그림뿐만 아니라 설계, 제조 및 유지 관리 측면이 포함됩니다.

 

16. 새로운 경량 구조를 테스트할 때 어떤 어려움에 직면합니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

무지의 계수를 줄이는 것은 큰 도전입니다. 그러나 또 다른 요점은 우리가 지금 재료가 아닌 구성 요소를 테스트한다는 것입니다. 조인트의 경우에도 고객과 동일한 유한 요소 메쉬 규칙을 사용해야 하는 문제가 있습니다. 지정된 메쉬에 대한 속성을 지정하기 때문입니다. 속성을 찾기 위해 역 계산이 필요합니다.

또한 용접 사이의 큰 차이가 문제입니다. 자동차 회사 A가 용접을 테스트하려는 경우 자동차 회사 B에 대해 테스트해야 하는 용접이 다르다는 것을 확인할 수 있습니다. 그렇기 때문에 각 고객에 대해 샘플 지오메트리를 테스트해야 합니다. 그러나 차이점은 고객마다 다를 뿐만 아니라 나중에 대량 생산에 해당하는 부품도 고객이 생산해야 합니다. 여기서 문제는 이것이 완전 자동화된 대량 생산에 작동할 수 있는지 여부입니다.

복합소재의 경우 더욱 복잡해집니다. 실패를 어떻게 정의합니까? 관절을 사용하면 간단하고 둘로 나뉩니다. 그러나 복합 재료는 분해되지 않으며 강성이나 강도를 잃을 수 있습니다. 또한 거시적 수준에서 복합 재료를 합금과 비교할 수 없습니다. 복합 재료는 다양한 메커니즘을 통해 거시적 수준에서 실패할 수 있습니다. 섬유의 결합 해제, 매트릭스의 균열 또는 섬유의 균열은 매우 점진적인 실패 경로의 일부일 수 있습니다. 무엇이 실패인지 결정할 때 우리는 스트레스에 대해 이야기해야 합니다. 섬유와 매트릭스 사이의 각 부피의 응력입니까, 아니면 섬유의 응력만입니까? 이 모든 것은 여전히 ​​미해결 질문이고 우리는 이에 답하기 위해 더 많은 노력을 기울일 필요가 있습니다.

또 다른 과제는 복합 재료에 대한 표준입니다. ASTM 및 ISO 표준은 종종 Airbus 또는 Boeing에서 제공되지만 항공우주용으로 지정됩니다. 그러나 항공우주는 고품질을 목표로 하고 있지만, 예를 들어 자동차 산업은 주로 Chopped Strand Mat와 같이 신속하게 생산되고 저렴한 복합 재료를 원하기 때문에 매우 어려워집니다. 그러나 여기서 모델링은 악몽입니다. ​​모델링에 필수적인 섬유 방향에 대한 지식이 없지만 여전히 높은 표준을 충족해야 합니다. 그런 다음 여전히 테스트에 대한 표준만 있고 데이터를 해석하는 방법에 대한 표준은 없습니다. 여기에서도 연구소와 함께 해답을 찾는 것이 중요합니다.

 

17. 재료를 검증하고 경량 구조를 테스트하는 방법에 대한 몇 가지 예를 들어 주시겠습니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

전통적인 방식은 HBK가 시뮬레이션에 들어가는 재료 테스트와 비행 프로파일(하중)에 대한 솔루션을 제공하는 것입니다. 피로 해석에는 하중, 재료 및 형상의 세 가지 입력이 필요합니다. 우리는 지리를 시뮬레이션할 수 있습니다. 측정하고 작동하지 않으면 좋은 결과를 얻을 때까지 CAD/FEA 모델을 변경하기만 하면 됩니다. 그런 다음 프로토타입을 만들고 테스트한 다음 분석과 연관시킵니다. 우리가 옳다면 결국 하나의 프로토타입만 필요하게 됩니다.

그럼에도 불구하고 복합 재료는 훨씬 더 복잡한 시뮬레이션 경로를 가지고 있기 때문에 다릅니다. 여기에서 구조에 따라 물성이 변합니다. 복합 재료 같은 것은 없고 어디를 보아도 속성이 변하는 복합 구성 요소가 있습니다. 복합의 경우 작업과 결과가 훨씬 더 반복됩니다. 지금 우리는 다시 '좋은 옛날 방법'을 사용하고 있습니다. 시뮬레이션이 매우 잘 작동하는 금속과 달리 복합 재료에 대해서는 아직 매우 새로운 것이기 때문에 더 이상 시뮬레이션을 신뢰할 수 없기 때문에 더 많은 프로토타입이 필요합니다.

따라서 70년이 지난 후에도 DeHavilland Comet에 사용된 디자인 방법론은 Dreamliner에서 사용된 디자인-잇-테스트-잇-픽스-잇 방법론과 유사합니다. 시뮬레이션이 여전히 합성물에 적절하게 대처할 수 없기 때문에 다른 규모에서 훨씬 더 많은 프로토타입이 필요합니다.

18.기존 메탈에 비해 아직 경험적 데이터가 부족하다고 생각하십니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

처음에는 기존 금속에도 데이터가 부족하다고 생각했습니다. 주어진 데이터에 대한 질문은 신뢰할 수 있습니까? 표준에서 얻은 데이터 중 일부는 60년대의 데이터이거나 다른 부문에 대해 수집된 것일 수 있습니다. 데이터가 어디에서 오는지 면밀히 주시해야 합니다. 복합 재료를 사용하면 매개변수가 있더라도 재료 전체에서 매개변수가 동일한지 확신할 수 없다는 추가 문제가 있습니다.

우리 고객은 대부분 구성 요소 및 전체 구조 적격성 평가에 적극적입니다. 우리는 쿠폰 자료를 테스트하고 그로부터 복합 재료에 대한 정보를 얻습니다. 그러나 용접 작업을 할 때 용접을 테스트하고 시뮬레이션을 실행하여 쿠폰의 속성을 다시 계산합니다. 합성물인 경우 테스트하는 구성 요소입니다. 쿠폰처럼 보이지만 구성품입니다.

여기에서 티타늄과 알루미늄을 사용한 적층 제조는 복합재처럼 취급된다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 이는 동일한 적층 제조 기계를 사용하는 두 고객이 있는 경우 기계의 설정이 다르기 때문에 동일한 재료 속성을 얻을 수 없기 때문입니다. AM에는 다공성 또는 융합 부족과 같은 새로운 유형의 결함도 있기 때문에 여기서 추가 테스트가 필요합니다.

 

19. 경량 구조물에 어떤 측정 및 테스트 장비를 사용합니까?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

로드셀, 스트레인 게이지 및 데이터 수집을 위한 QuantumX와 같은 다양한 HBK 장비를 사용하지만 Instron 및 MTS의 테스트 장비도 사용합니다.

스트레인 게이지의 경우 새로운 재료 중 하나가 너무 좋아서 스트레인 게이지보다 성능이 우수하다는 문제가 있었습니다. HBK의 경우 이는 재료를 따라잡기 위해 장비를 지속적으로 혁신해야 함을 의미합니다. 혁신에 대해 말하자면, 우리는 레이저 신장계로 테스트할 기회가 있었습니다. 그것은 만지지 않고 마이크로미터 내에서 측정하고 합성물이 실패할 때 "폭발"되어 장비를 손상시킬 수 있는 문제를 제거합니다.


HBK 전문가들

  • Gianmarco Sironi: Project Leader, Measurement for structural durability testing solutions
  • Lance Steinmacher: Project Leader, Measurement for structural durability testing solutions
  • Dr. Andrew Halfpenny: Director of Technology – nCode products
  • Michelle Hill: Head of Material Testing
  • Manuel Schultheiss: Product Manager, Test & Measurement Software
  • Sandro Di Natale: Product & Application Manager, Structural Durability Measurement & Testing Solutions

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