단단한 탄소 섬유 화합물이 열가소성 복합 재료의 범위를 확장합니다.

사출 성형용으로 특별히 제조된 탄소 섬유 강화 열가소성 수지(CFRTP) 제품군은 다양한 부품 크기와 복잡성에서 열가소성 복합 재료의 기능을 확장하는 데 사용됩니다. 흥미롭게도, 이러한 재료는 스포츠 용품 및 자동차 부품에서 의료 기기 및 항공우주 부품에 이르기까지 점점 더 다양한 응용 분야에서 장섬유 열가소성(LFT) 복합재(유리 섬유 또는 탄소 섬유)와 금속을 능가하는 것으로 나타났습니다.

금형기가 컴파운더로 전환됨

재료는 Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc.(MCAM, Tokyo, Japan)에 의해 공식화되고 판매됩니다. MCAM은 지난 10년 동안 모회사가 인수한 이전에 분리된 여러 비즈니스를 결합합니다. 여기에는 이전 Quadrant AG(스위스 렌츠버그), 유리 매트 열가소성 플라스틱(GMT) 및 유기 시트 복합 재료 및 열가소성 엔지니어링 형상 생산업체인 Piper Plastics Inc.(미국 애리조나 주 챈들러)가 포함됩니다. 사출 성형기 및 정밀 가공 부품 생산업체로서의 삶, 나중에는 맞춤형 CFRTP 컴파운딩으로 확장되었습니다.

2012년경 Piper는 항공우주 및 스포츠 용품/레크리에이션 장비의 고객 기반에 서비스를 제공하는 중형 맞춤형 사출 성형기였습니다. 회사 경영진은 부품 제조 사업을 성장시키고 싶었지만 두 가지 문제가 있었습니다. 첫째, 팀이 회사가 고성능 시장 부문에서 경쟁할 수 있도록 해줄 것으로 생각되는 화합물 종류를 소싱하는 데 어려움이 있었습니다. 둘째, 회사는 자동차 시장에 진출하고 싶었지만 주요 프로그램에서 경쟁할 수 있는 충분한 성형 능력이 없었습니다.

첫 번째 문제는 다양한 기본 수지 및 섬유 사이징 기술에 대한 집중적인 R&D 노력을 적용하여 해결되었으며 KyronMAX라는 고성능 사출 성형 가능한 CFRTP 화합물 제품군의 개발로 이어졌습니다. 이러한 재료는 짧은 절단 탄소 섬유로 강화된 폴리아미드 6/6(PA6/6), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리아릴에테르케톤(PAEK)과 같은 매트릭스를 특징으로 합니다. 대부분 높은 열 성능, 광범위한 내화학성, 우수한 기계적 특성 및 낮은 화염/연기/독성(FST) 값을 제공하는 화합물은 짧은 유리 섬유 강화 및 광물 충전 사출 성형 등급을 대체할 뿐만 아니라 LFT 화합물(평균 시작 섬유 길이 13mm) 및 심지어 금속.

"데이터시트에서 LFT 화합물은 더 강력해 보이지만 짧은 탄소 섬유 기술로 채울 수 있는 부품 형상을 채울 수 없는 경우가 많습니다."라고 MCAM 복합 재료의 주요 계정 관리자인 Alex Wojtysiak은 설명합니다. "우리의 흐름이 훨씬 더 높기 때문에 복잡한 형상을 더 잘 채울 수 있으므로 화합물이 극적으로 더 강한 부품을 생산합니다."

MCAM 글로벌 복합 재료 기술 관리자인 Clint Newell은 “광범위한 CFRTP 화합물을 만들기 시작한 것이 아니라 각 화합물이 특정 고객의 특정 요구 사항을 충족하도록 개발되었다는 것입니다. "우리의 제형 기능이 성장함에 따라 우리는 새로운 시장에 진출하고 새로운 고객을 만나고 그들이 필요로 하는 것이 무엇인지 물어보고 이러한 요구를 충족하는 완벽한 화합물을 만들기 시작했습니다."

당연히 이러한 화합물은 처음에 에 의해 공식화되었기 때문에 용 성형기 성형기, 그들은 쉽게 가공할 수 있는 속성을 제공하고 일관되게 더 높은 품질의 더 나은 성능의 부품을 생산하도록 설계되었습니다. "우리는 벽 섹션의 두께와 관계없이 더 높은 흐름 및 섬유 상호 작용, 더 낮은 내부 응력, 더 적은 이방성, 더 강한 용접선, 더 적은 싱크 마크, 더 적은 뒤틀림 경향 및 더 큰 치수 정확도를 제공하도록 KyronMAX 제품 라인을 공식화했습니다." MCAM R&D 이사인 Dave Wilkinson은 말합니다. "제형 작업 및 고유한 크기 조정 기술 외에도 이러한 재료를 보다 효율적으로 실행하기 위해 자체적으로 프레스를 수정했습니다."

왜 이상한 제품 이름? MCAM의 최고 혁신 책임자인 Randy White는 "고대 그리스 신화에서 Kyron(Chiron이라고도 함)은 일부는 켄타우로스이고 일부는 인간이었습니다. "Kyron은 자신의 독특한 개인 기술을 사용하여 그의 야수 본성을 뛰어 넘었습니다. 우리는 그것을 절반은 탄소 섬유, 절반은 수지로 이루어진 우리의 화합물에 비유했는데, 이는 말만큼 강하고 가공하기 쉽도록 사람만큼 똑똑합니다."

제형 전문성이 성장함에 따라 회사는 2016년 Piper를 인수한 Mitsubishi Chemical Holdings Group(MCHC, 일본 도쿄)의 주목을 받았습니다. MCHC는 즉시 애리조나의 컴파운딩 라인 규모를 늘리기 위해 상당한 수백만 달러를 투자했습니다. , 작업을 자동화하고 자체 탄소 섬유 크기 조정 및 절단 기술을 도입하여 KyronMAX 화합물을 더 빠르고 일관성 있고 효율적으로 생산할 수 있습니다. 그 후 미시간에 두 번째 컴파운딩 라인이, 일본에 세 번째 컴파운딩 라인이 설립되었습니다. 이러한 확장된 용량은 KyronMAX 등급이 북미와 아시아에서 자동차 사업을 놓고 경쟁할 수 있음을 의미했습니다. 다른 시장도 뒤따랐습니다.

제품 제공 확대, 새로운 시장 기회

이제 MCAM 팀은 더 많은 생산 능력과 다양한 폴리머 및 탄소 섬유 재료에 대한 접근을 통해 다양한 신제품을 개발하느라 분주합니다. 그 중 일부는 자동차 시장을 위해 특별히 제작되었습니다. 가장 흥미로운 것 중 하나는 KyronMAX ES 4240으로, 414 MPa(60,000 psi) 인장 강도 장벽을 깬 세계 최초의 짧은 탄소 섬유 사출 성형 컴파운드입니다. 디트로이트 교외에서 열린 2019 SPE Automotive Engineered Plastics Conference(AutoEPCON)에서 소개된 이 등급은 41.2 GPa의 인장 모듈러스 값, 굴곡 모듈러스 값을 제공하는 40% FWF(섬유 중량 분율) 탄소 섬유 강화 PPA입니다. 34.5 GPa의 굽힘 강도 값과 552 MPa의 굽힘 강도 값. PPA는 기존의 PA6 및 PA6/6보다 더 나은 열 및 더 넓은 내화학성과 가수분해 경향이 훨씬 낮은 특수화된 형태의 폴리아미드입니다.

2019 SPE AutoEPCON에서 소개된 다른 자동차 등급에는 특히 언더후드 애플리케이션을 위해 개발된 고온 탄소 섬유 강화 PPA 등급이 포함됩니다. 해당 등급은 유리 전이 온도(T_g ) 및 연속 사용 온도(CUT)는 PEEK에 필적하지만 성형이 더 쉽습니다. 자동차 및 소형 가전 제품과 같은 대용량 산업의 비용 민감성을 고려할 때 팀이 폴리프로필렌(PP) 기반 KyronMAX 제품도 개발하고 있다는 사실을 알게 된 것은 놀라운 일이 아닙니다.

제품 라인이 확장됨에 따라 이러한 재료가 사용되는 시장도 확장되었습니다. 오랫동안 바라던 자동차 사업 외에도 이 회사는 이제 의료 기기(내구성 및 일회용), 소형 가전 제품 및 소비자 전자 제품(금속 교체 케이스/커버)을 제공합니다. 항공/항공우주는 여전히 중요하며 스포츠 용품 산업은 레이싱 바이크, 산악 바이크, 골프 클럽, 총기, 복합 활 및 기타 양궁 부품에 응용 프로그램을 포함하도록 성장했습니다. MIM(금속 사출 성형) 알루미늄 및 마그네슘과 유사한 선형 열팽창 계수(CLTE) 값을 제공하는 여러 제품을 통해 팀은 더 나은 인성, 더 가벼운 무게 및 더 저렴한 비용에도 불구하고 점점 더 많은 응용 분야에서 금속을 대체하고 있음을 알게 되었습니다. .

무엇 향후 계획? 전 세계적으로 더 광범위한 Mitsubishi 조직에 대한 액세스를 통해 MCAM 팀은 다양한 보강 유형 및 길이를 사용하여 열가소성 및 열경화성 화학 물질을 포괄하는 광범위한 복합 재료 포트폴리오를 나타내는 기술에 액세스할 수 있습니다. 예를 들어, 다른 Mitsubishi 그룹은 분할 및 절단 토우 탄소 섬유 강화 단조 성형 화합물을 생산합니다. (FMC), 짧은 유리 또는 탄소 섬유 강화 SMC와 연속 탄소 섬유 강화 프리프레그 사이의 성능 및 가공 격차를 해소하는 데 도움이 되는 고급 형태의 시트 몰딩 컴파운드(SMC)입니다. 또 다른 그룹은 직조 및 부직포 탄소 섬유 강화 프리프레그와 급속 경화 프리프레그 압축 성형(PCM) 재료를 생산합니다.

MCAM 자체 내에서 상용화에 가까워지고 있는 또 다른 기술은 열가소성이 포함된 새로운 섬유 강화 건조 프리프레그 제품군(부직포, 직조 및 단방향)입니다. KyronTEX라는 매트릭스. 이 제품들은 현재 전략적으로 샘플링되고 있습니다.

마지막으로 지난 여름 MCAM은 carbonNXT GmbH와 자매 회사인 CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG(둘 모두 독일 Wischhafen)를 인수하여 탄소 섬유 재활용 기술의 전체 라인을 그룹 제품에 도입했습니다. MCAM 팀은 적격 상용 제품에 앞서 재활용 탄소 섬유를 사용하여 여러 공식을 테스트한다고 합니다.