CFRP, 정밀 볼 조인트 적용 분야에서 강철 능가

모듈러 고정구 설계 기업이자 부품 공급사인 프로드텍스(Prodtex, 스웨덴 예테보리 및 영국 브리스톨)는 대형 복합 구조물 조립 방식을 혁신할 뿐만 아니라, 고정구 자체를 복합소재로 제작하고 있습니다. 사람이 들어 설치하거나 로봇이 조작해야 하는 고정구의 경우, 경량화와 고강성은 인력 절감·소형 로봇 적용·생산 속도 향상·비용 절감으로 직결됩니다. 이를 위해 프로드텍스는 코어본 AB(스웨덴 말뫼)가 생산하는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 기반 볼 조인트를 적용한 최초의 풀 복합소재 헥사포드 포지셔닝 로봇 개발을 진행 중입니다.

백래시 제로에 도전하다

코어본 CEO 토비아스 비에른호브(Tobias Björnhov)는 "금속 볼 조인트를 재설계해 백래시(backlash, 틈새)를 줄이는 것에서 시작했습니다."라고 회상합니다. 코어본의 볼 조인트와 베어링은 CFRP 하우징을 적용해 백래시가 거의 제로에 가깝습니다. 즉, 부품 간 틈이나 유격이 없어 "하중을 가하기 전부터 조인트가 견고합니다." 일반적인 베어링은 힘의 방향이 바뀌면 움직일 수 있지만, 코어본 구조물은 예압(preload)과 높은 강성 덕분에 움직이지 않습니다.

단일 성형으로 다수의 정밀 금속 부품 대체

초기에는 금속 볼 조인트 하우징을 CFRP로 보강하고, 열팽창 계수 차이를 이용해 수축 프레스 피팅으로 CFRP 하우징을 금속 볼에 결합했습니다. "성능은 좋았지만 제작 비용이 비쌌습니다." 그래서 코어본은 정밀 가공된 다수의 금속 부품을 볼 주변에 완벽하게 조립하는 대신, 단일 CFRP 몰딩으로 대체하는 풀 CFRP 볼 조인트 하우징을 개발했습니다. 볼(금속 유지)과 2부품 조립체의 성형 및 예압을 독자 기술로 단일 공정에서 구현합니다.

로봇 손목 구조물 27kg → 5.5kg 경량화

코어본은 슬라이딩 베어링과 기타 키네마틱 페어(피스톤-실린더, 볼 조인트, 베어링 등), 로봇 부품도 생산합니다. 사진의 CFRP 돔은 로봇 엔드 이펙터의 손목 부분으로, 모터·스핀들·테이프 레이잉 헤드 등을 장착합니다. 향후 이 돔은 테트라픽스(TETRAFIX AB)와 프로드텍스의 경량 구조물 같은 대형 '스파이더' 고정구의 노드로도 활용될 전망입니다. "첫 적용은 고정밀 로봇 분야입니다. 엔드 이펙터 무게를 줄여 정밀도와 속도를 높입니다." 무게 감소 폭은 로봇 손목/툴 홀더 구조물 기준 27kg에서 5.5kg으로 대폭 줄었습니다.

최대 80% 섬유 부피율 달성, Z방향 열전도성까지 확보

CFRP 돔은 에보닉(Evonik)의 로하셀(ROHACELL) 폴리메타크릴리미드 구조 폼으로 코어드되었지만, 코어본은 섬유 함량을 극대화해 높은 비강도·비강성을 구현합니다. "이론적 최대치에 가까운 80%까지 섬유 부피율을 달성합니다. 섬유끼리 맞닿아 있어 면내 방향뿐만 아니라 Z방향(두께 방향)으로도 높은 열전도성과 전기전도성을 얻습니다."

복합소재 내부에서 체적 제어 가열... 공정 불문 적용 가능

이 제조 공정은 레진 전달 몰딩(RTM) 개선과 레진 주입·가열 제어 연구에서 파생되었습니다. "RTM뿐만 아니라 압축 몰딩, 필라멘트 와인딩에도 레진을 주입합니다. 핵심은 복합소재 내부에서 가열해 열을 체적 제어한다는 점이며, 특정 매트릭스 유형에 구애받지 않습니다." 핵심은 유도 가열 기술이지만, 코어본의 방식은 사용하는 인덕터와 전자기장 제어 방식에서 기존 유도 가열 복합소재 제조와 차별화됩니다. 그 결과 순간적이고 균일한 3D 가열이 가능해 프리프레그 경화, 펄트루전 등 거의 모든 CFRP 공정에 적용됩니다. 사이클 타임은 기존 대비 10배 빠르고, 에너지 비용 95% 절감, 금형 무게는 강철 대비 20분의 1 수준입니다. 코어본은 이 기술을 라이선싱 중이며, 스미토모 상사(일본) 등 일본 기업들과 이미 파트너십을 맺었습니다.

"이제 자동차 서스펜션, 항공기 부품 등 고정밀·고강성 키네마틱 페어가 필요한 다른 용도로도 확장 중입니다." 코어본은 이들 산업이 요구하는 산업적 규모 생산 능력을 입증하기 위한 여러 프로젝트도 진행 중입니다.