복합소재와 강철 구조물의 심리스 통합... 하이커넥트 FAUSST 조인트 시스템

이 블로그는 2019년 12월 특집 기사 '복합소재로 선박 경량화 장벽 허물기'의 동반 기사로, 추가 세부 사항과 비주얼을 공유합니다.

하이커넥트(HYCONNECT GmbH, 독일 함부르크)는 네이벌 아키텍트이자 해양 기술 센터(CMT, 독일 함부르크) 10년 경력의 라르스 몰터(Dr. Lars Molter) 박사가 설립한 스타트업입니다. "메가요트와 크루즈 선박을 건조하는 독일 기업들은 모두 같은 문제를 안고 있습니다." 몰터 박사는 말합니다. "고객들은 더 많은 장비, 추가 데크, 소음·온도 차단 단열, 곡면 형상과 통합 조명 같은 새로운 디자인 기능을 원합니다. 알루미늄이나 강철로도 가능하지만 매우 시간과 비용이 많이 듭니다."

선박은 일반적으로 용접 강철 컴포넌트 블록으로 건조되어 조립이 빠릅니다. FAUSST 조인트 시스템은 대형 복합소재 벽체 패널이나 기타 구조물을 이 강철 프레임워크에 용접해, 기존 선박 생산 방식을 활용한 경량화를 가능케 합니다. 출처: 마이어 베르프트(Meyer Werft)

하이브리드 구조에서 접착 본딩의 문제점

몰터 등 많은 이들이 복합소재가 선박에 줄 이점을 알지만, 현재 선박은 강철로 건조됩니다. 전 복합소재 선박 개발도 진행 중이지만, 그 사이 다양한 복합소재 컴포넌트로 선박 중량과 배출을 줄일 큰 기회가 있습니다. 하지만 강철 프레임워크에 어떻게 접합하느냐가 문제입니다. "접착 본딩을 검토했지만, 모든 선박에 쓸 표준 조인트 설계가 없고 SOLAS에서 접착 본딩 적용 일반 규칙도 없습니다."

국제해사기구(IMO, 영국 런던) 발행 해상 인명 안전(SOLAS) 규정에 따라 상선은 2002년까지 강철로 건조해야 했습니다. 2002년 MSC/Circ. 1002 발행으로 대체 설계가 허용되었으나, 대체 설계·건조가 강철과 동등함을 리스크 분석으로 입증해야 합니다. 이 과정은 길고 비싸며 선박마다 맞춤형으로 진행됩니다.

"DNV GL에 이종 소재 조인트로 무엇을 승인할지 물었습니다. '주요 구조는 통상 기계적 체결이 필요하며, 순수 본딩은 중복 패스너 없이 쉽게 인증되지 않는다'는 답을 받았습니다." 이 문제는 상업용 항공기도 동일합니다. "본딩은 환경과 공정 통제가 필수인데, 용접과 절단이 주를 이루는 조선소 현장에선 어렵습니다."

FAUSST 조인트

"그래서 본딩 없이 기계적 체결이 되는 솔루션이 필요했습니다. '섬유를 금속에 어떻게 연결할까?' 계속 고민했습니다." CMT가 독일 정부 지원 FAUSST(Fiber and Steel Standard joint) 프로젝트에서 답을 찾았습니다. 프리츠 몰 텍스틸베르케(Fritz Moll Textilwerke, 독일 알트하우젠)와 협력해 100% 유리섬유에서 100% 강철 섬유로 전이하는 하이브리드 워프 니트 텍스타일을 개발했습니다.

패브릭 아키텍처는 강철·유리섬유가 교차·중첩되도록 설계되어 마찰과 교차점 인터로킹으로 하중 전달을 구현합니다. 이 아키텍처는 기계적 인터로킹용 니트 패브릭과 하중 전달용 단일 방향 섬유를 균형 있게 결합합니다. 전자 제어 편직기로 시간당 최대 100m 속도 생산됩니다.

다음 단계는 금속 커넥터(플레이트 또는 중공 프로파일)에 부착하는 것입니다. 강철 섬유를 대형 구리 전극 휠로 저항 심 용접(프레스 용접)해 커넥터에 용접합니다. 몰터는 자동차 스팟 용접을 길고 연속적인 심 용접으로 적용한 것과 유사하다고 설명합니다. 이 공정으로 FAUSST 커넥터를 단일 또는 다층 패브릭으로 견고하고 검증된 공정으로 효율적으로 생산합니다.

하이커넥트가 판매하는 것: 강철 커넥터에 용접된 패브릭. "조선소나 복합소재 구조물 공급사가 우리 조인트 시스템을 채택하면, 조인트 하중과 강철 커넥터 유형을 지정하고 우리는 FAUSST 조인트를 설계·생산해 납품합니다. 그들은 이를 복합소재 구조물에 주입하고, 조선소는 이를 선박 강철 프레임워크에 용접합니다."

강성 및 CTE 미스매치 관리

FAUSST 하이브리드 패브릭 내 강철·유리섬유 간 강성 미스매치가 있습니다. 몰터는 패브릭 제조 방식(5-7플라이에서 얀 인터로킹, 강철 섬유가 유리섬유 패브릭으로 얼마나 뻗어 나가는지 조절)으로 어느 정도 완화된다고 설명합니다. "하중 전달에서 큰 피크를 원치 않습니다. 이 레이어들과 구성 섬유(유리섬유 비율, 방향 등)를 수정해 강성을 조절할 수 있습니다." 추가 ±45° 섬유로 전단 응력 증가 대응과 강철 커넥터-유리섬유 복합소재 간 열팽창 계수(CTE) 차이 관리도 가능합니다. "관통 방향 터프팅 섬유로 보강해 더 높은 하중이나 특수 구조에도 대응 가능합니다."

강철 커넥터와 FRP(섬유 강화 플라스틱) 간 두께 미스매치도 해결해야 합니다. "두 소재의 중립축이 정렬되어야 합니다." 일반적으로 강철 커넥터 가장자리를 30° 테이퍼로 가공해 테이퍼 조인트 효과로 FRP에 효율적 하중 전달을 구현합니다.

하이커넥트가 FAUSST 조인트 설계·생산 → 복합소재 구조물에 주입 → 선박 강철 프레임워크에 용접. 출처: 하이커넥트.

표준화된 조인트 시스템 개발

몰터는 2018년 CMT를 떠나 하이커넥트를 설립해 FAUSST 조인트 기술 상용화에 나섰습니다. 다양한 산업 파트너·규제 당국과 테스트·설계 반복을 진행 중입니다. 목표는 FAUSST 조인트 제품 '패밀리' 개발입니다. "FAUSST 패브릭 레이어를 더 적용하면 하중 지지 능력이 선형적으로 증가합니다. 기본 제품은 4레이어 FAUSST에 1m 플랫 바 용접으로 일정 인장·굽힘 하중 등급. 좌측엔 2-3레이어 저하중 제품, 우측엔 5-6레이어 고하중 제품이 위치합니다. 세부 사항 마무리 중이지만 목표는 표준화되고 사용하기 쉬운 시스템입니다."

4레이어 FAUSST 패브릭 조인트 테스트 결과 라이너 조인트 강도 217 kN/m. 출처: 하이커넥트.

FAUSST 조인트 제품 기계적 특성화는 진행 중이나 접착 조인트와 경쟁력 있습니다. "초음파나 X선으로 용접부 100% 검사 가능하다는 것도 장점입니다." 현재 일부 고객용 프로토타입 생산 중이며 2020년 스케일업 예정.

한편 하이커넥트는 자동차 기업과 철도 적용 관심도 받고 있습니다. "금속 인서트 용도 가능하며, 건축 분야 적용 가능성도 봅니다. 점점 더 많은 산업이 하이브리드 구조의 가치와 반제품 사전 장착으로 짧은 조립 시간의 가능성을 인식하고 있습니다."라고 몰터는 말합니다.