프라운호퍼 IPT, 수소 저장·항공기 엔진 블레이드용 열가소성 복합재 혁신 주도

프라운호퍼 IPT(독일 아헨)의 개발 성과에는 열가소성 복합재 항공엔진 팬 블레이드, 레이저 구조화·AFP 활용 하이브리드 복합재-금속 구조물, 복합재 구조 건전성 모니터링(SHM), PrePro 2D/3D 시스템 등 열가소성 복합재 테이프 가공 시스템이 포함됩니다(콘빌리티 상용화).

레이저 테이프 와인딩(LATW) 기술의 진화

헤닝 얀센 박사(수석 엔지니어, 섬유강화플라스틱·레이저 시스템 기술부장)는 "1988년부터 LATW 연구를 지속해왔으며, 지난 10-15년간 큰 변화가 있었다"고 설명합니다. 초기에는 아날로그 카메라, 16×16픽셀·초당 8프레임 수준이었으나, 현재는 640×480픽셀, 50프레임/초 이상 처리 가능. 밀리초 단위 레이저 출력 제어로 복잡 형상(압력 용기 돔 등)에서 와인딩 속도 변화에 따른 실시간 열제어가 가능해졌습니다.

디지털 트윈 기술로 센서 정보를 부품에 매핑하여 제조 부품과 디지털 설계 비교를 통한 품질 평가·성능 예측이 가능합니다. 가상 공정 센서·모델로 가공 이력 기반 라미네이트 강도 예측도 가능합니다. 열가소성 테이프 LATW는 급속 가열·냉각으로 열 후처리 없이 와인딩 공정 중 물성 결정되므로 신속 공정 제어가 필수적입니다.

소재 면에서도 과거 APC-2(현 솔베이) 등 제한적이었으나, 현재 PP, PA6 등 범용 소재부터 산업용 인증 소재까지 다양화되었습니다. 전기모터용 리텐션 슬리브 등 연 1만~5만 개 양산 적용 사례도 등장했습니다.

ampliFIBRE 프로젝트: 오일·가스용 파이프

2015-2018년 ampliFIBRE 프로젝트에서 디지털 공정 제어 모델 개발(불연속·연속 테이프 와인딩, 수 km 파이프 생산). 베이커 휴즈(영국 뉴캐슬/미국 휴스턴) 비금속 파이프에 LATW 장비 적용. 프로젝트 종료 후 베이커 휴즈-사우디 아람코 합작 투자로 비금속 파이프(CFRP 포함) 확대 발표. 얀센 박사는 "열가소성 복합재 라이저·플로라인에도 LATW가 흔히 쓰이나 타 산업엔 잘 알려지지 않았다"고 덧붙였습니다.

프라운호퍼 IPT는 DNV-GL F114 기반 테스트 피라미드(폴리머/섬유 자격·시험 → 복합재 라미네이트 미세/중간 구조 → 쿠폰 레벨 테스트 → 소구경 파이프·대표 파이프 스케일업)로 소재 시험·제품 자격 인증을 지원합니다. 와인딩은 프레스·ATL과 다른 물성을 주므로 실규모(2-3km, 가공 시간 수일) 고려한 수축, 주변 온도 변화 등 공정 이해 적용이 핵심입니다.

수소 저장 탱크용 LATW

2000년부터 오일·가스 기업과 협력, 8년 전 수소 탱크에 동일 기술 적용 인식. 현재 IPT에서 수소 제조·연료전지용 탄소섬유 복합재 대형 이니셔티브 추진 중. 8억 유로 규모 자동 연료전지 제조 시설 구축, 길이 7m·직경 2.5m 부품 생산 가능한 대형 와인딩 시설 투자 예정.

얀센 박사는 "열가소성 LATW는 아직 압력 용기 제조 표준은 아니나(화학·가공·내구성 연구 중), 저투과성·인성·재활용성이 중요하다"며 타입 V 압력 용기(별도 열가소성 라이너 없는 올컴포지트) 잠재력도 언급했습니다. 연료전지 전기 트럭 등 이동식 수소 저장에 미래 솔루션 가능.

기존 열경화성 필라멘트 와인딩은 최소 와인딩 각도 제한(돔 영역 10° 미만 불가, 0° 보강 불가)이나, LATW는 열가소성 프리프레그가 기재에 직접 용착되어 임의 방향 배치 가능 → 설계 자유도 대폭 향상. 자동차 업계 파트너들과 안전·에너지 효율·재활용 용이 열가소성 수소 저장 압력 용기 개발 프로젝트 진행 중.

열가소성 복합재 팬 블레이드

프라운호퍼 IPT는 터보기계 분야 강점 보유. 아헨 소재 ICTM(국제 터보기계 제조 센터)에서 엔진 제조사·협력사와 선행 R&D 공동 수행. 과거 20년간 티타늄/니켈 합금 가공(블리스크 등) 중심이었으나, 냉각부 복합재(GE 1990년대 탄소섬유 팬 블레이드, GE90/GEnx 적용) 개발 역사 보유. 현재 CMC(세라믹 매트릭스 복합재)가 고온부 차세대 소재로 주목.

복합재 제조는 금속(절삭 가공)과 달리 생성 공정 필수 → 제조 관점 팬 블레이드 신전략 수립. 클린 스카이 2 공동 사업에서 에코디자인 활동 주도(수명주기 평가, 환경 영향 평가). 열가소성 복합재 도입 이유로 "근접 넷셰이프 적층, 약간의 열성형(보정 단계), 마무리 가공" 등 다중 공정 루트 탐색 중(TRL 낮음). 금속 블레이드 가공 디지털 기술을 복합재로 확장해 블레이드별 가공 파라미터 모니터링·평가. "일부 공정 루트는 치수 공차 충족 위해 가공 필요, 현재 매우 근접 넷셰이프 지향"이라고 설명.

현재 개발 설계: 루트 두께 0.75인치(19mm), 팁 두께 2mm. 다양한 설계 전략 논의 중. 오토클레이브/프레스 공정 여부도 내부 응력(회전 시 비틀림), 버드 스트라이크 등 영향. 열가소성 인성 증대가 버드 스트라이크 대응에 유리(PPS 복합재가 윙 리딩 에지 적용 사례).

열가소성 복합재 미래 응용 분야

엔진 나셀 적용 가능성 질의에 "산업계 관심 있으나 장기 개발 과제"라 답함. 인증 문제도 프라운호퍼 IPT가 활발히 대응 중. "디지털 방식으로 신제조 공정이 현행·진화하는 표준에 부합함을 입증해 인증 노력 경감 논의 중. 21세기 제조는 센서·AI 소프트웨어가 지속적 데이터 수집·지능화→제조 지속 최적화→디지털 스레드 역방향으로 설계 개선. 기존 제조와 근본적으로 다름."

얀센 박사는 "기술·설계·리스크 관리 모두 고려 시 열가소성 복합재가 엔진 부품 등 다양한 산업 분야 핵심 과제 해결에 큰 잠재력"이라며 "처리 복잡성 극복을 위해 디지털 제조 신기술 활용, 전 수명주기(재사용·재활용 포함) 고려 시 잠재력 완전 발휘 가능"이라고 강조. 제조 중 데이터와 전 수명주기 데이터 고려한 열가소성 복합재 기계적 재활용 연구도 진행 중으로 "고부가가치 재생 소재 달성이 가능할 것"으로 전망.