열가소성 테이프: 복합소재 항공구조물 혁신 주도

항공구조물 생산은 코로나19 팬데믹의 큰 영향을 받았지만, 웹 인더스트리(Web Industries, 미국 매사추세츠주 말보로)처럼 다양한 고객 응용 분야에 열가소성 테이프 슬리팅 서비스를 제공하는 기업의 경우 항공우주 연구 노력은 반드시 위축되지 않았습니다. 글로벌 연구기술 디렉터 그랜드 허우(Grand Hou)에 따르면, 우주, 도심 항공 모빌리티(UAM), 군사 분야 연구가 차세대 항공기 구현을 위해 전력 질주하고 있으며, 특히 열가소성 테이프가 이러한 노력의 핵심이었습니다.

열가소성 테이프는 물론 새로운 것이 아닙니다(1960년대까지 거슬러 올라가는 배경은 CW 편집장 제프 슬로안의 "당신에게 두 단어를 말하고 싶습니다: '열가소성 테이프'" 참조). 하지만 최근 몇 년간 상업용 항공우주 및 기타 고성능 응용 분야(예: Wing of Tomorrow 프로그램 리브, 다기능 동체 시연기 프로그램 등)에 대한 관심이 증가했습니다. 열경화성 테이프와 비교해 열가소성은 더 높은 인성, 더 쉬운 재활용성, 오토클레이브 밖(OOA) 가공 가능, 상온 보관 가능 등의 장점을 제공합니다.

웹 인더스트리는 열가소성 개발 및 응용 분야의 최전선에 있으며, 특히 다양한 포맷팅 역량으로 주목받습니다. 여기에는 공급업체로부터 열경화성 및 열가소성 테이프를 슬리팅해 특정 고객 요구사항을 충족하는 다양한 모양과 포맷으로 가공하는 것이 포함됩니다. 미국과 유럽 시설에 테이프 슬리팅 생산 라인을 보유한 웹의 역량에는 항공우주 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 고성능 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 열가소성 테이프 포맷팅이 포함됩니다.

2차 항공구조물용 TP 테이프 - 1차 구조물의 과제

현재 허우가 지적하듯, 열가소성 프리프레그 분야의 대부분 항공구조물 활동은 클립, 접근 패널, 서브구조물 같은 2차 구조물에 집중되어 있습니다. 날개와 동체 같은 비행 필수 1차 구조물은 여전히 열경화성 복합소재나 금속으로 제작됩니다.

"많은 과제가 리스크 관리에 관한 것입니다."라고 그는 말합니다. 문제의 일부는 공급업체로부터 열가소성 프리프레그의 성장통이었습니다. 열가소성 소재는 열경화성 테이프보다 덜 성숙합니다. 허우에 따르면, 열경화성 테이프가 수십 년간 대량 생산을 통해 규모를 확장하고 완성해 온 반면, 열가소성 소재는 대규모 생산을 위한 자동화 공정에서의 사용이 초기 단계에 있습니다.

그러나 웹 인더스트리는 다양한 복합소재 공급업체와 협력하고 있으며, 허우는 전반적인 소재 일관성과 규모가 지난 몇 년간 크게 개선되었다고 말합니다. 소재 폭, 길이, 두께, 섬유 장력, 레진 균일성이 모두 오늘날 훨씬 더 일관되고 높은 품질이라고 합니다.

더 큰 열가소성 1차 구조물 제작을 가로막는 또 다른 금지 요소는 열가소성 소재가 열경화성보다 더 비싸다는 점입니다. "전반적인 비용 이점이 없다면 더 널리 채택되지 않을 것입니다."라고 허우는 인정하며, 공정 비용을 낮추기 위해 협력과 기술 지원이 필수적이라고 지적합니다. "모든 사람이 프로젝트 초기 단계부터 끝까지 공동 목표를 달성하기 위해 협력할 때 더 나은 솔루션을 달성할 수 있습니다."

공정 유연성 및 소재 맞춤화

전반적으로 허우는 현재와 미래에 열가소성 테이프에 많은 잠재력과 증가하는 활동을 보며, 유연성이 고객에게 주요 전환점 중 하나라고 봅니다.

현재 열경화성 테이프는 주로 자동 섬유 배치(AFP)에 국한되어 있으며, 오토클레이브 경화 및 보관 온도 요구사항의 제약을 받습니다. 열가소성은 더 유연한 공정 접근과 OOA 가공을 가능하게 한다고 허우는 말합니다. 여기에는 자동 테이프 레이잉(ATL)용 테이프 포맷, 적층 제조용 필라멘트가 포함됩니다.

웹 인더스트리에 따르면, 상업적 규모의 포맷팅과 공급망 솔루션이 항공구조물 제작자에게 예상 산업 생산 속도를 지원하는 데 필요한 열가소성 슬릿 테이프를 제공하는 데 필수적입니다.

열가소성 프리프레그는 특정 응용 분야에 맞게 맞춤화할 수도 있습니다. 허우에 따르면 최종 사용자는 각 응용 분야에 소재를 매칭하려 합니다. 열가소성이 높은 적응성을 가지므로 특정 부품에 맞는 특정 포맷을 개발할 수 있어 소재 활용도를 극대화하고 고객의 다운스트림 비용을 절감합니다. UAM, 우주, 군수가 높은 활동 영역인 만큼, 영업 및 신규 사업 개발 디렉터 애슐리 그레이버(Ashley Graeber)는 항공기 프로그램별이 아닌 프로젝트별로 활동이 맞춤화되고 있다고 지적합니다.

특정 응용 분야에 맞게 열가소성 소재를 포맷팅하는 것은 폐기물 감소에도 도움이 된다고 영업 부사장 제이슨 서먼(Jason Surman)은 말합니다. 항공우주 산업에서 원자재 대비 완성 부품 질량 비율인 바이-투-플라이 비율(buy-to-fly ratio)은 핵심 관심사입니다. 목표는 바이-투-플라이 비율을 1:1에 가깝게 만들어 폐기물 소재가 거의 없도록 하는 것입니다. 적절한 응용 분야에 적절한 포맷의 적절한 소재가 폐기물을 크게 줄일 수 있다고 서먼은 말합니다. 항공우주 산업에서 30% 폐기물은 "미치도록 흔한" 일이며, 이를 그 이하로 낮추려면 모든 측면의 협력적 노력이 필요합니다.

"소재와 공정의 결합이 중요합니다."라고 서먼은 덧붙입니다. "열가소성 테이프가 항공구조물 제조업체를 위한 가능 솔루션으로 부상하고 있습니다."