미래 복합제 제조: AFP와 적층 제조의 시너지

사전 제작된 CFRP 표면과 브라켓에 "오버프린팅(Overprinting)"(좌상), 3D 프린팅과 필라멘트 와인딩 같은 공정 하이브리드화(우상), AFP 라미네이트에 3D 프린팅 코어 적층 및 3D 프린팅 코어에 AFP 스킨 적층(우하), CEAD AM 플렉스봇 45도 프린팅(좌하). 사진: TU 뮌헨, 카본 복합재 석좌

9월, 저는 "미래 복합제 제조 - AFP & AM"이라는 가상 심포지엄에 참석했습니다. 이는 자동 섬유 배치(AFP)와 적층 제조(AM)를 지칭합니다. 이 심포지엄은 뮌헨 공과대학(TUM, 독일 뮌헨)의 카본 복합재 석좌(LCC)가 주최했습니다. 행사에는 TUM의 연구 파트너인 호주 국립대학(ANU, 캔버라)도 포함되었습니다. 심포지엄에서는 TUM과 ANU의 복합재 R&D 역량뿐만 아니라, AFPT, 에어버스, BMW, CEAD, DLR, 프라운호퍼, GKN 에어로스페이스, 이노메타(INOMETA), SGL 카본, 빅트렉스(Victrex) 등 산업 파트너들과의 완료 및 진행 중인 프로젝트들을 검토했습니다.

TUM과 ANU의 협력은 2010년 압축 천연가스(CNG) 저장 탱크를 열가소성 복합재로 개발하기 위한 오토CRC(AutoCRC) 프로젝트로 시작되었습니다. 공동 R&D는 그 후 계속되었으며, 호주 연구위원회(Australian Research Council)의 첨단 복합재 자동 제조 센터(AMAC) 결성과 ANU의 세 가지 주요 초점 분야를 포함합니다:

• 소재 강화
  • 탄소 복합재의 기능적 특성 향상을 위한 나노 스케일 소재 및 코팅
  • 열적 및 전기적 전도성을 위한 그래핀 강화 프리프레그 테이프
• 레이저 AFP
  • 복합재 강화 강철 개발을 위한 포드와의 프로젝트
  • 디지털 가열 바이어스 제어, 예: 코너/3D 형상의 공정 안정성
• X-선 CT를 이용한 첨단 진단

 

사진: "New Horizons by Merging AFP and AM" by Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, TUM Symposium Sep 2020.

 

사진: Klaus Drechsler, TUM Symposium Sep 2020.

그는 소재 압출(MEX), 섬유 강화 복합재 3D 프린팅에 가장 일반적으로 사용되는 공정과 AFP ISC(In-situ Consolidation) 간의 유사점을 논의했습니다:

• 국소적, 반복적 열처리
• 층 기반 설계 및 이방성 소재 물성
• 2D 및 3D 프로그래밍된 경로를 따른 소재 배치와 층간 열 활성화

드렉슬러는 복합재의 미래 니즈와 AFP와 MEX 결합이 어떻게 해결책을 제공할 수 있는지 논의했습니다. 근시일 내 툴링 분야에서, 장기적으로는 비용 효율적이고 생태학적으로 지속 가능한 고성능 경량 구조물에서입니다.

LCC의 역량을 개괄하며 드렉슬러는 MEX 장비와 적층 제조 분야의 과거 및 진행 중인 R&D 프로젝트 개요를 제시했습니다.

ISC AFP 관련 LCC의 최근 및 진행 중 개발 사항에는:

• 압력 용기, 수소 저장 탱크 등 구조물의 산업화를 지원하는 용기 와인딩 헤드
• 레이저 빔 가열의 폐루프 제어
• 유체 냉각 롤러를 이용한 통합
• ISC 최적화를 위한 테이프 특성 분석

LCC의 MEX 및 3D 프린팅 개발은 이틀간 여러 발표에서 더 탐구되었습니다.

CEAD와 대형 3D 프린팅

드렉슬러의 기조연설 다음 발표는 CEAD(네덜란드 델프트)의 전무이사 마르텐 로흐텐베르흐(Maarten Logtenberg)가 했습니다. 2014년 설립된 CEAD는 연속 섬유 적층 제조(CFAM) 기술을 기반으로 갠트리 기반 인클로즈드 셀(CFAM Prime)과 로봇 기반 시스템(AM 플렉스봇) 모두로 상용 시스템을 판매했습니다. LCC는 후자를 보유하고 있으며(위 표 참조) 여러 프로젝트에서 LCC와 협력 중입니다(CEAD와 TUM LCC 협력 관련 CW 기사 참조).

로흐텐베르흐 발표의 하이라이트에는 CNC 밀링, 대형 가열 프린트 베드(1.2m x 3m, 1.2m x 2m), 가열 회전 프린트 베드를 통합한 하이브리드 솔루션 개발이 포함됩니다. 더 큰 셀과 45도 프린팅, 상용 항공기 부품의 직렬 오토클레이브 생산을 위한 섬유 강화 툴 프린팅도 추진 중입니다.

로흐텐베르흐는 3D 프린팅 오토클레이브 툴의 주요 과제 중 하나가 열팽창이며, 4미터보다 훨씬 큰 툴은 너무 많이 팽창하여 툴 설계로 충분히 보상하기 어렵다고 지적했습니다(「하이브리드, 대형 적층 툴링」 참조). 그가 제시한 해결책은 지금까지 주로 사용된 다진 섬유 보강을 CEAD의 AM 플렉스봇 같은 시스템으로 증착되는 연속 섬유로 대체하는 것입니다.

이 전진 경로는 GKN 에어로스페이스 뮌헨의 토마스 헤르크너(Thomas Herkner)가 발표한 "3D 프린팅 트랙 인텐시파이어의 복합재 플랩 생산 도입" 발표에서 지지되었습니다. 이 3D 프린팅 CFRP 인텐시파이어는 에어버스 A350과 A330의 CFRP 랜딩 플랩 생산에 툴링으로 사용됩니다. 이 성공적인 GKN 프로그램이 다진 섬유 보강을 사용했지만, 헤르크너는 3D 프린팅 툴링에 연속 섬유 사용과 궁극적으로 항공기 부품 자체에 연속 섬유 사용을 포함한 추가 개발 로드맵을 보여주었습니다.

이 전진 경로는 LCC 연구원 패트릭 콘술(Patrick Consul)의 최근 CW 블로그에서 잘 설명되었습니다.

콘술도 TUM 심포지엄에서 발표했는데, 압출 기반 AM의 대규모 공정 설계를 다뤘습니다. 아래에 표시된 유리 전이와 상 전이가 다진 섬유 강화 펠렛이 CFAM과 AM 플렉스봇 같은 3D 프린팅 시스템에서 녹아 압출될 때 가장 큰 물성 변화를 나타냅니다.

 

콘술의 연구는 폴리머 점도, 압출 온도, 토크 같은 MEX 파라미터가 프린팅된 복합재의 결정성에 미치는 영향을 분석했는데, 이는 3D 프린팅 중 층간 용접 능력에 영향을 미칩니다. 이 층간 본딩 외에도 콘술은 프린팅된 층의 섬유 정렬과 잔류 응력도 탐구했습니다. 제시된 해결책 중 하나는 프린팅 중 기판을 레이어로 예열하는 것인데, 이는 오늘날 열가소성 복합재의 ISC AFP에서 널리 사용되며, AFP에서 AM으로 지식을 이전하는 것입니다. 초기 실험에서는 제어 가능한 레이저 다이오드 링을 사용했습니다.

콘술의 동료 마티아스 포이히트그루버(Matthias Feuchtgruber)는 그날 늦게 발표하여 공정 설계와 소재 특성화에서 복합재 AM을 위한 가상 공정 체인 개발로 나아갔습니다.

알렉산더 마친스키(Alexander Matschinski)는 복합재 AM에 연속 섬유 통합에 대해 발표했는데, 아래 차트가 CW의 연속 섬유 3D 프린팅 차세대 보충 기사에서 수정된 차트의 기초가 되었습니다. 마친스키는 연속 섬유 AM 구조 설계와 기성 CFRP 부품과 표면에 "오버프린팅"하는 미래 개발도 논의했습니다.

SGL 카본의 크리스토퍼 에벨(Christopher Ebel) 박사는 연속 섬유의 다른 흥미로운 응용을 보여주었는데, 자동차 강철 언더바디 구조 보강으로 부품 수를 37개에서 9개로 줄이고 중량을 41% 절감했습니다. 또 다른 컨셉은 스냅 경화 에폭시 수지로 함침된 토우프레그를 사용한 3D 와인딩으로 하중 최적화 구조물을 만듭니다. 이 디지털 주도 접근법은 복잡한 하중 단순화와 위상 최적화로 시작해 자동 제조로 이어집니다. 결과물은 인서트의 폼 록킹(form-locking)을 구조물에 활용해 강성 손실 없이 하중 전달을 가능하게 합니다. 최신 3D 금속 프린팅 공정으로 그런 인서트를 만들 수 있어 하중 처리 효율과 비용 절감을 추가 최적화합니다.

DLR의 세바스찬 노보트니(Sebastian Nowotny)는 열가소성 복합재의 3D 프린팅과 ISC AFP 결합을 논의했는데, AFP 라미네이트에 3D 프린팅하고 부분적으로 열린 3D 프린팅 구조물에 AFP하는 것 포함. 초기 실험으로는 기성 CFRP 스킨에 3D 프린팅 코어를 적층한 후 3D 프린팅 코어 위에 AFP/테이프 적층. 시편을 제작해 인장 전단 테스트로 스킨-코어 본딩 평가.

슬라이드쇼 제목

사진: Sebastian Nowotny, DLR, TUM Symposium Sep 2020

하이브리드 3D 프린팅과 AFP로 제작한 쿠폰의 인장 전단 테스트. 사진: Sebastian Nowotny, DLR, TUM Symposium Sep 2020

사진: CEAD, TUM Symposium Sep 2020

복합재 생산 중 컴퓨터 단층촬영의 미래 응용. 사진: 호주 국립대학, TUM Symposium Sep 2020

레이저 AFP로 하이브리드 CFRP-금속 구조물 생성 개발 작업. 사진: 호주 국립대학, TUM Symposium Sep 2020

열적 및 전기적 전도성을 위한 그래핀 강화 프리프레그 테이프. 사진: 호주 국립대학, TUM Symposium Sep 2020

에어버스 중앙 연구기술부의 소재 책임자 크리스티안 바이머(Christian Weimer)는 연속 섬유 프린팅을 진화하는 기술 환경의 일부로 논의했는데, 이는 복합재가 미래 항공기에 자리 잡기 위해 달성해야 할 중량 감소, 비용 절감, 지속가능성 증대를 목표로 합니다. 그는 진정한 효율적 3D 복합재가 다음을 고용해야 한다고 강조했습니다:

• 적절한 원자재 및 중간재 - 섬유, 반제품
• 효율적인 공정 및 인터페이스 - AM 열가소성, 사출 성형
• 적응된 설계 및 사이징 - 일체형, 완전 3D 하중 최적화
• 표면 및 기능성 - ESN(전자 일련 번호), SHM(구조 건강 모니터링)

그는 긴급한 기후 및 환경 지속가능성 목표 달성을 위해 바이오 기반 섬유와 수지의 필요성도 논의했습니다.

TUM 심포지엄은 ANU의 작업 요약을 포함해 더 많은 발표를 다뤘으며, 모두 복합재가 어떻게 발전하고 있는지, LCC가 전 세계 파트너들과 협력해 복합재가 달성할 수 있는 것을 구상하고 우리 산업을 앞으로 밀고 나가는지 보여주는 매우 흥미로운 내용이었습니다.