재활용 열가소성 복합재 패널, 벨 V-280 발러 비행 시험 통과

GKN 에어로스페이스(영국 레디치)는 2020년 6월 벨 플라이트(Bell Flight, 미국 텍사스주 포트워스)의 V-280 발러(Valor) 군용 로터크래프트 비행 시험 성공으로 자사의 여러 열가소성 복합재(TPC) 부품이 비행했음을 보고했다. 이 중에는 TPC-사이클(TPC-Cycle) 프로그램을 통해 재활용 폐자재로 제조된 두 개의 일체형 보강 압축 성형 열가소성 복합재 접근 패널 도어가 포함된다. 이 프로그램은 열가소성 복합재 응용 센터(TPAC, 네덜란드 엔스헤데)와 색시온 대학(Saxion University, 네덜란드 엔스헤데)이 주도했다(CW의 4년간 TPC-사이클 프로그램 이전 보도 참조).

새로운 재활용 패널 도어는 핸드 레이업으로 제조된 탄소섬유/에폭시 부품을 대체하도록 설계되었으며, 부품 중량 감소와 제조 비용 및 사이클 타임 단축이 목표였다. 새 부품은 GKN 에어로스페이스가 설계 및 테스트했고, TPAC가 열가소성 복합재 연구센터(TPRC, 네덜란드 엔스헤데)와 협력해 제조했다. 접근 패널 도어는 로터크래프트의 TPC V-테일 엠페나지 부품 생산 중 발생한 통합 폐기물에서 회수한 도레이 어드밴스드 컴포지츠(네덜란드 네이베르달) 탄소섬유 강화 폴리페닐렌 설파이드(PPS)로 구성된다. V-테일 엠페나지 부품도 GKN 에어로스페이스가 설계 및 제조했다.

TPAC의 독자적인 재제조 공정은 세 가지 주요 단계로 이루어진다: 센티미터 길이 플레이크로 파쇄, 동시 가열 및 저전단 혼합, 등온 금형에서 압축 성형.

프로젝트 파트너들에 따르면 데몬스트레이터 부품은 열가소성 소재의 가공성 덕분에 스트링거 통합으로 기하학적 보강이 가능해 원본 부품 대비 9% 중량 절감을 달성했다. 스트링거 방향은 응력을 제품 전체에 더 균일하게 분산시키도록 선택되어 소재 절감과 중량 절감으로 이어졌다. 회수 소재 사용으로 소재 최적화도 달성해 전체 폐기물을 줄였다.

신소재 비용이 제거되어 상당한 생산 비용 절감을 달성했다. 또한 기존 공정은 핸드 레이업과 오토클레이브가 필요했으나, 오토클레이브 외(OOA) 압축 성형 공정은 등온 금형, 빠른 탈형, 넷셰이프에 가까운 제조로 비용 효율성과 전체 제조 사이클 타임을 극대화했다.

"현재 프로젝트는 전체 가치 사슬을 아우르는 응용 연구가 최초 아이디어부터 산업적으로 실행 가능하고 테스트된 제품을 기록적 시간 내에 이끌어내는 역할을 강조합니다."라고 TPAC 과학 디렉터 페리 반 하텀(Ferrie van Hattum)은 말했다.

중량과 비용 절감 목표 달성 외에도, 이 응용과 공정은 더 지속 가능한 제조로의 진전을 보여준다. 색시온과 TPAC가 수행 중인 생애주기 분석(LCA) 예비 결과에 따르면 이 소재, 제조 공정(주로 부품의 낮은 중량 덕분), 재활용 소재 사용, OOA 공정의 등온 금형 사용으로 상당한 CO₂ 감축이 나타났다. 프로젝트 파트너들에 따르면 회수 섬유 적용으로 신소재 생산 CO₂ 배출이 감소하고 부품의 바이-투-플라이(buy-to-fly) 비율이 크게 향상되었다. 파쇄, 혼합, 압축 성형 단계도 이전 열경화성 복합재 생산 공정의 오토클레이브를 제거해 에너지 소비를 줄인다고 한다. 열가소성 복합재는 열경화성 기반 복합재 대비 가공 중 유해 VOC를 거의 발생시키지 않는다.

TPAC는 이 응용에 사용된 제조 공정이 다른 비구조 항공우주 제품에도 유망한 솔루션으로 보이며, 짧은 사이클 타임으로 더 높은 처리량이 필요한 최종 시장에도 적용 가능할 것이라고 밝혔다. 양산용 생산 공정 평가, 심층 비용 및 환경 영향, 품질 관리 및 검사 영향에 대한 작업이 진행 중이다. 타당성 연구도 실행 중으로, 적용 접근법과 재활용 경로를 페어링, 커버, 시스템 브래킷 등 다른 항공우주 응용 분야에 적용할 수 있는지 평가한다.

추가 TPC-사이클 프로젝트 파트너로는 니도 리사이클링테크놀로지(Nido Recyclingtechnologie, 네덜란드 네이베르달), 카토 컴포지츠(Cato Composites, 네덜란드 레덴), 더치 서모플라스틱 컴포넌츠(Dutch Thermoplastic Components, 네덜란드 알메레), 열가소성 복합재 연구센터(TPRC), 레히오르간 SIA(네덜란드 과학 연구 기구 NWO, 네덜란드 헤이그 소속) 등이 있다.