자동차 설계 혁신: 최초의 곡선 풀트루전 부품

풀트루전은 열경화성 복합재의 가장 오래된 성형 공정 중 하나로 최초의 연속 섬유 열경화성 성형 공정으로 알려져 있다. 오늘날 유틸리티 폴, 창틀, 사다리, 철근, 풍력 터빈 부품 등 다양한 제품을 생산하는 데 사용된다. 자동화가 쉽고 노동력이 적게 들며, 상당히 큰 고구조 부품을 합리적인 비용과 속도로 생산할 수 있다. 기존 풀트루전은 다이스를 통과할 수 있는 거의 모든 형상의 프로파일(중공 또는 솔리드, 대칭 또는 비대칭)을 생산할 수 있다. 그러나 단면/두께가 일정해야 한다. 또한 열가소성 압출이나 금속 튜브/파이프 압출과 달리 - 생산 중 또는 완제품 후 압력과 열을 가해 새로운 형상으로 구부릴 수 있는 - 풀트루전으로 직선 프로파일 외 다른 것을 생산하기는 어려웠다. 이는 특히 자동차 같은 대량 생산 분야에서 풀트루전 사용을 제한했는데, 자동차에는 좋은 후보가 될 만한 직선 빔이 많지 않기 때문이다.

독일의 토마스 GmbH + Co. 테크닉 + 이노베이션 KG(TTI, 브레머뵈르데)가 기존 풀트루전 한계를 극복하는 특허 공정을 개발하면서 변화가 시작되고 있다. 사실 최초의 곡선 풀트루전 자동차 부품이 제너럴 모터스(미국 미시간주 디트로이트)의 2020년 쉐보레 콜벳 스포츠카 출시와 함께 상업 생산에 들어갔다(콜벳 풀트루전 리어 범퍼 빔 전체 특집 참조). 1차 공급업체 셰이프 코퍼레이션(미국 미시간주 그랜드 헤이븐)이 TTI의 반경 풀트루전 이동 금형 공정을 사용하여 탄소 섬유 강화 폴리우레탄-아크릴레이트로 차량용 곡선 리어 범퍼 빔을 생산한다.

이것이 큰 이유다.

이동식 vs 고정식

기존 선형 풀트루전에서는 왕복 풀링 시스템(그리퍼 포함)을 사용하여 건식 보강재를 크릴에서 끌어내 액체 열경화성 수지로 함침하는 욕조를 통과시킨다. 다음으로 함침된 보강재를 고정 가열 다이스에 끌어들여 프로파일을 성형하고 완전 경화한다. 다이스를 나오면 이동 프로파일이 냉각(풀오프 유닛에 의해 계속 끌어당겨짐)되고 길이대로 절단되어 포장된다.

초기에는 섬유 보강재가 엄격하게 단방향 로빙으로 제한되었다 - 즉, 풀링 축을 기준으로 0도 방향의 연속 유리, 탄소 또는 기타 섬유. 그러나 시간이 지나면서 다양한 다축 패브릭(직물과 논크림프 패브릭(NCF) 모두)이 풀트루전 프로파일에 통합되어 섬유 왜곡/이동 없이 다양한 섬유 배향을 가능하게 했다. 거의 모든 열경화성 수지 시스템을 풀트루전에서 보강재 함침에 사용할 수 있지만, 상당수 응용 분야에서 폴리우레탄을 사용한다. 최근 수십 년간 풀트루전은 프리폴리머화된 열가소성 수지 사용도 허용하도록 수정되었다.

기존 풀트루전의 많은 특징이 TTI의 반경 풀트루전 공정에서 뒤집혔지만, 가장 중요한 점은 반경 풀트루전에서 다이스가 고정되지 않고 이동하며 소재를 끌어당겨 일정한 단면의 선형 프로파일 또는 지속적으로 곡선 프로파일을 생성한다는 것이다.

다이스(또는 다이즈 시리즈)는 프로파일 위로 왕복하며 양쪽이 트랙을 따라 전진하면서 소재를 성형하고 경화한다(이 경우 프로파일은 단일 방향으로 이동하고 다이스는 양방향으로 이동). 선형 단면 생산 시 금형과 프로파일 모두 트랙의 직선 구간을 따라 이동하며, 곡선 단면 생산 시 금형과 프로파일이 트랙의 곡선 구간을 따라 이동한다.

"이 기술에서 다이스는 왕복 풀러를 효과적으로 대체하며, 이는 여닫히지만 그 외에는 이동하지 않는 고정 그리퍼로 대체된다"고 TTI 영업 책임자 세바스찬 메르텐스는 설명한다. "그리퍼는 경화 프로파일이 지정된 길이에 도달하여 절단 준비가 되면 닫혀 경화 프로파일을 지지하지만, 그 외에는 열려 프로파일이 절단 유닛으로 이동하도록 한다." 뜨거운 소재에서 섬유 풀아웃 위험을 줄이기 위해 가열 다이스는 크롬 도금된다.

또한 이 소형 시스템은 배송이 훨씬 쉽고 지게차로 이동 가능하며 기존 라인보다 설치가 빠르고 플랜트 바닥 면적을 훨씬 적게 차지한다. "일부 응용 분야에서 흥미로운 이점이 될 수 있다"고 메르텐스는 말한다. "예를 들어 기계는 교량 보수 현장 근처에 설치되어 필요에 따라 구조 요소를 생산할 수 있다. 또는 신규 고속도로 건설 시 현장에 설치되어 맞춤 길이로 절단된 철근을 현장에서 생산할 수 있다." 풀큐브의 또 다른 장점은 작업자 안전이다. 유닛이 완전히 밀폐되어 있어 작업자가 뜨거운 금형 표면에 화상을 입거나 그리퍼에 끼이거나 톱에 베일 위험이 없다.