CETMA: 이탈리아 최고의 복합재 R&D 및 혁신 허브

1994년 설립된 유럽 기술, 디자인, 소재 연구 센터(CETMA, 이탈리아 브린디시)는 4,000m² 시설과 75명 직원을 갖춘 이탈리아 최대 독립 연구 기술 기관 중 하나다. 20년 이상 복합재에 강력히 투자해온 CETMA는 광범위한 전문성을 보유하고 있다:

• 부품 설계 및 프로토타이핑
• 신규 복합 공정
• 복합재 및 플라스틱 재활용 공정
• 비용, 지속가능성, 속도 등 공정 최적화
• 실시간 공정 모니터링
• 비파괴 시험(NDT)
• 생산 및 서비스 중 실시간 및 원격 구조 건전성 모니터링(SHM)
• REACH 컨설팅
• 열가소성 스탬핑, 연속 압축 성형(CCM), 프리프레그 압축 성형(PCM)
• 액체 주입, 수지 전이 성형(RTM), 동일 자격 RTM(SQRTM)
• 비오토클레이브(OOA) 프리프레그
• 유도 용접

CETMA의 주요 목표는 기업과 혁신 지원이다. 4개 주요 연구실로 서비스되며, CETMA 복합재 활동은 첨단 소재 및 공정(AMP) 부서 내 4개 영역으로 구성된다:

• 소재 및 특성화
• 기술 및 공정
• 모델링 및 시뮬레이션
• 진단 및 구조 건전성 모니터링

AMP는 소재, 항공, 토목, 화학 엔지니어, 화학자, 소재 과학자, 건축가, 다수 기술자 등 30명 직원을 고용하며 다학제 팀을 믿는다.

열가소성 복합재 강점

"우리는 복합재 전반에 걸친 서비스를 제공하지만, 열가소성 소재 활동이 현재 우선순위 영역 중 하나다"라고 CETMA AMP 부서장 알레산드라 파사로는 말한다. "모든 종류의 열가소성 매트릭스 폴리머가 우리 연구실에서 가공되었다. 2004년 트윈텍스 혼방 섬유로 시작했고 약 15년 전 단순 프레스로 압축 성형을 시작했다. 이제 특허받은 연속 압축 성형(CCM)과 유도 용접 기술을 개발했다. 이 공정들에 사용 가능한 모든 열가소성 복합 소재를 분석했다."

CCM 라인은 PPS, PEEK, PEKK, PAEK로 일정 단면 부품을 제조할 수 있다. 하지만 CETMA 공정이 XELIS(독일 마르크도르프)나 ATC 매뉴팩처링(미국 아이다호주 포스트 폴스) 같은 회사들과 어떻게 다른가? (CW 기사 "항공우주급 압축 성형" 및 "항공우주 열가소성 복합재 가속화" 참조.) 파사로는 "우리가 사용하는 금형 설계에 몇 가지 구체적 세부 사항이 있다. 우리 기술은 사용 가능한 형상과 매트릭스 소재 측면에서 더 유연하다. 여전히 개발 중이다. 특허받았지만 일부 측면은 독점적이다. CETMA가 CCM을 추구한 이유는 아니다. '연속 열가소성 복합 공정의 증가된 사용과 필요성을 보았다'고 파사로는 말한다. 'XELIS는 제품 회사이지 기계 공급업체가 아니다. 우리는 독립 R&D 기관이므로 다른 관점에서 기술에 투자하고 개발한다.'"

이 예로는 금형 내 온도 분포 분석을 위한 광범위한 공정 시뮬레이션이 있다. "시뮬레이션 결과로 소재 내 시간 경과에 따른 온도 변화의 완전한 그림을 얻을 수 있다"며 "이는 한 측면에서 인라인으로 모니터링하기 매우 어렵지만 복합재 결함 최소화에 필수적이다."

조립을 위한 유도 용접

CETMA 열가소성 복합재 전문성의 또 다른 핵심은 특허받은 유도 용접 기술로, 제어 시스템과 냉각으로 용접선 내 열을 유지한다. CETMA는 파트너 유레카트(스페인 바르셀로나)와 클린 스카이 2 KEELBEMAN 프로젝트에서 CCM 프로파일과 플레이트를 열가소성 복합 킬 빔으로 조립하는 데 이 기술을 사용했다. 2020년 1월 블로그 "클린 스카이 2를 위한 열가소성 복합재와 RTM 발전..."에 이 프로젝트와 CETMA 용접 상세 내용이 있다.

"우리는 두 유형의 유도 용접 시스템을 개발했다"고 파사로는 말한다. "하나는 평면용 고정 기계, 다른 하나는 복잡한 3D 형상용 로봇 기반이다. 둘 다 용접선에 추가 소재 없이 산업 규모 연속 용접을 가능하게 하며 조립에서 매우 높은 접착 성능을 제공한다."

CETMA는 탄소 섬유 우븐 패브릭과 단방향(UD) 테이프로 만든 복합 라미네이트와 PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12, 하이브리드 열경화성 에폭시/PVB(폴리비닐 부티랄) 열가소성 시스템 등 다양한 매트릭스 소재에 유도 용접을 시연했다.

컴퓨터 모델링과 시뮬레이션 전문성을 유도 용접 공정에도 적용했다. "이를 통해 용접 중 결합 영역 온도 변화를 예측할 수 있어 공정 파라미터 최적화에 근본적인 도움이 된다"고 파사로는 말한다.

클린 스카이 2 및 복합재 R&D 프로젝트

KEELBEMAN 외에도 CETMA AMP 부서는 현재 다른 4개 클린 스카이 2 프로젝트에 참여 중이다.

TRINITI - 항공기용 다중 소재 열가소성 고압 질소 탱크 (JTI-CS2-CFP09-2018-02). 2019년 시작된 2년 프로젝트로 소방용 장기 질소 저장을 위한 항공기 탱크 프로토타입 제작 목표. 딜 아비에이션(독일 길힝 및 드레스덴)이 토픽 매니저. 파트너로 항공우주 R&D 연구소 노보테크 s.r.l.(이탈리아 나폴리), 복합재 시험 연구소(아일랜드 골웨이 인버린) 포함. 프로젝트는 공압출로 다층 다기능 라이너/라미네이트 형성, 레이저 지원 자동 섬유 배치(AFP) 활용 현장 통합(ISC)으로 다중 소재 열가소성 복합 탱크 제조 목표. 목표 중 하나는 극저온 환경에서 미세 크랙 감소 또는 제거. 현재 CETMA는 항공우주 압력 용기 요건 충족 가능한 모든 열가소성 소재 식별 작업 중.

SPARE - 지역 항공기 동체 배럴 지상 실증기용 혁신적 복합재 승객 및 화물 플로어 그리드 풀스케일 (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). 2018년 10월 시작된 18개월 프로젝트로 탄소 섬유 강화 열가소성(TP) 복합재로 풀스케일 승객 및 화물 플로어 그리드 제조 목표. 고도로 자동화된 생산은 점진적 롤 포밍과 조립용 유도 용접 포함. 목표는 전통적 금속 및 열경화성 복합 솔루션 대비 중량 및 반복 비용 절감. 복합 플로어 그리드는 클린 스카이 2 지역 항공기 동체 실증기에 조립되어 지상 테스트 및 기술적/경제적 영향, FAR 25.583 규정 내화 성능 평가. 토픽 리더 레오나르도, CETMA가 기계 제조사 OMI S.r.l.(이탈리아 포글리아노 레디푸글리아)과 협력하여 프로젝트 코디네이션.

CETMA가 개발한 적외선 열화상(IRT)을 유도 용접 열가소성 복합 스킨-스트링거 어셈블리(위) 및 해당 어셈블리 테스트(아래) 등 다양한 공정에 적용했습니다.

SPARE에 대한 CETMA 주요 기여 중 하나는 점진적 롤 포밍 인라인 모니터링용 적외선 열화상(IRT) 개발이다. 이 공정은 TP 복합 라미네이트 롤을 압축 및 가열하여 소재 공정 온도, 복잡한 형상, 설계 두께에 도달시킨다. "그러나 최내층 플라이가 매트릭스 완전 용융과 통합을 경험하도록 보장하는 것이 중요하다"고 파사로는 설명한다. "또한 폴리머 열화 없이 용융을 보장하는 좁은 온도 윈도우가 있다. IRT는 비접촉 방식으로 고정밀도로 부품 표면 전체 복사 열에너지를 측정한다."

CETMA는 폐쇄 장비 내부를 보기 위해 아연 셀레늄(ZnSe) 윈도우를 사용했다. IR파에 투명하며 500°C까지 작동한다. SPARE 프로젝트 점진적 롤포밍 라인에 IRT 카메라가 수직 시야로 위에 매달린 두 개 윈도우가 설치되었다. 편집 가능 제어 소프트웨어로 정의된 목표 범위 밖 값 감시, 기록, 알람 가능.

프로파일 단면 재료 온도 균일성은 두 한계점에서 평가 - 라인 1은 가열 단계 근접, 라인 2는 성형 공정 더 진행. 각각 3단계로 분할(그림 19): 초기 단계(1단계), 성형 공정 시작(2단계), 감속 성형(3단계). IRT는 라미네이트 외부 에지 온도가 중앙 영역보다 낮아 불균일 가열과 기계적 특성 초래함을 보였다. IRT 기록 표면 온도 3D 표현(그림 20)이 온도 분포 이해에 시각적 도움 제공.

TOD - 도어용 열가소성 (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD는 지역 항공기용 풀스케일 열가소성 복합 도어(동체 서브구조 포함) 신속 생산 및 조립 개발 및 검증 목표. TOD는 클린 스카이 2 지역 항공기 IADP(혁신적 항공기 실증 플랫폼) 일부로, 클린 스카이 1단계 그린 지역 항공기 ITD(혁신 기술 실증기)에서 개발된 기술 통합을 두 비행 시험대와 세 대형 통합 지상 실증기로 더 높은 복잡성과 성숙도 수준으로 끌어올린다. 레오나르도 주도, CETMA가 프로젝트 파트너 용접 연구소(TWI, 영국 케임브리지) 및 항공우주 1차 공급업체/엔지니어링/산업화 기업 DEMA(이탈리아 소마 베수비아나 디자인 매뉴팩처링 SpA)와 협력.

제안 접근법에는 부품 제작용 열성형 최적화 및 검증, 유도 용접(IW) 및 저항 임플란트 용접(RIW) 같은 기계적 체결 제거로 중량 감소 가능 조립 공정 포함. TOD는 인더스트리 4.0 자동화와 인라인 모니터링 발전으로 고속 고품질 부품(제로 결함) 생산과 견고한 공정 제어 지원. 기대 효과:

• 최소 15% 중량 감소
• 센서와 인라인 모니터링으로 폐기물 및 스크랩 10% 감소
• 표준 오토클레이브 공정 대비 최대 75% 에너지 절감
• 적응형 스마트 제조로 반복 비용 절감(유연성 증가, 풀라인 툴 비용 감소)
• 제조 중 CO2 배출 개선 및 경량 항공기 운용

CETMA는 다수 다른 개발 프로젝트에도 참여 중. 예로 NHYTE(OOA 연속 자동 기술로 제조된 다기능 하이브리드 열가소성 복합 항공우주 구조물 신규 하이브리드 열가소성 복합 항공우주 구조물)가 있다. 이는 다기능 능력을 가진 하이브리드 열가소성 매트릭스 소재 혁신적 통합 항공우주 구조물 시연 목표.

호라이즌 2020 프로그램 지원, NOVOTECH(이탈리아 나폴리) 주도, NHYTE는 2018년 9월 시작 2020년 1월 종료 예정. 고성능 하이브리드 소재는 상용 탄소 섬유/PEEK 프리프레그에 비정질 PEI 필름 추가로 자동 섬유 배치 현장 통합(ISC AFP) 가능하게 하고 CETMA 특허 유도 용접 기술로 조립. CETMA는 하이브리드 복합 소재와 유도 용접 공정 설정의 물성-기계적 및 가상 테스트 포함 광범위한 특성화 캠페인 완료.

탄소 섬유 재활용

CETMA 또 다른 핵심 영역은 재활용. CIRCE 프로젝트는 복합 부품 제조 중 발생하는 프리프레그 스크랩을 압축 성형 컴파운드로 재활용하여 안전화 발가락 삽입물 성형에 사용하는 것 목표. CETMA는 이 2차 원료 특성화하고 신발 삽입물 구조 성능 예측 수치 모델 개발. 이 모델은 안전 규정 충족 위해 충격 거동 분석 및 검증에 도움, 결과로 발가락 삽입물 설계 개선 및 최종화. 이탈리아 프로젝트 팀에는 베이스 프로텍션(바를레타), 복합 모터스포츠/자동차 부품 제조사 HP 컴포지츠(아스콜리 피체노), 기계 및 생산 라인 전문 엘크스 그룹(아스콜리 피체노), 페트로세라믹스(스테짜노) 포함.

아마도 CETMA 재활용 최대 투자는 REVALUE 프로젝트일 것 - 고부가가치 복합재용 재활용 탄소 섬유. 유럽 혁신 기술 연구소(EIT, 헝가리 부다페스트) 지원, REVALUE 프로젝트 목표는 주요 생산자 ELG 카본 파이버(영국 코슬리)가 열분해로 제공한 재활용 탄소 섬유(RCF)를 버진 및 재활용 열가소성 폴리머와 결합하여 센트로 리체르체 피아트(CRF, 이탈리아 토리노) 선택 자동차 부품 생산용 현재 소재 대체.

그러나 2020년 1~2월 JEC Composites magazine 기사 "재활용 탄소 섬유용 새로운 사이징 제형" 알레산드라 파사로 외에 따르면, 열분해 생산 RCF는 사이징이 없어 부서지기 쉬운 섬유가 취급 중 빈번히 끊어지고 섬유 토우가 필라멘트로 분리되어 낮은 벌크 밀도의 엉킨 '플러피' 형태가 된다. REVALUE 일환으로 CETMA는 버진 또는 재활용 폴리프로필렌(PP) 및 PA6와 호환되는 RCF 전용 사이징 제형 개발. 사이징의 RCF 가공성 개선과 선택된 열가소성 매트릭스와의 계면 향상 능력 평가.

이를 위해 CETMA는 RCF 사이징 파일럿 플랜트 개발, 킬로그램 단위 사이징 적용과 동시에 증착 공정 주요 파라미터 효과 평가. 플랜트는 세 메인 스테이션: 사이징 처리 및 섬유 세척; 처리 전후 건식 섬유 취급; 오븐 건조 섬유. 연속 사이클로 일일 4kg RCF 처리 가능.

CETMA 사이징 RCF는 프랑스 연구소 CEA와 프랑스 컴파운더 수에즈가 버진 및 재활용 열가소성 폴리머로 성형 컴파운드 생산에 사용. 물리화학적 특성화 완료, CETMA 사이징의 최종 복합 기계적 성능 개선 능력 검증.

혁신적 RCF 성형 컴파운드는 현재 유리 섬유 강화 PP 또는 PA6로 제작되는 자동차 반구조 부품 사출 성형에 사용. 소재 재활용 및 재사용 명백한 이점 외 차량 중량, 연료 소비, CO2 배출 감소도 시연.

REVALUE 외 CETMA는 압축 성형, 진공 주입, RTM 등 다수 복합 공정용 RCF 사이징 추가 개발 및 평가, 모든 경우 개선된 특성 보임.

구조 건전성 모니터링(SHM)

CETMA 복합재 활동 마지막 핵심 영역은 업계에서 증가하는 강조점이기도 하다. "건설 및 빌딩 응용 분야 SHM 적용에 다년 경험이 있다"며 "복합재 SHM 작업도 많이 했다. 이것이 미래 응용에 중요할 것임을 알며 복합재 제조업체와 산업과 협력해 이 기술 발전에 계속 관심 있다"고 파사로는 말한다.