모듈러 생산 라인, 열가소성 폴리머·복합소재를 고성능 오르가노시트 패널로 전환

세팀(Cetim, 프랑스 낭트)은 이미 1분 미만 사이클 타임으로 열가소성 복합소재 부품을 산업화 생산하는 QSP(Quilted Stratum Process)와, 생산 스크랩을 부품에 재사용하는 방법을 포함해 이런 부품을 최적화하는 QSD(Quilted Stratum Design) 소프트웨어로 잘 알려져 있습니다. 세 번째 핵심 기술은 열가소성 스크랩(섬유 강화 유무 불문)을 바람직한 물성과 비용을 가진 오르가노시트 패널로 전환하는 모듈러 생산 라인입니다.

세팀 그랑 에스트의 파일럿 라인

이 열가소성 복합소재 재활용 공정은 세팀 그랑 에스트(프랑스 뮐루즈)에서 개발되었습니다. 1977년 세팀 서마트(Cetim Cermat)로 설립되어 2018년 CRITT 마테리오 알자스와 합병해 프랑스 알자스 로렌 및 샴페인 아르덴 지역 기업들에 기술 지원을 제공합니다. "세팀 그랑 에스트는 폴리머와 열가소성 복합소재 재활용 기술을 담당합니다."라고 세팀 그랑 에스트의 뮐루즈 기반 '미래 산업' 팀 사업부 매니저 클레망 칼렌스(Clément Callens)는 설명합니다. 열가소성 공정과 온라인 모니터링 프로젝트를 포함합니다. "이 부서에 15명이 근무하며 대학들과 다양한 산업 분야 기업들과 협력해 학제간 팀을 구성해 어려운 문제들을 해결합니다."

"뮐루즈에 구축한 파일럿 생산 라인은 이 혁신적인 열가소성 복합소재 생산 스크랩 재활용 열역학적 공정이 가능함을 세상에 보이기 위해 개발되었습니다." 칼렌스는 계속합니다. "이 라인은 QSP와 철학이 유사합니다: 효율적이고 비용 효과적으로 기술을 활용할 수 있는 자동화되고 유연하며 모듈러한 시스템입니다. 우리는 낭트의 QSP 라인이나 다른 고객들로부터 스크랩을 받아 다양한 오르가노시트 소재와 패널로 업사이클링하며, 기존 소재와 기존 재활용 복합소재보다 높은 성능을 위해 복합소재의 무결성을 유지하는 것을 목표로 합니다."

테르모자이크(Thermosaïc)와 서모프라임(ThermoPRIME)

이 라인은 테르모자이크와 서모프라임 두 가지 별도 접근법을 결합합니다.

테르모자이크는 커팅과 트리밍(또는 수명 종료 부품)에서 발생한 열가소성 복합소재 생산 스크랩을 거칠게 파쇄한 후 열역학적 공정으로 오르가노시트로 변환합니다. "우리는 이를 복합소재 구조 패널이라고 부르지만, 기본적으로 오르가노시트와 같습니다." 칼렌스는 말합니다. 오르가노시트라는 용어는 유럽에서 열성형 및 오버몰딩으로 복합소재 부품으로 만들 수 있는 직물 강화 열가소성 프리프레그, 세미프레그, 사전 통합 블랭크를 설명하기 위해 진화했습니다. 테르모자이크 제품은 준등방성이며, 섬유 길이를 가능한 한 길게 유지해 기계적 물성을 극대화합니다. "단섬유 시트와 클래식 오르가노시트 중간에 위치합니다." 칼렌스는 말합니다. "기술의 목표는 파쇄 크기와 패널 물성 사이의 좋은 타협점을 찾는 것입니다. 성능을 비용과 항상 연계해야 하기 때문입니다. 공정은 유연하고 비용 효과적이어야 하며, 버진 소재보다 저렴해야 합니다."

"같은 공정 라인으로 서모프라임 구조 패널도 만듭니다." 그는 설명합니다. "기본 개념은 같지만, 이 접근법에서는 강화되지 않은 열가소성 스크랩이나 수명 종료 부품을 필름으로 재활용한 것에서 시작합니다. 서로 다른 소재로 만든 필름들은 이미 시장에 나와 있습니다. 우리는 여기에 버진, 천연, 재활용 또는 기타 건식 연속 섬유를 추가해 버진 소재와 같은 물성을 가지지만 더 저렴한 오르가노시트를 생산합니다. 섬유 함침은 연속 공정을 사용해 클래식 오르가노시트의 배치 공정보다 저렴합니다."

시연, 비용 절감, 공급망

현재까지 시연 결과 PEEK(폴리에테르에테르케톤)나 PPS(폴리페닐렌 설파이드) 같은 고성능 열가소성 수지에서 PP(폴리프로필렌) 같은 저가 버진 소재보다 더 큰 비용 절감과 높은 성능이 입증되었습니다. 이 폴리머들 외에도 칼렌스 팀은 PA6(폴리아미드6)를 가공하고 다양한 유리섬유 강화 폴리머 재활용 제품을 개발했으며, 포르셰(Porcher, 프랑스 에클로즈-바디니에르) 같은 기업들과 협력해 테르모자이크와 서모프라임 패널을 생산했습니다. 팀은 재활용 탄소섬유 강화 폴리머 패널도 연구 중입니다.

재활용 공급망이 어떻게 발전할 것으로 보나요? "현재 이 기술을 산업계에 이전하기 위해 티어 1 공급업체들과 소재 제조업체들과 협력 중입니다." 칼렌스는 말합니다. "세팀 그랑 에스트는 업계와 협력해 개념 증명과 타당성 연구를 완료하고 있습니다. 또한 기계 제조업체 파트너와 협력해 고객의 특정 니즈에 맞춰 라인을 조정하고, 고객과 협력해 최적의 생산 모듈과 파라미터를 정의하는 일을 돕고 있습니다."

테르모자이크와 서모프라임은 JEC 월드 2018에서 지속가능한 개발 혁신상을 수상했습니다. 클레망 칼렌스는 5월 12일 JEC 월드 2020(프랑스 파리)에서 이 기술에 대한 추가 세부 사항을 발표할 예정입니다.