이동형 서셉터, 열가소성 유도 용접에 혁신 가져와

배경

프랑스 용접 연구소(IS Groupe, 빌팽트) — 말 그대로 프랑스의 '용접 연구소' — 는 금속 용접 분야에서 100년 이상 경험을 쌓아왔으며, 이제 열가소성 복합소재 용접 분야 리더로 자리매김하고 있습니다. CW 2018년 특집 '열가소성 복합소재 용접'에서 보도된 바와 같이, IS 그룹과 그 복합소재 브랜드 컴포지트 인테그리티(Composite Integrity)는 에어버스 티어 1 공급업체 스텔리아 에어로스페이스(프랑스 툴루즈)와 '아치스 TP(Arches TP)' 데몬스트레이션 프로젝트에서 탄소섬유(CF)/폴리에테르케톤케톤(PEKK) 단방향(UD) 테이프 스트링거와 동체 스킨을 접합하는 '동적 유도 용접' 공정을 개발해 2017년 파리 에어쇼에서 공개했습니다.

"이것이 항공우주 구조 부품용 유도 용접 개발의 시작이었습니다." IS 그룹 항공우주·복합소재 디렉터 제롬 레날(Jérôme Raynal)은 설명합니다. "우리가 개발한 동적 유도 용접 공정은 성공적이었지만, 결합 계면에 서셉터(susceptor)가 없어 결합된 스트링거 반경에서의 성능과 패널 전체 가열 측면에서 몇 가지 한계가 있었습니다."

서셉터는 용접 헤드의 유도 코일에 의해 가열되는 두 피착체 사이의 용접 계면에 놓이는 소재입니다. 서셉터는 저항 가열용 전기 전도성 또는 이력 가열용 자성일 수 있으며, 용접 계면에서 매트릭스를 녹여 동시에 압착해 매우 높은 강도의 융합 접합 조인트를 만듭니다. 2000년 1월 논문 '복합소재 유도 접합 시 균일 가열을 위한 저항성 서셉터 설계'(브루스 핀크, 슈리다르 야를라가다, 존 W. (잭) 질레스피 저)에 설명된 대로, 열가소성 복합소재 유도 용접에 처음 사용된 서셉터는 금속 스크린 또는 메쉬로, 때때로 폴리머로 함침된 형태였습니다.

IS 그룹은 초기에 직면한 문제들이 더 많은 개발로 해결될 수 있다고 믿었습니다. "새로운 내부 검토 라운드를 시작했습니다." 레날은 말합니다. 여기에는 열가소성(TP) 소재 공급업체 아르케마(Arkema, 프랑스 콜롱브)와의 논의가 포함되어 개발 파트너십으로 이어졌습니다. "이제 아르케마와 혁신적 용접 솔루션(ISW, Innovative Solution for Welding)이라는 신기술을 공동 개발하고 공동 특허를 출원했습니다." 레날은 덧붙입니다.

ISW 기본 원리

"ISW의 기초는 용접 계면을 가열하기 위해 서셉터를 사용하지만, 이 서셉터가 용접 헤드에 연결된 이동형이라는 점입니다." 레날은 설명합니다. "서셉터로 용접부의 가열 구역을 완벽히 위치시킬 수 있지만, 용접 헤드와 서셉터가 이동하므로 용접 구조물 물성을 방해하는 아무것도 계면에 남지 않습니다." 초기 유도 용접에서는 금속 메쉬 서셉터가 용접부에 남았지만 이는 바람직하지 않은 것으로 간주되었습니다. 최근 기술들은 일반적인 항공우주 라미네이트의 탄소섬유가 전기 전도성이므로 서셉터를 제거할 수 있게 했습니다. 이는 탄소섬유 소재를 서셉터로 사용하는 것도 가능하게 했습니다.

ISW 솔루션의 또 다른 부분은 순수 TP 매트릭스나 저섬유량 플라이를 용접 계면에 사용해 레진 흐름을 보강하는 것입니다. 이 계면 플라이의 용융 온도와 점도는 조절 가능하며, 전기 전도성 또는 절연성을 부여해 기능화할 수도 있습니다(예: 탄소섬유와 알루미늄 또는 강철 간 갈바닉 부식 방지).

ISW 결과

"최종적으로 조인트 계수 80-90%를 달성합니다." 레날은 말합니다. 조인트 계수는 용접 강도에 해당하며 금속, 플라스틱, 복합소재에 사용됩니다. "ISW로 두 프리컨솔리데이트 플레이트를 용접한 단일 랩 시어 시험에서 오토클레이브 컨솔리데이트된 기준 플레이트 물성의 80-90%를 달성했습니다." 이 시험들은 헥스셀(미국 코네티컷주 스탬포드) 헥스토우(HEXTOW) AS7 탄소섬유와 아르케마 켑스탄(Kepstan) 7002 PEKK로 만든 UD 테이프를 사용했습니다.

레날은 ISW가 PE, PA, PEKK, PEEK 등 모든 종류의 매트릭스와 탄소, 유리, 아라미드 섬유 강화 열가소성 복합소재 용접에 사용 가능하다고 말합니다. "구리 메쉬로 낙뢰 보호(LSP)된 부품 용접도 문제없음을 보였습니다. 이는 에어로스트럭처 생산에 핵심적입니다." 그는 덧붙입니다. ISW는 6축 로봇 팔에 부착된 용접 헤드로 완전 자동화되도록 설계되었습니다.

온도 제어

위 커크/야를라가다/질레스피 논문에서 설명했듯, 자기장에 노출된 금속 메쉬 서셉터의 일반적인 문제는 용접되는 부품에서 비균일 온도 분포가 발생한다는 것입니다. "서셉터로 용접 계면만 녹여 이를 제어합니다." 레날은 설명합니다. "레이저 파이로미터로 온도를 감지하는데, 실제로 서셉터 옆면의 가장자리를 측정합니다. 따라서 계면에서의 온도를 정확히 알 수 있습니다. 또한 냉각을 사용해 온도 관리를 돕고 열가소성 소재가 용접 전체에서 충분한 결정화를 이루도록 합니다."

스텔리아 스트링거-스킨 용접 시험

에어버스 티어 1 공급업체 스텔리아(프랑스 툴루즈)는 이 유도 용접 개발의 최초 고객 중 하나입니다. IS 그룹과 아르케마는 스텔리아를 위해 7겹 CF/PEKK 스트링거를 구리 메쉬 LSP가 있는 14겹 스킨에 용접하는 특정 연구를 수행했습니다. 최종 목표는 직선 및 이중 곡률 구간을 포함해 길이 30미터 구조물 용접입니다. 부품들은 텐악스(Tenax) HST45 탄소섬유(테이진, 일본 오사카)와 켑스탄 7002 PEKK로 구성된 194 gsm UD 테이프로 제작되었습니다. 스텔리아는 오토클레이브 컨솔리데이트 기준 소재 대비 기계적 성능 >85%의 균질한 용접, 피착체의 열적/기계적 물성 열화 없음을 요구했습니다. 또한 피착체 두께 변화에 강건한 공정을 요청했습니다. 용접 부품의 화학적 물성 시험은 IS 그룹이 수행했습니다.

IS 그룹과 아르케마는 스텔리아의 요구사항을 충족시켰으며, 단일 랩 시어(SLS)와 층간 전단 강도(ILSS) 성능에서 오토클레이브 컨솔리데이트 기준 라미네이트 대비 >85%를 달성했습니다. 부품 라미네이트나 LSP 메쉬에서 언패킹이나 열화는 없었습니다. 유일하게 미달한 부분은 속도입니다. 스텔리아는 용접 속도 ≥1미터/분을 요청했습니다. "현재 0.3미터(10인치)/분입니다." 레날은 인정하며, "하지만 목표 속도를 향해 계속 노력 중입니다."라고 말합니다. 용접 가능한 기판 두께에 한계가 있나요? "항공우주 구조물에 전형적인 두께는 용접 가능하며, 5밀리미터 두께 부품을 5밀리미터 기판에 용접한 바 있습니다."

아르케마 파트너십, 기회와 과제

왜 아르케마와 협력하나요? "기술과 소재 간 관계가 있기 때문입니다." 레날은 설명합니다. "예를 들어 계면의 소재들과 그 체적 분율이 차이를 만듭니다. 우리는 공정 전문가지만 소재 파트너와 긴밀히 협력해 용접 기술을 완전히 최적화해야 했습니다. 이 공동 개발이 필요했습니다."

IS 그룹과 아르케마는 ISW 기술의 공동 소유자이며, 이미 5건의 프랑스 및 국제 특허 출원을 포함한 견고한 특허 포트폴리오로 이 기술을 보호하고 있습니다. ISW는 모든 열가소성 복합소재 매트릭스에 사용 가능하며, IS 그룹은 유럽과 미국 기업들과의 프로그램을 통해 기술을 시연하고 있습니다. 여기에는 라테코에르(Latécoère)(프랑스 툴루즈)와 콜린스 에어로스페이스 에어로스트럭처스(미국 캘리포니아주 출라 비스타)가 포함됩니다.

아르케마의 초점은 PEKK라고 레날은 말하며, 2018년 헥셀과의 전략적 제휴로 미래 항공기용 CF/열가소성 테이프 개발에 집중해 고객들에게 더 낮은 비용과 더 빠른 생산 속도를 제공한다고 언급합니다. 이 파트너십의 일환으로 프랑스에 공동 R&D 랩이 설립되고 있습니다.

1,350만 유로, 48개월 규모의 고도 자동화 통합 복합소재를 통한 적응형 구조물 구현(HAICoPAS) 프로젝트는 아르케마-헥셀 전략적 제휴의 연장입니다. 이 전면 프랑스 협력에는 IS 그룹, 맞춤 기계 설계사 인제칼(Ingecal, 샤시외), 코리올리스 컴포지츠(퀴베롱), 피네트 에미데코 인더스트리즈(샬롱 쉬르 손), 대학 연구실 컨소시엄이 포함됩니다. HAICoPAS는 복합소재 부품 생산을 위한 소재 설계와 제조를 최적화해 고속에서 경쟁력 있는 비용을 달성하는 것을 목표로 합니다. 또한 복합소재 배치/레이업의 더 생산적인 기술과 온라인 품질 관리와 함께 최종 부품을 용접으로 조립하는 새로운 시스템 개발도 목표로 합니다.

대상 응용 분야에는 항공기 1차 구조물, 자동차 산업 구조 부품, 석유 가스 산업 파이프라인이 포함됩니다. 열가소성 소재가 제공하는 재활용성과 지속가능성 이점도 이 시장에서 중요하며 HAICoPAS에서 시연되고 정량화될 것입니다.

"ISW로 제공할 수 있는 이점 중 하나는 2017년 동적 유도 용접 공정 대비 전력 소모 50% 이상 절감입니다." 레날은 지적합니다. "기존 유도 방식은 표면을 가열하기 위해 고출력이 필요합니다. 하지만 계면에 서셉터가 있으면 가열 표면이 훨씬 작아 훨씬 적은 에너지가 필요합니다." 이는 스트링거 반경에서의 디컴팩션 방지에도 도움이 됩니다. "너무 많이 가열하면 반경에서 소재가 연화되어 섬유가 움직일 수 있습니다. 따라서 용접될 기판의 접촉 구역만 완벽히 가열하고 반경은 가열하지 않아야 합니다. ISW로 이는 문제가 아닙니다."

여전히 열적 과제들은 있습니다. "평평한 형상에서는 열 제어가 단순하지만, 형상 복잡성이 증가하면 더 어려워집니다." 레날은 말합니다. "2020년 주요 목표는 개발을 지속하고 대표적 규모에서 스킨 위 스트링거 용접을 달성하는 것입니다. 초점은 또한 신규 항공기 개발 프로그램에 기술을 도입하는 것입니다."

자세한 내용은 JEC 월드 2020, 홀 5, 부스 N89 컴포지트 인테그리티에서 확인하세요.