헥시온, RTM용 신규 2액형 에폭시로 항공구조물 생산 가속화

이는 CAMX 2019(9월 23~26일, 애너하임, 캘리포니아, 미국)에서 확인해야 할 기술들에 대한 내 블로그 시리즈 세 번째입니다. 헥시온(Hexion, 콜럼버스, 오하이오, 미국)은 자사 에피코트(Epikote) 시스템 600 에폭시 레진 기반으로 항공구조물용 RTM(레진 트랜스퍼 몰딩) 2액형(2K) 시스템을 개발했습니다. 아래 소개에서 이 개발이 왜 중요한지 설명하고, 이 새로운 2K 시스템과 헥시온이 항공우주 OEM들의 혼합 레진 현장 품질 보증 요구를 어떻게 충족하는지 자세히 다룹니다. 마지막에는 헥시온의 인퓨전/RTM용 2액형 난연 에폭시도 논의합니다.

왜 RTM에 2K 레진인가?

올해 초 알펙스 테크놀로지스(Alpex Technologies, 밀스, 오스트리아)와 에어버스 자회사 복합소재 기술 센터(CTC, 슈타데, 독일)가 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM)으로 복합소재 항공기 부품 생산 프로그램을 진행 중인 것을 다뤘습니다. 항공우주 분야 RTM 활용은 새로운 것이 아닙니다. 다양한 항공기 부품이 RTM으로 제작되어 왔습니다:

• 걸프스트림 G250 비즈니스 제트 러더(이스라엘 항공우주 산업 & 노스 코스트 컴포지츠)
• LEAP 터보팬 항공기 엔진 블레이드 및 팬 케이스(알바니 엔지니어드 컴포지츠)
• A350 도어 프레임(에어버스 헬리콥터스 도나우뵈르트)
• 데모용 A350 여객 도어(엘빗 사이클론)
• 데모용 A320 멀티스파 플랩(에어버스 브레멘)
• 매트릭스 컴포지츠, F-22용 6,000개 이상 부품 RTM으로 생산

그러나 항공우주 애플리케이션에서 RTM은 전통적으로 저압 공정으로 사이클 타임이 수 시간 단위였습니다. 알펙스와 CTC 프로그램은 고압 RTM(HP-RTM)이 제공하는 자동화, 고속 주입, 15~20분 사이클 타임 활용에 초점을 맞춥니다. 내 기사 "비용 효율적 CFRP 항공구조물 양산을 위한 HP-RTM"에서 2액형(2K) 에폭시 레진과 현재 표준인 프리믹스 1액형(1K) 시스템 사용 이슈를 논의했습니다:

"실러[얀 실러(Jan Schiller), CTC 생산 시스템 프로젝트 리더 겸 RTM 기술 리드 연락관]는 이전 모든 RTM 항공구조물이 공급업체에서 혼합된 1K 시스템만 사용했음을 지적합니다. 공급업체가 혼합물을 인증하고 레진이 인증 요건을 충족하도록 책임집니다. '이제 2K 시스템을 고려 중이지만 혼합 품질 보장이 과제입니다.'라고 설명합니다. 프리믹스 1K 시스템은 부품 가공까지 반응 방지를 위해 냉장 선적 및 보관이 필요합니다. 따라서 2K 시스템 장점은 이 비용 제거와 더 높은 반응성으로 더 빠른 가공 가능입니다."

"하지만 품질 보증(QA)이 레진 공급업체에서 부품 제조업체로 이전되는 이슈가 있습니다. '이 QA는 혼합 비율 탐지 및 혼합 레진 품질 둘 다 필요합니다. 둘 다 에어버스 신소재 인증에 필요합니다. 즉, 혼합 직전 두 성분 측정 및 혼합 후 레진 측정이 필요합니다. 현재 믹스 헤드 전 센서만 있어 얼마나 많은 레진과 경화제가 계량되는지만 보여줍니다. 이는 인증에 충분하지 않습니다."

자동차 복합소재용 고속 경화 에폭시 개발 선도 기업 헥시온(컬럼버스, 오하이오, 미국)(참조: "HP-RTM의 부상")은 2019년 3월 자사 에피코트 시스템 600 에폭시 레진 기반 항공구조물용 RTM 2K 시스템 개발을 발표했습니다. 헥시온 에폭시 글로벌 항공우주 세그먼트 리더 장 리비에르(Jean Rivière)와 인터뷰해 2K 시스템과 혼합 레진 현장 QA 대응 방안을 알아봤습니다.

1K 시스템 한계 극복

"프리프레그처럼 RTM 및 인퓨전용 항공우주 1K 시스템도 냉장 보관해야 하고 유통기한이 제한됩니다."라고 리비에르는 말합니다. "2액형(2K) 에폭시 시스템을 사용하면 이런 제약이 사라집니다. 풍력 블레이드와 자동차 구조물 제조에 2K와 고반응성 에폭시 레진이 사용되는 것을 보았습니다. 항공우주에서는 왜 안 될까요?"

리비에르는 많은 고객과 대화 후 주요 우려사항을 파악했습니다. "몰드 주입 전 언제든 혼합 비율이 올바른지 검증이 필요합니다. 이것이 없으면 부품 제조업체에 용납할 수 없는 리스크가 있습니다."라고 그는 지적합니다. 이전에는 풍력 블레이드와 자동차에서 볼 수 있는 생산 볼륨에 대한 수요가 없었습니다. 하지만 이제 에어버스와 보잉은 현재 생산률을 초과하면서 항공기당 더 많은 복합소재 부품을 목표로 합니다. "그래서 이제 프리프레그 레이업에서 벗어나 항공우주 RTM 또는 인퓨전용 2K 에폭시로 이동할 필요가 생겼습니다."라고 리비에르는 말합니다.

아래 공급망 다이어그램에서 보듯 2K 기술은 냉장 보관 및 재가열 단계를 제거할 뿐만 아니라 선적용 레진 용기 크기 제한도 해제합니다. "프리믹스 레진 질량을 20리터로 유지하고 그 드럼을 매우 낮은 온도로 유지해야 합니다."라고 리비에르는 말합니다. "그렇지 않으면 레진이 반응을 시작할 수 있습니다. 2K 시스템이면 표준 200리터 드럼을 저온 제한 없이 선적할 수 있습니다. 리스크 감소, 강력한 냉각 불필요, 예방 조치 감소."

위 공급망 다이어그램은 분석적 제어 변화도 보여줍니다. 1K 레진 시스템은 제조 현장에서 초기 제어만 수행되는 반면, 2K 시스템은 다중 제어 지점에서 제어가 구현됩니다. 공장 생산 중 A, B 성분 제어 외에 A:B 혼합 비율도 믹스, 미터, 디스펜스(MMD) 장비에서 디지털로 제어되고 몰드 주입 직전에도 다시 제어됩니다. 출처 | 헥시온.

분석적 제어 시스템

이 2K 기술 개발을 위해 헥시온은 휘버스(Hübers, 보홀트, 독일)와 콤포시스트(Composyst, 훌라흐, 독일)와 협력했습니다. 휘버스는 믹스, 미터, 디스펜스(MMD) 장비 제조사로 전기전자 부품 제조용 고성능 MMD 시스템(변압기용 주조 레진 및 인퓨즈드 부품 등)에서 강한 명성을 가집니다. 콤포시스트는 에어버스 응용 분야 레진 주입 및 인퓨전 전문가로 에어버스 특허 진공 보조 공정(VAP) 인퓨전 독점 라이선스를 보유하며, 항공기 OEM이 혼합 레진 가공 및 품질 보증(QA)에서 무엇을 원하는지 이해합니다.

"분석적 제어는 휘버스 장비로 A, B 성분이 정밀 혼합돼 몰드에 투입되기 직전에 작동합니다."라고 리비에르는 설명합니다. 아래 이미지에서 휘버스 MMD 시스템과 진공 백 VAP 인퓨전 셋업 사이 검은 튜브가 이 분석적 제어 시스템의 핵심 구성요소입니다. "여기에 실시간 혼합 비율 제어 분석 장치가 있습니다."라고 리비에르는 말합니다. "12초마다 혼합 비율 측정 시연했으며 더 빈번한 측정도 가능합니다. 실제로 기술은 혼합 비율의 연속적 제어를 가능하게 하며 이는 보고되고 기록됩니다."

휘버스 MMD 장비와 VAP 인퓨전 셋업 사이 검은 튜빙에 헥시온이 개발한 주입 전 레진 혼합 비율 인라인 측정. 출처 | 헥시온

"이 시스템으로 이중 제어가 가능합니다. MMD 유닛의 정상 제어와 우리 주입 전 분석적 제어가 추가됩니다. 첫째, 휘버스 MMD 기계는 정밀도와 정확성으로 잘 알려져 있습니다."라고 리비에르는 지적합니다. "두 성분용 이중 펌핑 시스템으로 볼륨, 온도, 혼합 비율 정확도를 유지합니다. 우리 시스템은 혼합 후 주입 직전 두 번째 측정을 추가해 알람 타겟 설정이 가능합니다." 측정된 혼합 비율이 타겟을 충족하지 못해 알람이 트리거되면 시스템은 혼합 레진을 별도 용기로 배출해 몰드에 주입되지 않게 바이패스합니다. "공정 복구 후 주입 지속이 가능합니다."라고 리비에르는 말합니다.

헥시온의 혼합 후 주입 전 분석적 제어 시스템은 추적성을 위한 독립적 기록을 제공하며 고객 니즈에 따라 MMD 유닛에 통합도 가능합니다. 리비에르는 휘버스 MMD 유닛이 레진의 철저한 탈기도 수행한다고 지적합니다. 이는 전자 산업에서 요구되며 응용 부품에 보이드나 기공이 없어야 합니다. "이 시스템은 몰드 압력 휴대용 제어도 제공해 레진 흐름을 높거나 낮은 레벨로 관리합니다."라고 그는 지적합니다. "이를 통해 매우 좋은 함침이 가능하고 항공우주 품질 요건인 기공률과 섬유 부피 측면에서 충족하면서 인퓨전 공정 시간도 단축할 수 있습니다."

휘버스 MMD 장비와 헥시온 2K 분석적 제어 사용 인퓨전 셋업 사진, 이 셋업으로 제작된 2cm 두께 탄소섬유 UD 라미네이트로 60% 이상 섬유 부피 달성. 출처 | 헥시온

향상된 가공 윈도우

"혼합이 정적 믹서에서 주입 직전 짧은 시간 내 이뤄지기 때문에 레진 혼합물은 1K 대비 더 긴 포트 라이프(최대 40% 증가)를 제공합니다."라고 리비에르는 말합니다. "이는 더 나은 가공 윈도우를 제공하며 60% 섬유 부피의 두꺼운 탄소섬유 라미네이트 생산이 가능했습니다. 2K와 1K 시스템의 기계적 성능은 화학이 동일하므로 같습니다. 혼합 제어를 레진 주입 셋업과 연결할 때 완전한 가치가 실현될 것이라 믿습니다. 이는 더 신뢰할 수 있는 공정이 될 것입니다."

출처 | 헥시온

헥시온은 CAMX 전시장 CAMX 씨어터에서 RTM용 2K 에피코트 600 시스템과 항공기 화재, 연기, 독성(FST) 요건 충족용 EPON 플레임엑스(FlameX) 에폭시(아래 참조) 상세 정보를 발표합니다:

• 에폭시 항공우주 제조를 위한 새로운 2K 기술
  9월 24일 화요일 — 11:00~11:25
• 화재 안전 애플리케이션용 플레임엑스 에폭시 시스템
  9월 24일 화요일 — 11:30~11:55

헥시온 부스 Y24에서도 상세 정보 확인 가능.

인퓨전/RTM용 난연 복합소재용 EPON 플레임엑스 에폭시

헥시온은 난연(FR) 및 화재, 연기, 독성(FST) 요건 충족 부품용 인퓨전/RTM 2액형 에폭시도 개발했습니다. 페놀 프리프레그를 에폭시 액상 몰딩으로 대체하려는 동기는:

• 생산 속도 향상
• 할로겐 프리, 비페놀 시스템에 대한 REACH 규정
• 취성 페놀 대비 더 강하고 튼튼한 레진
• 페놀 대비 비용 경쟁력, 열가소성 대비 훨씬 저렴

헥시온 EPON 플레임엑스 시스템은 할로겐이나 입자 첨가제로 난연성을 달성하지 않고 레진 분자 골격에 그 성능을 내재화했습니다. 인퓨전 중 입자 여과 불필요. 레진은 60~70℃(140~158℉)에서 250cps 점도로 잘 인퓨전되고 150℃(302℉)에서 1.5시간 경화합니다. 최대 구조적 물성을 위해 독립형 또는 툴 지지 후경화 180℃ 권장.

이 시스템으로 제작된 부품은 추가 코팅이나 FR 조치 없이 다음 테스트 통과:

• 60초 수직 연소 FAR25.853(a)
• 연기 독성 BSS7239
• 연기 밀도 BSS7238

OSU 65/65 열방출 테스트도 특정 구성에서 인증된 인튜머선트 젤코트나 코팅과 함께 통과합니다. 이는 항공기 이동, 이착륙 시 접촉 가능한 부품에만 필요합니다.

"기존 페놀 프리프레그 공정으로 10~12시간 소요되던 오버헤드 빈이 인퓨전이나 RTM으로 플레임엑스 시스템 사용 시 90~120분 만에 생산 가능함을 시연했습니다."라고 헥시온 에폭시 애플리케이션 및 제품 개발 스페셜리스트 네이선 브루노(Nathan Bruno)는 말합니다. "충전제가 없어 충전 FR 에폭시 대비 밀도도 낮습니다."

적용 분야: 항공기 인테리어, 화물 구역, 화장실, 갤리, 시트 부품, 해양, 철도, 건축 인테리어.