효율적 복합소재 제조를 위한 에너지 전달 혁신: 헤레우스 노블라이트 블랙 IR·험3 기술

이번 CAMX 2019 사전 블로그 시리즈 두 번째로, 실제 CAMX 2018에서 전시된 핵심 기술들을 조명합니다. 이번 블로그는 헤레우스 노블라이트(Heraeus Noblelight)의 새로운 블랙.인프라레드(black.infrared) 시스템, 복합소재 가공용 새로운 유형 시스템과 자동화 섬유 배치(AFP) 머신에서 레이저와 적외선 히터를 대체하는 험3(humm3) 기술을 다룹니다.

빛으로 혁신하다

헤레우스 노블라이트는 빛의 힘으로 다양한 산업 공정을 혁신합니다. 배경으로 모든 빛은 전자기 복사(EMR)며 고유 파장과 주파수를 가집니다(아래 다이어그램 참조). 헤레우스 노블라이트는 적외선(IR) 에미터부터 LED 램프, 자외선(UV) 시스템, 아크 및 플래시 램프까지 이 스펙트럼의 넓은 부분을 활용하는 장치를 개발합니다.

전자기 스펙트럼의 빛이 가열과 가공에 사용됨. 출처 | https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram (좌) 및 헤레우스 (우).

복합소재 분야에서 UV와 적외선(IR) 시스템은 수십 년간 사용되어 왔습니다(아래 예시 참조). 하지만 블랙.인프라레드 시스템은 새로운 기술입니다.

• 선레즈(Sunrez)가 1990년대 레진 인퓨전과 복합소재 수리용 UV 경화 기술 개발
• UV 경화 에폭시 코팅은 많은 산업에서 표준
• UV 경화 에폭시 레진은 컨티뉴어스 컴포지츠(Continuous Composites)와 모이 컴포지츠(moi composites) 같은 연속섬유 3D 프린팅 선구자들도 사용
• IR 가열은 2D 맞춤 블랭크가 프리포밍/스탬핑/오버몰딩 전 예열 필요하거나 프리폼이 스탬핑/오버몰딩 전 예열 필요한 자동화 복합소재 생산 라인에서 매우 일반적

헤레우스 노블라이트 블랙.인프라레드 복합소재 가열 시스템. 출처 | 헤레우스 노블라이트

블랙.인프라레드(Black.infrared)

헤레우스 노블라이트는 CAMX 2018에서 새로운 블랙.인프라레드 시스템을 전시했습니다. "중파장 IR 에미터로 작은 부피에서 많은 파워를 전달합니다."라고 헤레우스 노블라이트 아메리카 LLC IR 시스템 수석 영업 매니저 브루스 프릭스(Bruce Fricks)는 설명합니다. 헤레우스 노블라이트 본사는 독일 하나우에 있지만, 미국 IR 및 플래시 램프 시스템 사업부는 조지아 뷰포드에, 미국 UV 시스템 사업부는 메릴랜드 게이더스버그에 소재합니다.

"보통 중파장 IR 에미터는 60kW/m² 전력 밀도 쪽인데, '블랙 IR'은 200kW/m²를 달성합니다. IR은 대류 오븐 대비 에너지를 기판에 전달하는 훨씬 효율적 수단이지만, 블랙 IR은 대류 오븐 대비 3배 더 효율적입니다. 인라인 가공 시 컨베이어가 3배 더 빠르게 가동되거나 공간을 덜 차지하도록 단축될 수 있습니다. 예: 30피트(약 9.1m) 오븐 컨베이어를 블랙 IR로 10피트(약 3m) 오븐으로 줄일 수 있습니다."

현재 블랙.인프라레드 시스템 적용 분야는 플라스틱 용접과 태양전지용 마이크론 두께 광전 필름 가열입니다. "IR은 일반적으로 원자층 증착에 매우 효과적입니다."라고 프릭스는 말합니다. "예: 반도체용 갈륨 층 증착이나 실리콘 패터닝. 이 모든 작업은 진공에서 수행됩니다. 블랙 IR도 진공과 고온에서 잘 작동합니다."

프릭스는 블랙.인프라레드 에미터가 1000℃ 표면 온도에서 작동하도록 설계되었다고 설명합니다. "이 에미터들은 모두 솔리드스테이트라 700~800℃ 오븐에 넣어도 손상되지 않습니다. 하지만 공정이 이보다 훨씬 높은 온도, 예: 1500℃ 이상 필요하면 단파장 IR이 더 적합합니다."

프릭스는 블랙 IR이 시선 직선 기술(line of sight technology)이라고 설명합니다. "평평하거나 단순한 볼록/오목 표면에 더 적합합니다. 가장 큰 이슈는 내부 또는 외부 영역에서 그림자가 드리워지는 부품이나 소재입니다."

블랙.인프라레드 모듈(좌측)과 온도 균일성 보여주는 열화상(우측). 출처 | 헤레우스 노블라이트

블랙 IR 장점과 잠재적 복합소재 적용 분야

프릭스는 블랙.인프라레드가 필라멘트 기반 IR 에미터가 아닌, 중심이 가장 밝고 측면이 어두운 경향이 있는 것과 달리, 에미터의 2D 평면 표면 전체에 매우 균일한 에너지를 생성한다고 지적합니다. 크기는 40mm×400mm에서 100mm×100mm까지 범위입니다. "블랙 IR 에미터를 타일링해 최대 400mm×400mm 평면 장치 생성도 가능합니다."라고 덧붙입니다.

블랙.인프라레드가 중파장 IR 장치라 상대적으로 색맹(흰색 vs 어두운 색)이라고 프릭스는 설명합니다. "검은 소재를 과열하거나 노란/흰색 소재를 과소 가열하지 않습니다." 그런데도 60초 미만으로 예열됩니다. "와트당 비용이 다른 IR 옵션 대비 그리 비싸지 않습니다."라고 프릭스는 말합니다. "IR은 대류 오븐보다 비싸지만 속도와 효율성, ±5도 미만 변동의 매우 균일한 온도 제공 능력을 제공합니다."

블랙 IR은 섬유, 프리프레그, 복합소재 테이프 생산과 그래핀 등 나노복합소재 제조용 화학 기상 증착(CVD) 공정 등 잠재적 활용 가능성이 있습니다. 프릭스는 제조사와 소재 공급업체와의 논의를 통해 복합소재 분야 추가 응용 탐색과 개발을 희망합니다.

열경화성 프리프레그, 열가소성, 드라이 파이버 복합소재 테이프용 자동화 섬유 배치(AFP) 헤레우스 노블라이트 험3 시스템. 출처 | 헤레우스 노블라이트

험3(humm3), AFP에서 레이저 대체

헤레우스 노블라이트가 CAMX 2018에서 전시한 다른 기술은 열경화성 프리프레그, 드라이 파이버, 열가소성 복합소재 테이프용 자동화 섬유 배치(AFP) 험3(humm3) 시스템입니다. 험3 시스템은 초당 여러 번 펄스되는 제논 충전 플래시램프를 사용합니다. 2018년 열가소성 복합소재 인시츄 통합 2부 기사 Fig. 2에서 열가소성 AFP에 흔히 사용되는 레이저는 보라색 빛으로, 열경화성 프리프레그 AFP에 일반적으로 사용되는 IR 히터는 주황색 빛으로 구별됨을 설명했습니다. 험3 기술은 밝은 흰색 빛으로 이 둘과 차별화됩니다.

출처 | 헤레우스 노블라이트

"적외선 램프는 상대적으로 저렴하지만 느리고 항공우주 열가소성 수지가 요구하는 고온 도달이 불가능합니다."라고 헤레우스 노블라이트 험3 시스템 북남미 영업 매니저 카일 허드스페스(Kyle Hudspeth)는 말합니다. "반면 레이저는 가열과 냉각이 매우 빠르지만 비싸고 상당한 안전 예방조치가 필요합니다. 험3는 AFP용 빠르고 안전하며 콤팩트하고 비용 효율적인 가열로 시장의 갭을 메웁니다."

허드스페스는 험3가 50℃부터 현재 측정된 최대 600℃까지 넓은 온도 범위에서 AFP 닙 포인트에 균일한 열을 전달한다고 설명합니다. 세 가지 프로그래밍 가능 파라미터로 정밀 제어 가능:

로봇 AFP 머신에서 PEEK 적층 열화상. 험3 쿼츠 전달 광학장치가 우측에 보이며 기판과 투입 소재 사이 닙 포인트를 향함. 6m/분 속도로 양호한 품질 결과 달성. 출처 | 헤레우스 노블라이트

• 펄스 에너지 (크기)
• 펄스 지속시간 (길이)
• 펄스 주파수 (초당 횟수)

가열 시간과 온도는 레이저와 대략 동일하지만 "보호 레이저 부스가 필요 없어 기술자가 작업 중 레이업 근처에 있을 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다.

탄소섬유 강화 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 라미네이트 가공 테스트에서 헤레우스 노블라이트는 험3가 항공우주 복합소재 구조물에 요구되는 ~35% 결정도와 <2% 기공률로 고품질 열가소성 AFP 라미네이트 생산 가능함을 시연했습니다. EU 클린 스카이 2 프로그램 일환으로 경량 생산 기술 센터(ZLP, 슈타데, 독일)가 헤레우스 노블라이트와 협력해 독일 항공우주 센터(DLR) 슈타데의 멀티 로봇 그로피(GroFi) 시스템에서 험3 개발 중입니다. 이 작업은 열가소성 복합소재 구조물 AFP 속도를 엄격한 품질 요건 충족하며 대폭 향상시키는 것을 목표로 합니다.

레진 인퓨전이나 RTM으로 가공될 드라이 파이버 라미네이트의 경우, 허드스페스는 험3가 1m/초 적층 속도와 0.25인치 폭 8개 또는 16개 테이프에 걸친 균일한 가열을 가능하게 한다고 주장합니다. 단일 램프로 300mm 폭 가열 달성 가능하며 험3의 모듈러 파워 서플라이와 모듈러 설계로 더 큰 가열 구역에 맞춰 AFP 시스템 추가 맞춤화 가능. 험3 쿼츠 전달 광학장치도 정밀한 열 구역 형상 구현 위해 커스터마이징 가능.

헥셀(Hexcel) 하이테이프(HiTape) 드라이 파이버 테이프(좌)와 RTM6 레진(우) 사용 항공우주 부품 데모스트레이터. 출처 | 헤레우스 노블라이트

험3 시스템은 열가소성 용접, 필라멘트 와인딩, 프리폼용 다중 복합소재 레이어 태킹 등 다른 복합소재 가공에도 개발 중입니다. 허드스페스는 험3가 2016년부터 국립 복합소재 센터(NCC, 브리스톨, 영국)에서 시연된 성숙하고 잘 검증된 기술이며 2015년 영국 퀸즈 어워드 혁신 부문 수상작이라고 언급합니다.

자세한 내용은 CAMX 부스 Y47 헤레우스 노블라이트 방문.

출처 | 헤레우스 노블라이트