EU ComMUnion 프로젝트, 하이브리드 금속-폴리머 복합재의 비용 효율적 제조 혁신으로 경량 모빌리티 실현

최근 몇 년간 무게 절감을 통한 에너지 및 자원 절약의 필요성에 대응하여, 모빌리티 및 운송 분야에서 더 가벼운 부품에 대한 수요가 급격히 증가하고 있습니다.

강철과 국소적으로 기능화된 섬유 강화 플라스틱으로 구성된 하이브리드 부품은 높은 기계적 성능과 저중량을 결합합니다. 이러한 구조물을 비용 효율적으로 대량 생산할 수 있는 제조 공정에 대한 수요가 빠르게 늘고 있습니다. EU 연구 프로젝트 'ComMUnion'에서 독일 아헨에 소재한 두 개의 프라운호퍼 연구소인 생산기술연구소(IPT)와 레이저기술연구소(ILT)가 산업계, 연구계, 학계의 14개 파트너와 협력하여 자동차 및 항공우주 분야의 응용을 위해 금속과 폴리머 매트릭스 복합재를 결합한 하이브리드 경량 설계의 산업 공정 및 솔루션을 개발하고 있습니다.

레이저 텍스처링과 레이저 보조 테이프 배치의 결합 공정

새로운 하이브리드 제조 공정은 레이저 텍스처링과 레이저 보조 테이프 배치의 결합을 기반으로 합니다. 부품은 먼저 레이저를 사용하여 특수하게 개발된 정밀하고 정의된 거친 표면 구조로 전처리됩니다. 이 텍스처링된 표면을 통해 나중에 보강재로 사용될 연속 섬유 강화 열가소성 경량 소재를 강철 부품에 직접 접합할 수 있습니다. 이 접합은 기계적 방식이므로 추가적인 전처리 조치나 접착제, 본딩제 같은 접착 촉진제가 필요하지 않습니다.

보강 요소는 예상 하중에 맞게 특별히 조정된 섬유 강화 열가소성 소재로 만들어지며, 테이프 배치 공정을 통해 부품에 접합됩니다. 레이저는 강철과의 접합 구역에서 열가소성 테이프를 국소적으로 가열합니다. 매트릭스 소재가 녹아 레이저 텍스처링된 공동으로 흐른 후, 용융 물질이 응고되면서 내장된 단방향 섬유를 가진 테이프가 강철 부품의 거친 표면에 부착됩니다.

대량 생산에 적합한 결합 공정

이 두 레이저 공정의 결합 장점은 부품의 기계적 특성을 국소적으로 개선하면서 중량을 크게 증가시키지 않아야 할 때 특히 두드러집니다. 이 공정은 테이프 배치 후 재료 통합을 위한 경화 작업 등 추가적인 후처리 공정이 필요 없기 때문에 대량 생산에 특히 적합합니다. 또한 정밀한 국소 가열은 두 소재 접합 시 변형과 잔류 응력을 줄여줍니다. 프라운호퍼 ILT에서 개발된 레이저 텍스처링 공정은 텍스처가 필요한 위치에 금속 표면에 재현 가능하게 적용할 수 있으며, 레이저는 공구 마모가 발생하지 않습니다.

첫 하이브리드 차체 부품, 데모 부품으로 완성

연구 파트너들은 고강도 강철과 단방향 섬유 강화 열가소성 테이프로 만든 첫 번째 데모 부품을 완성하여 공정의 적용 가능성을 검증하는 개념 증명을 수행했습니다. 프라운호퍼 ILT의 키라 반 데르 스트라텐(Kira van der Straeten)과 프라운호퍼 IPT의 티도 피터스(Tido Peters) 두 연구원이 ComMUnion 프로젝트의 일환으로 공정 결합의 기능성을 테스트하고 입증하기 위해 자동차 산업용 차체 부품인 하이브리드 경량 로커 패널(rocker panel)을 제조했습니다.

프로젝트 파트너들은 2019년 3월 12일부터 14일까지 파리에서 열린 경량 구조 박람회 JEC World에서 AZL이 주관한 'Composites in Action Area'에서 전문 방문객들에게 이 부품을 선보였습니다.

'ComMUnion' 프로젝트는 유럽연합의 Horizon 2020 연구혁신 프로그램의 지원(Grant Agreement No. 680567)을 받아 수행되었습니다.

레이저 보조 테이프 배치를 사용해 국소적으로 기능화된 하이브리드 자동차 로커 패널의 일부. 출처 | ComMUnion 프라운호퍼 IPT

ComMUnion 연구 프로젝트의 유럽 파트너들

• Aciturri Engineering SL, 스페인
• AFPT GmbH, 독일
• Aimen Technology Centre, 스페인 (코디네이터)
• Autotech Engineering, AIE, Gestamp 그룹 소속, 스페인
• CASP S.A., 그리스
• ESI Group, 프랑스
• Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, 독일
• Fraunhofer Institute for Production Technology IPT, 독일
• Laboratory for Manufacturing Systems and Automation (LMS) – University of Patras, 그리스
• Lunovu GmbH, 독일
• Missler Software, 프랑스
• Motofil Robotics, S.A., 포르투갈
• New Infrared Technologies SL, 스페인
• Philips Photonics GmbH, 독일
• Tecnatom S.A., 스페인
• Universidade de Coimbra, 포르투갈

자세한 문의:

kira.van.der.straeten@ilt.fraunhofer.de 또는 malena.schulz@ipt.fraunhofer.de

본 게시물은 CompositesWorld와 AZL Aachen GmbH의 미디어 파트너십 제공입니다.