툴 없이 레진 인퓨전으로 Class A 복합재 부품 생산

Class A 마감의 복합재 부품을 생산하는 것은 성배가 아닙니다. 이를 일상적으로 수행하는 회사가 많이 있습니다. 그러나 비싼 툴링이나 젤코트 없이, 게다가 시간당 1개 부품 생산 속도로 레진 인퓨전을 사용하여 그렇게 한다면? 글쎄, 그것은 독특한 무언가입니다.

플라스틱에서 복합재로

Plastics Unlimited는 25년 전 테리와 낸시 키퍼(Terry and Nancy Kieffer)가 시작했으며, 그들의 아들 다코타 키퍼(Dakota Kieffer, 영업 및 마케팅 이사)가 설명합니다. "그들은 아이오와에서 농부였고 새롭고 성장하는 산업을 찾고 있었습니다. 플라스틱이 용접이나 목공보다 나을 것이라고 생각했고 이웃들과 경쟁하고 싶지 않았습니다. 사출 성형, 회전 성형, 플라스틱 재활용을 살펴보았지만, 열성형을 발견하고 정말 이해했습니다." (열성형은 열과 진공/압력을 사용하여 열가소성 시트를 성형 부품으로 만듭니다.)

그러던 중 키퍼의 부모님은 유리 섬유 강화 플라스틱(FRP) 부품을 만드는 회사와 접촉하게 되었습니다. "그들은 FRP가 얼마나 강한지 보았지만, 동시에 대략 부품당 4시간이 걸리는 길고 다단계 공정이 필요하다는 것도 알았습니다. 그래서 하루에 2개 부품만 생산되었습니다. 우리 플라스틱 생산과 비교하면 너무 느리다고 느꼈습니다. 우리는 2-6분마다 부품을 생산했고, 한 번에 5-6개까지 생산했으니 하루에 수천 개 부품을 만들었습니다." 격차를 해소하기 위해 키퍼의 아버지는 **열성형 플라스틱 쉘을 툴로 사용하는 아이디어**를 냈습니다.

그 결과 Plastics Unlimited가 Tool-less Engineered Composite(TEC)라고 부르는 툴 없는 복합재 부품 제조 공정이 탄생했습니다. "젤코트와 툴 이형 단계를 모두 제거합니다."라고 키퍼는 말합니다. "또한 열성형할 때 Class A 표면을 검사하여 완벽한지 확인할 수 있습니다." 즉, Class A 표면이 복합재 라미네이트 아래에 숨겨지지 않습니다. "단일 열성형 툴만 있으면 되었고, 이 공정은 여전히 우리 플라스틱 부품 고객들에게도 타당했습니다."

특허받은 복합재 공정

키퍼는 복합재가 두 소재를 결합하여 각 구성 요소만으로는 만들 수 없는 더 나은 소재를 만든다고 지적합니다. "우리는 두 가지 다른 유형의 소재와 두 가지 다른 공정을 결합하여 더 나은 제품을 만듭니다." 특히 플라스틱, 레진, 유리 섬유로 구성되어 독특한 혜택 조합을 제공하는 제품입니다. "플라스틱은 젤코트보다 충격 성능이 훨씬 뛰어납니다."라고 그는 설명합니다. "플라스틱에 어떤 텍스처나 디자인도 인쇄할 수 있습니다. 예를 들어 위장 무늬. 플라스틱은 버핑 없이도 이미지의 깊이를 많이 제공하여 2차 마감 작업을 제거합니다."

한편, 오픈 몰딩 공정에서 절단 섬유를 스프레이하는 것과 비교하여, 이 특허 기술은 더 높은 섬유 함량, 더 높은 품질, 무/저휘발성 유기 화합물(VOC)을 가능하게 합니다. 그는 플라스틱에 절단 섬유를 스프레이하여 욕조와 스파를 만드는 것은 특허가 아니라고 지적합니다. "우리는 항상 진공 인퓨전을 사용하여 제품의 FRP 부분을 만듭니다."라고 키퍼는 말하며, "우리 부품은 매끄러운 마감을 가지므로 일종의 경량 RTM(코어 플레이트 포함)입니다. 우리는 항상 다음 단계로 나아갑니다. 고객이 문제를 가져오면 그들의 필요에 맞는 해결책을 찾으려 노력합니다. 우리는 매우 혁신적이며 새로운 개발을 특허로 보호합니다."

적용 부품 예시

Plastics Unlimited가 이 공정으로 생산하는 부품 중 하나는 디어 앤 컴퍼니(Deere & Company, 미국 일리노이주 몰린)가 만드는 존 디어 콤바인의 그레인 탱크 익스텐션입니다. "이것은 콤바인의 가장 위쪽 부분으로, 열려 있고 곡물이 놓이는 곳입니다."라고 키퍼는 설명합니다. "기존 강철 탱크에 비해 우리 제품이 더 내구성이 좋습니다. 내부는 매끄러운 마감, 외부는 존 디어 그린에 모서리 부분은 블랙 인서트로 만듭니다. 가장 큰 그레인 탱크 익스텐션이며 평평하게 접을 수 있습니다. 폼과 리브를 추가하여 강성을 높인 우리 경쟁사보다 더 엔지니어링된 제품입니다." 일부 강철 보강도 필요한데, 이는 실제로 몰딩되어 들어간다고 키퍼는 말합니다. "2차 본딩이 아닙니다."

이 소재와 공정의 조합은 완제품에 많은 강인함을 부여합니다. "이 부품에 콘크리트 블록을 떨어뜨리는 비디오가 있습니다."라고 키퍼는 말합니다. 강철 고정구를 몰딩함으로써, 그는 인발 강도가 업계 표준 메타크릴레이트 접착제를 사용한 2차 본딩으로 달성되는 것의 4-5배가 될 수 있다고 말합니다.

Plastics Unlimited는 이 부품을 월 최대 2,500개 생산할 수 있으며, 일부 패널은 5피트 x 7피트 크기입니다. "우리의 방법이 아니라면 비싼 툴링이 필요할 것입니다."라고 키퍼는 말하며, TEC는 최대 8피트 x 11피트까지 꽤 큰 부품에 사용될 수 있다고 덧붙입니다. "우리 부품은 강철보다 더 많은 형상과 지오메트리를 가질 수 있습니다. 이는 고객이 스타일링으로 차별화할 수 있게 하므로 중요합니다. 우리의 UV 저항성도 대부분의 젤코트보다 좋습니다."

Plastics Unlimited는 할리데이비슨과 겔 텔레스코핑 리프트 등 다양한 회사에 부품을 공급합니다. "우리는 부드러운 촉감의 가죽 같은 부품도 만듭니다."라고 키퍼는 말합니다. 이 회사는 나비스타(Navistar)용 트럭 부품과 위네바고(Winnebago)용 레저용 차량(RV) 부품도 만들었습니다. "우리는 연간 10만 개부터 수백 개까지의 볼륨 생산을 선호합니다."

키퍼는 장섬유 주입(LFI)과 레진 주입 성형(RIM)이 경쟁 공정임을 인정하지만, "부품이 우리만큼 구조적이지 않습니다. 예를 들어 콤바인 그레인 탱크는 400부셸을 담는데, 이는 10톤의 힘을 가합니다. 심하게 보강되지 않은 RIM 부품은 단순히 이런 하중 요건을 충족할 수 없고 RIM 툴링은 매우 비쌉니다."

지속적인 개발

"우리는 고객들과 많은 R&D 작업을 합니다."라고 키퍼는 말합니다. "우리는 다양한 레진, 폼, 라미네이트, 보강 층, 마감을 탐구하고 프로토타입을 보여주어 고객이 매우 빠르게 테스트할 수 있게 합니다. 우리는 부품을 더 제조하기 쉽게 만들려고 노력하며, 비용을 줄이고 성능을 개선하는 방법과 극한의 뜨겁고 추운 온도와 충격 같은 다양한 실사용 요건을 충족하는 방법을 살펴봅니다."

Plastics Unlimited는 100,000 평방피트의 생산 공간과 75명의 직원(3명의 엔지니어 팀 포함)을 보유하고 있습니다. 5축 Thermwood CNC 기계는 내부 툴링 제작과 빠른 프로토타이핑을 가능하게 하며, 후자는 개발 일정을 단축하려는 고객들에게 중요합니다.

"우리는 대중교통과 항공우주 회사들과도 작업하고 있습니다."라고 그는 계속합니다. "많은 지하철 내부가 현재 젤코트 포함 FRP에 그 뒤에 알루미늄 구조입니다. 그들은 경량화와 화장품 표면 마감 둘 다 필요합니다. 의료, 전기, 건설을 포함한 광범위한 응용 분야를 살펴보고 있습니다."

이 회사는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 열성형도 검토하고 있습니다. "우리는 Tepex와 Polystrand 소재를 성형해 보았고 의료 고객과 다양한 개발을 진행 중입니다."라고 키퍼는 말합니다. "Kydex 같은 고급 플라스틱 소재를 사용하고 뒤쪽에 CF/에폭시로 백업하여 항공우주용으로 쓰거나, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, ABS 같은 소재를 사용하여 멋진 외관 마감과 비용 효율성을 확보할 수 있습니다. 이러한 플라스틱 뒤쪽에는 유리 섬유 강화 폴리에스터, 비닐에스테르, 에폭시 라미네이트를 사용할 수 있습니다."

Plastics Unlimited는 플라스틱, 금속, 복합재의 교차점에서 운영된다고 키퍼는 말합니다. "우리 부품은 일반적으로 강철보다 30-40% 더 가볍습니다. 하지만 시장은 여전히 복합재가 무엇이고 무엇을 할 수 있는지에 대해 꽤 많은 교육이 필요합니다." 그럼에도 불구하고 회사는 미래 성장의 큰 잠재력을 봅니다. "모든 소재가 서로 작동하는 것은 아니며, 특히 모든 레진이 모든 플라스틱과 작동하는 것은 아닙니다."라고 그는 지적합니다. "우리는 수년간 많은 테스트와 개발을 해왔기 때문에 지형과 가능성을 매우 잘 이해합니다. 우리는 독특한 전문성을 가지고 있으며 독특한 범위의 가능한 솔루션을 제공합니다."