DARPA, 국방용 저비용 복합재 소재 공급 위한 TFF 이니셔티브 출범

미국 국방부(DoD) 산하 국방고등연구계획국(DARPA, 버지니아주 알링턴)은 복합재 기술 발전에 오랜 역사를 가지고 있다. 이에는 합리적 가격의 복합재 추진 시스템, 오토클레이브 외 소재(Out of Autoclave Materials) 프로그램(국방 산업에서 5320-1 프리프레그 계열의 광범위한 사용으로 이어짐), 최근에는 접합 복합재 1차 구조물용 TRUST 프로그램 등이 포함된다.

2015년 출범한 DARPA의 '맞춤형 피드스톡 및 성형(Tailorable Feedstock and Forming, TFF)' 프로그램은 20파운드(약 9kg) 미만 복합재 부품의 신속·저비용·민첩한 제조를 가능케 하는 것을 목표로 한다. 자동 섬유 배치와 테이프 레이업 같은 공정으로 복합재 부품은 대형 보강 스킨 부품에서 금속 대비 우수한 트레이드오프를 보인다. 하지만 일반적인 전술 군용기에서 전체 기체 구조를 구성하는 부품의 약 80%가 20파운드 미만이다. 이 대다수 부품은 복합재가 20파운드 초과 부품에서만 트레이드 스터디에서 유리하기 때문에 금속으로 제작된다.

이를 해결하기 위해 TFF는 '성형용 맞춤형 범용 피드스톡(Tailorable universal Feedstock for Forming, TuFF)'을 개발 중이다. 이는 기존 PAN 기반 탄소섬유를 특정 길이로 절단(궁극적으로 피치 탄소섬유 사용 목표)하고 고도로 정렬된 불연속 섬유를 사용해 길이, 표면 처리, 매트릭스, 타 소재와의 하이브리드화를 맞춤화하면서 프레스 성형 같은 신속 공정으로 판금 수준의 성형성을 구현하는 소재다. TuFF 서브프로그램은 델라웨어 대학교(UD, 미국 델라웨어주 뉴어크)가 이끈다.

성형 및 몰딩 공정 비교

TuFF의 제조 측 대응은 보잉(Boeing Co., 미국 일리노이주 시카고)이 이끄는 성형 서브프로그램 'RAPM(RApid high-Performance Molding)'이다. RAPM 파트너에는 솔베이(Solvay, 미국 조지아주 알파레타·벨기에 브뤼셀), ATC 매뉴팩처링(ATC Manufacturing, 미국 아이다호주 포스트폴스) 같은 항공우주 유명 기업뿐 아니라 SGL 카본(SGL Carbon, 독일 비스바덴), 픽셀레이티드 온도 제어 전문 서피스 제너레이션(Surface Generation, 영국 러틀랜드주 오크햄) 같은 자동차·산업 시장 기업도 포함된다. 서피스 제너레이션은 노트북 압축 성형, 플라스틱 사출 성형, 다양한 복합재 부품·공정용 자동 몰딩 시스템을 공급해 왔다.

SAMPE 2019 발표 결과

TuFF와 RAPM 모두 SAMPE 2019에서 결과를 발표했다. 총 14건의 발표로 신소재 물성 시험과 도전적인 데모 부품 성형 시연이 포함됐다. 이를 통해 소재 그리고 공정의 나란히 비교가 가능했다. 열가소성 복합재 스탬프 성형, 열경화성 수지전달성형(RTM)(자동차형 고압 RTM(HP-RTM)에서 아우디와 포이트 컴포지츠(Voith Composites)가 쓰는 울트라 RTM(Ultra RTM) 유사 저압 변형까지 개발), 2D 보강재를 스프링 장착 프레임으로 고정해 3D 형상 프리포밍/성형 시 주름 등 결함 방지 공정도 개발됐다. 모든 공정의 툴 위 사이클 타임 벤치마크는 30분 미만. 일부 열가소성 복합재 스탬핑 부품은 5분 사이클 타임을 달성했다.

SAMPE 2019 TFF 주요 발표

• TUFF 복합재 블랭크의 성형성(Formability of TUFF Composite Blanks) — 슈리다르 야를라가다(Shridhar Yarlagadda), 델라웨어대 복합재료 센터(UD-CCM)
• 고정렬 고성능 단섬유 복합재로의 CFRP 폐루프 재활용(Closed Loop Recycling of CFRP Into Highly Aligned High Performance Short Fiber Composites) — 더크 하이더(Dirk Heider), UD-CCM
• X선 CT를 통한 섬유 정렬 평가(Fiber Alignment Evaluation Through X-Ray Computed Tomography) — 제니퍼 시틴스(Jennifer Sietins), 미 육군 연구소
• 소형 부품용 신속 고성능 몰딩(RAPM) — 게일 한(Gail Hahn), 보잉
• 수지전달성형으로 복잡한 딥드로 부품 제작(Fabrication of a Complex Part with Deep-Draw Sections by Resin Transfer Molding) — 톰 초치스(Tom Tsotsis), 보잉
• 스프링 프레임 프레스로 항공우주 생산 부품 제작(Spring Frame Press Fabrication of Aerospace Production Components) — 티모시 루키니(Timothy Luchini), 보잉
• 구조용 열가소성 복합재 부품의 신속 고성능 몰딩(Rapid High-Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts) — 게일 한, 보잉
• 소형 복합재 부품 몰딩 제조 셀 비용의 민첩한 분석(Agile Analysis of Manufacturing Cell Costs for Molding of Small Composite Parts) — 대니얼 찰스(Daniel Charles), 보잉

서피스 제너레이션 자동 몰딩 셀

RAPM은 서피스 제너레이션의 특허받은 PtFS 시스템을 근접 넷셰이프(near-net) 및 넷셰이프(net-shape) 항공우주 열경화성·열가소성 복합재 가공 전반에 걸쳐 평가했다. 이 셀은 프리프레그, 오르가노시트(organosheet), 건식 섬유(수지 주입용)를 처리한다.

중간 결과는 스티븐 슈크(Steven Shewchuk, 보잉)의 '유연한 복합재 제조 워크 셀을 위한 확장 가능한 동적 제어 아키텍처 개발(Development of Scalable Dynamic Control Architectures for Flexible Composites Manufacturing Work Cells)'에 상세히 기술됐다.

서피스 제너레이션은 RAPM 팀에 최대 0.9m × 0.9m 복합재 부품 생산 가능한 완전 통합 맞춤형 PtFS 클램핑·툴링·몰딩 셀을 공급했다. 이 셀은 몇 분 만에 다른 부품 생산으로 재구성 가능하며, 진공, 수지 주입, 프레스클레이브(press-clave) 열경화성, 열가소성 복합재 통합 등 다중 구성으로 테스트됐다. 광범위한 부품 가공 데이터 이력과 등온·사이클릭 공정 혼합 능력을 보유한다.