열가소성 프리프레그 테이프 품질 관리로 우수한 부품 공정 제어 보장

항공우주와 자동차 산업 모두 열가소성 프리프레그 테이프 응용에 관심을 두고 있다. 예상대로 완성 부품 품질은 라미네이트 원자재 품질에 크게 좌우된다. 열가소성 프리프레그 테이프가 수십 년간 사용돼 왔지만, 많은 이들이 추가 압력이나 열 없이 인시츄(in-situ) 통합을 추구하면서 품질 요구가 강화되고 있다. 프랑스 엔지니어링·첨단 제조 R&T 기관 세팀(Cetim, 프랑스 낭트)이 이 소재들의 품질 보증 시스템을 개발해 완성 부품 품질 관리를 향상시켰다.

인시츄 통합을 위한 테이프 품질 필요성

세팀은 열가소성 복합재 부품 생산 기술을 여러 가지 개발했다. 그중 하나가 열가소성 프리프레그 테이프용 레이저 필라멘트 와인딩 머신이다. 이 머신의 목표는 지금까지 금속과 열경화성 복합재로 제한됐던 탱크와 튜브 응용 제품을 제조하는 것이다.

이 열가소성 와인딩 공정은 열경화성 필라멘트 와인딩과 같은 개념이나, 다른 인시츄 통합 단계를 가진다. 열가소성 복합재의 경우 레이저(열가소성 프리프레그 테이프 자동 섬유 배치 AFP에 쓰이는 것과 유사)가 테이프 특정 영역을 가열해 열가소성 매트릭스를 용융점까지 올린다. 이 용융 온도 영역에서 드럼이 가하는 압력으로 테이프 통합이 이뤄진다. 부품의 연속 층이 와인딩 중 적층되고 통합된다.

그러나 업계는 지난 10년간 자동 배치 공정 개발 과정에서 신뢰할 수 있는 물성과 성능의 부품을 생산하려면 이러한 열가소성 테이프의 열적·물리화학적 거동을 이해해야 함을 발견했다. 예를 들어 테이프는 일정한 치수와 매우 낮은 다공성을 가져야 가공 중 온도 변동으로 인한 층간 불량 통합을 방지할 수 있다.

이에 세팀은 열가소성 복합재 공정 개발 성공과 인시츄 통합 부품 품질 효율적 평가를 위해 전체 제조 사이클에 걸친 4가지 품질 보증 검사를 개발했다: 치수(입고 시), 열적(가열 시), 인라인(통합 중), 통합 후 테이프 층간 박리 에너지.

치수 관리(Dimensional control)

첫 번째 검사는 사용 전 실시한다. 테이프 두께와 폭을 길이 방향으로 신속 평가하는 게 목적이다. 시험기는 레이저, 반사 레이저 신호를 포착하는 카메라, 테이프 언와인드 길이를 측정하는 센서로 구성된다. 공정은 출하 상태 스풀에서 빈 스풀로 테이프를 풀어감으며 진행된다. 이 과정에서 레이저와 카메라가 테이프 폭 전체와 전체 측정 길이에 걸쳐 광 데이터를 제공한다. 처리 소프트웨어가 데이터를 해석해 실시간으로 X축(테이프 폭 변화)과 Y축(테이프 두께 변화) 그래프를 표시한다(Fig. 1). 이로써 폭·두께 결함을 시각적으로 탐지하고, 소프트웨어가 치수 공차 초과 시 자동 경고한다. 시험 완료 후 테이프 폭·두께 변화 데이터를 쉽게 조회 가능(Fig. 1 표)하며 통계 처리도 가능하다.

열적 및 미세조직 관리(Thermal and micrographic controls)

두 번째 검사는 가열(여기선 레이저) 시 테이프 열적 거동에 영향을 주는 결함(치수 변화, 섬유-매트릭스 간 접착/박리, 다공성, 표면 상태)을 제조 전에 평가한다. 저출력 레이저 앞에서 테이프를 스크롤하고 열화상 카메라로 생성된 온도 변화 이미지를 포착하는 기법이다. 가열 불균일성은 다공성, 드라이 파이버, 표면 거칠기가 국부적 열적 거동을 변화시키는 결함 영역을 식별한다. 데이터 처리 후 테이프 열적 반응의 공간적 표현 이미지(Fig. 2)를 얻을 수 있으며, 빨간색은 원하는 가공 온도보다 따뜻한 영역, 파란색은 더 차가운 영역을 나타낸다.

공정 시간(X축) 대 테이프 온도(Y축) 그래프(Fig. 2)도 표시 가능하다. 세팀은 이 결과를 테이프 단면 미세조직 사진의 다공성 측정과 상관관계 분석했다. 이는 수령한 테이프 단면과/또는 최종 부품 단면을 디지털 현미경으로 관찰해 섬유 분포, 결함 유형, 다공성 등 정성적 정보를 제공한다. 테이프 온도 반응과 부품 품질 간 상관관계 확립에 도움이 되지만, 미세조직 검사는 비용이 많이 들고 파괴적이며 테이프 전체 길이가 아닌 단면별 분석만 가능하다.

하지만 세팀은 이 조사 작업을 완료해 테이프 온도 반응 시험 결과와 미세조직 단면 결과를 상관관계 분석했다. 이 결과는 열가소성 테이프에 대한 이 풍부한 관리의 효과를 보여주며, 더 효율적인 데이터 처리도 개발 중이다.

인라인 관리(Inline control)

이 관리는 제조 공정 중 직접 필수 제조 파라미터(측정 온도, 레이저 파워, 테이프 속도, 테이프 위 롤러 압력)를 직접 모니터링해 생산 중인 부품이 적합한지 인라인으로 판단하는 것이다. 이 데이터의 디지털 처리로 제조 품질의 시각적·자동적 종합이 가능하다.

세팀은 전체 제작 공정 중 공정 파라미터 개요를 제공하는 대시보드를 개발했다. 데이터 분석은 MATLAB 소프트웨어로 수행하며 경보 임계값 구현과 이탈 영역 확대 분석(예: 테이프 품질, 기하학적 불일치, 머신 오작동)을 가능케 한다.

단순 형상 부품(플레이트, 튜브, 링 등) 생산 모니터링에 특히 효과적이나, 복잡한 형상 부품엔 생성하기 더 복잡하다.

박리 시험(Peel test)

이 마지막 검사는 세팀이 시험대 전문 업체 LF 테크놀로지스(LF Technologies, 프랑스 생일레르드리에)와 협력해 개발했다. 단 몇 분 만에 테이프 층간 접착력을 평가할 수 있다. 측정은 '링(rings)'이라 불리는 시편에서 이뤄지는데, 단순 튜브에 테이프 여러 라운드를 감아 인시츄 통합해 제작한다. 이 통합 링들을 시험기 좌측 드럼(Fig. 3)에 올리고 우측 드럼으로 풀어낸다. 속도, 박리 각도(끝에 롤러가 달린 암으로 조절) 등 여러 파라미터 조절 가능. 시험 완료 후 자동 데이터 처리 시스템이 풀려난 테이프 길이에 따른 박리 에너지 변화를 추출해 그래프화한다. 이 시험으로 최적 제조 파라미터를 상대적으로 빠르고 저렴하게 평가할 수 있다.

제품 및 공정 제어 강화

열가소성 프리프레그 테이프 품질 관리는 복합재 부품 제조사가 자사 제품 품질을 관리하게 해준다. 이들 검사 중 하나라도 부적합하면 문제 원인을 파악해 신속·효과적으로 시정할 수 있다. 실제로 이 검사들은 일종의 품질 보증 흐름도를 제공한다:

• 문제가 테이프 원자재에서 오는가?
  치수 및 열적 검사와 제한적 단면 미세조직 분석으로 검증.
• 문제가 제조 단계에서 오는가?
  인라인 검사와 박리 시험으로 검증.

이 검사들로 세팀은 주어진 응용 분야에 가장 적합한 테이프를 선정하기 위한 소재 벤치마크를 효율적으로 수행할 수 있다. Fig. 4 표는 고성능 복합재 응용 분야용 최적 탄소섬유/PEEK 테이프 평가 사례다. 또 다른 예로 세팀이 미래 연료전지 차량용 열가소성 복합재 수소 저장 탱크 개발을 위한 저가 테이프 평가도 진행 중이다. 세팀은 열가소성 인시츄 통합 응용 개발을 위해 여러 글로벌 기업들과 민간 연구 계약 하에 협력 중이다.

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저자 소개

다미앵 기용(Damien Guillon)은 항공공학 학위와 복합재 충격 거동 박사 학위 후 2009년 세팀에 합류했다. 시험실 매니저와 복합재 설계 전문가로 일한 후 폴리머·복합재 팀 R&D 매니저가 됐다.

요안 르 프리아트(Yoann Le Friant)와 뤽 푸아트뱅(Luc Poitevin)은 각각 2018년, 2017년 기계공학 석사 후 세팀 R&D 프로젝트 매니저로 합류했다. 르 프리아트는 폴리머 부품 수명 예측과 열가소성 테이프 품질 관리를 담당하며 세팀 소재 선택 컨설팅도 맡고 있다. 푸아트뱅은 열가소성 공정 이용 우주 산업 부품 개발과 복잡한 기능 통합을 연구한다.