제로 웨이스트 혁신: 프리프레그·테이프 오팔(offal) 재활용 신공정 & 장비

프리프레그 패브릭이나 단방향(UD) 테이프 키팅(kitting) 시 너무 작거나 섬유 정렬이 잘못돼 타 프로젝트 재사용이 어려운 트리밍(트리밍 스크랩) 처리 문제가 있다. 네스팅 소프트웨어와 커터로 스크랩이 크게 줄었지만, 여전히 매립되는 경우가 많아 소재·부품 비용과 환경 부담을 가중시킨다. 그러나 네덜란드 기업 반 베이스 UD 앤 크로스플라이 테크놀로지(Van Wees UD and Crossply Technology BV, 네덜란드 틸부르크)가 열가소성 테이프 오팔 재사용을 위한 신기술과 이를 구현하는 머신 개발로 지속가능성 개선에 나서고 있다.

섬유 산업 뿌리

1945년 설립돼 섬유 산업에 깊은 뿌리를 둔 반 베이스는 첨단 복합재(열경화성·열가소성, 탄소·유리섬유) 생산을 위한 머신과 생산 라인 설계·제작·설치·시운전을 종합 제공하는 기업으로, 고품질·고량산 생산 방식에 집중한다. 회사는 프리프레그 함침 라인(크릴 포함)을 제작하는데, 열경화성 측면에선 주로 에폭시, 열가소성 측면에선 폴리프로필렌(PP)부터 고온 폴리아마이드(PA)까지 범위를 다룬다. 또한 크로스플라이(crossply)와 다축 UD 테이프 배치 머신도 제작해 열가소성·열경화성 테이프 모두 가공 가능하다. 자매 회사 엘트라 엔지니어링(Elra Engineering BV, 역시 틸부르크)은 산업 자동화 기술 전문으로 반 베이스 머신용 전기 제어와 소프트웨어를 공급한다.

자사 연구기술센터(R&TC)에서 반 베이스는 자사 공정 개발과 반 베이스 시스템 검토 고객, 또는 머신 제작 대기 중 장비 조작 학습 고객을 위해 생산 규모 장비를 갖춘다. 이로써 고객이 평가용 소재를 생산하거나 자사 고객 평가용으로 제공할 수 있다. 예: R&TC에서 크릴에서 토우를 뽑아 섬유 스프레딩과 함침으로 테이프 생산, 이를 크로스플레이나 다축 UD 머신으로 이송해 다양한 플라이 층과 섬유 방향의 라미네이트 생산. (크로스플라이 라미네이트는 0/90도 방향 최소 2플라이, 다축 UD 라미네이트는 0/90도 아닌 각도로 최소 2 UD 플라이.) 이 머신들에서 나온 라미네이트는 핸들링 편의상 택(tack) 처리된다. 이후 다이컷으로 넷셰이프 프리폼으로 가공돼 복합재 부품 가공 준비 완료. 반 베이스 장비 초점은 크로스플라이와 다축 UD 장비로 UD 열가소성 테이프 생산이나, 열경화성 매트릭스나 패브릭 강화재로도 테이프 생산 가능.

흥미롭게도 고객 테스트용 제품 생산과 고객 요청에서 발생한 자사 스크랩 문제가 연구진을 '제로 웨이스트 공정' 개발로 이끌었다. 맞춤형 파이버 블랭크용 프리폼 생산에서 발생하는 칩/오팔 재활용 기술이다. 서비스로 고객들이 이 칩 기반 열가소성 블랭크 평가 기회를 제공하며, 이미 상업적 고량산 생산 장비도 개발했다.

낭비 말고 원해

넷셰이프 프리폼(반 베이스는 '패치(patches)'라 부름) 제작용 다이컷 작업 중 스크랩을 수지·섬유 타입별로 수거·분리한다. 이 스크랩은 불규칙 형상·크기라 다이커터는 최대 50×50mm '칩(chips)' 생산하도록 설계된다. 잘게 잘린 칩들을 압축 또는 진공 성형으로 통합 시트(라미네이트)로 압착해 무작위 배향 불연속 섬유 라미네이트를 만든다. 시트 제작에 추가 수지 불필요, 화학적으로 호환되는 수지의 칩만 혼합하나 최종 부품 원하는 물성에 따라 유리·탄소섬유강화 칩 결합 가능.

라미네이트 내 개별 칩 섬유 길이가 최대 50mm고 시트 전체 섬유 배향이 무작위라, 100% 재활용 제로 웨이스트 맞춤 블랭크는 쇼트파이버 사출 성형 컴파운드 대비 우수한 직교 이방성(orthotropic) 강성과 강도를 제공한다. 다만 라미네이트 불연속 섬유 번들의 섬유 중량 분율이 50~70%(초기 배합은 상한 쪽)라 압축 프레스에서 소재가 거의 흐르지 않는다. 따라서 2.5D나 3D 형상 채우려면 칩 기반 라미네이트를 사출 성형기에서 쇼트파이버나 순수 수지로 오버몰딩(overmold)해야 한다. 압축 프레스에서 연속섬유 소재와 공동 성형(co-mold)도 가능. 어느 쪽이든 라미네이트는 성형 전 예열 필요.

흥미롭게도 반 베이스는 칩 기반 패널이 동일 섬유·수지 구성의 고성능 연속섬유 크로스플라이 패널의 굽힘 강도와 탄성률의 절반을 여전히 제공함을 발견했다.

컨셉 검증

제로 웨이스트 맞춤 블랭크 역량 시연을 위해 반 베이스는 여러 데모스트레이터 프로젝트를 수행했다. 하나는 승용차 도어 이너 패널용 보강/크래시 빔. 이는 리파 시리즈(Lipa Series) 프로젝트 기반으로, 다양한 산업용 양산 경량 복합재 부품 개발 프로젝트였다. 이제 비활성화된 스위스 뷔슬링엔(Büsslingen) 기반 컨소시엄은 연속섬유 오르가노시트/유리매트 열가소성(GMT) 복합재 프리포밍 후 섬유강화 수지 사출 성형으로 백필(back filling)하는 핵심 기술 기반이었다.

반 베이스 데모스트레이터 빔(측면 충격/침입 규제 대응 부품)은 길이 약 650mm, 폭 110mm, 공칭 벽 두께 3mm, 벤치마크 소재(3mm 유리 패브릭 강화 PA6) 기준 약 450g. 중앙에 40mm 높이 돔 구조 특징. 오르가노시트 크래시 빔이 응용 요건 충족할 충분한 에너지 흡수 못 해 반 베이스 연구진이 기존 툴링 유지(동일 벽 두께), 1분 미만 사이클 타임, 제로 웨이스트 조건에서 전반적 성능 개선 시도.

여러 폴리머 공급사와 협력해 반 베이스는 여러 폴리머와 강화재(유리섬유/PA4/10, 유리섬유/PP, 탄소섬유/PP, 유리+탄소섬유/PP)로 UD 테이프 자사 생산. 매칭 쇼트파이버 사출 오버몰딩 컴파운드는 수지 공급사들이 생산. 시뮬레이션으로 맞춤 블랭크용 개별 UD 플라이 수와 배향 평가해 성능 요건 충족·초과 검증. 다음, 테이프로 연속섬유 라미네이트 생산해 크래시 빔 제작. CAE(컴퓨터 지원 엔지니어링) 결과 유리섬유/PA4/10 맞춤 블랭크가 패브릭/오르가노시트 대비 저비용으로 최적 물성 예측, 물리 시험으로 확인.

폐기물과 비용 추가 절감 탐구로, 연속섬유 라미네이트 생산 시 발생 스크랩(약 30% 절단 손실) 재활용해 1mm 두께 칩 기반 라미네이트 생산, 이를 '스킨(skins)' 사이 코어 레이어(3 UD 플라이 대체)로 사용. 흥미롭게도 제한적 샘플 예비 테스트에서 연속·불연속 강화재 혼합 하이브리드 라미네이트가 완전 연속 강화 라미네이트 대비 성능 손실 거의 없음.

팀 추가 계산에 따르면 반 베이스 생산 목표 연 200만 크래시 빔 달성 가능. 리파 시리즈 팀 개발 1분 복합재 오버몰딩 공정 활용 시. 반 베이스 맞춤 블랭크 생산 라인 속도(다축 UD 머신 시간당 1,800 패치, 크로스플라이 머신 시간당 1,260 패치) 고려 시 스크랩→칩 기반 라미네이트 변환 장비 추가로 제로 웨이스트 생산 시스템 구축, 생산량 30% 증가해 연 260만 개 가능. 아이러니하게도 이 생산 시퀀스에서 사출 성형기가 병목이 됨(드문 경우).

또 다른 속도감 있는 프로젝트로 반 베이스 본사 회의실 도어 핸들용 복합재 페이스 개발. 최종 복합재 인서트가 작년 컴포지트 오버몰딩 컨퍼런스 참석자들이 볼 수 있게 전시됨.

"공동 개발과 혁신이 현대 산업의 원동력입니다"라며 반 베이스 디렉터 리엔 반 덴 아커(Rien van den Aker)는 말한다. "복합재 체인 모든 플레이어와의 공동 개발이 최우선 관심사라 믿습니다. 금속은 우리 산업 경쟁자이고 가장 합리적 방식으로 만들어집니다. 따라서 지능적 공정과 장비로만 경량 복합재 제품을 고량산 응용에 도입할 수 있습니다." 그는 공급망 구성원 공동 노력이 열경화성·열가소성 복합재 부품 제로 웨이스트 생산 실현에 필요함을 강조한다. "반 베이스는 관심 있는 당사자들에 제품·공정 개발 지원할 준비 돼 있습니다."