컴포테크(CompoTech), 복합재 제조 혁신으로 새 시장 기회 개척

회사의 기반은 단연 필라멘트 와인딩(filament winding)이지만, 컴포테크(CompoTech)는 핀 기반 와인딩(pin-based winding), 오버와인딩(overwinding), 혁신적 툴링과 소재 컨셉으로 이 공정을 새로운 응용 분야로 확장했다. 그 결과 하이브리드화(금속, 3D 프린팅, 독자 자동 섬유 배치(AFL) 등)와 결합해 새로운 성능 수준을 달성하는 공정의 유연성을 확보했다.

컴포테크(CompoTech, 체코 수시체)는 1995년 온드레이 우헤르(Ondrej Uher)와 비텍 스프들릭(Vitek Sprdlik, 현 R&D 디렉터와 기술 디렉터) 공동 창업했다. "이들은 카약·카누 패들 샤프트 생산용 필라멘트 와인딩 머신을 만들며 0° 섬유 축방향 와인딩 독자 기술을 통합했습니다"라고 컴포테크 비즈니스 개발 디렉터 험프리 카터(Humphrey Carter)는 설명한다. "이게 이제 핵심 역량입니다. 이 구조가 더 강하고 단단한 구조에 섬유 버클링 저항성도 높임을 입증했습니다."

회사는 연결용 일체형 복합재 후프(hoop) 와인딩 능력도 개발했다. 행글라이더 스페어(spar)부터 드라이브샤프트, 산업 부품까지 다양한 부품에 쓰인다. "컴포테크가 머신과 제어 소프트웨어를 직접 설계합니다"라며 카터는 말한다. "공정 완전 통제로 설계 최적화가 가능합니다. 설계 기준에 맞춰 공정 기술을 맞춤 개발해 기술 파트너들과 복합재 설계자·생산자들도 활용 가능하게 합니다. 예: 서던 스파스/노스 마린 그룹(Southern Spars/North Marine Group)에 기술 라이선싱."

머신 툴 설계

현재 약 50명 고용, 절반 가까이가 설계·엔지니어링. 체코 기술대(CTU, 프라하)와 서보헤미아 대학교(필젠)와 강한 연계. 컴포테크는 농업 분무 장비 붐, 풍력 블레이드 팁 샤프트, 자전거 프레임·휠, 자동차 조립 그리퍼용 튜브·프레임, 레이저 커터·CNC 머신용 경량 갠트리 부품 등 다양한 응용 분야 복합재 솔루션 개발해 왔다.

"2000년대 초부터 체코에서 보편적인 산업·머신 툴 분야에서 일해 왔습니다"라며 카터는 설명한다. "복합재를 모르는 매우 보수적인 산업이라 머신 툴 전시회 가서 교육합니다." 이 산업은 가속 부품과 밀링 치아 같은 절삭면 진동이 가공 정밀도와 공구 수명 저하 원인임을 이미 안다. 컴포테크는 절삭 공구 하모닉스(질량, 강성, 하중/힘 기반 진동)가 성능과 생산성 제한 요인임을 설명한다. 잘 알려지지 않은 건 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 머신·툴 홀더 구조에 써서 질량 줄이고 강성 높일 수 있다는 점(강철 대비). 피치 섬유 사용 시 컴포테크는 25% 중량 감소와 200% 강성 증가(단방향 섬유로 400 GPa 달성)를 각각 보고한다. 이는 구조물 고유 진동수 높여 공진 방지하는 두 주요 방식. 공진은 구조물이 스스로 진동해 이미 진동 취약한 회전 부품과 가변 속도 기계 문제 악화시킴.

"우리 공정으로 CFRP 쓰면 오토클레이브 복합재 대비 머신 툴 드리프트도 감소합니다. 열응력 덜 유발하기 때문입니다"라고 카터는 덧붙인다. "툴 홀더는 길고 가는 보로 설계와 소재 구성에 따라 시간이 지나며 변할 수 있습니다. 그럼 공구 관계 위치가 변해 정밀도 떨어집니다."

댐핑 위해 컴포테크는 섬유·폴리머 복합재 고유 특성 넘어 다른 소재 포함 개척해 강철 대비 12~20배 댐핑 제공, 진동 직접 상쇄하고 감쇠 가속(위 그래프 참조). "10년 이상 원하는 물성·성능 달성하는 댐핑 복합재 설계 경험 있습니다"라며 카터. 예: 강철 척 대비 훨씬 적은 클램핑 힘 필요한 새 워크피스 척 설계. 또 하드투머신 인코넬 718(Inconel 718) 합금 항공기 엔진 저압 터빈(LPT) 케이싱 선반 가공용 개조 고정구. EU 지원 인티픽스(INTEFIX) 프로젝트 통해 개발. 컴포테크가 금속 링(로케이터용) 대체 CFRP 링 개발. 결과: 강성·기능 손실 없이 워크피스 거동 개선, 가공 성능 향상. 효과적으로 고정구가 지능화돼 공정 중 필요에 따라 워크피스 클램핑 적응.

컴포테크는 전기차 하이브리드 금속/복합재 기어박스 지속 작업 중. 질량 25% 절감과 고유 진동수 증가·댐핑으로 소음 감소 목표. 이 프로젝트(2016~2019년 10월)는 체코 기술대(CTU, 프라하), 한국 기계재료연구원(KIMM, 대전), 삼양감속기(Samyang Reduction Gear, 인천) 협업. 기어박스 메인 바디는 복합재에 베어링면용 금속 인서트. 컴포테크가 기어박스 상하 케이스와 기어 샤프트 설계·제작. 모두 다중 부품으로 접착 본딩. CTU가 시험·FE 해석, 한국 파트너가 기술 사양 제공, 마무리·조립·시험 담당.

박리 저항 에일러론(Delamination-resistant aileron)

카터는 머신 툴 R&D 많이 한 게 에어로 보도치(Aero Vodochody AEROSPACE, 체코 오돌레나 보다) L-39NG 제트 트레이너용 에일러론 같은 새 응용으로 이어진다고 설명. "매우 까다로운 응용으로 후연에서 초고압 발생"이라며 "무장 버전은 날개 장착 로켓 발사 시 압력파도 경험." "기존 복합재 구조론 에일러론 후연에서 박리 발생"이라며 카터. "모든 접착 본딩 제거하고 습식 필라멘트 와인딩과 공동 경화로 일체형 구조 만들었습니다. 설계와 공정 단계 개발에 수개월 소요. 먼저 로봇 보조 와인더로 에일러론 스페어(spar) 형성하는 4개 박스 빔 필라멘트 와인딩. 이들은 사다리꼴, 전연과 후연에서 D-형상." 후연엔 별도 피스로 더 공기역학적 표면 생성.

"이후 모든 부품을 맨드릴 위서 결합하고 오버와인딩해 종방향 리브 위 외부 표면 생성"라며 카터 계속. "전체 구조 진공 백킹하고 상온 경화, 90°C 후경화."

"고객과 공정 기술·설계 개발하는 우리 작업 방식의 좋은 예입니다. 우리 생각은 에일러론 등 부품 대량 생산이 아닙니다. 우리가 머신 만들고 고객이 와인딩하게 합니다." 에일러론은 현재 비행 중이며 에어로 보도치는 L-39NG 제트 트레이너 4년 치 주문 잔고 보유.

일반적으로 컴포테크 습식 와인딩 공정은 정밀도 기반, 기본적으로 즉석에서 토프레그(towpreg) 생성. "주로 에폭시 수지와 100°C 경화 사용"이라며 카터. "다운홀 툴 같은 더 높은 Tg 필요한 응용엔 140°C 경화도 가능."

고축 방향 강성, 두껍고 복잡한 단면 부품용 3D 셀룰러 복합재 예시. 출처: 컴포테크

신규 공정(Novel processes)

3D 셀룰러 복합재(3Dc)는 컴포테크가 명명한 3차원 강화 복합재 생산 공정군. 단면이 셀룰러(세포상) 모습으로, X방향 초고 0°(축방향) 섬유 함량이 Y, Z방향 섬유(셀 벽 형성)와 상호 연결돼 있다. "매우 높은 축방향 강성 필요한 두꺼운 부품 위해 이 공정 만들었습니다"라며 카터. 그 강성은 매우 높은 0° 섬유 함량에서 나옴. 셀 벽들도 단면 가로 전단 하중 전달, T-슬롯 같은 흥미로운 단면 구현 가능.

회사는 비틀림과 고유 진동수 요건 충족 위해 3D 프린팅 맨드릴과 서포트도 제작. 두꺼운 라미네이트 없이. "CTU와 또 다른 프로젝트"라며 카터, "자동화된 구조 내부 설계 개발 중." 열가소성 복합재 와인딩이 크게 떠오르고 있다며 "다음 단계는 우리 와인딩을 열가소성으로 결합해 3D 프린팅과 폴딩으로 복합재뿐 아니라 머신 툴 구조용 혁신적 몰딩 툴 만드는 것."

컴포테크, 하이브리드 공정으로 강성·경량 CFRP 갠트리 구조 만들어 머신 정확도·속도 향상. 출처: 컴포테크, 이글 레이저(Eagle Laser).