재활용 열가소성 복합재의 대규모 생산

재활용성은 열가소성 복합재(TPC) 사용의 오래된 약속된 혜택이었지만, 아직 대규모 상업적 활용은 이루어지지 않았습니다. 소재 공급업체 텐케이트 어드밴스드 컴포지츠와 열가소성 복합재 연구센터(TPRC)는 1차 제조사 GKN 포커와 협력하여 2016년 그러한 공정을 시연했습니다. 팀은 GKN 포커의 걸프스트림 G650 엘리베이터와 러더 생산에서 발생한 스크랩 텐케이트 세텍스 TC1100 직조 탄소섬유/폴리페닐렌 설파이드(CF/PPS) 소재를 사용하여 액세스 도어 패널을 개발했습니다. 생산 폐기물은 다진 후 TPRC가 설계한 공정과 금형으로 압축 성형되었습니다. 액세스 도어 패널은 성형된 보강 리브, 두께 변화, 보스가 있는 성형 구멍을 특징으로 했습니다. (보스는 패스너를 구멍으로 안내하는 돌출 특징입니다.) 재생 소재 사용으로 성형된 기능성이 더 큰 경량 부품을 만들면서 폐쇄 루프 제조 공정을 형성했습니다. 액세스 도어 패널은 걸프스트림 G650 러더 전단에 사용되었습니다. 이 프로젝트는 2016년 JEC 혁신상을 수상했습니다.

2016년 시연된 액세스 도어 패널은 스크랩 세텍스 CF/PPS 소재로 제작되었으며 보강 리브와 보스가 있는 성형 구멍을 특징으로 합니다. 출처 | TPRC.

그 연구 이후 새로운 조직인 열가소성 복합재 응용 센터(TPAC)가 설립되었습니다. "TPRC는 10년 전 설립되어 주로 항공우주 산업용 기초 TPC 연구를 수행합니다."라고 TPAC의 경량 구조 연구원 토마스 드 브루인은 설명합니다. "TPAC은 약 2년 전 설립되었으며 더 응용 지향적인 방식으로 작업합니다. 색시온 대학과도 연결되어 있으며 중소기업들과도 연계됩니다. 우리는 더 비용 효율적인 공정 개발로 비용을 낮추는 데 집중합니다. 이 두 그룹은 함께 TPC NL을 형성하며, TPC 기술을 위한 스마트 산업, 디지털 혁신 허브입니다."

TPAC의 참여와 텐케이트의 지속적 R&D는 이러한 유형의 폐쇄 루프 제조가 가능할 뿐만 아니라 경제적으로도 유익함을 입증했습니다. 초점은 초기에 CF/PPS 소재에 맞춰져 있으며, 연구는 산업 파트너들과 협력하여 이 TPC 재활용 강화 부품 생산을 구현하는 데 도움을 줍니다.

그러나 개발된 실제 공정은 다릅니다. 텐케이트는 연속 섬유 부품에 성형된 기하학적 특징과 기능성을 추가하기 위한 플로우 레이어로 더 짧은 섬유 소재 사용에 집중했습니다. 한편 TPRC와 TPAC은 더 긴 섬유 길이를 유지하여 기존 단섬유 컴파운드보다 더 높은 기계적 특성을 가진 부품으로 압축 성형할 수 있는 반죽 같은 소재를 만드는 데 주력했습니다.

텐케이트 — 플로우 레이어 강화 오르가노시트 부품

"3년 전 우리는 R&D 예산의 더 많은 부분을 재활용에 투자하기 시작했습니다."라고 텐케이트 열가소성 제품 매니저 프랭크 텐 나펠은 말합니다. "이것은 단지 '그린 라벨'을 얻기 위함이 아닙니다. 우리는 재생 소재를 부품에 통합하는 것이 매우 실질적인 경제적, 구조적 이점을 제공한다고 확신합니다. 그렇지 않으면 달성할 수 없는 수준의 기하학을 부품에 적용할 수 있습니다. 재생 소재 플로우 레이어를 적용함으로써 부품 전체에 보강 리브와 가변 두께, 구멍 주변 보스를 성형할 수 있으며, 이는 패스너에 의해 유도된 하중을 분산시킵니다. 이 모든 것은 순수 소재만 사용하는 것보다 더 얇고, 가볍고, 비용 효율적인 부품을 가능하게 합니다." 그는 이러한 성형 특징이 연속 섬유 소재로는 달성하기 어렵지만, "연속 섬유와 국소 오버몰딩을 결합하면 더 많은 설계 자유도를 얻습니다."라고 언급합니다.

이 브라켓 타입 시연기는 같은 부품의 양면을 보여주며, 기존 직조 오르가노시트 층과 재생 TPC 플로우 레이어를 강조합니다. 후자는 보강 리브와 인서트용 보스를 특징으로 합니다. 출처 | 텐케이트

 

 

TPC-사이클 프로젝트

이 4년 프로젝트는 2015년 9월 시작되었으며 열가소성 복합재(TPC) 공급망 전반의 파트너들을 포함합니다:

• 텐케이트 어드밴스드 컴포지츠(토레이 그룹) — 소재
• GKN 포커 에어로스트럭처스 — 항공우주 구조물 및 어셈블리 1차 설계 및 제조
• 더치 서모플라스틱 컴포넌츠(DTC) — 항공우주 리브, 스트링거, 브라켓, 클립, 박스 중소기업 설계 및 제조
• 카토 컴포지츠 — 항공우주, 자동차, 방위, 스포츠, 소비자 시장용 부품 중소기업 제조 및 설계
• 니도 리사이클링테크닉(NRT) — 재활용할 소재/부품 파쇄 및 크기 축소 기술

TPC-사이클은 TPAC과 색시온 응용과학대학, 특히 경량 구조 연구 그룹이 촉진하며, 네덜란드 과학연구기구(NWO) 일부인 레히오르간 SIA가 자금을 지원합니다.

토마스 드 브루인은 TPC-사이클 프로젝트 매니저이자 색시온/TPAC 경량 구조 연구원입니다. 그는 TPC-사이클 프로젝트 시작의 많은 동인이 있었다고 설명합니다. "연속 섬유 TPC 사용 증가, 특히 클립과 브라켓용 스탬프 포밍에서 볼 수 있었습니다. 이 증가로 산업 후 폐기물 볼륨이 상당해집니다. 그래서 재활용은 환경과 경제적으로 필요했고, 규제 충족을 위해서도 필요했습니다. 예를 들어 유럽 폐차 법규는 자동차에 사용된 소재의 95% 재활용을 요구합니다." 그는 에어버스도 재활용 및 폐기 목표를 설정하고 공급업체에 전달했다고 덧붙입니다. "공급망은 이러한 목표를 충족할 수 있다고 말할 뿐만 아니라 시연기로 그 능력을 입증해야 합니다."라고 드 브루인은 덧붙입니다.

"우리는 또한 식품 상자, 가구, 산업 부품 같은 적용 분야에서 항공우주 밖 TPC 성장을 보았습니다. 이들은 더 낮은 사이클 타임, 경량, 더 스마트한 구조를 제공하기 때문입니다."라고 드 브루인은 말합니다.

그는 계속합니다. "우리는 상업적으로 실행 가능한 재활용 공정 체인을 입증하고 싶었지만 단순히 분쇄하는 다운사이클링이 아니었습니다. 고성능을 원했습니다. 그래서 0.5-1.0인치 섬유 길이를 유지하는 저전단 혼합 접근법을 선택했습니다. 강성에는 몇 mm 길이만 필요하지만 강도와 내충격성에는 0.5인치 이상 길이가 필요합니다." 섬유 길이 유지 외에도, 소재 혼합과 최종 재생 제품에서 좋은 균질성을 얻는 것이 또 다른 핵심 과제였습니다.

"목표는 폐기물을 수집하고 0.5-1.0인치 플레이크로 파쇄하여 균질한 반죽으로 변환한 후 압출하여 직접 압축 성형 프레스로 이송하는 것입니다."라고 TPRC 연구자이자 박사과정생 기욤 뱅상(Guillaume Vincent)은 설명합니다. "반죽 가공은 플레이크와 버진 폴리머 과립을 저전단 믹서에 공급하여 섬유 중량 분율을 25-40%로 낮춤으로써 수행됩니다." 그는 이 공정이 자동차에서 흔한 장섬유 열가소성 직접 컴파운딩(D-LFT)과 매우 유사하다고 지적합니다. "하지만 D-LFT 공정은 수백만 달러 투자가 필요하므로 고량산 생산에만 사용됩니다. 우리는 더 작은 기계를 사용하면서 유사한 결과를 얻도록 접근법을 수정했습니다. 우리 볼륨은 D-LFT 공정 대비 낮습니다."

뱅상은 완전한 재활용 가치 사슬 포함이 성과를 내는 예시를 설명합니다: "NRT가 우리에게 더 큰 파쇄기 제조사인 운타(Untha) 등과 연결해 주었습니다." 이는 시리얼 부품 생산을 위한 공정 확장의 핵심 부분입니다.

개발 중인 첫 공정 체인은 CF/PPS용입니다. 뱅상은 TPC-사이클이 재생 소재의 섬유 길이와 분포를 특성화하기 위한 시뮬레이션 모델과 분석 방법을 구축했다고 말합니다. "이러한 소재 특성이 성형 부품 특성으로 어떻게 전이되는지도 이해하고 있습니다."라고 그는 관찰합니다. 이는 사실 그의 박사 논문 초점이 될 것이며 2019년 말까지 출판될 예정입니다.

TPC-사이클 프로젝트는 열가소성 복합재 재활용을 위한 완전한 공정 체인을 개발했습니다. 비용 효율적 파쇄와 섬유 길이 및 분포 특성화 포함. 출처 | TPRC/TPAC.

이 재생 반죽은 때때로 벌크 몰딩 컴파운드(BMC)라고 불립니다. 역사적으로 BMC는 단섬유 유리섬유(<25mm), 열경화성 수지 페이스트, 필러의 반죽 같은 혼합물로 압축 성형되어 복합재 부품이 되었습니다. SMC 대비 더 낮은 섬유 함량과 더 많은 플로우로 약간 낮은 기계적 특성을 제공했습니다. 텐케이트는 수년간 열경화성 및 열가소성 BMC를 판매해 왔으며, 후자는 다진 단방향 프리프레그 테이프를 금형에 펼치고 압착하는 공정입니다. "우리 제품은 실제로 상당히 다릅니다."라고 뱅상 단언합니다. "기존 열가소성 BMC는 일반적으로 혼합이 없고 긴 가열 및 통합 사이클이 필요합니다. 우리는 혼합으로 더 균질한 제품과 부품 내 응력 집중 감소를 얻어 더 높은 특성을 달성했습니다. 기존 열가소성 BMC에서는 매트릭스 풍부 영역이 있는 더 두꺼운 플레이크를 얻어 복합재 라미네이트에 응력 집중을 만듭니다."

저전단 혼합 공정은 플레이크를 층으로 풀고, 층을 번들로, 번들을 느슨한 섬유로 분리합니다. 폴리머도 혼합되어 섬유 함량을 낮춰 더 나은 플로우 특성을 얻어 소재를 형상 가공하기 쉽게 만듭니다.

 

"반죽은 압출된 후 로봇으로 개방된 등온[가열된] 압축 금형에 배치됩니다."라고 드 브루인 설명합니다. "혼합 후 반죽의 섬유는 무작위 배향입니다. 하지만 압착 중 소재 흐름이 섬유를 재배향시킵니다. 이 배향은 사출 성형되는 더 짧은 섬유 혼합물보다 낮지만 부품 간 유사합니다. 이는 우리의 지속적 연구 주제 중 하나입니다."

비용

현재까지 개발된 TPC-사이클 공정 체인은 경제적으로 유익해 보입니다. "올해 말까지 부품 비용을 얼마나 낮출 수 있는지 답하길 희망합니다."라고 드 브루인 말합니다. "하지만 이는 복잡합니다. 시장이 필요하고 재생 소재를 팔아야 하기 때문입니다." 그는 많은 경제적 요인이 있다고 지적합니다. 예를 들어, 오늘날 대부분 제조사는 단순히 생산 폐기물을 버립니다. 매립 처분 지역 비용은 톤당 €80($90). "하지만 버려지는 이 소재는 가치가 있습니다."라고 드 브루인 말합니다. "또한 폐기물 수집, 파쇄, 혼합, 새로운 부품으로 압축 성형하는 비용도 계산해야 합니다. 그러나 이는 근사 넷쉐이프 공정으로 등온 금형 덕분에 짧은 사이클 타임을 가집니다." 즉, 2차 마감 및 가공이 대폭 감소하거나 제거되어야 합니다. 드 브루인은 TPC-사이클이 현재 비용 분석과 수명주기 분석을 검토 중이라고 말합니다.

출처 | TPRC/TPAC

클린 스카이 RESET

텐케이트가 완료한 작업과 TPC-사이클 프로젝트에서의 작업 중요성을 재확인하는 세 번째 프로젝트는 RESET 프로젝트입니다. 2016년 1월부터 2017년 12월까지 진행되었으며 스페인 바르셀로나 레이타트 기술 연구소가 조정했습니다. RESET은 클린 스카이(2008-2016)에서 시작되어 클린 스카이 2(2017-2021)에서 완료된 것으로 보입니다.

클린 스카이와 클린 스카이 2 프로그램은 최상위 혁신 항공기 시연 프로그램(아래 이미지 Vehicle IADPs 참조)과 하위 혁신 기술 시연자(아래 이미지 Large System ITDs 참조)로 조직됩니다. RESET은 기체 ITD, 구체적으로 작업 패키지(WP) A-3.4 기체 에코 디자인의 일부로 완료되었습니다.

출처: 클린 스카이 2 공동 기술 제안
자세한 내용은 "열가소성 복합재 시연기 — 미래 기체 EU 로드맵" 참조.

클린 스카이 프로젝트 책임자 엘레나 페도네에 따르면, 레이타트의 RESET 팀은 이전에 사용된 항공기 복합소재를 재활용하여 새 부품 제조에 사용하는 공정을 개발했습니다. 이들은 이 재생 부품을 상업적으로 제작된 것들과 비교했으며 유사한 기계적 특성을 가짐을 발견했습니다. "이 프로젝트에서 개발된 기술은 향후 몇 년 내 항공 분야에서 현실적으로 상용화될 수 있으며 다른 경제 부문으로 파급될 가능성도 있습니다."라고 페도네는 말합니다.

RESET 프로젝트 동안 PEEK와 PPS 열가소성 매트릭스 소재와 탄소섬유 보강의 화학적 특성 효과가 조사되었습니다. 보강 형상(섬유 길이, 직조 대 논우븐)도 연구되었습니다. 섬유 함량(폴리머 대 섬유 비율) 효과도 연구되었습니다.

두 번째 작업 패키지에서 주요 목적은 압출과 그 결과 성형 복합재 기반 재생 CF/PPS의 조절 및 특성화였습니다. 열가소성 브라켓과 열가소성 클리트 두 부품이 사출 성형으로, 또 다른 두 부품이 열성형으로 제작되었다고 레이타트 프로젝트 과학 코디네이터 클라우디아 아길라르가 설명합니다. 이 부품들은 테스트되었습니다. "소재의 기계적 특성이 상업적 대응물과 비교 가능함이 발견되었습니다."라고 아길라르 말합니다.

RESET 프로젝트는 항공기 생산에서 발생한 TPC 폐기물을 원료로 가져와 항공기용 새 부품 생산에 사용할 수 있는 재활용 공정을 시연했다고 주장합니다. "최대 70% 재생 소재를 사용하여 새로운 복합소재 패밀리를 생산했습니다."라고 아길라르 말합니다. 그녀는 "RESET의 재활용 공정은 유럽 항공이 환경 발자국을 제한하고 새 항공기 부품 생산 비용을 절감할 수 있게 합니다. 따라서 이 프로젝트는 항공 산업을 더 경쟁력 있고 친환경적으로 만듭니다."라고 덧붙입니다.

클린 스카이 RESET 프로젝트 시연 재생 CF/PPS 소재 브라켓(왼쪽)과 클리트(오른쪽). 출처 | 레이타트 기술 연구소

 

TPC 미래는 설계에서 시작

텐케이트와 TPRC/TPAC의 주장은 이제 시연된 이러한 재활용 공정이 친환경적일 뿐만 아니라 경제적으로도 매력적이라는 것입니다. 그렇다면 어떤 투자가 필요할까요? "생산량에 따라 다릅니다."라고 텐케이트 텐 나펠 말합니다. "필요한 파쇄기는 크거나 비싸지 않고 공정은 상당히 간단하게 개발되었습니다." 매트릭스 유형이 재활용성에 영향을 미치나요? "아니요."라고 텐 나펠, "하지만 경제적 실행 가능성 측면에서 탄소섬유와 PPS, PEEK, PEKK는 유리섬유와 폴리프로필렌보다 더 실행 가능합니다. 후자 대비 더 높은 가치 때문입니다."

"이것이 업계에 채택되려면 설계에서 시작해야 한다고 생각합니다."라고 그는 계속합니다. "현재 가장 큰 걸림돌은 엔지니어들의 마인드셋입니다. 실제로 재생 소재로 설계하거나(또는 이를 새 제품에 부분적으로 설계하는 것) 하는 것은 그들에게 꽤 새로운 일입니다."

텐 나펠은 텐케이트가 상업적으로 부품을 설계하거나 제조하지는 않지만, "새 부품과 구조 개발 시 엔지니어들이 이런 식으로 생각하도록 영감을 주려 노력합니다."라고 인정합니다. 그는 항공기 인테리어와 액세스 패널, 액세스 도어를 재생 소재 재사용의 저수확 과일로 꼽습니다. "우리가 업계로서 우리 자신의 스크랩과 폐기물 재사용에 익숙해지면, 다음 단계로 수명 종료 부품 해결책을 모색할 수 있습니다."

열가소성 복합재 재활용에 대한 만트라인 '단순히 분쇄하고 재성형'은 확실히 채택될 수 있지만, 텐 나펠은 그것이 경제적으로 종종 의미가 없다고 말합니다. "우리는 더 나은 공정을 시연했고 실제로 더 비용 효율적인 부품과 전체 프로그램을 만들 수 있는 공정입니다. 우리는 이 지식을 TPRC와 TPAC과 함께 전파하여 열가소성 복합재로 무엇이 완전히 가능한지 업계에 영감을 주기로 선택했습니다." 열가소성 복합재가 대규모로 채택된다면, 생산의 고유한 부분으로서 재활용은 더 이상 선택이 아니라 필수입니다.