CFRP 부품용 혁신적 몰드 인 패스너(Mold-in Fastener) 개발

출처: CW

올해 파리 JEC 쇼에서 자동차 월드 쇼케이스 프로젝트 전시 중 하나에 프랑스 패스너 공급업체 볼호프 오탈루(Böllhoff Otalu, 라 라부아르, 프랑스, 독일 볼호프(Bielefeld) 프랑스 자회사)가 개발한 몰드 인 패스너(molded-in fastener) 전시. 얀 베르나르(Yann Bernard)가 볼호프 IMTEC HR 제품 매니저. IMTEC HR은 In-Molding TEChnology High mechanical Resistance fastener 약자. 자동차 OEM 혁신 부서들과 개발. "중량 구조물 작업해 높은 성능 수준 달성 요청받았습니다. 매우 강한 복합재 부품 만들 수 있지만 약점은 조립입니다. 시트 등 전체 어셈블리를 플로어에 부착해야 하는 니즈 있었습니다." 베르나르 설명. 일반 금속 구조물에선 블라인드 리벳이나 플로어 용접 너트로 달성. "하지만 이제 플로어가 복합재일 수 있습니다. 그럼 이런 복합재 구조물에 어떻게 체결하나요?"

목표: 복합재 부품 체결 충분히 강하면서 비용 경쟁력 있고 대량 생산 적합한 패스너. "금속 플로어 부착은 완전 로봇 공정으로 쉽게 산업화 가능합니다."라고 베르나르. "IMTEC HR 아이디어는 수동 작업 없는 복합재용 산업화 솔루션이었습니다." IMTEC HR 패스너는 복합재 플로어 구조물 금형 내 배치돼 성형 공정 중 통합 가능. 베르나르에 따르면 IMTEC HR은 열경화성·열가소성 성형 공정 모두 호환: 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM), 압축 성형, 사출 성형/오버몰딩.

사출 성형 공정

패스너를 로봇으로 금형 고정 핀 위에 먼저 배치. 핀이 패스너 위치 잡내 내부 나사산이 수지로 코팅되지 않게 보호. 다음 복합재 소재 로봇으로 금형 내 배치. 금형 닫고 플라스틱 사출, 패스너 통합된 상태에서 탈형.

압축 성형 공정

본질적으로 동일하나 핀이 플라스틱 나사식 '캡(cap)' 역할 겸해 복합재 옆으로 밀어 패스너 삽입 공간 마련, 홀 드릴링 불필요. 시간 절약뿐 아니라 섬유 절단 방지. 핀 캡 다시 내부 나사산 보호, 탈형 후 제거.

"플로어 생산 후 추가 작업 없습니다."라고 베르나르. "이 기술로 복합재 플로어나 여타 구조 부품을 감당 가능 생산비로 만들 수 있다고 봅니다. 금속 플로어용 블라인드 리벳 사용 복제: 패스너 이미 성형 복합재 부품 내 존재. 이제 표준 방식으로 시트 부착. 복합재 플로어에도 금속 플로어와 동일하게 부품 부착 가능해 경쟁 조건 평준화."

아연 도금 강철과 스테인리스 스틸 버전으로 갈바닉 부식 방지, 후자 주로 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)용. 볼트(스터드), 너트, 스페이서 등 다양한 패스너 버전 제공. "홀 크기와 패스너 치수도 특정 요구사항 맞춰 변경 가능합니다."라고 베르나르.

에너지 흡수 위한 특수 형상

이 패스너 형상 질문하며 빅 헤드(Big Head), 스파이다 픽싱(Spida Fixings) 등 본 적 있는 것들과 비슷해 보인다고 말함. 그는 형상 비슷하지만 다름, 충돌 조건서 에너지 점진적 방출 허용하도록 개발됐다고 설명. "충분히 높은 기계적 성능 제공하면서 충돌 테스트 조건서 에너지 흡수해 치명적 취성 파괴 방지. 탄성 다음 소성 변형 가능케 해 파손 방지. 이 행동 없으면 부착부 복합재 플로어 변형·파손 또는 금속 패스너 파손. 복합재 구조물용 패스너 적용 시 이슈 중 하나였습니다."

빅 헤드(좌)와 스파이다 픽싱(우) 복합재용 패스너.
출처: 빅 헤드 및 스파이다 픽싱.

형상 또 다른 측면: 꽃잎(petals). "이 꽃잎들이 성형 중 복합재 소재 내 임베드되도록 설계됐습니다."라고 베르나르. "패스너가 부품 내 임베드되고 금형에 남지 않게 설계해야 합니다." 패스너 플랜지가 복합재 부품 뒤에 위치해 부품 단면 두께 감소시키지 않음. "구조적 물성 주는 부품 단면 유지하며 임베디드 패스너 달성 위해 중요."

볼호프 IMTEC HR 패스너, 성형 공정 중 복합재 부품 내 임베드되며 단면 두께 감소 없음. 출처: 볼호프.

세팀(Cetim)과 호환되는 특수 버전 IMTEC HR도 개발. 세팀은 고자동화 복합재 부품 생산용 퀼티드 스트레이텀 공정(Quilted Stratum Process, QSP) 개발한 프랑스 연구기관.

세팀 발표 논문 따르면 QSP용 특허 출원 중 IMTEC HR 패스너가 기존 패스너 대비 풀스루(pull-through) 성능 30~75% 증가, 랩 전단(lap-shear) 성능 60~75% 향상 나타냄.