복합소재 제조에서 토우 스프레딩 기술의 이해

"스프레드 토우의 확산" 특집 기사가 인쇄에 들어가던 시점에, 이 사이드 스토리는 토우가 어떻게 스프레드되는지에 대해 우리가 모르는 것이 얼마나 많은지에 초점을 맞췄다. 그러던 중 AZL 뉴스레터 NewsLIGHT #7: ITA의 "강화 토우 가공을 위한 새로운 초음파 스프레딩 공정"이라는 기사를 접했다. 아헨 공과대학(독일 아헨) 섬유 기술 연구소(ITA)가 2011년부터 스프레드 토우 방법을 연구해 왔음이 밝혀졌다. "우리는 토우를 테이프로 스프레드하는 다양한 방법을 모두 테스트하고 각 방법의 영향 인자와 최적화 방안에 대해 많은 연구를 수행했습니다."라고 ITA 복합소재 부문 테이프 연구 그룹장 빌코 하파흐(Wilko Happach)는 말한다. 그 결과 ITA는 통합 제어 덕분에 폭 변화가 훨씬 적은 고속 생산 — 최대 100m/min — 이 가능한 스프레드 토우 테이프 신기술을 개발했다. ITA는 이 기술을 오토토우(AutoTow)라 부른다.

스프레드 토우 기술의 이해

ITA는 테이프 개발을 목표로 연구를 시작했다. "직물과 논크림프 패브릭이 상당한 절단 폐기물을 발생시키고 최적화된 설계를 허용하지 않는다는 것을 알았습니다." 하파흐는 회상한다. "섬유가 하중 방향이 아닌 방향으로 배치되므로 섬유가 낭비됩니다." 이에 그의 팀은 자동화된 테이프 적층(ATL)을 검토했으나 당시 테이프 공급과 지식이 부족했다. "그래서 직접 만들기로 했고, 먼저 건식 바인더 함유 테이프 개발을 선택했습니다." 이를 위해 먼저 스프레딩을 이해해야 했다.

하파흐는 로빙을 더 넓고 얇은 테이프로 스프레드하는 세 가지 기본 방법을 설명한다:

1. 높은 장력으로 스프레더 바 위로 섬유 당기기
2. 슬릿 노즐을 이용한 공기 스프레딩
3. 초음파 또는 기타 진동을 섬유에 가하기

스프레딩 기술 및 공정 파라미터

스프레더 바는 가장 오래되고 기본적인 기술로, 탄소섬유 제조사 졸텍(Zoltek)의 2001년 특허에 사용됐다. 하파흐는 장비 공급사 칼 마이어(Karl Mayer)도 테이프 및 스프레드 토우 패브릭 기계에 스프레더 바를 활용했다고 지적한다. "이 방법의 문제는 생산 속도가 25m/min으로 제한된다는 점입니다. 더 높이면 마찰이 너무 커져 로빙 필라멘트가 손상됩니다. 바 스프레딩은 최대 스프레딩 폭도 제한적입니다. 로빙을 초기 폭의 최대 3배까지만 스프레드할 수 있습니다."

공기 스프레딩은 낮은 면중량으로 최대 스프레딩 폭을 원할 때 사용된다. "공기 흐름이 필라멘트를 분리해 초기 로빙 폭의 6~7배까지 스프레드할 수 있으며 마찰이 적어 필라멘트 손상이 훨씬 적습니다. 높은 장력으로 바 위로 섬유를 당기지 않습니다."라고 하파흐는 설명한다.

그러나 유리섬유나 탄소섬유에 적용된 사이즈 크기에 따라 제한이 있다. 하파흐는 "에폭시 및 기타 열경화성 수지용으로 사이징된 섬유는 끈적거려 공기 스프레딩 공정으로 필라멘트를 쉽게 분리할 수 없습니다. 이 경우 사이즈를 약간 분해하는 전처리가 필요할 수 있습니다. 그러나 열가소성 매트릭스 수지와 호환되는 사이즈(역시 열가소성)는 전혀 끈적이지 않아 언사이즈드 섬유처럼 행동합니다. 즉, 필라멘트 간 접착이 없습니다. 따라서 스프레드는 쉽지만 흩어지기 쉬워 다루기 어렵습니다."라고 지적한다.

초음파 스프레딩은 스프레더 바와 같은 기본 원리를 사용하지만 반원통형 소노트로드를 사용한다. 하파흐는 "이것이 상당한 에너지를 전달합니다. 로빙이 소노트로드를 감싸고 초음파를 가하면 필라멘트가 진동하며 표면에 안착해 퍼집니다."라고 설명한다. 이 기술은 더 높은 스프레딩 비율(즉, 더 큰 섬유 토우를 매우 얇고 넓은 테이프로 스프레드)을 얻을 수 있지만 유리섬유나 피치 기반 탄소섬유에는 사용할 수 없다. 너무 부서지기 쉽기 때문이다.

"기계적으로 유도된 저주파 진동도 사용할 수 있고, 열을 이용해 파이버 사이즈를 부드럽게 해 필라멘트가 더 쉽게 움직이게 할 수도 있습니다."라고 하파흐는 덧붙인다.

오토토우(AutoTow)

ITA는 이러한 기본 스프레딩 방법의 문제점을 극복하기 위해 오토토우를 개발했다. 하파흐는 테이프 센터가 주로 24K, 50K, 60K 토우(미쓰비시 제품)를 사용한다고 밝혔다. 스프레딩 효과가 가장 크기 때문이다. "개별 스프레더 바를 최대 80m/min까지 회전시킬 수 있어 100m/min의 더 높은 생산 속도에 도달할 수 있습니다. 따라서 상대 속도는 20m/min으로 필라멘트 손상 없이 스프레딩하기에 적합합니다."라고 설명한다.

하파흐는 입력 로빙/토우에 변동이 있으므로 출력 스프레드 토우의 폭도 변동한다고 지적한다. "프리프레그 테이프의 경우 공급업체가 단순히 가장자리를 잘라냅니다. 하지만 우리는 건식 바인더 테이프로 시작했는데 수지가 훨씬 적어 가장자리를 자르기 너무 딱딱했습니다." 하파흐 팀은 스프레딩 폭을 더 잘 제어할 수단이 필요함을 깨달았다.

"스프레더 입구와 출구의 폭을 카메라로 측정합니다."라고 그는 설명한다. "알고리즘이 이 폭 측정값, 공정 속도, 각 소재의 알려진 특정 인자들을 이용해 5개 회전 바 각각의 속도를 계산하고 제어하여 테이프 폭을 지속적으로 조정합니다. 편차를 1밀리미터 미만으로 줄일 수 있습니다."

"래핑 각도도 각 스프레딩 바 주위로 로빙이 감기는 각도를 조정할 수 있습니다." 하파흐는 계속한다. "하지만 실시간은 아닙니다. 이는 각 생산 런의 캘리브레이션과 비슷합니다. 그 외 모든 것은 인라인으로 수행됩니다. 스프레드 토우 폭을 25mm에서 30mm로 변경하려면 그 숫자만 입력하면 몇 초 내에 생산 중에 변경되며, 100m/min 고속에서도 가능합니다."

미래 개발

ITA 테이프 센터의 목표는 산업 개발을 지원하기 위해 전체 테이프 공정 체인을 갖추는 것이다. "우리의 목표는 산업 파트너를 유치해 그들을 위한 새로운 솔루션을 개발하는 것입니다."라고 하파흐는 설명한다. "테이프 생산 라인과 부품 생산 라인도 구축 중입니다. 사이징, 스프레딩, 테이프 생산, 자동 테이프 적층, 경화까지 모든 작업을 갖추고 싶습니다." ITA는 기계 공급업체나 부품 제조업체가 될 생각은 없다. "우리는 얇은 합판 부품 생산을 달성하고 싶습니다. 층이 얇을수록 기계적 특성이 높기 때문입니다. 이제 고속, 고품질로 건식 바인더 테이프를 생산할 수 있게 되었으니, 면중량을 더 낮추고 다음으로 열가소성 및 열경화성 프리프레그 테이프를 생산하는 것이 목표입니다."

ITA 테이프 센터가 스프레드 토우 공정과 파라미터의 생산 공간을 정의한 것처럼, 파이버 사이즈와 테이프 바인더 기술의 영향에 대해서도 상당한 지식을 축적했다. "다른 사이즈 레시피를 테스트해 스프레딩에 가장 적합한 것을 찾고자 하는 공급업체들이 있습니다."라고 하파흐는 말한다.

바인더 소재의 경우 매트릭스 수지와의 호환성이 가장 중요하다고 강조한다. "열경화성 바인더는 열경화성 매트릭스에 최고 특성을 제공합니다. 마찬가지로 열가소성 매트릭스에는 열가소성 바인더가 적합하며, 분말, 베일, 핫멜트 방식으로 적용 가능합니다. 후자 두 가지는 매우 빠른 적용이 가능하고 테이프에 높은 안정성을 주지만, 베일은 약간 더 높은 바인더 함량을 초래할 수 있습니다. 이는 부품 설계와 제조 공정 고려사항에 따라 바람직할 수도, 아닐 수도 있습니다. ITA가 전체 공정 체인을 구축함에 따라 바인더 파라미터와 최종 부품에 미치는 영향에 대한 연구는 계속될 것입니다."