최근 내가 쓴 열가소성 복합소재(TPC) 시리즈 기사(아래 참조)와 제프 슬론(Jeff Sloan)이 2월호에 쓴 열가소성 테이프 특집 기사의 후속편이다.
TPC는 1990년대부터 항공기에 적용됐으며 그리고 2010년부터 1차 구조물에 적용됐다. 걸프스트림(Gulfstream) G650은 GKN 에어로스페이스(영국 레디치) 포커(Fokker) 사업부가 텐케이트(TenCate)의 세텍스(Cetex) 프리프레그를 사용해 생산한 탄소섬유/폴리페닐렌 설파이드(PPS) 러더와 엘리베이터를 탑재했다.
우리는 이미 TPC 기술에 얼마나 많은 경험이 있는지 잊곤 한다. 과거에는 "왜 더 많은 TPC가 항공기에 적용되지 않을까?"라고 물었다. 이제 보잉의 신형 중형 항공기(NMA) 준비와 클린 스카이 2(Clean Sky 2) 등 개발 프로그램을 통한 유럽 항공기 산업의 진전으로 마침내 새로운 애플리케이션이 서비스에 진입하는 것을 볼 수 있을지도 모른다.
그동안 광범위한 공급망이 이미 구축돼 베테랑 기업들이 포진해 있다. 여기서는 텐케이트(최근 도레이에 인수됨), 테이진(Teijin), 솔베이(Solvay)를 다룬다. 각사는 어떤 폴리머와 가공 기술이 잠재력을 제공하는지에 대해 다른 견해를 가지고 있다.
텐케이트는 열가소성 복합소재 개발에 40년 이상의 경험을 주장한다. 세텍스(Cetex) 브랜드는 프리프레그와 프리컨솔리데이티드 라미네이트(오르가노시트라고도 함)로 잘 알려져 있지만 벌크 몰딩 컴파운드(BMC), 단방향(UD) 및 직조 테이프까지 확장된다. 회사는 전체 열가소성 수지 범위(아래 그래픽 참조)와 오랜 실적을 보유하며, 이제 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK)을 추가했다. 이 소재들은 텐케이트 항공우주 및 산업 사업부, 그리고 소비자 전자제품과 운동화 같은 대량 시장 제품(퍼포먼스 컴포지츠 사업부)에서 사용된다.
제자리 통합 열가소성 시리즈 인터뷰 중 저융점 PAEK가 폴리에테르케톤케톤(PEKK)과 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 대안으로 부상했다. 텐케이트에 묻자 열가소성 복합소재 연구 및 제품 개발 디렉터 한스 루잉(Dr. Hans Luinge) 박사가 융점 차이를 정리했다:
실제 가공 시 사용 온도는 더 높을 수 있지만, TC1225 LM PAEK는 훨씬 낮은 융점으로 여전히 매력적이다.
"세텍스 TC1225 LM PAEK는 우리가 핵심 참여사였던 TAPAS1 개발 프로그램에서 도입됐습니다."라고 루잉은 회상한다. 빅트렉스(Victrex) PAEK 폴리머를 사용하며, 2013년까지 TC1225 소재가 이미 데몬스트레이터 항공기 구조물에 사용됐다고 지적한다. 에어부스 낭트(Airbus Nantes)가 2013년 파리 에어쇼에서 동체 패널에 통합 스티프너를 선보였다. 텐케이트 공급 CF/LM PAEK 테이프로 제작됐으며, 프레스 성형된 오메가와 맞대기 접합 T 스트링거 요소가 스킨에 용접됐고, 스킨은 자동화된 파이버 배치(AFP)로 제작됐다.
"저융점 PAEK는 AFP, 스탬프 성형, 용접에 잘 작동합니다."라고 스콧 웅거(Scott Unger) 텐케이트 글로벌 CTO는 말한다. 하지만 낮은 융점 때문에 LM PAEK의 기계적 물성이 PEKK와 PEEK보다 낮지 않나? 웅거는 아니라고 답한다. 모두 대략 동일하다. "PEEK, PEKK, LM PAEK 모두 우수한 구조 소재이며, 비용 관점에서 TC1225는 TC1200 CF/PEEK와 경쟁력 있는 가격이며 TC1320 PEKK보다 저렴합니다."
또한 TC1225 LM PAEK는 제자리 통합(In-situ Consolidation, ISC)에 유망하다. 웅거는 "잠재적으로 성배일 수 있습니다. 하지만 과거에 본 바로는 제자리 통합을 달성하려면 AFP 속도가 매우 느려야 합니다."라고 인정한다. 그는 설명한다: "최종 라미네이트나 구조물에서 궁극적으로 허용되는 것보다 훨씬 낮은 보이드 레벨을 보이는 테이프를 사용하지 않고는 제자리 통합에 도달할 수 없습니다. 두 가지 핵심 요소가 있습니다: 테이프 품질과 UD 테이프 내 매트릭스 수지와 섬유 분포가 얼마나 좋은가입니다." 웅거는 텐케이트의 UD 테이프 제조 공정이 극도로 낮은 보이드 레벨을 생산하도록 설계돼 신속 AFP 후 아웃오브오토클레이브/진공백만(OOA/VBO) 통합뿐만 아니라 원스텝 제자리 통합 AFP 같은 공정을 가능케 한다고 주장한다.
"우리 테이프는 최대 0~0.5% 보이드로 극도로 일관됩니다."라고 텐케이트 EU 전문 서비스 디렉터 빈란트 콕(Winand Kok)은 말한다. "테이프 두께도 매우 일관성 있어 통합 라미네이트에서 매우 정확한 플라이 두께를 달성할 수 있습니다. 이 일관성은 열가소성 용접 공정과 제자리 통합에도 중요합니다." 웅거는 위에서 언급한 두 번째 요건으로 돌아온다: "LM PAEK는 PEKK와 PEEK 대비 훨씬 나은 흐름성을 가집니다. 또한 PEKK와 PEEK보다 더 높은 속도로 가공 가능합니다."
이 마지막 점은 라미네이트-투-라미네이트 비교로 입증됐다. "코리올리스 레이저 AFP 머신으로 네덜란드 트벤테의 열가소성 복합소재 연구센터(TPRC)에서 TC1320 CF/PEKK 라미네이트를 600mm/s의 빠른 속도로 제작했습니다. 이후 진공백만으로 오븐에서 통합했습니다."라고 웅거는 말한다. 빠른 AFP 적층으로 플라이 간 기공이 있었으나 2단계 통합 과정에서 해결됐으며, 사진 현미경 사진으로 확인된다. "같은 AFP 머신으로 TC1320 소재를 200mm/s로 파이버 배치했고, 더 느린 속도에서도 플라이 간 기공이 제거되지 않음을 발견했습니다. 그런 다음 같은 AFP 머신으로 TC1225 CF/LM PAEK 테이프를 사용해 2차 OOA/VBO 통합 단계 없이 — 즉 AFP를 통한 완전 제자리 통합으로 동등한 라미네이트를 제작했습니다. PEKK 2단계 패널과 동일한 통합 물성을 달성했습니다."
웅거는 제자리 통합된 CF/PAEK 라미네이트의 AFP 속도 200mm/s가 내 기사 "열가소성 복합소재 항공 구조물 제자리 통합, 2부"에서 네덜란드 항공우주 센터(NLR, 암스테르담) 구조 기술 부문 선임 과학자 앙리 드 브리스(Henri de Vries)가 주장한 것보다 2배 이상 빠름을 지적한다.
"이제 제자리 통합 AFP 속도를 얼마나 더 밀어붙일 수 있는지, 허용 가능한 보이드 레벨과 라미네이트 내 기계적 물성을 유지하면서 보고 있습니다."라고 웅거는 말한다. "자동화 공정으로 스티프닝된 TPC 패널 적층에 많은 작업을 해왔습니다. 이제 목표는 기술 성숙도 수준(TRL) 구축입니다." 콕은 텐케이트가 고객 및 R&D 기관 등 산업 파트너들과 협력해 이를 지속하고 있다고 말한다. 예를 들어 엔진 파일론이 JEC 2018 텐케이트 부스에 전시됐는데 TC1320 CF/PEKK 테이프로 제작됐다. 텐케이트는 파일론 셸 제조사 NLR과 프레스 성형된 리브(셸에 용접돼 보강 요소로 작용)를 생산한 더치 서모플라스틱 컴포넌트(DTC)와 협력했다. 이 부품은 AFP 후 오토클레이브에서 통합됐지만, 콕은 "오토클레이브 대신 오븐에서 진공백만으로 2단계 통합에 맞춰 테이프를 추가 최적화하는 방안도 탐구 중입니다."라고 덧붙인다.
웅거는 텐케이트 CF/LM PAEK 제품이 항공기 1차 구조물 개발 및 데몬스트레이션에 사용되며, 미사이징 탄소섬유와 사이징된 탄소섬유 모두 사용한다고 지적한다. 5년 전만 해도 LM PAEK, PEKK, PEEK 프리프레그 테이프에 사이징된 탄소섬유를 사용하는 것은 사이즈로 인한 기계적 물성 악영향 때문에 드물었지만, 오늘날은 더 이상 그렇지 않다고 강조한다.
LM PAEK 잠재력을 강조하는 마지막 점: NIAR과 FAA가 텐케이트 TC1225 CF/LM PAEK를 사용해 열가소성 복합소재 소재로는 최초 공개 데이터베이스를 완성 중이다. 데이터베이스는 내년 초 공개 예정이며, 이 소재가 기계적 물성과 가공 용이성 때문에 선택됐다.
탄소섬유(CF) 생산업체 도호 테낙스(Toho Tenax Co. Ltd., 일본 도쿄)가 글로벌하게 테이진 카본(Teijin Carbon)으로 리브랜딩됐으며 3대 자회사를 둔다:
제품명은 테낙스(Tenax)다.
"15~20년 전 열가소성 수지 개발에 많은 시간을 들였습니다."라고 도호 테낙스 유럽 열가소성 반제품 매니저였던 장-필립 카나르(Jean-Philippe Canart), 현 테이진 카본 아메리카 항공우주 마켓 엔지니어는 말한다. "전략 중 하나가 단방향 (UD) 열가소성 테이프 개발이었고, 2013년 도입했습니다."
카나르는 이 개발의 빌딩 블록을 설명한다: "핵심 기술 중 하나가 CF용 열가소성 사이징으로, 테이프 가공을 돕습니다. 표준 CF 사이징은 열가소성 수지에 필요한 높은 가공 온도 때문에 제거해야 합니다. 내열성 외에도 열가소성 사이징은 완성된 복합소재에서 섬유-매트릭스 접착에 추가 성능을 제공합니다. 유럽 최대 라인 중 하나가 TP 사이징을 갖춘 CF를 연간 1,700톤 생산합니다. 여기서 PEEK, PEKK, PPS 열가소성 매트릭스 UD 테이프를 개발해 주로 항공우주 애플리케이션에 사용하지만 오일·가스 및 산업 애플리케이션에도 작업 중입니다."
카나르는 테이진의 TPC 첫 포커스가 에어버스 A350용 클립과 브라켓의 프레스 성형(스탬핑)에 있었으며, PEEK 코팅 CF 패브릭을 사용했다고 말한다: "이것이 항공우주 애플리케이션의 첫 큰 물결이었습니다. 이제 더 크고 구조적인 부품으로 이동 중이며, AFP 라미네이트와 스탬핑 통합의 조합으로 생산됩니다." 카나르는 제자리 통합(ISC)이 수십 년간 개발돼 왔음을 인정하지만, "아직 성숙하지 않다고 봅니다. R&D 프로젝트와 기관의 추가 개발을 지원하고 있습니다." ISC는 가능하지만 "얼마나 빨리 부품을 만들 수 있나? 공정이 얼마나 강건한가?"가 관건이다. 2025~2030년 전에는 상업용 기체 양산에 ISC 부품이 투입되기 어려울 것으로 본다. 그동안 테이진은 2단계 AFP + 스탬핑 생산 라인용 TPC 테이프 확장에 주력한다. "유럽 테이프 라인에 이미 투자했으며 연속 압축 성형(CCM) 같은 새로운 공정 캐파도 지원합니다. 공급망이 성장하고 있습니다."
연속 압축 성형(CCM)은 2010년 "항공우주급 압축 성형" 기사에서 다뤘다. 퍼포먼스 폴리머 컴포지츠 익스페리온(Performance Polymer Composites xperion, 독일 마르크도르프)이 20여 년 전 처음 개발하고 상용화한 공정으로 X-CCM으로 상표 등록됐다. X-CCM은 빠르고 준연속 공정으로 고품질 열가소성 복합소재 라미네이트를 제공한다. "우리는 자재 공급사로서 익스페리온과 협력합니다."라고 카나르는 말한다. "성숙한 기술로 에어버스와 보잉 모두 수년간 사용했습니다. 이제 정말 성장 중이며, 형상이 일정한 통합 TPC 라미네이트 생산에 사용됩니다. CCM은 비용에 유리하지만 단면이 일정해야 합니다."
로렌스 데 라 오사(Laurens de la Ossa) 익스페리온 PPC 수석 영업 매니저에 따르면 "우리 X-CCM 공정은 이제 더 진보해 비대칭 프로파일(T-프로파일, J-프로파일 등) 등 더 복잡한 형상도 생산 가능합니다." 공정은 최대 24인치 폭의 통합 TPC 라미네이트를 생산할 수 있다. "열가소성 복합소재 대량 생산으로 향하는 전체 기술 인프라의 일부입니다. 통합 TPC 부품을 위한 매우 깔끔한 공정으로 진공백킹이 없고, 60플라이 이상, 8~10mm 두께의 두꺼운 라미네이트도 처리 가능합니다."
X-CCM이 타겟하는 부품은? "내부 동체 스트링거, 플로어 빔, 플로어 또는 천장 주변 프레임워크, 최고 소재 성능이 요구되는 구조 및 준구조 애플리케이션입니다."라고 데 라 오사는 말한다. "2025년까지 신규 기체 플랫폼이 양산에 들어가면 현재 견적 대응분만으로도 연간 소재 볼륨이 6~10배 증가할 것입니다."
이 지속적인 고량산 생산 추진의 일환으로 테이진은 테이프 소재 비용 절감과 캐파 증대에 집중하고 있다고 카나르는 말한다. 업계의 더 두꺼운 테이프 요청은? NLR의 드 브리스가 언급한 바 있다. "이미 145~200g/m² 범위 면중량 테이프를 개발했습니다."라고 카나르는 답한다. "이 제품들로 0.18mm 두께가 이미 꽤 표준입니다. 이 두께용으로 라인을 수정했으며 0.20mm까지도 가능해 0.25mm도 큰 도약은 아닐 것입니다."
테이프 품질은? "모든 테이프가 더 높은 속도에서 고품질 부품을 위해 수정돼야 한다고 봅니다."라고 카나르는 말한다. "수지 함량이 제자리 통합 요건과 맞지 않을 수 있고 테이프 내 수지 분포도 최적화가 필요할 수 있습니다. 용융 시간과 속도는 수지와 공정마다 매우 다릅니다. 폴리머 시스템과 테이프 구조(표면 포함) 등 다양한 분야에서 추가 개발을 지원하고 있습니다."
솔베이의 복합소재용 고성능 열가소성 제품에는 케타스파이어(Ketaspire) PEEK, 노바스파이어(Novaspire) PEKK, 라델 폴리페닐설폰(PPSU), 라이톤 폴리페닐렌 설파이드(PPS)가 포함된다. 솔베이 제출 자료에 따르면 이 폴리머들은 대량 항공우주 복합소재 애플리케이션 고려가 가능한 산업적 규모로 생산되며 고품질 프리프레그 생산에 사용될 수 있다.
솔베이는 현재 APC 유니테이프 프리프레그를 PEEK와 PEKK 폴리머로 모두 제공하며, 대량 생산 및 사용 시 가격 차별화는 선택된 섬유 비용에 주로 기인하며 폴리머 비용이 아니다. 따라서 특정 애플리케이션에 사용할 열가소성 매트릭스 선택은 고객 선호도에 의해 주도될 것으로 본다. 영향을 미치는 요인에는 온도 성능, 기계적 성능, 부품 제조 공정, 소재 데이터베이스 가용성, 인력 경험 등이 있다. 솔베이 견해는 PEKK와 PEEK 모두 시장에서 필요를 충족하며, 어떤 폴리머가 선택되든 고품질, 비교 가능한 가격의 섬유 강화 프리프레그를 독립적으로 제공할 수 있다는 것이다.
열가소성 수지에서도 모든 복합소재와 마찬가지로 소재와 공정 선택의 폭이 제한되지 않는다. 사실 확장되고 있는 듯하다. 미래 항공기 생산에서 무엇이 우위를 점할지는 지켜봐야 한다. CW는 계속 주시하고 보도하겠다.
수지
이 글에서는 열경화성 수지와 열가소성 수지의 상세 비교를 다룹니다. 열가소성 수지와 열경화성 수지 사이에는 유사점도 많지만 분명한 차이점도 존재합니다.사출 성형 공정에 가장 흔하게 쓰이는 플라스틱 고분자는 열가소성 고분자였습니다. 그러나 제조 업계에 또 다른 유형의 플라스틱이 등장했습니다. 바로 열경화성 플라스틱입니다.수지와 열경화성 수지의 조합은 플라스틱 가공 공정에서 금속과 열가소성 수지의 대안이 됩니다. 열가소성 수지가 최적인 상황이 있는가 하면, 열경화성 수지가 필요한 상황도 있습니다. 두 소재의 유사성 때문에 일부 제조업체
사출 성형은 신중하게 설계된 금형에 용융 플라스틱을 주입한 후 냉각하고 최종 부품을 배출하는 과정입니다. 이는 기업이 낮은 부품당 비용으로 좋은 공차의 동일 플라스틱 부품을 대량으로 생산할 수 있게 하는 높은 반복성의 공정입니다. 사출 성형은 자동차 산업부터 의료 산업까지 다양한 산업에서 수많은 응용 분야를 가지고 있지만, 모든 프로젝트에 최선의 선택은 아닙니다. 부품을 사출 성형할지 여부를 결정하기 전에 사출 성형의 장단점을 신중하게 고려하세요. 사출 성형의 장점 많은 제조업체가 사출 성형을 선택하는 이유는: 1. 엄격한 공차로
