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  • 섬유 보강 고분자를 수선하는 패치 공정등록일 : 2015/06/21
  • DLR의 연구원들은 섬유 보강 고분자를 보다 경쟁력이 있고 비용 효과적이며 자원 효율적으로 만들 수 있는 재생 개념을 개발하였다. 항공기 및 자동차의 제조공정은 점점 더 섬유 보강 고분자로 만들어진 구조체에 대한 의존도가 커지고 있다. 신형 에어버스 A350에 적용되는 섬유 보강 고분자의 비율은 이미 50% 이상이며 BMW i3 전기자동차에서 복합재료는 역시 자동차 시리즈 생산에 적용되고 있다. 스트투가르트에 있는 독일 항공우주 센터 (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR)의 연구원들의 목표는 섬유 보강 고분자 부품들을 제조하는데 있어 완성품이 되지 못한 재료들의 양을 줄이고 복합재료의 생산 과정 동안에 폐기물의 생성을 가능한 줄이고자 하는 것이다. 섬유 보강 고분자 구조물을 제조하는 데에는 아직도 많은 수작업이 필요하기 때문에 폐기물을 줄이는 것은 매우 중요하다.

    “섬유 보강 고분자 부품들을 생산하는 것은 복잡하여 비용이 많이 들기 때문에 재생 공정은 일반적으로 시간에 의존적이며 유연성이 적고 비싼 공정이다. 항공기 동체와 같이 대형 구조물은 사용기한이 30년 이상이다. 구조물에 손상이 생겼을 경우에 일반적으로 수선하거나 완전히 교환한다”고 DLR 구조 및 디자인 연구소의 프로젝트 책임자인 Markus Kaden는 적합한 재생 개념의 중요성을 설명하면서 말한다. 금속 구조물에서 손상 부위는 잘라내고 새로운 금속을 용접한다.

    섬유 보강 고분자로 만들어진 부품들의 경우에는 보다 복잡한 재생 공정이 필요하다. “섬유에 하중이 걸리고 구조물의 결합과 탄성이 중요하므로 우리는 손상부위를 간단하게 잘라내고 때우는 방식을 적용할 수 없다. 이는 섬유를 보다 더 상하게 할 수 있다”고 금속 재료와 섬유 보강 고분자의 재생 공정에서의 주요 차이점을 설명하면서 Kaden은 말한다. 대신에 DLR의 연구원들은 섬유 보강 고분자 재료의 손상된 층을 제거하고 달라붙는 회반죽과 비슷한 패치로 대체하여 적용하였다. 이 패치는 섬유 보강 고분자와 같은 재료로 만들어져 섬유 배열이 같고 열과 압력을 사용하여 주위 구조물에 결합시킬 수가 있다.

    DLR의 연구원들이 사용한 재생 공정에는 두 가지 특징이 있다. “첫째로 우리는 손상된 부위를 레이저를 사용하여 제거하였다. 예를 들면, 재료를 갈아서 제거하는 다른 방법들과는 다르게 우리의 레이저 공정은 어떠한 냉각 시스템도 필요하지 않으며 구조물을 고정하거나 압력을 가할 필요가 없어 공구에 의한 마모를 줄일 수 있다. 둘째로 우리는 단지 패치 부위와 구조물의 손상된 부위만을 가열하기 때문에 패치와 같은 크기의 인덕션(induction)에 의해 가열된 금속 시트를 사용하여 진공을 만들면서 패치 위에 압력을 가하게 된다. 그러고 나서 패치는 주위 구조물에 압력과 고온의 열을 가하면서 결합하게 된다”고 DLR에서 개발한 공정의 장점에 대해 Kaden은 말한다.

    새로운 재생 방법은 이전의 기술에 비해 훨씬 유연성을 제공한다. 오토클레이브 혹은 오븐을 사용하여 전체 부품들이 가열되고 가열 블랭킷, 적외선 및 가열된 공기 시스템은 구조물의 부품들만 가열할 수 있게 해주는 반면 특별히 수선되어야 하는 특별한 부위만을 목표로 하지는 않는다. 동시에 DLR은 부가적인 단열재를 사용하여 온도를 섭씨 300도 이상이 될 수 있게 하는데 이는 열가소성 복합재료로 불리는 특별한 섬유 보강 복합재료도 수선될 수 있다는 것을 의미한다.

    DLR 테크놀로지 마케팅의 지원을 받아 스트투가르트의 연구원들은 공정을 증명하는데 사용될 수 있는 이동용 수선 스테이션을 개발하였다. 이 스테이션에는 섬유 보강 고분자 복합재료를 수선하는데 필요한 모든 시스템이 포함된다. 금속 시트로 된 인덕션 가열 장비 이외에 패치에 필요한 압력을 발생시키는데 필요한 진공 펌프도 설치되어 있다. 개개 공정은 온도 센서를 사용하여 조절될 수 있다. 현재 “결합”은 아직 고성능 복합재료로 만들어지는 하중이 걸리는 구조용 부품을 수선해야 하는 항공기 부문에서는 승인되지 않았다. 그럼에도 불구하고 Kaden은 매우 낙관적으로 생각하고 있다. “현재 이 영역에 많은 새로운 개발이 진행되고 있다. 몇 개의 회사들은 이미 우리의 재생 개념에 관심을 보이며 이를 산업적인 용도를 위해 더 개발하려는 생각을 하고 있다”고 그는 말한다.
  • 키워드 : 섬유 보강 고분자, 패치 공정, 레이저
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑