도레이(Toray)가 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 성형시간을 단축할 수 있는 신기술을 개발했다.
신기술은 오토크레이브 성형과 거의 동일한 프리프레그(Prepreg), 금형을 사용하면서 코스트를 대폭 절감할 수 있는 것이 특징이다.
설비투자를 대폭 절감하고 에너지 코스트, 성형 사이클을 거의 절반으로 감축할 수 있지만 오토크레이브 성형제품과 거의 동등한 수준의 강도 물성을 실현할 수 있으며 고정밀화를 통해 최종제품 조립작업을 간소화할 수 있는 것도 강점으로 파악되고 있다.
2019년 말까지 실증 실험을 실시하고 1년 후 라이선스를 포함해 본격적으로 제안에 나설 계획이다.
오토크레이브 성형제품을 주로 사용하고 있는 항공기용 뿐만 아니라 자동차, 일반산업용으로도 제안할 방침이다.
CFRP는 일반적으로 오토크레이브로 알려진 고온압력기기를 이용해 특정 형상의 금형에 프리프레그를 배치하고 온풍으로 가열해 수지를 경화시킴으로써 성형하고 있다.
온풍 가열은 열전달 효율이 낮으며 열용량이 큰 금형에 열을 빼앗기기 때문에 온도를 높이거나 가열시간을 연장해야 해 코스트 확대로 이어지고 있다.
또 두께가 다른 대형 부품 혹은 복잡한 형상의 부품은 잔류응력 분포가 불균일해 경화 후 변형되는 문제도 있다.
아울러 항공기의 메인 날개부분 등 최종제품을 조립할 때 충진재 가공이 필요하고 부착 시의 노동력 등을 감안하면 경쟁력이 떨어지는 단점이 발견되고 있다.
도레이가 개발한 신기술은 일정 수량의 히터를 금형 표면에 배치해 진공압에서 부재에 접촉해 가열함으로써 성형하는 기술로 직접가열 방식이기 때문에 에너지 낭비를 막을 수 있을 뿐만 아니라 히터를 각각 제어함으로써 부위별로 다른 온도의 열을 가해 잔류응력 분포를 균일화할 수 있다.
성형 후 변형을 제어함으로써 가공, 부착 작업을 줄일 수 있고 아예 생략할 수도 있는 것으로 알려졌다.
대형 부품을 제조하기 위해서는 기존에 9시간 걸렸던 작업을 4시간 정도로 단축할 수 있게 됐으며 에너지도 5% 가량 절감이 가능한 것으로 추산되고 있다.
기존 공법으로는 7기압 정도에 가압했던 반면 진공압에서 실시하기 때문에 대기압에서 성형이 가능하도록 저압에서도 성형제품 안에 기포가 남지 않는 소재기술을 조합했다.
히터의 형태나 배치를 성형제품의 모양에 맞추어 자유자재로 조절하면 복잡한 형상에도 대응할 수 있다.
히터 자체가 얇고 성형 자체에는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 기존의 금형을 일부 개량하는 것만으로 적용이 가능한 것으로 파악되고 있다.
대형화도 용이하며 대형기기 1개에 수백억원이 필요하던 오토크레이브와 달리 투자액을 몇분의 1 수준으로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
속경화 타입 소재를 조합해 성형시간을 더욱 단축하면 자동차용 투입이 본격화될 것으로 예상하고 있다.
또 기존소재를 그대로 사용할 수 있다는 장점을 활용해 항공기 용도에서는 차세대 항공기 채용 외에 유지보수 용도로도 제안할 예정이다.
도레이가 개발한 신기술의 성과 일부는 종합과학기술이노베이션회의(CSTI)의 전략적 이노베이션 창조 프로그램 「혁신적 구조소재」를 통해 얻었고 변형예측은 Ehime대학과, 가열조건 최적화 시뮬레이션은 도쿄(Tokyo)과학대학과 공동 개발했다.<강윤화 선임기자>