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레이저를 이용한 섬유 보강 열가소성 복합재료 제조
섬유보강 열가소성 복합재료는 경량이며 강하고 부식성이 없어 항공기, 자동차, 보트 등 다양한 분야에 사용되어 왔다. 그러나 현재까지 섬유 보강 열가소성 복합재료를 제조하는 공정은 고온압축성형법과 같이 힘들고 비용이 많이 드는 공정이다. 프라운호퍼 연구원들은 2010 JEC 복합재료 쇼에서 섬유 보강 열가소성 복합재료의 구조물을 레이저를 이용하여 보다 효율적이며 깨끗하고 신뢰성 있고 자동화시킬 수 방법을 보여주었다.
보다 가벼운 것이 보다 좋은 것이다. 산악 자전거는 보다 가벼울수록 산에 오르기 쉽다. 자동차는 가벼울수록 휘발유를 줄일 수 있다. 디자인 엔지니어들은 비행기, 위성 및 풍력 터빈의 무게를 1 그램이라도 더 줄이기 위해 최선을 다하고 있다. 섬유 보강 열가소성 복합재료는 자동차, 항공기뿐만 아니라 스포츠 용품에도 적용하기에 이상적이다. 복합재료의 무게는 강철에 비해 50%, 알루미늄에 비해 20% 가벼우며 안전성이나 파괴강도는 매우 우수하다. 현재까지 이들 복합재료의 제조공정은 복잡하고 경제성이 없는 것으로 여겨졌다.
보트 선채, 항공기 부품 및 회전 풍차날개의 제조는 유리섬유 혹은 탄소섬유 매트를 줄지어 놓는 비상 성형 도구들로 작업을 해야만 했다. 그 다음에는 고분자 레진이 매트 내에 충진 되도록 펌프로 레진을 밀어 넣고 복합재료의 결함을 야기하는 공기방울들이 섬유 위에 생기지 않게 진공으로 공기를 제거해야 했다. 이후에는 복합재료를 거대한 오븐에 넣어 경화시켜야 한다. 마침내 모든 조성들이 잘 붙게 되면 복합재료가 제조된다. 고맙게도 이런 복잡한 모든 공정들이 보다 쉬워질 수 있게 될 것이다. 파리에서 프라운호퍼 연구원들은 복합재료를 제조하는데 있어 매트와 레진으로 곤란을 받지 않고 레이저로 섬유 보강 복합재료를 쉽게 만들고 결합시키는 방법을 증명하였다.
줄무늬로 만들어진 부품
섬유 보강 열가소성 복합재료를 완전 자동으로 제조하기 위해서 프라운 호퍼 생산기술부 IPT의 과학자들과 연구원들은 완전히 새로운 공정을 고안하였다. 테이프에 놓여질 구성물들은 롤에서 나오게 되고 탄소섬유들은 녹을 수 있는 열가소성 레진의 킬로미터 길이의 긴 끈 내에 통합되게 된다. 이들 끈의 무게는 매우 가볍기 때문에 평균 이상의 탄성을 가진다. 이점에서 기술자들은 충격, 인장 강도 및 인열 저항을 측정하고 평가하게 된다. 이들 테이프로부터 강한 부품을 제조하기 위해서 여러 층으로 테이프는 적층되고 놓여지기 바로 전에 레이저를 쪼인 후 압축시키면 단단하고 밀집된 구조가 만들어진다.
이러한 방법으로 테이프들은 서로 융합되고 빠르게 냉각되면 복합재료가 만들어진다. 레이저는 재료 위의 목표 지점에 정확하게 측정된 에너지 양을 빠르게 조사하게 된다. 이는 에너지와 시간을 최소화할 수 있다. 예를 들면 뜨거운 공기로 테이프를 결합하는 것과 같은 이전의 제조공정과 비교할 때 품질은 더욱 향상된다. 현재 이 공정에 대한 기업체들의 수요는 매우 높으나 아직은 제조공정이 프로토타입 단계이다.
레이저에 의해 만들어진 결합
레이저 빔을 사용하여 기술자들은 부품들을 함께 결합시킬 수 있다. 프라운호퍼 연구원들은 JEC쇼에서 유리섬유 보강 열가소성 복합재료를 결합시키는 새로운 방법도 제시하고 있다. "우리가 이 결합을 이해 필요한 것은 단지 자외선을 방출하는 레이저이다 자외선 레이저는 플라스틱 부품의 표면을 녹이며 이들이 아직 액체상태일 때 압축시키고 경화시키면 매우 안정적인 결합을 만들 수 있다.“라고 프라운호퍼 레이저기술 연구원 ILT의 Wolfgang Knapp는 말한다. 성형하기 어렵고 부피가 큰 섬유 보강 복합재료는 이 방법에 의해 자동차 및 항공우주 분야의 수요자 요구에 맞게 제조될 수 있다.
"재료들은 거대한 가속화, 진동 및 온도 차에 견뎌야만 한다. 따라서 200% 수준의 안정성이 요구된다. 노하우는 공정의 조절에 있다. 레이저 헤드와 표면 사이의 간격을 결정하고 레이저 빔이 재료에 쪼여지는 시간을 조절하고 압력을 계산하는 것과 같은 제조공정이 중요하다. 이 기술의 매력 및 장점은 다양성에 있다. 자외선 레이저로 열가소성 복합재료의 어떠한 부품도, 예를 들면, 항공기 연료탱크, 자동차의 하중부품, 보트 선체 및 로켓 탱크 등도 잘 결합될 수 있다.”라고 Knapp는 설명한다. 그는 동료들과 함께 레이저 결합방법을 최적화하였다.
극한 조건에서의 재료
섬유 보강 열가소성 복합재료를 제조 및 제품에 있어 레이저 빔을 사용하는 데에는 한계가 없다. “새로운 결합기술은 극한 조건에 부딪히게 되는 모든 열가소성 재료에 적당하다. 복합재료는 안정할 뿐만 아니라 가볍고 어떤 종류의 분야, 항공기, 자동차, 선박, 우주선 등에 적용되어도 에너지를 줄일 수 있다.”라고 프라운호퍼 전시부쓰를 담당하는 Knapp은 말한다.
※출처: GTB글로벌동향
관련링크: http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2010/03/made-easy-with-light.jsp
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