도전 과제

풍력 터빈, 자동차, 건설 및 항공우주 산업에 사용되는 복합재 부품들은 모두 동일한 두 가지 요구 사항에 직면해 있습니다. 즉, 엄격한 품질 기준을 충족하면서도 시장이 수용할 수 있는 비용으로 생산해야 한다는 것입니다.

독일 기업 휴버스(HÜBERS)는 다양한 산업 분야에서 요구하는 엄격한 품질과 비용 기준을 충족하는 복합재 부품을 생산하기 위해 진공 직접 주입 기술(V-DIT)을 개발했습니다.

V-DIT 작동 방식

기포 및 빈 공간(Void) 없는 부품 생산: 재료는 배송 용기나 탱크 저장소에서 지속적으로 공급되며, 표면적이 확장된 진공 장치에서 탈기(degassing) 및 진공 계량 용기에서 균질화됩니다. 중요한 점은 이 모든 과정이 혼합 후가 아닌 혼합 전에 이루어진다는 것입니다.

짧은 금형 충전 시간: 단순히 진공의 힘으로 당기는 것에 의존하지 않고 재료를 능동적으로 펌핑하여 충전 시간을 크게 단축합니다.

직접적인 압력 제어 주입: 재료의 구성 요소들은 진공 상태에서 이송되어 주입 직전 정적 믹서(static mixer)에서 혼합된 후, 밀폐된 배관 시스템을 통해 진공 처리된 적층부(layup)로 직접 펌핑됩니다.

센서 제어를 통한 공정 신뢰성: 자동 펌프 제어 시스템을 통해 이송 압력이 지속적으로 모니터링됩니다. 주입 막바지에는 충전 속도가 자동으로 감소하며, 혼합 비율을 일정하게 유지하면서 속도를 거의 0에 가깝게 조절하여 모서리와 끝부분까지 완벽하게 함침(saturate)시킵니다.

콤팩트한 설비 설계: 재료가 연속적으로 처리되고 혼합되므로, 하나의 시스템만으로도 별도의 재설정 없이 다양한 크기의 부품을 유연하게 처리할 수 있습니다.

HÜBERS의 전자식 토출 제어 시스템은 작업자가 압력 및 펌프 동기화 상태를 실시간으로 확인할 수 있게 해줍니다.

산업별 적용 분야

풍력 발전기 블레이드 제조 산업

블레이드의 길이는 보통 30미터에서 100미터 이상에 달합니다. 이 정도 길이가 되면 진공 주입 방식만으로는 시간이 너무 오래 걸려, 초기에 주입된 수지가 금형 끝부분이 채 적셔지기도 전에 겔화(gelation)되기 시작할 수 있습니다. 이는 미함침 결함(dry spot)과 불완전한 충전으로 이어집니다.

능동적인 펌핑 방식은 충전 시간을 크게 단축하여 겔화 위험이 발생하기 전에 전체 길이에 수지를 주입할 수 있게 해줍니다. 블레이드가 가장 높은 구조적 하중을 견뎌야 하는 루트(뿌리) 부분은 완벽하게 함침시키기가 가장 까다로운 곳이기도 합니다.

주입 막바지에 자동으로 충전 속도를 줄이고 거의 0에 가깝게 제어하는 V-DIT의 기능은 바로 이 영역을 위해 특별히 설계된 것입니다.

항공우주 산업

항공우주용 복합재는 가장 엄격한 인증 요구 사항을 충족해야 합니다. 부품의 기공성(porosity)과 빈 공간(void) 여부를 꼼꼼히 검사해야 하며, 공정 자체도 문서화되고 반복 가능해야 합니다.

매 주입 주기마다 기록되는 압력 및 충전 속도에 대한 센서 데이터는 이러한 문서화를 기본적으로 제공합니다. 또한 항공우주 부품의 기하학적 구조는 리브(rib), 모서리, 두께 변화 등 복잡한 경우가 많으며, 이는 표준 주입 방식에서 미함침 결함이 발생하기 가장 쉬운 형태입니다.

공정 완료 직전 충전 속도를 미세하게 제어하는 V-DIT의 기술은 수지가 닿기 어려운 이러한 부분까지 완벽하게 함침시키는 데 특화되어 있습니다.

자동차 산업

자동차 복합재 생산은 대량으로 이루어지므로, 사이클 타임이 부품당 비용을 직접적으로 결정합니다. 또한 단일 생산 라인에서 차체 패널, 구조 부재, 섀시 부품 등 다양한 유형과 크기의 부품을 생산하는 것이 일반적입니다.

콤팩트한 설비 설계 덕분에 단일 시스템만으로도 부품 크기가 바뀔 때마다 설비를 교체(retooling)할 필요 없이 폭넓게 처리할 수 있습니다. 더불어 연속적인 재료 처리 공정 덕분에 새로운 배치를 시작할 때마다 설정을 초기화할 필요 없이 생산 시간 내내 일관된 사이클 타임을 유지할 수 있습니다.

건설업

건설용 구조 복합재 패널과 프로파일(profile)은 연속 라인이 아닌, ‘생산-일시 중지-생산(a batch, a pause, another batch)’과 같이 간헐적인 주기로 생산되는 경우가 많습니다. 일괄 혼합된 수지(batch-mixed resin)는 혼합이 시작되는 순간부터 점도가 상승하기 때문에, 이처럼 중단과 재개가 반복되는 작업 일정에서는 작업 가능 시간과 일관성을 잃게 됩니다.

V-DIT는 재료를 연속적으로 탈기하고 혼합하므로, 별도의 사전 혼합 단계를 거칠 필요 없이 배치(batch) 사이의 가동 중지 시간과 관계없이 매 생산을 항상 신선한 상태로 시작할 수 있습니다.