M-[022] CFRP

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 탄소섬유강화 플라스틱으로 항공기에 대량으로 적용되기 시작한 이후 자동차를 비롯한 수송기계 분야에 활발히 적용되고 있다. CFRP의 강도와 탄성은 각각 철강의 6배, 3배이다. 내마찰, 내마모, 치수안정성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. 전기자동차의 대중화와 에너지 효율 차원에서 경량화가 키워드이지만 CFRP의 확대 적용을 어렵게 만드는 요인은 높은 재료 가격과 성형의 어려움으로 인한 제조비용이다.

CFRP는 열경화성과 열가소성으로 나누어진다. 열경화성 CFRP는 에폭시 수지(열경화성 수지)를 탄소섬유에 침투시킨 재료이다. 과거에는 가열하여 경화하는 시간이 길었지만 3분 정도로 단축시킨 속(速)경화수지가 개발되었다. 열가소성 CFRP는 사출성형의 가열과 냉각에 의해 쉽게 형상을 만들 수 있는 장점이 있다. 열경화성의 모재 수지는 에폭시 수지가 대부분이지만, 열가소성 CFRP에 사용되는 모재 수지는 종류가 많아 모재 수지 특성이 성능에 미치는 영향이 크다. CFRP에 이용되는 열가소성 수지는 PP, PA, PPS, PEEK 등이다.

오토클래이브(Autoclave)는오래 전부터 항공기 분야에서 널리 사용하던 성형 방식이다. 탄소섬유 프리프레그(Prepreg)를 오토클레이브 내부에 넣어 고온 고압으로 성형한다. 비행기 동체 등 큰 규모의 부품 제조에 사용되고 있다.

수지이송성형(RTM. Resin Transfer Molding)은 열경화성 CFRP의 대표 성형 방법이다. 1차로 탄소섬유 소재를 원하는 형상으로 프레스해서 예비 성형품 형태를 만든다. 예비 성형품은 아직 수지가 함침되지 않은 드라이 상태인데 1차 성형에서의 형태를 유지하기 위해 섬유 사이는 열가소성 수지의 가느다란 실로 연결되어 있다. 2차로 이 형태를 별도의 프레스로 이동시켜 에폭시 수지를 주입하고 압력을 가해 경화시킨다.

단섬유 사출성형은 탄소섬유와 열가소성 수지를 펠릿으로 만들어서 통상적인 사출을 하는 방법이다. 탄소섬유 함유율이 적고 사출성형기 스크류에서 길이가 1㎜ 이하로 절단되기 때문에 단섬유 사출성형이라 불린다. 일반 열가소성 수지만으로 사출하는 경우보다 강도가 월등히 크다. 탄소섬유 길이를 길게 하기 위해 탄소섬유와 수지를 별도로 공급하는 장치의 연구 개발이 필요하다.

하이브리드 성형은 프레스와 사출성형의 조합이다. 프레스 방식으로는 단순한 모양의 일정한 두께만 구현할 수 있을 뿐 리브와 같은 가늘고 복잡한 형상 성형이 불가능하다. 탄소섬유 시트를 금형으로 압축성형한 후 탄소섬유를 포함하고 있는 용융수지를 사출하여 형상을 붙이는 방식이다. 프레스에서 구현한 바디에 여러 복잡한 추가 형상을 사출로 접합할 수 있다. 프레스 성형을 위해 투입하는 CFRP의 온도 저하를 막기 위해 금형 내부로 가열 히터가 함께 진입하는 프로세스가 유리하다. 프레스와 사출의 장점을 살린 성형 공법이다. 이 밖에 단순한 단면을 갖는 형상의 경우에는 가열, 적층, 가압, 냉각 등의 과정을 거쳐 제조하는 연속성형이 있다.

Prepreg - 수지 침투 가공재
Autoclave - 고온 고압 용기