[첨단 헬로티]
필자는 공작기계 메이커에서 33년, 세미드라이 급유장치 메이커에서 14년, 공구 메이커에서 6개월을 경험했으며, 회사 근무의 대부분을 절삭, 연삭 등의 부품가공과 함께 보냈다.
1970년대부터 NC 선반의 지도, 머시닝센터 등의 기계가공, 지그 설계, 공구 연삭, 조립 직장에서는 스크레이퍼, 고속 주축 조립, 그 후 영업소 근무로서 타마(多摩) 지역의 판매 활동, 기계연구소로 이동 후에는 연구 개발, 경취재의 연삭, 쿨런트에 의한 축심 냉각 주축의 설계, 초고속 절삭, 파인세라믹스 가공기의 판매 지원, 세미드라이 가공, 고경도강·미세가공, 시작조립가공 평가도 업무로 해 왔다.
그리고 세미드라이 급유장치 메이커에서는 새로운 급유장치의 개발, 각종 평가가공시험, 판매 지원 등을 경험했다.
2017년부터는 세미드라이 가공 관련으로 이전부터 알고 지내던 미쓰비시가스화학의 컨설턴트로서, 탄소섬유 복합 소재 CFRP의 건식 절삭가공(드라이 가공) 기술인 고체 윤활재 ‘SLE 시트’의 판매·평가시험 지원, 유저·공구 메이커·전시회 PR 등의 업무에 종사했다.
CFRP란 무엇인가
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)는 경량·고강도의 탄소섬유를 열경화수지에 의해 적층, 소결 성형하고 있다. CFRP는 철보다 강하고 중량은 1/4, 경량으로 고강성이기 때문에 항공기, 자동차 등의 산업에서 주목받고 있다.
탄소섬유는 미국에서 로켓 엔진의 내열성 향상을 위해 개발됐다. 그 후 도레이(TORAY) 등 일본의 섬유 메이커가 이 신소재의 가능성, 신시장에 대한 보급을 내다보고 생산을 시작해 지속하고 있으며, 현재는 탄소섬유 생산의 80% 가까이를 점유하고 있다.
개발 당시 CFRP는 신소재로 고가여서 새로운 시장으로 전개하기 어려웠지만, 낚시대, 골프 클럽, 테니스 라켓 등 오락, 스포츠 용품에서 보급이 시작됐다. 그 후 포뮬러원 등의 레이싱카, 반도체 제조장치와 의료기기, 풍력발전 블레이드, 항공기·고급 자동차 경량화의 신소재로서 채용되기 시작됐다.
최신 항공기 보잉 ‘B787’, 에어버스 ‘A350’에서는 중량의 반 이상이 CFRP의 새로운 복합 소재로 구성됐다. 고급 자동차 CFRP는 두께 3mm 정도가 많은데, 페라리의 CFRP 섀시는 두께 20mm인 것이 있다.
CFRP 산업계 보급의 배경
1970년대의 오일 쇼크, 석유연료 가격의 급등을 배경으로 자동차·항공기 산업에서는 연비 향상의 개발이 추진되어 왔다.
1990년대는 지구온난화 방지의 관점에서 이산화탄소의 대폭 절감이 전 세계적으로 요구되어, 자동차, 항공기 모두 경량화, 엔진 효율화의 연비 향상 개발이 더욱 추진됐다.
자동차에서는 2017년쯤부터 미국 캘리포니아에서 엔진 자동차의 판매 규제가 실시됐으며, 미국 각 주, 중국 등으로 확대되고 있다. 이에 각 자동차 메이커 모두 전기자동차(EV) 개발이 필연적이 됐다. 현재 EV는 주행 거리에 문제를 가지고 있으며, 배터리 성능 향상, 신소재 등에 의한 경량화가 이 문제 해결 수단으로서 모색되고 있다.
경량화 대책으로서 신소재는 고장력강판, 알루미늄·마그네슘합금, CFRP 등이 널리 알려져 있다.
자동차 산업에서는 경량화의 수단으로서 장기간 고장력강판에 의존해 왔다. 그러나 소재로서 강도 향상도 한계에 달했으며, 고급차 등에서는 CFRP의 채용이 증가하고 있다.
연속 탄소섬유를 열경화수지로 소결한 CFRP뿐만 아니라, 짧게 절단한 탄소섬유를 열가소성수지로 성형한 CFRP도 기존의 사출성형기로 양산이 가능하기 때문에 자동차 산업 등에서 앞으로 증가할 것으로 생각된다.
항공기 산업에서는 구조체 대부분에 CFRP를 채용해 경량화에 의한 저연비뿐만 아니라, 더욱 쾌적한 기내 환경이 만들어진다. CFRP의 금속에는 없는 특성, 감쇠성 효과로서 저진동으로 조용하고, 내부식성으로 금속과 같이 기체의 결로 부식이 없어 기내 습도를 높일 수 있으며 고강성 기체이기 때문에 기내의 감압을 적게 할 수 있다. 최신 항공기는 ‘B787’, ‘A350’ 등이 전 세계를 날아다니고 있으며, 이전의 항공기보다 조용하고 기압차에 의한 귀의 위화감도 없으며 적절한 습도 관리에 의해 콘택트렌즈나 목마름이 적은 것을 경험한 분이 많을 것으로 생각한다.
CFRP 가공의 문제
탄소섬유를 열경화성 에폭시수지로 적층 소결한 소재인 CFRP는 수지·섬유의 함수성 때문에 절삭유제를 사용하지 않는 건식 절삭이 많이 이용되고 있다. 건식 절삭은 공구와 피삭재, 가공점의 윤활성이 없기 때문에 공구 마모가 문제이다. 공구 마모에 의해 절삭감이 저하되고 절삭저항도 증가하기 때문에 드릴에 의한 구멍 뚫기 가공에서는 구멍 뚫는 측에 발생하는 적층의 박리 ‘데라미네이션’, 탄소섬유의 잔삭 ‘언컷 파이버’ 등의 불량도 발생한다.
각 공구 메이커는 이러한 불량의 대책으로, 코팅 피막으로서는 가장 경도가 높은 다이아몬드 코트를 CFRP용 공구로서 권장하고 있다. 다이아몬드 코트 공구는 고가이며, 재연삭 시에도 코팅 피막의 제거, 연삭, 재코트와 비용이 든다.
또한, 난절삭성이므로 고강도 탄소섬유를 효율적으로 절삭하기 위해서는 예리한 절삭날이 필요하다. 그러나 코팅된 공구는 에지의 라운딩이 문제가 된다. 대책으로서 절삭날이 예리하고, 절삭감이 좋은 논코트 초경공구도 사용되고 있다.
고체 윤활재 ‘SLE 시트’의 제안
미쓰비시가스화학제 고체 윤활재 ‘SLE 시트’는 이 문제를 해결하는 새로운 건식 절삭법이다. 최근의 고객 요구는 드라이 프로세스, 절삭 면품질 향상과 공구 수명 연장, 절삭 속도를 높인 생산 효율 향상, CFRP 절삭 분진의 저감에 있으며, ‘SLE 시트’는 이러한 요구의 해결책이 된다.
미쓰비시가스화학은 25년 전부터 프린트 기판의 건식 구멍 뚫기 가공 용도로서 ‘LE 시트’를 개발했으며, 업계 표준으로서 널리 사용됐다. ‘SLE 시트’는 이 기초 기술에 윤활 성능을 더 높여 항공기 부품 등의 건식 절삭을 가능하게 한 새로운 가공 기술이다.
▲ 그림 1. 기존 시스템에 의한 데이터 흐름
그림 1에 프랑스 툴루즈의 구멍 뚫기 시험 결과를 나타냈다. 상 Ti합금/하 CFRP 중첩 조건으로, ø3.25mm의 드릴을 사용해 DRY와 SLE 시트 적용 조건으로 구멍 뚫기를 했다. SLE 시트를 양면에 붙인 경우에는 CFRP 안쪽면의 구멍 주위에 데라미네이션이 없고, 구멍 품질이 우수한 결과가 나왔다.
그림 2에 SLE 시트를 붙인 예를 나타냈다. 상 Al합금/하 CFRP 구성으로, SLE 시트를 양면에 붙여 구멍 뚫기를 하고 SLE 시트를 벗기기 전의 상태이다.
▲ 그림 2. SLE 시트를 붙인 예
‘SLE 시트’는 윤활유를 포함하지 않고 윤활성을 가지는 수용성수지 등으로 구성되며, 시트 모양으로 성형되어 있다. 시트의 단면은 점착층으로 되어 있으며, CFRP 소재 등에 이 ‘SLE 시트’를 붙여 절삭공구에 의해 함께 가공을 한다. ‘SLE 시트’는 저융점수지로 가공열에 의해 용융하고, 공구 외주에 수용성수지 등으로 구성되는 윤활막을 생성해 공구 마모를 억제, 데라미네이션, 언컷 파이버의 발생을 최소한으로 억제한다.
또한 가공점에 용융한 수지가 끼어 들어감으로써 분진 모양이 되는 절삭칩의 비산 방지 효과도 있다.
‘SLE 시트’의 선정은 가공 구멍 지름, 깊이에 따라 최적의 윤활성을 유지하는 시트 두께가 필요하다. 표준 두께는 0.5/1.0/2.0mm의 3종류에서 최적인 두께의 시트를 선정한다. 항공기 부품에서 가장 가공성이 나쁜 Ti합금/CFRP의 복합 스택재 등에서는 안팎으로 양면에 붙여 윤활성을 높이는 경우도 있다.
Ti합금의 경우 드릴이 들어가는 측에 ‘SLE 시트’를 붙여 사용한다. CFRP일 때는 드릴이 나오는 측에 ‘SLE 시트’를 붙여 사용한다.
각종 가공 사례
본격적으로 시장에 출시되기 시작한 지 얼마 되지 않았는데, 평가시험의 사례는 해외를 포함해 절삭공구 메이커 몇 사와 실시하고 있다. 해외 공적 기관으로는 독일의 응용연구기관 Fraunhofer IFAM(Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials)과 공동 연구를 하고 있다. 또한, 영국의 첨단 가공기술연구기관 AMRC(Advanced Manufacturing Research Centre)에서 평가시험을 실시했다. 한편 자동차·항공기 부품가공의 유저에서는 평가시험 내지는 실용 단계이다.
특히 항공기 부품가공 유저에서는 기존대비 공구 수명이 3배인 고효율 가공을 실현하고 있다.
그림 3에 (ⓒFraunhofer IFAM) ‘SLE 시트’를 이용한 구멍 뚫기 시험 결과를 나타냈다. 독일의 연구기관 Fraunhofer IFAM에 위탁해 자동차 그레이드의 CFRP 두께 3mm 소재 ø6 구멍 뚫기 사례이다.
▲ 그림 3. ‘SLE 시트’를 이용한 구멍 뚫기 시험 결과
드릴은 초경 논코트, 코팅의 2종을 비교해 SLE 시트의 유무에 따른 구멍 품질, 언컷 파이버 등을 관찰했다. SLE 시트는 0.5mm 두께를 드릴이 나오는 측에 붙이고, 각 드릴의 구멍 뚫기 개수는 1000구멍이다.
그림 3 왼쪽측은 논코트 드릴, 오른쪽측은 코팅 드릴, 언컷 파이버가 적은 오른쪽 위, 왼쪽 아래가 ‘SLE 시트’가 있는 조건이다. 중앙부의 4구멍이 각 비교 조건 1000구멍 째의 마지막 구멍이다.
‘SLE 시트’를 이용한 경우, 드릴의 코팅 유무에 관계없이 구멍 품질이 우수했다. 그 중에서도 코팅 없는 드릴은 에지의 라운딩이 없고 절삭감이 좋기 때문에 보다 깨끗한 구멍 품질을 얻을 수 있었다.
해외 동향, 시장의 요구
보잉제 항공기 ‘B787’의 구조체에 CFRP가 대폭 채용되고, 일본 메이커가 소재, 가공 조립을 수주해 CFRP는 주목받는 신소재이다.
일본에서 개최하는 고기능 플라스틱, 자동차 경량화 등의 전시회에서는 CFRP 관련 업종의 출품은 볼 수 있지만, CFRP로 특화된 전시회 개최는 없다.
필자는 미쓰비시가스화학의 컨설턴트로서 해외에서 개최하는 전시회에 판매 지원 업무를 했다.
2018년 11월은 독일 슈투트가르트 ‘COMPOSITES EUROPE 2018’, 2019년 3월은 프랑스 파리 ‘JEC WORLD 2019’에 참가했다. 두 전시회 모두 CFRP를 비롯한 복합 소재로 특화한 전시회이다.
탄소 등 섬유, 수지, 프리프레그 제조기, 형상생성기, 탄소섬유 직기·편물기, 절단기, 절삭공구, 절삭가공기, 소결로, 항공기, 자동차, 자전거, 스포츠 용품 등 여러 분야에 걸친 CFRP의 대기업에서 중소기업까지 관련 기업이 출품했다.
독일 전시회는 미국과 유럽을 중심으로 하는 전시회이고, 프랑스 전시회는 위치가 좋아 미국과 유럽, 아시아, 남미 브라질에서 작은 부스로 참가하는 업체도 있는 국제적인 전시회였다.
지역별 CFRP 부품 절삭가공의 특징으로서는 항공기 메이커 에어버스의 구성 부품은 독일, 프랑스, 영국, 스페인, 러시아 등, 보잉은 앞에서 말했듯이 일본, 미국, 캐나다가 많고 자동차 관련 부품은 독일, 북이탈리아, 자전거는 이탈리아, 스페인, 프랑스, 스포츠 용품은 아시아의 관람객이 많았다.
전시회에서는 미쓰비시가스화학 부스에 전시된 언컷 파이버 등을 줄이는 가공 샘플이 많은 관람객의 발길을 멈추게 했다.
이러한 부스 관람객의 대부분으로부터 데라미네이션, 언컷 파이버의 문제를 지적하는 말을 들었다.
일본에서 CFRP는 2000년쯤에는 보잉제 항공기 ‘B787’ 부품으로서 본격 채용되어, 일본 메이커 미쓰비시중공업·가와사키중공업·후지중공업(현 SUBARU)의 수주가 결정됐다. 이 부품의 절삭가공, 조립의 제작에 관계된 각 메이커는 최적의 가공 조건 선정 시험, 동시에 공동으로 대기업 공구 메이커에 의한 최적의 공구 연구 개발이 시작됐다. 각사는 많은 시간과 비용을 들였으며, 결론적으로 트리플 레이크나 다이아몬드 코트의 드릴이 개발 판매됐다.
CFRP 항공기 부품의 절삭가공 현장에서는 이러한 최적이라고 생각되는 절삭공구를 사용하면서도 복합 소재 특유의 데라미네이션, 언컷 파이버의 전면적인 해결에는 이르지 못했다.
미쓰비시가스화학의 항공기 부품 건식가공에 대응하는 고체 윤활재 ‘SLE 시트’는 이 문제를 해결할 수 있는 새로운 가공 기술로서 새로운 시장에 보급될 것으로 생각한다.
오오타 아키오
