열가소성 복합소재

Tepex®는 완전히 함침되고 통합된 플레이트 형태의 복합 반제품군입니다. 고인장 연속 섬유(또는 Tepex® flowcore의 경우 장섬유)와 열가소성 매트릭스로 구성됩니다. 이 복합 시트는 가열 및 후성형 공정을 통해 짧은 사이클 타임 내에 복잡한 부품으로 가공될 수 있습니다. 연속 섬유는 주로 유리섬유 및/또는 탄소섬유로, 직물, 인레이 또는 기타 반제품 섬유제품 형태입니다. 매트릭스 소재는 폴리프로필렌, 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 12, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리우레탄 및 폴리페닐렌 설파이드와 같은 열가소성 플라스틱입니다. Tepex®의 주요 강점은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

• 높은 강성
• 매우 높은 강도
• 낮은 밀도로 인한 탁월한 경량화 가능성
• 부품 제조 시 매우 짧은 사이클 타임
• 열가소성 매트릭스 구조로 인서트 성형 및 용접 가능
• 우수한 설계 유연성
• 용제 무함유
• 재활용 가능
• 매우 우수한 에너지 흡수 특성
• 낮은 열팽창 계수
• 우수한 치수 안정성 및 내화학성, 내식성

섬유-플라스틱 복합재는 특히 탁월한 강성과 매우 높은 강도, 그리고 매우 낮은 밀도로 특징지어집니다. 이는 이상적인 경량 설계 재료의 특성입니다. 아래 표는 여러 표준 Tepex® 등급의 주요 파라미터를 보여줍니다:

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Tepex® 부품의 Computer-aided engineering (CAE)은 단축된 개발 기간, 비용 효율적인 생산 공정, 그리고 하중 조건에 최적화된 부품 설계를 달성하기 위해 필수적입니다. 이 과정에서 설계는 생산 공정과 부품의 기계적 거동, 그리고 생산과 부품 특성 간의 상호작용에 구체적으로 연관됩니다.

이방성, 즉 방향 의존성은 설계 과정에서 반제품의 가장 중요한 특성입니다. 보강 직물의 형태적 구조는 인장-압축 비대칭성과 평면을 통한 위치(적층 구조) 의존성을 야기하며, 제조 공정에서는 drapability(성형성)에 영향을 미칩니다. 매트릭스(수지) 특성은 온도 및 경우에 따라 수분 함량의 영향을 주며, 하중 종류에 따라 시간 의존성 크리프 거동이 나타납니다. 적층 구조는 또한 인장 특성과 굽힘 특성 간에 비교적 큰 차이를 발생시킵니다.

제조 공정과 부품 거동 모두는 표준 FE(Finite Element) 해석법과 계산 프로그램(솔버)을 통해 매우 효과적으로 특성화할 수 있으며, 정밀도와 예측 품질은 사용되는 모델 기반 접근 방식, 기반 데이터의 범위, 그리고 계산하고자 하는 구체적 요소에 따라 달라집니다.

제조 공정 및 결과 섬유 방향, 그리고 파단 거동에 이르는 부품 특성을 충분히 예측하기 위하여, 우리는 FE solver인 ABAQUS 기반 도구를 개발했으며, 이 도구는 상기 언급한 특성과 영향을 특성화하여 Tepex® 부품의 개발 프로세스에서 직접 사용할 수 있습니다. 이 FE 도구들은 방향 의존적인 인장 시험(고속 신장률 포함) 및 다양한 전단, 굽힘 시험을 통해 산출된 재료 데이터를 사용합니다.

Draping 시뮬레이션

성형 및 draping(포형) 시뮬레이션은 서로 독립적인 두 가지 목적을 가집니다:

• 직물 내 국소 섬유 방향 및 전단 각도의 분포를 결정합니다. 이는 기계적 해석 시 재료의 이방성 거동을 고려하는 데 필요합니다. 이러한 해석은 프로젝트 초기에, 콘셉트 단계에서 다양한 설계 제안의 기계적 분석을 위해 자주 요구됩니다. 이로 인해 섬유 방향 시뮬레이션은 신속하고 간편하게 수행되어야 하며, 이 시점에 아직 제공되지 않은 금형 정보에 대한 요구가 최소화되어야 합니다. 이를 위해 우리는 주어진 Tepex® 형상에 대해 관련 블랭크(소재)와 방향 분포를 매우 빠르게(약 1시간 이내) 산출하는 FE 기반 해석 방법을 사용합니다. 이 프로세스는 완벽하지 않으나, 일반적으로 충분한 정밀도(원스텝 드레이핑)를 제공합니다.
• 블랭크의 형상, 금형 형상, 슬라이드, 핀, 핸들링 시스템 등의 요소를 모두 고려한 draping 프로세스의 총체적 재현입니다. 여기서의 목표는 공정 매핑, 초기 단계에서의 오류 식별, 개선 방안 제안, 공정 신뢰성 평가입니다. 이 경우 섬유 방향 계산은 부수적인 역할을 합니다. 전체 draping 해석 연구는 부품 형상이 대체로 확정되고 금형 데이터(최소한 금형 표면 데이터)가 확보되었으나, 여전히 약간의 유연성이 남아 있을 때 이상적으로 수행됩니다.

Tepex® 부품의 draping 해석을 위한 우리의 시뮬레이션 모델은 FE solver인 ABAQUS를 기반으로 하며, 열가소성 직물 기반 복합재는 플라스틱 성형이 불가하고, 평면 금형에서 직물의 전단 변형(trellis-effect)에 따라 부품의 3차원 형상에 맞춰지는 점을 고려하고 있습니다. 성형에 필요한 전단 효과가 커져 섬유가 서로 맞물리게 되면, 소재는 정상 방향으로 전환됩니다.그리고 주름이 발생합니다. 이 효과는 계산 모델에서도 재현할 수 있습니다.

통합 시뮬레이션

당사의 Tepex® 복합재료 모델은, 원스텝 드레이핑 공정에서 부품 형상에 따라 결정된 섬유 방향과 결합하여, 부품의 강성, 강도, 충돌 특성 및 진동 특성을 매우 효율적으로 예측 계산할 수 있게 합니다. 이 도구들은 순수 Tepex® 부품은 물론 인서트-성형, 하이브리드-성형, 또는 플로우-성형 공정을 통해 생산된 부품에도 사용할 수 있습니다. 설계자는 컴퓨터 단계에서 부품의 약점을 인지하고, 예를 들어 벽 두께 증가 또는 보강 리브 추가를 통해 이를 보완할 수 있습니다.

두 가지 도구 모두 전방 상단 벨트, 브레이크 페달, 에어백 하우징, 시트 쉘 및 인포테인먼트 브래킷(차량 사운드 시스템의 하중 전달 구조)과 같은 다양한 프로토타입 및 양산 부품의 개발에서 그 적합성과 정밀성이 입증되었습니다.

냉각 거동 시뮬레이션

당사는 Tepex®의 성형 시뮬레이션과 신규 재료 모델을, 가열된 Tepex® 성형 중 열적 공정의 시뮬레이션까지 지원하는 모델링 접근법으로 보완하였습니다. 이 시뮬레이션 모델은 본질적으로, 예를 들어 슬라이드 아래의 불균일한 냉각 및 그 역효과에 의한 드레이퍼빌리티 변화, 즉 온도 의존적 재료 거동에서 기인하는 현상을 검토할 수 있게 해줍니다.

이 시뮬레이션 프로세스는 가열 과정 및 모든 열적 조건에 대한 정확한 정보가 필요하고, 등온 접근법에 비해 훨씬 더 복잡하므로, 일반적으로 매우 특정한 질문 및 문제를 분석할 때만 사용됩니다.

Tepex® 부품의 독립적 설계

공동 개발 프로젝트에서는 통합 시뮬레이션을 통해 고객의 부품 개발을 지원합니다. 그러나 고객이 자체 CAE 워크플로우 내에서 Tepex®의 신규 적용 제품을 설계할 수 있도록 하는 도구를 제공하는 것 또한 중요합니다. 이를 위해:

• 상용 프로그램인 Digimat(e-Xstream)용 재료 모델이 검증되어 데이터로 구성되었습니다. 고객은 이 프로그램을 다양한 계산 소프트웨어와 조합하여 사용할 수 있습니다. Digimat 솔루션을 사용하려면 해당 프로그램 라이선스가 필요합니다.
• 다양한 설계 문제를 효과적으로 처리할 수 있는, LS-Dyna(MAT 58)용 표준 재료 모델이 지정되어 있습니다.
• 대부분의 Tepex® 등급에 대해, 코드 종류에 관계없이 간편하게 강성 해석을 수행할 수 있는 선형 재료 데이터셋이 제공됩니다.

모든 방법에 대해 확장 가능한 재료 파라미터 데이터가 준비되어 있습니다. 모든 경우에 섬유 방향 분포 정보가 필요하며, 이는 당사 전문가가 예를 들어 원스텝 드레이핑 공정을 통해 계산해, 지정된 계산 모델에 맞게 제공하고 저장할 수 있습니다.

전체 개발 체인에 걸친 서비스

당사 전문 팀은 재료, 공동 개발에 관한 당사의 모든 전문 지식을 제공합니다복합소재 기술, 시뮬레이션 방법, 부품 시험, 가공 및 제조에 대한 노하우를 보유하고 있습니다. 당사는 이러한 전문성을 고객과의 파트너십에 도입합니다. Tepex®에 대한 당사의 서비스는 다음과 같습니다:

• 부품 요구사항을 고려한 소재 선정 지원
• 인서트 성형, 하이브리드 성형 및 플로우 성형용 맞춤형 폴리머 등급 제공
• 기계적 구조 해석 및 부품 설계를 위한 소재 파라미터 도출을 위한 소재 시험
• Tepex® 성형(드레이핑) 시뮬레이션
• 연속 섬유 복합 부품의 하중 최적 설계를 위한 통합 시뮬레이션
• 프로세스 파라미터 결정 및 품질 관리·개선을 위해 자사 완전 자동화 생산 품질 데모 셀에서 고객의 제조 공정 재현
• 기계적 부품 시험 및 환경 변화 시험 등 부품 시험

Tepex® 복합재의 컷팅

블레이드 컷팅

• 직사각형 블레이드 컷팅 또는 롤 투 롤 방식의 종방향 컷팅을 제공합니다.

워터젯

• 대량생산의 Hybrid Molding 공정에서는 순형상(pre-cut) 가공된 재료가 필요합니다. 이러한 고도로 자동화된 공정에 맞춰, 고객별로 맞춤 설계된 윤곽 컷팅을 제공합니다. 매우 미세한 워터젯(4000bar 압력)이 Tepex® 오르가노 시트를 커팅합니다. 추가로, 절단 성능 강화를 위해 필요 시 절단용 연마사(abrasive cutting sand)를 도입할 수 있습니다. 2D 절단 윤곽은 CAD 파일로 제공되며, 절단 속도 최적화 및 원재료 손실 최소화를 위해 부품의 배치와 네스팅이 효율적으로 설계되어 있습니다.
• 연마 커팅에 사용된 절단용 샌드와 모든 PP 및 PA6 기반 폐절단물은 100% 재활용됩니다. Tepex® 절단 부산물의 재활용에 대한 자세한 정보는 지속 가능성 섹션에서 확인하실 수 있습니다.
• 저희 워터젯 컷팅 시스템은 비가동 시간을 최소화하도록 설계되었습니다. 각 기계를 두 개의 독립 작업 영역으로 분할하여, 한 쪽에서 셋업하는 동안 다른 쪽에서는 동시에 커팅이 가능합니다. 여러 장의 시트를 적층하여 동시 커팅도 수행할 수 있으며, 이로 인해 절단 패스별 컷팅 수가 증가하여 워터젯 컷팅 공정의 효율성이 극대화됩니다.

Tepex® 오르가노 시트 - 연속 생산 공정

당사의 Tepex® 복합재는 연속적이고 고도로 자동화된 생산 공정에서 완전 또는 부분적으로 성형(consolidation)됩니다. 하지만 완전 성형이 왜 그렇게 중요한가요?

• 성형 품질이 낮아질수록(기공 함량 증가) 거의 모든 기계적 특성이 크게 저하됩니다! 특히, 완전 성형은 피로 한계 및 전단 강도 한계를 기하급수적으로 향상시킵니다.
• 품질 측면에서, 명확하게 정의된 완전 성형은 고객이 용이하고 신뢰성 있게 입고 품질 검사를 수행할 수 있도록 해줍니다. 반제(semi-finished goods)의 특성은 최종 제품과 동일합니다.

완전 성형을 달성하는 방법은?

• 점성이 높은 열가소성 수지로 섬유 구조를 완전히 함침(impregnation) 및 성형(consolidation)하려면 일정 압력을 일정 시간 동안 가해야 합니다. 부분적으로만 성형된 반제(semi-finished good)를 가열된 금형에서 성형할 경우, 이 시간은 몇 분 이상 소요될 수 있습니다. 이에 대한 당사의 해답은 다음과 같습니다: 저희는 부품 생산의 사이클 타임을 획기적으로 단축할 수 있는 완전 함침 시트를 제공합니다!

Tepex® 최대 품질과 경제성을 위한 생산 기술

• Bond-Laminates에서는 더블 벨트 프레스(double belt press)를 활용하여 연속 공정으로 오르가닉 시트(organic sheet)를 생산합니다. 이를 위해 플라스틱과 직물, 주로 직물을 롤에서 프레스로 투입합니다. 장치의 첫 번째 섹션에서는 더블 벨트 프레스의 가열된 강철 벨트와의 접촉을 통해 폴리머가 압력 하에 용융됩니다.
• 두 번째 섹션에서는 등압(isobaric) 압력 분포가 플라스틱 용융물이 직물 구조 내로 충분히 침투하도록 보장합니다. 용융 존(melt zone)의 길이는 각 필라멘트가 폴리머로 완전히 코팅될 수 있도록 충분한 시간을 제공합니다.
• 더블 벨트 프레스의 세 번째 존(zone)은 오르가닉 시트의 최종 품질을 결정하는 핵심 단계입니다. 이 단계에서는 재료를 계속 압력을 가한 채로 냉각하여 고체 상태로 복귀시키면서 목표 두께로 캘리브레이션(calibration)합니다. 더블 벨트 프레스에서 시트가 배출된 후에는 자동 에지 트리밍(edge trimming)이 이루어지며 프로젝트에 특화된 판재 규격으로 절단할 수 있습니다.

Tepex® Dynalite의 인서트 성형

성형 및 후성형(백몰딩) 부품을 얻기 위해, Tepex® 인서트는 첫 번째 단계에서 열성형되고, 별도의 단계에서 후성형 또는 오버몰딩할 수 있습니다. 두 번째 단계에서는 프리폼을 다시 가열해야 합니다.

Tepex® Dynalite의 하이브리드 성형

하이브리드 성형은 2단계 공정에 대한 경제적인 대안을 제공합니다. 유기 시트는 사출금형 내에서 동시에 성형 및 사출됩니다. 단일 단계로 성형 부품을 생산하려면, 반제품 복합 시트를 최종 형상에 근접하도록 블랭크로 제공합니다. 본 공정은 <60초의 매우 짧은 사이클 타임을 달성할 수 있습니다.

Tepex® Flowcore의 압축 성형

다양한 벽 두께를 가지는 복잡한 형상 부품에 플로우몰딩이 특히 적합합니다. 유한한 섬유 길이의 보강재를 적용한 Tepex® flowcore는 플로우몰딩에 적합합니다. 이를 통해 리브 및 기능성 요소의 형상이 가능해집니다. 또한, 플로우몰딩은 매우 우수한 반복 정밀도와 짧은 사이클 타임이 특징입니다.

Tepex®의 하이브리드 성형

LFT 또는 Tepex® flowcore의 압축 성형과 예열된 복합 시트의 결합을 통해, 대형이고 매우 강도 높으며 변형이 적은 부품의 생산이 가능합니다. 이러한 공정으로 생산되는 부품의 주요 특성은 매우 높은 충격 저항성입니다.

추가 정보

당사의 가공 및 기술적 가능성에 대해 자세히 알아보십시오.아래의 가공 지침 브로셔를 다운로드하여 소재 정보를 확인하십시오.

• 가공 지침서 다운로드 (영어)
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더 지속 가능한 적용 분야를 위한 경량 구조

저희에게 지속가능성은 재활용 또는 바이오 기반 원료뿐만 아니라, 자사 소재의 재활용 옵션을 확인하는 것 이상의 의미를 갖고 있습니다. 우리는 특히 플라스틱 산업을 위해 이 복잡한 문제를 전체적으로 해결하고자 노력합니다.

보다 지속 가능한 미래로 가는 길은 상당 부분 자원과 에너지의 의식적이고 경제적인 사용에 기반합니다. 경량 구조는 자재를 절감하고, 그로 인한 이동 또는 가속에 필요한 에너지를 줄이는 데 매우 효과적인 방법입니다.

20년이 넘는 시간 전에 Tepex® 오가닉 시트의 개발자들은 탁월한 기계적 특성과 저밀도를 하나의 소재에 결합하고자 했습니다. 그 결과, 다양한 요구 사항에 맞게 맞춤화할 수 있는 다용도의 소재군이 탄생했으며, 항상 경량 구조라는 핵심 원칙을 유지하고 있습니다.

Tepex®의 기계적 재활용

Tepex® 오르가노 시트와 같은 열가소성 매트릭스 소재는 가공과 수명 종료 시점의 재활용 모두에서 많은 이점을 제공합니다.

산업 폐기물, 주로 Tepex® 가공에서 발생하는 트림 오프컷의 경우 이미 실질적인 재활용 개념이 존재합니다. 이 과정에서는 폐기물을 분쇄하여 반제품 시트의 오버몰딩이나 일반 사출성형에 사용할 수 있습니다. 현재는 PP 및 PA GF 복합재의 산업용 폐기물에도 이 공정이 적용됩니다. 섬유와 매트릭스는 분리되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이 공정은 PP-GF 복합재를 대상으로 경제적·생태적으로 모두 평가되었습니다.ReproOrgano 프로젝트의 일환입니다.

재생 가능한 원료

재활용을 통한 순환 공정과 에너지 효율성 향상에 더해, 재생 가능한 원료는 생산 과정에서 이산화탄소를 흡수함으로써 온실가스 배출 저감의 매력적인 방안을 제공합니다.

플렉스와 같은 재생 섬유와 폴리락틱애시드(PLA)와 같이 재생 가능한 매트릭스 소재를 결합하면, 기존 PC/GF 시스템의 약 1/3 수준까지 CO₂ 발자국을 최대한 줄일 수 있습니다.

가공 과정에서의 에너지 효율성

Tepex® 오르가노 시트의 가공에는 섬유 보강 유형에 따라 다양한 옵션이 존재합니다.부품의 재질 두께, 섬유 길이, 복잡성 또는 특정 요구 사항에 따라 맞춤형 가공 공정이 제공됩니다. 맞춤형 가공 방식은 각각의 상황에서 최고의 신뢰성, 공정 효율성, 에너지 효율성을 보장합니다.

경금속, 열경화성 수지 및 열가소성 복합 소재에 대한 다양한 가공 방식을 비교하면 Tepex®와 같은 높은 통합도가 공정 단순화에 크게 기여함을 알 수 있습니다. 특히 연마, 폴리싱 등 후가공 공정이 불필요해질 경우, 개별 공정 단계 간 오염 위험 또한 현저히 감소합니다.

이는 예를 들어 컴퓨터나 휴대폰의 정밀 도장된 하우징 부품 등에서 중요합니다. 공정 단계가 줄어들면 기계 및 설비의 제조 작업 부담이 감소할 뿐만 아니라, 반복적인 냉각 및 가열이 생략되어 에너지 밸런스 또한 향상됩니다.

Operation clean sweep

미세플라스틱은 이제 전 세계 환경 어디서나 검출됩니다. 이미 전 세계 바다에는 플랑크톤보다 더욱 많은 양의 미세플라스틱이 존재하는 것으로 추정됩니다. 사막, 북극, 에베레스트산, 농지, 대기 등 모든 곳에서 상당한 양의 미세플라스틱이 발견되고 있습니다. 플라스틱 입자는 어류, 해산물, 소금, 꿀 등과 같은 식품에서도 검출되고 있습니다.

이 책임은 우리 모두에게 있습니다. 환경에 존재하는 많은 미세플라스틱은 타이어 마모 및 합성 섬유 의류 세탁으로부터 발생합니다.

그러나 플라스틱 가공 산업 역시 그 책임을 인식하고 있습니다. 27개 회원국의 100여 개 회원사로 이루어진 플라스틱 제조업체 협회인 Plastics Europe은 유럽 플라스틱 생산량의 90% 이상을 차지하며, OperationCleanSweep (OCS)에 동참하였습니다. 이는 생산 공정에서 발생할 수 있는 플라스틱 펠렛으로 인한 환경 오염을 차단하기 위한 전 세계적인 캠페인입니다.

OCS는 기존 환경경영 인증 외에 추가적으로 획득할 수 있는 인증으로, 관련 요건 충족 시 부여됩니다. 우선 우리는 해당 프로그램 및 요건 이행을 공식적으로 약속해야 합니다. 그 다음부터 자체 점검을 통해 생산 공정 내 소립자 플라스틱(그래뉼/파우더)이 환경에 유출될 수 있는 지점을 철저히 분석하고, 이를 방지할 메커니즘을 구축해야 합니다.

Envalior는 2025년 말까지 유럽 내 모든 생산 현장에서 OCS 감사 통과를 목표로 노력하고 있습니다.

Operation clean sweep

미세플라스틱은 이제 전 세계 환경 어디에서나 검출이 가능합니다. 이미 전 세계 해양에는 플랑크톤보다 많은 양의 미세플라스틱이 존재하는 것으로 추정됩니다. 사막, 북극, 에베레스트, 농경지, 대기 등 어디서든 상당량의 미세플라스틱이 발견되고 있습니다. 플라스틱 입자는 어류, 해산물, 소금, 꿀 등 우리의 식품에서도 확인되고 있습니다.

이 책임은 우리 모두에게 있습니다. 환경 내 미세플라스틱의 상당 부분은 타이어 마모와 합성섬유 의류 세탁에서 발생합니다.

그러나 플라스틱플라스틱 가공 산업 또한 그 책임을 인식하고 있습니다. Plastics Europe는 27개 회원국에서 100개가 넘는 회원사가 유럽 플라스틱의 90% 이상을 생산하는 플라스틱 제조업체 협회로서 OperationCleanSweep(OCS)에 동참하였습니다. 이는 생산 과정에서 발생하는 플라스틱 펠릿으로 인한 환경 오염을 방지하기 위한 글로벌 캠페인입니다.

OCS는 당사의 기존 환경경영 인증 외에 요건 충족 시 추가로 획득할 수 있는 인증입니다. 우선 프로그램 및 요건 준수에 공식적으로 서약해야 하며, 이후 생산 공정을 면밀히 점검하여 미세입자 플라스틱(그라뉼/파우더)이 환경에 유출될 가능성이 있는 지점을 확인하고, 이를 방지할 수 있는 관리 방안을 도입해야 합니다.

Envalior는 2025년 말까지 유럽 내 모든 생산 거점이 OCS 심사를 통과하는 것을 목표로 하고 있습니다.

Tepex 브로셔 다운로드

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