복합재료의 모든것



인터뷰 기사 - 폐기 프리프레그 재활용 연구

by composites posted Dec 10, 2014

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지난번 인터뷰기사에서 우리는 복합재 산업에서 보다 지속 가능한 미래를 위해 폐기 섬유를 재활용하는 방안에 대한 연구를 소개하였다.  이에 우리는 남가주 대학(USC, University of South California) M.C.Gill Composite Centers 에서 가젤(Gazelle) 이라는 이름으로 진행되고 있는 폐기 프리프레그 재생 연구에 대해 살펴 보기로 한다. 이 연구는 매립되는 폐기 탄소섬유/에폭시 프리프레그를 전적으로 활용하여 인공의족을 만드는 방안에 대한 것이다.  
해당 프로젝트가 지난 CAMX 2014 에서 Green Composites Design ACE 상을 받게 된 후 연구 팀의 책임자인 Gaurav Nilakantan 씨는 의족이 어떻게 만들어 졌으며 가젤 제품에 있어서 자재 재생의 장점과 상업적 잠재력에 대하여 설명해 주었다. 

 

폐기 탄소섬유 프리프레그를 재활용하기 위한 연구를 하게 된 동기는 무엇인가? 주로 어디에서 폐기 프리프레그를 확보하는가?

 

우리는 국가과학위원회 G8 지원사업으로 열경화성 복합재 프리프레그의 자재 효율성과 지속 가능한 제작방법에 대한 연구를 시작하게 되었다. 복합재 재료의 재활용 및 재생 방안은 영국, 캐나다 그리고 독일의 다른 대학들과 협업 하에 추진하는 다국적 프로그램 중 하나로서 남가주 대학의M.C.Gill Composite Centers에서 이끌어 나가고 있다. 우리는 문헌 조사를 통해 미국 내 많은 학계 및 산업계에서 다양한 섬유 재생 기술을 통해 탄소섬유/에폭시 복합재 구조물을 재활용하는데 목표를 두고 여러 연구활동을 하고 있다는 사실을 알게 되었다. 반면에 경화되지 않은 프리프레그 폐기물에 대한 재생 또는 재활용에 관한 실질적인 연구는 찾을 수가 없었다. 대부분의 미 경화 프리프레그 폐기물은 매립되어 버려질 뿐이었다. 우리는 보잉, 노스롭그루만, 스페이스 엑스 및 버진 갈락틱과 같은 항공 우주 업계와의 면담을 통해서 이 사실을 확인 할 수 있었을 뿐 아니라 나스카(NASCAR) 레이싱 팀에서 프리프레그를 매립 폐기하는 것을 목격하기도 하였다. 일부에서는 미국 내에서만 연간 2,900만 파운드의 탄소섬유가 폐기된다고 추산하고 있다. 


우리는 이 문제를 정면으로 부딪혀 산업계의 큰 부담으로 남아있는 폐기 프리프레그 문제를 위한 혁신적이고 실현 가능한 해결방안을 찾아보기로 결정하였다. 우리는 여러 이점들이 있음을 예견할 수 있었는데  첫째, 그 동안 미국 환경법규가 유럽의 수준을 따라 잡기 위하여 재활용 및 재생 수준을 정하고 법적 매립 양을 규제하기 전까지는 시간이 해결해 줄 것이라는 생각이 만연하였다.  관련법 제정이 임박해오고 잠재적인 페널티, 벌금 및 탄소세 등을 피하기 위하여서는 기업들의 재빠른 대처가 요구되었다. 둘째, 이미 제작 공정을 거쳐 제품으로 만들어진 복합재료를 목표로 하는 재생(Recycling)과 달리 재사용(Reuse) 문제는 복합재 폐기물이 계속적으로 발생함에 따라 당장 처리해야만 했다.  폐기물의 양은 항공, 자동차 및 스포츠 산업이 바야흐로 복합재 프리프레그 사용 시대로 접어들면서 폭발적으로 증가하였다. 현재 파운드 당 0.7 ~ 3달러인 폐기물 비용은 물론 유독성인 경우 기하 급수적으로 상승할 수 있지만 현재는 대형 기업들의 수지에 크게 영향을 미치지 않으나 폐기용 프리프레그의 탄소섬유와 수지는 여전히 사용할 수 있음에도 손실로 표시가 되었다. 최초의 탄소섬유 프리프레그 자재는 대략 파운드당 45달러 정도로서 폐기 프리프레그의 재활용은 기업들이 자재비 및 제작 비용을 보전하는데 도움이 될 수 있다.  최종적으로 우리는 항공 및 복합재 산업 분야에서 폐기 탄소섬유를 재활용하여 다양한 완제품으로 개발 판매하는 것에 집중함으로 서 여러 새로운 소형 기업 및 관련 제작, 설계 분야의 일자리를 창출할 수 있을 것이라는 기대를 하고 있으며 그 해결책 역시 가지고 있다고 확신한다. 

 

 

특별히 Gazelle 인공의족을 개발하게 된 동기는 무엇인가?

 

우리는 산업계에 폐기 프리프레그를 사용하여 상용 완제품을 만드는 것에 대한 기술적, 상업적 실현가능성이 있음을 보여주기 위하여 노력하고 있기 때문에 공정 및 기술을 구현하는 것뿐 아니라 실질적인 시제품을 만들어 내는 것이 중요하다는 것을 알고 있다.

이러한 제품들은 구조적 성능을 갖추고 있으며 무게 경감 효과와 함께 폐기자재를 사용함으로 서 훨씬 낮은 가격으로 만들어 질 수 있다.  인공 수족의 경우 확실한 선택이 될 수 있다는 점이 기본적으로 제품이 사람의 체중을 지탱할 수 있는 구조적 안전성을 갖추고 있어야 하며 동시에 가볍고 내구성도 뛰어나야 하기 때문이다.  부상 군인 및 의료환자들과 같이 인공수족에 대한 엄청난 수요가 있다.  한편 우리는 장애 운동선수 및 장애인 올림픽 참가자들의 경우에서와 같이 고성능 탄소섬유 사용 사례를 많이 볼 수 있었는데 가장 대표적으로 알려진 예로서Össur사에 의해 만들어진Flex Foot Cheetah® 가 있다.

 

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이러한 인공수족 제품의 가격은 수 천 달러 대에서부터 2만 달러 이상에 이르며 때때로 몇 년에 한번씩 교체 또는 보정이 필요하기도 하는 등 매우 고가의 제품이다.  게다가 이 제품들은 충분한 의료보험 지원을 받기 어려워 저소득자들이 구매하기 어렵기 때문에 우리는 우리의 기술로서 인공수족 제품을 만들기로 결정하였으며 이는 소위 치타 (Cheetah)모델의 유사버전으로 가젤 이라는 이름으로 불리게 되었고 폐기자재를 사용하여 탄소섬유 부품을 제작하여 구조용 부품시장에서도 적용될 수 있음을 보여줄 것이다.

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원문보기: http://compositesmanufacturingmagazine.com/2014/11/upcycling-composite-prepreg-materials-one-step-time/

 



 


3D 프린팅이 자동화산업에 미치는 영향

by composites posted Nov 25, 2014

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Large delta-style 3D printer

 

다양한 종류의 재료들을 사용하여 프린팅할 수 있는 폭넓은 기술적 적용 및 저렴해지는 제작비용은 3D 프린팅 기술을 향후 큰 틀을 바꿀 수 있는 기술로 만들어 간다. 하지만, 산업계가 과연 지적재산권에 대한 잠재적인 부정적 영향 등에 대하여 잘 대처할 수 있을까?

3D 프린팅 기술은 1980년 대 이후부터 존재해왔었지만 지난 10년간 이 기술을 위한 시장은 극적인 변화를 겪어왔었다.  3D 프린터는 조그만 플라스틱 모델 및 견본품 제작을 위해 사용되었던 초기부터 현재 대형 의류, 보철기구 및 전기제품에 이르기 까지 광범위하게 사용되고 있다.  하지만 가장 큰 잠재력은 일반 산업 분야에 적용될 수 있는 점이라고 자동화 산업 분야의 수석 분석가인 알렉스 챠우소브스키는 말했다.

2014IHS 산업자동화 컨퍼런스의 기조연설에서 챠우소브스키(Chausovsky )는 다음과 같이 밝혔다.  “2013년 전세계 산업분야에서 투자된 3.8조 달러 중 1.6조 달러가 산업기계생산에서 이루어졌는데 이 분야가 최신 3D 프린팅 기술에 의해 가장 크게 영향을 받게 될 것이다. “  3차원 프린터는 이제 티타늄, 강철, 알루미늄 및 구리와 같은 다양한 재질의 소재들을 이용할 수 있기 때문에 이 기술은 자동차 및 항공산업 용 부품을 제작하는데 있어서 가장 중요한 기술의 하나로서 자리 잡고 있다.  

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제작업체는 여러 방면으로 지적재산권에 대하여 생각해야만 할 것이다. 그들은 물리적 제품을 판매하는 것에서 고객이 프린팅 할 수 있는CAD 파일을 판매하는 것으로 바뀔 필요가 있을지도 모른다.

제품 설계에서의 혁신적으로 향상된 능력은 3D 프린팅 기술로 무장된 제작업체들이 단순히 맞춰보는 수준이 아닌 기능을 갖춘 제품을 만들 수 있으며 이전보다 훨씬 더 빨리 변화가 이루어질 수 있음을 뜻한다. 이것은 새로운 제품이 더 빨리 그리고 더 낮은 개발비용으로 시장에 소개될 수 있다는 것인데 전통적인 제작방법에 비하여 3D 프린팅 기술을 사용하는 제품을 생산하는 경우 40 ~ 70% 적게 자재를 사용하게 된다.

3차원 프린팅 기술이 불러온 극적인 시장 변화는 먼저 기계산업의 치공구 및 인젝션 몰딩 분야에 영향을 미칠 것으로 예상된다고 챠우소브스키는 말했다. 그는 이에 대한 예로서 현재 로봇 팔 치공구를 제작하는데 10,000 달러의 비용과 대략 4주간의 시간이 소요되는 데 반해 FDM (fused deposition modelling) 기술을 사용하면 비용은 겨우 600달러로 그리고 24시간이내로 완료될 수 있다는 점을 들었다.

모터, 드라이브, 센서. 유압 드라이브 및 밸브들을 제작하기 위해 사용되는 현재의 방법은 모두 위협 받고 있다. 우리는 적층에 대립되는 증착 기술을 사용하여 모터를 생산하는 새로운 방법이 도입되는 순간에 있다. 일부 모터 제작 선도 업체에서는 현재 이 기술을 시험하고 있다.” 라고 챠우소브스키는 말했다.

3차원 프린터로 격자 구조를 사용하여 만들어진 가변주파수 드라이브 히트 싱크가 기존의 여러 제품 보다 더 효율적으로 발열 작업을 수행해주고 그 크기도 훨씬 작다고 그는 덧붙였다.

3차원 프린팅 기술이 기존 제작산업에 불러올 가장 큰 잠재적 변화는 지적재산권의 재편성이다.  이에 대하여 챠우소브스키는 3차원 프린팅 기술을 사용하여 에어버스 A310 항공기의 오래된 좌석벨트 브래킷 대체품이 어떻게 만들어지는 가를 설명하였다. 현재 해당 부품에 대한 CAD 모델이 존재하지 않기 때문에 기존 부품을 디지털적으로 스캐닝하여 3차원 모델을 만들고 그것에 의하여 대체 부품을 프린팅 할 수 있다.

이 방법은 부품의 추가 판매 시장에 큰 영향을 끼칠 수 있다.  제조업체는 다방면으로 지적재산권에 대하여 고려해야만 할 것이다.  그들은 물리적 부품을 판매하는 것에서 프린팅 할 수 있는 CAD 파일을 판매하는 것으로 변화해야 할 필요가 있을 지도 모른다. 이러한 비즈니스 모델은 매우 효과적이지만, 가격 측면에서 고객들이 제품을 스캐닝에서 역 엔지니어링 방식으로 제품을 만드는 것을 멈추게 할 뭔가를 제시할 필요가 있을 것이다.

챠우소브스키는 이러한 잠재적 시장 변화를 현재 애플 아이튠즈와 음악산업에서 발생하고 있는 현상에 비유하였다. 노래를 99센트에 판매하는 애플의 모델은 사람들이 불법 다운로드를 통해 처벌의 위험을 안는 것 보다 합법적으로 음악을 구매하게 만드는 충분한 동기부여가 되고 있다.

비록 이 결과가 아직 오늘날의 현실로 이루어지지는 않았지만 산업용 부품 제작분야에서는 이것에 대하여 생각을 시작할 필요가 있다.  3차원 프린팅 기술 관련 특허가 소멸되기 시작함에 따라서 현재까지 이 기술의 높은 비용은 앞으로는 크게 문제가 되지 않을 것이다. 챠우소브스키는 3차원 프린팅 시장이 향후 5년간 연간 30 ~ 40% 성장 할 것으로 예상하였다.  3D Systems, Stratasys, Arcam, EOS ExOne 과 같은 3차원 프린터 업체들이 참여하고 있는 시장에는 이미 참여의사를 밝힌 휴렛 패커드, 캐논, 엡손 그리고 제록스와 같은 기업들이 참여할 예정이고  3M, Google, Microsoft, Apple, Samsung, IBM Amazon과 같은 기업들도 시장 참여를 고려하고 있다.

산업계의 높은 관심 수준에 따라 높은 프린터 및 자재 가격뿐 아니라 프린팅 속도 및 크기 제한과 같은 현재 3차원 프린터의 한계는 멀지 않은 미래에 극복 될 것이다.

만약 챠우소브스키가 예언한 바와 같이 3차원 프린팅 산업이 발전한다면 우리가 오늘날 알고 있는 산업부품 지적재산권 문제는 10년 이내에 사라질 것이다. 어느 것이 무엇이 혁신에 영향을 미칠 것인가 하는 더 큰 문제를 야기할 것인가?

 

원문보기:  

http://www.automationworld.com/how-3d-printing-will-impact-industrial-automation?utm_source=Real+Magnet&utm_medium=Publication&utm_term=Industry%20Digest%20-%2011/10/14&utm_content=This%20robotic%20arm%20will%20help%20increase%20the%20use%20of%20composites%20in%20space%20applications&utm_campaign=Industry+Digest


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