
고객 성공 사례
자동차 산업을 위한 폴리머 및 폴리머 복합재의 압출, 사출 성형 및 3D 프린팅 제조 공정 최적화
로마 대학교 공과대학의 현장 보고서
이 고객 성공 사례에서는 로마 사피엔자 대학교 화학 엔지니어 재료 환경학과의 재료 과학 및 기술 분야 정교수인 Jacopo Tirillò가 완전 바이오 기반 폴리아미드를 활용한 자동차용 친환경 복합 소재 개발에 관한 자신의 연구 성과에 대해 이야기합니다. 또한 하이브리드 및 복합 재료에 대한 적층 제조 및 공정 자동화 분야의 연구와 저충진 현무암의 3D 프린팅에 대한 연구 결과에 대한 인사이트를 제공합니다.

„열 분석 연구소는 NETZSCH 분석 및 테스트에서 제공하는 고품질의 기기와 교수, 연구원 및 기술자의 노하우가 포함된 서비스 패키지를 학계와 산업계 모두에 제공하는 것을 목표로 합니다. 주요 목표는 대학 및 산업계와 상호 연결되고 효율적인 네트워크를 구축하여 최고의 연구 품질을 보장하고 지역 및 국가의 경제 발전을 위해 제조 공정과 제품 모두의 유익한 성장을 보장하는 것입니다. 현재 브리지스톤, ABB, 트레베로이, 스텔란티스, ESA, ASI, AVIO Space와 같은 기업들과 협력하고 있습니다.“
이탈리아의 유명한 로마 대학교의 공학부는 1935년에 설립되었습니다. 2010년 사피엔자 대학교의 조직 개편에 따라 공학부는 정보 공학, 컴퓨터 과학 및 통계학, 토목 및 산업 공학의 두 학부로 나뉘었습니다. 후자는 현재 6개의 다른 학과로 구성되어 있습니다: 우주항공, 전기 및 에너지 공학, 화학 재료 및 환경 공학, 토목, 건축 및 환경 공학, 기계 및 항공 우주 공학, 구조 및 지반 공학, 공학 기초 및 응용 과학입니다.
로마에 위치한 본교 외에 리에티와 라티나에 두 개의 분교가 있습니다. 더 정확하게는 1991년부터 라티나 시에는 공학, 경제 및 상업 학부, 의학 및 외과 학부를 포함하는 로마 사피엔자 대학교의 분교가 있습니다.
오늘은 로마 사피엔자 대학교 화학공학 재료환경학과의 재료 과학 및 기술 분야 정교수인 자코포 티릴로(Jacopo Tirillò)를 인터뷰하게 되어 기쁘게 생각합니다.
그는 재료 과학 및 기술 분야에서 15년 이상의 경력을 쌓았으며 170여 편의 과학 논문을 발표했습니다. 라티나의 새로운 열 분석 연구소에서 폴리머 및 폴리머 복합재 분야에서 NETZSCH 열 분석 장비를 사용하여 압출, 사출 성형 및 3D 프린팅과 같은 제조 공정을 최적화하는 연구를 진행하고 있는 Jacopo Tirillò 교수가 연구 활동에 대한 통찰력을 제공할 예정입니다.
2023년 6월, 교수님과 교수님의 팀은 로마 대학교의 분교인 라티나에 학술 프로젝트를 수행하고 산업 고객에게 기술 응용 및 분석 지원을 제공하기 위해 새로운 열 분석 실험실을 개소했습니다. 이 새로운 연구소의 개소가 지역과 대학에 혁신적인 이유는 무엇인가요?
"이 열 분석 연구소의 개소는 폴로 폰티노와 라 사피엔자에게는 재료 특성 분석 분야의 우수 센터이자 기업 및 연구 센터의 기준점이 될 것입니다. 이 실험실(그림 1)은 향후 폴로 폰티노가 특히 지속 가능성 및 재생 에너지 분야에서 재료 분석의 우수 센터가 될 수 있도록 하는 대규모 프로젝트의 일부입니다."


학계와 업계에 구체적으로 어떤 서비스를 제공할 예정인가요?
"새로운 열 분석 연구소는 학계와 산업계 모두에 NETZSCH 분석 및 테스트에서 제공하는 고품질의 기기와 함께 다년간의 경험과 전문성을 통해 얻은 교수, 연구원 및 기술자의 노하우를 포함하는 서비스 패키지를 제공하는 것을 목표로 합니다. 주요 목표는 대학 및 산업계와 상호 연결되고 효율적인 네트워크를 구축하여 최고의 연구 품질을 보장하고 지역 및 더 일반적으로 국가의 경제 발전을 고려하여 제조 공정과 제품 모두의 유익한 성장을 보장하는 것입니다. 현재 브리지스톤, ABB, 트레베로이, 스텔란티스, ESA, ASI, AVIO Space와 같은 기업들과 협력하고 있습니다."
열 분석이 연구 활동의 과제 해결에 어떻게 도움이 되나요?
"우리 연구 그룹은 주로 폴리머 및 폴리머 복합재 분야를 연구합니다. 이러한 종류의 재료의 유변학적, 기계적 및 치수 거동은 온도에 크게 좌우되므로 연구 중인 재료에 대한 360도 개요를 확보하려면 열 분석의 활용이 필수적입니다. 예를 들어 열 분석은 압출, 사출 성형 및 3D 프린팅과 같은 제조 공정을 최적화하기 위한 최적의 유변학적 조건을 파악하는 데 필수적이지만, 재료의 기계적 거동 변화를 밝혀 특정 응용 분야에 대한 타당성을 검증하거나 해제할 수 있게 해줍니다. 여기에서는 열화상 열량계(DSC), 동적-기계 분석기(DMA),팽창도계(DIL) 또는 열 중량 분석기(TGA)와 결합된 푸리에 변환 적외선 분광기(FT-IR) 등 NETZSCH 의 다양한 열 분석 장비를 사용합니다. 이러한 장비는 폴리머 및 폴리머 복합재 개발 분야에서 강력하고 꼭 필요한 도구입니다."
티릴로 교수님, 지금까지 열 분석을 어떻게 활용하셨는지 예를 들어주시겠어요?
"연구 그룹은 MUR(이탈리아 대학 및 연구부)에서 자금을 지원하는 프로젝트 Thalassa(PON "R&I" 2014-2020, 보조금 ARS01_00293, Distretto Navtec)의 틀 안에서 새로운 바이오 기반 복합 솔루션을 제안하기 위해 많은 연구를 수행했습니다. 연구 중 하나는 피마자유로 합성한 완전 바이오 기반 폴리아미드 11(PA11)에 아마/현무암 하이브리드 직물을 강화하여 소재의 친환경성을 유지하는 자동차용 친환경 복합재 개발에 중점을 두었습니다. 여기에서는 이러한 구조의 충격 반응을 개선하기 위해 가소화된 PA11을 기본 PA11과 함께 조사했습니다(그림 2). 가소화된 PA11은 더 높은 인성을 제공하여 침투 현상을 지연시키고 상온에서 라미네이트 영구 압입을 줄이는 데 효과적이라는 것이 입증되었지만, DSC 스캔을 통해 입증된 것처럼 폴리머의 용융 온도를 거의 10°C 낮추는 효과도 있었습니다(그림 2 참조).
이러한 측면은 가공성을 개선하는 데 중요할 뿐만 아니라 열에 매우 민감한 보강재로 사용되는 식물성 섬유를 보존하는 데도 매우 중요합니다. 섬유의 열 분해는 강화 효과를 크게 위협할 수 있기 때문에 매우 바람직하지 않습니다. 이 연구에 대한 자세한 내용은 "내충격성 인트라플라이 현무암/아마 하이브리드 복합재를 위한 강화 바이오 폴리아마이드 11"(DOI:10.3390/macromol2020010 ) 논문(2022년 Macromol에 게재)에서 확인할 수 있습니다."

흥미로운 인사이트를 공유해 주셔서 감사합니다! 다른 연구 프로젝트와 그 결과를 공유해 주실 수 있나요?
"네, 기꺼이 그러죠. 재료 특성 분석에서 열 분석의 중요성을 보여주는 또 다른 예는 이탈리아 교육부, 대학 및 연구부가 자금을 지원하는 연구 프로젝트 AMICO(코드 ARS01_00758)의 프레임워크에서 수행된 작업에서 제시되었습니다. 이 프로젝트는 하이브리드 및 복합 재료의 적층 제조 및 공정 자동화에 중점을 두었으며, 이러한 맥락에서 저충진 현무암 PP 및 PA12의 3D 프린팅에 대한 연구 작업을 수행하여 현재 Journal of Composites Science에 게재를 검토 중입니다. 적층 제조는 높은 설계 자유도, 폐기물 최소화, 빠른 프로토타입 제작, 제품 맞춤화, 제너레이티브 설계 및 위상 최적화를 통한 구조 경량화 등 다양한 장점으로 인해 여러 산업 분야에서 큰 잠재력을 지닌 기술로 떠오르고 있는 기술입니다. 사용 가능한 모든 3D 프린팅 기술 중에서 열가소성 폴리머 및 복합재용으로 설계된 용융 증착 모델링(FDM)은 기계 투자 및 원자재 비용이 가장 저렴한 기술입니다. 이러한 장점에도 불구하고 FDM으로 생산된 고분자 부품은 인접한 층 사이의 불연속성으로 인해 발생하는 높은 다공성으로 인해 해당 사출 성형 부품보다 기계적 성능이 낮다는 특징이 있습니다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 저충진 고분자 필라멘트를 사용하여 기계적 성능 저하와 관련된 주요 문제를 해결하면서 FDM의 장점을 활용할 수 있는 실행 가능한 방법을 제안했습니다. 특히 자동차 분야에서 사용되는 두 가지 주요 고분자 소재인 PP와 PA 12에 현무암 섬유를 5 중량 %로 보강했습니다. 그 결과 인장 강성 및 밀도 값이 사출 성형으로 가공한 깔끔한 폴리머와 비슷한 수준으로 크게 개선되어 우수한 결과를 얻었으며, FDM에서 파생되는 고유한 다공성 덕분입니다. 특히 최종 부품의 밀도는 PP의 경우 0.88g/cm3, PA12 현무암 충전 복합재의 경우 1.01g/cm3로 사출 성형에 사용되는 관련 깔끔 매트릭스의 0.91g/cm3 및 1.01g/cm3와 비슷한 수준입니다.
이 프레임워크에서 재료 용융 거동에 대한 지식은 압출과 부품 3D 프린팅을 통한 필라멘트 생산을 모두 최적화하는 데 필수적이었습니다. DSC 분석을 통해 PP와 PA12의 용융 온도, 즉 165°C와 252°C를 확인할 수 있었으며, 선택한 프린팅 온도는 각각 260°C와 300°C였습니다. PA12에 대해 선택한 프린팅 온도는 용융 온도와 완벽하게 호환되었지만 3D 프린터의 상한선이기도 했습니다. 복합 재료의 기계적 응답에서 섬유 길이의 강한 영향을 고려하여 시편 3D 프린팅 전후에 두 폴리머 구성의 섬유 길이 분포를 평가했으며 그 결과 데이터는 그림 4에 나와 있습니다. PP 시편은 평균 섬유 길이가 약간만 감소한 반면, PA12는 폴리머 유변학으로 인해 섬유 평균 길이가 더 크게 감소한 것으로 나타났습니다. 특히 PP 필라멘트는 용융 온도보다 100°C 높은 온도에서 3D 프린팅했기 때문에 용융물의 유동성이 좋은 반면, PA12는 50°C 과열로만 3D 프린팅했기 때문에 용융물의 점도가 높아져 섬유에 가해지는 굽힘 모멘트가 증가했습니다.
열 분석은 복합 재료가 경험하는 형태적 변화를 이해하고 지원하는 강력한 도구였으며, 단순히 더 우수한 성능의 3D 프린터를 선택함으로써 재료 반응의 잠재적 개선 가능성을 발견했습니다."라고 말했습니다


현재 진행 중인 프로젝트 중 열화상 분석 장비를 사용하는 프로젝트는 어떤 것이 있나요?
"현재 진행 중인 프로젝트 중 열 분석의 이점이 없는 프로젝트를 찾기는 사실 어렵습니다. 이 연구 그룹은 PRIN 2023 "Bio-cOmpOsite Material dEsign foR pAckagiNG(BOOMERANG)"과 PRIN 2022 "additive mAnufactuRing for liGhtwEight joinTs(TARGET)"와 같은 두 개의 PRIN 프로젝트와 두 개의 PNRR 프로젝트에 참여하고 있습니다, Centro Nazionale per la Mobilità Sostenibile(MOST)의 Spoke 11 "혁신적 소재 및 경량화", PE11 "Made in Italy Circolare e Sostenibile"(MICS)의 Spoke 3 "친환경 및 지속 가능한 제품 및 비핵심 및 2차 원재료로부터의 소재". 또한, 필리포 베르토 교수에게 버터플라이 프로젝트에 대한 ERC 고급 보조금이 수여되었습니다.
모든 프로젝트는 지속가능성이 개선되고 환경에 미치는 영향이 적은 신소재를 제안하고 새로운 경량 구조물을 개발하는 것을 목표로 합니다. 두 경우 모두 표준 요구 사항을 충족하는 성능의 제품을 시장에 출시하고 제조 공정을 최적화하여 환경에 미치는 영향을 최대한 줄이면서 고품질의 결과물을 보장하기 위해서는 열 분석이 필수적입니다.
NETZSCH 분석 및 테스트와의 협력은 이미 그랬던 것처럼 앞으로도 장비와 지식 측면에서 우리 실험실의 기술 발전을 이끌 것이라고 생각합니다.
마지막으로 연구 그룹의 모든 팀원들에게 진심으로 감사의 말씀을 전합니다. 파브리지오 사라시니 교수, 필리포 베르토 교수, 클라우디아 세르기 박사, 아이린 바바소 박사."
티릴로 교수님, 흥미로운 연구 작업에 대한 통찰력을 제공해 주셔서 대단히 감사합니다. 앞으로도 저희는 장비뿐만 아니라 컨설팅 서비스와 새로운 교육 행사를 통해 기여할 수 있게 되어 기쁩니다.