복합재가 금속을 능가하는 3가지 응용 분야
수십 년 동안 다양한 종류의 금속은 대부분의 산업 분야에서 가장 많이 사용되는 소재였습니다. 많은 응용 분야에서 플라스틱이 금속을 빠르게 대체하고 있으며, 성능의 한계로 인해 플라스틱으로 전환할 수 없는 것만 일반적으로 금속으로 남아있었습니다. 금속의 강도와 플라스틱의 장점을 결합한 소재 카테고리가 있습니다. 이 범주는 바로 복합재이며, 항공우주 분야와 열가소성 복합재가 고성능 응용 분야에서 금속을 대체하고 있는 다른 산업의 두 가지 응용 분야 등 세 가지 특정 영역을 살펴볼 것입니다.
- 모빌리티 플랫폼에서 복잡한 형상의 금속을 대체할 수 있는 열가소성 복합재.
- 산업 공정 장비의 효율성을 높이기 위한 열가소성 복합재입니다.
- 정형외과 수술 시 방사선 투과성을 제공하는 수술 기구용 열가소성 복합 소재입니다.
이동성을 위한 복잡한 형상의 금속 대체품의 무게 감소
최첨단 모빌리티 플랫폼에는 상업용 비행기, 도심 항공 모빌리티(UAM), 드론, 모바일 로봇(예: 4족 보행 로봇) 등이 있습니다. 이러한 플랫폼은 경량화, 복잡한 형상을 위한 확장 가능한 제조, 부식 완화, 부품 통합 등의 이점을 누릴 수 있습니다. 이러한 장점은 고성능 복합 소재와 대량 생산 부품 제조에 대한 지식 및 경험을 결합하여 실현할 수 있습니다.
대부분의 생산화된 금속 부품 제조에는 CNC 작업에서 재료 낭비가 발생하는 감산 방식이 필요합니다. 재료에 대한 비용과 가공에 소요되는 시간/에너지가 있습니다. CNC 기계의 자본 비용은 말할 것도 없습니다. 복합 부품은 최종 부품을 성형하는 데 필요한 재료만 사용하며, 네트 몰딩 기술을 사용하면 재료 낭비가 거의 없고 후처리가 최소화됩니다. 금속 부품의 경우 일반적으로 하드웨어 및 기계 가공된 기능과 연결되는 여러 부품이 필요합니다. 부품 통합을 통해 조립 시간을 단축하고 BOM을 줄이며 실패 지점을 줄여 설계를 간소화할 수 있는 네트 몰딩 부품에서는 이러한 문제를 제거할 수 있습니다.
헨켈의 Xycomp® DLF® 소재 및 제조 역량을 통해 복잡한 형상의 금속을 대체할 수 있는 그린 트위드 소재를 만나보세요. 당사는 사출 성형 플라스틱에 비해 성능이 향상되고 기존 금속과 동일한 적용 성능을 갖춘 열가소성 탄소 섬유 강화 그물망/그물망에 가까운 압축 성형 부품을 제공할 수 있습니다. 이 모든 것은 비금속 솔루션 개발(설계, FEA, 테스트, 평가 및 동시 엔지니어링 포함)을 위한 풀서비스 파트너가 되기 위한 그린 트위드의 접근 방식과 프로세스 전반에 걸친 제조 자동화 사용으로 제조 규모를 확장할 수 있는 동시에 가능합니다.
원심 펌프의 효율성 및 신뢰성 향상
원심 펌프에서 마모 재료는 회전하는 부품과 정지된 부품 사이의 완충재로 사용됩니다. 역사적으로 이러한 부품은 본질적으로 금속성 소재였습니다. 2003년부터 비금속 소재는 API 표준 610에 의해 이러한 응용 분야에 적합한 마모 소재로 인정받았습니다. 복합 마모 부품은 금속 부품보다 더 작은 동적 간극으로 설치할 수 있습니다. 동적 간극이 작을수록 두 가지 뚜렷한 이점이 있습니다.
- 첫째, 간극이 줄어들면 공정 매체의 재순환 또는 유출이 제한되어 장비의 처리량 또는 효율성이 향상됩니다.
- 둘째, 간극이 줄어들면 샤프트 주변의 유체 압력이 증가하여 샤프트를 안정화시키고 시스템 진동을 줄여 장비의 신뢰성을 향상시키는 센터링 효과가 있습니다.
이러한 장점이 중요한 이유는 무엇일까요? 원심 펌프는 장비 내 고정 요소와 회전 요소 사이의 유체막을 포함하여 최적의 조건에서 작동하도록 설계되었습니다. 그러나 예기치 않은 사고가 발생하여 윤활 수준이 낮아질 수 있습니다. 이러한 사고는 과도한 마모, 펌프 샤프트 손상, 중요 구성품의 갈링, 심지어 샤프트 및 금속 마모 구성품의 용접으로 인해 펌프가 완전히 마모되는 결과를 초래할 수 있습니다. 이러한 결과가 발생하면 생산이 느려지거나 심지어 중단될 수도 있습니다.
그린 트위드 마모 복합재는 마찰 및 마모 특성이 뛰어나 이러한 상황에서 생존할 수 있으며 극단적인 경우 희생 부품 역할을 하여 펌프 하드웨어의 손상 위험을 완화합니다. 회전하는 구성품과 고정된 구성품 사이의 적절한 동적 간극은 원심 펌프 구성품의 성능과 수명에 있어 매우 중요한 요소입니다. 건식 작동, 내마모성 또는 내식성을 위한 소재를 선택하든, 그린 트위드는 고객의 응용 분야에 맞는 입증된 솔루션 포트폴리오를 보유하고 있습니다.
정형외과 수술용 방사선 투과성 수술 기구:
매년 280만 명 이상의 사람들이 부상으로 입원하고 있으며 [1], 사고(의도하지 않은 부상)는 2020년 미국에서 심장 질환, 암, 코로나19에 이어 네 번째로 주요 사망 원인으로 꼽혔습니다 [2]. 사고로 인해 뼈가 부러질 수 있으며, 이는 정형외과적 외상(골절, 찢어짐, 골절 등)으로 분류될 수 있습니다. 대퇴골이나 골반과 같은 큰 뼈를 치료할 때 외과의는 뼈를 고정하고 고정하는 데 사용되는 못과 나사를 위한 가이드를 사용합니다. 이러한 수술을 하는 동안 외과의는 수술 중 엑스레이를 촬영해야 합니다(형광 투시라고 함). CDC는 투시 검사를 "일정 시간 동안 신체에 X-선을 통과시켜 신체 일부 내부의 움직임을 실시간으로 동영상으로 촬영하는 의료 절차"로 정의합니다 [3].
가이드(커팅 가이드, 드릴 가이드, 네일 가이드 포함), 견인기, 디트렉터, 포셉 및 기타 기구의 경우 기구가 금속으로 만들어졌을 때 형광 투시 검사에 어려움이 있습니다. 특히 외상 수술 중 일상적으로 시야에 들어오는 기구의 경우 더욱 그렇습니다. 이러한 기구는 형광 투시 검사 중 외상 부위의 시야를 가려 외과의의 시야를 방해합니다. 이로 인해 추가 형광 투시 촬영과 장비 및/또는 환자의 이동이 필요해져 수술 시간이 길어질 수 있습니다.
기기가 엑스레이와 형광 투시기가 통과할 수 있는 재질로 만들어진 경우, 기기가 시야를 완전히 차단하지 않습니다. 이러한 재료 특성을 방사선 투과성이라고 하며, 일부 기구의 경우 이 특성이 매우 중요합니다. 수술용 가이드가 방사선 투과성이고 형광 투시 검사 중에 움직일 필요가 없는 경우 수술실에서 보내는 전체 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
방사성 물질로 기기를 설계하는 것은 어려울 수 있습니다. 알루미늄과 같은 금속은 이러한 가이드에 가해지는 힘을 견디지 못하기 때문입니다. 일반적인 사출 성형 플라스틱 소재는 오토클레이브(수술 기구의 가장 일반적인 멸균 방식)를 통한 증기 멸균이 불가능합니다. 증기 멸균에서 수명이 긴 가공된 스테인리스강 기구를 대체할 수 있는 유일한 소재는 Greene Tweed Orthtek® 소재와 같은 탄소섬유 강화 PEEK 복합재입니다. 그린 트위드는 이 소재를 최대 2.5인치 두께의 플레이트 형태로 제공할 수 있습니다. 소재가 두꺼울수록 기기 설계 및 제조에 더 큰 유연성을 제공합니다. 또한 그린 트위드는 반제품 부품과 금속 하드웨어를 통합한 최종 기기를 제조할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다.
참조:
[1] CDC 부상 센터, 비치명적 부상 데이터, 처분별 비치명적 부상 분포, 추정 수, 2020 - https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home
[2] CDC 부상 센터, 비치명적 부상 데이터, 10대 주요 사망 원인, 미국, 추정치, 2020 - https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home
[3] CDC, 의료 방사선, 형광 투시 - https://www.cdc.gov/nceh/radiation/fluoroscopy.html