탄소나노섬유(Carbon Nanofiber) 적층제조 + 그래핀(Graphene) 증착 공정을 통한 차세대 비행체 기체 양산 기술 검증 및 제조 시방
본 시방서는 G-HVTOL 'Gold-Runner' 비행체 기체(Airframe)를 탄소나노섬유(CNF) 강화 복합소재 3D프린팅으로 제작하고, 제작된 기체 표면에 그래핀(Graphene) 증착을 수행하여 구조적 안정성, 전자파 차폐, 낙뢰 보호 성능을 확보하기 위한 양산 단계 개발 시방을 정의한다.
| 규격번호 | 명칭 | 적용분야 |
|---|---|---|
| AS9100D | 항공우주 품질경영시스템 | 전체 제조공정 |
| ASTM F2971 | 적층제조 시험편 데이터 보고 | 3D프린팅 시험 |
| ASTM D3039 | 복합소재 인장 시험 | 소재 검증 |
| ASTM D790 | 굴곡 시험 방법 | 소재 검증 |
| ASTM D7264 | 고급 복합재 굴곡 시험 | 구조 검증 |
| ASTM D5379 | 전단 시험 방법 | 소재 검증 |
| 14 CFR 25.853 | 난연성·연기·독성(FST) | 환경 시험 |
| DO-160G | 항공전자장비 환경조건 | 환경 시험 |
| 구성요소 | 사양 | 비율 | 역할 |
|---|---|---|---|
| 매트릭스 | PEKK (Polyetherketoneketone) | 75~80 wt% | 고온 내열성, 내화학성 구조 기반 |
| 강화재 | CNF (직경 80~150nm, 길이 10~30μm) | 15~20 wt% | 나노스케일 강화, 균열전파 억제 |
| 첨가재 | 단축 탄소섬유(Short CF, 100μm) | 3~5 wt% | 매크로 스케일 보강 |
| 물성 항목 | 시험규격 | 목표값 | 등급 |
|---|---|---|---|
| 밀도 | ASTM D792 | 1.35~1.45 g/cm³ | 관리 |
| 인장강도(XY) | ASTM D3039 | ≥ 145 MPa | 필수 |
| 인장강도(Z) | ASTM D3039 | ≥ 85 MPa | 필수 |
| 인장탄성률 | ASTM D3039 | ≥ 12 GPa | 필수 |
| 굴곡강도 | ASTM D790 | ≥ 180 MPa | 중요 |
| 굴곡탄성률 | ASTM D790 | ≥ 14 GPa | 중요 |
| Izod 충격강도 | ASTM D256 | ≥ 8 kJ/m² | 중요 |
| 유리전이온도(Tg) | DSC | ≥ 160°C | 필수 |
| 열팽창계수(CTE) | ASTM E831 | ≤ 15×10⁻⁶/°C | 중요 |
| 공극률(Void) | Micro-CT | ≤ 1.5% | 필수 |
| 항목 | 규격 |
|---|---|
| 직경 | 1.75 ± 0.03 mm |
| 진원도 | ≥ 98% |
| 수분함량(출하시) | ≤ 0.02% |
| CNF 분산 균일도 | CV ≤ 5% (SEM 검증) |
| 롯트(Lot) 추적성 | 전수 QR코드 기반 추적 |
| 항목 | 요구사양 | 비고 |
|---|---|---|
| 프린팅 방식 | FFF (Fused Filament Fabrication) | 산업용 대형 프린터 |
| 빌드 볼륨 | ≥ 1000×600×500 mm | 동체 일체 성형 기준 |
| 노즐 재질 | 초경합금 또는 루비 | CNF 마모 방지 필수 |
| 노즐 직경 | 0.6 mm (기본) / 0.8 mm (외벽) | 막힘 방지 |
| 핫엔드 타입 | 올-메탈 (All-Metal) | 380°C 이상 대응 |
| 챔버 환경 | 밀폐형, 온도제어 (120~180°C) | PEKK 결정화 제어 |
| 베드 온도 | 150~180°C | 뒤틀림 방지 |
| 파라미터 | 설정값 | 허용 편차 |
|---|---|---|
| 노즐 온도 | 370°C | ±3°C |
| 베드 온도 | 165°C | ±5°C |
| 챔버 온도 | 145°C | ±5°C |
| 레이어 높이 | 0.15 mm | ±0.02 mm |
| 프린팅 속도 | 30 mm/s (구조부) | ±2 mm/s |
| 인필 패턴 | Gyroid | 변경 불가 |
| 인필 밀도 | 95% (구조부) / 70% (페어링) | ±2% |
고분자 복합소재 기체에 직접 CVD 성장은 열적 한계로 불가능하므로, Cu 촉매 기판 CVD 성장 → 드라이 전사(Dry Transfer) 2단계 공정을 채택한다.
| 검사 항목 | 측정 방법 | 합격 기준 | 등급 |
|---|---|---|---|
| 라만 스펙트럼 D/G 비 | 라만 분광법 (514nm) | I_D/I_G ≤ 0.1 | 필수 |
| 면저항(Sheet Resistance) | 4점 프로브 | ≤ 500 Ω/sq | 필수 |
| 커버리지(Coverage) | SEM 이미지 분석 | ≥ 95% | 필수 |
| 접착력(Adhesion) | 크로스컷 테이프 시험 | ASTM D3359 5B 등급 | 중요 |
| 성능 항목 | 증착 전(Base) | 증착 후(Target) | 향상률 |
|---|---|---|---|
| 인장강도 | 145 MPa | ≥ 171 MPa | +18% 이상 |
| 층간전단강도(ILSS) | 35 MPa | ≥ 45 MPa | +28% 이상 |
| 전기전도도 | ~10⁻⁸ S/m | ≥ 10⁻² S/m | ×10⁶ 향상 |
| EMI 차폐효과 | < 5 dB | ≥ 35 dB | 항공 기준 충족 |
| 구조 영역 | 프린팅 방향 | 인필 밀도 | 외벽 수 | 레이어 높이 |
|---|---|---|---|---|
| 동체 중앙(하중 집중부) | 수직(Z축=비행축) | 95% | 6 walls | 0.12 mm |
| 날개 스파(Spar) | 수평(X축=스팬방향) | 95% | 5 walls | 0.12 mm |
| 날개 스킨(Skin) | 수평 | 70% | 4 walls | 0.15 mm |
| 모터 붐(Boom ×4) | 수평(X축=붐축) | 90% | 5 walls | 0.15 mm |
| 배터리 케이스 | 수직 | 95% | 6 walls | 0.12 mm |
| 하중 조건 | 설계 계수 | 적용 영역 |
|---|---|---|
| 제한 하중(Limit Load) | 1.0 × MTOW × 3.8G | 전체 구조 |
| 극한 하중(Ultimate Load) | 1.5 × Limit Load | 전체 구조 |
| 피로 수명 | ≥ 10,000 비행시간 | 주요 구조부 |
| 안전 계수(Safety Factor) | ≥ 2.0 (1차 구조), ≥ 1.5 (2차) | 구분 적용 |
| NDT 방법 | 적용 대상 | 검출 목표 | 합격 기준 |
|---|---|---|---|
| X-ray CT | 전체 출력물 | 내부 공극, 미접착 | 공극률 ≤1.5% |
| 초음파 탐상(UT) | 접합부 | 층간 박리(Delamination) | 박리 면적 ≤6mm² |
| 라만 맵핑 | 그래핀 증착면 | 결정성, 결함 밀도 | D/G ≤0.1 (95%) |
| 판정 항목 | 기준 | 상태 |
|---|---|---|
| 소재 인증 | B-basis 물성 데이터 확보 (n≥30) | 진행중 |
| 공정 동결 | 3σ 이내 파라미터 제어 실증 | 진행중 |
| 그래핀 증착 수율 | ≥ 90% | 진행중 |
| 시제품 비행시험 | 100시간 무결함 비행 | 진행중 |
| 품질관리시스템 | AS9100D 인증 완료 | 진행중 |
| 공정단계 | 소요시간 | 비고 |
|---|---|---|
| 소재 준비/건조 | 8h | 병렬 처리 |
| 3D프린팅 (동체) | 48~72h | 듀얼 프린터 교차 운용 |
| 3D프린팅 (날개×2) | 24~36h | 전용 프린터 |
| 3D프린팅 (붐×4 + 기타) | 16~24h | 배치 출력 |
| 어닐링 및 정삭 | 10h | 오븐 + CNC |
| 그래핀 전사 및 조립 | 20h | 드라이 전사 + 체결 |
| 총 택트 타임 | ~7일/기 | 월 4기 생산 (기본) |
| 위험요소 | 발생 공정 | 대응 조치 |
|---|---|---|
| CNF 나노입자 흡입 | 절단, 후처리 | HEPA 배기, N99 마스크 |
| 고온 화상 | 프린팅, 어닐링 | 차열 차폐, 인터락 |
| 유해가스 | PEKK 열분해 시 | 챔버 밀폐, 스크러버 |
| Cu 에칭 폐액 | 그래핀 전사 | 중화처리, 위탁처리 |
PEKK Tg≥160°C로 비행 환경 충족. CNF 15~20wt% 시 인장강도 145MPa 달성. 알루미늄 대비 50% 경량화.
Z축 강도는 XY 대비 40~60%. 프린팅 방향 최적화 + 그래핀 보강 필요. 안전계수 2.5 적용 필수.
인장강도 +18~50%, 전기전도도 ×10⁶, EMI 차폐 ≥35dB 확보 가능 확인.
산업용 FFF 장비 기반 7일/기 택트 타임 가능. 월 4기 생산 체계 수립 타당.