1.1 연구의 배경

엔지니어링 플라스틱이란 말 그대로 산업용, 공학용에 사용 가능한 강도 높고 가벼운 고성능 플라스틱류를 말하지만, 일반적으로 약칭해 ‘엔프라(enpla)’라고도 부르기도 한다^[1].

오늘날 가볍고 친환경적이며, 효율적인 신소재에 대한 수요가 늘면서 화학 기업들이 엔지니어링 플라스틱 개발을 주도하고 있으며, 통상적으로 범용 엔지니어링 플라스틱은 강철보다 강도가 높고 내열성이 100도 이상, 강도가 49.0MPa 이상, 굴곡 탄성률이 2.4GPa을 갖는 고기능성 합성수지를 통칭한다^{[2, 3]}.

1.2 연구의 목적 및 방법

본연구는 ‘알루미늄에서 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 재질 변경으로 경량화’를 기반으로 로봇 그리퍼 시스템을 위한 방안을 제시한다. 아래 Fig. 1의 경우 로봇 그리퍼 시스템에서 비교적 중량물을 다루므로 진공흡착으로 부품과 반제품을 이송하면서 작업을 수행하는데, 하나의 부품을 로딩하기 위해 크로스 조인트와 다수의 클램프 및 툴을 장착한 이미지이다.

현재 기술 수준으로 각광을 받는 경량화 소재로는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 꼽히고 있으며, 화학기술이 금속을 대신해 슈퍼 엔지니어링 플라스틱의 경량화 수단으로서의 입지를 높이고 있다.

슈퍼 엔지니어링 플라스틱 중 하나인 유리섬유 강화 플라스틱은 합리적 비용으로 뛰어난 경량화를 발휘하는 소재이며, 플라스틱 매트릭스는 플라스틱의 원재료로서 유리섬유를 첨가해 강철과 동일하거나 이상의 감성을 낼 때 무게는 약 65% 수준이다^[4].

금속 소재의 단점을 해결하여 다양한 분야에서 쓰이고 있는 부품 소재로 로봇 암 크로스 조인트의 강도와 경량화를 위해 필요한 소재로 금속을 대체할 수 있는 가공 재료로 선택을 위해 각종 함유물을 첨가해서 하나의 소재를 선택한다. 또한 선택되어진 소재인 슈퍼 엔지니어링 플라스틱에 대한 ASTM D638/D790 및 KS D8334/9502 규격에 의거한 시험평가를 하고 결과를 분석 고찰하고자 한다.

2.1 PA 수지와 PPA 수지 물성 비교분석

1) PA(Poly Amide)는 내충격성과 기계적인 성질이 우수한 결정성 플라스틱이면서 폴리아미드산 아미드 결합〔-CO-NH-〕로 연결된 중합체의 반복으로 주요 체인(main chain)을 구성하는 선상 고분자 물질이다. 내유성, 내마모성, 내마찰, 내약품성 등에 우수하며, 흡수성과 녹는점이 높고 우수한 것이 특징이며, 물성 치수 변화가 크다. 따라서 기계적 강도는 저하하며, 수분을 흡수하여 내충격성, 유연성은 증가한다.

2) PPA(Polyphthalamide)의 인장강도는 고온 및 고습 하에서 나일론 6보다 20% 더 높고 나일론 66보다 더 높다. PPA 물질의 굴곡 탄성률은 나일론의 굴곡 탄성률보다 20% 더 높다. 더 크고 장기 인장 크리프에 대한 내성 휘발유, 그리스 및 냉각수에 대한 PPA의 저항력도 PA보다 강하다. 동시에 PPA는 고온 내성 나일론이며, 200℃의 고온을 견딜 수 있다. PPA 강도, 인성 및 경도 우수한 성능, 우수한 내열 부품, 내 화학성 및 내 균열성 및 고온 다습한 환경으로 강도와 경도를 유지할 수 있으며 기존 나일론 및 폴리에스테르의 금속을 대체할 수 있다.

3) 검토 대상 원소재의 분석

PPA는 PA계로, 방향족 나일론으로 불리는 반결정성 수지로 고강도, 고내열, 저 흡수율, 고강성, 치수 안정성 등에 우수한 재질이며, 습한 환경은 표준 폴리아미드의 기계적 물성에 치명적인 영향을 미칠 수 있는데, PPA는 흡수율이 낮으며 습도가 높더라도 강도와 강성이 크게 변하지 않는다. PPA 강도, 인성 및 경도 우수한 성능, 우수한 내열 부품, 내 화학성 및 내 균열성 및 고온 다습한 환경으로 강도와 경도를 유지할 수 있으며 기존 나일론 및 폴리에스테르의 금속을 대체할 수 있다.

2.2 PPA와 PA66 물성 비교분석

PA66 소비의 가장 높은 비중은 엔지니어링 플라스틱으로 총소비량의 65%를 차지하고 산업 원사는 20%를 차지하고 나머지는 총소비량의 15%를 차지하고 있다. PA66의 다운 스트림 제품은 대부분 강성과 인성으로 인해 방적에 적합하지 않은 엔지니어링 플라스틱에 집중되어 있다.

PPA는 PBT, PPS, PEI, PET 및 PA66에 비해 우수한 강성 대 비용 비율 및 높은 강도 대 중량 비율을 특징으로 한다. 그리고 열 성능은 폴리에테더르케톤(PEEK) 및 일부 액정 폴리머에 의해서만 초과 된다^[5].

보다 높은 유리 전이 온도 및 낮고 느린 흡습로 인해보다 안정된 기계의 특성을 실현하고 있다. 이러한 문제 때문에 PA66으로는 대응할 수가 없었던 애플리케이션도 적용이 가능하다.

2.3 경량화를 위한 대체 소재 선정

최종 소재 선정 높은 인장강도와 굴곡강도 등 기존의 금속 소재인 알루미늄을 대체하기 위해서는 단순한 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로는 한계가 존재함으로 이를 보완하기 위하여 유리섬유 또는 카본섬유의 혼합을 통한 섬유 강화 플라스틱 소재를 선정하였다.

1) 유리섬유 강화 플라스틱

가장 흔히 쓰이는 강화 섬유이며, 유리섬유 보강을 통해 우수한 화학적, 기계적, 전기적 특성을 나타내면서 비용 경쟁력도 가진다. 유리섬유에 의해 주로 향상되는 물리적 특성은 압축강도와 인장강도이며, 또한 열적 치수 안정성도 개선할 수 있지만 슬라이딩성이 요구되는 분야에서 유리섬유가 상대 소재를 빠른 속도로 마모시키기 때문에 사용하지 않는 것이 좋다^[6].

2) 탄소섬유 강화 플라스틱

탄소섬유는 탄성율이 아주 높기 때문에 강성이 중요하게 요구되는 최적의 재료이면서 유리섬유와 아라미드 섬유와는 달리 전기를 통하는 도전성 재료이다. 따라서, 전기적인 특성이 필요 없다면 폴리머 매트릭스 전반에 걸쳐진 탄소섬유 전도성이 일관성을 가지지 않게 설계해야 하며, 유리섬유와 달리 슬라이딩 내마모 및 저마찰 용도로 제품에 매우 적합하다^[6]. 이를 위해 인장강도 등을 고려하여 최종 원소재를 FRP 기반의 탄소섬유(Carbon Fiber) 합유물이 첨가된 PA6 GF40으로 최종결정하였다.

3.1 대체 소재를 활용한 동작 분석 및 유한요소해석을 통한 로봇 크로스 조인트 설계

유한요소 해석을 위한 로봇 암 크로스 조인트의 3D 제작하였으며, 아래 Fig. 2의 경우 Autodesk사의 Inventor 2020을 활용하여 로봇 암 크로스 조인트의 3D 객체를 생성하였다.

1) 유한요소 해석을 위한 재질 선정

- Aluminum : 기존의 로봇암 및 크로스 조인트의 재질로 은백색의 가벼운 금속

- PC/ABS : PolyCarbonate와 ABS을 혼합하여 제조하는 합성수지로 사출 가공성 및 압출이 아주 우수하고, 내화학성이 뛰어남

- PolyCarbonate : 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로 내충격성, 절연성, 가공성 등 기계적 성질이 우수함

- Polyethlyene : 열가소성 플라스틱의 하나로 일상생활에서 가장 많이 볼 수 있는 플라스틱으로 가볍고 유연함

본 연구에서 선정한 재료인 PA6 GF40 카본 재질을 신규로 생성하였으며, 기초 데이터는 정량적 목표 항목에 맞춰 작성하였다.

2) 유한요소해석을 위해 크로스 조인트 동작 시 하중을 받는 부분을 선정하였으며, 각각 다음과 같다.

가로 삽입 파이프 하단부 : 로봇 암 크로스 조인트는 교차하는 두 개의 파이프를 연결하는 그리퍼 부품으로 두 개의 삽입 파이프 중 가로 파이프로 인해 발생하는 하중을 위해 설정하였으며, 세로 삽입 파이프 하단부 : 로봇 암 크로스 조인트는 교차하는 두 개의 파이프를 연결하는 그리퍼 부품으로 두 개의 삽입 파이프 중 세로 파이프로 인해 발생하는 하중을 위해 설정하였다.

위의 Fig. 3의 경우 볼트 체결부(좌, 우) : 로봇 암 크로스 조인트의 교차하는 두 개의 파이프를 고정하여 상단부와 하단부를 결합하는 형태로 되어 있으므로 이를 고정하기 위한 볼트 체결부는 하중이 발생하므로 해당 부분을 설정하였다.

3) 알루미늄과 제안 소재의 유한요소해석 비교분석 두 소재를 비교하였으나 측정값을 통한 비교는 불가능하였다. 이는 아래의 Table 1의 경우 크로스 조인트 전체에 대한 결과값이기 때문에 발생하였다.

아래 Fig. 4의 경우 Von Mises Stress의 경우 알루미늄보다 제안 소재가 강한 압력(테스트 결과상 붉은 부분)을 덜 받는 것으로 확인이 되었으며, Displacement (뒤틀림) 테스트 결과 알루미늄 소재와 제안 소재의 뒤틀림 방향이 서로 다름을 확인하였다.

3.2 로봇 크로스 조인트 대체 슈퍼엔지니어링 플라스틱의 공인인증에 따른 시험평가 분석

금속재를 슈퍼 엔지니어링 플라스틱을 사출 소재로 변경할 경우 조립성 및 구성 부품 단순화를 가능케 하고, 제조 공정이 단순화될 수 있어 제조비용 및 2차 조립도 훨씬 유리하다고 할 수 있다.

선정된 PA6 GF40에 카본이 함유된 소재를 활용하여 공인시험 규격에 맞게 시편을 제작하여 만능재료 시험기, 플라스틱 충격 시험기를 사용하여 인장강도 테스트를 진행하였다.

① 인장강도는 ASTM D638 규격에 준하여 해당 규격에서 인정하는 모양의 시편 중 Dog Bone Type의 시편을 제작하여 인장강도 측정 테스트기에서 5회 시험하여 인장강도를 측정한다.

② 굴곡강도는 ASTM D790 규격에 준하여 해당 규격에서 인정하는 모양의 시편 중 Bar Type의 시편을 제작하여 굴곡강도 측정 테스트기에서 5회 시험하여 굴곡강도를 측정한다.

③ 굴곡탄성률은 ASTM D790 규격에 준하여 해당 규격에서 인정하는 모양의 시편 중 Bar Type의 시편을 제작하여 굴곡탄성률 측정 테스트기에서 5회 시험하여 굴곡탄성률을 측정한다. 굴곡강도와 동시 수행에 대한 결과는 Table 2와 같은 결과를 얻었다.

굴곡강도는 ASTM D790-17 규격을 참고로 하여 Universal test machine을 사용하여 측정하였다.

시편은 사출기를 사용하여 길이 127mm, 넓이 12.7mm, 두께는 3.2mm인 시편을 제조하였으며, 시험 항목의 변화에 따른 강도 및 탄성률 곡선을 나타내고 있다. 아래의 기계적 물성 테스트(인장강도 Fig. 5의 경우 굴곡강도 Fig. 6의 경우 굴곡 탄성률 Fig. 7의 경우, 하중변화온도)와 전기적 물성(표면저항)을 각각 측정하였다.

인장강도에 대한 테스트 시편을 통해서 측정하였으며, 인장강도 테스트는 최종 소재 결정을 위해 총 4차례에 걸쳐 수행하였다. 테스트 결과 185MPa, 192MPa, 198MPa, 229MPa가 나왔고, 최종 목표치인 220MPa를 상회하는 결과를 얻을 수 있었다.

열 변형온도는 ASTM D648 규격에 따라 제공된 시편을 바탕으로 열 변형온도를 측정하였으며, 해당 소재를 활용하여 실제 로봇 크로스 조인트를 미리 제작한 시금형을 통해 시제품을 사출하였다.

3) 체적저항 테스트

아래 Fig. 8의 경우 체적저항은 고저항 측정기 4339B (Agilent, 미국), 버니어 캘리퍼스 CD-20APX (Mitutoyo, 일본)를 사용하여 측정하였으며, 시편은 사출기를 사용하여 길이 50mm, 넓이 50mm, 두께는 6mm인 시편을 제조하였다.

시험 항목, 시험조건은 테스트 전압 DC 500V, 시료 고정력 10kg 충전시간 1min이며, 시료 수는 5개로 시험을 통해 체적저항 측정결과는 Table 3과 같다.

4) 절연저항 테스트

절연저항은 내전압 절연저항 시험기 TOS-9201 (Kikusui, 일본)를 사용하여 측정하였으며, 시편은 사출기를 사용하여 길이 50mm, 넓이 50mm, 두께는 6mm인 시편을 제조하였다. 아래 Fig. 9의 경우 시험 항목, 시험조건은 DC 500V, 1분 유지, 시험 포인트는 시료의 앞면 → 시료의 뒷면이며 시료 수는 5개로 시험을 통해 절연저항 측정결과는 Table 4와 같다.

4) 경량화 연구 성과

아래 Fig. 10의 경우 알루미늄 다이캐스팅 제품의 경우 무게를 측정한 결과 607g이고, 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 사출 제품의 경우 408g로 약 199g의 무게 감소를 확인할 수 있었으며, 이는 약 40%정도의 제품 무게 감소를 직접 확인할 수 있음을 알 수 있다.