왜 다축 탄소섬유 워프 니트 패브릭이 ‘저고도 경제’의 새로운 인기 소재가 되었을까?

저고도 경제의 발전은 소재에 어떤 새로운 요구 사항을 제시하는가?

드론 및 eVTOL의 경우, ‘경량화’는 단순히 무게를 줄이는 것을 의미하지 않는다.

항공기의 무게를 줄이면 비행 중 에너지 소비를 낮출 수 있고, 비행 시간을 연장하며 적재 용량을 늘릴 수 있다. 따라서 구조적 안전성과 강성을 확보하면서도 구조물의 무게를 최소화하는 것이 항상 저고도 항공기 설계에서 핵심 과제였다.

동시에 저고도 항공기는 복잡한 하중 조건에도 대응해야 한다.

기체 본체, 암(arm), 날개, 프로펠러 및 연결 구조물은 비행 중 인장, 압축, 굽힘, 비틀림, 진동 등 다양한 하중을 받는다.

이는 이상적인 구조용 소재가 높은 강도와 강성을 갖추어야 할 뿐만 아니라, 구조물 각 부위에 작용하는 힘의 방향에 따라 특별히 설계될 수 있어야 함을 의미한다.

이것이 바로 다축 탄소섬유 워프 니트 원단의 장점이 있는 정확한 지점이다.

다축 탄소섬유 워프 니트 원단이란 무엇인가?

일반적인 0°/90° 탄소섬유 평직 및 새들직과 달리, 다축 워프 니트 원단은 섬유를 단순히 엮지 않는다.

탄소섬유를 다양한 방향으로 배치할 수 있게 해준다. 예를 들어:

0°, ±45°, 90° 조합 등이 있다.

서로 다른 방향으로 배치된 섬유는 각기 다른 방향의 하중을 지지하며, 워프 니트 실은 이러한 개별 섬유 층들을 고정시켜 하나의 통합 구조를 형성한다.

이러한 구조 덕분에 재료의 섬유 배향을 제품이 실제로 받는 응력 조건에 보다 정확히 맞출 수 있다.

간단히 말해:

특정 방향으로 힘이 작용해야 하는 곳에는 그 방향으로 더 많은 섬유를 배치할 수 있다.

이로 인해 다축 와프 니트 탄소섬유 직물은 구조 성능과 무게 모두에 대한 높은 요구 조건을 충족해야 하는 항공기 및 저고도 비행체의 구조에 특히 적합하다.

왜 드론에 특히 적합한가?

1. 복합 하중 요구 사항을 충족하기 위한 다방향 하중 지지

드론은 단일 방향에서만 힘을 받는 것이 아니다.

예를 들어, 비행 중 암부는 굴곡, 비틀림, 진동 등 여러 가지 하중을 동시에 받는다.

단방향 섬유 배치만 사용할 경우, 서로 다른 방향에서 발생하는 기계적 요구 사항을 충족시키기 어렵다.

반면, 다축 구조는 0°, ±45°, 90°와 같이 서로 다른 각도로 배향된 섬유를 조합함으로써 보다 합리적인 기계 설계를 가능하게 한다.

특히 다음과 같습니다.

0° 섬유 주로 종방향 인장 및 압축 하중을 지지한다;

±45° 섬유 전단 및 비틀림 하중에 대한 구조물의 저항성을 향상시킨다.

동안 90° 섬유 측면 안정성 향상을 돕는다.

서로 다른 각도로 배치된 섬유를 조합함으로써, 보다 합리적인 구조물 하중 지지 설계를 달성할 수 있다.

2. 무게 감소 측면에서 뛰어난 이점

항공기의 경우, 구조물 무게를 약간이라도 줄이는 것만으로도 실질적인 성능 향상을 얻을 수 있다.

탄소섬유는 본래 높은 비강도와 비강성을 지니고 있어, 구조물 경량화를 달성하는 데 큰 이점을 제공한다.

더욱이 다축 워프 니트 원단은 제품의 하중 특성에 따라 섬유 방향을 설계할 수 있으므로, 구조적 성능 요구사항을 충족하면서 불필요한 재료 중첩을 줄일 수 있다.

따라서 이 접근법은 단순히 ‘무거운 재료를 가벼운 재료로 대체하는 것’을 넘어서, 섬유 방향 최적화를 통해 구조물 경량화를 달성하는 방법이다.

왜 다방향 워프 니트 원단이 기존 원단보다 더 많은 주목을 받고 있는가?

기계적 특성 외에도, 다축 워프 니트 원단은 레이업 효율성이라는 또 다른 중요한 이점을 제공한다.

기존 복합재 제조 공정에서는 서로 다른 방향으로 배향된 섬유를 설계 요구사항에 따라 별도로 절단·배치한 후, 여러 층으로 적층해야 한다.

반면 다축 워프 니트 원단은 여러 방향으로 배향된 섬유를 사전에 단일 통합 소재로 결합할 수 있다. 따라서 특정 구조에서는 레이업 단계 수를 줄일 수 있어, 재료 배치 효율성이 향상된다.

이는 저고도 항공기의 향후 대량 생산에 특히 중요하다.

드론이 ‘소규모 맞춤형 제작’에서 ‘대량 생산’으로 전환함에 따라, 재료는 성능 요구사항을 충족하는 것뿐 아니라 다음 사항도 고려해야 하기 때문이다:

생산 효율성, 자재 활용률, 공정 안정성 및 제조 비용.

따라서 다축 워프 니트 원단의 가치는 단순한 ‘소재 성능’에만 국한되지 않으며, ‘제조 효율성’에도 있다.

탄소섬유 다축 워프 니트 원단은 향후 어디에서 또 사용될 수 있을까?

저고도 경제가 계속 발전함에 따라 용도 다축 탄소섬유 소재의 적용 분야는 개별 부품에만 국한되지 않는다.

향후 주목해야 할 분야는 다음과 같다:

1. 무인항공기 기체 구조

기체 외피, 하중 지지 구조 등 다양한 부품에 사용되어 경량화 및 구조 강화를 실현한다.

2. 무인항공기 암(팔)

다양한 방향으로 배향된 섬유를 조합함으로써 암의 굴곡 및 비틀림 저항성을 향상시킨다.

3. 날개 및 날개 구조

날개의 다양한 부위에 작용하는 하중 특성에 따라 섬유 배향을 설계하여 구조적 최적화를 달성합니다.

4. eVTOL 기체 및 내부 하중 지지 구조

대형 항공기의 고강도, 경량화 및 구조적 안정성에 대한 종합적인 요구사항을 충족합니다.

5. 로터 및 기타 복합재 부품

특정 하중 방향에 따라 섬유 적층을 설계하여 복잡한 복합재 구조에 대한 재료 솔루션을 제공합니다.

웨이누오: 저고도 항공기용 탄소섬유 소재 공급

탄소섬유 복합재 공급업체로서 웨이누오는 다양한 제품 포함하여 탄소섬유 직물 단방향 강화 직물, 프리프레그, 다축 워프 니트 직물, 탄소섬유 패널 및 CNC 가공 부품을 제공하며, 원자재에서 반제품에 이르기까지 포괄적인 가공 역량을 보유하고 있습니다.

특히 탄소섬유 다축 경편직 생산 라인은 고객의 다양한 구조 설계 요구 사항을 충족하기 위해 섬유 배향과 그램수 조합이 각기 다른 소재 솔루션을 제공할 수 있다.

급속히 성장하는 저고도 경제를 앞두고, 소재 혁신은 항공기 경량화의 핵심 동력으로 부상하고 있다.

미래에는 탄소섬유 다축 경편직 원단이 더 많은 저고도 항공기가 ‘가벼운 무게로 하늘을 나는 것’을 가능하게 하는 주요 소재 중 하나가 될 가능성이 크다.