소비자 전자제품:하이브리드 복합재 커버

SABIC은 최근 연구에서 1밀리미터 두께의 덮개가 매우 얇은 노트북 컴퓨터 또는 태블릿에 대한 모든 관련 산업 성능 사양을 충족할 수 있음을 보여주었습니다. 출처, 모든 이미지 | 사빅

소비자 전자 제품은 제품 세대 간의 주기가 매우 짧은 역동적인 시장입니다. 스마트폰, 스마트워치, 태블릿, 노트북/노트북에서 소비자들은 더 빠른 작동 속도, 더 오래 지속되는 배터리, 더 큰 내구성 및 더 많은 기능을 더 저렴한 비용과 무게로 원합니다. 소비자 요구를 충족시키기 위해 OEM은 공급업체에 낮은 무게와 얇은 벽 섹션에서 높은 미적 감각과 디자인 자유도, 우수한 내충격성 및 높은 강성을 가진 재료(이 시장에서 품질을 의미함)를 요구합니다. 그들은 또한 연간 수천만 단위의 글로벌 생산 수요를 충족하는 비용 효율적이고 반복성이 높은 처리 방법을 원합니다. 이러한 압력으로 인해 커버/케이스 및 프레임용 경량 금속 시장이 먼저 시장을 주도했으며 이제는 금속/복합 및 완전 복합 솔루션으로 시장을 주도하고 있습니다.

SABIC(Bergen op Zoom, 네덜란드)에서 수행한 타당성 조사에서는 두 가지 유형의 열가소성 복합 재료를 사용하여 1밀리미터 두께의 노트북-컴퓨터/태블릿 덮개를 만드는 것과 관련되었습니다. 이 연구는 하이브리드 열가소성 복합재 설계가 까다로운 소비자 전자 제품 시장에 실행 가능한 솔루션이 될 수 있음을 보여주었습니다.

테스트 사례

2012년부터 SABIC은 단방향(UD) 섬유 강화 열가소성 복합 테이프를 개발하기 위해 일련의 투자를 했으며("연속 섬유 강화로의 진화" 참조), 이는 단섬유 주입 및 장섬유 주입 분야에서 회사의 핵심 역량을 확장했습니다. 섬유 열가소성(LFT) 재료를 사용하여 SABIC이 고성능 열가소성 복합 재료로 확장할 수 있었습니다. 2015년에 회사는 테이프 제조업체 Fiber Reinforced Thermoplastics BV(FRT, Lelystad, 네덜란드)의 대다수 지분을 구입했으며 2017년에는 기계 제조업체이자 복합 가공 개발업체인 Airborne(네덜란드 헤이그)과 제휴하여 소수 투자자가 되었습니다. 라인.

SABIC과 Airborne은 진정한 대량 시장을 위한 망 모양의 고품질 열가소성 테이프 기반 라미네이트를 신속하고 비용 효율적으로 생산하기 위한 기술을 설계 및 구축함에 따라("고속, 고속 열가소성 복합 재료 제조" 참조), 테스트 케이스를 찾기 시작했습니다. 이 시연기는 불연속 섬유 강화 화합물로 오버몰딩된 복합 테이프로 생산된 열가소성 복합 라미네이트의 설계 개념을 입증하는 중요한 마케팅 도구가 될 것입니다. 또한 팀이 두 재료 기술을 위해 개발한 예측 엔지니어링 도구를 테스트하고 네덜란드에서 발전하는 고속 제조 프로세스를 보여주는 것도 중요할 것입니다.

SABIC의 글로벌 복합 재료 리더인 Gino Francato는 "소비자 전자 제품을 전문으로 하기로 결정했습니다."라고 설명합니다. “저 시장은 매우 흥미롭습니다. 왜냐하면 우리의 휴대폰과 노트북을 더 가볍고 얇게 만들기 위해 경량 소재로 이동하려는 진정한 야망이 있기 때문입니다. 그리고 그들이 수백만 달러를 벌기 때문에 우리는 이 시장이 제시하는 도전을 받아들이기로 결정했습니다.”

“우리는 상당히 복잡하지만 너무 아닌 것으로 시작하기로 결정했습니다. 복잡합니다.”라고 SABIC 직원 과학자-글로벌 애플리케이션 기술인 Scott Davis가 설명합니다. 팀이 궁극적으로 스마트폰 구성 요소로 변환하기를 희망하는 매우 얇은 노트북 컴퓨터 또는 태블릿의 상단 덮개는 시작하기에 좋은 위치처럼 보였습니다. "우리는 여전히 높은 미학을 유지해야 하고 부착 기능을 포함하여 B 면에 많은 복잡성을 제공해야 하는 단순한 전체 형상인 직사각형으로 작업하고 있었습니다."라고 Davis가 계속합니다. “커버를 매우 얇게 유지하면서도 업계에서 흔히 볼 수 있는 까다로운 처짐 요구 사항을 충족해야 했습니다. 물론 우리는 복잡한 새 제조 프로세스를 통해 매우 일관된 제품을 제공해야 했습니다.”

실제 고객 디자인으로 작업하지 않고 화면 보호 덮개만 만들기 때문에 일반 기하학을 사용했습니다. 사실 Davis는 내부 개발을 위해 사출 도구를 절단하기 시작했을 때 태블릿을 만들 것인지 노트북 덮개를 만들 것인지조차 확신할 수 없었기 때문에 덮개가 둘 모두에 적합하도록 설계되었다고 말합니다. Davis는 "복합 솔루션을 대량 생산에 사용할 수 있도록 준비하는 데 많은 어려움이 있었습니다."라고 덧붙였습니다. "사실 테이프 개발, 라미네이트 개발 및 공정 개발과 같은 많은 일이 동시에 일어났고 우리는 툴링을 시작하기 위해 이 모든 것이 마무리될 때까지 기다릴 수 없었습니다. 그래서 우리는 그 설계를 마쳤습니다." 기본 설계가 완료되면 팀은 게이트로 가는 가장 좋은 방법, 라미네이트 인서트와 오버몰딩 컴파운드 사이에 어떤 종류의 겹침이 필요한지, 도구 내부의 자동 배치를 처리하는 방법, ( 선형) 열팽창(CLTE 또는 CTE) 두 합성물 간의 불일치 및 쉽게 반복 가능한 부품을 만드는 방법

도전적인 요구 사항 충족

목표는 높은 강성을 제공하고 모든 성능 및 미적 요구 사항, 특히 중심점 변형 테스트를 통과하는 1밀리미터 두께의 상부 덮개를 개발하는 것이었습니다. 기본 화면을 손상시키는 데 필요한 하중을 평가하기 위해 랩톱 덮개에 정기적으로 적용됩니다. 하중/편향 요구 사항은 OEM, 장치 및 모델에 따라 다르지만 일반적으로 40-120뉴턴의 압력에서 3-5밀리미터 이하의 편향이 허용됩니다. 인간 사용자가 일어납니다. 많은 산업에서 이러한 테스트를 통과하기 위한 전략은 섹션 두께를 늘리는 것이지만 이 시장에서는 장치 크기나 무게를 늘리지 않고도 더 큰 배터리 및 기타 구성 요소를 위한 공간을 확보하는 더 얇은 디자인을 중요하게 생각합니다. 따라서 팀은 화면 손상을 방지하기 위해 더 단단한 재료를 선택하고(라미네이트 인서트를 통해) 지오메트리를 사용(예:사출 오버몰딩을 통한 리빙)하는 다른 설계 전략을 사용해야 했습니다. 하지만 먼저 재료를 지정해야 했습니다.

이러한 소재 중 하나인 폴리카보네이트(PC)는 뛰어난 미관과 높은 충격 강도로 인해 이미 이 산업에서 커버 및 기타 부품에 널리 사용되고 있습니다. 폴리머의 가장 큰 약점은 내화학성 및 표면 긁힘이지만, 대부분의 커버에 적용되는 코팅, 페인트 또는 이 둘의 조합은 일반적으로 이러한 잠재적인 문제를 극복합니다.

"초경량 컴퓨터는 너무 얇기 때문에 내부 패키지 공간이 매우 중요하므로 편향 및 기계 장치가 매우 중요합니다."라고 Francato는 지적합니다. "비용 측면에서 유리[보강]를 사용하고 싶지만 필요한 강성을 얻으려면 탄소[섬유]를 사용해야 했습니다." 그 결과, 평가된 모든 테이프 기반 라미네이트는 탄소 섬유 강화 폴리카보네이트(당시 SABIC 자회사 FRT와 함께 개발 중인 등급)의 변형이었습니다.

SABIC은 적층 유형 및 아키텍처(오버몰딩 컴파운드 유무에 관계없이) 대 성형 부품 성능을 시뮬레이션하기 위한 예측 모델을 개발했으며 예측과 실험 결과 간에 강력한 상관 관계가 달성되었다고 보고합니다. 예측 엔지니어링 도구는 재료 개발을 가속화한다고 합니다.

오버몰딩 컴파운드에는 다른 접근 방식이 필요했습니다. 처음에 전략은 더 긴 섬유 LFT 컴파운드를 사용하는 것이었지만 높은 미적 요구 사항, 부품 크기 및 게이팅 전략을 포함한 여러 가지 이유로 짧은 섬유 컴파운드가 프로젝트 요구 사항을 더 잘 충족했습니다. 또 다른 문제는 사용할 섬유 유형이었습니다. "단탄소 주입 컴파운드는 작업하기가 정말 어렵고 여전히 높은 미학을 얻을 수 있습니다."라고 Francato는 말합니다. SABIC 자회사인 LNP Engineering Plastics, Inc.(미국 펜실베이니아주 엑스톤)는 기기 OEM 사이에서 인기 있는 우수한 미관과 강성을 가진 유리 섬유/PC 등급을 많이 제공하므로 팀은 이에 집중했습니다.

완전 무정형 PC는 반결정질 폴리머보다 뒤틀림이 덜 발생하지만, 여전히 팀은 고도로 강화된 비등방성 UD 탄소 섬유 테이프와 더 낮은 섬유 부하에서 더 등방성이고 불연속적인 단유리 섬유 오버몰딩 등급 간의 CLTE 차이에 대해 걱정했습니다. "이러한 얇은 벽에서는 오류의 여지가 거의 없기 때문에 CLT의 약간의 차이는 신중하게 고려해야 하는 사항이었습니다."라고 Davis는 설명합니다. "게다가 게이트 위치, 채우기 패턴, 패킹 압력 및 니트라인과 같이 사출 성형 시 우려하는 모든 일반적인 문제는 다루지 않습니다. 이러한 모든 요소는 물리적 테스트를 통해 시뮬레이션 및 검증되었습니다.”

재료가 선택되면 SABIC 엔지니어는 하중/변형 테스트에 대한 강성을 최적화하고 기타 성능 및 비용 요구 사항을 최적화하기 위해 적층 적층, 형상 및 재료 조합을 평가하기 위해 금형 충전, 구조 분석 및 뒤틀림 시뮬레이션을 여러 번 반복했습니다. 이 회사는 라미네이트 아키텍처, 오버몰딩 컴파운드 구성, 다양한 프로세싱 및 툴링 옵션을 성형된 부품 성능과 비교하여 신속하게 모델링 및 시뮬레이션할 수 있는 포괄적이고 정확한 복합재 모델링 도구(고객이 사용할 수 있고 공통 구조 및 처리 코드에서 실행)를 개발했다고 밝혔습니다. 이러한 도구는 예측과 측정된 성능 간에 강력한 상관 관계를 달성하며 맞춤형 재료 개발을 가속화하는 데 이상적입니다.

황금 시간 준비

짧은 유리/폴리카보네이트-공중합체 화합물로 오버몰딩된 탄소 섬유 강화 폴리카보네이트 테이프 기반 라미네이트 인서트를 사용하여 생산된 최종 노트북/태블릿 커버 전면 밀리미터 두께 부분.

최종 데모는 개발 중인 UDMAX 탄소 섬유/PC 테이프(55% 섬유 부피 비율)의 7개 층에서 생산된 라미네이트 인서트를 특징으로 한 다음 40% 섬유로 사출 오버몰딩되기 전에 통합, 트리밍, 사전 성형 및 최종 그물 모양으로 다시 트리밍됩니다. -중량 분율 THERMOCOMP D452 단유리 섬유/PC-공중합체(고유동성 및 고미학에 최적화된 등급이며 이미 이 부문에서 널리 사용됨). 이 조합은 낮은 질량과 단면 두께에서 높은 강성과 강도를 갖는 덮개를 생성하는 동시에 수많은 3D 디자인 세부 사항, 부착 기능 및 우수한 미학을 포함하여 각 재료의 장점을 최대한 활용합니다. 이 덮개는 모든 필수 산업 테스트를 통과했으며 현재 장치 OEM에서 평가 중입니다.

완성된 표지의 뒷면입니다.

Airborne과 SABIC 간의 작업은 또한 SABIC의 소비자 전자 제품 시장 목표를 위한 결실을 맺었습니다. 파트너십은 2018년에 발표되었으며, 올해 두 회사가 Digital Composites Manufacturing Line이라고 부르는 것에 대해 더 자세한 정보가 제공되었습니다. 단일 생산 라인. 이 시스템은 (레이업 아키텍처 및 재료 측면에서) 유연하고 빠릅니다. 2020년부터 Airborne은 이 라인을 사용하여 소비자 전자 제품의 상업적 사용을 위한 라미네이트를 제조할 예정이며, 이는 경쟁이 치열하고 빠르게 변화하는 이 부문에서 열가소성 복합 재료의 침투를 크게 증가시킬 수 있기를 양 회사 모두 희망하는 자원이 될 것입니다.