자동 직조 시스템은 고성능, 대용량 애플리케이션을 대상으로 합니다.

특히 자동차 산업에서 광범위한 복합 재료 채택에 대한 오랜 장벽 중 하나는 많은 유형의 복합 재료 제조 공정에서 실현 가능한 것보다 더 낮은 비용과 대량 생산이 필요하다는 것입니다. 신생 기업인 WEAV3D Inc.(미국 조지아주 노크로스)는 낭비가 없고 비용 효율적이도록 설계된 자동화된 직조 공정으로 제조된 연속 열가소성 복합 강화 격자 구조로 이러한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있으며 WEAV3D Inc.는 다음과 같이 예측합니다. , 대량 생산을 가능하게 하는 요소입니다.

컨셉에서 상용화까지

WEAV3D Inc.의 설립자이자 CEO인 Christopher Oberste는 박사 학위를 취득하면서 기술의 초기 개념을 개발했습니다. 2014년 Georgia Institute of Technology(Georgia Tech, Atlanta)에서 재료 과학 및 공학 박사 학위를 받았습니다. 폴리머 및 섬유 공학에 대한 연구와 GKN Aerospace North America(미국 알라시주 탈라시)에서 협동 인턴십을 통해 열가소성 플라스틱에 대한 관심을 촉발했습니다. 압축 성형 및 항공우주 복합 재료와 같은 대량 공정. 이 작업은 열가소성 합성물 강화 격자 구조를 위한 고속 자동 직조 공정을 위한 그의 첫 번째 반복 개발로 이어졌습니다. 그의 Ph.D.의 도움과 지원으로 Oberste의 고문인 Dr. Ben Wang은 Georgia Research Alliance와 National Science Foundation의 Innovation Corps(NSF I-Corps) 프로그램에서 자신의 아이디어를 개발하고 상용화하기 위해 보조금을 신청하고 보조금을 받았습니다.

이후 2년 동안 Oberste는 TI:GER(Technological Innovation:Generating Economic Results)라는 Georgia Tech의 공동 프로그램을 통해 MBA 및 법대생과 함께 기술을 상용화했습니다. 2017년까지 Megawatt Ventures와 미국 에너지청 청정 기술 대학 상(U.S Department of Energy Clean Tech University Prize)의 추가 자금 지원으로 Oberste와 공동 설립자이자 전 미국 해안 경비대 헬리콥터 조종사인 Lewis Motion이 WEAV3D Inc.를 설립했습니다. 현재 이 회사는 3명의 정규직 직원과 4명의 시간제 직원을 고용하고 있습니다.

Oberste와 Motion의 항공 우주 배경을 감안할 때 초기 계획은 WEAV3D의 열가소성 복합 재료를 항공 우주 구성 요소의 보강 구조로 인증하는 것이었습니다. 그러나 Oberste는 NSF I-Corps 보조금의 일부로 그와 그의 팀이 잠재적인 산업 고객과 일련의 100번의 인터뷰를 수행해야 했으며, 그 결과 그들은 다른 방향을 선택하게 되었다고 설명합니다. “항공우주 분야에서 디스커버리 인터뷰를 많이 했습니다. 하지만 스타트업이 항공우주 분야, 특히 새로운 제조 공정으로 진출하는 길은 매우 어렵다는 말을 수없이 들었습니다. 채택 시간이 정말 길고 비용이 많이 듭니다. 많은 회사들이 시장에 나오기도 전에 죽습니다.”라고 그는 설명합니다.

Oberste와 그의 팀은 다른 산업의 회사들과 이야기한 후 초점을 자동차 및 건설 시장으로 바꾸기로 결정했습니다. 그는 “[자동차 분야] 사람들과 이야기를 나누기 시작했을 때, 자동차 업계는 무게 감소에 대한 긴급한 요구가 많았지만 가격에도 민감하다는 점에서 그 분야에서 충족되지 않은 수요가 정말 크다는 것을 깨달았습니다. . 그들은 사용 가능한 대부분의 기존 복합재 제조 공정이 원하는 비용으로 필요한 양을 제공할 수 없다고 말했습니다.” 거기에서 Oberste는 저렴한 비용으로 대용량 복합 부품을 생산할 수 있는 솔루션이 되도록 자신의 기술을 발전시키기 시작했습니다.

그 결과 WEAV3D의 상표 등록된 Rebar for Plastics 개념이 탄생했습니다. 자동화된 직조 및 통합 프로세스를 사용하여 WEAV3D는 압축 성형, 사출 오버몰딩 또는 기타 일반적인 대용량 프로세스를 통해 플라스틱 또는 콘크리트 부품의 보강재로 쉽게 통합되도록 설계된 치수 조정 가능한 열가소성 복합 격자 구조를 제조합니다. 시뮬레이션 모델을 기반으로 Oberste는 이 접근 방식이 강철 또는 알루미늄 판금과 동등한 성능을 가진 자동차 부품의 생산을 가능하게 하지만 유기 시트, 자동 테이프 적층을 통해 형성된 복합 부품에 비해 더 가볍고 생산 비용이 30-75% 저렴하다고 말합니다. ATL) 또는 핸드 레이업 프로세스.

WEAV3D 프로세스

WEAV3D 프로세스는 기성품인 열가소성 UD(단방향) 테이프로 시작합니다. Oberste는 이 공정이 모든 유형의 열가소성 및 강화 섬유를 처리할 수 있다고 말합니다. 또는 폴리아미드[PA] 공간. 유리와 탄소 섬유가 물론 가장 인기가 있지만 우리는 강화 섬유 측면에서도 매우 불가지론적입니다.” 그는 팀이 전도성 금속 테이프로 일부 작업을 수행했으며 광섬유가 내장된 테이프를 연구하고 있다고 말했습니다.

WEAV3D의 본격적인 파일럿 기계는 너비가 25mm 또는 1인치인 테이프를 처리하도록 표준화되었지만 Oberste는 이 기계가 어댑터를 사용하면 너비가 5mm(0.2인치)만큼 작은 테이프를 처리할 수 있다고 말합니다. 리툴링이 있는 테이프. 현재 기계에서 격자는 애플리케이션에 필요한 길이로 최대 1.5미터 너비(60인치), 최대 5개 레이어 두께로 생산할 수 있습니다.

이 회사의 2017년 11월 특허 출원에서는 WEAV3D 시스템을 "제어 가능한 내부 직물 기하학으로 직조된 합성물을 지속적으로 제조하기 위한 기계"로 설명합니다. 기계에 로드된 스풀에서 UD 테이프는 독립적으로 제어 가능한 날실 헤드 어레이에 끼워집니다. 각 헤드에는 여러 개의 테이프 채널이 포함되어 있어 경사 셰드(warp shed), 즉 씨실 방향 테이프를 꿰기 위한 경사 테이프 사이의 공간을 형성합니다. 삽입기 스택은 합성 직물을 형성하기 위해 경사 셰드를 통해 씨실 방향으로 단방향 테이프를 분배합니다. 직물 격자는 적외선(IR) 광원 아래에서 당겨진 다음 압축 롤러를 통과하여 인터레이스 지점에서 테이프 레이어를 통합하고 결합합니다. 고객 요구 사항에 따라 결과 구조는 평판 또는 롤로 제공되거나 WEAV3D는 추가 트리밍 및 예비 성형 서비스를 제공합니다.

Oberste는 WEAV3D 프로세스의 가장 중요한 이점 중 하나는 다양한 애플리케이션에 대한 격자 구조의 높은 수준 조정 가능성이라고 말합니다. 여기에는 격자 구조의 밀도 또는 테이프 사이의 거리 조정뿐만 아니라 다른 위치에서 서로 다른 재료를 혼합하는 것이 포함됩니다. "전체 비용을 최소화하면서 최종 제품의 요구 사항에 맞게 격자 구조를 최적화할 수 있습니다."

고객에게 배송되면 격자를 폴리머 콘크리트 구성요소에 통합하거나 압축 성형, 열성형 또는 사출 오버몰딩을 통해 최종 자동차 복합 부품을 형성할 수 있습니다. WEAV3D 프로세스는 다양한 수준의 복잡성도 수용할 수 있습니다. Oberste는 비교적 단순한 부품의 경우 "이 격자는 적층 공정과 결합된 다음 공동 성형 단계와 마찬가지로 열성형될 수 있습니다. 적당히 복잡한 부품의 경우 열가소성 압축 성형이든 SMC 압축 성형이든 압축 성형에서 공동 성형 또는 예비 성형을 수행할 수 있습니다. 그런 다음 매우 복잡한 부품의 경우 격자를 필요한 모양으로 미리 만들어 도구에 넣은 다음 해당 부품에 오버몰딩을 주입할 수 있습니다."

“복합재 생태계에서 우리가 가장 중점을 두는 것은 우리가 대량 생산을 위한 판도를 바꾸는 기업이라는 것입니다.”라고 그는 덧붙입니다. 정확한 양은 적용 분야에 따라 다르지만 Oberste는 자동차 도어 패널 강화용 크기의 격자 부품의 경우 WEAV3D의 기계가 연간 200,000~500,000개를 생산할 수 있다고 추정합니다.

또한 WEAV3D 제품은 복합재 또는 플라스틱 부품을 강화할 때 향상된 기계적 특성을 나타내기도 했습니다. Oberste는 "WEAV3D 격자를 기존의 단섬유 플라스틱 또는 장섬유 합성물과 결합하면 결과 제품의 강도, 강성 및 인성을 크게 높일 수 있습니다. 특정 부분. "일부 응용 분야에서 이렇게 향상된 성능을 통해 부품 두께나 늑골이 상당히 줄어들어 무게가 감소합니다."

철근 콘크리트 트렌치:최초의 상업용 적용

Oberste는 이 기술이 상업용 항공 우주 인테리어 부품, 무인 방위 항공기, 철도, 화물에 어떻게 사용될 수 있을지에 대한 아이디어를 가지고 있지만 처음 몇 년 동안 이 신생 회사의 초점은 특히 자동차 산업에 적합한 제조 방법과 재료를 생산하는 것이었습니다. 운송 및 해양 애플리케이션.

그러나 2020년 11월에 발표된 첫 번째 상용 응용 프로그램의 경우 WEAV3D는 Oldcastle Infrastructure(미국 조지아주 애틀랜타)에서 제조한 폴리머 콘크리트 트렌치 시스템용 유리 섬유/PET 보강재를 사용하여 건설 시장에서 시작되었습니다.

도시 지역, 기차역 또는 산업 플랜트에서 유틸리티 케이블을 라우팅하는 데 사용되는 Oldcastle의 트렌치 시스템은 그 위를 달리는 차량의 16,000파운드 하중을 견딜 수 있어야 합니다. 이전에는 콘크리트에 내장된 맞춤형 강철 와이어 케이지로 트렌치를 보강했습니다. 그러나 Oberste에 따르면 이 철제 케이지는 맞춤형 제조에 비용이 많이 들었고 Oldcastle이 여러 다른 크기의 트렌치를 만들기 때문에 강철 케이지가 항상 트렌치의 배수 구멍을 적절하게 보강하는 올바른 치수는 아니라고 말했습니다. “우리 프로세스를 통해 애플리케이션의 요구 사항에 대해 격자를 실제로 최적화할 수 있기 때문에 격자 형상을 조정할 수 있었습니다. 예를 들어 트렌치 바닥의 배수 구멍 주위에 보강재를 추가했는지 확인하기 위해 처리하는 동안 충격으로부터 보호되도록 트렌치의 끝 부분을 처리합니다.”라고 그는 말합니다.

또한 프로젝트의 가장 어려운 측면 중 하나는 강철 케이지의 경우처럼 기계적 인터페이스에만 의존하기보다는 폴리머 콘크리트와 접착 결합을 형성할 수 있는 열가소성 테이프 재료를 식별하는 것이라고 Oberste는 말합니다. 증원군. WEAV3D가 선택한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) 재료는 두 재료 사이에 진정한 접착 계면을 형성하여 응력 전달을 돕고 파손 가능성을 줄입니다. "파괴가 발생하더라도 접착 계면을 극복해야 하기 때문에 골절이 구조를 통해 전파될 가능성이 훨씬 적습니다."

WEAV3D는 이 응용 분야를 위해 설계된 격자를 U-채널 프리폼으로 생산합니다. 그런 다음 Oldcastle이 주조 몰드에 넣어 폴리머 콘크리트를 그 위에 붓고 경화 및 탈형하여 최종 철근 콘크리트 구조를 생성합니다.

건설 분야에서 WEAV3D는 격자를 인클로저 및 덮개와 같은 다른 폴리머 콘크리트 응용 분야로 확장할 계획입니다. 2020년 10월, WEAV3D는 Western Ontario University 및 구조 엔지니어링 회사인 Entuitive와의 공동 제안으로 캐나다 국립 과학 및 공학 연구 위원회(National Sciences and Engineering Research Council of Canada)로부터 기존 포틀랜드 시멘트의 보강재로 WEAV3D의 격자 사용을 평가하는 연구를 수행하는 보조금을 받았습니다. 기반 콘크리트도 마찬가지입니다. 목표는 비주거용 건물 슬래브와 정면의 보강재로 사용할 수 있는 격자를 개발하는 것이라고 Oberste는 말합니다.

차세대 WEAV3D:자동차 속도

자동차 제조 요구 사항을 충족하도록 설계된 WEAV3D 기계의 차세대 버전은 NSF의 연구 자금 지원으로 개발 중입니다. Oberste는 2022년에 온라인 상태가 될 것이라고 말했습니다. 새로운 시스템의 개선은 IR 가열 및 압축 롤러를 보다 효율적인 초음파 용접으로 교체하는 것을 포함하여 현재 시스템의 생산 속도를 3배로 늘리는 것을 목표로 합니다.

동시에 Oberste와 그의 팀은 자동차 산업의 미국 및 유럽 Tier 1 및 OEM과 WEAV3D 제품을 사용하여 내장 부품에서 픽업 트럭 테일게이트에 이르는 플라스틱 패널을 강화하는 방법에 대해 논의하기 시작했습니다. Oberste는 "목표 중 하나는 강도와 강성을 개선하고 설계자가 현재 의존하고 있는 금속 브래킷 및 보강재를 대체하기 위해 성형된 플라스틱 구성요소 내에 구조적 골격으로 격자를 추가하는 것입니다."라고 말합니다. WEAV3D는 또한 재료의 이점을 보여주기 위해 자동차 차체 패널 및 기타 구성 요소의 시연 기사를 작업하고 있습니다.