열가소성 복합 재료의 레이저 보조 테이프 감기 문제

열가소성 합성물(TPC)은 생산 속도를 높이고 무게를 줄일 수 있는 잠재력이 높기 때문에 최근 몇 년 동안 광범위하게 홍보되었습니다. TPC를 사용한 생산 속도 증가에 대해 가장 많이 논의되는 주제 중 하나는 AFP/ATP(Automated Fiber and Tape Placement) 중 현장 통합(ISC)입니다.

ISC는 실제로 튜브와 같은 제한된 구조로 처음 시연되었으며 계속해서 포장된 압력 용기 및 저장 탱크에 대한 큰 잠재력을 제공합니다. 이러한 구조는 LATP(레이저 보조 테이프 배치) 기계와 회전 맨드릴로 구성된 LATW(레이저 보조 테이프 권선)를 사용하여 생산할 수 있습니다(그림 1).

AFP/ATP 헤드는 CNC 6축 로봇에 설치되며 레이저를 사용하여 들어오는 테이프와 기판을 가열하여 열가소성 폴리머를 녹입니다. 그런 다음 롤러를 사용하여 테이프를 기판에 눌러 층간 접착 및 강화를 촉진합니다.

우선 전략

모든 적층 제조 공정과 마찬가지로 LATW의 첫 번째 플라이는 해결해야 하는 문제입니다. 금속 맨드릴(알루미늄이 선호됨)에서 생산된 튜브의 경우 와인딩 후 맨드릴 추출을 고려하고 이형제를 적용해야 합니다.

또 다른 고려 사항은 고정입니다. 후프 와인딩이 첫 번째 플라이에 적용되는 경우(나선형 또는 축방향 레이업과 비교하여, 그림 2), 접착 테이프를 코스의 시작과 끝에 수동으로 배치하여 안정성과 들어오는 테이프에 대한 접착력을 향상시킬 수 있습니다. 나선형 또는 축 방향 레이업이 필요한 경우 전체 테이프 링을 적용하고 미끄러짐을 방지하기 위해 접착 테이프를 사용하여 실린더 가장자리에 고정해야 합니다.

Type IV 압력 용기(탄소 섬유 복합재 오버랩이 있는 플라스틱 라이너)의 경우 또는 플라스틱 파이프를 오버랩할 때 들어오는 테이프가 라이너에 융합됩니다. 이렇게 하면 접착 테이프 고정이 필요하지 않지만 플라스틱 라이너와 TPC 테이프는 적절한 접착을 위해 동일한 기본 폴리머를 가져야 합니다.

플라스틱 라이너를 가열하면 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 레이저 가열을 흡수할 수 없거나 금속 맨드릴을 사용하는 경우 레이저 각도를 조정하여 들어오는 테이프를 완전히 가열하는 것을 고려하십시오. 즉, 레이저가 사이에 분산되도록 일반적인 위치 지정 대신 들어오는 테이프와 기판(그림 1), 레이저 각도를 더 많이 테이프. 이렇게 하면 레이저 반사를 방지하고 테이프를 보다 균일하게 가열하며 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

플라이 각도 또는 형상 변경에 따른 레이저 분포 변경

위에서 설명한 것처럼 일반적으로 LATP 및 LATW 프로세스 동안 레이저는 들어오는 테이프와 기판 사이에 분산됩니다. 이 분포는 반경 형상과 레이업 방향이 일정한 경우에 일정합니다. 그러나 고려 사항이 있습니다. 예를 들어, 축 동안 관형 맨드릴에 레이업하면(그림 3의 평평한 몰드와 거의 동일함) 들어오는 테이프는 동일한 기판이 더 많은 을 받는 동안 후프 레이업과 비교한 방사선 후프 레이업보다 레이저 프로젝션. 이것은 대구경 튜브에서 무시할 수 있습니다.

가열하는 동안 열가소성 테이프는 폴리머 점도 감소로 인해 온도 및 레이업 속도(가열 시간)에 따라 퍼지고 더 넓고 얇아집니다. 폐쇄 루프 제어가 있는 시스템 — 여기서 온도 가열 영역에서 일정하게 유지됩니다. 축 방향 레이업은 후프 레이업보다 더 넓은 테이프로 끝납니다. 또는 일정한 전력 이 있는 시스템에서 제어하면 축 방향 레이업이 더 낮은 온도에서 발생하므로 테이프가 덜 넓어집니다. 테이프 치수의 불균일한 변경으로 인해 원치 않는 간격과 겹침이 발생하여 무효 콘텐츠가 증가할 수 있으므로 이를 이해하고 해결하는 것이 중요합니다.

튜브를 래핑할 때 반경 형상은 일정하지만 엔드 돔으로 인해 압력 용기를 래핑할 때 변경됩니다. 이러한 돔에 들어가거나 나가는 동안 로봇이 느려지고 기판에서 레이저 스폿의 크기가 감소합니다. 두 작업 모두 온도가 급격히 상승하여 더 얇은 섹션, 다른 재료 속성 또는 폴리머 손상을 유발할 수 있습니다.

또 다른 고려 사항은 권선 중에 부품의 섬유 층이 형성됨에 따라 권선되는 코어의 치수(지금까지 맨드릴과 플라이를 더한 것)가 변경된다는 것입니다. 따라서 간격을 피하기 위해 레이업 각도를 조정해야 합니다. 맨드릴 직경을 업데이트하는 소프트웨어가 포함된 LATP/LATW 시스템은 일부 공급업체에서 구할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우 권선을 수동으로 또는 인라인 검사 시스템으로 검사하고 필요에 따라 수정해야 합니다.

위의 고려 사항을 해결하는 것이 도움이 되지만 간격, 겹침 및 두께 변화와 같은 결함을 100% 제거하는 것은 불가능합니다. 따라서 불필요한 비용이 추가될 수 있는 "완벽한 부품"을 추구하기 보다는 부품의 설계 허용치를 달성하도록 권선 공정을 개발해야 합니다.

기계적 특성, 층간 접착 및 결정도 극대화

열 관리는 적절한 층간 접착력과 열가소성 매트릭스에서 잠재적인 결정도를 달성하기 위한 핵심 요소입니다. 첫 번째 레이어는 방열판 역할을 하는 맨드릴에 가깝습니다. 이는 분자 상호확산을 방지하고 불량한 층간 접착력, 낮은 결정도 및 높은 공극 함량을 촉진할 수 있습니다. 이 문제를 극복하려면 레이업 속도를 줄이고 온도를 높이며 레이저 각도를 조정하여 분자 확산을 보장하기 위해 더 긴 가열 시간을 가능하게 하는 것을 고려해야 합니다.

그러나 이것이 완전한 결정성을 보장하지는 않습니다. 이는 분자 확산(냉각 중 용융 후 분자 재얽힘을 재형성)이 분자가 정렬된 결정 구조를 형성하도록 정렬되는 결정화보다 훨씬 빠른 과정이기 때문입니다. 제작 중인 부품이 얇으면(대략 2mm 미만) 더 많은 통합 패스를 받고 맨드릴에 대한 열 손실이 적은 두꺼운 부품보다 낮은 결정도를 기대할 수 있습니다. 얇은 및용 두꺼운 부품의 경우 초기 플라이에 대해 느린 레이업 속도를 고려하십시오.

완전한 결정도에 도달하려면 다음을 고려하십시오.

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감기 후 열가소성 매트릭스 T_g 사이의 온도에서 어닐링(열 흡수) (유리 전이 온도) 및 T_m (용융 온도). 일반적으로 두 온도 사이의 중간이 가장 빠른 결정화 속도를 제공합니다.

초기 층의 결정성을 촉진하는 가열된 맨드릴을 사용하십시오. 이것이 항상 가능한 것은 아니며 더 비쌀 수 있습니다. 가열된 맨드릴이 맨드릴이 열팽창을 겪을 수 있음을 고려하십시오.

통합을 위한 프로그램 패스 ​​- 즉, 테이프를 인입하지 않고 기판에 완전히 투영된 레이저를 사용하는 와인딩 패스를 포함합니다. 이것은 대부분 통과 횟수가 적은 후층에서 수행되지만 층간 접착력을 향상시키기 위해 첫 번째 플라이에서도 수행할 수 있습니다.

테이프 치수 – 설계 유연성 및 생산 속도

테이프 치수는 테이프 감기에서 중요한 매개변수입니다. 분명히 공급업체로부터 일정한 테이프 너비와 두께를 받으면 반복 가능하고 균일한 제품을 만들 수 있습니다. 그러나 테이프 치수는 설계 유연성도 정의합니다. 예를 들어, 관형 맨드릴에 축 방향 레이업을 사용하는 경우 테이프 너비는 맨드릴 곡률을 준수할 수 있을 만큼 충분히 좁아야 합니다. 맨드릴 직경이 클수록 사용할 수 있는 테이프가 더 넓어집니다. 더 넓은 테이프는 더 빠른 처리량을 의미하는 반면 더 좁은 테이프는 곡률 변경에 더 적합하고 조종하기 쉽기 때문에 더 설계 친화적입니다.

LATW에는 더 많은 문제와 과제가 있지만 좋은 부품이 가능하며 합성 튜브와 탱크가 수소 및 기타 가스 저장 응용 분야에 사용됨에 따라 이 제조 방법은 계속 발전할 것입니다.

저자 소개

예히엘 샤함

Yehiel Shaham은 선도적인 이스라엘 플라스틱 및 방위산업체의 열가소성 수지 개발 및 제조 분야에서 거의 12년의 경험을 가진 플라스틱 및 폴리머 엔지니어입니다. 2016-2020년 동안 그는 RAFAEL에서 열가소성 복합 재료(TPC) 수석 엔지니어였으며 TP-AFP를 전문으로 했습니다. 현재 그는 이스라엘 산업에서 TPC를 홍보하는 것을 목표로 하고 있습니다.