보다 효율적인 복합 재료 제조를 위한 에너지 전달 혁신

이것은 CAMX 2018에서 실제로 전시된 핵심 기술을 강조하는 이 pre-CAMX 2019 시리즈의 두 번째 블로그입니다. 이 블로그는 Heraeus Noblelight의 새로운 black.infrared를 중심으로 합니다. 합성물 처리를 위한 새로운 유형의 시스템인 시스템 및 humm3 자동 섬유 배치(AFP) 기계에서 레이저 및 적외선 히터를 대체하는 기술입니다.

빛으로 혁신

Heraeus Noblelight는 빛의 힘을 사용하여 광범위한 산업 공정을 혁신합니다. 배경을 설명하자면 모든 빛은 EMR(전자기 복사)이며 아래 다이어그램에서 볼 수 있듯이 고유한 파장과 주파수를 가지고 있습니다. Heraeus Noblelight는 적외선(IR) 방출기에서 LED 램프 및 자외선(UV) 시스템, 아크 및 플래시 램프에 이르기까지 이 스펙트럼의 많은 부분을 따라 빛을 사용하는 장치를 개발합니다.

전자기 스펙트럼을 따른 빛은 가열 및 처리에 사용됩니다.
출처 | https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/electromagnetic-spectrum-diagram(왼쪽) 및 Heraeus(오른쪽).

복합 재료에서 UV 및 적외선(IR) 시스템은 아래 예에서 볼 수 있듯이 수십 년 동안 사용되었습니다. 그러나 black.infrared 시스템은 새로운 기술입니다.

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Sunrez는 1990년대에 수지 주입 및 복합재 수리를 위한 UV 경화 기술을 개발했습니다.

UV 경화 에폭시 코팅은 많은 산업 분야에서 표준입니다.

UV 경화형 에폭시 수지는 연속 합성물 및 moi 합성물과 같은 연속 섬유 3D 프린팅의 선구자들에서도 사용하고 있습니다.

IR 가열은 예비 성형 전에 2D 맞춤형 블랭크를 예열해야 하거나 스탬핑 및 오버몰딩 전에 예비 성형품을 예열해야 하는 자동화 복합재 생산 라인에서 매우 일반적입니다.

복합 재료를 위한 Heraeus Noblelight의 흑색.적외선 가열 시스템. 출처 | 헤레우스 노블라이트

블랙.적외선

Heraeus Noblelight는 새로운 black.infrared를 전시했습니다. Heraeus Noblelight America, LLC의 IR 시스템 수석 영업 관리자인 Bruce Fricks는 "이 제품은 적은 양으로 많은 전력을 공급하는 중파 IR 이미터입니다."라고 설명합니다. Heraeus Noblelight의 본사는 독일 하나우에 있지만 IR 및 플래시 램프 시스템의 미국 사업부는 조지아주 뷰포드에 있으며 UV 시스템의 미국 사업부는 메릴랜드주 게이더스버그에 있습니다.

"일반적으로 중파 IR 방출기의 경우 60kW/m ² 의 전력 밀도에 더 가깝습니다. "라고 Fricks는 말합니다. "하지만 'Black IR'은 200kW/m ² . IR은 기판 주변의 모든 공기를 가열하는 것보다 에너지를 기판으로 가져오는 훨씬 더 효율적인 수단이지만 Black IR은 대류 오븐에 비해 3배 더 효율적입니다. 인라인 처리의 경우 이는 컨베이어가 3배 더 빠르게 작동하거나 공간을 덜 차지하기 위해 단축될 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 30피트 길이의 오븐이 있는 컨베이어는 Black IR을 사용하여 10피트 오븐으로 줄일 수 있습니다.”

현재까지 흑색.적외선 시스템의 응용 분야에는 플라스틱 용접 및 태양 전지용 얇은(미크론 두께) 광전지 필름 가열이 포함됩니다. "IR은 일반적으로 원자 수준의 증착에 매우 잘 작동합니다. 예를 들어 반도체용 실리콘에 갈륨 층이나 패턴을 적용하는 경우"라고 Fricks는 말합니다. 이 모든 작업은 진공 상태에서 수행됩니다. Black IR은 진공 상태와 고온에서도 잘 작동합니다.”

그는 흑색.적외선 방사체가 1000°C의 표면 온도에서 작동하도록 설계되었다고 설명합니다. “이러한 방출기는 모두 고체 상태이므로 700-800°C에서 작동하는 오븐에 넣어도 문제가 없습니다. 그러나 프로세스가 이보다 훨씬 높은 온도, 예를 들어 1500°C 이상을 요구한다면 단파 IR이 더 적합할 것입니다.”

Fricks는 Black IR도 가시선 기술이라고 설명합니다. “평평하거나 단순한 볼록/오목 표면에 더 좋습니다. 가장 큰 문제는 무언가가 그림자를 드리울 수 있는 내부 또는 외부 영역이 있는 부품 또는 재료입니다."

black.infrared 모듈(왼쪽 ) 및 온도 균일성을 보여주는 열화상(오른쪽 ).
출처 | 헤레우스 노블라이트

검은색 IR의 장점 및 잠재적 복합재 응용

Fricks는 black.infrared가 필라멘트 기반 IR 이미터가 아니며 측면보다 중앙에서 더 밝은 경향이 있다고 말합니다. 대신 40mm x 400mm에서 최대 100mm x 100mm 크기의 이미터의 2D 평면 표면에 걸쳐 매우 균일한 에너지를 생성합니다. "또한 Black IR 방출기를 타일링하여 최대 400mm x 400mm 크기의 평면 장치를 만들 수 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

black.infrared는 중파 IR 장치이기 때문에 상대적으로 색맹(흰색 대 어둠)이라고 Fricks는 설명합니다. "검은색 재료를 요리하거나 노란색 또는 흰색 재료를 과열하지 않습니다." 그러나 예열되는 데 60초도 채 걸리지 않는다고 합니다. Fricks는 "와트 대 와트, 다른 IR 옵션에 비해 그다지 비싸지 않습니다."라고 말합니다. "IR은 대류 오븐보다 비싸지만 속도와 효율성은 물론 매우 균일한 온도, 즉 ±5도 미만의 편차를 제공하는 기능을 제공합니다."

Black IR은 섬유, 프리프레그, 복합 테이프 및 그래핀 및 기타 나노복합 재료를 만드는 데 사용되는 것과 같은 화학 기상 증착(CVD) 공정의 생산에 잠재적으로 사용될 수 있습니다. Fricks는 복합 재료의 추가 응용 프로그램을 탐색하고 개발하기 위해 제조업체 및 재료 공급업체와 논의를 찾고 있습니다.

열경화성, 열가소성 및 건조 섬유 복합재의 자동 섬유 배치를 위한 Humm3 시스템. 출처 | 헤레우스 노블라이트

AFP에서 레이저를 대체하는 humm3

CAMX 2018에서 Heraeus Noblelight가 전시한 또 다른 기술은 humm3입니다. 열경화성 프리프레그, 건조 섬유 및 열가소성 복합 테이프의 자동 섬유 배치(AFP) 시스템. humm3 시스템은 초당 여러 번 펄스되는 크세논이 채워진 플래시를 사용합니다. 열가소성 복합 재료의 현장 통합에 대한 2018년 기사의 2부에서 열가소성 AFP에 일반적으로 사용되는 레이저가 일반적으로 적외선(IR) 히터의 자주색 빛과 주황색 빛으로 구별되는 방법을 그림 2에 설명했습니다. 열경화성 프리프레그 AFP에 사용됩니다. humm3 기술은 밝은 백색광으로 이 두 기술과 구별됩니다.

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"적외선 램프는 비교적 저렴하지만 속도가 느리고 항공우주 열가소성 수지가 요구하는 고온에 도달할 수 없습니다."라고 Heraeus Noblelight의 북미 및 남미 지역 humm3 시스템 영업 관리자인 Kyle Hudspeth는 말합니다. “반면 레이저는 가열 및 냉각 속도가 매우 빠르지만 비용이 많이 들고 상당한 안전 예방 조치가 필요합니다. Humm3는 AFP를 위한 빠르고 안전하며 컴팩트하고 비용 효율적인 난방 시장의 격차를 메웁니다.”

Hudspeth는 humm3가 최저 50°C에서 현재 측정된 최대 600°C까지 광범위한 온도에서 AFP 닙 포인트에 균일한 열을 전달한다고 설명합니다. 또한 세 개의 프로그래밍 가능한 매개변수를 사용하여 정밀하게 제어할 수 있습니다.

로봇 AFP 기계에서 PEEK 레이업의 열화상. humm3 석영 전달 광학 장치는 기판과 들어오는 재료 사이의 닙 포인트를 가리키는 오른쪽에서 볼 수 있습니다. 분당 6미터의 속도가 우수한 품질의 결과로 달성되었습니다.
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펄스 에너지 (얼마나 큰지),

펄스 시간 (얼마 동안)

펄스 주파수 (초당 몇 번).

그는 가열 시간과 온도가 레이저를 사용할 때와 거의 동일하지만 "보호용 레이저 부스가 필요하지 않기 때문에 기술자가 작업 중에 레이업에 가까이 갈 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.

탄소 섬유 강화 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 라미네이트 처리 테스트에서 Heraeus Noblelight는 humm3가 항공우주 복합 구조물에 필요한 35% 이상의 결정도와 2% 미만의 다공성을 갖는 고품질 열가소성 AFP 라미네이트를 생산할 수 있음을 입증했습니다. EU의 Clean Sky 2 프로그램의 일환으로 Center for Lightweight Production Technology(ZLP, Stade, Germany)는 Heraeus Noblelight와 협력하여 Stade에 있는 독일 항공우주 센터(DLR)의 다중 로봇 GroFi 시스템에서 humm3를 개발하고 있습니다. 이 작업은 엄격한 품질 요구 사항을 충족하면서 열가소성 복합 재료 구조에 대한 AFP 비율을 크게 높이는 것을 목표로 합니다.

수지 주입 또는 수지 이송 성형(RTM)을 사용하여 처리될 건조 섬유 라미네이트의 경우 Hudspeth는 humm3가 초당 1미터의 레이업 속도와 각각 0.25인치 너비의 8개 또는 16개의 테이프에 걸쳐 균일한 가열을 가능하게 한다고 주장합니다. 300mm 너비의 난방은 단일 램프로 달성할 수 있으며 humm3의 모듈식 전원 공급 장치 및 모듈식 설계와 조정되어 더 큰 난방 구역에 맞게 AFP 시스템을 더욱 맞춤화할 수 있습니다. humm3 석영 딜리버리 옵틱은 또한 정확한 열 영역 모양을 얻기 위해 사용자 정의할 수 있습니다.

Hexcel의 HiTape 건식 섬유 테이프(좌)와 RTM6 수지(우)를 사용한 항공우주 부품 시연기. 출처 | 헤레우스 노블라이트

humm3 시스템은 열가소성 용접, 필라멘트 와인딩 및 프리폼을 위한 여러 복합재 층의 접착을 포함한 기타 복합재 가공을 위해 개발되고 있습니다. Hudspeth는 humm3가 2016년부터 National Composites Center(영국 브리스톨)에서 시연되었으며 2015년 영국에서 Queen's Award for Innovation을 수상한 성숙하고 입증된 기술이라고 말합니다.

자세한 내용은 CAMX 부스 Y47의 Heraeus Noblelight를 참조하십시오.

출처 | 헤레우스 노블라이트