고속, 고속 열가소성 복합 재료 제조

레이업 속도를 높이고 우수한 설계 유연성을 제공하기 위해 SABIC과 Airborne은 열가소성 복합 테이프용 플라이 레이업 공정을 개발할 때 우편 시스템에서 아이디어를 차용했습니다. 컨베이어 시스템(여기에 표시됨)에서 움직이는 여러 개의 저렴한 트레이가 피더 장치 아래에서 잠시 멈춥니다. 각 급지 장치는 올바른 치수와 방향의 테이프 1장을 절단하여 트레이에 떨어뜨린 후 다음 급지 장치로 이동합니다. 트레이는 지정된 라미네이트의 설계 요구 사항을 충족하기 위해 각 스택에서 적절한 수와 방향에 도달할 때까지 공급 장치를 통해 계속 순환합니다. 출처 | 사빅

열가소성 복합 테이프에서 통합 라미네이트를 생산하기 위한 새로운 고속 시스템인 DCML(Digital Composites Manufacturing Line)은 분당 최대 4개의 라미네이트(각각 최대 15개 플라이 포함) 및 연간 150만 개의 라미네이트를 생산할 수 있다고 약속합니다. 측정 및 데이터 추적을 포함하여 100% 디지털인 전체 검사를 포함하여 단일 생산 라인에서 들어오는 재료 및 나가는 라미네이트에 대한 그 생산 속도는 분명히 상당히 열가소성 또는 열경화성 수지에 대해 사용 가능한 다른 상업용 테이프 처리 시스템보다 빠르고 이 시스템은 소비자 전자 산업에서 요구하는 높은 출력 및 효과적인 변환 비용을 충족하도록 특별히 설계되었습니다("소비자 전자 제품:하이브리드 복합 커버" 참조). 다행스럽게도 이 시장의 부품은 항공우주 또는 자동차 규모가 아니라 규모가 크지 않지만 OEM은 연간 수천만 개 정도의 부품이 필요합니다.

"현재 기술은 상대적으로 노동 집약적이고 비싸고 느리기 때문에 고속 열가소성 테이프 변환 프로세스가 정말 필요했습니다."라고 SABIC 글로벌 복합 재료 리더인 Gino Francato가 설명합니다. “이는 생산량이 많거나 많은 산업에서 높은 미학, 충격 강도 및 기계적 성능과 함께 재활용 가능성을 지닌 얇고 가벼운 부품을 생산하기 위해 이러한 재료의 많은 이점을 경제적으로 정당화하고 활용하기 어렵게 만듭니다. 생산 속도를 크게 높이고 완전 자동화된 취급 및 검사를 사용할 수 있는 능력이 없다면 열가소성 테이프는 항공우주 및 자동차용으로 주로 사용되는 고가의 틈새 제품으로 남게 될 것입니다.”

DCML은 Siemens AG(독일 뮌헨) 및 KUKA AG(독일 아우크스부르크)의 기술로 SABIC(네덜란드 Bergen op Zoom) 및 Airborne(네덜란드 헤이그)의 발명품입니다. SABIC은 맞춤형 재료 개발 및 부품의 가상 프로토타이핑을 가속화하기 위해 재료 기술 및 복합 재료 모델링 도구에 기여했습니다. Airborne은 라인을 구축하고 복합재 생산 공정의 자동화, 디지털화 및 산업화에 대한 전문 지식을 제공했습니다. Siemens는 자동화를 강화하고 기계 학습을 촉진하기 위해 통합 제품 수명 주기 관리(PLM) 및 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 소프트웨어를 제공했습니다. KUKA는 산업용 로봇과 공장 자동화 솔루션에 기여했습니다. 새로운 고속 프로세스는 2018년 이후 여러 언론 행사에서 일반적인 용어로 설명되었지만 아직 공개되지 않은 세부 사항이 많습니다. 현재 우리가 알고 있는 내용은 다음과 같습니다.

트레이는 컨베이어 루프를 떠나면 통합 스테이션에서 로봇 처리를 용이하게 하기 위해 두 위치에서 각 스택이 가용접되는 용접 스테이션으로 이동합니다. 통합 후 라미네이트는 트리밍 및 검사로 이동합니다(여기에 표시됨). 출처 | 사빅

이 라인은 단방향(UD) 열가소성 테이프로 맞춤형 그물 모양에 가까운 평평한 라미네이트를 생산하도록 설계되었으며 고객에게 선적하기 위한 레이업, 통합, 트리밍, 디지털 및 육안 검사, 자동 릴리스 및 포장을 제공합니다. 분당 최대 4개의 라미네이트를 생산할 수 있으며 각 라미네이트는 다른 레이업 일정, 방향 및 플라이 수를 가질 수 있으며 이론적으로 다른 재료를 사용할 수도 있습니다(추가 공급 장치를 추가해야 하지만 보강재 및 수지 매트릭스가 다름).

다른 레이업을 동시에 달성하는 것은 레이업 일정을 완료하기 위해 올바른 수의 플라이와 방향을 달성하기 위해 주어진 트레이(특정 라미네이트 디자인)가 각 공급기 아래를 통과하는 횟수의 문제일 뿐입니다. 소비자 전자 제품에서 모델이 얼마나 빨리 변경되는지를 감안할 때 유연성은 시스템의 핵심이며, 프런트 엔드에 추가 피더를 추가하거나 백 엔드에 기능(예:드릴링, 예비 성형 등)을 추가하여 확장할 수 있습니다. 처음에 라인은 SABIC의 단방향 탄소 섬유 강화 폴리카보네이트 테이프를 실행하기 위해 설정되었지만 보고된 바에 따르면 시스템은 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)에서 단방향 탄소 섬유로 강화된 폴리에테르에테르케톤(PEEK)에 이르는 열가소성 테이프를 실행할 수 있을 만큼 충분히 유연합니다. 또는 유리 섬유(또는 둘 다) 또는 직물 직조.

이 시스템은 인더스트리 4.0과 호환되며 기계 학습을 기반으로 하는 완전한 품질 관리를 통해 복합 제품 개발에서 공장 현장의 물리적 생산에 이르기까지 종단 간 디지털화를 지원하여 시간이 지남에 따라 자동으로 지속적인 품질 개선을 달성합니다. 라인을 원격으로 모니터링 및 제어할 수 있으므로 제조업체는 설정(예:레이업 일정, 플라이 수 등)을 즉시 변경하여 설계 및 재료 속성을 수정할 수 있습니다.

기능적으로 DCML에는 플라이 레이업, 통합 및 트리밍/검사의 세 가지 주요 섹션이 있습니다.

독특하게 플라이 레이업 섹션은 자동 테이프 레이업(ATL) 기계를 사용하지 않습니다. 이 기계는 일반적으로 테이프를 길이에 맞게 절단하고 커팅 헤드 아래에서 움직이는 인덱싱 테이블의 필요한 방향과 위치에 테이프를 배치합니다. 대신 팀은 우편물을 분류하고 배포하는 방식을 기반으로 하여 플라이 스택을 구축하는 새롭고 빠른 접근 방식을 취했습니다. 컨베이어 시스템에서 움직이는 여러 개의 저렴한 트레이가 피더 장치 아래에서 잠시 멈춥니다. 각 피더 장치는 올바른 치수와 방향(고해상도 카메라로 확인된 테이프의 결함 및 변경 사항을 검사하고 여러 위치에서 너비와 두께를 측정함)의 테이프 한 겹을 절단하여 트레이에 떨어뜨린 후 다음으로 넘어갑니다. 피더 유닛. 스크랩을 줄이고 레이업 속도를 높이기 위해 테이프는 특정 프로젝트에 필요한 너비로 생산됩니다. 트레이는 통합 스테이션에서 취급을 용이하게 하기 위해 두 위치에서 가용접을 진행하기 전에 각 스택에 적절한 수의 플라이가 증착될 때까지 피더를 통해 다시 순환합니다. 이 접근 방식을 사용하면 레이업이 빠르게 수행되지만 설계 유연성이 있습니다.

통합 시 로봇은 트레이에서 용접 스택 4개(한 번에 스택 2개)를 들어 올려 별도의 컨베이어 시스템에 있는 금속판 세트 사이에 놓습니다. 플레이트가 가열되어 라미네이트를 가열 및 통합하고(접촉 가열을 통해) 라미네이트는 냉각되고 로봇을 통해 세 번째 컨베이어 시스템으로 내려집니다. 마지막 통합 작업에 사용된 금속 플레이트는 플레이트 회수 라인과 통합 시스템으로 다시 재활용됩니다. 1분마다 4개의 스택이 이 섹션에 들어오고 나갑니다.

이제 통합된 라미네이트의 마지막 단계는 검사, 트리밍 및 포장입니다. 이 스테이션에서 각 라미네이트는 한 면에서 검사되고 다듬어진 후 라미네이트를 뒤집어 다른 면에서 검사하는 두 번째 로봇으로 이동합니다. 어떤 트리밍 기술이 사용되었는지에 대한 세부 정보가 없습니다.

DCML에는 모든 제조 시스템과 마찬가지로 한계가 있습니다. 주로 사용 가능한 플라이 방향, 플라이 크기 및 모양, 최종 라미네이트 크기 및 구멍/창을 쌓는 기능 측면에서 약간의 희생이 있습니다. 그러나 시스템은 속도, 출력, 스크랩 비율 및 변환 비용 면에서 이를 충분히 상쇄합니다.

보도에 따르면 Airborne의 네덜란드 최초의 본격적인 상업 라인은 소비자 전자 제품 고객을 위해 맞춤형으로 설계된 열가소성 라미네이트를 생산하는 회사와 함께 내년에 생산을 시작할 예정입니다. 두 번째 실험실 규모의 라인은 이미 SABIC의 고분자 가공 개발 센터(PPDC, 미국 매사추세츠 피츠필드)에서 이 기술을 시도하고 라미네이트 품질을 평가하려는 고객을 위해 제공됩니다.

소비자 전자 제품 외에도 이 기술의 잠재적인 대상으로 알려진 다른 산업에는 항공 우주, 자동차, 대중 교통, 스포츠 용품 및 의료가 포함됩니다.