폐기물 제로:새로운 공정, 장비 재활용 프리프레그, 테이프 찌꺼기

프리프레그 패브릭 또는 단방향(UD) 테이프를 키트화하는 데 있어 한 가지 문제는 너무 작거나 다른 프로젝트에서 재사용하기 위해 섬유가 잘못 정렬된 트리밍을 처리하는 것입니다. 네스팅 소프트웨어와 절단기는 스크랩을 크게 줄였지만 트리밍은 여전히 ​​매립지로 들어가는 경우가 많아 재료 및 부품 비용은 물론 환경 부담도 가중됩니다. 그러나 네덜란드 회사인 Van Wees UD와 Crossply Technology BV(네덜란드 틸부르그)는 열가소성 테이프 찌꺼기를 재사용할 수 있는 신기술과 이를 가능하게 하는 기계를 개발하여 지속 가능성 개선을 돕고 있습니다.

직물 뿌리

1945년에 설립되어 섬유 산업에 깊은 뿌리를 두고 있는 Van Wees는 다음 분야에 중점을 두고 첨단 복합 재료(열경화성 수지 또는 열가소성 수지, 탄소 또는 유리 섬유)를 생산하기 위해 기계와 생산 라인을 설계, 생산, 설치 및 시운전하는 풀 서비스 제공업체입니다. 고품질, 대량 생산 방법. 이 회사는 주로 열경화성 면의 에폭시와 열가소성 면의 폴리프로필렌(PP)에서 고온 폴리아미드(PA)에 이르는 재료와 교차 및 다축 UD 테이프 배치 기계용 프리프레그 함침 라인(크릴 포함)을 만듭니다. , 열가소성 또는 열경화성 테이프를 처리할 수 있습니다. 자매 회사인 Eltra Engineering BV(또한 Tilburg에 있음)는 산업 자동화 기술을 전문으로 하며 Van Wees 기계에 전기 제어 및 소프트웨어를 공급합니다.

R&TC(Research and Technology Center)에서 Van Wees는 자체 공정 개발을 위해 생산 규모의 장비를 유지 관리하고 Van Wees 시스템을 고려하거나 기계가 제작되기를 기다리는 동안 장비 작동 방법을 배우는 고객을 위해 생산 규모 장비를 유지 관리합니다. 이를 통해 고객은 평가할 수 있는 자료를 생산하거나 평가를 위해 고객에게 제공할 수 있습니다. 예를 들어, R&TC에서는 크릴에서 토우를 뽑아내고 섬유를 펴고 함침시켜 테이프를 생산한 다음 회사의 크로스플라이 또는 다축 UD 기계를 통해 공급하여 다양한 플라이 레이어와 섬유 방향을 가진 라미네이트를 생산할 수 있습니다. (교차 라미네이트에는 0/90도 방향으로 배향된 2개 이상의 플라이가 있고 다축 UD 라미네이트에는 other 각도로 배향된 2개 이상의 UD 플라이가 있습니다. 보다 0/90도.) 이 기계에서 나오는 라미네이트는 다루기 쉽도록 함께 고정됩니다. 그런 다음 복합 부품으로 가공할 준비가 된 그물 모양의 프리폼으로 다이컷될 수 있습니다. 교차 및 다축 UD 장비와 함께 Van Wees의 장비 초점은 UD 열가소성 생산에 있지만 테이프, 기계는 열경화성 매트릭스 및/또는 UD 보강재가 아닌 직물로 테이프를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

흥미롭게도 고객 테스트를 위해 이러한 제품을 만들 때 발생하는 Van Wees 자신의 스크랩 문제와 고객 요청으로 인해 회사 연구원이 맞춤형 섬유 블랭크를 사용하여 프리폼 생산에서 칩/ 찌꺼기를 재활용하는 "폐기물 제로 프로세스"를 개발하게 되었습니다. . 서비스로 이 회사는 고객에게 이러한 칩 기반 열가소성 블랭크를 평가할 수 있는 기회를 제공하고 있으며 대량 생산으로 이를 상업적으로 생산할 수 있는 장비를 이미 개발했습니다.

낭비하지 마세요, 원하지 않습니다

그물 모양의 프리폼(Van Wees가 "패치"라고 부름)을 만들기 위한 다이 커팅 작업 중에 스크랩 재료가 수집되고 수지 및 섬유 유형별로 분리됩니다. 이 스크랩은 모양과 크기가 불규칙하므로 다이 커터는 최대 크기가 50 x 50mm인 "칩"을 생성하도록 설계되었습니다. 그런 다음 잘게 잘린 칩을 압축 또는 진공 성형을 통해 통합 시트로 압축하여 무작위로 배향된 불연속 섬유가 있는 라미네이트를 만듭니다. Sheet를 만들기 위해 별도의 수지가 필요하지 않으며, 화학적으로 상용성인 수지를 가진 Chip만을 혼합하여 사용하지만, Chip 기반으로 형성되는 최종 부품의 원하는 물성에 따라 Glass와 Carbon Fiber 강화 Chip을 함께 혼합할 수 있습니다. 라미네이트.

라미네이트 내 개별 칩의 섬유는 최대 50mm 길이가 될 수 있고 시트 전체의 섬유 방향은 무작위이기 때문에 100% 재활용되고 폐기물이 없는 맞춤형 블랭크는 특히 단섬유 주입과 비교하여 우수한 직교 이방성 강성과 강도를 제공합니다. 성형 화합물. 그러나 라미네이트의 불연속적인 섬유 다발에 대한 섬유 중량 분율은 50-70%를 차지할 수 있기 때문에(초기 조성이 이 범위의 상한선에 있음) 재료는 압축 프레스에서 거의 흐를 수 없습니다. 따라서 2.5D 또는 3D 형상을 채우려면 칩 기반 라미네이트를 사출 성형기에서 단섬유 또는 순수 수지로 오버몰딩해야 합니다. 또한 압축 프레스에서 연속 섬유 재료와 함께 성형할 수도 있습니다. 어느 쪽이든 성형 전에 라미네이트를 예열해야 합니다.

흥미롭게도 Van Wees는 칩 기반 패널이 동일한 섬유 및 수지 구성에서 고성능 연속 섬유 교차 패널의 굽힘 강도와 모듈러스의 절반을 제공한다는 사실을 발견했습니다.

개념 증명

제로 웨이스트 맞춤형 블랭크의 기능을 보여주기 위해 Van Wees는 여러 데모 프로젝트를 수행했습니다. 하나는 승용차의 도어 내부 패널을 위한 보강/충돌 빔이었습니다. 이러한 노력은 다양한 산업 분야에서 시리즈 생산을 위한 경량 복합 부품을 개발한 Lipa 시리즈 프로젝트를 기반으로 했습니다. 스위스 Büsslingen에 기반을 둔 현재 비활성화된 컨소시엄은 연속 섬유 유기 시트/유리 매트 열가소성(GMT) 복합 재료를 미리 성형한 다음 사출 성형 기계에서 섬유 강화 수지로 다시 채우는 것과 관련된 핵심 기술을 기반으로 구축되었습니다.

Van Wees의 데모 빔(측면 충돌/침입 규정을 통과하는 데 사용되는 부품)은 길이가 약 650mm, 너비가 110mm이고 공칭 벽이 3mm이고 무게가 약 450g이었습니다. 밀리미터 유리 섬유 강화 PA6. 이 부품은 또한 중앙에 40mm 높이의 돔형 구조를 특징으로 했습니다. 유기 시트 충돌 빔은 애플리케이션 요구 사항을 충족하기에 충분한 에너지 흡수를 제공하지 않았기 때문에 Van Wees 연구원들은 동일한 벽 두께(기존 툴링을 사용했기 때문에)에서 1분 미만의 사이클 시간으로 폐기물 없이 전반적인 성능을 개선하려고 시도했습니다. .

Van Wees는 여러 폴리머 공급업체와 협력하여 유리 섬유/PA4/10, 유리 섬유/PP, 탄소 섬유/PP 및 유리 + 탄소 섬유/PP를 비롯한 여러 폴리머 및 강화재를 사용하여 사내에서 UD 테이프를 생산했습니다. 일치하는 단섬유 사출 오버몰딩 컴파운드는 수지 공급업체에서 생산했습니다. 성능 요구 사항을 충족하거나 초과하기 위해 맞춤형 블랭크에 대한 개별 UD 플라이의 수와 방향을 평가하는 데 시뮬레이션이 사용되었습니다. 다음으로, 테이프를 사용하여 연속 섬유 라미네이트를 생산하여 충돌 빔을 생산했습니다. CAE(Computer-Aided Engineering) 결과는 유리 섬유/PA4/10 맞춤형 블랭크가 직물/유기 시트보다 저렴한 비용으로 최상의 특성을 제공할 것으로 예측했으며 물리적 테스트를 통해 이를 확인했습니다.

폐기물 및 비용을 줄일 수 있는 기회를 추가로 탐색하기 위해 연구원들은 연속 섬유 라미네이트를 생산할 때 발생하는 스크랩(절단 손실의 약 30%)을 크래시 빔을 생산하기 위해 재사용하고 해당 재료를 1mm 두께의 칩 기반 라미네이트로 재활용한 다음 해당 제품을 사용했습니다. 다축 UD 기계에서 만들어진 더 많은 UD 재료의 "스킨" 사이의 코어 레이어(3개의 UD 플라이 교체). 흥미롭게도 제한된 샘플 크기를 사용한 예비 테스트에서 연속 강화와 불연속 강화가 혼합된 하이브리드 라미네이트의 경우 전체 연속 강화 라미네이트에 비해 성능 손실이 거의 또는 전혀 없었습니다.

팀이 수행한 추가 계산에 따르면 Lipa Series 팀이 개발한 1분 복합 오버몰딩 프로세스를 사용하면 Van Wees의 연간 200만 크래시 빔 생산 목표를 달성할 수 있습니다. Van Wees 맞춤형 블랭크 생산 라인이 작동하는 속도를 감안할 때(다축 UD 기계에서 1,800패치/시간 및 크로스플라이 기계에서 1,260패치/시간), 스크랩을 칩 기반 라미네이트로 변환하는 추가 장비를 추가하면 0이 생성됩니다. -폐기물 생산 시스템을 도입하고 생산량을 연간 30% 증가한 260만 부품으로 늘립니다. 아이러니하게도 사출 성형기는 이 생산 순서에서 속도 제한 단계가 될 것입니다. 이는 자주 발생하지 않는 일입니다.

회사 연구원들이 수행한 또 다른 빠른 전환 프로젝트는 Van Wees 본사의 회의실을 위한 합성 표면 도어 핸들을 개발하는 것이었습니다. 최종 복합 재료 삽입물은 참석자가 작년 복합 재료 오버몰딩 컨퍼런스에서 볼 수 있도록 제공되었습니다.

Van Wees의 이사인 Rien van den Aker는 “공동 개발과 혁신은 현대 산업의 원동력입니다. “우리는 복합 체인의 모든 플레이어와 공동 개발이 가장 중요하다고 믿습니다. 금속은 우리 산업의 경쟁자이며 가장 합리적인 방법으로 만들어집니다. 따라서 경량 복합 제품을 대량 응용 분야에 도입할 수 있는 것은 지능형 공정과 장비를 통해서만 가능합니다.” 그는 열경화성 및 열가소성 복합 부품의 제로 폐기물 생산을 가능하게 하기 위해 공급망 구성원 간의 공동 노력이 필요할 것이라고 강조합니다. "Van Wees는 제품 및 프로세스 개발과 관련하여 관심 있는 사람들을 기꺼이 지원합니다."라고 덧붙였습니다.