애니브리드, 기능성 복합소재 부품 위한 첨단 로봇 사출 성형 기술 '로빈(ROBIN)' 공개

애니브리드 GmbH(Anybrid GmbH, 독일 드레스덴)는 TU 드레스덴 경량 엔지니어링 및 폴리머 기술 연구소(ILK)의 스핀오프 기업이다. ILK는 강화 폴리머 복합소재에 초점을 맞춰 산업계와 새로운 경량 기술 개발 협력을 한다. 미하엘 슈테겔만(Michael Stegelmann) 애니브리드 CCO는 "2년 전 하이브리드 부품 생산을 위해 이 로봇화 사출 성형 기계를 개발했다"고 말했다. 하이브리드 부품은 구조물(예: 복합소재 튜브 또는 금속 전기차 섀시)을 사출 성형 플라스틱으로 기능화해 국부 체결점, 보강 리브 등을 만드는 것을 의미한다.

기존 오버몰딩의 한계 극복

오버몰딩 또는 하이브리드 사출 성형으로 불리는 이 공정은 지난 5-6년간 많은 주목을 받았지만, 더 전통적인 형태(성형 프레스에 부착된 사출 장치가 있는 강철 금형)였다. 애니브리드는 이 설정을 쿠카 로봇 위 이미지와 아래 영상에 나온 빨간색과 검은색 C자형 엔드 이펙터로 본질적으로 소형화했다. 그 결과는 혁명적이며, 펄트루전이나 압출물이 성형 다이에서 나올 때 오버몰딩하거나, 큰 구조물이 조립 라인을 따라 이동할 때 기능화할 수 있게 한다.

로빈(ROBIN): 로봇화 사출 성형

로빈(ROBIN, 'robotized injection molding' 약어)은 2019년 독일 뒤셀도르프 K 쇼에서 처음 선보였다. "작년 회사를 설립하고 이제 고객들과 파일럿 생산 라인 구축을 위해 장비 작업 중"이라고 슈테겔만은 말했다. 그는 컨셉을 설명하며 "소형 사출 장치와 신속 교체 가능한 콤팩트하고 저렴한 금형 툴을 사용해 사출 성형 기계 질량을 줄이는 것"이라고 말했다.

"로빈 엔드 이펙터는 탄소섬유 복합소재 C-프레임으로 구성되고 외부에는 알루미늄 프레임이 있다"며 "프레임에는 사출 성형 중 상단에서 하단으로 전달되는 최대 12톤 하중을 처리하는 경량 잠금 시스템이 있다"고 슈테겔만은 설명했다. 로빈은 대형 구조물 위로 1미터 캔틸레버 도달도 가능하다. "이것이 ILK 내 우리의 노하우다. 탄소섬유와 경량 소재를 올바르게 사용하는 방법."

소량·다품종 생산 가능

전통적 사출 성형은 대형 프레스와 비싼 금형 툴이 필요해 대량 생산에 국한됐다. 반면 로빈은 소량 생산이나 대형 부품에 여러 다른 몰딩 제조를 가능하게 한다. "기계 유연성이 너무 커서 거의 모든 복합소재나 구조물을 기능화할 수 있다"고 슈테겔만은 언급했다.

"금형 크기를 최소화해 비용을 줄이려 노력한다. 수천 유로면 금형 제작 가능하다"며 "이것은 통합 퀵 체인지 시스템을 가능하게 한다. 금형 면적만 작게 교체하면 되기 때문이다. 예를 들어 조립 라인에 양측에서 다른 부품을 빠르게 금형 교체로 생산할 수 있다. 로빈 시스템 2대 또는 1대 로빈과 빠른 금형 교체로 높은 유연성 확보한다."

크기 축소는 오버몰딩 가능한 영역을 제한한다. "현재 사출 샷 50-60그램으로 제한된다"며 "로빈을 140kg으로 개발해 더 작고 저렴한 자동화 사용 가능하게 했다. 현재 파이프와 프로파일 기능화, 대형 구조물에 작은 요소 추가에 집중 중."

오버몰딩에서 좋은 결합 달성

"이게 사실 우리 배경"이라며 애니브리드 4인 공동창업자를 언급했다. "지난 10-15년 많은 프로젝트에서 다양한 소재 결합과 적절한 본딩 연구했다. 내 박사 논문도 압출 공정이었고, 다른 소재 결합은 항상 도전적이다. 플라즈마 처리나 레이저 처리 등 표면 구조 변경을 위한 추가 본딩 준비가 항상 필요하다. 특히 플라스틱이나 강화 플라스틱을 금속에 본딩할 때. 복합소재는 좀 더 쉽다. 사출 성형 소재의 폴리머 매트릭스와 기판을 매칭할 수 있기 때문이다."

예를 들어 아래 표시된 오버몰딩 튜브에서, 미츠이 케미칼스 유럽(Mitsui Chemicals Europe, 독일 뒤셀도르프)이 탄소섬유 강화 폴리프로필렌(PP) 단방향(UD) 테이프 공급, 이노메타(INOMETA, 독일 헤르포르트)가 이걸로 복합소재 튜브 제작, 애니브리드가 오버몰딩했다. "기능화가 파이프 제조 소재와 동일했다"며 "비강화 및 탄소섬유 강화 PP 소재로 오버몰딩했지만 유리섬유 강화도 가능했다. 로빈으로 시중 모든 열가소성 소재 제조 가능."

이 때문에 애니브리드는 고객 테스트 지원도 한다. "자사 소재가 서로 본딩될지 확신 못하는 고객들이 온다"며 "자료 좀 보내달라 하고 작은 심플 구조로 테스트한다. 보강 리브용 작은 금형이 있어 다양한 플레이트에 사출 성형 가능. 예를 들어 고객이 복합소재 플레이트 샘플 보내면 그들의 사출 성형 소재로 오버몰딩 테스트한다. 그게 첫 단계, 다른 소재 본딩 거동 타당성 연구다. 이후 분석하고 최적화 제안 가능."

잠재적 응용 분야

"아직 응용 분야 탐색 중이지만, 초기에는 파이프와 프로파일 작업 중"이라며 "우리의 아이디어 중 하나는 이 연속적인, 잠재적으로 매우 긴 형태에 순차적으로 다른 구조물을 가져오는 것"이라며 "요소들을 파이프에 직접 적용할 수 있다. 이런 컨셉은 이미 이노메타와 헤로네(Herone, 독일 드레스덴)에서 축 방향 연결 시스템과 폼핏 기어 통합에 사용 중. 항공 산업에서도 다양한 강성 강화와 체결 기능 추가 등에 흥미로울 수 있다. 스트링어나 프레임이 있는데 길이가 많은 변형이 있을 수 있다. 우리 기술로 높은 자동화 수준 유지하면서 부품마다 기능화 요소를 변경 가능."

"대형 부품에도 잠재력 있다"며 "ILK에서 지난 몇 년간 강철, 플라스틱, 복합소재로 다양한 하이브리드 부품 개발했다. 구조 프레임과 섀시 오버몰딩 클립이 조립에 의미 있음을 봤다. 전기차와 수소 시스템으로 이동하면서 미래에 필요할 다양한 부품에 대비해 조립 라인과 공정을 최대한 유연하게 만드는 것이 중요하다. 로빈으로 조립용 국부 강화뿐 아니라 구조물 강성도 쉽게 조정 가능. 하지만 자동차와 항공을 넘어 이 역량 확장하고 싶다. 우리 아이디어는 소기업에도 더 저렴하게 만들고 다른 분야와 소량에도 하이브리드 기술 가능하게 하는 것."