복합재 제조 혁신: Addcomposites의 경량 AFP-XS 툴

 

"우리의 목표는 복합재 제조의 진입 장벽을 낮추는 것입니다."라고 Addcomposites의 프라빈 루타다 CEO는 말합니다. Addcomposites는 기존 로봇 팔에 장착 가능한 자동화 섬유 배치(AFP) 툴을 개발했습니다.

AFP-XS는 구매뿐만 아니라 임대도 가능합니다. 무게 6.5kg(비어 있을 때)으로 가볍고 콤팩트합니다. "컴퓨터 데스크톱 타워 크기 상자에 담아 배송합니다." 루타다는 말합니다. "교체용 커팅 블레이드와 소모품도 임대 비용에 포함됩니다."

제 생각에 이는 높은 파괴적 잠재력을 가지며, 산업이 인더스트리 4.0 스마트 생산 라인과 팩토리로 나아감에 따라 거의 필연적입니다. Airborne의 SABIC 파트너십과 스윈번 대학의 Factory 4.0 Testlab 같은 스마트 라인이 이미 구축되고 있습니다. AFP와 3D 프린팅의 융합, 단일 자동화 시스템/셀에 다중 공정 결합(AFP와 필라멘트 와인딩, CNC 가공, 레이저 표면 처리 및 접합 등)으로 새로운 유연성, 다기능성, 속도를 달성하는 추세도 목격됩니다. Addcomposites의 방식대로라면 거대하고 비싼 AFP 셀은 곧 과거의 유물이 될지도 모릅니다.

 

접근 가능한 복합재 제조에 대한 열정

Addcomposites AFP-XS 툴 헤드의 비전은 CEO가 인도우주연구기구(ISRO)에서 근무하던 수년 전부터 시작되었습니다. 인도는 복합재 시장에서 가장 빠르게 성장하는 국가 중 하나지만, "내가 아는 한 인도에는 AFP 시스템이 없습니다."라고 루타다는 말합니다. "ISRO에서 위성 및 발사체용 복합재 제조 자동화 시스템 입찰을 냈지만 모든 응찰가가 너무 비쌌습니다. ISRO는 우주 프로그램에서 성공적이었지만 대부분의 복합재 제품을 핸드 레이업으로 계속 제조했습니다."

이로써 접근 가능한 복합재 제조 개발에 대한 루타다의 열정이 탄생했습니다. "Addcomposites 창업까지 필라멘트 와인딩 머신과 플라스틱·세라믹 3D 프린팅 시스템을 구축하고 배치했습니다." 핀란드로 이주해 알토 대학(헬싱키 근교)에서 석사 학위를 취득하면서 자동화된 복합재 제조를 더 접근 가능하게 만드는 연구 프로젝트를 시작할 수 있었습니다. "알토는 복합재 분야는 약하지만 핀란드의 개방형 혁신 생태계 덕분에 디지털 제조 분야는 매우 강합니다."라고 그는 설명합니다. "새롭게 시작해 AFP 툴 헤드 전체 설계를 재고하며 비용을 최대한 낮추는 방법을 탐구했습니다."

 

"우리는 기존 공급업체들과 문제를 다르게 접근했습니다." 루타다는 말합니다. "그들은 거대하고 비싼 독립형 셀을 만들지만, 우리는 기존 인프라(어떤 로봇 팔이든)에 플러그앤플레이 가능한 툴을 개발했습니다. 따라서 고객은 추가 셀에 투자할 필요가 없습니다." 그래도 팀은 항공우주 품질을 포기하지 않았습니다. 루타다는 AFP-XS 툴이 견고하며 고품질 부품으로 제작되었다고 강조합니다. "우리의 주력 분야는 소프트웨어와 제어였습니다."

 

Composites 4.0을 위한 개방적이고 적응 가능한 생태계

"오프라인 프로그래밍 소프트웨어 개발을 검토했습니다." 그는 계속합니다. "Dassault Systèmes, Autodesk 등과 논의했지만 시스템이 고객에게 너무 비쌌습니다. 그래서 오픈 소프트웨어 시스템을 찾았습니다." 승자는 Rhino 3D였습니다. "평생 라이선스 비용이 약 1,000유로입니다." 루타다는 말합니다. "시각적 프로그래밍도 지원해 각 기계의 도메인 특화 언어를 기반으로 모션 플랜 생성 등 프로그램 내 맞춤 변경 스크립팅이 쉽습니다."

"우리가 사용자에게 필요한 대부분을 이미 제공하려 하지만," 그는 계속합니다, "소프트웨어는 운영자가 제어에 접근하고 데이터에 액세스할 수 있도록 설계되었습니다. 현재 사용 가능한 AFP/ATL(자동 테이프 레이업) 툴을 로봇 팔이나 CNC 머신 같은 기존 모션 플랫폼에 연결하고 제어하는 것은 보통 꽤 어렵습니다. ATL/AFP 공급업체는 일반적으로 툴의 IO(입출력)를 제한합니다. 그러나 우리는 EtherCAT 제어를 사용하기로 했습니다. 이는 로봇 컨트롤러의 IO 포트와 툴 사이를 끊임없이 고속으로 오가는 정보 열차처럼 작동합니다. 데이터는 미리 정해진 명령에 따라 각 스테이션에서 수집되거나 내려놓아지며, 로봇과 AFP-XS 툴 간 전송 정보에 대한 완전한 액세스, 피드백, 제어를 제공합니다. 이 접근 방식은 인더스트리 4.0 응용 분야를 위한 실시간 제어와 통신을 가능하게 합니다."

루타다는 이 개방 생태계가 많은 유연성을 제공한다고 말합니다. "매우 높은 접근성을 제공해 CAM(컴퓨터 지원 제조) 작업자라면 누구나 자신의 로봇 플랫폼에 통합할 수 있습니다. 예를 들어 AFP-XS를 인라인 모니터링 시스템이나 로봇 필라멘트 와인더와 통신하도록 적응시킬 수 있습니다." 그는 자동화 공급업체들이 초기 보도자료(「Addcomposites, 플러그앤플레이 AFP/ATL 소개」 참조)부터 제공하는 가치를 인지했다고 지적합니다. "여러 업체가 자사 제조 셀 제품에 우리 시스템을 통합하고 싶다고 연락해 왔습니다." 더 중요하게, 루타다는 "우리 설계로 이 시스템을 쉽게 시작하고 실행할 수 있습니다."라고 지적합니다.

AFP-XS는 Rhino 3D 기반의 오픈 플랫폼인 Addpath 소프트웨어를 사용합니다.
출처 | Addcomposites

 

소재 및 사양

AFP-XS 툴 헤드는 5mm~20mm 폭의 드라이 파이버와 프리프레그 테이프를 처리할 수 있습니다. "툴 헤드 개발 과정에서 각 소재에 맞게 최적화했습니다." 루타다는 설명합니다. "드라이 파이버로 시작했지만 지금은 열경화성 프리프레그와 저온 열가소성 프리프레그, 즉 Tg 200°C 미만 소재(PLA, 폴리아미드 등)도 작업 중입니다. 열가소성 테이프 실행 시 인시츄 콘솔리데이션(ISC) 성능 향상을 위해 시스템을 개선 중입니다." 그는 오랫동안 진행해 온 ISC 열가소성 테이프 프로젝트를 기반으로 곧 상당한 양의 데이터를 확보할 것이라고 말합니다. "이달 말에는 아웃오브오토클레이브(OOA) 열경화성 프리프레그도 테스트할 예정입니다."

툴 헤드 측면에서 Addcomposites는 비용을 낮추면서 항공우주 품질을 달성하는 목표로 각 구성 요소를 개발했습니다. "자체 커터를 개발했습니다." 루타다는 말합니다. "수많은 반복 끝에 극도로 가볍고 콤팩트하며 견고한 커터가 탄생했습니다. 현재 -0/+2mm 정밀도를 충족하지만 더 엄격한 공차를 위해 노력 중입니다."

모든 구성 요소의 저중량이 핵심입니다. "툴 헤드 무게는 10kg 미만으로, 사용자가 스풀에 얼마나 많은 섬유를 적재하느냐에 따라 약간 변합니다."라고 Addcomposites 비즈니스 개발 매니저 제임스 쿨리고스키는 말합니다. 이전 Hexcel 품질 엔지니어였던 그는 "이로 인해 필요한 로봇 크기를 최소화해 장비 및 운영 비용을 절감합니다."라고 덧붙입니다.

가열에는 현재 적외선과 열풍을 사용합니다. "레이저는 너무 비싸고 운영 및 유지보수 비용도 높아서 사용하지 않습니다." 쿨리고스키는 말합니다. 이 때문에 고온 열가소성 수지는 아직 R&D 단계입니다. 그러나 Addcomposites는 성능이 우수하면서도 저렴한 다른 가열 기술도 탐구 중입니다.

 

하드웨어-as-a-서비스(HaaS)로서의 AFP

Addcomposites는 AFP-XS를 구매뿐만 아니라 임대도 제공하며, 임대 기간에 따라 월 2,000~3,000유로입니다. "작은 스타트업이나 연구 그룹도 생산 설계를 돕기 위해 툴을 임대할 수 있다는 아이디어였습니다." 루타다는 설명합니다. "FEA와 부품 설계가 준비되면 제조 가능성 최적화가 필요합니다. 설계자는 우리 웹사이트에서 부품 제조 시뮬레이션을 요청할 수 있습니다. 회사는 필요한 기간만큼 툴을 임대해 보유한 로봇에 장착할 수 있습니다. 필요시 현지 로봇 공급업체 연결도 지원합니다. 완료 후 장비를 반납하거나 할인된 가격에 구매할 수 있습니다."

2020년 초까지 이 프로그램을 EU 전 국가로 확대할 계획이며, 프랑스, 독일, 폴란드, 영국부터 시작합니다. "내년에는 유럽과 미국에 20대 툴을 배치하고 싶습니다."라고 루타다는 말합니다.

Addcomposites는 이미 핀란드에서 우주 산업 개발 작업에 AFP-XS를 사용했고, 열가소성 테이프를 개발하는 또 다른 핀란드 기업과 협력했습니다. 핀란드 최대 복합재 제조사와 제조 자동화 프로젝트를 막 완료했으며, 미국 기업과의 초기 파일럿 작업도 진행 중입니다.

"우리 시장은 대학과 연구 센터뿐만 아니라 현재 핸드 레이업으로 복합재를 제조하며 AFP와 자동화 경험을 원하는 중소기업도 포함합니다." 쿨리고스키는 말합니다. "자사 제품으로 부품을 만드는 기계를 시험 가동하고 영상으로 촬영해 보여줄 수 있습니다. 그러면 이를 보고 툴을 임대하거나 구매할 수 있습니다."

 

경쟁력 비교

루타다는 AFP-XS 툴 헤드의 출력이 현재 AFP 시스템 공급업체들이 판매하는 대형 셀만큼 높지는 않다고 인정합니다. "하지만 레이다운 속도는 잃지 않습니다." 그는 반박합니다. "처리하는 소재는 동일합니다. 우리도 다른 업체들과 마찬가지로 테이프 편차가 적은 경우 훨씬 좋은 결과를 봅니다. 하지만 최종 라미네이트 품질 측면에서는 차이가 없습니다." 회사가 직접 최종 라미네이트를 주입하거나 경화하는 대신 제조업체용 장비를 공급하므로 라미네이트 데이터 수집 중입니다. 여러 프로그램이 마무리 단계이므로 곧 Addcomposites 웹사이트에 데이터가 게시될 예정입니다.

"2017년 알토 대학에서 연구 프로젝트를 시작해 2018년 Addcomposites를 설립했습니다." 루타다는 말합니다. "다양한 제조업체와 협업하며 많은 것을 배웠고 AFP-XS 시스템을 지속적으로 발전시키고 있습니다. 이러한 개선 사항은 테스트와 검증을 거쳐 모든 사용자에게 배포될 것입니다. 현재 시스템은 Kuka 로봇과 작동하며 ABB와 Universal Robots와의 검증 과정에 있습니다."

"복합재가 첨단 제조의 미래라고 믿습니다." 쿨리고스키는 말합니다. "우리는 모든 복합재 제조업체에게 스마트한 자동화 생산을 저렴하게 제공하는 데 열정을 쏟고 있습니다."

Composites Europe(9월 9~12일, 독일 슈투트가르트)에서 Addcomposites를 방문하시고 CW의 추가 업데이트도 기대해 주세요.