컨베이어 기반 레이업으로 신속·정밀 열가소성 복합재 제조

레이업 속도를 높이면서 설계 유연성을 유지하기 위해 SABIC과 Airborne은 우편 시스템에서 아이디어를 빌려 열가소성 복합 테이프의 플라이 레이업 공정을 개발했습니다. 여러 저렴한 트레이가 컨베이어 시스템 위를 이동하다(여기 표시) 피더 유닛 아래에서 잠시 멈춥니다. 각 피더는 정확한 치수와 배향의 테이프 플라이 하나를 잘라 트레이에 떨어뜨리고, 트레이는 다음 피더 유닛으로 이동합니다. 각 트레이의 스택에 주어진 라미네이트의 설계 요구사항을 충족하는 적절한 플라이 수와 배향이 도달할 때까지 트레이는 피더 유닛을 계속 순환합니다. 출처 | SABIC

열가소성 복합 테이프로부터 콘솔리데이티드 라미네이트를 생산하는 새로운 고속 시스템인 Digital Composites Manufacturing Line(DCML)은 분당 최대 4개 라미네이트(각 최대 15 플라이), 연간 150만 개 라미네이트를 단일 생산 라인에서 생산할 수 있다고 약속합니다. 이는 완전 검사 포함이며, 100% 디지털 검사(치수 측정 및 데이터 추적)로 입고 소재와 출고 라미네이트를 관리합니다. 이 생산 속도는 열가소성이든 열경화성이든 다른 상업용 테이프 처리 시스템보다 현저히 빠르며, 이 시스템은 소비자 가전 산업이 요구하는 고출력과 효과적인 전환 비용을 충족하도록 특별히 설계되었습니다(「소비자 가전: 하이브리드 복합 커버」 참조). 다행히 이 시장의 부품은 거대하지 않습니다(항공우주나 자동차 규모는 아님). 하지만 OEM들은 연간 수천만 개 단위의 대량이 필요합니다.

"현재 기술은 상대적으로 노동 집약적이고 비싸며 느리기 때문에 고속 열가소성 테이프 전환 공정이 정말 필요했습니다."라고 SABIC 글로벌 복합재 리더 Gino Francato는 설명합니다. "이로 인해 얇고 가벼우면서 높은 심미성, 내충격성, 기계적 성능, 재활용성 등 이 소재들의 많은 이점을 고생산량 산업에서 경제적으로 정당화하고 활용하기 어렵습니다. 생산 속도를 대폭 높이고 완전 자동화된 처리와 검사 능력이 없으면 열가소성 테이프는 주로 항공우주와 자동차에 국한된 고비용 틈새 제품으로 남을 것입니다."

DCML은 SABIC(네덜란드 베르헨 옵 줌)과 Airborne(네덜란드 헤이그), Siemens AG(독일 뮌헨), KUKA AG(독일 아우크스부르크) 기술로 탄생했습니다. SABIC은 소재 기술과 복합재 모델링 툴을 제공해 맞춤형 소재 개발과 부품 가상 프로토타이핑을 가속화했습니다. Airborne은 라인을 구축하고 자동화, 디지털화, 복합재 생산 공정 산업화 전문성을 기여했습니다. Siemens는 통합 PLM(Product Lifecycle Management)과 PLC(Programmable Logic Controller) 소프트웨어로 자동화를 강화하고 머신 러닝을 촉진했습니다. KUKA는 산업용 로봇과 팩토리 자동화 솔루션을 제공했습니다. 2018년 여러 프레스 행사에서 신규 고속 공정이 개략적으로 설명되었지만 아직 공개되지 않은 세부 사항이 많습니다. 현재 알려진 내용은 다음과 같습니다.

트레이가 컨베이어 루프를 떠나면 용접 스테이션으로 이동해 각 스택을 두 지점에서 택 용접해 콘솔리데이션 스테이션에서 로봇 핸들링을 용이하게 합니다. 콘솔리데이션 후 라미네이트는 트리밍과 검사(여기 표시)로 이동합니다. 출처 | SABIC

이 라인은 단방향(UD) 열가소성 테이프로부터 맞춤형 니어넷셰이프 평면 라미네이트를 생산하도록 설계되었으며, 레이업, 콘솔리데이션, 트리밍, 디지털 및 육안 검사, 자동 방출 및 고객 발송용 포장을 제공합니다. 분당 최대 4개 라미네이트 생산 가능하며, 각 라미네이트는 서로 다른 레이업 스케줄, 배향, 플라이 수를 가질 수 있고, 이론적으로는 다른 소재(서로 다른 보강재와 수지 매트릭스)도 사용할 수 있습니다(다만 추가 피더 유닛 필요).

동시에 다른 레이업을 달성하는 것은 주어진 트레이(특정 라미네이트 설계)가 각 피더 아래를 몇 번 통과해 정확한 플라이 수와 배향을 쌓아 레이업 스케줄을 완성하는지의 문제입니다. 소비자 가전에서 모델 변경이 얼마나 빠른지 고려할 때 유연성이 시스템의 핵심이며, 프론트엔드에 추가 피더를 늘리거나 백엔드에 기능(예: 드릴링, 프리포밍 등)을 추가해 확장 가능합니다. 초기에는 SABIC의 단방향 탄소섬유 강화 폴리카보네이트 테이프로 라인을 가동했지만, 시스템은 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)부터 폴리에테르에테르케톤(PEEK)까지 단방향 탄소섬유 또는 유리섬유, 또는 둘 다, 심지어 패브릭 직물로 강화된 열가소성 테이프도 가동할 수 있을 만큼 유연하다고 합니다.

이 시스템은 인더스트리 4.0 호환이며, 복합재 제품 개발부터 플랜트 플로어의 물리적 생산까지 엔드투엔드 디지털화를 지원합니다. 머신 러닝 기반 완전 품질 관리로 시간이 지남에 따라 지속적인 품질 개선을 자동으로 달성합니다. 라인은 원격 모니터링과 제어가 가능해 제조사가 레이업 스케줄, 플라이 수 등 설정을 실시간으로 변경해 설계와 물성을 수정할 수 있습니다.

기능적으로 DCML에는 플라이 레이업, 콘솔리데이션, 트리밍/검사 세 주요 섹션이 있습니다.

독특하게, 플라이 레이업 섹션은 자동 테이프 레이업(ATL) 머신을 사용하지 않습니다. ATL은 일반적으로 테이프를 길이대로 자르고 인덱싱 테이블 위 절단 헤드 아래에서 필요한 배향과 위치에 놓습니다. 대신 팀은 우편물 분류·배송 방식을 모방한 참신하고 고속인 접근법을 취해 플라이 스택을 구성합니다. 여러 저렴한 트레이가 컨베이어 시스템 위를 이동하다 피더 유닛 아래에서 잠시 멈춥니다. 각 피더 유닛은 정확한 치수와 배향의 테이프 플라이 하나를 잘라 트레이에 떨어뜨리며(고해상도 카메라가 테이프 결함과 변화를 검사하고 여러 위치에서 폭과 두께 측정), 트레이는 다음 피더 유닛으로 이동합니다. 스크랩을 줄이고 레이업 속도를 높이기 위해 테이프는 특정 프로젝트에 필요한 폭으로 생산됩니다. 트레이는 각 스택에 적절한 플라이 수가 쌓일 때까지 피더들을 순환한 뒤 택 용접 두 지점에서 진행해 콘솔리데이션 스테이션에서의 핸들링을 용이하게 합니다. 이 접근법으로 레이업이 빠르게 이루어지면서 설계 유연성을 유지합니다.

콘솔리데이션 단계에서 로봇이 트레이로부터 4개 용접 스택(한 번에 2개 스택)을 들어 금속 플레이트 세트 위 별도 컨베이어 시스템 위에 놓습니다. 플레이트가 가열되어 라미네이트를 가열·콘솔리데이션(접촉 가열)하고, 라미네이트는 냉각된 후 로봇으로 세 번째 컨베이어 시스템에 언로드됩니다. 이전 콘솔리데이션 작업에 사용된 금속 플레이트는 플레이트 반환 라인으로 재활용되어 콘솔리데이션 시스템으로 돌아갑니다. 매 분 4개 스택이 이 섹션을 출입합니다.

이제 콘솔리데이티드된 라미네이트의 마지막 단계는 검사, 트리밍, 포장입니다. 이 스테이션에서 각 라미네이트는 한 면을 검사받고 트리밍된 후, 두 번째 로봇이 라미네이트를 뒤집어 반대쪽 면을 검사합니다. 트리밍 기술에 대한 세부 사항은 공개되지 않았습니다.

DCML도 여느 제조 시스템처럼 한계가 있습니다. 주로 사용 가능한 플라이 배향, 플라이 크기와 형상, 최종 라미네이트 크기, 홀/윈도우 레이업 능력에서 일부 희생이 있습니다. 하지만 속도, 출력, 스크랩 비율, 전환 비용 측면에서 이를 충분히 상쇄합니다.

보도에 따르면 Airborne의 네덜란드 첫 풀스케일 상업 라인이 내년 생산을 시작하며, 소비자 가전 고객용 맞춤형 열가소성 라미네이트를 생산할 예정입니다. SABIC의 Polymer Processing Development Center(PPDC, 미국 매사추세츠 피츠필드)에는 이미 랩 규모의 두 번째 라인이 있어 고객이 기술 체험과 라미네이트 품질 평가를 할 수 있습니다.

소비자 가전 외에도 항공우주, 자동차, 대중교통, 스포츠 용품, 의료 산업이 이 기술의 잠재적 타겟으로 거론됩니다.