2분 열가소성 오버몰딩으로 열경화성 복합재 제조: 자동차 복합재 원셀 공정

열가소성 테이프 자동 프리포밍과 이후 하이브리드 몰딩(열성형 및 리브, 클립, 보스 같은 사출 오버몰딩 기능을 부품 표면에)은 자동차 같은 대량 적용 분야에서 복합재 제조의 미래로 선전되어 왔습니다. 하지만 열가소성의 인성과 사출 성형 기능의 기능성을 탄소섬유 강화 에폭시 부품의 고성능과 결합할 수 있다면 어떨까요?

이것이 2018년 종료된 3년 프로젝트 OPTO-Light가 답하고자 했던 질문입니다. 독일 연방 교육연구부(BMBF)가 광자공학(레이저 등 빛 기반 기술)을 대량 경량 구조 생산을 위해 개발하는 전략 일환으로 자금을 지원했습니다. 프로젝트는 아헨 공대(RWTH Aachen University) 아헨 통합 경량 구조 센터(AZL)에 수여되었습니다. AZL은 기업들이 8개 연구소와 협력하여 경량 소재, 생산 기술, 적용 분야를 개발할 수 있는 단일 캠퍼스를 제공합니다.

OPTO-Light의 명백한 성과는 에폭시 기반 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 높은 강성, 경량, 저크리프와 열가소성 오버몰딩의 높은 설계 자유도, 저사이클 타임 결합입니다. 하지만 이는 프로젝트가 달성한 수많은 잠재적 복합재 산업 파괴자 중 하나일 뿐입니다:

• 열경화성 3D 표면에 열가소성 결합을 위한 레이저 전처리 개발;
• 반응 중합체 가공, 레이저 가공, 오버몰딩 3개 기술을 단일 고속 사이클 타임 제조 셀로 통합;
• 수직으로 소재를 고정하여 표준 사출 성형기에서 가공하는 수평 프리프레그 압축 몰딩(HPCM);
• 프리프레그 압축 몰딩 및 열가소성 오버몰딩 모든 요건을 통합한 단일 회전 금형 개발;
• 자유형 3D 표면을 따라 레이저 전처리와 오버몰딩 중요 정렬을 위한 광학 부품 참조 방법론;
• BMW i3 전기차 라이프 모듈 플로어 패널 3D 구조 부분 생산 시연, 2분 사이클 타임.

사실, 프로젝트 2018년 4월 최종 보고서는 이 기술이 현재 습식 압축 몰딩과 클립용 단일 온서트 접착 본딩 생산 대비 자동차 CFRP 부품 비용을 최대 30% 절감할 수 있다고 주장합니다(그림 2 참조).

열가소성-열경화성 파트너십

왜 열가소성 오버몰딩을 열경화성 복합재 부품에 결합할까요? "에폭시 수지로 만든 열경화성 CFRP 부품이 차체 적용 분야에 최고의 특성을 제공합니다."라고 AZL 연구 엔지니어 리하르트 샤레스는 단언합니다. 열가소성 복합재 리브 오버몰딩은 부품 설계 강성(단면 계수)을 높여 필요한 탄소섬유 양을 줄입니다. "CFRP 쉘과 같은 리브 두께를 사용하면 OPTO-Light 시연 부품의 특정 굽힘 강성을 3배로 높일 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. 오버몰딩은 나사용 성형 부착 클립이나 보스를 제공하면서 동시에 탄소섬유와 금속 패스너 간 갈바닉 부식 방지 격리도 제공하여 부품 비용을 추가 절감합니다.

따라서 목표는 정의되었지만, 문제는 두 소재를 단일 몰딩 셀에서 어떻게 결합하는가였습니다. 샤레스는 산업 파트너 선정 과정을 설명합니다. "BMW가 CFRP 부품 양산 생산 경험이 가장 많았습니다. 크라우스마페이는 컬러폼 다성분 사출 성형기와 파이버폼 하이브리드 몰딩 기계 같은 결합 기술 개발에 매우 적극적이었습니다."

OPTO-Light 시연 부품은 BMW i3 라이프 모듈 플로어 휠웰 끝단 벽을 포함한 470mm 길이, 317mm 폭, 130mm 깊이 부분이었습니다. "이 구성품 하중 케이스는 충돌 시 좋은 강성과 강도 특성을 요구합니다."라고 샤레스는 설명합니다. "또한 자유형 표면을 따라 수평 프리프레그 압축 몰딩, 레이저 에이블레이션, 오버몰딩을 입증하기 위해 형상과 드레이핑 복잡성도 원했습니다."

왜 광자공학인가?

독일은 현재 글로벌 제조 디지털 변혁에서 핵심 역할 때문에 광자공학 기술 지속 개발을 위한 장기 전략에 자금을 지원합니다. 복합재 산업은 주목해야 합니다. 광자공학은 자동 섬유 배치, 열가소성 레이저 용접, 정밀 가공, 다양한 3D 프린팅 공정 같은 첨단 가공뿐만 아니라 계측, 공정 모니터링, 인라인 검사를 위한 센서와 시각 통신도 가능하게 하기 때문입니다. OPTO-Light에서 근적외선(NIR) 레이저가 오버몰딩용 표면 전처리에 사용되었으며, 다양한 레이저 기반 센서가 공정 제어와 인라인 품질 보증(QA) 데이터를 제공했습니다.

최종 4개 OPTO-Light 파트너는 독일 포토닉 시스템 공급업체들입니다. 첫째, 아르게스(Arges, 바커스도르프)는 레이저 가공용 3D 스캐너 전문입니다. "일반적으로 산업용 소재 가공과 의료 적용 분야에서 혁신적인 레이저 스캔 시스템, 포지셔닝, 레이저 빔 편향을 개발합니다."라고 샤레스는 말합니다. "아르게스 더블 빔 유닛이 에이블레이션과 가열용으로 개발되었습니다. 프리사이텍(Precitec, 가겐나우)은 에이블레이션과 공정 전반 부품 참조용 거리 측정 간섭계 센서를 공급했습니다. 센서서모(Sensortherm, 줄츠바흐)는 공정 제어를 돕는 파이로미터(온도 센서)를 제공했고, 칼 자이스 옵토테크닉(구 슈타인비흘러, 노이보이른)은 QA용 T-스캔 레이저 스캐너를 기여했습니다. "부품 기하학을 측정하고 잠재적 변형을 감지합니다."라고 샤레스는 설명합니다. "오버몰딩된 리브가 CFRP 쉘에 완전히 결합되지 않은 결함 등을 보여줍니다." 이 모든 시스템은 6축 쿠카(아우크스부르크, 독일) 로봇 팔 끝에 장착된 다기능 레이저 스캐너에 통합됩니다(그림 2).

HP-RTM에서 프리프레그 테이프로

초기 아이디어는 IKV 플라스틱 가공 연구소가 개발한 일종의 고압 수지 이송 몰딩(HP-RTM)인 C-RTM(갭 함침)으로 에폭시 CFRP 부품을 만드는 것이었습니다. 그러나 이 기간 동안 자동 테이프 기반 공정이 논크림프 패브릭(NCF) 액체 몰딩에 도전하기 시작했으며, 절단 스크랩 30% 감소 효과가 보고되었습니다. 스냅 큐어 액체 에폭시 수지도 프리프레그 소재로 확장되어 압축 몰딩이 매력적이 되었으며, 1-2분 잠재적 사이클 타임을 가집니다.

시연기 쉘용 4개 단방향 프리프레그가 평가되었습니다. 이들은 브로에체 오토메이션(독일 라슈테데) STAXX 테이프 배치 셀로 넷쉐이프 2D 맞춤형 블랭크로 변환되었습니다.

성형된 CFRP 쉘은 랑세스(독일 쾰른) 듀레탄 BKV 30 H2.0 901510을 사용하여 30% 단유리섬유 강화 폴리아마이드 6(GF/PA6)으로 오버몰딩되었습니다. 크라우스마페이 CXW-200-380/180 스핀폼(SpinForm) 사출 성형기가 OPTO-Light 제조 셀 기반으로 선택되어 AZL에 설치되었습니다. 멀티컴포넌트 사출 성형을 가능하게 하는 스위블 플래튼 기술이 특징입니다.

스위블링 플래튼에 부착된 금형은 두 가지 다른 공정(에폭시 프리프레그 압축 몰딩, 열가소성 사출 오버몰딩)을 위한 두 가지 다른 몰딩 캐비티를 형성하는 데 사용되었습니다. "누구도 이런 툴을 만든 적이 없습니다."라고 샤레스는 지적합니다. BMW와 크라우스마페이는 서로 다른 온도 존 공차, 회전 정밀도, 열경화성 수지 씰링, 사출 몰딩 툴 표준 세부사항 등 두 공정 모든 요건을 마무리하는 데 많은 주를 보냈습니다.

레이저 에이블레이션과 부품 참조

압축 몰딩 공정 결과 에폭시 CFRP 쉘은 열가소성 오버몰딩 전 이종 소재 간 충분한 결합 강도 달성을 위해 전처리되어야 합니다. 레이저 에이블레이션은 기계적 또는 화학적 전처리 대비 환경 친화적 단일 단계 공정으로 정밀한 에이블레이션 깊이와 경로를 제공하여 3D 표면을 따라 리브 결합에 적합합니다. 에이블레이션 방법은 국소적으로 10마이크론 두께 최상층 에폭시 수지를 제거하여 탄소섬유를 노출시킵니다. 이는 표면을 세정하고 오버몰딩 컴파운드가 노출된 섬유를 적시고 침투할 수 있는 미세구조를 생성합니다.

다기능 레이저 스캐너는 1.064나노미터 파장 레이저 빔을 나노초 펄스로 방출합니다. "높은 강도가 필요하고 펄싱이 이를 가장 효율적으로 달성합니다."라고 샤레스는 설명합니다. "연속파 레이저를 시도했지만 복합재 라미네이트 하부 결합 존에 과도한 열응력을 도입하여 섬유-에폭시 접착력을 감소시켰습니다. 산업 환경에서 원격 가공용 공정 적합 빔 소스를 찾는 것은 쉽지 않았습니다."

오버몰딩된 리브가 전처리 영역과 일치해야 하므로 에이블레이션 공정은 높은 위치 정밀도를 요구합니다. 후속 오버몰딩 유리섬유/PA6 복합재 배치는 금형 툴에 의해 엄격히 정의됩니다. 따라서 AZL이 필수 부품 참조 방법론을 개발했습니다. "전처리 기하학과 오버몰딩 컴파운드 간 오프셋은 300마이크론 미만이어야 합니다. 따라서 레이저 스캔 필드 중심점(툴 센터 포인트) 기준점 대비 정확도는 150마이크론 이내여야 합니다. 이는 달성되었으며 레이저 전처리 사이클 타임도 2분 미만이었습니다. "프라운호퍼 IPT의 로봇과 레이저 빔 경로 생성 사전 작업이 매우 중요했습니다. 이는 사소하지 않았습니다."라고 샤레스는 말합니다. 시스템은确实 입증했습니다. 테스트 결과 GF/PA6 오버몰드와 에폭시 CFRP 기판 간 전단 강도 27 MPa를 보였습니다.

더 짧은 공정 경로

초기 공정 이점이 문서화되는 동안에도 OPTO-Light 팀은 레이저 전처리 생략 가능성을 깨달았습니다. 이 2단계 공정은 에폭시 프리프레그 쉘만 부분 경화하고 에폭시 수지 잔여 반응성을 사용하여 열가소성 오버몰딩과 결합을 달성합니다. 미경화 에폭시와 PA6 간 결합을 위한 세 가지 잠재적 메커니즘이 존재합니다:

• 반응성 에폭시 고리와 PA 아민 그룹 간 공유 결합;
• 아민 수소를 공여체, 에폭시 산소를 수용체로 하는 수소 결합;
• 고온에서 PA 분자 사슬 이동성으로 가능한 반투과 네트워크(확산 효과).

이 공정 경로 열쇠는 공정 모니터링입니다. "프리프레그 압축 몰딩 공정 내부를 봐야 합니다. 경화 상태 지식이 확실해야 열가소성 오버몰딩과 좋은 결합을 달성할 수 있기 때문입니다."라고 그는 설명합니다. 이 경화 상태 모니터링은 인몰드 압력과 온도 센서, 인몰드 직류 저항률(DCR) 및 유전체 분석(DEA) 센서로 달성되었습니다.

DCR과 DEA는 복합재 경화 모니터링에 잘 확립되어 있습니다. OPTO-Light에서 DCR/DEA 공정 제어는 신세사이트(Synthesites, 벨기에 우클) 옵티몰드(Optimold) 시스템(내구성 16mm DCR 센서, 옵티뷰 소프트웨어 포함)을 포함합니다. 옵티몰드는 수지 전기 저항과 온도를 210°C까지, 압력 90바까지 1Hz 샘플링 속도로 모니터링합니다. 네츠크 게라테바우(Netzsch Gerätebau, 독일 젤브) DEA288 엡실론 분석 장치(4mm 세라믹 모노트로드, 프로테우스 소프트웨어 포함). 키슬러 인스트루먼츠(스위스 빈터투어) 데이터플로우(DataFlow) 사출 성형 최적화 소프트웨어도 핵심 구성요소입니다.

프리프레그 프리폼 금형 내 고정부터 사출 오버몰딩 캐비티 배출까지 공정은 DCR/DEA 센서 신호로 기술됩니다. 이 데이터는 오버몰딩으로 피벗하기 전 압축 몰딩 최적 경화 시간 결정에 필수적입니다. 센서는 가공 중 소재 특성화를 돕고 최적 부품 품질을 위해 사용됩니다. 미래에는 DEA와 DCR 센서 신호로 공정 피벗이 트리거되는 적응형 지능형 공정이 될 수 있습니다.

초기 테스트에서 이 두 번째 더 짧은 OPTO-Light 공정 경로로 에폭시-PA6 결합 인발 강도 9 N/mm², 더 높은 전단 강도 나타났습니다. 공정 모니터링 추가 활용 등 결합 강도 개선 작업 진행 중. 팀은 수평 프리프레그 압축 몰딩이 별도 공정이 아닌 오버몰딩과 동시에 달성되는 1단계 공정도 탐구 중입니다.

미래 파괴를 위한 하이브리드화

OPTO-Light 파괴 잠재력은 2017년 AVK 혁신상 연구 및 과학 부문 수상으로 인정받았습니다. 프로젝트 2018년 최종 보고서는 복합재가 시리즈 자동차 생산에서 금속과 비용 패리티 달성하려면 부품 기능 통합 극대화뿐만 아니라 그 부품 제조 공정 통합도 필요하다고 주장합니다. OPTO-Light는 포토닉스 기반 계측, 표면 처리, 열가소성/열경화성 몰딩 등 두 가지 모두를 가능하게 하는 기술 배열을 개발했습니다. 이 기술들은 레이저 가공으로 사출 성형 보강 같은 추가 하이브리드 공정 문도 엽니다. "개발된 레이저 툴을 몰딩 셀에 통합하면 이제 사출 성형기 내부에서 폴리머 공정 전, 중, 후 레이저 에이블레이션, 절단, 전처리, 가열 수행 가능성이 생깁니다."라고 샤레스는 설명합니다. "이것은 미래 부품 기능성을 확장합니다."

여러 제조 공정을 단일 작업 셀로 결합하는 아이디어는 복합재에서 모멘텀을 얻고 있습니다. 예를 들어 많은 CNC 기계 제조사가 이제 적층 제조와 감산 CNC 가공 결합 셀을 제공합니다. MF 테크(프랑스 아르장탄)는 3D 필라멘트 와인딩과 CNC 가공 결합, 공동 설립자 에마누엘 플루바가 추가 하이브리드화 확인, 로봇이 엔드 이펙터를 초음파 또는 레이저 용접기로 교체하여 열가소성 접합, 또는 자동 섬유 배치 헤드로 단방향 테이프 국부 패치 적용 가능. "로봇 가이드 레이저 시스템 통합으로 인라인 결합 기술 정의를 위한 '툴박스'가 확장됩니다."라고 샤레스는 말합니다. 이는 전자부품이 완제품에 통합될 자동화된 다중 공정 복합재 제조로의 또 다른 중요한 진전입니다.

OPTO-Light가 파트너십에서 제공하는 하이브리드화 마지막 교훈입니다. "이 프로젝트 관리에서 가장 흥미로운 도전은 각기 독특한 전문성(포토닉스, 반응 중합체, 사출 성형, 계측 등)을 가진 모든 다른 파트너들을 어떻게 데려와 각 작업 효과에 대한 공통 이해를 개발하고 발전시켜 이 단일 공정 체인을 성공시키느냐였습니다."라고 샤레스는 말합니다. 그는 5개 파트너 연구소(IKV 사출 성형, IKV 반응 중합체, 용접·접합 ISF, 레이저 통합 프라운호퍼 IPT, 대체 레이저 소스 프라운호퍼 ILT)가 기여한 전문성과 지원의 중요성을 강조합니다. "이 프로젝트는 학제간 개발이 저비용 복합재 생산을 위한 기술적 과제를 효율적으로 해결할 수 있음을 입증했습니다."라고 샤레스는 말합니다. 더 파괴적인 혁신을 위한 기반도 마련했습니다.

OPTO-Light 통합 공정 비디오 시청: https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.