열가소성 테이프의 자동화된 예비 성형 및 후속 하이브리드 성형(열성형 및 부품 표면에 대한 사출 오버몰딩 리브, 클립 및 보스)은 자동차와 같은 대량 응용 분야에서 복합 재료 제조의 미래로 예고되었습니다. 그러나 열가소성 수지의 인성과 사출 성형 기능의 기능성을 탄소 섬유 강화 에폭시 부품의 고성능과 결합할 수 있다면 어떨까요?
2018년에 종료된 3개년 프로젝트 OPTO-Light가 답을 제시한 것은 바로 이것입니다. 이 프로젝트는 경량 구조의 대량 생산을 위한 광자 기술(레이저와 같은 빛 기반 기술)을 개발하기 위한 전략의 일환으로 독일 연방 교육 연구부(BMBF)의 자금 지원을 받았습니다. 이 프로젝트는 RWTH Aachen University(독일, Aachen)의 Aachen Center for Integrative Light Construction(AZL)에 수여되었습니다. 이 센터는 기업이 경량 소재, 생산 기술 및 응용 프로그램을 개발하기 위해 8개 연구 기관과 협력할 수 있는 단일 캠퍼스를 제공합니다.”
OPTO-Light의 명백한 성과는 에폭시 기반 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 높은 강성, 가벼운 무게 및 낮은 크리프와 열가소성 오버몰딩의 높은 설계 자유도 및 짧은 사이클 시간을 결합한 것입니다. 그러나 이것은 다음을 포함하여 프로젝트가 달성한 수많은 잠재적 복합재 산업 파괴자 중 하나일 뿐입니다.
<울>실제로 이 프로젝트의 2018년 4월 최종 보고서에서는 이 기술이 습식 압축 성형 및 클립용 단일 삽입물의 접착 결합을 사용하여 현재 생산에 비해 자동차 CFRP 부품 비용을 최대 30%까지 줄일 수 있다고 주장합니다(그림 2 참조).
열경화성 복합 부품에 열가소성 오버몰딩을 결합하는 이유는 무엇입니까? "에폭시 수지로 만든 열경화성 CFRP 구성 요소는 차체 응용 분야에 가장 적합한 특성을 제공합니다."라고 AZL 연구 엔지니어인 Richard Schares는 주장합니다. 열가소성 복합재 리브를 오버몰딩하면 부품의 설계 강성(단면 계수)이 증가하여 필요한 탄소 섬유의 양이 줄어듭니다. "CFRP 쉘과 동일한 리브 두께를 사용하여 OPTO-Light 데모 부품의 특정 굽힘 강성을 3배로 높일 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. 오버몰딩은 나사용 몰드인 부착 클립 또는 보스를 제공하는 동시에 탄소 섬유와 금속 패스너 사이의 갈바닉 부식을 방지하기 위해 절연을 제공함으로써 부품 비용을 더욱 줄일 수 있습니다.
따라서 목표는 정의되었지만 문제는 단일 성형 셀에서 두 재료를 결합하는 방법이었습니다. Schares는 업계 파트너가 어떻게 선정되었는지 설명합니다. “BMW는 CFRP 부품의 양산 경험이 가장 많았습니다. KraussMaffei는 ColorForm 다성분 사출 성형기 및 FiberForm 하이브리드 성형기와 같은 조합 기술을 만드는 데 매우 적극적이었습니다.”
OPTO-Light 시연 부품은 BMW i3의 길이 470mm, 너비 317mm, 깊이 130mm 부분이었습니다. 휠 웰의 끝벽을 포함한 Life Module 바닥. "이 구성 요소의 하중 케이스는 충돌 시 우수한 강성과 강도 특성이 필요합니다."라고 Schares는 설명합니다. "우리는 또한 수평 프리프레그 압축 성형, 레이저 제거 및 자유형 표면을 따라 오버몰딩을 입증하기 위해 모양과 드레이핑의 복잡성을 원했습니다."
독일은 현재 글로벌 제조 디지털 혁신에서 중요한 역할을 하기 때문에 포토닉스 기술을 계속 개발하기 위한 장기 전략에 자금을 지원했습니다. 포토닉스는 자동화된 섬유 배치, 열가소성 수지의 레이저 용접, 정밀 기계 가공 및 다양한 3D 프린팅 공정과 같은 고급 공정뿐만 아니라 계측, 공정 모니터링 및 인라인 검사를 위한 센서 및 시각 통신을 가능하게 하기 때문에 복합재 산업은 주목해야 합니다. OPTO-Light에서는 근적외선(NIR) 레이저를 사용하여 오버몰딩을 위한 표면을 사전 처리했습니다. 또한 다양한 레이저 기반 센서가 공정 제어 및 인라인 품질 보증(QA)을 위한 데이터를 제공했습니다.
마지막 4개의 OPTO-Light 파트너는 독일 광자 시스템 공급업체입니다. 첫 번째 Arges(Wackersdorf)는 레이저 가공에 사용되는 3D 스캐너 전문가입니다. "일반적으로 산업 자재 가공 및 의료 응용 분야에서 레이저 빔을 배치하고 편향시키는 혁신적인 레이저 스캔 시스템을 개발합니다."라고 Schares는 말합니다. “Arges 이중 빔 장치는 절제 및 가열을 위해 개발되었습니다. Precitec(Gaggenau)는 공정 전반에 걸쳐 절제 및 부품 참조 중에 사용되는 거리를 측정하기 위한 간섭계 센서를 공급했습니다. Sensortherm(Sulzbach)은 공정 제어를 지원하는 고온계(온도 센서)를 제공했으며 Carl Zeiss Optotechnik(구 Steinbichler, Neubeuern)은 QA용 T-스캔 레이저 스캐너를 제공했습니다. "부품 형상을 측정하고 잠재적인 변형을 감지합니다."라고 Schares는 설명합니다. "CFRP 쉘에 완전히 접착되지 않은 오버몰딩된 리브와 같은 결함이 나타날 것입니다." 이 모든 시스템은 다기능 레이저 스캐너에 통합되어 있습니다. (그림 2) 6축 Kuka(Augsburg, Germany) 로봇 팔 끝에 장착되어 있습니다.
초기 아이디어는 IKV 플라스틱 가공 연구소에서 개발한 갭 함침이라고도 하는 일종의 고압 수지 이송 성형(HP-RTM)인 C-RTM을 사용하여 에폭시 CFRP 부품을 만드는 것이었습니다. 그러나 이 기간 동안 자동화된 테이프 기반 프로세스가 NCF(비압축 직물)의 액체 성형에 도전하기 시작하여 절단 스크랩을 30% 줄이는 것으로 보고되었습니다. 스냅-경화 액체 에폭시 수지는 또한 프리프레그 재료로 확장되어 1-2분의 잠재적 사이클 시간으로 압축 성형이 매력적입니다.
4개의 단방향 프리프레그가 시연자의 셸에 대해 평가되었습니다. 이것은 Broetje-Automation(독일 라스테데 소재)의 STAXX 테이프 배치 셀을 사용하여 그물 모양의 2D 맞춤 블랭크로 변환되었습니다.
그런 다음 성형된 CFRP 쉘은 Lanxess(독일 쾰른) Durethan BKV 30 H2.0 901510을 사용하여 30% 단유리 섬유 강화 폴리아미드 6(GF/PA6)으로 오버몰딩됩니다. KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm 주입 성형기는 OPTO-Light 제조 셀의 기반으로 선택되어 AZL에 설치되었습니다. 다성분 사출 성형을 가능하게 하기 위해 개발된 회전 압반 기술이 특징입니다.
회전형 플래튼에 부착된 몰드는 두 가지 다른 프로세스(폭시 프리프레그 압축 성형 및 열가소성 사출 오버몰딩)를 위한 두 개의 다른 성형 캐비티를 형성하는 데 사용되었습니다. "지금까지 그런 도구를 만든 사람은 아무도 없었습니다."라고 Schares는 지적합니다. BMW와 KraussMaffei는 다양한 온도 영역으로 인한 공차, 열경화성 수지의 회전 정확도 및 밀봉, 사출 성형 도구에 대한 표준 세부 정보를 포함하여 두 프로세스에 대한 모든 요구 사항을 마무리하는 데 몇 주를 보냈습니다.
압축 성형 공정으로 인한 에폭시 CFRP 쉘은 열가소성 오버몰딩 전에 처리되어 이종 재료 간의 충분한 결합 강도를 달성해야 합니다. 레이저 절제는 기계적 또는 화학적 전처리에 비해 환경 친화적인 단일 단계 프로세스를 제공하며 3D 표면을 따라 부품에 리브를 결합하는 데 적합한 정확한 절제 깊이와 경로를 가능하게 합니다. ablation 방법은 10미크론 두께의 에폭시 수지 층을 국부적으로 제거하여 탄소 섬유를 노출시키는 방법입니다. 이렇게 하면 표면이 깨끗해지고 오버몰딩 화합물이 노출된 섬유에 젖고 침투할 수 있는 미세 구조가 생성됩니다.
다기능 레이저 스캐너는 나노초 펄스에서 1.064나노미터의 파장을 가진 레이저 빔을 방출합니다. "고강도가 필요하며 펄스는 이를 가장 효율적으로 달성합니다."라고 Schares는 설명합니다. "우리는 연속파 레이저를 시도했지만 접합 영역 아래의 복합 라미네이트에 너무 많은 열 응력을 발생시켜 섬유-에폭시 접착력을 감소시켰습니다. 산업 환경에서 원격 처리에 사용할 수 있는 공정에 적합한 빔 소스를 찾는 것은 쉽지 않았습니다.”
오버몰딩된 리브는 전처리된 영역과 일치해야 하기 때문에 절제 공정에는 높은 위치 정확도가 필요합니다. 오버몰딩된 유리 섬유/PA6 복합 재료의 후속 배치는 금형 도구에 의해 엄격하게 정의됩니다. 따라서 AZL은 필수 부품 참조 방법론을 개발했습니다. “전처리된 형상과 오버몰딩된 화합물 사이의 오프셋은 300미크론 미만이어야 합니다. 따라서 레이저 스캔 필드의 중심점(도구 중심점)에 대한 정확도는 기준점을 기준으로 150미크론 이내여야 합니다. 이것은 레이저 전처리를 위한 2분 미만의 사이클 시간 뿐만 아니라 달성되었습니다. "로봇과 레이저 빔을 위한 경로 생성을 개발하기 위한 Fraunhofer Institute for Production Technology(IPT)의 예비 작업이 매우 중요했습니다. 이것은 사소한 일이 아니었습니다."라고 Schares는 말합니다. 이 시스템은 실제로 그 성능을 입증했습니다. 테스트 결과 GF/PA6 오버몰드와 에폭시 CFRP 기판 사이의 전단 강도가 27MPa인 것으로 나타났습니다.
초기 공정의 이점이 문서화되는 동안에도 OPTO-Light 팀은 레이저 전처리를 제거하는 것이 가능하다는 것을 깨달았습니다. 이 2단계 공정은 에폭시 프리프레그 쉘을 부분적으로만 경화하고 에폭시 수지에 남아 있는 반응성을 사용하여 열가소성 오버몰딩과의 부착을 달성합니다. 경화되지 않은 에폭시와 PA6 사이의 결합에는 세 가지 잠재적 메커니즘이 있습니다.
<울>이 2단계 공정의 장점은 “전처리를 건너뛸 수 있지만 필요한 공정 제어가 훨씬 더 어렵고 표면 품질이 고광택이 아니라는 점입니다. 그러나 생산 단순화를 통한 부품 비용의 추가 절감은 매우 매력적입니다.”
이 프로세스 경로의 핵심은 프로세스 모니터링입니다. “열가소성 오버몰딩과의 좋은 결합을 위해서는 경화 상태에 대한 지식이 반드시 필요하기 때문에 프리프레그 압축 성형 공정 내부를 살펴보아야 합니다.”라고 그는 설명합니다. 이 경화 상태 모니터링은 인몰드 압력 및 온도 센서와 인몰드 직류 저항률(DCR) 및 유전 분석(DEA) 센서를 사용하여 달성되었습니다.
DCR 및 DEA는 복합 재료의 경화 모니터링을 위해 잘 확립되어 있습니다. OPTO-Light에서 DCR/DEA 공정 제어는 내구성 있는 16밀리미터 DCR 센서와 Optiview 소프트웨어를 포함하는 Synthesites(벨기에 Uccle)의 Optimold 시스템으로 구성됩니다. Optimold는 1Hz의 샘플링 속도로 수지의 전기 저항과 최대 210°C의 온도 및 90bar의 압력을 모니터링합니다. Netzsch Gerätebau(Selb, Germany)의 DEA288 Epsilon 분석 장치에는 4mm 세라믹 모노로드 및 Proteus 소프트웨어가 포함되어 있습니다. Kistler Instruments(스위스 윈터투어) 사출 성형 최적화를 위한 DataFlow 소프트웨어는 또 다른 핵심 구성 요소입니다.
금형 내부에 프리프레그 프리폼을 고정하는 것으로 시작하여 사출 오버몰딩 캐비티에서 사출로 끝나는 프로세스는 DCR/DEA 센서 신호로 설명됩니다. 이러한 데이터는 경화 완료 및 오버몰딩을 위한 사출 성형으로 전환하기 전에 압축 성형에서 최적의 경화 시간을 결정하는 데 중요합니다. 센서는 최적의 부품 품질을 위해 가공 중 재료를 특성화하는 데 도움이 됩니다. 미래에는 프로세스가 DEA 및 DCR 센서 신호에 의해 트리거되는 프로세스 피벗과 함께 적응적이고 지능적일 수 있습니다.
초기 테스트는 9N/mm 2 의 인장 강도를 보여줍니다. 이 두 번째, 더 짧은 OPTO-Light 공정 경로를 사용하여 에폭시-PA6 접합에 대해 훨씬 더 높은 전단 강도를 제공합니다. 프로세스 모니터링의 추가 사용을 포함하여 이 결합 강도를 개선하기 위한 작업이 진행 중입니다. 팀은 또한 수평 프리프레그 압축 성형이 더 이상 별도의 공정이 아니라 오버몰딩과 동시에 달성되는 1단계 공정도 모색하고 있습니다.
OPTO-Light의 파괴 가능성은 2017년 연구 및 과학 부문에서 AVK 혁신상으로 인정받았습니다. 프로젝트의 2018년 최종 보고서에서는 복합 재료가 직렬 자동차 생산에서 금속과 비용 동등성을 달성하기 위해서는 부품의 기능 통합뿐만 아니라 해당 부품을 제조하는 데 사용되는 프로세스의 통합도 포함됩니다. OPTO-Light는 포토닉스 기반 계측, 표면 처리 및 열가소성/열경화성 성형을 포함한 다양한 기술을 개발하여 두 가지를 모두 가능하게 합니다. 이러한 기술은 또한 사출 성형을 강화하기 위한 레이저 가공과 같은 하이브리드 공정의 가능성을 열어줍니다. "개발된 레이저 도구를 성형 셀에 통합함으로써 이제 사출 성형기 내부의 폴리머 공정 전후에 레이저 절제, 절단, 전처리 또는 가열을 수행할 수 있습니다."라고 Schares는 설명합니다. "이는 미래 부품의 기능을 확장합니다."
여러 제조 공정을 단일 작업 셀로 결합한다는 아이디어는 복합 재료에서 추진력을 얻고 있습니다. 예를 들어, 많은 CNC 기계 제조업체는 이제 적층 제조와 절삭 CNC 가공을 결합한 셀을 제공합니다. MF Tech(프랑스 아르헨티나)는 3D 필라멘트 와인딩을 결합했습니다. 및 CNC 가공, 공동 설립자 Emanuel Flouvat는 로봇이 열가소성 수지 결합을 위해 엔드 이펙터를 초음파 또는 레이저 용접기로 전환하거나 단방향 테이프의 로컬 패치를 적용하기 위한 자동화된 섬유 배치 헤드로 전환할 수 있는 추가 하이브리드화를 확인합니다. "로봇 유도 레이저 시스템을 통합함으로써 인라인 조합 기술의 정의를 위한 '도구 상자'가 확장되었습니다."라고 Schares는 말합니다. 이것은 의심할 여지 없이 곧 전자 제품을 완제품에 통합할 자동화된 다중 공정 복합 재료 제조를 향한 이러한 진보에서 또 다른 중요한 단계입니다.
하이브리드화에서 OPTO-Light가 제공하는 마지막 교훈은 파트너십에 있습니다. "이 프로젝트를 관리하는 데 있어 가장 흥미로운 과제는 포토닉스, 반응 폴리머, 사출 성형, 계측과 같은 고유한 전문 지식을 가진 다양한 파트너를 모두 데려가 효과에 대한 공통의 이해를 개발하고 발전시키도록 하는 것이었습니다. 이 단일 프로세스 체인을 성공적으로 만들기 위해 각 작업의 그는 IKV 사출 성형, IKV 반응 폴리머, 용접 및 접합을 위한 ISF, 레이저 통합을 위한 Fraunhofer IPT, 대체 레이저 소스를 위한 Fraunhofer ILT 등 5개 파트너 기관에서 제공하는 전문 지식과 지원의 중요성을 강조합니다. "이 프로젝트는 비용 절감 복합 재료 생산을 위한 기술적 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 학제간 개발의 능력을 보여주었습니다."라고 Schares는 말합니다. 또한 더욱 파괴적인 혁신을 위한 토대를 마련했습니다.
https://youtu.be/b9HmgnuGQY0에서 OPTO-Light 통합 프로세스의 비디오를 시청하십시오.
수지
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