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경량 섬유 복합재료 부품 생산을 위한 혁신적인 성형공정
연구소 2013-10-14 4896

경량 섬유 복합재료 부품 생산을 위한 혁신적인 성형공정

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=241620&service_code=04

 

스위스 Busslingen에 있는 Georg Kaufmann AG는 경량 통합 공정 응용(Lightweight Integrated Process Application: LIPA)이라는 연합 프로젝트에 의해 경량 섬유 복합재료 부품을 시리즈로 생산하기 위한 혁신적인 성형방법을 개발하였다. 직조물 보강 열가소성 복합재료로서 크기에 맞게 절단된 유기 시트는 처음에 사전 가열된 후에 성형체에 위치되어 열소성 공정을 거친다. 이와 동시에 독일 Loßburg에 있는 Arburg 회사에서 개발한 장섬유 직접 사출 성형 방법을 함께 적용하여 몰드 내의 위치한 갈비뼈 형상, 베어링 아이(bearing eyes) 및 다른 작동 부품들을 활용한 형상이 만들어진다. 이러한 공정에 의해 매우 높은 강도와 강성을 가진 경량 부품이 만들어진다. 전체적인 생산 공정은 10월 16일~23일에 독일 뒤셀베르그에서 개최되는 K 2013에서 선보일 예정이다. 장비와 몰드를 사용하여 자동차 스윙 암(swing arm) 및 자동차 시트 구조 부품 등을 데모용 성형 부품의 예로서 생산할 것이다.

데모용 제품으로 두 개의 다른 두께를 가지고 크기에 맞게 잘라진 유기 시트 담요는 장비의 성형 사이클과 함께 열경화 온도까지 부드럽게 가열될 것이다. 진공 물리축이 장착된 로봇은 담요를 안전하게 제시간에 W 형상의 프로파일로 열소성될 성형 몰드로 옮기게 된다. 이러한 방법에 의해 축의 강성이 증가할 뿐만 아니라 완벽한 표면과 단단하게 압축된 특성 및 두 개의 부품 시트 사이에 완벽한 연결이 만들어진다. 그러고 나서 축의 단단한 특성과 장섬유 보강 플라스틱의 모서리 분야는 유기 시트 내에서 사출 성형으로 완성된다. 유기 시트들의 온도가 고분자의 용융온도 바로 약간의 아래이기 때문에 완벽한 결합이 이루어질 수 있다. 이와 같은 이유로 성형 부품 내의 섬유 구조에 어떠한 손상도 주지 않고 유기 시트를 통해 사출성형으로 원형 부품들(예를 들면 나사 돌기)을 생산하는 것도 가능하다. 다운 스트림(downstream) 공정에서 매트 부품들에 연결시킬 수 있기 위해서 데모용 축은 성형을 하는 동안에 섬유 구조에 반대 영향을 주지 않으면서 상응하는 구멍을 가지도록 만들어진다.

데모용 제품을 개발하고 생산하기 위해서 앞서 언급된 연결 프로젝트의 파트너들은 경량 섬유 부품들이 대량생산될 수 있다는 것을 보일 뿐만 아니라 경제적인 효율성과 부품들의 기능성에 모두 결정적인 많은 혁신적인 방법을 실례로 보여줄 것이다.
- 성형 부품들 내에 하중의 분포에 따라 유기 시트의 두께를 다르게 국부적으로 적용하는 것에 의해 경량 계수를 향상시킨다.
- 유기 시트 사이에 완벽한 결합을 이루게 하여 완전한 표면을 가지고 완벽하게 압축되고 연결부위가 완벽한 부품을 만든다.
- 섬유 구조에 손상을 주지 않고 유기 시트 내에 구멍을 만든다.
- 모서리까지 모든 부위를 성형하는 방식을 통해 크기에 맞게 잘라진 유기 시트의 노출된 섬유들을 잘 감싼다.
- 성형 사이클 동안에 최소 온도를 유지하여 유기 시트를 위한 가열 온도를 낮춘다.
- 장섬유 직접 사출 성형 방법으로 섬유 길이 및 양에서 변화를 주어 재료의 조합에서 유연성을 가진다.
- 비용 효과적인 출발 물질들을 사용한 덕분에 장섬유 직접 사출 성형에 의해 크게 경비를 절감한다.

프로젝트에 참여한 파트너들과 역할은 다음과 같다.
- Arburg: 감겨 있는 상태에서 장섬유 유리 섬유를 잘라 직접 용융 혼합하는 사출 유닛이 장착된 사출 성형 장비
- Bond Laminates: 열가소성 매트릭스로 된 섬유 보강 시트
- FPT Robotik GmbH &Co. KG: 공정 자동화 시스템의 디자인과 생산
- Georg Kaufmann Concept GmbH: 부품 디자인, 사출 성형 가동에서 용융 흐름의 시뮬레이션
- Georg Kaufmann Formenbau AG (LIPA initiator): LIPA 성형, 공정 디자인 및 엔지니어링
- HRS: LFRTs에 적합한 바늘 밸브 조절을 가진 고온 가동 시스템
- ILK/LZS GmbH: 부품의 계산과 시뮬레이션
- Kistler Instrumente AG (LIPA 파트너): 성형 몰드 센서 기술
- Krelus Infrared (LIPA 파트너): 적외선 가열기 및 조절 유닛
- Lanxess Deutschland GmbH: 유기 시트 절단 패턴 및 부품들의 형상 시뮬레이션
- SKZ - KFE gGmbH: 공정 모니터링 및 품질 보증

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