KUKA가 DLR에서 섬유 복합 재료 부품을 다루다

CFK Nord는 탄소 섬유 강화 플라스틱 재질의 부품 생산을 위한 기업 포괄적인 최첨단 연구 센터로서 독일 슈타데(Stade)에 설립되었습니다. 독일 항공우주 센터(DLR)가 이용자 중 하나입니다. DLR은 KUKA Industries와 함께 연구 목적으로 자동화 생산 시설을 개발했습니다.

초기 상황

독일 항공우주 센터(DLR)는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품을 위한 효율적인 생산 기술을 개발하겠다는 목표를 설정했습니다. 새로운 45m 길이의 생산 라인에서 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품(예: 프레임)이 완전 자동으로 생성됩니다. 지금까지 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질의 항공기 부품을 제조하는 데는 높은 강도의 수작업과 큰 비용이 요구되었습니다. 순수 연구 기관으로서 DLR은 미래 세대의 항공기를 위해 이것을 바꾸고자 합니다. 

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 가볍고 안정적이지만 전체 공정 절차와 품질을 재현할 수 있는 경우에만 항공기 제조업체의 높은 요구사항을 달성할 수 있습니다. 알루미늄과 달리 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)은 예를 들어 섬유 방향이 최적의 상태로 만들어져 있지 않거나 절단 모서리에 의해 습기가 복합재 안으로 침투하는 경우 매우 다른 품질을 지닐 수 있습니다. 게다가 재료를 보고 외부의 기계적 손상을 알아채지 못할 수도 있습니다. 따라서 제조 과정에서 최대의 정확성을 보장하는 것이 관건입니다.

과제

테스트 설비에서 최종 컨투어에 가까운 부피 구성요소가 프레임 형태로 생산되며, 이 구성요소는 항공기 내부에서 선체를 안정시키는 역할을 합니다. 섬유 예비 성형(Preform)과 트리밍의 자동 생산 및 액상 에폭시 수지를 통한 후속 함침을 다룹니다. 업스트림 공정에서는 필요한 서로 다른 섬유 원료가 롤러에서 풀리며 커터(구동되는 회전 커터)와 함께 사전 조립됩니다. 그런 다음 블랭크는 사용될 때까지 보관 시스템의 해당 서랍에 보관됩니다. 위치 및 섬유 각도가 기준과 정확하게 일치하는 경우에만 원하는 제품 품질을 보장할 수 있으므로 센서 장치는 전체 프로젝트에서 하나의 특별한 도전이었습니다. 통합형 와전류 센서 장치를 통해 섬유 각도 곡선이 시각화되고 평가됩니다. 이 연구 설비에서 현재 제조된 부품은 전체적으로 최대 26개 레이어의 탄소 섬유로 구성됩니다.
제조된 부품은 전체적으로 최대 26개 레이어의 탄소 섬유로 구성됩니다.
이것은 연구 과제이며 실제 양산에 관한 문제가 아니므로 설비는 유연해야 합니다. 시스템 기본 구상뿐만 아니라 프로그래밍 측면에서도 가능한 한 자유로워야 한다는 점이 매우 중요했습니다. 툴 교환은 쉽고 빠르게 작동해야 하며, 로봇의 프로그래밍도 직관적이어야 합니다. 학생들은 짧은 학습 단계 후 새 작업/제품을 시스템에서 실현할 수 있습니다. 이는 실제 도입에서도 중대한 문제입니다. 중형 상용 항공기에는 약 140개의 프레임 세그먼트가 있으며 그 중 어느 두 개도 동일한 것이 없습니다.

솔루션

KUKA Industries의 자동화 시스템은 드레이프 로봇입니다. 이 로봇은 2D 블랭크를 원하는 3D 컨투어로 변형하기 위해 2D 블랭크를 제거합니다. 이를 위해 로봇에는 항상 하나의 블랭크만 수용하는 그리퍼가 있습니다. 클립보드에서 블랭크 위치는 화상 처리 시스템을 통해 감지됩니다. 변형한 후 드레이프 로봇은 예비 성형품을 통합 스테이션의 툴 위에 내려놓습니다. 알루미늄으로 이루어진 툴은 컨투어가 밀링되어 있으며, 통합 스테이션의 슬라이드 테이블로 이어지는 인터페이스가 있는 하부 구조에 고정되어 있습니다. 통합 스테이션은 움직이는 프레스 테이블이 있는 멤브레인 프레스로 구성되어 있습니다. 레이어 패키지를 안정화하기 위해 적외선을 통해 예비 성형품이 가열되고, 섬유에 존재하는 분말 결합제가 녹습니다. 
레이어 패키지를 안정화하기 위해 적외선을 이용하여 섬유에 존재하는 분말 결합제를 녹입니다.
이 성형 작업 단계를 마친 후, 통합된 예비 성형품은 링키지 로봇에 의해 후속 정밀 트리밍 스테이션의 툴로 이동합니다. 링키지 로봇은 높은 위치에 배치된 선형 축을 따라 이동하므로 작업장 안에서 최대한 자유롭게 이동할 수 있습니다. 로봇은 개별 공정 스테이션을 연결합니다. 해당 로봇의 경로는 부품의 CAD 데이터와 Cenit의 경로 프로그래밍 소프트웨어 fastCURVE의 CAD 데이터를 기반으로 오프라인에서 프로그래밍합니다. 제어 시스템 Reis ROBOTstarV는 “각도 형상”뿐만 아니라 한 지점에서 다른 지점으로 티칭되므로 해당 인터페이스를 통해 유동적이고 매우 정확한 경로를 제시합니다. 따라서 프로그래밍된 경로는 이후에도 특정 값만큼 이동할 수 있습니다.
해당 로봇의 경로는 부품의 CAD 데이터와 경로 프로그래밍 소프트웨어의 CAD 데이터를 기반으로 오프라인에서 프로그래밍합니다. 제어 시스템 KRC ROBOTstar는 해당 인터페이스를 통해 유동적이고 매우 정확한 경로를 제시합니다. 따라서 프로그래밍된 경로는 이후에도 특정 값만큼 이동할 수 있습니다. 최적의 절단 툴을 선택함으로써 초음파 커터를 사용하여 주변에 있는 물질에 영향을 주지 않으면서 매우 정확하게 절단할 수 있습니다.

우리는 몇 마디 나누지 않고서도 오버른부르크(Obernburg)에 위치한 KUKA Industries가 이러한 부피 구성요소의 자동화 프로젝트를 처음으로 기획하는 것이 아니라는 사실을 분명하게 알 수 있었습니다. 프로젝트 책임자는 예비 성형 공정의 개별 측면을 모듈 방식으로 간주하고 기본 구성요소를 기반으로 적확한 개념을 제시할 수 있는 능력이 있었습니다.

스벤 토어스트릭, DLR 경량 생산 기술 센터의 프로젝트 책임자
탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품의 핸들링을 위한 그리퍼 기술

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