高速、高速熱可塑性複合材料の製造

レイアップを高速化し、優れた設計の柔軟性を提供するために、SABICとAirborneは、熱可塑性複合テープのプライレイアッププロセスを開発する際に、郵便システムからアイデアを借りました。コンベヤーシステム（ここに表示）上を移動する複数の安価なトレイは、フィーダーユニットの下で一時的に停止します。各フィーダーは、正しい寸法と向きのテーププライを1つカットしてトレイに落とし、次のフィーダーユニットに進みます。トレイは、特定のラミネートの設計要件を満たすために、各スタックでプライの適切な数と方向に達するまで、フィーダーユニットを循環し続けます。ソース| SABIC

熱可塑性複合テープから統合ラミネートを製造するための新しい高速システムであるデジタル複合材料製造ライン（DCML）は、1分あたり最大4枚のラミネート（それぞれ最大15プライ）、1年あたり150万枚のラミネートを製造できることを約束します。単一の生産ラインから（測定とデータ追跡を含む100％デジタルである完全な検査を含む）、入ってくる材料と出て行くラミネートの。その生産率は、明らかに大幅に 熱可塑性プラスチックまたはサーモセット用の市販のテープ処理システムよりも高速であり、このシステムは、家電業界が要求する高出力および効果的な変換コストを満たすように特別に設計されています（「家電：ハイブリッド複合カバー」を参照）。幸いなことに、この市場向けの部品は、航空宇宙や自動車の規模ではなく、巨大ではありませんが、OEMは、年間数千万程度の部品を大量に必要としています。

「現在の技術は比較的労働集約的で、費用がかかり、時間がかかるため、高速熱可塑性テープ変換プロセスが本当に必要でした」と、SABICのグローバルコンポジットリーダーであるGinoFrancato氏は説明します。 「そのため、生産量が多い業界から非常に多い業界で、これらの材料の多くの利点を経済的に正当化して活用することは困難です。つまり、美観、衝撃強度、機械的性能に加えてリサイクル性の高い、薄くて軽い部品を製造することです。生産速度を大幅に向上させ、完全に自動化された取り扱いと検査を使用する機能がなければ、熱可塑性テープは、主に航空宇宙および自動車での使用に限定された高価なニッチ製品のままになります。」

DCMLは、SABIC（Bergen op Zoom、オランダ）とAirborne（ハーグ、オランダ）の発案によるもので、Siemens AG（ミュンヘン、ドイツ）とKUKA AG（アウグスブルク、ドイツ）の技術を採用しています。 SABICは、カスタム材料開発と部品の仮想プロトタイピングを加速するために、材料技術と複合材料モデリングツールを提供しました。 Airborneはラインを構築し、複合材料製造プロセスの自動化、デジタル化、工業化の専門知識にも貢献しました。シーメンスは、自動化を強化し、機械学習を促進するために、統合された製品ライフサイクル管理（PLM）およびプログラマブルロジックコントローラー（PLC）ソフトウェアに貢献しました。 KUKAは産業用ロボットとファクトリーオートメーションソリューションに貢献しました。新しい高速プロセスは、2018年以降のいくつかのプレスイベントで一般的な用語で説明されていますが、まだ明らかにされていない多くの詳細があります。現在わかっていることは次のとおりです。

トレイがコンベヤーループを離れると、溶接ステーションに向かいます。ここで、各スタックが2つの場所で仮付け溶接され、統合ステーションでのロボットによる処理が容易になります。統合後、ラミネートはトリミングと検査に移ります（ここに表示）。ソース| SABIC

このラインは、一方向（UD）熱可塑性テープからカスタマイズ可能なニアネットシェイプのフラットラミネートを製造するように設計されており、レイアップ、統合、トリミング、デジタルおよび目視検査、自動リリース、および顧客への出荷用のパッケージングを提供します。 1分あたり最大4つのラミネートを作成でき、各ラミネートは異なるレイアップスケジュール、方向、および層の数を持つことができ、理論的には、異なる材料を使用することもできます（ただし、これには追加のフィーダーユニットを追加する必要があります）。

異なるレイアップを同時に達成するには、特定のトレイ（特定のラミネートデザインを使用）が各フィーダーの下を何回通過して、レイアップスケジュールを完了するための正しいプライ数と方向を達成するかが問題になります。家庭用電化製品でモデルがどれだけ速く変化するかを考えると、柔軟性はシステムの中心であり、フロントエンドにフィーダーを追加したり、バックエンドに機能（たとえば、穴あけ、プリフォームなど）を追加したりすることで拡張できます。当初、このラインはSABICの一方向炭素繊維強化ポリカーボネートテープを実行するように設定されていましたが、伝えられるところによると、システムは、ポリエチレン（PE）およびポリプロピレン（PP）から一方向炭素繊維で強化されたポリエーテルエーテルケトン（PEEK）までの熱可塑性テープを実行するのに十分な柔軟性があります。またはガラス繊維-またはその両方-またはファブリック織り。

このシステムはインダストリー4.0と互換性があり、複合製品の開発から工場フロアでの物理的な生産まで、エンドツーエンドのデジタル化を可能にします。機械学習に基づく完全な品質管理により、時間の経過とともに継続的な品質改善を自動的に実現します。ラインはリモートで監視および制御できるため、メーカーは設定（レイアップスケジュール、プライ数など）をその場で変更して、設計や材料特性を変更できます。

機能的には、DCMLには、プライレイアップ、統合、トリミング/検査の3つの主要なセクションがあります。

ユニークなことに、プライレイアップセクションは自動テープレイアップ（ATL）マシンを使用しません。これは通常、テープを所定の長さに切断し、カッティングヘッドの下を移動するインデックステーブル上の必要な方向と位置に配置します。代わりに、チームは、メールの並べ替えと配布の方法に基づいて、プライスタックを構築するための斬新で高速なアプローチを採用しました。コンベヤーシステム上を移動する複数の安価なトレイは、フィーダーユニットの下で一時的に停止します。各フィーダーユニットは、正しい寸法と向きのテーププライを1つカットしてドロップし（テープの欠陥や変化を検査し、複数の場所で幅と厚さを測定する高解像度カメラで確認）、次のトレイに進みます。フィーダーユニット。スクラップを減らし、レイアップをスピードアップするために、特定のプロジェクトに必要な幅にテープが作成されます。トレイは、適切な数の層が各スタックに堆積するまでフィーダーを一周してから、2つの場所で仮付け溶接を行って、圧密ステーションでの取り扱いを容易にします。このアプローチにより、レイアップを迅速に行うことができますが、設計の柔軟性があります。

統合時に、ロボットは4つの溶接スタック（一度に2つのスタック）をトレイから持ち上げ、別のコンベヤーシステム上の金属プレートのセットの間に配置します。プレートは加熱され、したがってラミネートを加熱して固め（接触加熱を介して）、次にラミネートは冷却され、ロボットによって第３のコンベヤーシステムに降ろされる。最後の圧密操作で使用された金属プレートは、プレートリターンラインにリサイクルされ、圧密システムに戻されます。このセクションには毎分4つのスタックが出入りします。

現在統合されているラミネートの最後の目的は、検査、トリミング、パッケージングです。このステーションでは、各ラミネートの片側が検査されてトリミングされてから、ラミネートを裏返して反対側から検査する2番目のロボットに移動します。使用されているトリミング技術に関する詳細はありません。

DCMLには、他の製造システムと同様に制限があります。主に、利用可能なプライの向き、プライのサイズと形状、最終的なラミネートサイズ、および穴/窓を配置する機能に関して、いくつかの犠牲があります。ただし、システムは、速度、出力、スクラップ率、および変換コストの点でこれを十分に補っています。

伝えられるところによると、Airborneのオランダでの最初の本格的な商用ラインは来年生産を開始し、同社は家電製品の顧客向けにカスタム設計された熱可塑性ラミネートを生産します。 2つ目のラボサイズのラインは、SABICのポリマー加工開発センター（PPDC、米国マサチューセッツ州ピッツフィールド）で、この技術を試し、ラミネートの品質を評価したいお客様のためにすでに利用可能です。

家庭用電化製品に加えて、この技術の潜在的なターゲットと言われる他の産業には、航空宇宙、自動車、大量輸送、スポーツ用品、ヘルスケアが含まれます。