機能化複合部品向け先進ロボット射出成形技術

Anybrid GmbH（ドイツ・ドレスデン）は、TU Dresdenの軽量工学・ポリマー技術研究所（ILK）からのスピンオフ。ILKは業界と協力し、強化ポリマー複合材に焦点を当てた新軽量技術を開発。「2年前、ハイブリッド部品製造用のロボット化射出成形機を開発しました」とAnybridのチーフコマーシャルオフィサー、ミヒャエル・シュテーゲルマン氏は語ります。ハイブリッド部品とは、複合材チューブや金属EVシャーシなどの構造を射出成形プラスチックで機能化し、局所的な取り付けポイント、補強リブなどを作ることを指します。

このオーバーモールディングまたはハイブリッド射出成形プロセスは過去5-6年で大きな注目を集めましたが、より伝統的な形（成形プレスに取り付けられた射出ユニット付き金型）でした。Anybridはこのセットアップを、上記画像と下記動画のKukaロボットに取り付けられた赤と黒のC字型エンドエフェクターに小型化。その結果、プルトルージョンや押出品を成形ダイ出口でオーバーモールディングしたり、大型構造物を組立ライン移動中に機能化したりすることが可能になり、革命的です。

ROBIN

「ロボット化射出成形」を意味するROBINは、2019年ドイツ・デュッセルドルフのK Showで初披露。「昨年会社を設立し、現在顧客と協力してパイロット生産ラインを構築中です」とシュテーゲルマン氏。コンセプトは、小型射出ユニットとコンパクトで安価な金型を用い、迅速に交換可能にすることで射出成形機の質量を削減することだと説明します。

「ROBINエンドエフェクターは炭素繊維複合材製Cフレームで、外側にアルミフレームがあります。フレームには軽量ロックシステムが内蔵され、射出成形時の上側から下側への最大12トンの荷重を処理します。また、1メートルのカンチレバーで大型構造物にリーチ可能です。これがILKでの我々のノウハウ、炭素繊維と軽量材料を正しく使う方法です」とシュテーゲルマン氏。

従来の射出成形は大型プレスと高価な金型を必要とし、大ロット/大量生産に限定されてきました。対照的にROBINは、少量生産や大型コンポーネント上の複数異なる成形を可能にします。「機械にこれほどの柔軟性があるため、ほぼあらゆる複合材料や構造を機能化できます」とシュテーゲルマン氏。

「金型サイズを最小化してコスト削減を図り、数千ユーロで金型製作可能です。統合クイックチェンジシステムが可能で、小さな金型エリアのみ交換すれば済みます。例えば、組立ラインで金型を素早く交換し、ラインの両側で異なる部品を製造できます。2台のROBINシステムか、1台で金型を素早く交換するか。高い柔軟性が得られます」とシュテーゲルマン氏は説明します。

この小型化はオーバーモールディング可能面積を制限します。「現時点では射出ショット50-60グラムに限定されます。重量わずか140キログラムのROBINを開発し、より小型・安価な自動化が可能になりました。現在はパイプ・プロファイルの機能化と大型構造物への小型エレメント追加に注力しています」

オーバーモールディングでの良好な接着実現

「これは実際我々のバックグラウンドです」とシュテーゲルマン氏はAnybridの4共同創業者を指して語ります。「過去10-15年で多くのプロジェクトで異材料結合と適切なボンディングを見つけてきました。私は押出プロセスで博士号を取得しましたが、異材料結合は常に挑戦的です。プラズマ処理やレーザー処理など、表面構造を変える追加準備が必要です。特にプラスチックや強化プラスチックを金属に接合する場合。複合材は少し容易で、射出成形材料のポリマーマトリックスと基材をマッチングできます。」

例えば下図のオーバーモールディングチューブでは、Mitsui Chemicals Europe（ドイツ・デュッセルドルフ）が炭素繊維強化ポリプロピレン（PP）単方向（UD）テープを供給し、INOMETA（ドイツ・ヘルフォルト）が複合チューブを製造、Anybridがオーバーモールディング。「機能化材料はパイプと同じ材料です。非強化と炭素繊維強化PP材料の両方でオーバーモールディングしましたが、ガラス繊維強化も可能です。ROBINなら市販のあらゆる熱可塑性材料で製造できます」とシュテーゲルマン氏。

そのためAnybridは顧客の試験を支援。「材料同士が接着するか不明な顧客から相談を受けます。材料を送ってもらい、小さなシンプル構造でテストします。スティフニングリブ用小型金型があり、異なるプレートに射出成形可能。例えば顧客が複合プレートサンプルを送ってくれれば、その材料でオーバーモールディングし、接着挙動の実現可能性スタディを行います。その後分析し、最適化提案が可能です」とシュテーゲルマン氏。

潜在的用途

「まだ用途探索中ですが、最初はパイプとプロファイルに取り組んでいます」とシュテーゲルマン氏。「連続する潜在的に非常に長い形状に、異なる構造を順次追加するアイデアがあります。要素をパイプに直接適用できます。このようなコンセプトは既にINOMETAとHerone（ドイツ・ドレスデン）で軸方向接続システムと嵌合ギアの統合に使用されています。航空業界でも、様々な剛性向上や取り付け機能追加が必要な場合に興味深いかもしれません。ストリンガーやフレームなどがありますが、長さに多くのバリエーションがあります。我々の技術なら高い自動化レベルを維持しつつ、部品ごとに機能化要素を変えられます」

「大型コンポーネントでも可能性があります」とシュテーゲルマン氏。「ILKで長年働き、鋼鉄、プラスチック、複合材で多くのハイブリッド部品を開発しました。構造フレームとシャーシへのオーバーモールディングクリップが組立で意味を持つことがわかりました。電気自動車と水素システムへの移行で、将来必要になる多様な部品に備え、組立ラインとプロセスを可能な限り柔軟にすることが重要です。ROBINなら組立用の局所強化だけでなく構造剛性向上も容易に調整可能。しかし自動車と航空宇宙を超えてこの能力を拡張したいと考えています。中小企業でも手頃に、少量生産で他分野・他用途にもこのハイブリッド技術を可能にするのが我々のアイデアでした」