복합소재 로봇 암(arm)

Loson사와 엔싱거는 식품 포장 라인에 쓰이는 델타 로봇의 암(arm) 성능을 향상시키기 위해 협력하였습니다. 이 기계는 빠르고 정확해서 픽업 및 포장용으로 공장에서 사용되어 지고 있으며, 경우에 따라서는 분당 300번의 제품픽업을 할 수 있습니다.

 

탄소섬유 복합재 부품(이경우는 에폭시에 직조된 탄소 섬유가 포함)은 중량과 관성을 감소시키도록 설계 및 생산되며, 고품질의 금속 합금이 제공하는 높은 수준의 기계적 특성을 가집니다. 복합재의 주목적 중 하나는 경량화이지만, 다른 기계부품에 연결하기 위해서는 보통 금속소재 (철강, 알루미늄 또는 티타늄)를 인서트하는 과정이 필요하기 때문에 이 경우 부분적으로 탄소섬유의 이점이 줄어들기도 합니다.

그림 1은 식품 포장 산업에 쓰이는 기계의 로봇 암을 나타냅니다. 총 중량은 대략 300g이고 그중 80g(27%)은 알루미늄 삽입물이 차지하기 때문에 부품의 중량 및 관성을 감소시키는 것은 다소 어렵습니다. 또한 세정 시 강한 산/염기가 사용되는 까다로운 작업 환경(예: 식품 포장 라인)에서, 이러한 소재 구성은 염분에 의한 부식 또는 이종 금속 결합에 의한 부식을 발생 시킬 위험성이 높습니다.

알루미늄

고성능 플라스틱을이용해 알루미늄(또는 중량이 더 큰 기타 금속)으로 만들어진 인서트물을 대체하겠다는 발상은, 중량 감소 효과 및 부식의 위험성 감소, 해당 부품에 요구되는 높은 기계적 성능을 보장합니다. 

금속 인서트는 일반적으로 이액형 에폭시 접착제를 사용하여 복합소재 부품에 접착되거나, 또는 플라스틱 수지를 사용하여 복합소재 플레임에 직접 접착시킬수 있습니다.

그러나 문헌연구 결과에 따르면, 폴리머 인서트물과 복합재 부품 간의 접착력은 표1에 제시된 것과 동일한 접착력을 보장하지 않습니다. 이 그래프에 의하면 이종의 열가소성 폴리머를 접착함으로써 얻는 연결부의 전단 강도는 “구조적” 접착의 최소치로 간주되는 한계치 6 MPa보다 훨씬 낮습니다.

표 1 이종 접합 폴리머의 전단강도
이렇게 기계적 부품에 사용되는 소재는 최대한의 기계적 물성을 가지고 저마찰 밎 내마모성 (노출된 삽입 부품에 작용하는 마찰로 인한)의 특성을 가진 결정성 고성능 엔지니어링 플라스틱이 선호됩니다. 유리 보강 소재는 기계적 물성과 강성이 우수하여 최우선 시 되는 소재지만 슬라이딩과 마찰 시 상대물과의 접합 부분을 마모시킬 수도 있습니다. 또한 너무 강도가 높아서 로봇 암 같이 빠른 급 회전 운동(충격과 유사)을 견디기에는 다소 취약할 수 있습니다.
그라파이트(흑연) 또는 PTFE와 같은 내부 윤활제가 포함된 슬라이딩에 최적화된 소재는 CFRP와 에폭시 복합소재와의 접착력이 떨어집니다.
따라서 TECAPEEK natural은 기계적 물성, 슬라이딩성 및 복합 소재와의 접착력 등이 균형을 이룬 최적의 소재입니다.
표2 표면처리에 따른 PEEK + PEEK 접착력

금속을 플라스틱으로 대체할 경우 부품의 공차, 구조 설계 및 연결부 등과 같은 중요한 요소를 분석한 후 그 부품에 맞는 플라스틱 소재를 선정해야 합니다.

PEEK 소재에 대한 에폭시의 접착력은 금속에 비해 상당히 낮습니다. 예를 들어, 표2는 각각 다른 표면 처리 방식과 환경 조건 하에서 PEEK와 PEEK의 접착력을 나타냅니다.

복합소재로 제조된 로봇 암의 경우, 최초의 설계도에 따르면 부품이 CRFP 복합소재에 견고하게 접착 되지 않을 수도 있으며, 인서트와 로봇 암 간의 상대 회전의 위험이 있습니다. 

TECAPEEK natural 인서트물과 탄소섬유 복합소재 부품 간의 기계적 결합은 접착제의 성능저하 문제를 극복하고 부품 간의 상대 회전 운동 방지를 위해 설계되었습니다. 
도면 n.2의 단면에서 볼 수 있듯이, 언더컷이 가공된 TECAPEEK natural 인서트는 라미네이트 공정에서 탄소섬유 복합소재 부품에 잘 결합될 수 있습니다. 

도면 n. 1 – 최초의 알루미늄 인서트 설계: 둥근 외형으로, 금속과 탄소섬유 간 접착력은 접착 강도에 의해 결정됩니다.
도면 n. 2 – 불필요한 회전방지를 이해 섬유 복합소재와 인서트의 추가적인 기계적 결합이 필요합니다. 이를 위해 외부에서 언더컷으로 가공된 인서트를 삽입하게 됩니다.
다음 사진은 기존의 알루미늄 인서트 로봇 암과 알루미늄이 TECAPEEK natural로 대체된 로봇 암입니다.
알루미늄 인서트
TECAPEEK natural 인서트

최초의 복합소재 로봇 암 성능을 향상시킬 수 있는 솔루션이 개발되었습니다.


  • 고성능 플라스틱(TECAPEEK natural)으로 가공된 인서트를 사용하여, 알루미늄 인서트에 비해 부품의 성능/중량 비율이 증가했습니다.
  • 라미네이트 접합 공정 시 접착제 사용을 피하기 위해, 복합재와 직접 기계적으로 연결될 수 있는 언더컷이 가공된 부품으로 설계를 업그레이드 하였습니다. 이 솔루션은 부품 간에 발생할 수 있는 상대 회전 운동을 방지합니다.
  • 금속이 포함되지 않아 이종금속 결합과 화학물질에 의한 부식을 방지합니다.

 

이 솔루션을 이용하면 해당 부품의 총 중량을 15% 가량이나 감소시킬 수 있고, 관성 모멘트가 감소하여 델타 로봇이 더 빠르고 안전하게 작동할 수 있습니다.

 

 

Loson s.r.l.은 CFRP(탄소섬유 보강폴리머)를 기반으로 폴리머 복합소재를 개발하여 각종 프로젝트와 제품개발을 전문으로 하는 기업입니다.. 항공우주 분야에서 출발하여 고성능 산업자동화 분야까지 사업영역을 확대하고 있습니다.