0.03mm 직경의 나노 섬유의 텐션제어를 위해 0.5g의 포스제어가 가능한 초저마찰 에어 실린더??
텐션을 가하는 것은 다양한 제조 작업에서 매우 일반적인 요구 사항입니다. 그러나 초미세 공정이 요구됨에 따라 텐션 제어에는 높은 정밀도가 필요합니다. 이러한 상황에서 마찰이 거의 없는 에어 실린더는 실제로 기존의 스프링 장착의 에어 실린더를 제거하여 이것에서는 불가능한 수준의 제어를 제공할 수 있습니다.
어플리케이션 설명에 앞서, Airpel-Airpot 사의 초저마찰 에어 실린더는 주요 섬유 기술 회사의 스풀링 작업에서 0.1초 미만의 응답 시간 상수로 0.5g 미만의 텐션을 폐쇄 루프 시스템을 사용하여 반복적으로 제어하였습니다. AIRPOT 사의 초저마찰 에어 실린더는 부드러운 작동을 제공하고 텐션제어에 필요한 힘을 0.5g 미만으로 제어하여 0.0013인치(0.03mm)만큼 작은 특수 섬유 센서를 생산할 수 있습니다.
텐션제어 - 나노 섬유 와인딩 어플리케이션
와인딩 작업은 텐션을 제어하여 재료를 릴에 감는 공정 중 한 가지 예입니다. 재료가 큰 구리 케이블인 경우 텐션 제어의 요구 사항이 그렇게 심하지 않을 수 있습니다. 그러나 직경이 매우 작거나 깨지기 쉬운 재료의 경우 텐션을 제어하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 재료가 고르지 않은 텐션으로 늘어나거나 부러진 상태가 되어 감길 수 있습니다.
예를 들어 나노 기술 섬유 센서의 제조가 있습니다. 이 센서는 의료 및 기타 고사양 응용 분야에 사용되는 특수 코팅이 된 긴 재료 가닥으로 구성됩니다. 예를 들어 이러한 나노 섬유 센서 중 하나는 탄성종합체로 코팅된 직경 0.0013인치 은선으로 구성됩니다. 이 센서는 혈압, 산도, 산소화, 온도 및 이산화탄소를 모니터링할 수 있는 인간의 혈류에 연결됩니다. 놀라운 기술이지만 제조하기가 매우 어렵습니다.
어플리케이션 설명
나노 섬유 센서의 제조 시스템에는 섬유를 감고 당기는 공정이 포함됩니다. 압출기에서 나오는 섬유는 먼저 견인에 의해 당겨집니다. 레이저 센서는 견인되어 나오는 섬유의 직경을 측정하고, 이 값은 피드백 루프로 전달되어 텐션을 제어하는데 사용됩니다.
때때로 가열공정이 추가됩니다. 가열 공정은 섬유의 인장 강도와 유연성을 증가시키기 위해 폴리머의 분자 구조를 정렬하는 데 사용됩니다. 이러한 경우 텐션은 이 가열 공정 후 최종 원하는 섬유 직경을 달성하기 직전에 측정됩니다.
압출기에서 나오는 나노 섬유를 견인하면서 타겟 직경에 도달하고, 가열공정을 통해 원하는 인장강도와 유연성에 도달한 나노섬유는 마지막으로 고객 사양에 따라 텐션이 독립적으로 제어되는 일련의 스풀에 감깁니다. 나노 섬유가 감기는 텐션의 정도는 최종 사용자의 요구 사양에 따라 각각 달라집니다. 이와 같은 대부분의 나노섬유 와인딩 어플리케이션에서 텐션은 스프링이 적용된댄서로 힘을 가하여 달성됩니다. 이 댄서는 힘의 변화에 따라 위아래로 움직이는 스프링에 부착된 바퀴로 구성됩니다. 라인 속도, 휠 크기 또는 섬유 크기의 변화는 모두 섬유의 텐션 변화를 유발합니다. 이 공정의 목표는 일정한 텐션을 제공하는 것입니다. 댄서 암은 타겟 텐션에 도달하기 위하여 힘의 변화를 효과적으로 감쇠합니다. 그러나 전체 텐션 수준을 변경하려면 일반적으로 스프링 하중을 손으로 조정해야 합니다.
기존 제어시스템의 문제점
이러한 유형의 섬유를 제조하려면 제조 공정을 훨씬 더 정밀하게 제어해야 합니다. 특히, 섬유 텐션은 0.5g의 정확도와 반복성으로 5~150g까지 조정 가능해야 합니다. 이러한 정밀도를 얻고 수동으로 텐션을 변경하면서 나타나는 불편함을 제거하여 유연성을 확보하기 위해 엔지니어들은 텐션 조정을 자동화하기 위해 컴퓨터로 제어되는 폐쇄 루프 시스템이 필요하다고 결정했습니다. 이를 위하여 첫째, 매우 정확한 위치 데이터를 제공하기 위해 댄서 암의 샤프트에 광학 인코더가 추가되었습니다. 내부적으로 개발된 알고리즘을 사용하여 샤프트의 위치는 폐쇄 루프 시스템에서 구동 모터 속도를 제어하는 데 사용되었습니다.
그러나 문제는 즉시 나타났습니다. 제어 시스템이 불안정했습니다. 댄서 암이 앞뒤로 진동하는 동안 컴퓨터는 텐션을 조정하기 위해 고군분투했습니다. 대부분의 경우 이 문제의 원인은 나노 섬유의 낮은 관성 질량으로 인해 발생했습니다. 결과는 고르지 않은 텐션의 나오섬유, 섬유 스트레칭 및 섬유 파손이었습니다.
해결책
위와 같은 문제를 해결하기 위해 스프링이 장착된 댄서 암을 에어 실린더로 교체하였습니다. 하지만 일반적인 에어 실린더는 대부분이 초미세 텐션 제어에서 불규칙한 움직임을 보여주는데, 이는 엘라스토머(고무 같은) 씰을 사용하기 때문입니다. 고무로 인해 발생하는 마찰력으로 인하여 일반적인 에어 실린더는 이 어플리케이션에 필요한 정확하고 반복 가능한 힘을 제어할 수 없습니다.
일반 에어 실린더의 불규칙한 움직임의 원인은 마찰력(Stiction)으로, 움직임이 시작될 때나 연속적으로 움직이는 동안 실린더가 들러붙는 경향이 있습니다. 이를 극복하기 위해 초저마찰 기술력이 적용된 Airpel이라는 초저마찰 에어 실린더를 적용하였습니다.
Airpel 초저마찰 에어실린더는 정밀 Pyrex® 유리 실린더 내부에 맞춤 장착된 흑연 피스톤으로 구성됩니다. 피스톤과 유리 실린더 사이의 틈으로 압력이 가해지면 피스톤이 공기 쿠션으로 둘러싸여 있습니다. 그 결과 시작 마찰이나 작동 마찰이 거의 없는 초저마찰 장치가 탄생했습니다. 마찰력을 제거함으로써 Airpel은 에어 실린더가 가할 수 있는 힘에 대한 높은 수준의 제어를 허용합니다.
이것이 바로 나노 섬유 공정의 댄서 암에 필요한 것이었습니다.
와이에이치인터내셔날은 AIRPOT-AIRPEL 사의 한국 공식 대리점으로
초저마찰 에어실린더 기술을 국내에 보급하는데 일조하고 있습니다.
정밀한 텐션제어, 포스제어 어플리케이션에 대해 궁금하신 분들은 언제든 아래의 연락처로 연락주세요.
