마스터 롤에서 완제품까지: 고정밀 필름 슬리팅 머신의 공정 흐름과 기술 혁신에 대한 자세한 설명

소개

현대 산업에서 박막 소재(BOPP, BOPET, PE, 리튬 배터리 분리막, 광학 필름 등)는 포장, 전자, 신에너지, 디스플레이 등 다양한 분야의 핵심 소재입니다. 이러한 필름은 일반적으로 공장 출고 시 폭이 수 미터, 길이가 수만 미터에 달하는 "점보 롤" 형태로 생산됩니다. 후발 고객의 요구를 충족하기 위해 이러한 마스터 롤은 특정 폭, 길이, 롤 직경을 가진 "슬릿 롤"로 절단되어야 합니다. 이 중요한 작업을 수행하는 장비가 바로 고정밀 필름 슬리팅 머신입니다. 이 장비는 단순한 슬리팅을 넘어 기계, 전기, 감지, 제어, 재료 과학을 통합한 첨단 장비입니다.

1부: 고정밀 필름 슬리팅 머신의 핵심 공정 흐름

고정밀 슬리팅 공정은 연속적이고 정밀한 공정으로, 주로 풀기, 견인 및 교정, 슬리팅, 와인딩의 4가지 핵심 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 풀림 장치

• 목적: 마스터 롤을 부드럽고 일정한 장력으로 풀어줍니다.

•프로세스:

◦ 공급: 마스터 코일은 구동 또는 로딩 카트에 의해 풀림 릴에 정확하게 배치되고, 공기 팽창 샤프트가 확장되어 코일 코어를 고정합니다.

◦ 도킹: 기존 마스터 코일이 소진되기 직전, 자동 공급 장치(스윙 암 타입이나 도킹 테이블 등)를 사용하여 테이프를 통해 새 마스터 코일의 헤드와 기존 마스터 코일의 끝을 연결하여 중단 없는 연속 생산을 실현하여 효율성을 크게 향상시킵니다.

◦ 장력 제어: 풀림 모터는 토크(장력) 제어 모드로 작동하며, 자기 파우더 클러치, 서보 모터 등을 통해 역방향 제동 토크를 제공하여 초기 및 제어 가능한 풀림 장력을 설정합니다. 이는 후속 공정의 안정성을 보장하는 기반이 됩니다.

2. 장력 및 EPC Uni티

• 목적: 이동 중에 필름의 장력을 안정적이고 중앙에 유지합니다.

•프로세스:

◦ 트랙션 롤러: 독립적인 서보 모터로 구동되어 필름의 선형 속도를 정밀하게 제어하며, 전체 시스템 속도의 벤치마크입니다.

◦ 플로팅 롤러: 중요한 장력 감지 장치입니다. 실린더 또는 균형추에 의해 하중이 가해지며, 위치 변화는 실제 장력의 설정값과의 편차를 직접적으로 반영합니다. 제어 시스템은 플로팅 롤러의 변위 신호에 따라 풀림 토크를 실시간으로 동적으로 조정하여 완전한 폐루프 장력 제어를 구현하고, 슬리팅 공정 중 필름이 항상 장력을 유지하되 변형되지 않도록 합니다.

◦ 엣지 위치 컨트롤러(EPC): 엣지 센서(CCD 또는 초음파)와 가이드 액추에이터로 구성됩니다. 센서는 필름의 엣지 위치를 실시간으로 감지하고, 오프셋이 발생하면 제어 시스템은 즉시 보정 메커니즘(전체 이동식 언와인딩 프레임 또는 트랙션 롤러 그룹)에 측면(MD 방향) 미세 조정을 지시하여 필름이 항상 미리 설정된 경로를 따라 이동하도록 합니다. 이는 고정밀 슬리팅을 위한 전제 조건입니다.

3. 슬리팅 유닛

• 목적: 넓은 필름을 여러 개의 좁은 재료 스트립으로 정확하게 자릅니다.

• 슬리팅 방법:

◦ 전단 절단:

▪ 원리: 가위와 유사합니다. 위쪽 커터 헤드(원형 칼날)는 아래쪽 커터 롤러(경화강철 롤러 또는 아래쪽 칼날이 있는 커터 롤러)와 한 쌍의 전단 쌍을 형성합니다.

▪ 특징: 절단면이 평평하고 매끄러우며 먼지가 없습니다. PET, PP, 복합 필름 등 두껍고 단단한 필름에 적합합니다. 가장 일반적으로 사용되는 고정밀 슬리팅 방법입니다.

◦ 스코어 컷 / 레이저 컷:

▪ 원리: 날카로운 원형 칼날이 필름 표면에 압력을 가하여 절단합니다. 칼날 절단 깊이가 매우 중요하며, 이는 패드 롤러를 손상시키지 않고 필름을 정밀하게 절단해야 하는 경우가 많습니다.

▪ 특징: 매우 얇고 부드러운 필름(예: PE 플라스틱 랩, CPP, 리튬 배터리 분리막)에 적합합니다. 잘못 조정하면 버와 먼지가 발생하기 쉽습니다.

◦ 크러쉬 컷: 고정밀 슬리팅에는 덜 사용되며 주로 부직포 및 기타 소재에 사용됩니다.

4. 되감기 장치

• 목적: 여러 개의 슬릿 필름을 깔끔한 외관과 일관된 탄성을 갖춘 완성된 롤로 압연합니다.

•프로세스:

◦ 권취 방식: 이것은 기술의 핵심이며, 두 가지 주요 유형이 있습니다.

▪ 중앙 권선: 동력이 권선축을 직접 구동합니다. 구조는 간단하지만, 코일 직경이 커지고 선형 속도가 일정해짐에 따라 외륜 장력이 점점 커져 안쪽은 헐거워지고 바깥쪽은 팽팽해지며, 심지어 필름이 구겨질 수도 있습니다.

▪ 표면 권취: 종이관은 능동적으로 구동되는 마찰 롤러(고무 롤러)에 의해 되감깁니다. 일정한 표면 선속도와 권취 압력을 제공하며, 코일의 경도가 균일하여 부드럽고 얇은 소재에 적합합니다. 최신 고급 슬리팅 머신은 중앙/표면 하이브리드 권취 방식을 사용하여 두 방식의 장점을 결합하는 경우가 많습니다.

◦ 곡선 암 스윙 암 와인딩: 고속 슬리팅 머신에 일반적으로 사용됩니다. 두 개의 와인딩 샤프트가 있으며, 하나가 가득 차면 즉시 다른 빈 샤프트로 전환하여 정지 없이 자동으로 언로딩할 수 있으며, 생산 효율이 매우 높습니다.

◦ 온라인 모니터링 및 조정: 초음파 또는 CCD 센서를 장착하여 권선 직경, 모서리(양배추 심장) 및 표면 결함을 실시간으로 모니터링하고 테이퍼 장력 제어(코일 직경 증가에 따라 장력을 선형적으로 감소시켜 내층과 외층의 일관된 조임 상태를 보장) 및 압력 조정을 자동으로 수행합니다.

2부: 주요 기술 혁신에 대한 심층 분석

고정밀 슬리팅 머신의 "고정밀도"는 크기(폭), 품질(외관) 및 효율성에 반영되며, 이는 여러 기술의 긴밀한 통합과 혁신의 이면입니다.

1. 지능형 다단계 장력 제어 시스템

• 기존 기술: 개방 루프 또는 반폐쇄 루프 제어, 큰 장력 변동.

• 혁신적인 기술: 완전 폐쇄 루프, 다단계, 적응형 장력 제어.

◦ 시스템은 전체 경로를 풀기 영역, 견인 영역, 감기 영역과 같은 여러 개의 장력 제어 섹션으로 나눕니다.

◦ 고정밀 플로팅 롤러 또는 장력 센서가 피드백 요소로 사용됩니다.

◦ PLC+고급 모션 컨트롤러는 PID+피드포워드 알고리즘을 통해 신호를 실시간으로 수집하여 전류 오차를 보정할 뿐만 아니라, 속도 변화 및 롤 직경 변화로 인한 외란을 예측하고 사전에 보상하여 매우 안정적인 장력 제어를 실현합니다. 이는 필름의 주름 및 연신 변형을 방지하는 핵심 요소입니다.

2. 고정밀 유도 시스템(EPC)

• 기존 기술: 아날로그 센서, 느린 응답 속도, 낮은 정확도.

• 혁신적인 기술: 디지털 CCD/레이저 센서 + 고속 서보 드라이브.

◦ 디지털 센서 감지 정확도는 ±0.1mm 또는 그 이상에 도달할 수 있습니다.

◦ 매우 빠른 응답 시간(밀리초)을 제공하는 액추에이터로 서보 모터를 사용합니다.

◦ 고급 제어 알고리즘은 자연스러운 지터와 실제 재료 편차를 구별하고 과도한 보정을 방지하며 "안정적이고 정확하며 부드러운" 편차 보정을 달성합니다.

3. 온라인 시각 검사 및 자동 공구 거리 조정 시스템

• 기존 기술: 폭을 수동으로 측정하고, 정지 시 공구 위치를 수동으로 조정하며, 효율성이 낮고 오차가 큽니다.

• 혁신적인 기술:

◦ 슬리팅 후 또는 와인딩 전에 라인 어레이 CCD 스캐닝 카메라를 설치하여 각 스트립의 폭을 실시간으로 모니터링합니다.

◦ 측정 데이터는 제어 시스템으로 피드백되어 설정값과 비교됩니다.

◦ 구동 서보 모터로 제어되는 툴 홀더는 미크론 단위의 변위를 자동으로 보정하여 슬리팅 폭을 온라인 실시간 폐루프 제어하여 각 롤의 폭을 일정하게 유지합니다. 이는 공차가 매우 작은 전자 필름에 매우 중요합니다.

4. 디지털 트윈과 지능형 O&M

• 혁신적인 기술: 이는 Industry 4.0 애플리케이션의 특징입니다.

◦ 센서를 통해 장비 작동 데이터(진동, 온도, 전류, 압력 등)를 수집하여 클라우드에서 슬리팅 머신의 디지털 트윈을 구축합니다.

◦ 빅데이터와 AI 알고리즘을 활용하여 예측 유지보수(공구 마모 및 베어링 고장에 대한 조기 경고), 공정 매개변수 최적화 권장(다양한 재료에 대한 최적의 장력, 속도 및 압력 매개변수 권장), 원격 진단을 통해 전체 장비 효율성(OEE)을 크게 개선하고 유지보수 비용을 줄일 수 있습니다.

5. 핵심부품 정밀가공

• 혁신적인 기술:

◦ 공기 축: 매우 높은 동적 밸런싱 정확도로 고속에서도 진동 없는 작동이 보장됩니다.

◦ 슬리팅 툴 홀더: 특수 소재와 열처리 공정을 사용하여 장기간 사용 시 내마모성과 정밀 유지 보수가 가능합니다.

◦ 전체 프레임: 유한 요소 분석(FEA) 최적화 설계로 고강성 소재를 사용하여 고속 및 큰 장력에서도 변형 및 진동 없이 안정적인 구조를 보장합니다.

결론

거대한 마스터 롤부터 정교한 완성 롤까지, 고정밀 필름 슬리팅 머신은 긴장감, 속도, 그리고 정밀함이 어우러진 "발레"를 완성합니다. 공정 흐름은 선형적이고 단순해 보이지만, 실제로는 실시간으로 정확하게 제어되어야 하는 역동적이고 복잡한 물리적 과정으로 가득 차 있습니다.

현대 고정밀 슬리팅 머신의 기술 혁신은 단순한 기계 구조 최적화에서 메카트로닉스, 센싱, 디지털화, 그리고 지능의 심층적인 통합으로 전환되었습니다. 더 이상 고립된 장치가 아닌, 스마트 팩토리의 데이터 노드로서 지속적인 데이터 흐름을 통해 자체 성능을 지속적으로 최적화하고, 고객에게 기존 슬리팅 범주를 뛰어넘는 고부가가치, 고품질, 고효율 솔루션을 제공하며, 고급 필름 소재 산업 체인에서 필수적인 핵심 장비로 자리매김했습니다.