KR101708300B1 - 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법 - Google Patents

일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 기계적 강도를 가지면서 저렴하게 제조할 수 있고 디자인 자유도가 우수한 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 높은 기계적 강도를 가지면서 저렴하게 제조할 수 있고 디자인 자유도가 우수한 원형상의 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재를 구현할 수 있다.

Description

일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING COMPLEX MATERIALS WITH UNIDIRECTIONAL CONTINUOUS FIBER REINFORCED THERMOPLASTICITY RESINS}
본 발명은 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 기계적 강도를 가지면서 저렴하게 제조할 수 있고 디자인 자유도가 우수한 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
산업분야 전반에서 특히 자동차 분야에서의 경량화 이슈가 대두 되면서 열가소성 복합재료는 가장 관심이 집중되는 소재이다.
기존 과거의 금속 대체의 경량화 대응 기술로써는 재생수지 제품과 열가소성수지 사출이 주를 이루었지만, 이는 강도와 강성이 부족한 문제점이 있다.
이후에 개발이 진행된 분야는 유리섬유나 탄소섬유 등의 보강재를 단섬유 형태로 수지에 분산시킨 컴파운드 소재인 SFT(Short-Fiber reinforced Thermoplastic)가 주를 이루었으나 이러한 소재들도 금속을 대체하기는 어려운 실정이다.
이를 해결하기 위한 방안으로 장섬유 또는 연속섬유를 보강한 열가소성 복합재가 사용되고 있는 추세이다.
보다 자세하게는, 비연속섬유가 보강된 열가소성 복합재와 연속섬유가 보강된 열가소성 복합재로 구분된다.
비연속섬유가 보강된 열가소성 복합재는 GMT(Glass Mat Thermoplastic), G-LFT(Granule-Long Fiber reinforced Thermoplastic), 그리고 LFT-D(Direct Long Fiber reinforced Thermoplastic)로 분류되며, 성형 방법상 컴프레션 플로우 몰딩(Compression Flow Molding)은 GMT와 LFT-D로, 인젝션 몰딩(injection Molding)은 LFT-D로 나뉘어진다.
아울러, 연속섬유가 보강된 열가소성 복합재는 CFRTPC(Continuous-Fiber reinforced Thermoplastic)가 대표적이다.
열가소성수지 제품의 경우 디자인 자유도 높은 사출 공정을 사용하기에 제품 성형에는 유리하지만, 물성을 만족하지 못하며, 엔지리어링 열가소성수지를 사용 할 경우 경제성에 합당하지 않게 된다.
특히, 연속섬유강화 열가소성 복합재는 높은 물성에 비해 원가가 높고, 디자인 자유도가 떨어져 강도 보강을 위한 용도로 소량 사용되고 있을 뿐이다.
뿐만 아니라, 복합재의 형상이 0.4mm 이하의 필름 형태로만 제조되고 있는 실정이다 보니 성형 가공이 가능한 상태의 시트로 제조하기 위해서는 별도의 교차 복합적층 라미네이션 공정이 요구되는데 이는 공정추가는 물론 생산성이 떨어지고, 원가상승 요인이 되어 경쟁력을 떨어뜨리는 문제로 나타난다.
1. 등록특허 제1150469호(2012.05.21) 2. 등록특허 제1150470호(2012.05.21) 3. 공개특허 제2013-0139100호(2013.12.20) 4. 등록특허 제0471561호(2005.02.02)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 종래 연속섬유강화 열가소성 복합재가 갖는 경쟁소재 대비 2배 이상 높은 원가와, 필름 형태로 제조되는 한계상 성형가공이 어렵다는 문제를 동시에 해결하고, 생산 속도에 있어서도 대폭 향상시켜 시트상의 소재를 적층 라미네이션하지 않고도 성형가공이 자유로우면서 높은 기계적 물성을 그대로 유지하고, 제조원가도 낮출 수 있도록 한 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치 및 방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
특히, 본 발명은 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재를 연속생산이 가능하게 구현함으로써 생산속도를 기존 대비 3배 이상 빠르게 증대시킬 수 있도록 한 것에 그 다른 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 연속섬유 형태를 갖는 보강섬유가 감겨 있고, 보강섬유를 풀도록 회전되는 다수의 보빈을 구비한 크릴; 상기 크릴의 보빈으로부터 풀린 보강섬유를 일정한 장력을 당기는 텐션유닛; 상기 텐션유닛을 통과한 보강섬유를 균일하게 폭방향으로 배열시켜 테이프 상이 되게 스프레딩시키는 스프레딩유닛; 상기 스프레딩유닛을 통과한 보강섬유에 열가소성수지를 함침시키는 충진유닛; 상기 충진유닛에 열가소성수지를 주입하는 수지주입유닛; 열가소성수지가 함침된 보강섬유를 순차적으로 말아 원형상의 로드(Rod)가 되게 성형하는 롤포밍유닛; 상기 롤포밍유닛을 통해 포밍된 로드(Rod)를 냉각하는 냉각기; 냉각된 로드(Rod)를 당겨 인출하는 인취기; 인취된 로드(Rod)를 일정길이로 절단하는 커팅기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치도 제공한다.
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이때, 상기 롤포밍유닛은 다수의 롤포밍기로 이루어지고, 상기 각 롤포밍기의 입구와 출구에는 열가소성수지가 함침된 테이프 상의 보강섬유를 순차적으로 말 수 있도록 구멍이 형성되되, 상기 롤포밍기의 입구와 출구에 형성된 구멍의 구경비는 3:1-1.5:1로 유지되어야 한다.
또한, 상기 각 롤포밍기들 간의 구경비는 보강섬유가 진행하는 방향으로 5-15%의 범위 내에서 점점 작아지게 구성됨이 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 각 롤포밍기는 상부롤포밍기와 하부롤포밍기로 분할 형성되어 암,수가 서로 형합되어 구멍을 형성하도록 구성된 것에도 그 특징이 있다.
그리고, 본 발명은 상기에 기재된 복합재 제조장치를 이용하여 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재를 제조하는 방법에 있어서; 상기 크릴을 이용하여 보강섬유 다수 가닥을 연속적으로 풀면서 성형기로 투입하는 보강섬유투입단계; 상기 보강섬유투입단계 후 성형기로 투입되는 다수 가닥의 보강섬유를 넓게 펼쳐 균일한 밀도를 유지하도록 하는 스프레딩단계; 상기 스프레딩단계 후 폴리프로필렌수지 혹은 나일론수지를 주입하여 보강섬유에 함침시키는 수지함침단계; 수지함침이 완료되면 다수의 롤포밍기를 통해 연속적으로 이동시키면서 수지가 함침된 테이프 상의 보강섬유를 순차적으로 말아 원형상의 로드(Rod)로 성형하는 로드성형단계; 로드(Rod) 성형이 완료되면 로드를 냉각시키는 로드냉각단계; 냉각이 완료되면, 인취기를 이용하여 인취하는 인취단계; 인취된 로드(Rod)를 일정길이로 절단하여 제품화하는 로드커팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조방법도 제공한다.
본 발명에 따르면, 높은 기계적 강도를 가지면서 저렴하게 제조할 수 있고 디자인 자유도가 우수한 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재의 예시적인 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치를 보인 공정도이다.
도 3은 도 2를 구성하는 성형금형 및 롤포밍기를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일방향의 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조방법을 보인 공정 흐름도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 복합재는 도 1의 예시와 같이 내부가 채워진 원형봉 형태를 갖는다.
여기에서, 설명의 편의상 원형봉이라고 표현하였지만, 이는 반드시 정원형태를 말하는 것이 아니라, 타원도 포함하며, 경우에 따라서는 각을 갖는 다각형상이 될 수도 있다.
중요한 것은, 테이프상의 CFRTPC(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites)를 말아 원형상이 되게 하면서 내부가 채워지게 구성한 것에 가장 큰 특징이 있는데, 채워지는 형태에 있어서도 도시와 같이, 유리섬유(GF:Glass Fiber)가 폴리프로필렌수지(PP Resin)에 함침된 상태로 분산되게 구성되어 있다는 점이다.
더구나, 상기 유리섬유와 폴리프로필렌수지의 함량은 중량비로 50-70:30-50의 비율로 이루어지며, 도 1의 (c)에서는 약 60중량%의 유리섬유(GF)가 함유된 상태에서 원형상으로 가공된 로드(Rod)형 복합재를 보여 주며, (a)는 길이 일부를 절단하여 보인 단면 사진이고, (b)는 단면을 확대하여 보인 확대사진이다.
특히, 본 발명에서는 상기 유리섬유가 일방향으로 방향성을 갖고 배열되어 있다는 점인데, 이는 유리섬유를 단섬유나 장섬유가 아닌 연속섬유를 사용하여 가공하고 있기 때문에 가공방향으로 방향성을 갖도록 구성시켜 기계적 강도를 높이도록 구현된다.
더구나, 연속섬유를 사용하기 때문에 끊김없이 가공할 수 있어 연속생산이 가능한 장점도 있다.
아울러, 상술하기로는 보강섬유로 유리섬유를 예시적으로 한정하였으나, 이는 예시적인 설명일 뿐이며, 유리섬유와 같은 보강기능을 수행할 수 있는 섬유로, 카본섬유, 아라미드섬유를 사용하여 동일한 구조의 복합재를 구성할 수 있다.
나아가, 상기 보강섬유도, 유리섬유, 카본섬유, 아라미드섬유를 단독 첨가할 수도 있지만, 유리섬유-카본섬유, 유리섬유-아라미드섬유, 카본섬유-아라미드섬유, 유리섬유-카본섬유-아라미드섬유를 혼용하여 사용할 수 있는데, 이 경우에는 이들이 각각 동일의 중량비율로 혼합되어 본 발명 첨가량인 50-70중량%의 범위만 맞게 하면 된다.
뿐만 아니라, 상기 레진의 경우에도 폴리프로필렌수지 외에 나일론수지를 사용할 수도 있음은 물론이다.
이렇게 제조된 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재는 GMT, LFT-D 등의 소재와 융합되어 성형가공됨으로써 자동차용 스티프너(Stiffener), 범퍼빔(Bumper Beam), 시트백(Seat Back) 등의 고강도, 경량화 제품 구현에 매우 유용하게 활용될 수 있다.
이러한 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재는 도 2 및 도 3과 같은 제조장치를 통해 만들어진다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치는 크릴(Creel)(100), 성형기(200), 냉각기(300), 인취기(400) 및 커팅기(500)를 포함한다.
이때, 상기 크릴(100)은 다수의 보빈(110)을 구비하며, 상기 보빈(110)에는 연속섬유 형태의 보강섬유, 바람직하게는 유리섬유가 감겨 있다.
그리고, 상기 성형기(200)는 텐션유닛(210), 스프레딩유닛(220), 충진유닛(230), 수지주입유닛(240) 및 롤포밍유닛(250)을 포함하여 구성되며, 상기 크릴(100)로부터 풀려 나온 보강섬유는 상기 텐션유닛(210)에 의해 일정한 장력을 유지한 채 당겨지고, 스프레딩유닛(220)을 통해 스프레딩되면서 균일하게 펼쳐져 판상, 더 정확하게는 테이프상으로 배열되게 된다.
여기에서, 강도 보강을 더욱 더 강화시키기 위해 상기 보강섬유를 풀어 텐션유닛(210)에서 당기기 전에 편조기를 거쳐 미리 편조되게 구성할 수도 있음은 물론이다.
아울러, 상기 스프레딩유닛(220)을 거쳐 스프레딩된 보강섬유는 충진유닛(230)으로 인입되며, 충진유닛(230)에는 수지주입유닛(240)이 연결되어 있어 수지, 이를 테면 폴리프로필렌수지 혹은 나일론수지가 주입되면서 스프레딩된 보강섬유, 바람직하게는 유리섬유에 함침되게 된다.
이때, 수지와 보강섬유의 혼합비율은 앞서 설명하였듯이, 30-50:50-70 중량비로 이루어져야 한다.
이렇게 하여, 수지가 충진된 보강섬유는 롤포밍유닛(250)을 거쳐 말리면서 원형상, 도시의 예에서는 통상의 용어인 로드(Rod) 형태로 가공된다.
원형상의 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재로 가공된 로드(Rod)는 냉각기(300)를 거쳐 냉각되고, 인취기(400)를 통해 인취된 후 커팅기(500)에서 일정길이로 절단됨으로써 제품화 된다.
여기에서, 상기 롤포밍유닛(250)은 본 발명 제조장치의 핵심 구성으로서 매우 중요한 기능을 수행한다.
즉, 롤포밍유닛(250)은 테이프상의 수지 함침 보강섬유를 둥그렇게 말아 원형상의 로드(Rod)를 가공하는 수단인데, 잘못하다간 말리지 않고 부스러지거나 혹은 말리면서 쭈글쭈글해 진다든지 불량 발생이 높다.
때문에, 본 발명에서는 도 3의 예시와 같이, 롤포밍유닛(250)을 구성하는 다수의 롤포밍기(252,254,256)의 입구와 출구의 구경이 반드시 3:1-1.5;1의 비율을 유지해야 한다.
만약, 상기 비율 범위를 벗어나게 되면 말리지가 않기 때문에 원형상의 로드(Rod)로 가공이 어렵고, 불량율이 매우 높아져 효율성이 떨어진다.
특히, 이들 다수의 롤포밍기(252,254,256)들은 연속 배열되어야 하고, 각 롤포밍기(252,254,256)는 상부롤포밍기와 하부롤포밍기로 분할 형성되어 암,수 형합되는 형태로 구성되어야 하며, 각 롤포밍기(252,254,256)의 구경비는 가공방향으로 갈수록 5-15% 범위 내에서 점점 작아지도록 구성되어야 한다.
이는 가공성을 좋게 하고, 가공효율을 높이면서 불량 발생을 최소화하기 위한 것이다.
덧붙여, 상기 각 롤포밍기(252,254,256)의 입구와 출구의 구경비 및 각 롤포밍기(252,254,256)들 끼리의 구경비가 상술한 범위를 벗어날 경우 로드(Rod)가 진행되는 도중 끊어짐이 발생하므로 이는 설비사고로 이어져 수리, 재가동에 따른 생산성 하락, 효율저하를 초래하므로 반드시 상기 비율을 유지하여야 한다.
더구나, 제일 마지막, 즉 최종단의 롤포밍기(256)의 경우에는 냉각하지 말아야 하며, 그 이전 롤포밍기(252,254)들은 냉각쟈켓을 이용한 냉각구조를 갖추어야 효율성 및 성형성이 좋아진다.
또한, 각 롤포밍기(252,254,256)의 롤 표면 온도는 최초 200℃ 부근에서부터 시작하여 서서히 떨어져 최종 롤포밍기(256)에서는 약 25-50℃ 정도를 유지하여야 고품질의 로드(Rod), 즉 원형상의 연속섬유강화 열가소성 복합재를 제조할 수 있다.
이와 같은 로드(Rod) 제조는 개념적으로 정리하자면, 도 4와 같은 공정도를 통해 이루어진다.
즉, 먼저 보강섬유투입단계(S10)가 수행된다.
상기 보강섬유투입단계(S10)는 앞서 설명한 크릴(100)을 이용하여 다수의 보강섬유, 바람직하게는 연속섬유 형태의 유리섬유 다수 가닥을 연속적으로 풀면서 성형기(200)로 투입하는 단계이다.
상기 보강섬유투입단계(S10) 후 보강섬유 스프레딩단계(S20)가 수행된다.
상기 보강섬유 스프레딩단계(S20)는 성형기(200)로 투입되는 다수 가닥의 보강섬유를 넓게 펼쳐 균일한 밀도를 유지하도록 하는 단계이다.
이어, 수지함침단계(S30)가 수행된다.
상기 수지함침단계(S30)는 폴리프로필렌수지 혹은 나일론수지를 주입하며 보강섬유에 함침시키는 단계로서, 수지와 보강섬유간의 혼합비율을 앞서 설명한 바와 같다.
이후, 수지함침이 완료되면 다수의 롤포밍기(252,254,256)을 통해 연속적으로 이동시키면서 수지가 함침된 테이프 상의 보강섬유를 서서히 말아 원형상, 더 바람직하게는 로드(Rod) 형태가 되도록 성형하는 로드성형단계(S40)가 수행된다.
이렇게 하여, 로드(Rod) 성형이 완료되면 로드냉각단계(S50)를 통해 성형시 받았던 열을 식힘으로써 치수 안정화를 이루도록 한다.
냉각이 완료되면, 인취기(400)를 이용하여 인취하는 인취단계(S60) 및 인취된 로드(Rod)를 일정길이로 절단하여 제품화 하는 로드커팅단계(S70)를 거침으로써 본 발명 복합재의 제조가 완료된다.
이와 같이, 본 발명에서는 기존처럼 라미네이팅을 하지 않고도 충분한 기계적 강도를 가질 수 있도록 제품화시킬 수 있으므로 그 활용도가 매우 클 것으로 기대된다.
100: 크릴 200: 성형기
300: 냉각기 400: 인취기
500: 커팅기

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
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  5. 연속섬유 형태를 갖는 보강섬유가 감겨 있고, 보강섬유를 풀도록 회전되는 다수의 보빈을 구비한 크릴;
    상기 크릴의 보빈으로부터 풀린 보강섬유를 일정한 장력을 당기는 텐션유닛;
    상기 텐션유닛을 통과한 보강섬유를 균일하게 폭방향으로 배열시켜 테이프 상이 되게 스프레딩시키는 스프레딩유닛;
    상기 스프레딩유닛을 통과한 보강섬유에 열가소성수지를 함침시키는 충진유닛;
    상기 충진유닛에 열가소성수지를 주입하는 수지주입유닛;
    열가소성수지가 함침된 보강섬유를 순차적으로 말아 원형상의 로드(Rod)가 되게 성형하는 롤포밍유닛;
    상기 롤포밍유닛을 통해 포밍된 로드(Rod)를 냉각하는 냉각기;
    냉각된 로드(Rod)를 당겨 인출하는 인취기;
    인취된 로드(Rod)를 일정길이로 절단하는 커팅기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치.
  6. 청구항 5에 있어서;
    상기 롤포밍유닛은 다수의 롤포밍기로 이루어지고, 상기 각 롤포밍기의 입구와 출구에는 열가소성수지가 함침된 테이프 상의 보강섬유를 순차적으로 말 수 있도록 구멍이 형성되되, 상기 롤포밍기의 입구와 출구에 형성된 구멍의 구경비는 3:1-1.5:1로 유지되는 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치.
  7. 청구항 6에 있어서;
    상기 각 롤포밍기들 간의 구경비는 보강섬유가 진행하는 방향으로 5-15%의 범위 내에서 점점 작아지게 구성된 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치.
  8. 청구항 6에 있어서;
    상기 각 롤포밍기는 상부롤포밍기와 하부롤포밍기로 분할 형성되어 암,수가 서로 형합되어 구멍을 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조장치.
  9. 청구항 5 내지 청구항 8중 어느 한 항에 기재된 복합재 제조장치를 이용하여 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재를 제조하는 방법에 있어서;
    상기 크릴을 이용하여 보강섬유 다수 가닥을 연속적으로 풀면서 성형기로 투입하는 보강섬유투입단계;
    상기 보강섬유투입단계 후 성형기로 투입되는 다수 가닥의 보강섬유를 넓게 펼쳐 균일한 밀도를 유지하도록 하는 스프레딩단계;
    상기 스프레딩단계 후 폴리프로필렌수지 혹은 나일론수지를 주입하여 보강섬유에 함침시키는 수지함침단계;
    수지함침이 완료되면 다수의 롤포밍기를 통해 연속적으로 이동시키면서 수지가 함침된 테이프 상의 보강섬유를 순차적으로 말아 원형상의 로드(Rod)로 성형하는 로드성형단계;
    로드(Rod) 성형이 완료되면 로드를 냉각시키는 로드냉각단계;
    냉각이 완료되면, 인취기를 이용하여 인취하는 인취단계;
    인취된 로드(Rod)를 일정길이로 절단하여 제품화하는 로드커팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향 연속섬유강화 열가소성 복합재 제조방법.
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