KR101879686B1 - 편조 하이브리드 재료 제조 시스템 - Google Patents

편조 하이브리드 재료 제조 시스템 Download PDF

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만손 퀸 창
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이이엘씨이이주식회사
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
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    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04C—BRAIDING OR MANUFACTURE OF LACE, INCLUDING BOBBIN-NET OR CARBONISED LACE; BRAIDING MACHINES; BRAID; LACE
    • D04C3/00—Braiding or lacing machines
    • D04C3/48—Auxiliary devices

Abstract

본 발명에 따른 편조 복합 재료 제조 시스템은 코어 재료가 감긴 적어도 하나의 보빈을 포함하는 크릴 유닛, 상기 크릴 유닛으로부터 연속적으로 공급되는 상기 코어 재료상에 섬유재를 편조하는 편조 유닛, 표면이 편조된 상기 코어 재료의 표면을 코팅하여 편조 하이브리드 재료를 형성하는 코팅 유닛, 표면이 코팅된 상기 편조 하이브리드 재료의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛 및 상기 편조 하이브리드 재료를 끌어당겨 배출하는 인취 유닛을 포함한다. 이에 의하여, 향상된 강도, 강성 및 내구성을 가지면서, 자유로이 제품을 형성할 수 있는 유연성을 갖는 하이브리드 재료를 제조할 수 있게 된다.

Description

편조 하이브리드 재료 제조 시스템{OVER-BRAIDED HYBRID MATERIAL MANUFACTURING SYSTEM}
본 발명은 편조 하이브리드 재료 제조 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금형에 이용되는 내부 골격(internal skeleton)을 형성하거나, 3D 프린터(three-dimensional printer), 3D 몰딩 작업 또는 3D 성형 작업을 이용한 제품 형성에 이용되는 하이브리드 재료를 제조하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템에 관한 것이다.
적층 가공(Additive Manufacturing)의 이용이 증대하면서, 내부 골격이나 그 원재료에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 원재료 사용량은 줄이면서 성능(강도, 강성, 내충격성, 내구성 등)을 향상시킬 수 있는 3D 프린팅이나 3D 몰딩/성형이 대표적인 예로, 적층 가공 속도도 전에 비해 상당히 개선되었다.
적층 가공 및 복합 재료의 3D 몰딩/성형은 자동차, 항공기, 전자제품, 가전제품(consumer electronics), 스포츠 용품(sporting goods), 건축소재 등 다양한 분야에서 이용되고 있지만, 제조의 정교성, 사이클타임(cycle-time), 원가 절감, 제조 공정, 재료 형태, 설비의 단순화 등 선결해야 할 과제가 아직 많다. 특히, 3D 프린팅이나 3D 몰딩/성형에 의한 제품의 성능을 좌우하는 원재료의 기계적 성능과 자유로이 제품을 형성할 수 있는 유연성에 대한 연구가 매우 필요한 상황이다.
적층 가공 장치(3D 프린터, FDM(fused deposition modeling) 방식의 프린터 등)는 기다란 원재료 스트랜드 또는 테이프의 토출 방향, 각도 및 위치를 제어하면서 원하는 형상의 제품을 형성한다. 제품의 정교한 형성을 위해서는 원재료가 적층 가공 장치에 의해 자유롭게 제어(투입에서 토출까지)될 수 있어야 한다. 또한, 최종 형성되는 제품의 성능을 위해, 원재료의 강도, 강성과 내구성이 뛰어나야 한다. 하지만, 상술한 선결 과제를 해결하면서, 신뢰성 있고 변함없는 기계적 성능 및 내구성까지 확보할 수 있는 원재료, 특히 하이브리드 재료(예를 들어, 복합재)에 대한 연구나 개발이 아직은 미진한 상태이다.
[선행문헌]
[특허문헌]
한국공개특허공보 제10-2015-0042660호 (2015년4월21일 공개)
본 발명은 상술한 기술적 요구를 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 향상된 강도, 강성 및 내구성을 가지면서, 자유로이 제품을 형성할 수 있는 유연성을 갖는 하이브리드 재료를 제조하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템은, 코어 재료(core material)가 감긴 적어도 하나의 보빈을 포함하는 크릴 유닛(creel unit); 상기 크릴 유닛으로부터 연속적으로 공급되는 상기 코어 재료상에 섬유재(fiber material)를 편조하는 편조 유닛(braiding unit); 표면이 편조된 상기 코어 재료의 표면을 코팅하여 편조 하이브리드 재료(over-braided hybrid material)를 형성하는 코팅 유닛(coating unit); 표면이 코팅된 상기 편조 하이브리드 재료의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛(temperature control unit); 및 상기 편조 하이브리드 재료를 끌어당겨 배출하는 인취 유닛(haul-off unit);을 포함한다.
그리고, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료는 코어 재료층, 상기 코어 재료층상에 형성된 편조 섬유층 및 상기 편조 섬유층상에 형성된 코팅 폴리머층으로 구성될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 보빈으로부터 공급된 적어도 하나의 상기 코어 재료를 예열하는 예열 유닛(preheating unit); 및 예열된 적어도 하나의 상기 코어 재료를 압축(compact) 및 압밀(consolidate)하여 상기 편조 유닛에 전달하는 압축 유닛;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 와인딩하는 와인더(winder);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 소정 길이로 절단하는 절단 유닛(cutting unit);을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 원재료로 활용하여 입체물을 제조하는 3D 프린터(3D printer); 또는 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 원재료로 활용하여 입체물을 제조하는 입체 형상 제조 로봇(robot);을 포함할 수 잇다.
또한, 상기 3D 프린터 또는 상기 입체 형상 제조 로봇에서 제조된 상기 입체물을 인서트로 활용하여 인서트 사출하는 몰딩 유닛(molding unit)을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 코어 재료는 열가소성 수지, 열가소성 탄성수지, 열경화성 수지, 섬유, 발포 물질 및 전통 섬유 매트릭스 복합재 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, STF 섬유, SMA 섬유, 광섬유, 압전 섬유 또는 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 섬유재는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, STF 섬유, SMA 섬유, 광섬유, 압전 섬유 또는 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 코팅 유닛은 코팅 폴리머(coating polymer)를 상기 섬유재로 편조된 상기 코어 재료의 표면을 코팅할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템은, 코어 재료가 감긴 적어도 하나의 보빈을 포함하는 크릴 유닛; 상기 크릴 유닛으로부터 연속적으로 공급되는 코어 재료의 표면을 코팅시키는 코팅 유닛; 표면이 코팅된 상기 코어 재료상에 섬유재를 편조하여, 편조 하이브리드 재료를 형성하는 편조 유닛; 상기 편조 하이브리드 재료의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛; 및 상기 편조 하이브리드 재료를 끌어당겨 배출하는 인취 유닛;을 포함한다.
그리고, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료는 코어 재료층, 상기 코어 재료층상에 형성된 코팅 폴리머층 및 상기 코팅 폴리머층상에 형성된 편조 섬유층으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템에 의하면, 향상된 강도, 강성 및 내구성을 가지면서, 자유로이 제품을 형성할 수 있는 유연성을 갖는 하이브리드 재료를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템의 구성 및 그에 의해 생성된 편조 하이브리드 재료의 층구조를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템의 구성 및 그에 의해 생성된 편조 하이브리드 재료의 층구조를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템의 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템에 대해 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 구조, 사용, 응용 방식을 한정하려는 의도를 갖지 않는다. 본 발명의 실시예에 대한 설명은 첨부된 도면과 연관되어 이해할 수 있고, 첨부된 도면은 본 발명에 대한 설명의 일부로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)은 크릴 유닛(creel unit)(110), 예열 유닛(preheating unit)(120), 압축 유닛(compaction unit)(130), 편조 유닛(braiding unit)(140), 코팅 유닛(coating unit)(150), 온도 조절 유닛(temperature control unit)(160), 인취 유닛(haul-off unit)(170), 와인더(winder)(180), 절단 유닛(cutting unit)(190) 및 제어 패널(control panel)(200)을 포함할 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)이 반드시 도 1에 도시된 모든 구성을 포함할 필요는 없다. 즉, 도 1에 도시된 구성 중 일부 구성이 생략될 수 있고, 2개 이상의 구성이 하나의 구성으로 구현될 수 있다.
크릴 유닛(110)은 적어도 하나의 코어 재료(core material)(10)를 정렬(align)하고 보관(storage)하는 적어도 하나의 보빈(bobbin)(미도시)을 구비한다.
보빈(미도시)에 감긴 적어도 하나의 코어 재료(core material)(10)는, 최종 생성물인 편조 하이브리드 재료(braided hybrid product, 이하, 'M-TOW'로 표시)의 기계적 성능(강성과 내구성 등)을 결정하는 주요 구성이다. 각각의 보빈(미도시)은 동종 또는 이종의 물질 및/또는 형상을 갖는 코어 재료(10)가 구비될 수 있다.
편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 제조를 위한 코어 재료(10)는 스트랜드(strand) 형태(예를 들어, 테이프(tape), 사각, 원형 또는 파이프)일 수 있지만, 스트랜드 형태가 아닌 밴드(band) 등의 형태를 취해도 무방하다.
코어 재료(10)는 PP(polypropylene), PE(polyethylene), PA(polyamide), PET(polyethylene terephthalate), PLA(polylactic acid), PC(poly carbonate), PEI(polyetherimide), ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene), PPS(polyphenylene sulfide), PEEK(polyether ether ketone), PMMA(polymethylmethacrylate) 및 PBT(polybutylene terephthalate) 등의 열가소성 수지(thermoplastic, TP), EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer), PU(polyurethane) 등의 열가소성 탄성수지(thermoplastic elastomer, TPE) 또는 EP(epoxy resin), UP(unsaturated polyester), PI(polyimide) 및 PF(phenolics) 등의 열경화성 수지(thermosets, TS) 중 적어도 하나, 또는 이들의 혼합물이나 파생물로 이루어질 수 있다.
또한, 코어 재료(10)는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber), 아라미드 섬유(aramid fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber), 광섬유(optic fiber), 천연 섬유(natural fiber), STF(shear thickening fluid) 섬유, SMA(shape memory alloy) 섬유, 압전 섬유(piezoelectric fiber) 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
또한, 코어 재료(10)는 섬유, 발포 물질(foaming material) 등의 이종 물질로 이루어질 수 있고, 이들은 전통적인 섬유 매트릭스 복합재(fiber matrix composite)를 포함한다.
즉, 코어 재료(10)는 위에 기재된 바와 같이 열가소성 수지, 열가소성 탄성수지, 열경화성 수지 및 섬유 중 어느 하나로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
나아가, 코어 재료(10)는 열가소성 수지, 열가소성 탄성수지, 열경화성 수지 및 섬유 중 적어도 하나 이상의 재료나 다른 물질이나 형태로 이루어질 수 있다.
적어도 하나의 보빈(미도시)에서 풀려나온 적어도 하나의 코어 재료(10)는 예열 유닛(120)에 의해 예열되고, 복합 재료(composite material)의 경우, 압축 유닛(130)에 의해 압축(compact) 및 압밀(consolidate)된다.
예열 유닛(120)은 코어 재료(10)가 압축 유닛(130)에 의해 압축되거나 압밀되기 전에 소정 온도로 가열된다. 이는, 이후의 압축 및 압밀 효과를 향상시키기 위함이다.
예열 유닛(120)에 의해 소정 온도로 가열된 코어 재료(10)는 압축 유닛(130)에 의해 압축 및 압밀되어 단일 방향성을 갖는 일방향 하이브리드 스트랜드(Unidirectional Hybrid Strand, UHS)로 형성된다. 코어 재료(10)는 특정 형상의 단면을 갖는 밴드 등으로 형성되어도 무방하다. 코어 재료(10)가 밴드로 형성되는 경우, 일방향 하이브리드 밴드(Unidirectional Hybrid Band, UHB)로 지칭될 수 있을 것이다. 압축 유닛(130)에서 압축 및 압밀된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)는 2개 이상의 재료로 이루어질 수 있다.
한편, 다른 실시예에서는, 코어 재료(10)가 예열 유닛(120)과 압축 유닛(130)을 거치지 않고, 곧바로 편조 유닛(140)으로 공급될 수 있다.
이 경우에는, 보빈(미도시)에서 풀려나온 코어 재료(10) 자체가 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)일 수 있을 것이다. 또한, 예열 유닛(120)과 압축 유닛(130)이 생략될 수 있다.
편조 유닛(140)은 크릴 유닛(110)으로부터 직접적으로 공급된 코어 재료(10)나 예열 유닛(120)과 압축 유닛(130)에 의해 형성된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면상에 섬유재(fiber material)(20)를 편조(over-braid)한다. 다시 말해, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면에 다수의 가닥의 섬유재(20)가 편조된 결과물에 해당한다.
여기서, 섬유재(20)는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber), 아라미드 섬유(arimid fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber), 광섬유(optic fiber), 천연 섬유(natural fiber), STF 섬유, SMA 섬유, 압전 섬유(piezoelectric fiber) 또는 이들의 조합일 수 있지만, 특정 재질에 한정되지 않는다.
편조 유닛(140)에는 동일 원주상에 소정 간격을 두고 배치된 다수의 보빈(미도시)을 포함하는 것이 바람직하다. 다수의 보빈(미도시)은 기설정된 간격을 두고 동일 원주상에 배치되며, 원하는 편조 패턴을 형성시킨다.
코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)가 상기 원주의 중심점을 관통하는 방향으로 공급되면, 편조 유닛(140)은 다수의 보빈(미도시)을 회전시키면서 섬유재(20)를 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)로 인출하여, 표면에 편조 섬유층(Braided Fiber Layer, BFL)을 형성한다. 편조 유닛(140)의 편조 방향, 각도 및 조밀도는 필요에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
편조 유닛(140)은, 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면을 섬유재(20)로 편조한다. 섬유재(20)에 의하여 표면에 형성되는 편조 섬유층은 얇으면서도, 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)에 의해 방사상으로 가해지는 압력(strain)이나 부하(load)를 견디기에 적합한 강성을 지녀야 한다.
편조 유닛(140)에 의해 편조된 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)는 코팅 유닛(150)으로 전달되고, 코팅 유닛(150)은 그의 표면을 코팅 및/또는 압출하여 온도 조절 유닛(160)으로 전달한다.
코팅 유닛(150)은 소성화 압출기(plastification extruder)(미도시)나 폴리머 멜트 펌프(polymer melt-pump)(미도시) 등을 포함할 수 있다. 코팅 유닛(150)은 편조된 코어 재료(10) 또는 편조된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면을 호퍼(미도시) 등에 의해 공급되는 코팅 폴리머(coating polymer)(30)로 코팅시킨다.
코팅 폴리머(30)는 최종적으로 제조된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)가 향후에 입체물 제조 로봇, 3D 프린터 등에 이용될 때, 그 공정에 이용되는 물질에 적절히 결합될 수 있는 힘을 갖게 만든다. 즉, 코팅 폴리머(30)는 상용성(compatibilization), 표면 적응성(surface adjustment) 등을 위해 구비된다. 또한, 코팅 폴리머(30)는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)가 미끄러지거나 변형되는 등의 위험을 방지하는 기능을 갖는다. 또한, 향후 이용될 수 있는 입체물 제조 로봇, 3D 프린터 또는 몰딩 유닛에 이용될 원재료의 종류에 따라, 코팅 폴리머(30)의 재료가 적절히 선택될 수 있다.
온도 조절 유닛(160)은 코팅 유닛(150)에 의한 코팅 및 압출 과정에서 변할 수 있는 편조된 코어 재료(10) 또는 편조된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 온도를 경화되기에 적절한 조절한다. 온도 조절 유닛(160)은 내부에서 이동하는, 편조된 코어 재료(10)나 편조된 일방향 하이브리드 재료(UHS)를 균일한 온도로 조절하기 위해 적절한 길이를 갖는 것이 바람직하다.
인취 유닛(170)은 온도 조절 유닛(160)에 의해 온도가 조절된, 편조된 코어 재료(10) 또는 편조된 일방향 하이브리드 재료(UHS)를 적절한 힘과 속도로 끌어당겨 배출시킨다. 인취 유닛(170)은 모터 및/또는 공압식 제어 매커니즘(pneumatic control mechanism)이나 수동 시스템(manual system)으로 이루어질 수 있다.
제어 매커니즘으로 구현되는 경우, 인취 유닛(170)에 대응하는 길이를 가지는 벨트(belt)나 공압식 그립핑(pneumatic gripping)이 구비된다. 벨트나 고압식 그립핑은 편조된 코어 재료(10) 또는 편조된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 물질에 따라 소정의 인취력(예를 들어, 1,500N의 힘)과 인취 속도를 제공한다. 필요하다면, 벨트나 공압 그립핑은 편조된 구조물에 부가적인 특정 표면 패턴을 제공하도록 설계될 수 있다. 벨트의 이동 속도는 편조 유닛(140)의 편조 속도 등에 의존하며, 벨트 또는 공압식 그립핑의 길이나 폭은 편조된 코어 재료(10)나 편조된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 직경에 의존할 수 있다. 편조된 코어 재료(10)나 편조된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)는 인취 유닛(170)에 의해 외부로 배출된다. 최종적으로 제조된 재료를 편조 하이브리드 재료(M-TOW)로 칭한다.
한편, 특정 텍스처(texture)나 구조형태(configuration)가 편조 하이브리드 재료(M-TOW)에 요구된다면, 그립핑 구조(gripping configuration)(미도시)이 편조 하이브리드 재료(M-TOW)상에 셰이핑될 수 있다. 그립핑 구조는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)와 후속으로 이루어지는 오버몰딩 물질 재료 사이의 본딩(bonding)을 향상시킨다. 코팅 폴리머(30)가 "화학적" 본딩을 제공한다면, 그립핑 구조는 부가적인 "기계적" 본딩을 제공한다. 그립핑 구조는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 특정 표면 텍스처나 패턴을 구비할 수 있고, 전체적인 접촉 면적을 증가시킬 수도 있다.
편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 와인더(180) 또는 절단 유닛(190)으로 전달되어 가공이 이루어질 수 있다. 물론, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 별도의 가공 없이 입체물 제조 로봇, 3D 프린터 또는 몰딩/성형 유닛 등에 이용될 수 있다. 이 경우, 이하에서 설명하는 와인더(180)나 절단 유닛(190)이 생략될 수 있다.
인취 유닛(170)에 의해 배출된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 와인더(180)에 의해 와인딩될 수 있다. 와인더(180)는 드럼 와인더(drum winder)일 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 와인더(180)는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 와인딩하기에 적절한 직경을 갖는다. 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 와인더(180)에 의해 와인딩된 상태로 저장, 보관되어, 향후 필요로 하는 곳(3D 프린팅 업체, 몰딩 업체, 입체물 제조 업체 등)에 공급될 수 있다.
또한, 인취 유닛(170)에 의해 배출된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 절단 유닛(190)에 의해 소정 길이로 절단될 수 있다. 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 소정의 길이로 절단되어 가공된 상태로 저장, 보관되어, 향후 필요로 하는 곳(3D 프린팅 업체, 몰딩 업체, 입체물 제조 업체 등)에 공급될 수 있다.
나아가, 인취 유닛(170)에 의해 배출된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는 후속 공정 장치(3D 프린팅 장치, 몰딩 장치, 3D 제품 제조 장치 등)에 연결된 생산라인에 바로 놓일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)은 제어 패널(200)을 더 포함할 수 있다. 제어 패널(200)은 상술한 각 구성(110 내지 190)을 제어하여, 각 구성이 상술한 동작 및 기능을 수행하도록 한다.
다른 실시예에서는, 각 구성(110 내지 190)마다 제어 모듈(미도시)이 구비되고, 제어 패널(200)이 각 제어 모듈(미도시)을 제어할 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 제어 패널(200)의 구성이 생략되고, 각 구성(110 내지 190)에 구비된 제어 모듈(미도시)에 의하여, 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)이 동작할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)은 특정 제어 방식에 한정되지 않는다.
도 2의 우측단에는 본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)에 의하여 생성된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 단면이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)에 의해 제조된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는, 중심에 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)가 위치하고, 그 표면에 편조 섬유층(Braided Fiber Layer, BFL)이 형성되며, 편조 섬유층(BFL)상에 코팅 폴리머층(Coating Polymer Layer, CPL)이 형성된다. 다만, 위에서 언급한 바와 같이, 예열 유닛(120)과 압축 유닛(130)이 생략된 경우라면, 일방향 하이브리드 스트랜드(UHC)는 크릴 유닛(110)에서 직접 전달된 코어 재료(10)에 대응한다.
일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면은 편조 유닛(140)에 의해 편조 섬유층(BFL)이 형성되고, 편조 섬유층(BFL)이 형성된 뒤, 코팅 유닛(150)에 의해 코팅 폴리머층(CPL)이 형성된다.
중심에 위치한 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)는 기계적 성능(강성, 내구성 등)을 제공하고, 편조 섬유층(BFL)은 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS) 주위를 둘러싼다. 편조 섬유층(BFL)은 다수의 섬유재가 얽혀서(편조되어) 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)에 대해 총체적인 힘(collective force)을 가한다.
최상층에 위치한, 바람직하게는 얇은 층의, 코팅 폴리머층(CPL)은 코팅 유닛(150)에 의해 코팅된 층으로, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)가 향후 몰딩이나 3D 프린팅에 이용될 때 상용성을 높이기 위하여 표면 특성(강화된 표면 특성 등)을 증진시킨다.
도 2에 도시된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 층구조는 코팅 폴리머층(CPL)이 최표면에 위치하므로, 그 재료인 코팅 폴리머가 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 수지성 물질(resin material)에 비해 고점성(high viscosity)인 경우에 적합한 구조이다. 고점성의 코팅 폴리머를 이용하면 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 주입(impregnation) 및 접착력을 개선할 수 있다. 따라서, 후속 공정(3D 프린팅, 몰딩/성형 등)의 원재료로 더욱 적합해진다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)의 구성과 그에 의해 제조된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 층구조를 도시한다. 도 2와 비교하면, 편조 유닛(140)과 코팅 유닛(150)의 위치가 스위칭되어 있다.
도 3을 참조하면, 크릴 유닛(110)으로부터 직접 전달된 코어 재료(10)나 예열 유닛(120)과 압축 유닛(130)에 의해 형성된 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)가 코팅 유닛(150)에 의하여 코팅된다.
즉, 도 2의 실시예와 달리, 편조 섬유층(BFL)이 형성되기 전 코팅 폴리머층(CPL)이 먼저 형성된다.
편조 섬유층(BFL)이 형성된 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)는 편조 유닛(140)으로 전달되어, 편조 유닛(140)에 의해 편조 섬유층(BFL)이 형성된다.
후속 단계, 즉, 온도 조절 유닛(160), 인취 유닛(170), 와인더(180) 및 절단 유닛(190)에서 이루어지는 과정은 상술한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
도 3의 실시예에 따라 제조된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)는, 도 3의 우측단에 도시된 바와 같이, 코어 재료(10) 또는 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면에 형성된 코팅 폴리머층(CPL), 그리고, 코팅 폴리머층(CPL) 위에 형성된 편조 섬유층(BFL)으로 구성된다.
중심에 위치한 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)는 기계적 성능(강성, 내구성 등)을 제공하고, 최상층에 위치한 편조 섬유층(BFL)은 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS) 주위를 둘러싸면서, 다수의 섬유재가 얽혀서(편조되어) 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)에 대해 총체적인 힘(collective force)을 가한다.
이때, 편조 섬유층(BFL)은 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)와 편조 섬유층(BFL) 사이에 위치한 코팅 폴리머층(CPL)의 블리딩(bleeding)을 방지한다. 즉, 편조 섬유층(BFL)은 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS)의 표면을 코팅하고 있는 코팅 폴리머층(CPL)이 외부로 누출되는 것을 막는다.
도 3에 도시된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 층구조는, 코팅 폴리머층(CPL)에 이용되는 코팅 폴리머의 점성이 낮은 경우에 적합하다. 즉, 코팅 폴리머층(CPL)의 낮은 점성으로 인하여 블리딩의 우려가 있지만, 편조 섬유층(BFL)이 코팅 폴리머층(CPL)의 표면을 다수의 섬유재로 조밀하게 압착하기 때문에, 코팅 폴리머층(CPL)의 블리딩을 방지할 수 있다. 그러나, 저점성 코팅 폴리머층(CPL)의 어느 정도의 블리딩은 편조 섬유층(BFL)의 주입을 돕는 역할을 할 수도 있다.
나아가, 바람직한 실시예에서, 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)은 적어도 하나의 덕트 유닛(duct unit)(미도시)을 구비한다. 덕트 유닛(들)(미도시)은 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000) 내의 구성들 사이에 배치될 수 있다. 덕트 유닛(들)(미도시)은 코어 재료(10), 일방향 하이브리드 스트랜드(UHS), 편조 하이브리드 재료(M-TOW) 등의 물질의 온도를 원하는 온도로 유지시킨다. 덕트 유닛(들)(미도시)은 온도 변동의 위험을 제한하기 위한, 상기 물질들을 둘러싸는 튜브일 수 있다. 덕트 유닛(들)(미도시) 역시 온도가 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 편조 하이브리드 재료 제조 시스템의 개략도이다. 도 4를 참조하면, 도 1 내지 3의 편조 하이브리드 재료 제조 시스템(1000)에 의해 제조된 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 원재료로 이용하여 입체물(S)을 제조하기 위한 입체 형상 제조 로봇(300) 또는 3D 프린터(400)를 더 포함한다.
나아가, 입체 형상 제조 로봇(300) 또는 3D 프린터(400)에 의해 제조된 입체물(S)을 인서트(insert)로 활용하여 인서트 사출하는 몰딩 유닛(molding unit)(500)을 더 포함할 수 있다.
이때, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)가 굳어지거나(solidified) 경화되거나(cured) 열화되는(degraded) 것을 방지하기 위한 재료 공급 장치(미도시)가 더 포함될 수 있다. 재료 공급 장치(미도시)는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)의 굳어짐, 경화 및 열화를 방지하기 위한 각종 장치(예를 들어, 히터 등의 온도조절장치)를 포함할 수 있다.
입체 형상 제조 로봇(300) 및 3D 프린터(400)는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 이용하여 입체물(S)을 제조한다. 입체 형상 제조 로봇(300)은 자유로운 이동과 회전이 가능한 로봇암과 로봇핸드를 구비하여, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 원하는 위치에 원하는 각도로 토출시킴으로써 정교한 입체물(S)을 제조하지만, 이와 같은 구조에 한정되지 않는다. 즉, 입체 형상 제조 로봇(300)은, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 이용해 입체물(S)을 제조할 수 있는 구성이면 족하고, 특정 형태나 방식에 한정되지 않는다.
3D 프린터(400)는 자유로운 2차원 평면상에서 자유롭게 이동 가능한 핸드와 입체물(S)의 높낮이 조절이 가능한 베이스를 구비하여, 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 적층하면서 원하는 입체물(S)을 제조하지만, 이와 같은 구조에 한정되지 않는다.
즉, 3D 프린터(400)는 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 이용해 입체물(S)을 제조할 수 있는 구성이면 족하고, 특정 형태나 방식에 한정되지 않는다. 이미 상용화된 다양한 형태와 방식의 3D 프린터가 이용될 수 있음은 물론이다.
입체 형상 제조 로봇(300) 및/또는 3D 프린터(400)가 제조한 입체물(S)은 편조 하이브리드 재료(M-TOW)를 원재료로 이용하므로, 높은 기계적 성능(강도, 강성, 컴플라이언스(compliance) 등)과 내구성이 매우 뛰어나다.
몰딩 유닛(500)은 뛰어난 강성과 내구성을 가진 입체물(S)을 인서트로 활용하여 인서트 사출을 수행하므로, 몰딩 유닛(500)에 의한 사출물(M)도 뛰어난 강성과 내구성을 기대할 수 있다.
상술한 설명과 첨부된 도면은 본 발명의 가능한 실시예를 보여주고 있지만, 본 발명의 권리범위는 오로지 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 즉, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위나 사상으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 부가, 변형 및 대체가 이루어질 수 있고, 다른 특정 형태, 구조, 배치, 성분, 크기로 구현되거나, 기타 요소, 물질, 부품과 함께 구현될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 기본적인 원리를 벗어나지 않으면서 특정 환경이나 동작 조건에 적응될 수 있을 것이며, 이는 당업자에 자명할 것이다.
110‥‥‥크릴 유닛 120‥‥‥예열 유닛
130‥‥‥압축 유닛 140‥‥‥편조 유닛
142‥‥‥섬유재 크릴 유닛 144‥‥‥리와인더
150‥‥‥코팅 유닛 160‥‥‥온도 조절 유닛
170‥‥‥인취 유닛 180‥‥‥드럼 와인더
190‥‥‥절단 유닛 200‥‥‥제어 패널
300‥‥‥입체물 제조 로봇 400‥‥‥3D 프린터
500‥‥‥몰딩 유닛 1000‥‥‥편조 하이브리드 재료 제조 시스템

Claims (13)

  1. 코어 재료(core material)가 감긴 복수의 보빈을 포함하는 크릴 유닛(creel unit);
    상기 복수의 보빈으로부터 공급된 복수의 상기 코어 재료를 예열하는 예열 유닛(preheating unit); 및
    예열된 상기 복수의 상기 코어 재료를 압축(compact) 및 압밀(consolidate)하여 단일 방향성을 갖는 일방향 하이브리드 스트랜드를 형성하는 압축 유닛;
    상기 형성된 일방향 하이브리드 스트랜드의 표면 상에 섬유재를 편조(over-braid)하는 편조 유닛(braiding unit);
    편조된 상기 일방향 하이브리드 스트랜드의 표면을 상기 코어재료의 점성보다 높은 점성의 코팅 폴리머로 코팅하여 편조 하이브리드 재료(over-braided hybrid material)를 형성하는 코팅 유닛(coating unit);
    형성된 상기 편조 하이브리드 재료의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛(temperature control unit); 및
    상기 온도가 조절된 편조 하이브리드 재료를 끌어당겨 배출하는 인취 유닛(haul-off unit);을 포함하고, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료는 코어 재료층, 상기 코어 재료층상에 형성된 편조 섬유층 및 상기 편조 섬유층상에 형성된 코팅 폴리머층으로 구성된, 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 와인딩하는 와인더(winder);를 더 포함하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 소정 길이로 절단하는 절단 유닛(cutting unit);을 더 포함하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 원재료로 활용하여 입체물을 제조하는 3D 프린터(3D printer); 또는
    상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료를 원재료로 활용하여 입체물을 제조하는 입체 형상 제조 로봇(robot);를 더 포함하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 3D 프린터 또는 상기 입체 형상 제조 로봇에서 제조된 상기 입체물을 인서트로 활용하여 인서트 사출하는 몰딩 유닛(molding unit)을 더 포함하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코어 재료는 열가소성 수지, 열가소성 탄성수지, 열경화성 수지, 섬유, 발포 물질 및 전통 섬유 매트릭스 복합재 중 적어도 하나로 이루어지는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, STF 섬유, SMA 섬유, 광섬유, 압전 섬유 또는 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 섬유재는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, STF 섬유, SMA 섬유, 광섬유, 압전 섬유 또는 천연 섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 유닛은 코팅 폴리머(coating polymer)를 상기 섬유재로 편조된 상기 코어 재료의 표면을 코팅하는 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  12. 코어 재료가 감긴 복수의 보빈을 포함하는 크릴 유닛;
    상기 복수의 보빈으로부터 공급된 복수의 상기 코어 재료를 예열하는 예열 유닛(preheating unit); 및
    예열된 상기 복수의 상기 코어 재료를 압축(compact) 및 압밀(consolidate)하여 단일 일방향을 갖는 일방향 하이브리드 스트랜드를 형성하는 압축 유닛;
    상기 형성된 일방향 하이브리드 스트랜드의 표면을 상기 코어 재료의 점성보다 낮은 점성의 코팅 폴리머로 코팅시키는 코팅 유닛;
    코팅된 상기 일방향 하이브리드 스트랜드의 표면 상에 섬유재를 편조하여, 편조 하이브리드 재료를 형성하는 편조 유닛;
    형성된 상기 편조 하이브리드 재료의 온도를 조절하는 온도 조절 유닛; 및
    상기 온도가 조절된 편조 하이브리드 재료를 끌어당겨 배출하는 인취 유닛;을 포함하고, 상기 인취 유닛이 배출한 상기 편조 하이브리드 재료는 코어 재료층, 상기 코어 재료층상에 형성된 코팅 폴리머층 및 상기 코팅 폴리머층상에 형성된 편조 섬유층으로 구성된, 편조 하이브리드 재료 제조 시스템.
  13. 삭제
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