KR101900826B1 - 연속 섬유 강화 시트의 제조방법, 연속 섬유 강화 시트, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법, 및 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재 - Google Patents

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Abstract

연속 섬유 강화 시트의 제조방법, 연속 섬유 강화 시트, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법, 및 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재를 제공한다.
본 발명에 따르면, 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)를 제조하는 강화섬유 프리프레그 제조 단계, 상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하여 상기 강화섬유 프리프레그의 원형 유지를 위한 고정부를 형성하는 고정부 형성 단계, 및 상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브를 형성하는 그루브 형성 단계를 포함한다.

Description

연속 섬유 강화 시트의 제조방법, 연속 섬유 강화 시트, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법, 및 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재{MEHTOD FOR MANUFACTURING CONTINUOUS FIBER-REINFORCED SHEET, THE CONTINUOUS FIBER-REINFORCED SHEET, MEHTOD FOR MANUFACTURING BOARD USING THE CONTINUOUS FIBER-REINFORCED SHEET}
본 발명은 연속 섬유 강화 시트의 제조방법, 연속 섬유 강화 시트, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법, 및 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재에 관한 것이다.
일반적으로, 열가소성수지 매트릭스(Matrix) 기반의 섬유 강화 플라스틱(Continuous Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic)은 기계적 강도가 상대적으로 취약한 플라스틱 속에 유리섬유(Glass Fiber) 또는 탄소섬유(Carbon Fiber) 또는 아라미드섬유 (Aramid Fiber) 또는 광물섬유 등의 보강섬유를 복합화하여 기계적 물성을 향상시키는데, 이때, 섬유 길이가 1 mm 이하의 단섬유가 함유된 단섬유 강화 플라스틱(Short Fiber-reinforced Thermoplastics, SFT), 또는 5~50 mm 길이 수준의 장-섬유가 강화된 장섬유 강화 플라스틱(Long Fiber-reinforced Thermoplastics, LFT)나 유리섬유 매트 강화 플라스틱(Glass Mat-reinforced Thermoplastics, GMT), 또는 연속 섬유가 강화된 연속 섬유 강화 플라스틱(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics, CFRTP) 등으로 구분된다.
연속섬유 강화 열가소성 플라스틱 구조물은 고강도의 기계적 성능이 요구되는 제품에 적용될 수 있다. 통상적으로, 펄트루젼(Pultrusion) 방법 또는 혼합방사(Commingle)에 이은 핫 프레싱(Hot Pressing) 방법 등에 의하여 제조된다.
상기 연속섬유 강화 열가소성 플라스틱은 고점도의 열가소성 용유 수지에 보강섬유(연속섬유) 및 플라스틱 수지의 함량 조절이 어렵고, 유연성이 떨어지고, 성형 후 굴곡된 부위(꺽임 부위)에 보이드(void)가 형성되어 섬유가 제대로 위치하지 않게 되며, 복잡한 형상의 부품에 제조가 용이하지 않은 단점이 있다.
따라서, 기계적 물성도 갖추고 이러한 복잡한 형상의 성형이 용이하면서 일정 수준의 기계적 물성이 요구되는 곳에 연속섬유가 촙(Chop)된 장섬유 강화 플라스틱이 널리 요구되고 있는 상황이다.
그러나, 종래에는 연속섬유 다발을 촙(Chop)하여 수지를 함침한 장섬유 강화 시트는 섬유 방향이 무작위하여, 기계적 물성 증진에 한계가 있었다.
또한, 연속섬유 다발을 촙(Chop)하게 되므로, 불규칙하게 컷팅된 필라멘트를 사용하게 되므로, 균일한 물성을 얻기 어려우며, 성형을 위한 몰드에 촙된 섬유다발을 적층시 적층 작업이 어려우며, 촙된 섬유다발의 적층시 적층간 또는 간격간 틈새(void)가 많이 형성되며, 적층시 날림 현상이 발생되고, 촙된 섬유다발은 여러 조각이 발생하게 되므로, 연속 공정이 곤란하여 공정의 자동화가 곤란한 문제점이 있었다.
본 발명은 일방향 연속섬유 강화 열가소성 수지 타입 마이크로 프리프레그 (Uni-directional thermoplastic resin impregnated carbon fiber mirco-prepreg)에 섬유 배열 방향으로 원하는 길이와 방향로 컷팅된 장섬유 보강재가 함유된 연속 섬유 강화 시트의 제조방법, 연속 섬유 강화 시트, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법, 및 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)를 제조하는 강화섬유 프리프레그 제조 단계,
상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하여 상기 강화섬유 프리프레그의 원형 유지를 위한 고정부를 형성하는 고정부 형성 단계, 및
상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브를 형성하는 그루브 형성 단계를 포함하는 연속 섬유 강화 시트의 제조방법가 제공될 수 있다.
상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 중에서 선택되는 어느 하나의 섬유인 것일 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 중에서 선택되는 어느 하나의 수지인 것일 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계는 상기 강화섬유 다발을 슬림화하고 광폭화하는 슬림화 및 광폭화 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그를 설정된 단위 길이로 절단하는 컷팅 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 고정부는 상기 강화섬유 프리프레그의 폭 방향 양측 단부, 또는 길이 방향 양측 단부, 또는 강화섬유 프리프레그의 4가장자리부에 모두 형성되는 것일 수 있다.
상기 그루브의 형성 방향은 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되거나, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 사선 방향으로 설정된 경사 각도로 형성되는 것일 수 있다.
상기 그루브의 경사 각도는 0도~180도 범위에서 15도 내지 45도 단위 간격으로 설정되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 매트릭스 수지 내부에 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발이 함침된 구조의 강화섬유 프리프레그(prepreg),
상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브(groove), 및
상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하는 고정부를 포함하는 연속 섬유 강화 시트가 제공될 수 있다.
상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 중에서 선택되는 어느 하나의 섬유인 것일 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 중에서 선택되는 어느 하나의 수지인 것일 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그의 상기 강화섬유 다발은 설정된 두께로 슬림화되고 설정된 폭으로 광폭화되는 것일 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그는 설정된 단위 길이로 절단되는 것일 수 있다.
상기 고정부는 상기 강화섬유 프리프레그의 폭 방향 양측 단부, 또는 길이 방향 양측 단부, 또는 상기 강화섬유 프리프레그의 4가장자리부에 모두 형성되는 것일 수 있다.
상기 그루부의 형성 방향은 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되거나, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 사선 방향으로 설정된 경사 각도로 형성되는 것일 수 있다.
상기 그루브의 경사 각도는 0도~180도 범위에서 15도 내지 45도 단위 간격으로 설정되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)를 제조하는 강화섬유 프리프레그 제조 단계,
상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하여 상기 강화섬유 프리프레그의 원형 유지를 위한 고정부를 형성하는 고정부 형성 단계,
상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브를 형성하는 그루브 형성 단계,
상기 강화섬유 프리프레그를 설정된 단위 길이로 절단하는 컷팅 단계,
상기 컷팅 단계에서 절단의 단위 길이의 강화섬유 프리프레그를 적어도 2개 이상 몰드 내에 적층하는 적층 단계, 및
상기 몰드 내에 적층된 강화섬유 프리프레그를 프레스 성형하여 판재를 제조하는 판재 제조 단계를 포함하는 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법이 제공될 수 있다.
상기 판재 제조 단계는 상기 강화섬유 프리프레그를 열간 상태에서 핫 프레스로 성형하는 것일 수 있다.
상기 열간 상태는 상기 매트릭스 수지의 용융점보다 높은 온도인 것일 수 있다.
상기 적층 단계에서는 상기 강화섬유 프리프레그의 그루브의 형성 방향은, 이후에 적층되는 상기 강화섬유 프리프레그의 그루브의 형성 방향과 어긋나거나 교차되게 적층되는 것일 수 있다.
상기 열간 상태의 온도는 100도 내지 400도 사이의 온도인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기의 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법으로 제조되는 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재가 제공될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 광폭화 개섬 (Spreading) 장치와 연계하여 활용할 경우, 다양한 강화섬유(탄소섬유, 아라미드섬유, 유리섬유, 세라믹섬유, 금속섬유, 광물섬유, 폴리머섬유 등)을 초슬림 상태로 강화한 필름 타입의 일방향 섬유 강화 열가소성 프리프레그의 경우, 컷팅이 용이하고, 섬유의 비산문제가 발생하지 않기 때문에, 몰드에 0/45/90/135/180도로 적층하여 핫 프레스(Hot press) 성형 시, 굴곡진 부위(꺽임 부위)에서 섬유 배열의 왜곡 현상이 발생하지 않아, 성형성이 우수하고, 장섬유의 길이를 조정 가능하므로, 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 제조되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 제조되는 강화섬유 프리프레그의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 제조되는 강화섬유 프리프레그의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 제조되는 강화섬유 프리프레그의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법에 따른 제1 적용 상태를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법에 따른 제2 적용 상태를 개략적으로 도시한 평면도로서, (a)는 몰도 내에 강화섬유 프리프레그 1개 적층한 경우를 나타내고 있으며, (b)는 강화섬유 플리프레그를 2개를 적층한 경우를 나타내고 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 구현예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 제조되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 연속 섬유 강화 시트의 제조방법은, 복수개의 필라멘트(101)로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)(100)를 제조하는 강화섬유 프리프레그 제조 단계(S10),
상기 강화섬유 프리프레그(100)의 가장자리에 위치하여, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 원형을 유지하기 위한 고정부(110)를 형성하는 고정부 형성 단계(S20), 및
상기 강화섬유 프리프레그(100)의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루면서 칼집을 낸 형태로 그루브(120)를 형성하는 그루브 형성 단계(S30)를 포함할 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계(S10), 고정부 형성 단계(S20), 그루브 형성 단계(S30)의 순서로 연속하여 이루어질 수 있다.
여기서, 프리프레그(prepreg)는 Preimpregnated Materials의 약어로 매트릭스(결합재, Matrix)를 강화섬유(Reinforced Fiber)에 미리 함침시킨 시트(Sheet) 형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료로 강화섬유에 열경화성 수지를 침투시켜 반 경화상태로 만든 것을 가리킨다.
상기 강화섬유는 강화재로 사용 가능한 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 등으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나의 섬유일 수 있다.
또한, 상기 매트릭스 수지는 결합재로 사용 가능한 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 등으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나의 수지일 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계(S10)는 상기 강화섬유 다발을 슬림화 및 광폭화 펼침(spread)에 의하여 슬림화하고 광폭화하는 슬림화 및 광폭화 단계(S11)를 포함할 수 있다.
상기 강화섬유 다발의 필라멘트(101)는 어느 일방향으로 배열될 수 있으며, 도 2에서는 강화섬유 다발의 길이 방향으로 배열된 경우를 도시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 여러 다른 방향으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계(S10)에서 상기 강화섬유 다발은 코일(10)로부터 언와인딩(unwinding) 되면서 공급될 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그(100)는 설정된 단위 길이, 설정된 폭, 설정된 두께를 갖는 사각형상 등으로 형성될 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그(100)를 컷팅기(미도시)에 의하여 절단선(X-X선)에서 설정된 하나의 단위 길이 또는 복수의 단위 길이로 절단하는 컷팅 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 컷팅 단계(S40)에서 절단되는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 단위 길이는 필요에 따라 일정한 길이 또는 임의의 길이로 설정될 수 있다.
상기 컷팅 단계(S40)는 상기 그루브 형성 단계(S30)를 행한 후에 행할 수 있지만, 상기 그루브 형성 단계(S30)를 행하기 이전에 행할 수도 있다.
상기 강화섬유 다발은 진공과 열풍에 의해 발생된 기류에 의하여 설정된 폭으로 펼쳐지는데, 진공 펌프에 의하여 생성되는 진공은 흡인 기류를 발생시켜 강화섬유 다발을 강력하게 흡인하게 되며, 열풍기에서 생성되어 강화섬유 다발 쪽으로 분출되는 열풍이 강화섬유 다발과 부딪치면서 강화섬유 다발을 원하는 폭으로 펼쳐지게 하면서 원하는 두께로 슬림화 한다.
상기 강화섬유 다발의 필라멘트(101)는 설정된 섬유 직경, 예컨대 5~7㎛ 직경을 가질 수 있고, 상기 강화섬유 다발은 수천~수십만개의 필라멘트(101)로 이루어질 수 있다.
상기 슬림화 및 광폭화 단계(S11)에서 강화섬유 다발의 폭은 설정된 폭으로 광폭화되고, 강화섬유 다발(100)의 두께는 설정된 두께로 슬림화 될 수 있다.
여기서, 상기 강화섬유 다발의 폭은 강화섬유 다발의 길이 방향에 수직한 방향의 크기를 가리키며, 상기 강화섬유 다발의 두께는 강화섬유 다발의 폭과 길이가 이루는 평면에 대하여 직교하는 방향의 크기를 가리킨다.
상기 강화섬유 다발의 폭은 상기 슬림화 및 광폭화 단계를 행하여 최소 2배 내지 최대 10배로 광폭화 될 수 있으며, 예컨대, 광폭화 펼침 단계를 행하기 전에 5~10mm의 강화섬유 다발의 폭(W)은 광폭화 펼침 단계를 행한 후 20~100mm의 폭(W)으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 강화섬유 다발의 두께는 상기 슬림화 및 광폭화 단계를 행하여 최소 1/2 내지 최대 1/25 비율로 슬림화 될 수 있으며, 예컨대, 슬림화 단계를 행하기 전에 200~500㎛의 강화섬유 다발의 두께는 슬림화 단계를 행한 후 20~100㎛의 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 고정부(110, 111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭(W) 방향의 상, 하단부 가장자리에 형성될 수 있으며, 또한, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 길이(L) 방향 양측 단부에도 형성될 수 있으며, 또한, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 모든 가장자리에 형성될 수 있다.
상기 고정부(110)가 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭(W) 방향의 상, 하단부 가장자리에 형성되는 경우, 상기 그루브(120)는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 용이한 절단을 위하여 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭 방향 양측단부로부터 내측 방향으로 일정한 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 고정부(110, 111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 가장자리에 설정된 폭(W1)으로 형성될 수 있으며, 상기 강화섬유 프리프레그의 견고한 원형유지를 위하여, 예컨대, 1~10mm, 특히 5mm로 형성될 수 있다.
상기 그루브(120)의 형성 방향은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 설정된 경사 각도(θ)를 이루는 사선 방향으로 형성될 수 있다.
상기 그루브(120)의 경사 각도(θ)는 상기 강화섬유 프리프레그(100)를 복수개 적층하여 핫 프레스로 성형시 각각의 강화섬유 프리프레그(100)에 함침된 매트릭스 수지가 각각의 그루브(120) 사이로 용이하게 침투 또는 유동할 수 있도록 하기 위하여 0도~180도 범위의 각도를 가질 수 있고, 15도 내지 45도 단위 간격으로 설정될 수 있으며, 특히, 0도, 15도, 30도, 45도, 60도, 75도, 90도, 105도, 120도, 135도, 150도, 165도, 180도 등으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 그루브(120)의 형성 길이는 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 대향하는 고정부(110)의 사이, 예컨대, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭(W) 방향의 상, 하단부 가장자리 사이의 전체 길이로 설정될 수 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 경사 방향으로 서로 대향하는 가장자리 사이의 전체 길이로 설정될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 일정한 길이 또는 임의의 길이를 갖는 복수의 단위 길이로 설정될 수 있다.
상기 그루브(120)의 폭 및 그루브(120) 간의 폭은 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 일정한 크기의 폭 또는 임의 크기의 폭으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 그루브(120)가 일정한 길이 또는 임의의 길이를 갖는 복수의 단위 길이를 갖는 다수 열로 설정되는 경우, 각 열에서 상기 그루브(120)와 그루브 사이의 간격(d1)은 이웃하는 열에서 그루브와 그루브 사이의 간격(d2)과 어긋나게 지그재그 형태로 배열되게 도 4에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.
따라서, 이후의 공정인 핫 프레스 성형시, 강화섬유 프리프레그(100)에 함침된 매트릭스 수지가 상기 그루브(120) 사이의 간격을 통하여 도 4에 점선으로 표시한 이동 방향을 따라 유동할 수 있게 되므로, 굽힘 부위(꺽임 부위)에 보이드(void)가 형성되지 않게 되는 것이다.
그리고, 단위 길이를 갖는 강화섬유 프리프레그(100)가 적어도 2개 이상 연속하여 붙어 있는 경우, 이후에 설명되는 핫프레스 몰드에 성형을 위하여 접을 때 하나의 강화섬유 프리프레그(100)의 그루브(120)의 형성 방향과, 이와 이웃하는 단위 강화섬유 프리프레그(100)의 그루브(120)의 형성 방향이 어긋나거나 교차하는 방향으로 형성될 수 있다.
도 5에서는 단위 길이의 강화섬유 프리프레그(100)가 4개 연속하여 붙어 있는 경우를 예시하고 있지만, 이보다 더 많거나 적은 경우에도 동일한 원리로 적용될 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 5를 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법의 과정에 대해서 설명한다.
먼저, 복수개의 필라멘트(101)로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)(100)를 제조한다(S10).
상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계(S10)에서 상기 강화섬유 다발은 코일(10)로부터 언와인딩(unwinding) 되면서 공급되며,
상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계(S10)는 상기 강화섬유 다발을 슬림화 및 광폭화 펼침(spread)에 의하여 슬림화하고 광폭화하는 슬림화 및 광폭화 단계(S11)를 행한다.
상기 강화섬유 프리프레그(100)는 설정된 단위 길이, 설정된 폭, 설정된 두께를 갖는 사각형상으로 형성된다.
상기 강화섬유는 강화재로 사용 가능한 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 등으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나의 섬유를 사용하며, 또한, 상기 매트릭스 수지는 결합재로 사용 가능한 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 등으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나의 수지를 사용한다.
상기 강화섬유 다발의 필라멘트(101)는 어느 일방향으로 배열될 수 있으며, 도 2에서는 강화섬유 다발의 길이 방향으로 배열될 수 있다.
그리고, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 가장자리에 위치하여 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 원형을 유지하기 위한 고정부(110)를 형성한다(S20).
또한, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 표면에 위치하고 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루면서 설정된 길이로 칼집을 낸 형태로 그루브(120)를 형성한다(S30).
그리고, 상기 강화섬유 프리프레그(100)를 컷팅기(미도시)에 의하여 설정된 하나의 단위 길이 또는 복수의 단위 길이로 절단하는데(S40), 상기 컷팅 단계(S40)에서 절단되는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 단위 길이는 필요에 따라 일정한 길이 또는 임의의 길이로 설정될 수 있다.
상기 고정부(110, 111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭(W) 방향의 상, 하단부 가장자리에 형성될 수 있으며, 또한, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 길이(L) 방향 양측 단부에도 형성될 수 있으며, 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 모든 가장자리에 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 고정부(110)가 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭(W) 방향의 상, 하단부 가장자리에 형성되는 경우, 상기 그루브(120)는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 용이한 절단을 위하여 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭 방향 양측단부로부터 내측 방향으로 일정한 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 그루브(110, 111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 가장자리부에 설정된 폭(W1)으로 형성될 수 있으며, 상기 강화섬유 프리프레그의 견고한 원형유지를 위하여, 예컨대, 1~10mm 범위에서 형성될 수 있다.
상기 그루브(120)의 형성 방향은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 설정된 경사 각도(θ)를 이루는 사선 방향으로 형성될 수 있다.
상기 그루브(120)의 경사 각도(θ)는 상기 강화섬유 프리프레그(100)를 복수개 적층하여 핫 프레스로 성형시 각각의 강화섬유 프리프레그(100)에 함침된 매트릭스 수지가 각각의 그루브(120) 사이로 용이하게 침투 또는 유동할 수 있도록 하기 위하여 0도~180도 범위의 각도를 가질 수 있고, 15도 내지 45도 단위 간격으로 설정될 수 있으며, 특히, 0도, 15도, 30도, 45도, 60도, 75도, 90도, 105도, 120도, 135도, 150도, 165도, 180도 등으로 설정될 수 있다.
상기와 같이 제조되는 연속섬유 강화 시트는, 강화섬유 프리프레그(100)의 가장자리에 형성된 고정부(110)에 의하여 강화섬유 프리프레그(100)의 원형이 유지될 수 있으며, 또한, 상기 고정부(110)의 사이의 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 표면에 칼집 형태로 형성된 그루브(120)에 의하여 좌우 유동성을 갖게 되어 굽힘 부위(꺽임 부위)에서 보이드(void)가 형성되지 않게 되므로 연속섬유 강화 시트를 균일한 두께로 제조될 수 있게 되며, 이에 따라 이후의 몰드 적층 공정을 위한 적층시 강화섬유 프리프레그(100)의 적층 작업이 간편하게 되고, 강화섬유 다발의 날림 현상이 발생되지 않게 되고, 연속 작업 공정이 가능하게 되므로 작업 공정의 자동화를 실현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트는 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 설명한 사항과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트는, 매트릭스 수지 내부에 복수개의 필라멘트(101)로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발이 함침된 구조의 강화섬유 프리프레그(prepreg)(100),
상기 강화섬유 프리프레그(100)의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루면서 형성되는 그루브(groove)(120), 및
상기 강화섬유 프리프레그(100)의 가장자리에 위치하는 고정부(110)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 중에서 선택되는 어느 하나의 섬유인 것일 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 중에서 선택되는 어느 하나의 수지인 것일 수 있다.
또한, 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 상기 강화섬유 다발은 슬림화 및 광폭화 장치(미도시)에 의하여 설정된 두께로 슬림화되고 설정된 폭으로 광폭화되는 것일 수 있다.
상기 강화섬유 프리프레그(100)는 컷팅기(미도시)에 의하여 설정된 단위 길이로 절단될 수 있다.
상기 고정부(110)는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 폭 방향 양측 단부, 또는 길이 방향 양측 단부, 또는 강화섬유 프리프레그(100)의 모든 가장자리에 형성될 수 있다.
또한, 상기 그루브(120)의 형성 방향은 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되거나, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 사선 방향으로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법의 개략적인 구성도이고, 도 7은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법에 따른 제1 적용 상태를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 8은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법에 따른 제2 적용 상태를 개략적으로 도시한 평면도로서, (a)는 몰도 내에 강화섬유 프리프레그 1개 적층한 경우를 나타내고 있으며, (b)는 강화섬유 플리프레그를 2개를 적층한 경우를 나타내고 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법은 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 설명한 사항과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법은, 본 발명의 일 구현예에 따른 연속섬유 강화 시트의 제조방법을 행한 후의 공정으로서, 상기 연속섬유 강화 시트의 제조방법에서 제조된 단위 길이의 강화섬유 프리프레그(100)를 적어도 2개 이상 몰드(300) 내에 순차적으로 적층하는 적층 단계(S50), 및
상기 몰드(300) 내에 적층된 강화섬유 프리프레그(100)를 프레스 성형하여 판재를 제조하는 판재 제조 단계(S60)를 포함할 수 있다.
상기 몰드(300)는 판재의 용이한 제조를 위하여 열간 상태에서 성형할 수 있는 핫 프레스 몰드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 판재 제조 단계(S60)는 용이한 프레스 성형을 위하여 상기 강화섬유 프리프레그(100)를 열간 상태에서 핫 프레스로 성형하는 핫 프레스 성형 단계(S61)를 포함할 수 있다.
상기 열간 상태는 상기 강화섬유 프리프레그(100)를 핫 프레스로 성형시 강화섬유 프리프레그(100)에 함침된 매트릭스 수지가 상기 그루브(120) 사이의 간격을 통하여 용이하게 유동할 수 있도록 하기 위하여 상기 매트릭스 수지의 용융점보다 높은 온도일 수 있으며, 특히 100도 내지 400도 사이의 온도일 수 있다.
먼저, 상기 몰드(300) 내에 도 7, 및 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 하나의 강화섬유 프리프레그(100)가 놓여진다.
상기 적층 단계(S50)에서는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 그루브(120)의 형성 방향은, 이후에 적층되는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 그루브(120)의 형성 방향과 어긋나거나 교차되게 적층되게 함으로써(도 8(b) 참조), 이후의 공정에서 강화섬유 프리프레그(100)를 끌어 당길 때 고른 힘을 받을 수 있다.
여기서, 적층되는 상기 강화섬유 프리프레그(100)의 상기 그루브(120)의 형성 간격이나 상기 그루브(120)의 형성 각도, 상기 그루브(120)의 형성 길이는 성형의 필요에 따라 일정하게 하거나 각각 다르게 설정할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 5에서와 같이, 단위 길이의 강화섬유 프리프레그(100)가 연속하여 복수개 붙어 있는 경우, 적층 단계에서 몰드 내에 적층하기 전에, 단위 길이의 강화섬유 프리프레그(100)가 2개 이상 짝수개인 경우에는 2개씩 반으로 대응되게 접은 후 적층할 수 있으며, 단위 길이의 강화섬유 프리프레그(100)가 3개 이상 홀수개인 경우에는 한번씩 서로 엇갈리게 접은 후 적층할 수 있다.
상기의 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 판재 제조 공정(S60)에서, 상기 강화섬유 프리프레그(100)를 열간 상태에서 핫 프레스로 성형시, 강화섬유 프리프레그(100)에 함침된 매트릭스 수지가 상기 그루브(120) 사이의 간격을 통하여 유동할 수 있게 되므로, 그 만큼 굽힘 부위(꺽임 부위)에 보이드(void)가 형성되지 않게 되며, 따라서 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재를 균일한 두께로 제조할 수 있으며, 생산성을 향상할 수 있고, 연속 공정으로 자동화가 가능하게 되는 것이다.
또한, 상기 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법에 따라 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재가 제조될 수 있다.
100: 강화섬유 프리프레그
110: 고정부
120: 그루브
300: 몰드

Claims (22)

  1. 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)를 제조하는 강화섬유 프리프레그 제조 단계,
    상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하여 상기 강화섬유 프리프레그의 원형 유지를 위한 고정부를 형성하는 고정부 형성 단계, 및
    상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브를 형성하는 그루브 형성 단계
    를 포함하고,
    상기 고정부는 상기 강화섬유 프리프레그의 폭 방향 양측 단부, 또는 길이 방향 양측 단부, 또는 강화섬유 프리프레그의 4가장자리부에 모두 형성되는 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 중에서 선택되는 어느 하나의 섬유인 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 중에서 선택되는 어느 하나의 수지인 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강화섬유 프리프레그 제조 단계는 상기 강화섬유 다발을 슬림화하고 광폭화하는 슬림화 및 광폭화 단계를 포함하는 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강화섬유 프리프레그를 설정된 단위 길이로 절단하는 컷팅 단계를 포함하는 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그루브의 형성 방향은 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되거나, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 사선 방향으로 설정된 경사 각도로 형성되는 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그루브의 경사 각도는 0도~180도 범위에서 15도 내지 45도 단위 간격으로 설정되는 것인, 연속 섬유 강화 시트의 제조방법.
  9. 매트릭스 수지 내부에 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발이 함침된 구조의 강화섬유 프리프레그(prepreg),
    상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브(groove), 및
    상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하는 고정부
    를 포함하고,
    상기 고정부는 상기 강화섬유 프리프레그의 폭 방향 양측 단부, 또는 길이 방향 양측 단부, 또는 상기 강화섬유 프리프레그의 4가장자리부에 모두 형성되는 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 강화섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 금속 섬유, 광물 섬유, 폴리머 섬유 중에서 선택되는 어느 하나의 섬유인 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 열가소성 수지 중에서 선택되는 어느 하나의 수지인 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 강화섬유 프리프레그의 상기 강화섬유 다발은 설정된 두께로 슬림화되고 설정된 폭으로 광폭화되는 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 강화섬유 프리프레그는 설정된 단위 길이로 절단되는 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 그루브의 형성 방향은 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되거나, 상기 강화섬유 다발의 길이 방향에 대하여 사선 방향으로 설정된 경사 각도로 형성되는 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 그루브의 경사 각도는 0도~180도 범위에서 15도 내지 45도 단위 간격으로 설정되는 것인, 연속 섬유 강화 시트.
  17. 복수개의 필라멘트로 이루어지는 일방향 강화섬유 다발에 매트릭스 수지를 함침한 강화섬유 프리프레그(prepreg)를 제조하는 강화섬유 프리프레그 제조 단계,
    상기 강화섬유 프리프레그의 가장자리에 위치하여 상기 강화섬유 프리프레그의 원형 유지를 위한 고정부를 형성하는 고정부 형성 단계,
    상기 강화섬유 프리프레그의 표면에 위치되고, 상기 강화섬유 프리프레그의 섬유 배열 방향에 대하여 설정된 각도를 이루는 그루브를 형성하는 그루브 형성 단계,
    상기 강화섬유 프리프레그를 설정된 단위 길이로 절단하는 컷팅 단계,
    상기 컷팅 단계에서 절단의 단위 길이의 강화섬유 프리프레그를 적어도 2개 이상 몰드 내에 적층하는 적층 단계, 및
    상기 몰드 내에 적층된 강화섬유 프리프레그를 프레스 성형하여 판재를 제조하는 판재 제조 단계
    를 포함하고,
    상기 고정부는 상기 강화섬유 프리프레그의 폭 방향 양측 단부, 또는 길이 방향 양측 단부, 또는 상기 강화섬유 프리프레그의 4가장자리부에 모두 형성되는 것인, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 판재 제조 단계는 상기 강화섬유 프리프레그를 열간 상태에서 핫 프레스로 성형하는 것인, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 열간 상태는 상기 매트릭스 수지의 용융점보다 높은 온도인 것인, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 적층 단계에서는 상기 강화섬유 프리프레그의 그루브의 형성 방향은 이후에 적층되는 상기 강화섬유 프리프레그의 그루브의 형성 방향과 어긋나거나 교차되게 적층되는 것인, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 열간 상태의 온도는 100도 내지 400도 사이의 온도인 것인, 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재의 제조방법으로 제조되는 연속섬유 강화 시트를 이용한 판재.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007261141A (ja) * 2006-03-29 2007-10-11 Toray Ind Inc プリプレグ積層体及び繊維強化プラスチック
JP2011121372A (ja) 2011-01-24 2011-06-23 Maruhachi Kk 多軸積層強化繊維シート作製方法、長尺の傾斜強化繊維シート、及び多軸積層強化繊維シート

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