KR101936584B1 - 프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법 - Google Patents

프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 프리프레그 제조 장치는, 상부 금형의 내부에 형성되며, 압출기로부터 공급된 수지를 유입 받아 상기 상부 금형의 하부로 유동하는 강화 섬유에 수지를 토출시키는 제1 수지 유입부와, 하부 금형의 내부에 형성되며, 상기 압출기로부터 공급된 수지를 유입 받아 상기 하부 금형의 상부로 유동하는 강화 섬유에 수지를 토출시키는 제2 수지 유입부를 포함한다.

Description

프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법{PREPREG MANUFACTURING APPARATUS AND PREPREG MANUFACTURING USING THE SAME}
본 발명은 프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리프레그의 전체를 통해 수지가 균일하게 함침될 수 있으며, 프리프레그 상, 하 함침률 편차를 줄일 수 있는 프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 섬유 강화 복합재료는 적어도 두 가지 이상의 재료의 결합으로 이루어진 소재를 말하는데, 대표적인 예로서 유리, 탄소 섬유 등의 강화재가 수지(예: 고분자 resin 등)의 모재에 함침 되어 있는 구조로 이루어진 재료를 말한다.
최근에는, 섬유 강화 복합재료 중에서 연속섬유 강화 복합재료에 대한 관심이 고조되고 있다.
연속섬유 강화 복합재료는 기존의 단섬유 강화 복합재료 또는 장섬유 강화 복합재료와 달리 강화 섬유를 모재에 연속적으로 함침시켜 제작되는 복합재료를 가리킨다. 이러한 제조상의 특징에 따라, 연속섬유 강화 복합재료는 기존의 단섬유 강화 복합재료 또는 장섬유 강화 복합재료에 비해 높은 비율의 강화재가 투입이 가능하여 기존 대비 높은 수준의 기계적 물성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
이러한 연속섬유 강화 복합재료는 직조 또는 적층형 방식으로 제조되는데, 그 중에서 적층형 연속섬유 강화 복합재료는 일 방향 강화 연속섬유 프리프레그를 다양한 방향으로 적층하고 열을 가하여 성형을 한다.
그런데 적층형 복합재료에 사용되는 일 방향 강화 연속섬유 프리프레그를 제조함에 있어서, 프리프레그의 상, 하부 표면을 균일하게 함과 동시에 강화 섬유와 수지 간의 함침률을 향상시키는 것이 중요한 요건이 된다.
도 1은 기존의 프리프레그 제조를 위한 함침 금형을 간략히 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 경우 대부분의 함침 금형이 튜브 타입으로 이루어지는데, 구체적으로는 상부 금형(10)의 내부에 튜브 형상부(30)가 형성되고 튜브 형상부(30)의 일 측으로 수지(R)가 유입된다. 유입된 수지(R)는 상기 튜브 형상부(30)의 반대 편에 막혀 있는 타 측을 향해 유동하면서 하부로 토출된다.
다만, 이러한 수지(R)의 유동 형태에 따라 종래의 방식에 따를 경우 함침 금형 내에서 수지(R)의 토출량을 조절하기에 어려움이 있다.
예를 들어, 수지의 유입이 시작되는 상부 금형의 선단부(10a)에서는 상대적으로 많은 수지가 토출되며, 상부 금형의 말단부(10b)로 갈수록 수지의 토출량이 상대적으로 줄어드는 현상이 발생될 수 있다. 이에 따라 수지가 균일하게 함침되지 못하는 문제가 있을 수 있다.
나아가, 종래의 경우 대부분 상부 금형(10)을 통해서만 수지(R)가 토출됨에 따라 프리프레그의 상, 하부 위치에 따라 수지의 함침률에 편차가 발생될 수 있었으며, 이는 연속섬유 강화 복합재의 물성을 저하시키는 원인이 되었다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-1999-0053333호(2001.06.15. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 섬유강화복합재료용 매트릭스 수지조성물, 프리프레그 및 섬유강화복합재료가 개시되어 있다.
본 발명은, 함침 금형 내에서 수지가 균일하게 함침될 수 있으며, 프리프레그의 상, 하 함침률 편차를 줄일 수 있는 프리프레그 제조 장치 및 이를 이용한 프리프레그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치는, 상부 금형의 내부에 형성되며, 압출기로부터 공급된 수지를 유입 받아 상기 상부 금형의 하부로 유동하는 강화 섬유에 수지를 토출시키는 제1 수지 유입부; 및 하부 금형의 내부에 형성되며, 상기 압출기로부터 공급된 수지를 유입 받아 상기 하부 금형의 상부로 유동하는 강화 섬유에 수지를 토출시키는 제2 수지 유입부;를 포함한다.
상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각은, 상기 압출기로부터 수지가 공급되는 입구 측의 단면크기에 비해 상기 수지가 토출되는 출구 측의 단면크기가 확장된 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각은, 삼각형 단면 형상을 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 양변이 직선형태로 이루어진 삼각형일 수 있으며, 이와 달리 삼각형의 양변이 아래로 오목하게 라운드 처리된 형상이거나 또는 양변이 위로 볼록하게 라운드 처리된 형상을 가질 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각은, 서로 마주하여 대칭된 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 압출기로부터 분기된 수지 공급 라인을 통해 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부는 동시에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각에 대해 길이 방향으로 설정된 다수 개의 분할 구간마다 온도를 조절하는 온도 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르는 프리프레그 제조 방법은, 프리프레그 제조 장치를 이용한 프리프레그 제조 방법으로서, (a) 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각으로 상기 압출기로부터 수지가 공급되는 단계; 및 (b) 상기 상부 금형과 상기 하부 금형 사이로 유동하는 강화 섬유를 향해 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각으로부터 균일하게 수지가 토출되는 단계;를 포함한다.
상기 (b) 단계 이후에, (c) 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각에 대해 길이 방향으로 설정된 다수 개의 분할 구간마다 온도를 조절하는 단계;를 더 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면 함침 금형 내에서 수지의 균일한 함침을 유도할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 프리프레그의 상, 하 함침률 편차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, 연속섬유 강화 복합재의 물성 향상을 도모할 수 있으며, 프리프레그의 상, 하 표면 품질을 개선하여 섬유 노출에 의한 작업성 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 기존의 프리프레그 제조를 위한 함침 금형을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치의 온도 조절 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
섬유 강화 복합재료는 적어도 두 가지 이상의 재료의 결합으로 이루어진 소재를 말하는데, 대표적인 예로서 유리, 탄소 섬유 등의 강화재가 수지(예: 고분자 resin 등)의 모재에 함침 되어 있는 구조로 이루어진 재료를 말한다.
그 중에서 연속섬유 강화 복합재료는 기존의 단섬유 강화 복합재료 또는 장섬유 강화 복합재료와 달리 강화 섬유를 모재에 연속적으로 함침시켜 제작되는 복합재료를 말한다.
특히, 연속섬유 강화 복합재료는 기존의 단섬유 강화 복합재료 또는 장섬유 강화 복합재료에 비해 높은 비율의 강화재가 투입됨에 따라 기존 대비 높은 수준의 기계적 물성을 확보할 수 있다.
예컨대, 적층형 연속섬유 강화 복합재료는 일 방향 강화 연속섬유 프리프레그(이하 '프리프레그'라 함)를 다양한 방향으로 적층하여 합지한다. 그리고 프리프레그를 이용하는 공정에서는 함침 금형 내에서의 강화 섬유 내 수지 함침률이 중요한 요건이 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치(100)는 상부 금형(10), 하부 금형(20)을 포함하는 함침 금형을 포함하는데, 압출기(200)를 통해 공급된 수지를 유입 받는 제1 수지 유입부(110)와 제2 수지 유입부(120)를 포함한다.
제1 수지 유입부(110)는 상부 금형(10)의 내부에 형성될 수 있다.
구체적으로는, 상기 제1 수지 유입부(110)는 상기 압출기(200)로부터 공급된 수지가 유입되는 상부 금형(10)의 내부의 유입 공간에 해당한다.
상기 제1 수지 유입부(110)로 유입된 수지는 상기 상부 금형(10)의 하부로 토출되며, 구체적으로는 상부 금형(10)의 하부로 유동하는 강화 섬유(미도시)의 상부 면으로 토출될 수 있다.
도 2를 참조하면 상기 제1 수지 유입부(110)의 하부로 수지(R)가 균일하게 토출된 모습을 확인할 수 있다.
한편, 상기 제1 수지 유입부(110)는 상기 압출기(200)로부터 공급되 수지가 유입되는 입구 측의 단면크기에 비해 수지가 토출되는 출구 측의 단면크기가 상대적으로 더 크게 확장된 형상을 가질 수 있다.
바람직한 예로서, 상기 제1 수지 유입부(110)는 삼각형 단면 형상을 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 양변이 직선형태로 이루어진 삼각형일 수 있으며, 이와 달리 삼각형의 양변이 아래로 오목하게 라운드 처리된 형상이거나 또는 양변이 위로 볼록하게 라운드 처리된 형상을 가질 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 별도로 도시하진 않았으나 상기 제1 수지 유입부(110)는 다양한 단면 형상을 가져도 무방하다.
제2 수지 유입부(120)는 하부 금형(20)의 내부에 형성될 수 있다.
구체적으로는, 상기 제2 수지 유입부(120)는 상기 압출기(200)로부터 공급된 수지가 유입되는 하부 금형(10)의 내부의 유입 공간에 해당한다.
상기 제2 수지 유입부(120)로 유입된 수지는 상기 하부 금형(20)의 상부로 토출되며, 구체적으로는 상기 상부 금형(10)과 상기 하부 금형(20)의 사이로 유동하는 강화 섬유(미도시)의 하부 면으로 토출될 수 있다.
도 2를 참조하면 상기 제2 수지 유입부(120)의 하부로 수지(R)가 균일하게 토출된 모습을 확인할 수 있다.
이와 같이 구성됨에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 강화 섬유의 상, 하 위치 간의 수지 함침률 편차가 발생되지 않아 연속섬유 강화 복합재의 물성을 대폭 향상시킬 수 있는 효과를 가져온다.
한편, 상기 제2 수지 유입부(120)는 상기 압출기(200)로부터 공급된 수지가 유입되는 입구 측의 단면크기에 비해 수지가 토출되는 출구 측의 단면크기가 상대적으로 더 크게 확장된 형상을 가질 수 있다.
바람직한 예로서, 상기 제2 수지 유입부(120)는 전술한 제1 수지 유입부(110)와 동일한 크기 및 형상의 단면을 가질 수 있는데, 이에 한정되지 않는다. 따라서, 별도로 도시하진 않았으나 상기 제2 수지 유입부(120)는 삼각형 등 다양한 단면 형상을 가져도 무방하다.
또한, 상기 제2 수지 유입부(120)는 전술한 제1 수지 유입부(110)와 서로 마주하여 대칭된 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 수지 유입부(110)와 상기 제2 수지 유입부(120)는 상기 압출기(200)로부터 동시에 수지(R)를 공급받을 수 있는데, 이를 위해 상기 압출기(200)로부터 수지(R)가 공급되는 공급 라인은 상기 제1, 2 수지 유입부(110, 120)를 향해 분기되어 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치의 온도 조절 구성을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치(100)의 경우 온도 제어부(300)를 포함한다.
상기 온도 제어부(300)를 통해 상기 제1 수지 유입부(110)와 상기 제2 수지 유입부(120) 각각에 대해 길이 방향으로 설정된 다수 개(예: 3개 등)의 분할 구간(A1, A2, A3)마다 개별적으로 온도가 조절될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 수지 유입부(110) 및 상기 제2 수지 유입부(120)의 A1 구간 및 A3 구간에서 토출되는 수지(R1, R3)의 토출량이 적다고 판단될 경우, 상기 A1 구간 및 A3 구간의 온도를 상대적으로 높여 해당 구간에서 토출되는 수지(R1, R3)의 토출량을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 수지 유입부(110) 및 상기 제2 수지 유입부(120)의 A2 구간에서 토출되는 수지(R2)의 토출량이 과다하게 많다고 판단될 경우, 상기 A2 구간의 온도를 상대적으로 낮춰 해당 구간에서 토출되는 수지(R2)의 토출량을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 상부 및 하부 금형(10, 20)의 길이 방향으로 분할하여 다수의 분할 구간을 설정하고, 설정된 다수의 분할 구간마다 온도를 제어함으로써 강화섬유에 수지를 균일하게 함침시킬 수 있어, 우수한 표면 품질을 확보하고 수지 함침률을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 도시된 프리프레그 제조 방법은, 수지 공급 단계(S100), 그리고 수지 함침 단계(S200)를 포함한다.
수지 공급 단계 (S100)
본 단계는 수지 공급 단계로서, 도 2 및 도 3을 통해 살펴본 제1 수지 유입부와 제2 수지 유입부 각각으로 압출기로부터 수지가 공급되는 단계에 해당한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이 단계에서는 기존과 달리 상부 금형(10)의 제1 수지 유입부(110)와 하부 금형(20)의 제2 수지 유입부(120) 각각에 대해 수지(R)가 공급되며, 이후 단계에서 강화 섬유의 상, 하부로 균일하게 수지가 토출될 수 있도록 해준다.
수지 토출 단계(S200)
본 단계는 수지 토출 단계로서, 상기 상부 금형과 상기 하부 금형 사이로 유동하는 강화 섬유를 향해 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각으로부터 균일하게 수지가 토출되는 단계에 해당한다.
도 2를 참조하면, 이전 단계에서 제1 수지 유입부(110) 및 제2 수지 유입(120)로 유입된 수지(R)는 상부 금형(10) 및 하부 금형(20) 사이로 유동하는 강화 섬유(미도시)의 상, 하부 면을 향해 균일하게 토출된다.
한편, 이 단계의 이후에, 온도 조절 단계가 추가로 수행될 수 있다.
온도 조절 단계는, 만일 상기 제1 수지 유입부(110)와 상기 제2 수지 유입부(120)로부터 토출되는 수지(R)의 토출량이 상부 금형(또는 하부 금형)의 길이 방향을 따라 전체적으로 균일하지 않을 경우, 구간 별로 온도 조절을 실시하는 단계를 말한다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 상기 제1 수지 유입부(110) 및 상기 제2 수지 유입부(120)의 A1 구간 및 A3 구간에서 토출되는 수지(R1, R3)의 토출량이 적다고 판단될 경우, 상기 A1 구간 및 A3 구간의 온도를 상대적으로 높여 해당 구간에서 토출되는 수지(R1, R3)의 토출량을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 수지 유입부(110) 및 상기 제2 수지 유입부(120)의 A2 구간에서 토출되는 수지(R2)의 토출량이 과다하게 많다고 판단될 경우, 상기 A2 구간의 온도를 상대적으로 낮춰 해당 구간에서 토출되는 수지(R2)의 토출량을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 상부 및 하부 금형(10, 20)의 길이 방향으로 분할하여 다수의 분할 구간을 설정하고, 설정된 다수의 분할 구간마다 온도를 제어함으로써 강화섬유에 수지를 균일하게 함침시킬 수 있어, 우수한 표면 품질을 확보하고 수지 함침률을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법에 의하면, 수지가 강화 섬유의 상, 하부로 동시 토출됨에 따라 시트 표면이 균일해지는 장점이 있으며, 보다 구체적으로는 시트 내부에서 강화 섬유가 높이 중앙에 위치하여 상, 하 품질이 균일해 질 수 있는 효과를 가져온다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 함침 금형 내에서 수지의 균일한 함침을 유도할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 프리프레그의 상, 하 함침률 편차를 줄일 수 있는 장점이 있다.
그 결과, 연속섬유 강화 복합재의 물성 향상을 도모할 수 있으며, 프리프레그의 상, 하 표면 품질을 개선하여 섬유 노출에 의한 작업성 저하를 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
R: 수지
10: 상부 금형
20: 하부 금형
30: 튜브 형상부
100: 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 장치
110: 제1 수지 유입부
120: 제2 수지 유입부
200: 압출기
300: 제어부
S100: 수지 공급 단계
S200: 수지 함침 단계

Claims (8)

  1. 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 함침 금형을 포함하고,
    상기 상부 금형의 내부에 형성되며, 압출기로부터 공급된 수지를 유입 받아 상기 상부 금형의 하부로 유동하는 강화 섬유의 상부 면으로 수지를 균일하게 토출시키는 제1 수지 유입부; 및
    상기 하부 금형의 내부에 형성되며, 상기 압출기로부터 공급된 수지를 유입 받아 상기 하부 금형의 상부로 유동하는 강화 섬유의 하부 면으로 수지를 균일하게 토출시키는 제2 수지 유입부;를 포함하며,
    상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각은,
    서로 마주하여 대칭된 형상을 가지되, 상기 압출기로부터 수지가 공급되는 입구 측의 단면크기에 비해 상기 수지가 토출되는 출구 측의 단면크기가 상기 상부 금형 및 하부 금형의 길이에 대응하여 확장된 형상을 가지고,
    상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각에 대해 상기 상부 금형 및 하부 금형의 길이 방향으로 설정된 다수 개의 분할 구간마다 개별적으로 온도를 조절하는 온도 제어부를 포함하는
    프리프레그 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각은, 삼각형 단면 형상을 갖는
    프리프레그 제조 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압출기로부터 분기된 수지 공급 라인을 통해 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부는 동시에 연결되는
    프리프레그 제조 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항, 제3항, 제5항 중 어느 한 항의 프리프레그 제조 장치를 이용한 프리프레그 제조 방법으로서,
    (a) 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각으로 상기 압출기로부터 수지가 공급되는 단계; 및
    (b) 상기 상부 금형과 상기 하부 금형 사이로 유동하는 강화 섬유를 향해 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각으로부터 균일하게 수지가 토출되는 단계;를 포함하는
    프리프레그 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후에,
    (c) 상기 제1 수지 유입부와 상기 제2 수지 유입부 각각에 대해 길이 방향으로 설정된 다수 개의 분할 구간마다 온도를 조절하는 단계;를 더 포함하는
    프리프레그 제조 방법.
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