KR102053632B1 - 이종섬유 ncf 및 이를 제조하는 장치 - Google Patents

이종섬유 ncf 및 이를 제조하는 장치 Download PDF

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정민혜
채병근
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재단법인 한국탄소융합기술원
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Abstract

본 발명인 이종섬유 NCF 제조장치는,
적어도 2종류의 이종섬유를 일방향으로 공급하는 제1공급유닛;
상기 제1공급유닛에서 공급된 이종섬유 위로 적어도 2종류의 이종섬유를 공급하되, 상기 제1공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유와 다른 각도로 공급하는 제2공급유닛;
상기 제1공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시키는 제1피치가이드;
상기 제2공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시키는 제2피치가이드; 및
상기 제1피치가이드에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유와 상기 제2피치가이드에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유를 스티칭 섬유로 묶는 스티칭유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이종섬유 NCF 및 이를 제조하는 장치{NON CRIMP FABRIC PREFORM COMPRISING LAYERS HAVING DIFFERENT TYPE OF FIBERS AND APPARATUS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 이종섬유 NCF 및 이를 제조하는 장치에 관한 것이다.
일반적인 복합재료용 섬유 직물(Woven textile)은 경사(Warp)와 위사(Weft)로 이루어져, 직조 굴곡(Crimp)과 펼침성(Drapeability)에 따라 그 특성이 달라진다.
직조 굴곡이 작을수록 섬유의 직진성이 좋아 큰 하중에 견딜 수 있고 기계적 물성이 뛰어나고, 펼침성이 좋을수록 복잡한 형상의 적층(Lay-up)이 용이하다.
이러한 2가지 특징을 모두 가진 비굴곡 다축직조 직물(NCF)은, 원사가 직물처럼 경사 및 위사에 의해 굽어져 있는 형태가 아닌 비굴곡 형태(Non-crimp)로 여러 축(Multi axial)을 이루며 적층되어 있다.
즉, 일방향(UD, Unidirectional)으로 펼쳐진 섬유가 서로 다른 각도로 층을 이루며 스티칭(Stitching)되어 있다.
이러한 NCF는 섬유배향각(Orientation)에 따라 일방향(Unidirectional), 2축(Biaxial), 3축(Triaxial), 4축(Quadraxial) 등으로 구분되며, 섬유 종류 및 각도 조합에 따라 다양한 기계적 특성을 얻을 수 있다.
현재, NCF는 제품(자동차 엔진커버, 항공기 기체 등)이 요구하는 특성에 따라 층(Layer)마다 각기 다른 종류의 섬유를 혼합하고 적층각을 달리하고 있으나, 제품의 요구 특성이 다양해져 보다 정밀하게 특성이 조절된 NCF가 요구되고 있다.
국제공개특허(WO 2014007505 A1)
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 이종섬유 NCF 와, 이를 제조할 수 있는 이종섬유 NCF 제조장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 이종섬유 NCF는,
같은 층에 적어도 2종류의 이종섬유가 일정한 폭으로 일방향으로 혼합된 단일층; 및
상기 단일층 들이 서로 다른 각도로 적층되어 스티칭된 혼합층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
적어도 2종류의 이종섬유를 일방향으로 공급하는 제1공급유닛;
상기 제1공급유닛에서 공급된 이종섬유 위로 적어도 2종류의 이종섬유를 공급하되, 상기 제1공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유와 다른 각도로 공급하는 제2공급유닛;
상기 제1공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시키는 제1피치가이드;
상기 제2공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시키는 제2피치가이드; 및
상기 제1피치가이드에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유와 상기 제2피치가이드에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유를 스티칭 섬유로 묶는 스티칭유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종섬유 NCF 제조장치에 의해 달성된다.
본 발명인 이종섬유 NCF는, 서로 다른 층에만 이종섬유가 배열된 기존 NCF와 달리, 같은 층에도 서로 다른 종류의 이종섬유가 배열된다. 따라서, 단지 층마다 다른 섬유를 사용하고 적층각을 달리하여 물성 조절을 하던 기존 NCF의 물성조절가능범위에, 같은 층에서 섬유의 종류를 달리하여 물성조절을 할 수 있는 범위까지 추가하여, 다양한 제품의 다양한 물성 조건을 쉽게 만족시킬 수 있다.
본 발명인 이종섬유 NCF 제조장치를 사용하면, 서로 다른 물성을 가진 이종섬유를 서로 얽히지 않게 일정한 폭으로 배열하여, 우수한 품질의 이종섬유 NCF를 만들어낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종섬유 NCF 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 도 1에 도시된 제1피치가이드, 도 2(b)는 도 1에 도시된 제2피치가이드를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 이종섬유 NCF 제조장치로 만들어진 이종섬유 NCF를 찍은 사진이다.
도 4는 탄소섬유와 유리섬유로 구성된 이종섬유 NCF의 다양한 실시예를 정리한 표이다.
도 5는 탄소섬유와 유리섬유의 물성을 비교한 표이다.
도 6은 제1변형예에 따른 제1피치가이드 또는 제2피치가이드를 나타낸 도면이다.
도 7은 제2변형예에 따른 제1피치가이드 또는 제2피치가이드를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종섬유 NCF 제조장치를 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종섬유 NCF 제조장치(1)는, 제1공급유닛(10), 제2공급유닛(20), 제1피치가이드(31), 제2피치가이드(32), 스티칭유닛(40), 회수유닛(50)으로 구성된다.
이 밖에, 이종섬유 NCF 제조장치(1)는 프레임, 커버, 전선, 센서, 전원부, 제어부 등 다수의 부품들로 구성된다. 이하, 본 발명의 기술적 사상이 흩어지지 않게, 본 발명의 요지인 제1공급유닛(10), 제2공급유닛(20), 제1피치가이드(31), 제2피치가이드(32), 스티칭유닛(40), 회수유닛(50)에 대해서 자세히 설명한다.
또한, 본 실시예에서는 도면의 간략화를 위해, 이종섬유의 적층수를 2로 한정하였다. 이로 인해, 공급유닛이 제1공급유닛(10), 제2공급유닛(20) 2개가 필요하고, 피치가이드가 제1피치가이드(31), 제2피치가이드(32) 2개가 필요하다.
또한, 적층수가 늘어나면, 공급유닛의 개수와 피치가이드의 개수도 늘어나게 된다. 예를 들어, 적층수가 3이면 공급유닛은 3개와 피치가이드 3개가 필요하고, 적층수가 4면 공급유닛은 4개 피치가이드 4개가 필요하다.
제1공급유닛(10)은 적어도 2종류의 이종섬유를 일방향으로 공급한다. 본 실시예에서는 2종류의 이종섬유를 공급한다. 이하, 2종류의 이종섬유를 기준으로 설명한다.
제1공급유닛(10)은 제1-1공급유닛(11), 제1-2공급유닛(12)으로 구성된다. 만약, 3종류의 이종섬유를 공급한다면, 제1-3공급유닛이 더 필요하게 된다.
제1-1공급유닛(11)은 복수가닥의 제1이종섬유(F1)를 일정간격으로 제1피치가이드(31)로 공급한다. 제1-1공급유닛(11)은 제1이종섬유(F1)가 감기는 롤러(11a)와 롤러(11a)를 구동시키는 모터(11b)로 구성된다.
제1-2공급유닛(12)은 복수가닥의 제2이종섬유(F2)를 제1이종섬유(F1) 사이사이 제1피치가이드(31)로 공급한다. 제1-2공급유닛(12)은 제2이종섬유(F2)가 감기는 롤러(12a)와 롤러(12a)를 구동시키는 모터(12b)로 구성된다.
제2공급유닛(20)은 제1공급유닛(10)에서 공급된 이종섬유 위로 적어도 2종류의 이종섬유를 공급하되, 제1공급유닛(10)에서 공급된 이종섬유와 다른 각도로 공급한다. 본 실시예에서는 2종류의 이종섬유를 공급한다. 이하, 2종류의 이종섬유를 기준으로 설명한다.
제2공급유닛(20)은 제2-1공급유닛(21), 제2-2공급유닛(22)으로 구성된다. 만약, 3종류의 이종섬유를 공급한다면, 제2-3공급유닛이 더 필요하게 된다.
제2-1공급유닛(21)은 복수가닥의 제1이종섬유(F1)를 일정간격으로 제2피치가이드(32)로 공급한다. 제2-1공급유닛(21)은 제1이종섬유(F1)가 감기는 롤러(21a)와 롤러(21a)를 구동시키는 모터(21b)로 구성된다.
제2-2공급유닛(22)은 복수가닥의 제2이종섬유(F2)를 제1이종섬유(F1) 사이사이 제2피치가이드(32)로 공급한다. 제2-2공급유닛(22)은 제2이종섬유(F2)가 감기는 롤러(22a)와 롤러(22a)를 구동시키는 모터(22b)로 구성된다.
제1피치가이드(31)는 제1공급유닛(10)에서 일방향으로 공급된 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시킨다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 제1피치가이드(31)는 봉(31a)과 홈(31b)으로 구성된다. 홈(31b)은 일정 간격으로 봉(31a)의 외주면에 형성된다. 각 홈(31b)에 2종류의 이종섬유(F1,F2)가 번갈아가며 지나간다. 홈(31b)에 의해 2종류의 이종섬유(F1,F2)가 서로 얽히지 않으면서 폭을 일정하게 유지한다.
제2피치가이드(32)는 제2공급유닛(20)에서 일방향으로 공급된 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시킨다.
도 2(b)에 도시된 바와 같이, 제2피치가이드(32)는 봉(32a)과 홈(32b)으로 구성된다. 홈(32b)은 일정 간격으로 봉(32a)의 외주면에 형성된다. 각 홈(32b)에 2종류의 이종섬유(F1,F2)가 번갈아가며 지나간다. 홈(32b)에 의해 2종류의 이종섬유(F1,F2)가 서로 얽히지 않으면서 폭을 일정하게 유지한다.
스티칭유닛(40)은 제1피치가이드(31)에서 공급된 2종류의 이종섬유와 제2피치가이드(32)에서 공급된 이종섬유(F1,F2)를 수직방향으로 스티칭 섬유로 바느질하여 묶는다.
회수유닛(50)은 스티칭 섬유로 묶여 제조된 이종섬유 NCF(2)를 회수한다. 회수유닛(50)은 이종섬유 NCF(2)가 감기는 롤러(51)와 롤러(51)를 구동시키는 모터(52)로 구성된다.
상술한 이종섬유 NCF 제조장치(1)로 도 3에 도시된 바와 같은, 2종류의 이종섬유(F1,F2)로 구성된 이종섬유 NCF(2)를 제조해낼 수 있다.
본 실시예에 따른 이종섬유 NCF(2)는, 같은 층에 적어도 2종류의 이종섬유(F1,F2)가 일정한 폭으로 일방향으로 배열된 단일층과, 이러한 단일층 들이 서로 다른 각도로 적층되어 스티칭된 혼합층으로 구성된다.
이종섬유로 탄소섬유, 유리섬유, 현무암섬유, 아리미드섬유 등이 사용될 수 있다.
제품(자동차 엔진커버, 항공기 기체 등)이 요구하는 물성에 따라, 혼합층을 구성하는 단일층 들 각각을 구성하는 이종섬유의 종류는 서로 같거나, 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 1층은 탄소섬유와 유리섬유, 2층은 탄소섬유와 현무암섬유, 3층은 현무암섬유와 아라미드섬유, 4층은 탄소섬유와 아라미드섬유로 구성될 수 있다.
이하, 이종섬유(F1,F2)가 탄소섬유(CF), 유리섬유(GF)인 이종섬유 NCF(2)의 다양한 예를 설명한다. 도 4를 참조한다.
[제1예]
1, 2층이 탄소섬유와 유리섬유로 구성된다.
1층이 0도 적층되고, 2층이 90도로 적층된다.
[제2예]
1,2층이 탄소섬유와 유리섬유로 구성된다.
1층이 +45도 적층되고, 2층이 -45도로 적층된다.
한편, 이종섬유 NCF 제조장치(1)에 제3공급유닛, 제4공급유닛, 제3피치가이드, 제4피치가이드를 더 두어, 적층수가 4개인 이종섬유 NCF를 제조해 낼 수 있다. 도 4를 참조한다.
[제3예]
1,2,3,4층이 탄소섬유와 유리섬유로 구성된다.
1층이 0도 적층되고, 2층이 +45도로 적층되고, 3층이 -45도로 적층되고, 4층이 90도 적층된다.
[제4예]
1,2,3,4층이 탄소섬유와 유리섬유로 구성된다.
1층이 +45도 적층되고, 2층이 0도로 적층되고, 3층이 90도로 적층되고, 4층이 -45도 적층된다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 이종섬유로 사용된 탄소섬유와 유리섬유의 물성은 전혀 다르다. 이렇게 서로 다른 물성을 가진 탄소섬유와 유리섬유를 같은 층에 일정한 폭으로 배열하는 것은 쉽지 않다. 특히, 유리섬유의 꼬임이 심해서 더욱 그렇다.
이렇게 유리섬유가 꼬이는 현상을 도 2에 도시된 피치가이드(31,32)로 어느 정도 막을 수 있지만, 유리섬유의 꼬임을 더 확실하게 막기 위해서, 피치가이드를 개선하였다.
이하, 개선된 피치가이드를 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1변형예에 따른 피치가이드(33)는, 하부봉(33a), 홈(33b), 상부봉(33c), 돌기(33d)로 구성된다.
홈(33b)은 하부봉(33a)의 외주면에 일정간격으로 형성된다.
상부봉(32c)은 하부봉(33a)의 상측에 위치된다.
돌기(33d)는 탄소섬유(CF)와 유리섬유(GF)가 지나가는 홈(33b) 모두에 맞물릴 수도 있지만, 본 실시예에서는 꼬임이 심한 유리섬유(GF)가 지나가는 홈(33b)에만 맞물리도록, 유리섬유(GF)가 지나가는 홈(33b) 상측에만 돌기(33d)를 위치시켰다. 돌기(33d)로 인해, 유리섬유(GF)의 꼬임이 방지된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제2변형예에 따른 피치가이드(34)는, 하부봉(34a), 홈(34b), 상부봉(34c), 회전체(34d)로 구성된다.
홈(34b)은 하부봉(34a)의 외주면에 일정간격으로 형성된다.
회전체(34d)는 유리섬유(GF)가 지나가는 홈(34b)에만 맞물리도록, 유리섬유(GF)가 지나가는 홈(34b) 상측에만 회전체(34d)를 위치시켰다. 회전체(34d)는 원통이나 구형태가 될 수 있다.
회전체(34d)의 눌림에 의해, 유리섬유(GF)의 꼬임이 방지된다.
회전체(34d)는 회전하면서 유리섬유(GF)를 꽉 눌러줄 수 있어, 유리섬유(GF)의 꼬임을 보다 확실하게 막을 수 있다.
제1,2변형예에 따른 피치가이드(34)로 인해, 서로 다른 물성을 가진 탄소섬유와 유리섬유를 같은 층에 일정한 폭으로 쉽게 배열할 수 있다.
1: 이종섬유 NCF 제조장치 2: 이종섬유 NCF
10: 제1공급유닛 20: 제2공급유닛
31: 제1피치가이드 32: 제2피치가이드
40: 스티칭유닛 50: 회수유닛

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 적어도 2종류의 이종섬유를 일방향으로 공급하는 제1공급유닛;
    상기 제1공급유닛에서 공급된 이종섬유 위로 적어도 2종류의 이종섬유를 공급하되, 상기 제1공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유와 다른 각도로 공급하는 제2공급유닛;
    상기 제1공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시키는 제1피치가이드;
    상기 제2공급유닛에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유가 서로 얽히지 않게 폭을 일정하게 유지시키는 제2피치가이드; 및
    상기 제1피치가이드에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유와 상기 제2피치가이드에서 공급된 적어도 2종류의 이종섬유를 스티칭 섬유로 묶는 스티칭유닛을 포함하며,
    상기 이종섬유는 탄소섬유와 유리섬유이고,
    상기 제1피치가이드 및 제2피치가이드 각각은,
    하부봉, 상기 하부봉의 외주면에 일정간격으로 형성된 홈, 상기 하부봉의 상부에 위치된 상부봉, 상기 상부봉의 외주면에 일정간격으로 형성된 돌기로 구성된 것을 특징으로 하는 이종섬유 NCF 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 유리섬유가 지나가는 홈에만 맞물리도록, 상기 유리섬유가 지나가는 홈의 상측에만 위치된 것을 특징으로 하는 이종섬유 NCF 제조장치.
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