KR102060058B1

KR102060058B1 - 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트와 3d 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법

Info

Publication number: KR102060058B1
Application number: KR1020180045894A
Authority: KR
Inventors: 최효석
Original assignee: 최효석
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-12-27
Also published as: KR20190130198A

Abstract

본 발명은 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터에 관한 것이다.
본 발명의 제1관점에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치는, 연속 섬유가 권취된 제1권취부; 중공의 관 형태로 이루어지고, 내부에 열가소성 수지가 채워져 있으며, 상기 제1권취부에 권취된 연속 섬유가 일측에 형성된 투입구를 통해 내부로 연속적으로 투입되어 섬유 가닥 사이에 상기 열가소성 수지가 함침되고, 상기 연속 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 이루어진 필라멘트가 타측에 형성된 배출구를 통해 연속적으로 배출되도록 이루어진 수지 함침부; 상기 수지 함침부의 타측에 착탈 가능하게 결합되되 토출구가 상기 배출구와 연통되게 이루어지고, 상기 수지 함침부의 배출구를 통해 배출되는 필라멘트가 통과하여 상기 토출구를 통해 외부로 연속적으로 토출되도록 이루어지는 노즐부; 및 상기 노즐부의 토출구로부터 토출되는 필라멘트가 권취되는 제2권취부;를 포함하고, 상기 노즐부는 토출구 직경이 가변되는 가변 노즐로 이루어지며, 상기 제2권취부의 권취 속도에 따라 상기 연속 섬유에 함침되는 열가소성 수지의 함량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법 {APPARATUS FOR MANUFACTURING FILAMENT HAVING CONTINUOUS FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING PREFORM OF FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL USING 3 DIMENSIONAL PRINTER AND CONTINUOUS FIBER FILAMENT}

본 발명은 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 연속 섬유가 적용된 필라멘트를 3D 프린터에 채용하여 다양한 형상으로 내구성이 우수한 섬유강화 복합재료의 프리폼을 제조할 수 있는 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법에 관한 것이다.

섬유강화 복합재료(fiber reinforced composite material)는 강화재로써 섬유를 이용한 복합재료를 말한다.

기제(基劑)의 종류에 따라 섬유강화 플라스틱(FRP), 섬유강화 금속(FRM), 섬유강화 세라믹(FRC), 섬유강화 콘크리트(FRC) 등이 있다.

섬유 재질은 금속, 글래스, 탄소, 세라믹, 유기물(인공 및 천연) 등이 있다.

또한, 섬유에 무전해도금 등의 표면처리를 하여 사용한 것도 있고, 도금처리조 및 라이닝재에는 FRP가 사용되는 경우가 있다.

이와 같은 섬유강화 복합재료는 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침시켜 얇은 시트 형태로 된 프리프레그를 원하는 형상으로 절단하고 절단된 프리프레그를 적층하여 가열 가압한 다음 수지를 경화시켜 완성되게 된다.

이러한 프리프레그는 강화섬유의 형태에 따라 일방향 프리프레그와 크로스 프리프레그로 구별되고, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지계가 대부분이지만 폴리에테르케톤 등의 열가소성 수지도 사용되고 있다.

종래 기술에 따른 열가소성 수지로 된 프리프레그는, 적층되는 층별 단면 형상에 맞게 원하는 형상으로 절단을 한 다음, 절단된 단면 형상을 순서에 맞춰 적층을 하게 된다.

이때, 열가소성 수지로 된 프리프레그는 상온 상태에서 접착성질이 없는 얇은 플라스틱 시트 형태로 되어 있기 때문에, 열원을 이용하여 접착을 하거나 글루(glue)를 이용하여 접착하는 방식으로 적층을 하여 프리폼(preform)을 완성하게 된다.

그러나, 종래와 같이 열가소성 수지로 된 프리프레그를 원하는 형상으로 절단하여 적층하는 방식으로 프리폼을 제조하는 경우에는, 버려지는 소재가 많기 때문에 제조단가가 비싸지게 되는 문제점이 있다.

아울러, 종래와 같이 작업자가 열가소성 수지로 된 프리프레그를 적층되는 각 층별 단면 형상에 맞게 절단한 다음 절단된 단면형상을 순서대로 적층하는 방식으로 프리폼을 제조하는 경우에는, 작업시간이 많이 소요되어 작업의 효율성이 저하되는 문제점이 있다.

KR 10-2017-0070089 A (2017.06.21.공개)

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연속 섬유가 적용된 필라멘트를 3D 프린터에 채용하여 다양한 형상으로 내구성이 우수한 섬유강화 복합재료의 프리폼을 제조할 수 있는 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1관점에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치는, 연속 섬유가 권취된 제1권취부; 중공의 관 형태로 이루어지고, 내부에 열가소성 수지가 채워져 있으며, 상기 제1권취부에 권취된 연속 섬유가 일측에 형성된 투입구를 통해 내부로 연속적으로 투입되어 섬유 가닥 사이에 상기 열가소성 수지가 함침되고, 상기 연속 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 이루어진 필라멘트가 타측에 형성된 배출구를 통해 연속적으로 배출되도록 이루어진 수지 함침부; 상기 수지 함침부의 타측에 착탈 가능하게 결합되되 토출구가 상기 배출구와 연통되게 이루어지고, 상기 수지 함침부의 배출구를 통해 배출되는 필라멘트가 통과하여 상기 토출구를 통해 외부로 연속적으로 토출되도록 이루어지는 노즐부; 및 상기 노즐부의 토출구로부터 토출되는 필라멘트가 권취되는 제2권취부;를 포함하고, 상기 노즐부는 토출구 직경이 가변되는 가변 노즐로 이루어지며, 상기 제2권취부의 권취 속도에 따라 상기 연속 섬유에 함침되는 열가소성 수지의 함량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수지 함침부의 외면에는 외부 전원으로부터 전력을 인가받아 상기 열가소성 수지를 가열하도록 히팅 코일이 감겨져 있는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 수지 함침부에는 초음파 진동기가 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 노즐부가 결합된 수지 함침부는 수평으로 배치되고, 상기 수지 함침부의 양측에는 제1권취부와 제2권취부가 각각 나란하게 배치된다.

아울러, 상기 노즐부가 결합된 수지 함침부는 상기 토출구가 하방을 향하도록 수직으로 배치되고, 상기 수지 함침부의 상부에는 제1권취부가 배치되며, 상기 수지 함침부의 하부에는 제2권취부가 배치될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터는, 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치에 의해 제조된 필라멘트가 권취된 필라멘트 권취부; 상기 필라멘트 권취부에 권취된 필라멘트를 이송시키되, 상기 필라멘트가 이송되는 이송 라인에 하나 이상 마련되는 이송부; 상기 이송부에 의해 이송되는 필라멘트를 가열하기 위해 상기 이송 라인에 배치되는 튜브 형태의 가열부; 및 상기 가열부에 의해 가열된 필라멘트가 투입되어 베이스 플레이트로 토출하는 토출부;를 포함하고, 상기 토출부는 토출구 직경이 가변되는 가변 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이송부는 상기 필라멘트를 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 롤러로 이루어지되 복수로 마련되어 이송 라인에 일정 간격을 두고 배치되며, 상기 복수의 이송부 사이에는 상기 필라멘트를 컷팅하기 위한 컷팅부가 설치되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 컷팅부에는 가열수단이 마련될 수 있다.

아울러, 상기 토출부에는 초음파 진동기가 설치되는 것이 바람직하다.

다른 구성으로, 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터는, 연속 섬유가 권취된 연속 섬유 권취부; 상기 연속 섬유 권취부에 권취된 연속 섬유를 이송시키고, 상기 연속 섬유가 이송되는 이송 라인의 연속 섬유를 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 롤러로 이루어지되 복수로 마련되어 상기 이송 라인에 일정 간격을 두고 배치되는 연속 섬유 이송부; 열가소성 수지로 된 필라멘트를 공급하도록 상기 연속 섬유 권취부의 일측에 배치되는 수지 필라멘트 공급부; 튜브 형태로 이루어져 상기 수지 필라멘트 공급부로부터 공급받은 필라멘트를 가열하는 수지 필라멘트 가열부; 및 상기 수지 필라멘트 가열부에 의해 가열된 필라멘트가 투입되어 베이스 플레이트로 토출하는 수지 필라멘트 토출부;를 포함하고, 상기 연속 섬유 이송부에 의해 연속적인 형태로 베이스 플레이트에 토출된 연속 섬유는 상기 수지 필라멘트 토출부에 의해 토출되는 필라멘트로 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 연속 섬유 이송부 사이에는 상기 연속 섬유를 컷팅하기 위한 연속 섬유 컷팅부가 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 제3관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법은, 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치에 의해 제조된 필라멘트가 권취된 필라멘트 권취부로부터 필라멘트를 토출하는 3D 프린터의 토출부로 연속적으로 이송하는 이송단계; 상기 필라멘트가 상기 토출부로 이송되는 이송라인에 배치된 튜브 형태의 가열부를 상기 필라멘트가 통과하면서 가열되도록 하는 가열단계; 및 상기 가열된 필라멘트가 상기 토출부에 투입되어 베이스 플레이트로 연속적으로 토출하는 토출단계;를 포함하고, 상기 토출부에 설치된 초음파 진동기에 의해 상기 토출부를 초음파 진동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필라멘트가 가열부에 통과하기 전에 위치한 이송라인에 설치된 컷팅부에서 상기 필라멘트를 컷팅하는 컷팅단계를 더 포함할 수 있다.

아울러, 상기 컷팅부에는 가열수단이 마련되는 것이 바람직하다.

게다가, 상기 토출부는 토출구 직경이 가변되는 가변노즐로 이루어지는 것이 바람직하다.

다른 방법으로, 본 발명의 제3관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법은, 연속 섬유가 권취된 연속 섬유 권취부로부터 연속섬유를 베이스 플레이트에 연속적으로 이송하여 배치하는 이송단계; 수지 필라멘트 공급부로부터 열가소성 수지로 된 필라멘트를 상기 베이스 플레이트 위에 배치된 연속섬유에 공급하는 수지 필라멘트 공급단계; 상기 필라멘트가 공급되는 공급라인에 배치된 튜브 형태의 수지 필라멘트 가열부를 상기 필라멘트가 통과하면서 가열되도록 하는 가열단계; 및 상기 가열된 필라멘트가 3D 프린터의 수지 필라멘트 토출부에 투입되어 상기 연속섬유 위에 연속적으로 토출하는 토출단계;를 포함하고, 상기 연속적인 형태로 베이스 플레이트에 토출된 연속 섬유는 상기 수지 필라멘트 토출부에 의해 토출되는 필라멘트로 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연속섬유가 베이스 플레이트에 공급되는 공급라인에 설치된 연속 섬유 컷팅부에서 상기 연속 섬유를 컷팅하는 컷팅단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 연속 섬유의 섬유 가닥 사이에 열가소성 수지가 함침된 연속 섬유 적용 필라멘트를 3D 프린터에 채용함으로써, 종래와 같이 프리프레그(prepreg)를 사용하여 섬유강화 복합재료의 프리폼을 만드는 경우 사용되는 재료가 많이 낭비되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용함으로써 섬유강화 복합재료의 프리폼의 내구성을 향상시킬 수 있고, 다양한 형상의 프리폼을 제조할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명은 노즐부를 토출구 직경이 가변되는 가변 노즐로 마련함으로써, 직경이 큰 연속 섬유와 높은 점도를 가지는 열가소성 수지를 사용하는 경우에는 노즐부의 토출구 직경을 크게 조절하고 직경이 작은 연속 섬유와 낮은 점도를 가지는 열가소성 수지를 사용하는 경우에는 노즐부의 토출구 직경을 작게 조절할 수 있어 연속 섬유의 직경 및 열가소성 수지의 점도에 따라 노즐부를 교체하지 않아도 되기 때문에 작업의 효율성 및 생산성이 증가하게 되고, 연속 섬유에 함침되는 열가소성 수지의 함량을 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 수지 함침부의 타측에 노즐부를 착탈 가능하게 결합함으로써, 노즐부의 교체 및 유지보수가 편리한 효과가 있다.

아울러, 본 발명은 수지 함침부의 외면에 히팅 코일을 감아 열가소성 수지를 가열함으로써, 열가소성 수지가 연화되어 연속 섬유의 섬유 가닥 사이에 함침이 잘 되도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 수지 함침부에 초음파 진동기를 설치함으로써, 연속 섬유의 섬유 가닥 사이에 열가소성 수지가 함침이 되도록 하여 섬유 가닥의 결속력을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 섬유강화 복합재료 프리폼의 내구성이 향상될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치를 수평식 또는 수직식으로 배치함으로써, 설치공간에 제약 받지 않고 공간활용을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치를 수직식으로 배치함으로써, 열가소성 수지가 수지 함침부 내부에 잔류함이 없이 자유낙하식으로 자연스럽게 토출될 수 있도록 하는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터의 토출부에 초음파 진동기를 설치함으로써, 토출부에 수지가 잔류하는 것을 방지하여 토출부를 통해 토출되어 베이스 플레이트에 적층되는 필라멘트의 형상을 미려하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1관점에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치가 수평으로 배치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 노즐에 초음파 진동자가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치가 수직으로 배치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 토출부에 초음파 진동자가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 7의 (a) 내지 (g)는 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터의 토출부를 통해 연속 섬유 적용 필라멘트가 배치되는 형태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치 및 이에 의해 제조된 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 제1관점에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치가 수평으로 배치된 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1관점에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 제1권취부(1), 수지 함침부(2), 노즐부(3) 및 제2권취부(4)를 포함하여 이루어진다.

제1권취부(1)는 무기 섬유나 유기 섬유로 된 끊김이 없는 연속 섬유(F1)가 롤 형태로 권취되어 마련되고, 권취된 연속 섬유(F1)가 일방향으로 풀리는 경우 회전 가능하게 설치된다.

수지 함침부(2)는 소정 길이를 가지는 중공의 관 형태로 이루어져 내부에 PP, PA, PU, PEI, PEEK 등과 같은 열가소성 수지가 채워져 있다.

이러한 수지 함침부(2)는 수평으로 배치되고, 수지 함침부(2)의 양측에는 제1권취부(1)와 후술할 제2권취부(4)가 각각 나란하게 배치된다.

이에 따라, 제1권취부(1)에 권취된 연속 섬유(F1)가 수지 함침부(2)의 길이 방향 일측(2a)에 형성된 투입구를 통해 내부로 연속적으로 투입되어 섬유 가닥 사이에 열가소성 수지가 함침된다.

이후, 연속 섬유(F1)에 열가소성 수지가 함침되어 이루어진 필라멘트(M)가 수지 함침부(2)의 길이 방향 타측(2b)(투입구가 형성된 일측(2a)과 반대측)에 형성된 배출구를 통해 연속적으로 배출된다.

이와 같은 수지 함침부(2)의 외면에는 외부 전원으로부터 전력을 인가받아 내부에 채워진 열가소성 수지를 가열하도록 히팅 코일(C)이 감겨져 있다.

이와 달리, 수지 함침부(2)의 내면에 히팅 코일을 내설할 수도 있고, 열가소성 수지를 가열할 수 있으면 기타 다른 구성으로도 얼마든지 대체가능하다.

이처럼 수지 함침부(2)의 외면에 히팅 코일(C)을 감아 열가소성 수지를 가열함으로써, 열가소성 수지가 연화되어 연속 섬유(F1)의 섬유 가닥 사이에 함침이 잘 이루어지게 된다.

노즐부(3)는 수지 함침부(2)의 타측(2b)에 착탈 가능하게 결합되되 토출구(3a)가 수지 함침부(2)의 타측(2b)에 형성된 배출구와 연통되게 이루어지고, 수지 함침부(2)의 배출구를 통해 배출되는 필라멘트(M)(연속 섬유(F1)에 열가소성 수지가 함침되어 이루어진 필라멘트)가 통과하여 토출구(3a)를 통해 외부로 연속적으로 토출되도록 이루어진다.

이러한 노즐부(3)는 토출구(3a) 직경이 가변되는 가변 노즐로 이루어지는 것이 바람직하다.

가변 노즐은 공지공용된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이처럼 노즐부(3)를 토출구(3a) 직경이 가변되는 가변 노즐로 마련함으로써, 직경이 큰 연속 섬유와 높은 점도를 가지는 열가소성 수지를 사용하는 경우에는 노즐부(3)의 토출구(3a) 직경을 크게 조절하고 직경이 작은 연속 섬유와 낮은 점도를 가지는 열가소성 수지를 사용하는 경우에는 노즐부(3)의 토출구(3a) 직경을 작게 조절할 수 있어 연속 섬유의 직경 및 열가소성 수지의 점도에 따라 노즐부(3)를 교체하지 않아도 되는 장점이 있다. 이에 따라, 작업의 효율성 및 생산성이 증가하게 된다. 또한, 연속 섬유에 함침되는 열가소성 수지의 함량을 조절할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 수지 함침부(2)의 타측(2b)에 노즐부(3)를 나사결합 방식이나 끼워맞춤 방식 등으로 착탈 가능하게 결합함으로써, 노즐부(3)의 교체 및 유지보수를 편리하게 할 수 있다.

제2권취부(4)는 노즐부(3)의 토출구(3a)로부터 토출되는 필라멘트(M)가 권취되는 권취릴(4a)과, 권취릴(4a)의 중심에 끼워져 권취릴(4a)과 일체로 회전하는 회전축(4b)으로 이루어진다.

회전축(4b)은 구동모터(미도시)에 연결되어 구동모터로부터 동력을 전달받아 회전하게 되는데, 이와 같이 제2권취부(4)의 권취 속도(회전 속도)에 따라 연속 섬유(F1)에 함침되는 열가소성 수지의 함량을 조절할 수 있게 된다.

즉, 제2권취부(4)의 권취 속도를 빠르게 하면 수지 함침부(2)의 내부에서 연속 섬유(F1)에 함침되는 열가소성 수지의 함량은 적어지게 되고, 제2권취부(4)의 권취 속도를 느리게 하면 수지 함침부(2)의 내부에서 연속 섬유(F1)에 함침되는 열가소성 수지의 함량은 많아지게 된다.

도 2는 도 1의 노즐에 초음파 진동자가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.

수지 함침부(2)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 진동기(B1)가 설치될 수 있다.

이와 같이 수지 함침부(2)에 초음파 진동기(B1)를 설치함으로써, 연속 섬유(F1)의 섬유 가닥 사이에 열가소성 수지가 함침이 되도록 하여 섬유 가닥의 결속력을 증대시킬 수 있게 된다.

이에 따라, 섬유강화 복합재료 프리폼의 내구성이 향상될 수 있다.

도 3은 도 1의 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치가 수직으로 배치된 상태를 나타낸 도면이다.

노즐부(3)가 결합된 수지 함침부(2)는 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐부(3)의 토출구(3a)가 하방을 향하도록 수직으로 배치되고, 수지 함침부(2)의 상부에는 제1권취부(1)가 배치되며, 수지 함침부(2)의 하부에는 제2권취부(4)가 배치될 수 있다.

이처럼 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치를 수직식으로 배치함으로써, 설치공간에 제약 받지 않고 공간활용을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터는, 도 4에 도시된 바와 같이 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치에 의해 제조된 필라멘트(M)가 권취된 필라멘트 권취부(10); 필라멘트 권취부(10)에 권취된 필라멘트(M)를 이송시키되, 필라멘트(M)가 이송되는 이송 라인에 하나 이상 마련되는 이송부(20); 이송부(20)에 의해 이송되는 필라멘트(M)를 가열하기 위해 상기 이송 라인에 배치되는 튜브 형태의 가열부(30); 및 가열부(30)에 의해 가열된 필라멘트(M)가 투입되어 베이스 플레이트(P)로 토출하는 토출부(40);를 포함하여 이루어진다.

필라멘트 권취부(10)는 필라멘트(M)가 권취되는 권취릴(11)과, 권취릴(11)의 중심에 끼워져 권취릴(11)과 일체로 회전하는 회전축(13)을 포함한다.

이때, 이송부(20)는 상기 필라멘트(M)를 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 롤러로 이루어지되 복수로 마련되어 이송 라인에 일정 간격을 두고 배치된다.

또한, 이러한 복수의 이송부(20) 사이에는 상기 필라멘트(M)를 컷팅하기 위한 컷팅부(50)가 설치될 수 있다.

이와 같은 컷팅부(50)에는 가열수단을 마련하여 상기 컷팅부(50)를 가열함으로써, 필라멘트(M)의 컷팅을 원활하게 할 수 있게 된다.

아울러, 토출부(40)는 토출구(41) 직경이 가변되는 가변 노즐로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 가변 노즐은 공지공용의 기술이므로 이에 대한 설명은 생략한다.

이처럼 토출부(40)를 토출구(41)의 직경이 가변되는 가변 노즐로 마련함으로써, 직경이 큰 필라멘트(M)를 사용하는 경우에는 토출부(40)의 토출구(41) 직경을 크게 조절하고 직경이 작은 필라멘트(M)를 사용하는 경우에는 토출부(40)의 토출구(41) 직경을 작게 조절할 수 있어 필라멘트(M)의 직경에 따라 토출부(40)를 교체하지 않아도 되는 장점이 있다. 이에 따라, 작업의 효율성 및 생산성이 증가하게 된다.

도 5는 도 4의 토출부에 초음파 진동자가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.

토출부(40)에는 도 5에 도시된 바와 같이, 초음파 진동기(B2)가 설치될 수 있다.

이에 따라, 토출부(40)에 수지가 잔류하는 것을 방지하여 토출부(40)를 통해 토출되어 베이스 플레이트(P)에 적층되는 필라멘트(M)의 형상을 미려하게 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터의 다른 예를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터는, 도 6에 도시된 바와 같이 롤 형태로 연속 섬유(F2)가 권취된 연속 섬유 권취부(100); 연속 섬유 권취부(100)에 권취된 연속 섬유(F2)를 이송시키고, 연속 섬유(F2)가 이송되는 이송 라인의 연속 섬유(F2)를 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 롤러로 이루어지되 복수로 마련되어 상기 이송 라인에 일정 간격을 두고 배치되는 연속 섬유 이송부(200); 열가소성 수지로 된 필라멘트(R)를 공급하도록 연속 섬유 권취부(100)의 일측에 배치되는 수지 필라멘트 공급부(300); 튜브 형태로 이루어져 수지 필라멘트 공급부(300)로부터 공급받은 필라멘트(R)를 가열하는 수지 필라멘트 가열부(400); 및 수지 필라멘트 가열부(400)에 의해 가열된 필라멘트(R)가 투입되어 베이스 플레이트(P)로 토출하는 수지 필라멘트 토출부(500);를 포함하여 이루어진다.

수지 필라멘트 공급부(300)는 수지 필라멘트(R)가 권취된 수지 필라멘트 권취릴(310)과, 수지 필라멘트 권취릴(310)의 중심에 끼워져 수지 필라멘트 권취릴(310)과 일체로 회전하는 회전축(330)을 포함하여 이루어진다.

이와 같이 구성되어 연속 섬유 이송부(200)에 의해 연속적인 형태로 베이스 플레이트(P)에 토출된 연속 섬유(F2)는 수지 필라멘트 토출부(500)에 의해 토출되는 필라멘트(R)로 고정되게 된다.

이때, 복수의 연속 섬유 이송부(200) 사이에는 연속 섬유(F2)를 컷팅하기 위한 연속 섬유 컷팅부(600)가 설치될 수 있다.

도 7의 (a) 내지 (g)는 본 발명의 제2관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용하는 3D 프린터의 토출부를 통해 연속 섬유 적용 필라멘트가 배치되는 형태를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 토출부를 통해 필라멘트를 세로선 배열 형태(도 7의 (a)), 가로선 배열 형태(도 7의 (b)), 사선 형태(도 7의 (c)), 바둑판 형태(도 7의 (d))로 배치할 수 있고, 토출부를 통해 필라멘트가 배치되는 형태에 따라 끊김이 없도록 배치할 수 있으며(도 7의 (e) 내지 (g)), 배치되는 층 마다 섬유의 방향을 다르게 하여 배치할 수도 있다.

이처럼 본 발명은 연속 섬유의 섬유 가닥 사이에 열가소성 수지가 함침된 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용함으로써, 종래와 같이 프리프레그(prepreg)를 사용하여 프리폼을 만드는 경우 사용되는 재료가 많이 낭비되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 연속 섬유 적용 필라멘트를 사용함으로써, 섬유강화 복합재료 프리폼의 내구성을 향상시킬 수 있고, 다양한 형상의 프리폼을 구현할 수 있다.

한편, 본 발명의 제3관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법은, 도 4에 도시된 바와 같이 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치에 의해 제조된 필라멘트(M)가 권취된 필라멘트 권취부(10)로부터 필라멘트(M)를 토출하는 3D 프린터의 토출부(40)로 연속적으로 이송하는 이송단계; 필라멘트(M)가 토출부(40)로 이송되는 이송라인에 배치된 튜브 형태의 가열부(30)를 필라멘트(M)가 통과하면서 가열되도록 하는 가열단계; 및 가열된 필라멘트(M)가 토출부(40)에 투입되어 베이스 플레이트(P)로 연속적으로 토출하는 토출단계;를 포함하여 이루어진다.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이 토출부(40)에 설치된 초음파 진동기(B2)에 의해 토출부(40)를 초음파 진동시켜 토출부(40) 내에 수지가 잔류하는 것을 방지하여 토출부(40)를 통해 토출되어 베이스 플레이트(P)에 적층되는 필라멘트(M)의 형상을 미려하게 할 수 있다.

또한, 필라멘트(M)가 가열부(30)에 통과하기 전에 위치한 이송라인에 설치된 컷팅부(50)에서 필라멘트(M)를 컷팅하는 컷팅단계를 더 포함할 수 있는데, 컷팅부(50)에는 가열수단이 마련되는 것이 바람직하다.

게다가, 토출부(40)는 토출구 직경이 가변되는 가변노즐로 이루어질 수 있다.

다른 방법으로, 본 발명의 제3관점에 따른 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법은, 도 7에 도시된 바와 같이 연속 섬유(F2)가 권취된 연속 섬유 권취부(100)로부터 연속섬유(F2)를 베이스 플레이트(P)에 연속적으로 이송하여 배치하는 이송단계; 수지 필라멘트 공급부(300)로부터 열가소성 수지로 된 필라멘트(R)를 베이스 플레이트(P) 위에 배치된 연속섬유(F2)에 공급하는 수지 필라멘트 공급단계; 필라멘트(R)가 공급되는 공급라인에 배치된 튜브 형태의 수지 필라멘트 가열부(400)를 필라멘트(R)가 통과하면서 가열되도록 하는 가열단계; 및 가열된 필라멘트(R)가 3D 프린터의 수지 필라멘트 토출부(500)에 투입되어 연속섬유(F2) 위에 연속적으로 토출하는 토출단계;를 포함하여 이루어진다.

이에 따라, 연속적인 형태로 베이스 플레이트(P)에 토출된 연속 섬유(F2)는 수지 필라멘트 토출부(500)에 의해 토출되는 필라멘트(R)로 고정되게 된다.

또한, 연속섬유(F2)가 베이스 플레이트(P)에 공급되는 공급라인에 설치된 연속 섬유 컷팅부(600)에서 연속 섬유를 컷팅하는 컷팅단계를 더 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1 : 제1권취부 2 : 수지 함침부
3 : 노즐부 4 : 제2권취부
10 : 필라멘트 권취부 20 : 이송부
30 : 가열부 40 : 토출부
50 : 컷팅부 100 : 연속 섬유 권취부
200 : 연속 섬유 이송부 300 : 수지 필라멘트 공급부
400 : 수지 필라멘트 가열부 500 : 수지 필라멘트 토출부
600 : 연속 섬유 컷팅부 F1, F2 : 연속 섬유
M : 연속 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 이루어진 필라멘트
R : 열가소성 수지 필라멘트
B1, B2 : 초음파 진동기

Claims

연속 섬유가 권취된 제1권취부;
중공의 관 형태로 이루어지고, 내부에 열가소성 수지가 채워져 있으며, 상기 제1권취부에 권취된 연속 섬유가 일측에 형성된 투입구를 통해 내부로 연속적으로 투입되어 섬유 가닥 사이에 상기 열가소성 수지가 함침되고, 상기 연속 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 이루어진 필라멘트가 타측에 형성된 배출구를 통해 연속적으로 배출되도록 이루어진 수지 함침부;
상기 수지 함침부의 타측에 착탈 가능하게 결합되되 토출구가 상기 배출구와 연통되게 이루어지고, 상기 수지 함침부의 배출구를 통해 배출되는 필라멘트가 통과하여 상기 토출구를 통해 외부로 연속적으로 토출되도록 이루어지는 노즐부; 및
상기 노즐부의 토출구로부터 토출되는 필라멘트가 권취되는 제2권취부;를 포함하고,
상기 노즐부는 토출구 직경이 가변되는 가변 노즐로 이루어지며,
상기 제2권취부는 노즐부의 토출구로부터 토출되는 필라멘트가 권취되는 권취릴과, 권취릴의 중심에 끼워져 구동모터에 의하여 권취릴과 일체로 회전하는 회전축으로 구성되며, 상기 제2권취부의 권취 속도에 따라 상기 연속 섬유에 함침되는 열가소성 수지의 함량을 조절하며,
상기 수지 함침부에는 초음파 진동기가 설치되어 연속섬유의 섬유가닥 사이에 열가소성 수지가 함침되도록 하여 섬유가닥의 결속력을 증대시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수지 함침부의 외면에는 외부 전원으로부터 전력을 인가받아 상기 열가소성 수지를 가열하도록 히팅 코일이 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 노즐부가 결합된 수지 함침부는 수평으로 배치되고, 상기 수지 함침부의 양측에는 제1권취부와 제2권취부가 각각 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐부가 결합된 수지 함침부는 상기 토출구가 하방을 향하도록 수직으로 배치되고, 상기 수지 함침부의 상부에는 제1권취부가 배치되며, 상기 수지 함침부의 하부에는 제2권취부가 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치.
청구항 1, 청구항2, 청구항 4, 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 따른 연속 섬유가 적용된 필라멘트 제조 장치에 의해 제조된 필라멘트가 권취된 필라멘트 권취부로부터 필라멘트를 토출하는 3D 프린터의 토출부로 연속적으로 이송하는 이송단계;
상기 필라멘트가 상기 토출부로 이송되는 이송라인에 배치된 튜브 형태의 가열부를 상기 필라멘트가 통과하면서 가열되도록 하는 가열단계; 및
상기 가열된 필라멘트가 상기 토출부에 투입되어 베이스 플레이트로 연속적으로 토출하는 토출단계;를 포함하고,
상기 토출부에 설치된 초음파 진동기에 의해 상기 토출부를 초음파 진동시키는 것을 특징으로 하는 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 필라멘트가 가열부에 통과하기 전에 위치한 이송라인에 설치된 컷팅부에서 상기 필라멘트를 컷팅하는 컷팅단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 컷팅부에는 가열수단이 마련되는 것을 특징으로 하는 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 토출부는 토출구 직경이 가변되는 가변노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속 섬유 적용 필라멘트와 3D 프린터를 이용한 섬유강화 복합재료의 프리폼 제조방법.
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