KR102095024B1 - 복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법 - Google Patents

복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법 Download PDF

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최진호
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경상대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법에 의하면 복합재료의 연속적인 터프팅이 가능하고, 나아가 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성하는 새로운 터프팅 구조를 구현함으로써 복합재료의 z 방향 강도를 강화시킨 것을 특징으로 한다.

Description

복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법{CONTINUOUS TUFTING DEVICE FOR COMPOSITE MATERIALS AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
복합재료란 두 종류 이상의 소재를 복합화한 후 물리적·화학적으로 각각의 소재가 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 말한다. 대표적인 복합재료로는 탄소 섬유, 아라미드 섬유(소위 `케블라 섬유`) 등이 있으며, 이들은 고강도 경량소재로서 자동차 및 항공·우주 분야에서 각광받고 있다.
한편, 최근에는 복합재료의 두께 방향(이하 `z 방향`) 강도를 보강시키기 위한 기술이 요구되고 있다. 복합재료의 z 방향 강도는 복합재료의 z 방향으로 섬유를 보강시켜 3차원적인 섬유 배열구조를 형성함으로써 향상시킬 수 있으며, 3차원 구조를 형성하기 위한 기술로는 브레이딩, z-pinning, 스티칭, 터프팅 등이 있다.
터프팅은 구조물(이하 `프리폼`)을 관통한 섬유가 프리폼의 반대편에 고리 또는 술을 형성하는 것을 특징으로 하며, 단일 방향에서 작업이 가능하고, 프리폼에 대하여 소정 각도를 가지도록 상기 구조를 형성하여 구조물을 전체 혹은 부분적으로 보강할 수 있는 장점이 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는 종래 터프팅 방법 및 구조를 나타낸 도면이다. 종래 터프팅은 프리폼(3) 상에서 수행되었으며, 프리폼(3) 하측에는 터프팅 구조를 형성한 섬유(1)를 임시로 고정시키기 위해 폼을(4) 구비하였다. 구체적으로, 터프팅은 단차 내지 홈이 있는 바늘(2)이 프리폼(3)을 관통하여 프리폼(3) 하측에 구비된 폼(4)에 박히도록 함으로써 폼(4)에 섬유(1)를 제공하고, 상기 폼(4)으로부터 바늘(2)만 제거하는 과정을 반복함으로써 진행되었다. 한편, 터프팅 완료 후에는 반드시 섬유(1)가 임시로 고정되어 있던 폼(4)을 제거하는 과정을 거쳐야 했는데, 이 과정에서 터프팅 구조가 변형 내지 손상되는 경우가 종종 발생하는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복합재료의 연속적인 터프팅이 가능하고, 나아가 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성하는 새로운 터프팅 구조의 구현이 가능한 복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치는 섬유를 일단으로 공급받아 타단으로 토출하도록 내부에 중공이 형성되어 복합재료를 터프팅 하는 바늘을 포함하는 바늘 조립체, 바늘 조립체와 연결되며, 바늘이 복합재료의 상측과 복합재료의 하측 사이에서 상하 방향으로 이동하면서 복합재료를 터프팅 할 수 있도록 바늘 조립체를 상하 왕복 운동시키는 터프팅 조작부, 섬유와 접촉하여 마찰력에 의해 섬유를 상기 바늘 조립체의 상하 왕복 운동과 연동하여 바늘에 공급하는 섬유 공급부, 바늘 조립체 내부에 공압을 제공하여, 섬유 공급부에 의해 바늘로 공급되는 섬유를 바늘의 중공으로 유도하는 공압 공급부, 및 바늘 조립체의 상하 왕복 운동과 연동하여 바늘 또는 복합재료를 소정 간격만큼 횡으로 이동시키는 수평 이송부를 포함하여, 복합재료를 관통하는 바늘로부터 토출되는 섬유에 의해 터프팅 구조를 연속적으로 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 섬유 공급부는 섬유에 접촉하여 상기 섬유를 상기 바늘로 공급하도록 정방향으로 회전하거나 상기 바늘에 공급된 섬유가 당겨지도록 역방향으로 회전하는 롤러, 롤러를 구동하기 위한 동력을 제공하는 섬유 공급 모터, 바늘 조립체의 상하 왕복 운동에 따른 바늘 조립체의 위치를 감지하는 센서, 및 센서에 감지된 바늘 조립체의 위치에 기초하여 섬유 공급 모터를 작동시켜 롤러를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 제어부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복합재료의 하측으로부터 이격 배치되며, 바늘의 타단을 포함한 바늘의 일부가 관통하는 관통공이 형성된 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 바늘은 관통공을 관통하면서 인접한 터프팅 간에 서로 교차 시켜 매듭을 형성할 수 있으며, 제어부는 매듭을 고정시키기 위해 바늘로부터 토출된 섬유가 당겨지도록 섬유 공급 모터를 작동시켜 롤러를 역방향으로 구동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 방법은 복합재료의 상측에서 복합재료의 하측으로 내부에 중공이 형성된 바늘을 관통시키는 단계, 바늘의 중공을 통해 섬유를 소정 길이로 토출시켜 복합재료의 하측에 터프팅 구조를 형성하는 단계, 바늘을 복합재료의 하측에서 복합재료의 상측으로 다시 관통시키는 단계, 및 바늘 또는 복합재료를 소정 간격만큼 횡으로 이동시키는 단계를 포함하며, 상기 단계들이 반복적으로 수행됨으로써 연속적인 터프팅 구조를 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 복합재료의 하측에 기 형성된 터프팅 구조가 있는 경우, 바늘은 소정 간격만큼 횡으로 이동한 위치에서 복합재료만을 관통하여 터프팅 구조를 형성하거나, 또는 복합재료와 기 형성된 터프팅 구조를 모두 관통하여 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 바늘이 복합재료와 기 형성된 터프팅 구조를 모두 관통하여 인접한 터프팅 간에 매듭을 형성한 경우, 형성된 매듭을 고정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법은 섬유에 의해 형성된 터프팅 구조를 임시로 고정시키기 위한 별도의 폼을 필요로 하지 않아 터프팅 공정을 단축시킬 수 있고, 연속적으로 터프팅 수행이 가능하며, 나아가 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성하는 새로운 터프팅 구조를 구현함으로써 섬유와 복합재료 사이의 z 방향 체결 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는 종래 터프팅 구조 및 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘 조립체와 터프팅 조작부가 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘 조립체 및 바디부에 내설된 섬유 공급부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘 조립체 및 플레이트 구성을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 구조를, 도 6의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형된 복합재료 연속 터프팅 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형된 복합재료 연속 터프팅 구조를 구현하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 복합재료 연속 터프팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘 조립체와 터프팅 조작부가 결합된 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘 조립체 및 바디부에 내설된 섬유 공급부를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바늘 조립체 및 플레이트 구성을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 구조를, 도 6의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형된 복합재료 연속 터프팅 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형된 복합재료 연속 터프팅 구조를 구현하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 복합재료(m)는 강화 섬유 기재가 적층된 판 형태의 프리폼 또는 적층된 강화 기재에 수지를 함침시킨 판 형태의 프리프레그일 수 있으며, 이는 복합재료를 상기 프리폼 또는 프리프레그로 한정하는 것이 아니라 본 발명에 따른 복합재료의 바람직한 일 실시예로서 이해되어야 한다.
본 명세서에서 섬유(f)는 복합재료(m)와 유사한 고강도 경량 소재일 수 있다. 바람직하게는, 복합재료(m)가 프리폼인 경우 섬유(f)는 카본 섬유 또는 아라미드 섬유일 수 있고, 복합재료(m)가 프리프레그인 경우 섬유(f)는 아라미드 섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치(1000)는 상기 장치(1000)의 하중을 지지하는 베이스(10)와 상기 장치(1000)의 상면 및 측면의 적어도 일부를 덮도록 상기 장치(1000)에 결합되는 커버(20)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치(1000)는 바늘 조립체(100), 터프팅 조작부(200), 섬유 공급부(300), 공압 공급부(400), 그리고 수평 이송부(500)를 포함할 수 있다.
바늘 조립체(100)는 섬유(f)를 일단으로 공급받아 타단으로 토출하도록 내부에 중공(111)이 형성되어 복합재료(m)를 터프팅 하는 바늘(110)을 포함할 수 있다. 중공(111)은 일반적인 실보다 두꺼운 굵기의 섬유가 통과할 수 있는 크기로 형성되어, 본 발명의 실시예에 따른 섬유(f)를 이용하여 복합재료(m)의 터프팅 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 바늘 조립체(100)는 바디부(130)와 바디부(130)에 연결되는 바늘 고정부(120)를 포함할 수 있다. 바디부(130)는 후술할 섬유 공급부(300)가 내설되는 공간을 형성할 수 있으며, 바디부(130)의 하단부는 개구되어 바늘 고정부(120)의 연통공(121) 및 바늘(110)의 중공(111)과 연통되고, 바디부(130)의 상단부에는 후술할 공압 공급부(400)를 통해 바늘 조립체(100) 내부로 제공되는 공압이 유입되는 유입구가 형성될 수 있다. 바늘 고정부(120)는 바디부(130)의 하단에 연결되며, 바늘(110)의 중공(111)과 바디부(130)의 공간을 연통하는 통로 형태의 연통공(121)을 포함할 수 있다. 바늘 고정부(120)는 바늘(110)을 고정하고, 바늘(110) 및 바디부(130)와 함께 상하 왕복 운동할 수 있다.
터프팅 조작부(200)는 바늘 조립체(100)와 연결되며, 바늘(110)이 복합재료(m)의 상측과 복합재료(m)의 하측 사이에서 상하 방향으로 이동하면서 복합재료(m)를 터프팅 할 수 있도록 바늘 조립체(100)를 상하 왕복 운동시킬 수 있다. 터프팅 조작부(200)는 터프팅 조작 모터(210), 터프팅 조작 모터(210)의 회전에 의해 바늘 조립체(100)를 상하 왕복 운동시키도록 터프팅 조작 모터(210)와 바늘 조립체(100)를 연결하는 링크(220), 및 바늘 조립체(100)와 연결되어 바늘 조립체(100)의 수직 이송을 안내하는 수직 이송 레일(230)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 링크(220)의 일측은 축을 통해 터프팅 조작 모터(210)와 회전 가능하게 연결되고, 타측은 바늘 조립체(100)의 일면과 연결되어, 터프팅 조작 모터(210)에 의해 회전하면서 바늘 조립체(100)를 상하 왕복 운동시킬 수 있다. 수직 이송 레일(230)은 상하 방향으로 형성되어 바늘 조립체(100)의 일면에 연결될 수 있으며, 바늘 조립체(100)는 수직 이송 레일(230)의 길이 방향을 따라 왕복 운동할 수 있다. 링크(220) 및 수직 이송 레일(230)은 바늘 조립체(100)의 상측에 설치된 공압 공급부(400)와도 연결될 수 있다. 이러한 터프팅 조작부(200)에 의해 바늘(110)은 바늘 조립체(100)와 함께 상하 왕복 운동하여 복합재료(m)를 관통할 수 있으며, 바늘(110)은 후술할 섬유 공급부(300)로부터 중공(111)의 일단으로 공급받은 섬유(f)를 타단으로 토출하여 복합재료(m)를 터프팅 할 수 있다.
섬유 공급부(300)는 바늘 조립체(100)의 바디부(130)에 내설되어 바늘 조립체(100)의 상하 왕복 운동과 연동하여 바늘(110)에 섬유(f)를 공급할 수 있으며, 자세하게는 섬유(f)와 접촉하여 마찰력에 의해 섬유(f)를 바늘(110)로 공급할 수 있다. 섬유 공급부(300)는 바늘(110)이 복합재료(m)를 관통한 상태에서 섬유(f)를 바늘의 일단(110a)으로 공급하고 바늘의 타단(110b)으로 토출시킬 수 있다.
섬유 공급부(300)는 섬유(f)에 접촉하여 섬유(f)를 바늘(110)로 공급하도록 정방향으로 회전하거나, 바늘(110)에 공급된 섬유(f)가 당겨지도록 역방향으로 회전하는 롤러(310), 롤러(310)를 구동하기 위한 동력을 제공하는 섬유 공급 모터(320), 바늘 조립체(100)의 상하 왕복 운동에 따른 바늘 조립체(100)의 위치를 감지하는 센서(미도시), 및 센서에 감지된 바늘 조립체(100)의 위치에 기초하여 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
롤러(310)는 회전을 통해 섬유(f)를 이동시킬 수 있도록 표면에 마찰계수가 높은 물질, 예를 들어 고무 등을 포함할 수 있다. 롤러(310)는 적어도 2개 이상으로 구비되며, 롤러(310) 사이로 섬유(f)가 통과하되 롤러(310)와 섬유(f)가 접촉할 수 있도록 섬유(f)의 두께만큼 이격 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 롤러(310)는 2개의 롤러(310), 예를 들어, 섬유 공급 모터(320)와 연결되어 섬유 공급 모터(320)에 의해 회전하는 제1롤러(311)와 제1롤러(311)로부터 섬유(f) 두께만큼 이격 배치된 제2롤러(312)로 이루어질 수 있다.
또한, 섬유(f)를 공급받는 바늘(110)은 롤러(310)의 하측에 배치되되, 바늘(110)의 중공(111)이 섬유(f)가 통과하는 제1롤러(311) 및 제2롤러(312) 사이에 오도록 배치될 수 있다. 섬유(f)는 제1롤러(311)의 회전 시 제1롤러(311) 및 제2롤러(312)와의 마찰력에 의해 제1롤러(311) 및 제2롤러(312) 사이에서 그 하측에 배치된 바늘(110)의 중공(111)으로 공급될 수 있다. 바늘의 일단(110a)으로 공급된 섬유(f)는 롤러(310)의 회전에 의해 바늘의 타단(110b)으로 토출될 수 있다.
섬유 공급부(300)는 바디부(130)에 내설되어 섬유(f)를 바늘에 효과적으로 공급할 수 있다. 자세하게는, 섬유 공급부(300)는 섬유(f)가 공급되는 바늘(110)과 가까이 배치되므로, 섬유(f)가 바늘(110)로 공급되는 과정에서 상기 장치(1000)의 진동에 의해 섬유(f)의 꼬임 등이 발생하여 섬유(f)가 바늘(110)의 중공(111)으로 유입되지 않는 것을 방지할 수 있다. 또한, 섬유(f)는 장치(1000)의 외부에 설치된 저장릴(미도시)로부터 공급될 수 있으며, 이 때, 저장릴은 장치(1000) 크기에 따라 그 용량이 제한되지 않으며 교체가 용이한 장점이 있다.
한편, 섬유 공급부(300)의 센서는 바늘 조립체(100)의 동작 및 위치를 감지할 수 있는 수단으로, 레이저, 적외선, 초음파 센서 등으로 구비될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 센서는 바늘 조립체(100)의 상하 왕복 운동 방향(이하 `이동 경로`) 상에서 바늘의 타단(110b) 위치를 감지할 수 있다. 제어부는 센서에 의해 감지된 바늘 조립체(100)의 위치에 기초하여 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)를 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 센서에 의해 바늘의 타단(110b)이 이동 경로 상에 위치하는 경계면(S) 하측에 위치하는 것으로 감지된 경우, 제어부는 바늘(110)로부터 섬유(f)가 소정 길이만큼 토출되도록 미리 설정된 시간만큼 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)를 정방향으로 구동시킬 수 있다. 이 때, 경계면(S)은 복합재료(m)가 배치되는 위치를, 정방향은 섬유 저장릴에 권취된 섬유(f)를 풀어내는 방향을 의미할 수 있으며, 섬유 공급 모터(320)를 바늘 조립체(100)의 상하 왕복 운동과 연동하여 미리 설정된 시간만큼만 작동시킴으로써 바늘(110)로부터 섬유(f)를 토출시킬 수 있다. 제어부는 바늘의 타단(110b)이 복합재료(m)를 관통한 것으로 볼 수 있는 위치, 즉, 경계면(S) 하측에 위치하는 경우에만 섬유 공급 모터(320)를 미리 설정된 시간만큼만 작동시키는바, 터프팅 공정에서 섬유(f)의 낭비를 최소화 하고, 터프팅 공정의 정확성 및 완전성을 확보할 수 있다. 한편, 제어부는 형성되는 터프팅 구조(t)에 따라 롤러(310)를 역방향으로 회전시키도록 섬유 공급 모터(320)를 작동시킬 수 있다. 자세하게는, 인접한 터프팅 구조(t) 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성하는 변형 터프팅 구조 형성 시 롤러(310)는 역방향으로 회전할 수 있으며, 이 때, 역방향은 바늘(110)로부터 토출된 섬유(f)가 당겨지는 방향을 의미할 수 있다. 롤러(310)의 역방향 회전에 의해 토출된 섬유(f)가 당겨짐으로써 상기 형성된 매듭을 고정시킬 수 있다.
공압 공급부(400)는 바늘 조립체(100) 내부에 공압을 제공하여, 섬유 공급부(300)에 의해 바늘(110)로 공급되는 섬유(f)를 바늘(110)의 중공(111)으로 유도할 수 있다. 공압 공급부(400)는 공기 펌프 또는 공기 펌프와 연결되는 호스 등 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 바늘 조립체(100) 내부, 자세하게는 바늘(110)의 중공(111) 및 바늘 고정부(120)의 연통공(121)에 공압을 제공할 수 있다.
수평 이송부(500)는 바늘 조립체(100)의 상하 왕복 운동과 연동하여 바늘(110) 또는 복합재료(m)를 소정 간격만큼 횡으로 이동시킬 수 있다. 여기서, 횡 방향은 바늘 조립체(100)의 상하 왕복 운동 방향에 대하여 수직하는 방향일 수 있으며, 소정 간격은 인접한 터프팅 구조(t) 사이의 간격으로 임의로 정해질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 수평 이송부(500)가 바늘(110)을 횡 방향으로 이송시키는 경우, 수평 이송부(500)는 바늘을 횡 방향으로 이송시키는 수평 이송 레일 및 수평 이송 레일을 구동시키는 모터를 포함할 수 있고, 수평 이송부(500)가 복합재료(m)를 횡 방향으로 이송시키는 경우, 복합재료(m)를 횡 방향으로 이송시키는 이송휠 및/또는 수평 이송 레일, 그리고 이송휠 및/또는 수평 이송 레일을 구동시키는 모터를 포함할 수 있다. 한편, 수평 이송부(500)는 후술할 플레이트(600)를 소정 간격만큼 횡으로 이송시킬 수도 있다. 이 때, 플레이트(600)는 바늘(110)과 함께 이송될 수 있으며, 바늘(110)과 동일한 방향으로 동일한 간격만큼 이송될 수 있다. 한편, 전술한 수평 이송부(500)의 구성은 하나의 예시에 불과하며, 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치(1000)는 전술한 변형된 터프팅 구조를 형성함에 있어 복합재료(m)의 하측으로부터 이격 배치되며, 바늘의 타단(110b)을 포함한 바늘(110)의 일부가 관통하는 관통공(610)이 형성된 플레이트(600)를 더 포함할 수 있다. 플레이트(600)는 복합재료(m)의 하측에 복합재료(m)와 이격 되도록 배치되어, 수평 이송부(500)에 의한 복합재료(m)의 이동을 방해하지 않을 수 있다. 수평 이송부(500)에 의해 바늘(110)이 이송되는 경우 플레이트(600)는 바늘(110)의 이송 간격과 동일한 간격으로 형성된 복수의 관통공(610)을 포함하거나, 또는 전술한 바와 같이 바늘(110)과 함께 동일한 간격으로 이송될 수 있다.
바늘(110)은 플레이트(600) 상에 형성된 관통공(610)을 관통하면서 도 7에 도시된 바와 같이, 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성할 수 있다. 이 경우 교차된 터프팅 사이에 형성된 매듭을 고정시키기 위해 섬유 공급부(300)의 제어부는 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)를 역방향으로 회전시킬 수 있다. 롤러(310)가 역방향으로 회전함에 따라 토출된 섬유(f)가 당겨지면서 인접한 터프팅 간에 서로 교차되어 형성된 매듭은 고정될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 장치(1000)는 섬유(f)를 절단하지 않고 연속적으로 터프팅을 수행하되, 중공(111)이 형성된 바늘(110)을 이용하여 종래 터프팅 시 바늘 및 섬유를 고정시키기 위한 폼을 필요로 하지 않는 바, 폼 제거 과정 등에서 발생하였던 터프팅 구조의 손상 없이 연속적으로 터프팅이 가능하여 복합재료(m)의 z 방향 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 구조 및 상기 구조를 구현하는 터프팅 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 구조는 전술한 복합재료 연속 터프팅 장치(1000)에 의해 형성될 수 있으며, 복합재료(m)의 하측에는 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 것과 같은 서로 다른 터프팅 구조가 구현될 수 있다.
먼저, 도 6(a)에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 터프팅 구조를 형성하기 위한 터프팅 방법은 복합재료(m)의 상측에서 복합재료(m)의 하측으로 내부에 중공(111)이 형성된 바늘(110)을 관통시키는 단계, 바늘(110)의 중공(111)을 통해 섬유(f)를 소정 길이로 토출시켜 복합재료(m)의 하측에 터프팅 구조(t)를 형성하는 단계, 바늘(110)을 복합재료(m)의 하측에서 복합재료(m)의 상측으로 다시 관통시키는 단계, 및 바늘(110) 또는 복합재료(m)를 소정 간격만큼 횡으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 단계들이 반복적으로 수행됨으로써 도 6(a)에 도시된 연속적인 터프팅 구조(t)가 형성될 수 있다.
자세하게는, 터프팅 조작부(200)에 의해 바늘(110)을 포함하는 바늘 조립체(100)가 복합재료(m)의 상측에서 복합재료(m)의 하측으로 이동하면서 복합재료(m)를 관통하는 과정에서, 섬유 공급부(300)의 센서가 바늘의 타단(110b)이 복합재료(m)를 관통하여 복합재료(m)의 하측에 위치하는 것으로 감지하면, 제어부는 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)가 정방향, 즉, 섬유(f)를 풀어내는 방향으로 회전하도록 구동시키고, 섬유 공급 모터(320)는 미리 설정된 시간만큼 구동하여 바늘의 타단(110b)을 통해 소정 길이의 섬유(f)를 토출시킬 수 있다.
토출된 소정 길이의 섬유(f)는 복합재료(m)의 하측에 일정한 크기의 고리 형상의 터프팅 구조(t)를 형성할 수 있으며, 바늘(110)은 터프팅 조작부(200)에 의해 복합재료(m)를 관통하면서 복합재료(m)의 하측에서 복합재료(m)의 상측으로 이동할 수 있다. 이 때, 바늘(110)은 바늘(110)이 복합재료(m)의 상측에서 복합재료(m)의 하측으로 관통할 때 관통하였던 복합재료(m) 상의 위치와 동일한 위치를 관통하면서 복합재료(m)의 하측에서 복합재료(m)의 상측으로 이동할 수 있다. 바늘 조립체(100)의 1회 상하 왕복 운동이 종료되면 바늘(110) 또는 복합재료(m)는 소정 간격만큼 횡으로 이동되고, 이동된 위치에서 위와 같은 과정이 반복적으로 수행됨으로써 도 6(a)와 같은 연속 터프팅 구조가 구현될 수 있다.
한편, 복합재료(m)의 하측에 기 형성된 터프팅 구조(t)가 있는 경우, 바늘(110)은 소정 간격만큼 횡으로 이동한 위치에서 전술한 바와 같이 복합재료(m)만을 관통하여 터프팅 구조(t)를 형성하거나, 또는 복합재료(m)와 기 형성된 터프팅 구조(t)를 모두 관통할 수 있다. 전자의 경우 도 6(a)에 도시된 연속 터프팅 구조가 형성될 수 있고, 후자의 경우 기 형성된 터프팅 구조(t)를 관통함으로써 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭이 형성되어 도 6(b)와 같은 변형된 연속 터프팅 구조가 형성될 수 있다.
변형된 연속 터프팅 구조의 구현을 위해서는 복합재료(m) 하측에 바늘의 타단(110b)을 포함한 바늘(110)의 일부가 관통하는 관통공(610)이 형성된 플레이트(600)를 이격 배치한 후 터프팅이 진행되어야 하며, 플레이트(600)는 바늘(110)이 복합재료(m)를 관통하는 위치와 플레이트(600) 상에 형성된 관통공(610)의 위치가 대응되도록 복합재료(m)의 하측에 배치될 수 있다.
상기 구성 하에서 바늘(110)은 복합재료(m), 관통공(610), 그리고 복합재료(m)의 하측에 기 형성된 터프팅 구조(t)를 모두 관통하면서 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성할 수 있다. 예를 들어, 수평 이송부(500)에 의해 복합재료(m)가 이송되는 경우, 복합재료(m)가 소정 간격만큼 횡으로 이동함에 따라 관통공(610) 상에 기 형성된 터프팅 구조(t) 또한 복합재료(m)와 함께 횡으로 이동할 수 있다. 기 형성된 고리 형상의 터프팅 구조(t)는 복합재료(m)와 플레이트(600)가 이격되어 형성된 복합재료(m)와 플레이트(600) 사이의 공간으로 이동되면서 소정 각도, 예를 들어, 약 90˚의 각도로 꺾일 수 있다. 이 때, 약 90˚의 각도로 꺾인 고리 형상의 터프팅 구조(t)는 관통공(610)의 상측에 위치하게 되며, 바늘(110)은 바늘(110)의 상하 왕복 이동 경로와 동일한 경로 상에 위치하는 복합재료(m), 터프팅 구조(t), 및 관통공(610)을 차례로 관통하면서 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성할 수 있다.
바늘(110)이 복합재료(m)와 기 형성된 터프팅 구조(t)를 모두 관통하여 인접한 터프팅 간에 매듭을 형성한 경우, 형성된 매듭을 고정하는 단계를 더 거칠 수 있다. 일 실시예에 있어서, 매듭을 고정시키는 단계는 바늘(110) 또는 복합재료(m)가 횡으로 이송되기 전 단계, 즉, 바늘(110)이 1회의 상하 왕복 운동이 완료된 후에 이루어질 수 있다. 바늘(110)이 복합재료(m), 터프팅 구조(t), 및 관통공(610)을 관통하기 전 또는 관통한 상태에서 매듭을 고정시키게 되는 경우, 터프팅 구조(t)의 크기가 줄어듦에 따라 바늘(110)이 터프팅 구조(t)를 통과하지 못하여 인접한 터프팅 간에 서로 교차시키지 못하거나, 터프팅 구조(t)를 통과한 상태의 바늘(110)이 제거되지 못할 수 있다.
다른 실시예로 매듭을 고정시키는 단계는 하나의 터프팅 구조(t) 형성이 완료되고, 바늘(110) 또는 복합재료(m)가 소정 간격만큼 횡으로 이송되어 새로운 터프팅 구조(t)를 형성하기 위한 상기 일련의 단계가 시작되기 전에 이루어질 수 있다. 상기 형성된 매듭을 고정하기 위해 섬유 공급부(300)는 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)가 역방향, 즉, 바늘(110)로부터 토출된 섬유(f)가 당겨지는 방향으로 회전하도록 구동시킬 수 있다. 한편, 변형된 연속 터프팅 구조의 경우 제어부는 센서에 의해 바늘(110) 또는 복합재료(m)의 횡방향 움직임이 감지된 경우, 미리 설정된 시간만큼 섬유 공급 모터(320)를 작동시켜 롤러(310)를 역방향으로 구동시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 복합재료 연속 터프팅 방법은 연속적인 터프팅 구조 및 인접한 터프팅 구조 간 매듭을 형성하는 변형 터프팅 구조를 구현함으로써 섬유(f)와 복합재료(m) 사이의 z 방향 체결 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1000: 복합재료 연속 터프팅 장치
10: 베이스 20: 커버
30: 복합재료 40: 섬유
100: 바늘 조립체 110: 바늘
111: 중공 120: 바늘 고정부
121: 연통공 130: 바디부
200: 터프팅 조작부 210: 터프팅 조작 모터
220: 링크 230: 수직 이송 레일
300: 섬유 공급부 310: 롤러
320: 섬유 공급 모터 400: 공압 공급부
500: 수평 이송부 600: 플레이트
610: 관통공

Claims (7)

  1. 섬유를 일단으로 공급받아 타단으로 토출하도록 내부에 중공이 형성되어 복합재료를 터프팅 하는 바늘을 포함하는 바늘 조립체;
    상기 바늘 조립체와 연결되며, 상기 바늘이 상기 복합재료의 상측과 상기 복합재료의 하측 사이에서 상하 방향으로 이동하면서 상기 복합재료를 터프팅 할 수 있도록 상기 바늘 조립체를 상하 왕복 운동시키는 터프팅 조작부;
    상기 섬유와 접촉하여 마찰력에 의해 상기 섬유를 상기 바늘 조립체의 상하 왕복 운동과 연동하여 상기 바늘에 공급하는 섬유 공급부;
    상기 바늘 조립체 내부에 공압을 제공하여, 상기 섬유 공급부에 의해 상기 바늘로 공급되는 상기 섬유를 상기 바늘의 중공으로 유도하는 공압 공급부; 및
    상기 바늘 조립체의 상하 왕복 운동과 연동하여 상기 바늘 또는 상기 복합재료를 소정 간격만큼 횡으로 이동시키는 수평 이송부를 포함하여,
    상기 복합재료를 관통하는 상기 바늘로부터 토출되는 섬유에 의해 터프팅 구조를 연속적으로 형성하되,
    상기 섬유 공급부는,
    상기 섬유에 접촉하여 상기 섬유를 상기 바늘로 공급하도록 정방향으로 회전하거나 상기 바늘에 공급된 섬유가 당겨지도록 역방향으로 회전하는 롤러;
    상기 롤러를 구동하기 위한 동력을 제공하는 섬유 공급 모터;
    상기 바늘 조립체의 상하 왕복 운동에 따른 상기 바늘 조립체의 위치를 감지하는 센서; 및
    상기 센서에 감지된 상기 바늘 조립체의 위치에 기초하여 상기 섬유 공급 모터를 작동시켜 상기 롤러를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 제어부;를 포함하는, 복합재료 연속 터프팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합재료의 하측으로부터 이격 배치되며, 상기 바늘의 타단을 포함한 상기 바늘의 일부가 관통하는 관통공이 형성된 플레이트를 더 포함하는, 복합재료 연속 터프팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바늘은 상기 관통공을 관통하면서 인접한 터프팅 간에 서로 교차 시켜 매듭을 형성할 수 있으며,
    상기 제어부는 상기 매듭을 고정시키기 위해 상기 바늘로부터 토출된 섬유가 당겨지도록 상기 섬유 공급 모터를 작동시켜 상기 롤러를 역방향으로 구동하는, 복합재료 연속 터프팅 장치.
  5. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 하나의 복합재료 연속 터프팅 장치를 이용한 복합재료 연속 터프팅 방법에 있어서,
    복합재료의 상측에서 상기 복합재료의 하측으로 내부에 중공이 형성된 바늘을 관통시키는 단계;
    상기 바늘의 중공을 통해 섬유를 소정 길이로 토출시켜 상기 복합재료의 하측에 터프팅 구조를 형성하는 단계;
    상기 바늘을 상기 복합재료의 하측에서 상기 복합재료의 상측으로 다시 관통시키는 단계; 및
    상기 바늘 또는 상기 복합재료를 소정 간격만큼 횡으로 이동시키는 단계를 포함하며,
    상기 단계들이 반복적으로 수행됨으로써 연속적인 터프팅 구조를 형성하는, 복합재료 연속 터프팅 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복합재료의 하측에 기 형성된 터프팅 구조가 있는 경우, 상기 바늘은 소정 간격만큼 횡으로 이동한 위치에서 상기 복합재료만을 관통하여 터프팅 구조를 형성하거나, 또는 상기 복합재료와 상기 기 형성된 터프팅 구조를 모두 관통하여 인접한 터프팅 간에 서로 교차시켜 매듭을 형성할 수 있는, 복합재료 연속 터프팅 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바늘이 상기 복합재료와 상기 기 형성된 터프팅 구조를 모두 관통하여 상기 인접한 터프팅 간에 매듭을 형성한 경우, 상기 형성된 매듭을 고정하는 단계를 더 포함하는, 복합재료 연속 터프팅 방법.
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