KR102111398B1 - 복합소재 성형장치 - Google Patents

Abstract

복합소재 성형장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재 성형장치는 복합소재의 프리폼 성형을 위한 복합소재 성형장치에 있어서, 단면상에 상하방향으로 복수개의 하부 가이드 홀이 일정규격으로 형성되어 바닥면에 고정되는 하부 가이드 블록, 상기 복수개의 하부 가이드 홀에 스프링을 개재하여 탄성 지지된 상태로 삽입되며, 내부에는 발열수단이 내장된 복수개의 하부 핀, 단면상에 상하방향으로 관통된 복수개의 상부 가이드 홀이 일정규격으로 형성되며, 상기 하부 가이드 블록의 상부에서 배치되어 양측 가이드 실린더를 통해 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 가이드 블록, 상기 복수개의 상부 가이드 홀에 삽입되어 상단의 지지단에 의해 하방향으로 지지되어 상기 복수개의 하부 핀과 각각 대응하며, 내부에는 발열수단이 내장된 복수개의 상부 핀, 상기 상부 가이드 블록의 상부에서, 상기 하부 가이드 블록의 양측에 설치되는 성형 실린더에 양단부가 연결되어 상하방향으로 작동하는 상판, 및 상기 복수개의 상부 핀에 대응하여 상기 상판에 고정되어 상기 상판의 작동에 따라 상기 상부 핀의 상단을 가압하여 상기 상부 핀과 하부 핀 사이에 투입되는 복합소재를 일정한 형상으로 성형하는 성형모형을 포함한다.

Description

복합소재 성형장치{COMPLEX MATERIALS FORMING SYSTEM}

본 발명은 복합소재 성형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 금형에서 복합소재의 예열 공정 및 프리폼 성형공정을 연속하여 진행할 수 있는 복합소재 성형장치에 관한 것이다.

최근에는 차체의 고강도 경량화 추세에 따라 차체 소재로서, 초고장력강 등과 같은 강판, 알루미늄 또는 마그네슘 등과 같은 비철 금속판재, 이 뿐만 아니라 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS) 또는 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic) 등과 같은 플라스틱 복합소재의 판재를 적용하는 사례가 빈번해 졌다.

여기서, 상기 플라스틱 복합소재는 강도, 탄성률, 경량성, 안정성이 우수하기 때문에, 항공 분야나 자동차 분야에서 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 당 업계에서는 플라스틱 복합소재의 향후 사용이 더욱 확대되고, 제조량 또한 비약적으로 증가될 것으로 기대하고 있다.

상기 플라스틱 복합소재는 플라스틱 수지류에 섬유소재를 함침하여 경화시킨 것으로, 예를 들면 탄소섬유를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 제조한 후, 탄소섬유를 플라스틱 수지류에 함침하여 경화시킴으로써 제조될 수 있다.

즉, 상기 플라스틱 수지류는 경도가 우수한 반면 인장강도가 약해 쉽게 끊어지고, 탄소섬유는 인장강도가 높지만 굽힘 반발력이 없기 때문에, 플라스틱 복합소재는 이들 플라스틱 수지류와 탄소섬유를 결합하여 제조될 수 있다.

상기한 복합소재는 프리폼(preform) 성형공정 및 수지이송몰딩(RTM: Resin Transfer Molding) 공정을 통하여 제조될 수 있다.

이때, 상기 프리폼 성형공정에서는 섬유 원단으로부터 재단된 섬유소재에 바인더를 도포하고, 히팅 금형을 통해 바인더를 용융하여 상기 섬유소재를 복수매 적층하여 복합소재를 형성한 후, 상기 바인더가 함침된 복합소재를 프레스 금형에 로딩하고, 상기 프레스 금형을 통해 복합소재를 압착하여 프리폼 성형공정을 진행한다.

다음으로 상기 수지이송몰딩 공정에서는 몰딩 금형 내에 복합소재를 안착시키고, 그 몰딩 금형 내에 수지를 주입하여 경화시킨다.

그러나 종래 기술에서의 프리폼 성형공정은 히팅 금형을 통해 상기 복합소재를 예열한 후, 프리폼 금형으로 이송하여 프리폼 성형공정을 진행하는 방식으로 이루어진다.

이에 따라, 상기 히팅 금형에서 프리폼 금형으로 이송하는 과정에서 열손실이 일어날 수도 있으며, 상기 히팅 금형과 프리폼 금형을 각각 따로 제작해야 하기 때문에, 초기 투자비용이 증가하고, 전체적인 사이클 타임이 증가할 수 밖에 없다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 하나의 장치에서 복합소재를 가열하고, 프리폼 성형하는 과정을 연속적으로 자동화할 수 있도록 하여 공정을 단순화하고, 전체적인 사이클 타임을 줄일 수 있는 복합소재 성형장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 복합소재의 프리폼 성형을 위한 복합소재 성형장치에 있어서, 단면상에 상하방향으로 복수개의 하부 가이드 홀이 일정규격으로 형성되어 바닥면에 고정되는 하부 가이드 블록, 상기 복수개의 하부 가이드 홀에 스프링을 개재하여 탄성 지지된 상태로 삽입되며, 내부에는 발열수단이 내장된 복수개의 하부 핀, 단면상에 상하방향으로 관통된 복수개의 상부 가이드 홀이 일정규격으로 형성되며, 상기 하부 가이드 블록의 상부에서 배치되어 양측 가이드 실린더를 통해 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 가이드 블록, 상기 복수개의 상부 가이드 홀에 삽입되어 상단의 지지단에 의해 하방향으로 지지되어 상기 복수개의 하부 핀과 각각 대응하며, 내부에는 발열수단이 내장된 복수개의 상부 핀, 상기 상부 가이드 블록의 상부에서, 상기 하부 가이드 블록의 양측에 설치되는 성형 실린더에 양단부가 연결되어 상하방향으로 작동하는 상판, 및 상기 복수개의 상부 핀에 대응하여 상기 상판에 고정되어 상기 상판의 작동에 따라 상기 상부 핀의 상단을 가압하여 상기 상부 핀과 하부 핀 사이에 투입되는 복합소재를 일정한 형상으로 성형하는 성형모형을 포함하는 복합소재 성형장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 하부 핀과 상부 핀에 각각 내장되는 발열수단은 상기 하부 핀과 상부 핀의 각 대응하는 선단부의 내부에 내장될 수 있다.

또한, 상기 하부 핀은 선단이 막힌 상태로, 내부에 중공부를 형성하며, 상기 중공부에는 상기 발열수단으로 히팅 카트리지가 내장될 수 있다.

또한, 상기 상부 핀은 선단이 막힌 상태로, 내부에 중공부를 형성하며, 상기 중공부에는 상기 발열수단으로 히팅 카트리지가 내장될 수 있다.

또한, 상기 하부 핀은 열전도성 금속관재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 상부 핀은 열전도성 금속관재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 가이드 실린더는 작동압을 유압으로 하는 유압 실린더를 포함할 수 있다.

또한, 상기 성형 실린더는 작동압을 유압으로 하는 유압 실린더를 포함할 수 있다.

또한, 상기 성형모형은 상기 상판에 장착된 복수개의 클램퍼에 의해 탈부착 가능하게 장착될 수 있다.

또한, 상기 성형모형은 상기 복수개의 상부 핀에 대응하는 하부면이 성형면으로 형성된 금속판재로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시 예는 하나의 장치에서 복합소재를 가열하고, 프리폼 성형하는 과정을 연속적으로 자동화할 수 있도록 하여 공정을 단순화하고, 전체적인 사이클 타임을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 복합소재의 성형하고자 하는 형상 별로 상형 및 하형으로 이루어진 성형장치를 구성하지 않고, 성형모형만을 교체함으로써, 제조 공정 비를 줄이고, 생산성을 향상시킬 수 있으며, 초기 투자비를 절감할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 A에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 B에 따른 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치의 순차적인 작동도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 A에 따른 단면도이며, 도 3은 도 1의 B에 따른 단면도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치는 프리폼(prefrom) 성형공정 및 수지이송몰딩(RTM: Resin Transfer Molding) 공정을 통하여 플라스틱 복합소재를 제조하기 위한 플라스틱 복합소재 제조 시스템에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 플라스틱 복합소재는 예를 들어, 차체의 경량화를 도모하기 위해 차체 패널과 같은 차체 조립용 부품으로 사용될 수 있다.

상기 플라스틱 복합소재는 차체용 패널에 적용되는 것에 한정되지 않고, 차체용 멤버 및 프레임 등과 같은 각종 차체 구조물에 적용될 수도 있다.

더 나아가 본 발명의 보호범위가 차체에 조립되는 차체 부품으로 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 다양한 종류 및 용도의 구조물에 적용되는 판재 부품이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

상기와 같은 플라스틱 복합소재는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 포함할 수 있고, 섬유 강화 플라스틱(FRP: Fiber Reinforced Plastic)을 포함할 수 있다.

이러한 플라스틱 복합소재는 스틸 소재 대비 강도 및 탄성율이 우수하고 반복 피로에 뛰어나며, 열팽창 계수가 작기 때문에 치수 안정성이 뛰어나고, 전기 전도도, 내식성, 진동 감쇠 성능이 우수한 특성이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치는 플라스틱 복합소재 제조 시스템에서 수지이송몰딩 공정의 전 공정인 프리폼 성형 공정에 적용될 수 있다.

상기에서 프리폼이라 함은 복합소재의 예비 성형체로서, 바인더로서의 플라스틱 수지류가 도포된 다수 매의 섬유소재들을 적층하고, 상기 적층된 섬유소재를 상온에서 설정된 형상으로 프레스 성형하며 경화시킨 것으로 정의할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치는 하부 가이드 블록(10), 하부 핀(20), 상부 가이드 블록(30), 상부 핀(40), 상판(50), 및 성형모형(60)을 포함한다.

상기 하부 가이드 블록(10)은 바닥면에 고정된다.

상기 하부 가이드 블록(10)은 사각의 블록 형상으로 형성되며, 단면상에 상하방향으로 복수개의 하부 가이드 홀(11)이 일정규격으로 형성된다.

이러한 하부 가이드 블록(10)은 전체 면적 상에 상기 하부 가이드 홀(11)이 가능한 한 촘촘하게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 도 1과 함께 도 2를 참조하면, 상기 하부 핀(20)은 상기 복수개의 하부 가이드 홀(11)에 각각 삽입된다.

이때, 상기 하부 핀(20)은 스프링(23)을 개재한 상태로, 상기 하부 가이드 홀(11)을 통해 탄성 지지된다.

이러한 하부 핀(20)은 선단이 막힌 상태로, 내부에 중공부를 형성한다.

상기 하부 핀(20)의 중공부에는 발열수단(H)이 내장된다.

상기 하부 핀(20)의 발열수단(H)은 상기 상부 핀(40) 측의 선단부에 형성된다.

상기 하부 핀(20)의 발열수단(H)은 외부의 전원장치와 전선을 통해 연결되어 상기 하부 핀(20)이 발열되도록 구성된다.

이러한 하부 핀(20)의 발열수단(H)은 예를 들어, 히팅 카트리지를 포함할 수 있으며, 열전도성 금속관재로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 상부 가이드 블록(30)은, 상기 도 1과 함께 도 3을 참조하면, 상기 하부 가이드 블록(10)의 상부에 배치되어 양측 가이드 실린더(33)를 통해 장착된다.

상기 상부 가이드 블록(30)은 사각의 블록 형상으로 형성되며, 단면상에 상하방향으로 상부 가이드 홀(31)이 관통 형성된다.

이러한 상부 가이드 블록(30)은 상기 하부 가이드 블록(10)의 하부 가이드 홀(11)에 대응하여 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부 가이드 블록(30)은 상기 가이드 실린더(33)를 통해 상하방향으로 이동 가능하게 설치된다.

이때, 상기 가이드 실린더(33)는 작동압을 유압으로 하는 유압 실린더를 포함할 수 있다.

상기 가이드 실린더(33)는 유압 실린더를 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 유압 실린더와 동일한 기능을 하는 실린더면 적용이 가능하다.

이러한 상부 가이드 블록(30)의 상부 가이드 홀(31)에는 각각 상부 핀(40)이 삽입된다.

도 1과 함께 도 3을 참조하면, 상기 상부 핀(40)은 상단에 지지단(41)이 형성된다.

이러한 상부 핀(40)은 상기 상부 가이드 홀(31)에 삽입된 상태로, 상기 지지단(41)을 통해 하방향으로 지지되어 상기 상부 가이드 블록(30)으로부터 빠지지 않도록 삽입되는 것이다.

상기 복수개의 상부 핀(40)은 복수개의 하부 핀(20)과 각각 대응하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 복수개의 상부 핀(40)은 선단이 막힌 상태로, 내부에 중공부를 형성한다.

이때, 상기 각 상부 핀(40)의 중공부에는 발열수단(H)이 내장된다.

상기 상부 핀(40)의 발열수단(H)은 상기 하부 핀(20) 측의 선단부에 형성된다.

상기 상부 핀(40)의 발열수단(H)은 외부의 전원장치와 전선을 통해 연결되어 상기 상부 핀(40)이 발열되도록 구성된다.

이러한 발열수단(H)은 예를 들어, 히팅 카트리지를 포함할 수 있으며, 열전도성 금속관재로 이루어질 수 있다.

상기한 하부 핀(20)과 상부 핀(40)의 각 발열수단(H)은 히팅 카트리지가 내장되는 것을 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 하부 핀(20)과 상부 핀(40)의 선단부를 가열할 수 있는 수단이면 변경하여 적용 가능하다.

한편, 상기 상부 가이드 블록(30)의 상부에는 상판(50)이 구성된다.

상기 상판(50)은 상기 하부 가이드 블록(10)의 양측에 설치되는 성형 실린더(51)에 양단부가 연결되어 상하방향으로 작동하도록 구성된다.

이때, 상기 성형 실린더(51)는 작동압을 유압으로 하는 유압 실린더를 포함할 수 있다.

상기 성형 실린더(51)는 유압 실린더를 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 유압 실린더와 동일한 기능을 하는 실린더면 적용이 가능하다.

이러한 상판(50)에는 성형모형(60)이 복수개의 클램퍼(53)를 통해 탈부착 가능하도록 장착된다.

이때, 상기 클램퍼는 상기 상판을 탈부착할 수 있는 단순한 집게 형상일 수 있고, 마그네틱을 이용한 마이네틱 클램퍼일 수도 있으며, 그 외의 상기 상판(50)을 탈부착할 수 있는 수단이면 적용 가능하다.

상기 성형모형(60)은 상기 복수개의 상부 핀(40)에 대응하는 위치에서 상기 상판(50)에 고정된다.

상기 성형모형(60)은 상기 상판(50)의 작동에 따라 상기 상부 핀(40)의 상단을 가압하여 상기 상부 핀(40)과 하부 핀(20) 사이에 투입되는 복합소재(1)를 일정한 형상으로 성형한다.

이때, 상기 성형모형(60)은 상기 복수개의 상부 핀(40)에 대응하는 하부면이 성형면(61)으로 형성된다.

즉, 상기 성형모형(60)은 상기 복합소재(1)의 성형하고자 하는 형상에 따라 성형면(61)인 하부면의 형상이 결정된다.

이러한 성형모형(60)은 금속판재로 이루어져 상기 클램퍼(53)로부터 용이하게 탈부착 가능하도록 구성된다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치의 순차적인 작동도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재 성형장치를 이용하여 복합소재(1)를 성형하기 위하여 먼저, 상기 하부 핀(20)과 상부 핀(40) 사이에 복합소재(1)를 투입한다.

이때, 상기 복합소재(1)는 탄소섬유를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 직조한 후, 바인더를 도포하여 복수매 겹친 소재를 말한다.

도 5를 참조하면, 상기 상부 가이드 블록(30)이 하강하여 상기 복합소재(1)의 상면 및 하면에 상기 하부 핀(20)과 상부 핀(40)이 각각 접촉된다.

여기서 상기 하부 핀(20)과 상부 핀(40)의 각 내부에 내장된 발열수단(H)에 의해 상기 복합소재(1)는 가열된다.

도 6을 참조하면, 일정시간 가열된 상기 복합소재(1)의 연성 및 성형성이 향상되면, 상기 성형 실린더(51)에 의해 상기 상판(50)과 함께 성형모형(60)이 하강하면서, 상기 성형모형(60)이 상기 상부 핀(40)의 상단을 가압하게 된다.

이때, 상기 하부 핀(20)과 상부 핀(40) 사이에 투입된 복합소재(1)는 상기 성형모형(60)의 성형면(61)을 따라 일정한 형상으로 성형된다.

도 7을 참조하면, 상기 가이드 실린더(33)와 성형 실린더(51)에 의해 상기 상기 상부 핀(40)과 성형모형(60)이 각각 복귀된다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 성형장치는 하나의 장치에서 상기 복합소재(1)를 가열하고, 프리폼 성형하는 과정을 연속적으로 자동화할 수 있도록 하여 공정을 단순화하고, 전체적인 사이클 타임을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 성형장치는 성형품별로 상형 및 하형으로 이루어진 성형장치를 구성하지 않고, 상기 성형모형(60)을 교체하여 성형함으로써, 제조 공정 비를 줄이고, 생산성을 향상시킬 수 있으며, 초기 투자비를 절감할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 복합소재 10: 하부 가이드 블록
11: 하부 가이드 홀 20: 하부 핀
21: 스프링 30: 상부 가이드 블록
31: 상부 가이드 홀 33: 가이드 실린더
40: 상부 핀 41: 지지단
50: 상판 51: 성형 실린더
53: 클램퍼 60: 성형모형
61: 성형면 H: 발열수단

Claims (10)

1. 복합소재의 프리폼 성형을 위한 복합소재 성형장치에 있어서,
   단면상에 상하방향으로 복수개의 하부 가이드 홀이 일정규격으로 형성되어 바닥면에 고정되는 하부 가이드 블록;
   상기 복수개의 하부 가이드 홀에 스프링을 개재하여 탄성 지지된 상태로 삽입되며, 선단이 막힌 상태로 내부에 중공부를 형성하고, 상기 중공부에는 발열수단으로 히팅 카트리지가 내장된 복수개의 하부 핀;
   단면상에 상하방향으로 관통된 복수개의 상부 가이드 홀이 일정규격으로 형성되며, 상기 하부 가이드 블록의 상부에서 배치되어 양측 가이드 실린더를 통해 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 가이드 블록;
   상기 복수개의 상부 가이드 홀에 삽입되어 상단의 지지단에 의해 하방향으로 지지되어 상기 복수개의 하부 핀과 각각 대응하며, 선단이 막힌 상태로 내부에 중공부를 형성하고, 상기 중공부에는 발열수단으로 히팅 카트리지가 내장된 복수개의 상부 핀;
   상기 상부 가이드 블록의 상부에서, 상기 하부 가이드 블록의 양측에 설치되는 성형 실린더에 양단부가 연결되어 상하방향으로 작동하는 상판; 및
   상기 복수개의 상부 핀에 대응하여 상기 상판에 고정되어 상기 상판의 작동에 따라 상기 상부 핀의 상단을 가압하여 상기 상부 핀과 하부 핀 사이에 투입되는 복합소재를 일정한 형상으로 성형하는 성형모형;
   을 포함하는 복합소재 성형장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부 핀과 상부 핀에 각각 내장되는 발열수단은
   상기 하부 핀과 상부 핀의 각 대응하는 선단부의 내부에 내장되는 복합소재 성형장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 하부 핀은
   열전도성 금속관재로 이루어지는 복합소재 성형장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 상부 핀은
   열전도성 금속관재로 이루어지는 복합소재 성형장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 가이드 실린더는
   작동압을 유압으로 하는 유압 실린더를 포함하는 복합소재 성형장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 성형 실린더는
   작동압을 유압으로 하는 유압 실린더를 포함하는 복합소재 성형장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 성형모형은
   상기 상판에 장착된 복수개의 클램퍼에 의해 탈부착 가능하게 장착되는 복합소재 성형장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 성형모형은
    상기 복수개의 상부 핀에 대응하는 하부면이 성형면으로 형성된 금속판재로 이루어지는 복합소재 성형장치.

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