KR102185872B1

KR102185872B1 - 섬유 강화 복합재료 성형체를 제조하는 수지 압출적층장치 및 이를 이용한 수지 압출적층방법

Info

Publication number: KR102185872B1
Application number: KR1020190157305A
Authority: KR
Inventors: 박영빈; 강구혁; 김은서
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-12-02

Abstract

본 발명은 섬유 강화 복합재료 성형체를 제조하는 수지 압출적층장치에 관한 것으로, 본 발명은, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 폴리머 필름과 제2 폴리머 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 폴리머 공급장치; 상기 두 폴리머 필름 사이로 연속 섬유(fiber)를 공급하는 섬유 공급장치; 상기 두 폴리머 필름을 사이에 두고, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 사이징 필름과 제2 사이징 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 사이징제 공급장치; 및 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 사이징 필름들을 서로 마주대어 가압 및 가열함으로써, 상기 연속 섬유에 폴리머가 함침되고, 상기 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트가 형성되도록 하며, 상기 적층용 복합시트를 사출하여 상기 적층용 복합시트의 적층에 의해 형성되는 복합소재 성형체를 제작하는 압출 헤드를 포함하는 수지 압출적층장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 폴리머 기지재를 한 쌍의 필름 형태로 공급하여 연속 섬유에 가열 및 가압함으로써, 섬유 강화재와 폴리머 기지재 간의 공극율을 낮추어 섬유 강화 복합재료가 보다 높은 함침율에 따른 체적비를 갖게 할 수 있으며, 사이징제를 한 쌍의 필름 형태로 공급하여 폴리머 필름에 사이징제가 도포되도록 함으로써, 폴리머 기지재 간의 계면 결합력을 강화하여 제작되는 성형체의 물성 향상을 도모할 수 있다.

Description

섬유 강화 복합재료 성형체를 제조하는 수지 압출적층장치 및 이를 이용한 수지 압출적층방법{Resin extrusion laminating apparatus for manufacturing fiber reinforced composite molded body and resin extrusion laminating method using same}

본 발명은 섬유 강화 복합재료 성형체를 제조하는 수지 압출적층장치 및 이를 이용한 수지 압출적층방법에 관한 것으로서, 연속 섬유와 폴리머 간 함침율과 체적율을 높일 수 있으며, 이와 동시에 적층되는 복합재료 성형시트 간의 계면 결합력을 높일 수 있는 섬유 강화 복합재료 성형체를 제조하는 수지 압출적층장치 및 이를 이용한 수지 압출적층방법에 관한 것이다.

3D 프린팅은 수지를 압출하여 적층제조(AM, Additive Manufacturing)하는 방식 또는 임의 형상 제작(SFF, Solid-Freeform Fabrication)하는 방식으로 3차원 모델 데이터를 활용하여 객체를 만들기 위해 재료를 적층하는 프로세스이다.

고분자 재료는 저중량, 저비용 및 가공 유연성으로 인해 3D 프린팅 산업에서 널리 사용되고 있는 소재 중 하나이며, 3D 프린팅된 고분자 제품은 기하학적 복잡성(Geometric complexity)을 가질 수 있지만 기계적 강도와 기능성 부재라는 문제를 안고 있다. 이에, 다양한 산업분야에서 요구되는 기계적·기능적 특성을 구현하기 위하여 고분자 기지재에 마이크로 입자, 단섬유, 나노 입자를 강화재로 활용하여 복합재료화 하는 방법들이 제안되고 있다.

이 중, 섬유 강화 복합재료(Fiber reinforced polymer composite)는 섬유를 강화재로 하고, 고분자를 기지재로 하는 복합재료로서, 비강도(Specific strenght) 및 비강성(Specifiic stiffness)을 요구하는 다양한 분야에서 사용되고 있다. 고분자는 섬유를 보호하고 섬유 강화재에 하중을 전달하기 위한 기지재로 사용되는 반면, 섬유는 구조에 우수한 강도를 제공하여 하중을 지지하는 데 사용된다.

복합재료의 기계적 물성을 좌우하는 인자에는 복합재료의 내부 공극률, 섬유의 길이, 분포 상태, 배향 및 섬유와 기지재간 결합력 등이 있다. 구체적으로, 섬유의 함량이 증가할수록 인장 강도 및 탄성 계수는 증가하나 높은 섬유 함량은 공극률을 증가시켜 오히려 출력물의 성능을 저하시킨다. 나아가, 탄소 섬유 복합재료(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 우수한 비강도, 비강성, 부식 및 내마모성을 포함한 다양한 장점을 제공하여 여러 응용 분야에 널리 사용되고 있으나, 탄소 섬유의 강화재와 고분자의 기지재 사이의 계면 결합이 약하다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 섬유 강화 복합재료로 제작되는 성형체의 탄소 섬유와 고분자 간의 계면 결합력을 강화함은 물론, 이와 더불어, 적층되는 고분자 기지재 간의 계면 결합력 또한 강화함으로써, 제작되는 성형체의 물성 향상을 도모할 필요가 있다.

『미국등록특허공보 제9,579,851호』

본 발명은 섬유 강화 복합재료로 제조되는 성형체 내 연속 섬유와 폴리머 간의 계면 결합력을 강화함은 물론, 폴리머 간의 계면 결합력을 강화할 수 있는 수지 압출적층장치 및 이를 이용한 수지 압출적층방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 폴리머 필름과 제2 폴리머 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 폴리머 공급장치; 상기 두 폴리머 필름 사이로 연속 섬유(fiber)를 공급하는 섬유 공급장치; 상기 두 폴리머 필름을 사이에 두고, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 사이징 필름과 제2 사이징 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 사이징제 공급장치; 및 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 사이징 필름들을 서로 마주대어 가압 및 가열함으로써, 상기 연속 섬유에 폴리머가 함침되고, 상기 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트가 형성되도록 하며, 상기 적층용 복합시트를 사출하여 상기 적층용 복합시트의 적층에 의해 형성되는 복합소재 성형체를 제작하는 압출 헤드를 포함하는 수지 압출적층장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 폴리머 기지재를 한 쌍의 필름 형태로 공급하여 연속 섬유에 가열 및 가압함으로써, 섬유 강화재와 폴리머 기지재 간의 공극율을 낮추어 섬유 강화 복합재료가 보다 높은 함침율에 따른 체적비를 갖게 할 수 있다.

둘째, 사이징제를 한 쌍의 필름 형태로 공급하여 폴리머 필름에 사이징제가 도포되도록 함으로써, 폴리머 기지재 간의 계면 결합력을 강화하여 제작되는 성형체의 물성 향상을 도모할 수 있다.

셋째, 폴리머와 사이징제를 필름 형태로 공급함으로써, 보다 다양한 열가소성 폴리머를 복합재료의 기지재로 사용할 수 있음은 물론, 적층되는 폴리머의 계면에 손쉽게 사이징제를 도포할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수지 압출적층장치 중 하나인 3D 프린터의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예의 3D 프린터 내 압출기 헤드의 세부 구성을 나타내는 부분 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수지 압출적층방법 중 하나인 3D 프린팅 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유(CF) 강화 복합재료를 압출하여 적층하는 수지 압출장치 중 하나인 3D 프린터(100)의 구성이 나타나 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는, 본체(110), 폴리머 공급장치(120), 섬유 공급장치(130), 사이징제 공급장치(140), 압출 헤드(150), 베드(160), 구동장치(170) 및 제어장치(180)를 포함한다.

본체(110)는 3D 프린터(100)의 상술한 세부 구성들을 내부에 수용하는 것으로, 기본적으로 베드(160) 및 구동장치(170)를 지지하여 압출 헤드(150)의 사출 및 이동 동작을 가능하게 하며, 이를 제외한 나머지 구성들은 본체(110) 내에 설치되거나 본체(110) 외부에 설치될 수 있다.

폴리머 공급장치(120)는 연속 섬유(CF)에 폴리머가 함침되도록 폴리머를 필름 형태로 공급하는 것으로, 폴리머를 얇은 박막의 필름 형태로 제공하기 위하여, 서로 이격된 위치에서 배치되는 제1 필름 공급부(121)와 제2 필름 공급부(122)로부터 한 쌍의 제1 폴리머 필름(FPF)과 제2 폴리머 필름(SPF)을 연속적으로 서로 마주보게 공급한다. 이때, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)은 열가소성 수지로 제공되는 것이 바람직하며, PLA(Poly Lactic Acid), PA6(Nylon 6 or polycaprolactam) 또는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

섬유 공급장치(130)는 기지재인 폴리머 내에 섬유 강화재를 공급하는 것으로, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF) 사이로 연속 섬유(continuous fiber, CF)를 공급한다. 여기서, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)과 연속 섬유(CF)는 얇고 긴 형태를 가짐으로써, 각 공급장치(120, 130)에 감겨져 풀려지는 형태(권취된 형태)로 제공될 수 있으며, 특히 연속 섬유(CF)는 가늘고 긴 형상으로 토우(tow) 형태 또는 복수 개의 스트랜드(strand)를 포함하는 와이어 로프(wire rope) 형태로 제공될 수 있음은 물론이다.

사이징제 공급장치(140)는 연속 섬유(CF)에 함침된 폴리머의 외주면에 사이징제가 도포되도록 사이징제를 필름 형태로 공급하는 것으로, 사이징제를 얇은 박막의 필름 형태로 제공하기 위하여, 서로 이격된 위치에서 배치되는 제1 사이징제 공급부(141)와 제2 사이징제 공급부(142)로부터 한 쌍의 제1 사이징 필름(FSF)과 제2 사이징 필름(SSF)을 연속 섬유(CF)와 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)을 사이에 두고 연속적으로 서로 마주보게 공급한다.

압출 헤드(150)는 공급되는 연속 섬유(CF)에 폴리머를 함침시키고, 함침된 폴리머의 외주면에 사이징제를 함침시켜 사출하는 것으로, 제1 히팅 롤러(151), 제2 히팅 롤러(152), 프레스 롤러(153), 노즐(154), 폴리머 공급롤러(155), 도입롤러(156), 사이징제 공급롤러(157) 및 절단장치(158)를 포함한다.

제1 히팅 롤러(151)은 섬유 공급장치(130)와 폴리머 공급장치(120)로부터 연속 섬유(CF)와 한 쌍의 폴리머 필름들(FPF, SPF)을 공급받아 연속 섬유(CF)를 사이에 두고 한 쌍의 폴리머 필름들(FPF, SPF)을 가열 및 가압하여 연속 섬유(CF)에 함침되는 폴리머의 체적비가 높아진 적층용 복합시트(LCS)를 제공한다. 이때, 제1 히팅 롤러(151)는 두 폴리머 필름들을 융점 이상(250℃)으로 가열하여 연화시키는 것이 바람직하다.

제2 히팅 롤러(152)는 제1 히팅 롤러(151)로부터 제공되는 적층용 복합시트(LCS)와 사이징제 공급장치(140)로부터 한 쌍의 사이징 필름들(FSF, SSF)을 공급받아 적층용 복합시트(LCS)를 사이에 두고 한 쌍의 사이징 필름들(FSF, SSF)을 가열 및 가압하여 적층용 복합시트(LCS) 외주면, 즉, 연속 섬유(CF)에 함침된 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침되도록 함으로써, 외주면에 사이징제가 도포된 적층용 복합시트(LCS)를 제공한다. 이때, 제2 히팅 롤러(152) 역시 두 사이징 필름들(FSF, SSF)을 융점 이상(100℃)으로 가열하여 연화시키는 것이 바람직하다.

프레스 롤러(153)는 제2 히팅 롤러(152)를 통해 사이징제가 압착되어 함침된 두 폴리머 필름(FPF, SPF)에 폴리머의 융점 이상의 열을 가하여 연속 섬유(CF)에 함침된 폴리머가 일정 형상, 즉 한 쌍의 프레스 롤러(153)의 간격에 의해 형성되는 공간에 부합되는 일정 형상의 적층용 복합시트(LCS)로 형성되도록 한다. 이때, 두 폴리머 필름(FPF, SPF)의 유리전이온도(Tg, Glass Transition temperature) 일 때의 변형량이 프레스 롤러(153)와 연속 섬유(CF) 사이의 간격과 사이징 필름(FSF 또는 SFF)을 포함한 제2 히팅 롤러(151)와 섬유(CF) 사이의 간격의 차보다 큰 경우, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)에 유리전이온도 이상이며 융점 온도 미만의 열을 가하여 적층용 복합시트(LCS)를 형성할 수 있다.

노즐(154)은 프레스 롤러(153)의 하부에 설치되어 프레스 롤러(153)를 거쳐 형성된 적층용 복합시트(LCS)를 외부로 사출하며, 폴리머 공급롤러(155)는 두 폴리머 필름들의 진입 경로에 설치되어 압출 헤드(150) 내로 진입하는 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)을 제1 히팅 롤러(151)로, 도입롤러(156)는 연속 필름들의 진입 경로에 설치되어 압출 헤드(150) 내로 진입하는 연속 섬유(CF)를 제1 히팅 롤러(151)로, 사이징제 공급롤러(157)는 두 사이징 필름들(FSF, SSF)의 진입 경로에 설치되어 압출 헤드(150) 내로 진입하는 사이징 필름들(FSF, SSF)을 제1 히팅 롤러(151)로 각각 안내한다. 또한, 절단장치(158)는 도입롤러(156)와 제1 히팅 롤러(151) 사이에 구비되어 도입롤러(156)에 의해 진입되는 연속 섬유(CF)를 절단하여 섬유(CF) 강화재가 필요하지 않은 구간에는 연속 섬유(CF)가 공급되지 않도록 할 수 있다.

베드(160)는 노즐(154)을 통해 사출되는 적층용 복합시트(LCS)를 지지하여 적층되도록 하는 플랫폼으로, 압출 헤드(150)의 사출 방향에 대향하는 방향에 배치된다.

구동장치(170)는 상술한 압출 헤드(150)와 베드(160)가 서로에 대해 x, y 및 z의 3축 방향으로 위치가 조정되도록, 압출 헤드(150)를 이동시키는 헤드 구동부(171) 및 베드(160)를 이동시키는 베드 구동부(172)를 포함한다. 여기서, 구동장치(170)에 의한 압출 헤드(150)와 베드(160)의 이동 동작은 베드(160)가 x, y 축으로 움직이며 노즐(154)이 z 축으로 움직이는 카르테시안 방식, 노즐(154)이 x, y 축으로 움직이고 베드(160)가 z 축으로 움직이는 멘델 방식 및 노즐(154) 이 x, y, z 축으로 움직이는 델타 방식 등으로 동작될 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서는 노즐(154)이 x, y 축으로 움직이고 베드(160)가 z 축으로 움직이는 카르테시안 방식을 상정하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하고 있으나, 상술한 멘델 방식 또는 델타 방식이 적용될 수 있음은 자명하며, 베드(160)가 z 축 방향으로 형성된 가상의 중심축을 기준으로 회전되는 형태로 제공될 수 있음은 물론이다.

제어장치(180)는 성형 대상인 복합소재 성형체의 3D 모델링 데이터를 입력받아 상술한 압출 헤드(150) 및 구동장치(170)의 동작을 제어하는 것으로, 폴리머 공급장치(120), 섬유 공급장치(130), 사이징제 공급장치(140)는 물론, 압출 헤드(150) 내 구성인 폴리머 공급롤러(155), 도입롤러(156), 사이징제 공급롤러(157), 제1 히팅 롤러(151)와 제2 히팅 롤러(151), 프레스 롤러(153) 및 구동장치(170)의 동작을 제어할 수 있다.

아래에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압출 헤드(150)의 세부 구성을 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

도 2(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 헤드(150)는 각기 가열하는 온도가 다른(250℃, 100℃) 두 개의 히팅 롤러(151, 152)를 통해 연속 섬유(CF)에 폴리머와 사이징제를 순차적으로 함침시킴으로써, 보다 정밀하게 폴리머 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트(LCS)를 제공할 수 있다.

도 2(b)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압출 헤드(250)는 두 개의 히팅 롤러(151, 152) 대신 하나의 히팅 롤러(251)를 이용하여 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트(LCS)를 제공할 수 있다.

구체적으로, 하나의 히팅 롤러(251)에 연속 섬유(CF), 한 쌍의 폴리머 필름(FPF, SPF)과 한 쌍의 사이징 필름(FSF, SSF)이 공급되어 연속 섬유(CF)를 사이에 두고 한 쌍의 폴리머 필름(FPF, SPF)과 사이징 필름(FSF, SSF)이 히팅 롤러(251)에 가압 및 가열됨으로써, 동일한 적층용 복합시트(LCS)를 제공할 수 있다. 이때에 히팅 롤러(251)를 통해 제공되는 가열온도는 250℃ 이상인 것이 바람직하다. 이후, 프레스 롤러(153)를 통해 일정 형상의 적층용 복합시트(LCS)로 형성되는 과정은 동일하여 상세한 설명은 생략한다.

이에, 일 실시예에의 적층용 복합시트(LCS)에 비해 함침 과정의 정밀도는 떨어지나, 적층용 복합시트(LCS)를 형성하여 제공하는 과정을 간소화할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 앞서 설명한 3D 프린터(100)를 이용한 3D 프린팅 방법에 대해 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 3D 프린터(100)를 이용하여 복합소재 성형체를 제조하는 방법은, 우선, 제어장치(180)를 통해 복합소재 성형체의 3D 모델링 데이터를 입력받는다.(S1100) 여기서, 3D 모델링 데이터를 입력받는 과정(S1100)은 제어장치(180)를 통해 연속 섬유(CF)의 종류, 수량 및 크기 데이터를 입력받거나, 연속 섬유(CF)의 종류 및 수량 데이터를 입력받아, 연속 섬유(CF)의 종류 및 수량 데이터에 따른 연속 섬유(CF)의 크기 정보를 산출하는 과정(S1110)과, 제어장치(180)를 통해 섬유(CF)의 종류, 수량 및 크기 데이터에 따른 폴리머 필름(PF)과 사이징 필름(SF)의 종류 및 크기 데이터를 산출하는 과정(S1120)을 포함할 수 있다.

3D 모델링 데이터와 연속 섬유(CF)와 필름 정보가 입력되면, 폴리머 공급장치(120)를 통해 한 쌍의 폴리머 필름(FPF, SPF)을 이격된 위치에서 연속적으로 압출 헤드(150)에 공급하되, 서로 마주보도록 공급한다.(S1200)

이때, 섬유 공급장치(130)를 통해 공급되는 한 쌍의 폴리머 필름(FPF, SPF) 사이로 연속 섬유(CF)를 공급한다.(S1300) 여기서, 한 쌍 폴리머 필름(FPF, SPF) 사이로 섬유(CF)를 공급하는 과정(S1300)은, 섬유 공급장치(130)를 통해 연속 섬유(CF)를 토우 형태 또는 복수 개의 스트랜드를 포함하는 와이어 로프 형태로 공급하는 과정(S1310)과, 섬유 공급장치(130)를 통해 연속 섬유(CF)에 탄소물질을 포함시켜 공급하는 과정(S1320)과, 절단장치(158)를 통해 섬유(CF)가 두 폴리머 필름(FPF, SPF) 사이로 공급되지 않도록 연속 섬유(CF)를 절단하는 과정(S1330)을 포함할 수 있다.

또한, 사이징제 공급장치(140)를 통해 한 쌍이 폴리머 필름들(FPF, SPF)을 사이에 두고 한 쌍의 사이징 필름들(FSF, SSF)을 이격된 위치에서 연속적으로 압출 헤드(150)에 공급하되, 역시 서로 마주보도록 공급한다.(S1400)

압출 헤드(150)로 연속 섬유(CF)와 한 쌍의 폴리머 필름들(FPF, SPF) 및 사이징 필름들(FSF, SSF)이 공급되면 압출 헤드(150)를 통해 연속 섬유(CF)를 사이에 둔 두 폴리머 필름들을 서로 마주대어 가열 및 압착하여 연속 섬유(CF)에 폴리머가 함침된 적층용 복합시트(LCS)를 형성하고, 다시 적층용 복합시트(LCS)를 사이에 둔 두 사이징 필름들(FSF, SSF)을 서로 마주대어 가열 및 압착하여 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트(LCS)를 형성한다.(S1500) 여기서, 적층용 복합시트(LCS)를 형성하는 과정(S1500)은 제1 히팅 롤러(151)을 통해 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)에 융점(250℃) 이상의 열을 가하여 연화시키며, 서로 마주보는 방향으로 가압하는 과정(S1510)과, 제2 히팅 롤러(152)를 통해 두 사이징 필름들(FSF, SSF)에 융점(100℃) 이상의 열을 가하여 연화시키며, 서로 마주보는 방향으로 가압하는 과정(S1520)과, 이후, 프레스 롤러(153)를 통해 사이징제가 함침된 폴리머에 융점 이상의 열을 가하여 연속 섬유(CF)에 함침된 폴리머가 일정 형상의 적층용 복합시트(LCS)로 형성되도록 하는 과정(S1540)을 포함한다. 이때, 프레스 롤러(153)가 융점 이상의 열을 가하는 과정(S1540)은, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)의 유리전이온도 일 때의 변형량이 프레스 롤러(153)와 연속 섬유(CF) 사이의 간격과 사이징 필름(FSF 또는 SFF)을 포함한 제2 히팅 롤러(151)와 섬유(CF) 사이의 간격의 차보다 큰 경우, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)에 유리전이온도 이상이며 융점 이하의 열을 가하여 적층용 복합시트(LCS)를 형성하는 과정(S1550)을 포함할 수 있다.

한편, 적층용 복합시트(LCS)를 형성하는 과정(S1500)의 연속 섬유(CF)에 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)과 두 사이징 필름들(FSF, SSF)을 순차적으로 가열 및 압착하는 과정(S1510, S1520)은, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)과 두 사이징 필름들(FSF, SSF)을 함께 가열 및 가압하는 과정(S1530)으로 대체될 수 있으며, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)과 두 사이징 필름들(FSF, SSF)에 융점(250℃) 이상의 온도가 가해져 압착될 수 있다.(S1540) 또한, 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)의 유리전이온도 이상에서의 변형량이 프레스 롤러(153)와 연속 섬유(CF) 사이의 간격과 히팅 롤러(251)와 섬유(CF) 사이의 간격의 차보다 큰 경우, 프레스 롤러(153)를 통해 두 폴리머 필름들(FPF, SPF)에 유리전이온도 이상의 열을 가하여 적층용 복합시트(LCS)를 형성하는 과정(S1550)을 포함할 수 있다.

이후 적층용 복합시트(LCS)가 형성되면, 제어장치(180)는 압출 헤드(150)를 통해 적층용 복합시트(LCS)를 3D 모델링 데이터와 일치하게 사출함으로써, 적층용 복합시트(LCS)가 적층되어 복합소재 성형체로 성형되도록 한다.(S1600) 여기서, 적층용 복합시트(LCS)를 사출하여 복합소재 성형체를 성형하는 과정(S1600)은, 제어장치(180)가 구동장치(170)를 통해 압출 헤드(150)와 압출 헤드(150)의 사출방향과 대향하는 방향으로 배치되는 베드(160)의 위치를 서로에 대해 x, y 및 z의 3축 방향으로 각각 이동시켜, 압출 헤드(150)를 통해 사출되는 적층용 복합시트(LCS)가 3축 방향을 따라 연속적으로 베드(160)에 적층되도록 하는 과정(S1610)을 포함한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 수지 압출적층장치
110 : 본체 120 : 폴리머 공급장치
121 : 제1 필름 공급부 122 : 제2 필름 공급부
130 : 섬유 공급장치 140 : 사이징제 공급장치
141 : 제1 사이징제 공급부 142 : 제2 사이징제 공급부
150 : 압출 헤드 151 : 제1 히팅 롤러
152 : 제2 히팅 롤러 153 : 프레스 롤러
154 : 노즐 155 : 폴리머 공급롤러
156 : 도입롤러 157 : 사이징제 공급롤러
158 : 절단장치 160 : 베드
170 : 구동장치 171 : 헤드 구동부
172 : 베드 구동부 180 : 제어장치
200 : 수지 압출적층장치
250 : 압출 헤드 251 : 히팅 롤러
252 : 프레스 롤러
FPF : 제1 폴리머 필름 SPF : 제2 폴리머 필름
CF : 연속 섬유
FSF : 제1 사이징 필름 SSF : 제2 사이징 필름
LCS : 적층용 복합시트

Claims

이격된 위치에서 한 쌍의 제1 폴리머 필름과 제2 폴리머 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 폴리머 공급장치;
상기 두 폴리머 필름 사이로 연속 섬유(fiber)를 공급하는 섬유 공급장치;
상기 연속 섬유를 감싸는 상기 폴리머 필름이 사이징제에 감싸지도록, 상기 두 폴리머 필름을 사이에 두고, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 사이징 필름과 제2 사이징 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 사이징제 공급장치; 및
상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 사이징 필름들을 서로 마주대어 가압 및 가열함으로써, 상기 연속 섬유에 폴리머가 함침되고, 상기 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트가 형성되도록 하며, 상기 적층용 복합시트를 사출하여 상기 사이징제가 함침된 폴리머들이 적층에 따라 상기 사이징제에 의해 계면결합됨으로써 형성되는 복합소재 성형체를 제작하는 압출 헤드를 포함하는 수지 압출적층장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압출 헤드는,
상기 두 폴리머 필름들에 융점 이상의 열을 가하여 연화시키며, 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들을 서로 마주보는 방향으로 가압하여 상기 연속 섬유에 상기 폴리머를 압착시키는 제1 히팅 롤러를 포함하는 수지 압출적층장치.
청구항 2에 있어서,
상기 압출 헤드는,
상기 두 사이징 필름들에 융점 이상의 열을 가하여 연화시키며, 상기 제1 히팅 롤러에 의해 상기 연속 섬유에 함침된 상기 두 폴리머 필름들을 사이에 두고 상기 두 사이징 필름들을 서로 마주보는 방향으로 가압하여 상기 두 폴리머 필름에 상기 사이징제를 압착시키는 제2 히팅 롤러를 포함하는 수지 압출적층장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압출 헤드는,
상기 두 폴리머 필름들과 상기 두 사이징 필름들에 융점 이상의 열을 가하여 연화시키며, 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 두 사이징 필름들을 서로 마주보는 방향으로 함께 가압하여 상기 연속 섬유에 상기 폴리머가 압착되고, 상기 폴리머에 다시 상기 사이징제가 압착되도록 하는 히팅 롤러를 포함하는 수지 압출적층장치.
청구항 3 또는 4에 있어서,
상기 압출 헤드는,
상기 연속 섬유에 함침된 폴리머가 일정 형상의 상기 적층용 복합시트로 형성되도록, 상기 사이징제가 압착된 두 폴리머 필름에 융점 이상의 열과 함께 압력을 가하는 프레스 롤러를 포함하는 수지 압출적층장치.
청구항 3 또는 4에 있어서,
상기 연속 섬유에 함침된 폴리머가 일정 형상의 상기 적층용 복합시트로 형성되도록, 상기 사이징제가 압착된 두 폴리머 필름에 유리전이온도(Tg, Glass transition Temperature)의 열과 함께 압력을 가하는 프레스 롤러를 포함하는 수지 압출적층장치.
청구항 1에 있어서,
상기 연속 섬유는 토우(tow) 형태 또는 복수 개의 스트랜드(strand)를 포함하는 와이어 로프(wire rope) 형태인 수지 압출적층장치.
청구항 1에 있어서,
상기 연속 섬유는 탄소물질이 포함된 탄소섬유인 수지 압출적층장치.
청구항 1에 있어서,
상기 두 폴리머 필름은 PLA(Poly Lactic Acid), PA6(Nylon 6 or polycaprolactam) 또는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 중 어느 하나를 포함하는 열가소성 폴리머인 수지 압출적층장치.
이격된 위치에서 한 쌍의 제1 폴리머 필름과 제2 폴리머 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 폴리머 공급장치;
상기 두 폴리머 필름 사이로 연속 섬유(fiber)를 공급하는 섬유 공급장치;
상기 연속 섬유를 감싸는 상기 폴리머 필름이 사이징제에 감싸지도록, 상기 두 폴리머 필름을 사이에 두고, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 사이징 필름과 제2 사이징 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 사이징제 공급장치; 및
상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 사이징 필름들을 서로 마주대어 가압 및 가열함으로써, 상기 연속 섬유에 폴리머가 함침되고, 상기 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트가 형성되도록 하며, 상기 적층용 복합시트를 사출하여 상기 사이징제가 함침된 폴리머들이 적층에 따라 상기 사이징제에 의해 계면결합됨으로써 형성되는 복합소재 성형체를 제작하는 압출 헤드를 포함하는 3D 프린터.
수지 압출적층장치를 이용하여 복합소재 성형체를 제조하는 방법에 있어서,
제어장치를 통해 상기 복합소재 성형체의 3D 모델링 데이터를 입력받는 단계;
폴리머 공급장치를 통해 한 쌍의 제1 폴리머 필름과 제2 폴리머 필름을 이격된 위치에서 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 단계;
섬유 공급장치를 통해 연속 섬유를 상기 두 폴리머 필름들 사이로 공급하는 단계;
사이징제 공급장치를 통해 상기 연속 섬유를 감싸는 상기 폴리머 필름이 사이징제에 감싸지도록, 상기 두 폴리머 필름들을 사이에 두고, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 사이징 필름과 제2 사이징 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 단계;
압출 헤드를 통해 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 사이징 필름들을 서로 마주대어 가압 및 가열함으로써, 상기 연속 섬유에 폴리머가 함침되고, 상기 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트가 형성되도록 하는 단계;
상기 압출 헤드를 통해 상기 사이징제가 함침된 적층용 복합시트를 상기 3D 모델링 데이터와 일치하게 사출함으로써, 상기 사이징제가 함침된 폴리머들이 적층에 따라 상기 사이징제에 의해 계면결합되어 형성되는 복합소재 성형체를 제작하는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 11에 있어서,
상기 적층용 복합시트를 형성하는 단계는,
제1 히팅 롤러를 통해 상기 두 폴리머 필름들에 융점 이상의 열을 가하여 연화시키며, 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들을 서로 마주보는 방향으로 가압하여 상기 연속 섬유에 상기 폴리머를 압착시키는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 12에 있어서,
상기 적층용 복합시트를 형성하는 단계는,
제2 히팅 롤러를 통해 상기 두 사이징 필름들에 융점 이상의 열을 가하여 연화시키며, 상기 제1 히팅 롤러에 의해 상기 연속 섬유에 함침된 상기 두 폴리머 필름들을 사이에 두고 상기 두 사이징 필름들을 서로 마주보는 방향으로 가압하여 상기 두 폴리머 필름들에 상기 사이징제를 압착시키는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 11에 있어서,
상기 적층용 복합시트를 형성하는 단계는,
히팅 롤러를 통해 상기 두 폴리머 필름들과 상기 두 사이징 필름들에 융점 이상의 열을 가하여 연화시키며, 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 두 사이징 필름들을 서로 마주보는 방향으로 함께 가압하여 상기 연속 섬유에 상기 폴리머가 압착되고, 상기 폴리머에 다시 사이징제가 압착되도록 하는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 13 또는 14에 있어서,
상기 적층용 복합시트를 형성하는 단계는,
상기 연속 섬유에 함침된 폴리머가 일정 형상의 상기 적층용 복합시트로 형성되도록, 프레스 롤러를 통해 상기 사이징제가 압착된 두 폴리머 필름들에 융점 이상의 열과 함께 압력을 가하는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 13 또는 14에 있어서,
상기 적층용 복합시트를 형성하는 단계는,
상기 연속 섬유에 함침된 폴리머가 일정 형상의 상기 적층용 복합시트로 형성되도록, 프레스 롤러를 통해 상기 사이징제가 압착된 두 폴리머 필름에 유리전이온도의 열과 함께 압력을 가하는 프레스 롤러를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 11에 있어서,
상기 연속 섬유를 상기 두 폴리머 필름들 사이로 공급하는 단계는,
상기 섬유 공급장치를 통해 상기 섬유를 토우 형태 또는 복수 개의 스트랜드를 포함하는 와이어 로프 형태로 공급하는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
청구항 11에 있어서,
상기 연속 섬유를 상기 두 폴리머 필름들 사이로 공급하는 단계는,
상기 섬유 공급장치를 통해 상기 연속 섬유에 탄소물질을 포함시켜 공급하는 단계를 포함하는 수지 압출적층방법.
3D 프린터를 이용하여 복합소재 성형체를 제조하는 방법에 있어서,
제어장치를 통해 상기 복합소재 성형체의 3D 모델링 데이터를 입력받는 단계;
폴리머 공급장치를 통해 한 쌍의 제1 폴리머 필름과 제2 폴리머 필름을 이격된 위치에서 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 단계;
섬유 공급장치를 통해 연속 섬유를 상기 두 폴리머 필름들 사이로 공급하는 단계;
사이징제 공급장치를 통해 상기 연속섬유를 감싸는 상기 폴리머 필름이 사이징제에 감싸지도록, 상기 두 폴리머 필름들을 사이에 두고, 이격된 위치에서 한 쌍의 제1 사이징 필름과 제2 사이징 필름을 연속적으로 서로 마주보도록 공급하는 단계;
압출 헤드를 통해 상기 연속 섬유를 사이에 두고 상기 두 폴리머 필름들과 상기 사이징 필름들을 서로 마주대어 가압 및 가열함으로써, 상기 연속 섬유에 폴리머가 함침되고, 상기 폴리머의 외주면에 사이징제가 함침된 적층용 복합시트가 형성되도록 하는 단계;
상기 압출 헤드를 통해 상기 사이징제가 함침된 적층용 복합시트를 상기 3D 모델링 데이터와 일치하게 사출함으로써, 상기 사이징제가 함침된 폴리머들 적층에 따라 상기 사이징제에 의해 계면결합되어 형성되는 복합소재 성형체를 제작하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 방법.