KR102191031B1 - 열가소성 복합재 이송장치 및 이를 포함한 열가소성 복합재 성형시스템 - Google Patents

열가소성 복합재 이송장치 및 이를 포함한 열가소성 복합재 성형시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열가소성 복합재 이송장치 및 이를 포함한 성형 시스템에 관한 것이다. 열가소성 복합재 이송장치는 트레이 및 트레이 이송기구를 포함한다. 트레이는 설정 크기로 재단된 열가소성 복합재를 공급 구간에서 수평 자세로 공급받아 안착시키는 것으로, 각 상면 모서리가 볼록하게 곡면진 형태로 이루어지고 일 방향을 따라 수평 배열된 상태로 열가소성 복합재를 상면에 얹어서 지지하는 트레이 바(tray bar)들, 및 트레이 바들을 지지하는 바 지지대를 구비한다. 트레이 이송기구는 트레이를 공급 구간으로부터 가열 구간으로 이송한다.

Description

열가소성 복합재 이송장치 및 이를 포함한 열가소성 복합재 성형시스템{Device for transferring thermoplastic composite and system for forming thermoplastic composite including the same}
본 발명은 자동차 등과 같은 수송기계에 적용될 수 있는 열가소성 복합재를 성형하는데 적용되는 기술에 관한 것이다.
오늘날, 자원 및 에너지의 절약이 요구되는 상황에서, 기계, 구조물의 경량화가 대단히 중요하다. 경량화는 기계, 구조물의 기능적인 특성뿐 아니라, 이들을 만들기 위한 경제성과도 관련이 깊기 때문에 경제성을 무시한 경량화는 있을 수 없다. 경량화에 의한 경제적인 효과는 수송기계가 가장 크므로, 항공기 분야로부터 시작된 경량화는 자동차, 철도, 선박 분야까지 확장되고 있다.
자동차의 경량화는 연비향상기술 중 가장 주목을 받고 있는 것으로, 부품삭감 및 구조개선, 소재의 경량화 등 다양한 부문에서 연구, 개발이 진행되고 있다. 특히, 자동차 소재의 경량화는 엔진효율을 높여 차량의 성능향상을 극대화시키고, 이로 인해 연비향상을 도모할 수 있으므로, 환경오염방지와 연료절감에 가장 적합하고 효과적인 방법이다.
자동차 경량화 소재로 주목 받고 있는 복합재는 사용 수지에 따라 열경화성(Thermoset) 복합재와 열가소성(Thermoplastic) 복합재로 구분될 수 있는데, 소재 특성상 중간재 및 최종 제품에 따라 성형 방법이 달라진다.
열경화성 복합재는 성형 후 다시 성형되거나 변형될 수 없기 때문에 재활용이 되지 않는다는 단점이 있다. 최근 들어, 열경화성 복합재에 비해 형태적으로 변형이 가능하여 자유도가 높고 경제적으로 유리한 열가소성 복합재에 대한 연구가 활발히 이어지고 있다. 따라서, 열가소성 복합재를 표면 품질 저하 없이 생산성 높게 성형하기 위한 기술을 제안하고자 한다.
등록특허공보 제10-1744205호(2017. 06. 09. 공고)
본 발명의 과제는 열가소성 복합재를 표면 품질 저하 없이 생산성 높게 성형할 수 있게 하는 열가소성 복합재 이송장치 및 이를 포함한 열가소성 복합재 성형시스템을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 열가소성 복합재 이송장치는 트레이, 및 트레이 이송기구를 포함한다. 트레이는 설정 크기로 재단된 열가소성 복합재를 공급 구간에서 수평 자세로 공급받아 안착시키는 것으로, 각 상면 모서리가 볼록하게 곡면진 형태로 이루어지고 일 방향을 따라 수평 배열된 상태로 열가소성 복합재를 상면에 얹어서 지지하는 트레이 바(tray bar)들, 및 트레이 바들을 지지하는 바 지지대를 구비한다. 트레이 이송기구는 트레이를 공급 구간으로부터 가열 구간으로 이송한다.
본 발명에 따른 열가소성 복합재 성형시스템은 상기 이송장치와, 이송장치에 의해 트레이의 상면에 안착된 상태로 가열 구간으로 이송된 열가소성 복합재를 설정 온도로 가열하는 가열장치와, 가열장치에 의해 가열된 열가소성 복합재를 트레이로부터 성형 구간에서 전달받아 가압한 후 설정 온도 이하로 냉각시켜 제품 형상으로 성형하는 성형장치, 및 이송장치와 가열장치 및 성형장치를 제어하는 제어기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 열가소성 복합재를 표면 품질 저하 없이 생산성 높게 성형할 수 있게 한다. 그에 따라, 자동차 등의 수송기계에 대한 열가소성 복합재의 적용이 확대될 수 있으므로, 경제적으로도 유리한 효과가 기대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 이송장치에 대한 평면 구성도이다.
도 2는 도 1에 대한 측면 구성도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 트레이에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 성형시스템에 대한 측면 구성도이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 이송장치에 대한 평면 구성도이다. 도 2는 도 1에 대한 측면 구성도이다. 도 3은 도 2에 있어서, 트레이에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 이송장치(100)는 트레이(110) 및 트레이 이송기구(120)를 포함한다.
트레이(110)는 설정 크기로 재단된 열가소성 복합재(10)를 공급 구간에서 수평 자세로 공급받아 안착시킨다. 여기서, 열가소성 복합재(10)는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등과 같은 열가소성 올레핀계 고분자 레진(resin)을 기지재로 하고, 탈크, 유리 섬유, 현무암 섬유, 탄소 섬유 등의 보강섬유로 강화시킨 구성으로 이루어질 수 있다.
트레이(110)는 트레이 바(tray bar, 111)들, 및 바 지지대(112)를 구비한다. 트레이 바(111)들은 각 상면 모서리(111a)가 볼록하게 곡면진 형태로 이루어진다. 비교 예로서, 트레이 바의 상면 모서리가 각진 경우, 열가소성 복합재(10)에 함침된 레진이 흘러내리는 현상 때문에 성형 제품(10', 도 4 참조) 표면에 레진이 뭉치는 현상이 발생되어 제품(10') 표면의 품질을 저하시킬 수 있다.
반면, 본 실시예와 같이, 트레이 바(111)의 상면 모서리(111a)가 볼록하게 곡면진 형태로 이루어지게 되면, 비교예와 대비하여 레진이 흘러내리는 현상이 최소화될 수 있으므로, 제품(10') 표면의 품질 저하를 방지할 수 있다.
트레이 바(111)는 상면 중앙 부위가 편평하고 상면 모서리(111a)까지 라운딩지게 연결될 수 있으나, 상면 중앙 부위가 상면 모서리(111a) 곡률보다 작은 곡률로 볼록하게 형성되어 상면 모서리(111a)까지 라운딩지게 연결될 수도 있다.
또한, 트레이 바(111)는 측면 부위가 편평하고 상면 모서리(111a)부터 라운딩지게 연결될 수 있으나, 측면 부위가 상면 모서리(111a) 곡률보다 작은 곡률로 볼록하게 형성되어 상면 모서리(111a)까지 라운딩지게 연결될 수도 있다. 트레이 바(111)는 하면이 편평한 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.
트레이 바(111)들은 일 방향을 따라 수평 배열된 상태로 열가소성 복합재(10)를 상면에 얹어서 지지한다. 본 실시예와 같이 트레이 바(111)들이 일 방향을 따라 배열되면, 트레이 바들이 교차해서 메쉬 형태로 배열되는 비교 예보다 열가소성 복합재(10)와 접촉되는 면적을 줄여 제품(10')에 대한 눌림 자국을 최소화할 수 있으므로, 제품(10') 표면의 품질 저하를 방지할 수 있다.
트레이 바(111)들은 등간격으로 배열되어 열가소성 복합재(10)를 안정적으로 지지할 수 있다. 트레이 바(111)들의 간격은 열가소성 복합재(10)를 안정적으로 지지하는 범주에서 열가소성 복합재(10)와 최소 면적으로 접촉되도록 설정됨으로써, 열가소성 복합재(10) 전체가 고르게 가열될 수 있게 한다. 트레이 바(111)들은 트레이(110)가 전후 방향으로 이송되는 기준으로 좌우 방향으로 배열될 수 있으나, 전후 방향으로 배열될 수도 있다.
바 지지대(112)는 트레이 바(111)들을 지지한다. 바 지지대(112)는 트레이 바(111)들의 간격을 유지시킨다. 바 지지대(112)는 트레이 바(111)들의 둘레를 따라 고정된 사각틀을 포함하여 구성될 수 있으나, 트레이 바(111)들의 배열 방향과 직교하는 방향으로 상호 이격되어 트레이 바(111)들의 가장자리에 고정된 한 쌍의 지지봉들을 포함하여 구성될 수도 있다.
열가소성 복합재(10)는 설정 크기로 재단되어, 적재대로부터 공급 로봇 등에 의해 트레이(110)로 공급될 수 있다. 트레이(110)는 공급 구간과 가열 구간에 각각 한 쌍씩 할당되도록 구비되어, 무한 궤도로 이송될 수 있다. 따라서, 열가소성 복합재(10)들에 대한 연속 가열시 사이클 타임(cycle time)이 단축되어 생산 효율성을 높일 수 있다.
트레이 이송기구(120)는 트레이(110)를 공급 구간으로부터 가열 구간으로 이송한다. 트레이 이송기구(120)는 이송 캐리어(121)들과, 이송 레일(122)들과, 이송 캐리어 액추에이터(123)를 포함할 수 있다.
이송 캐리어(121)들은 트레이(110)들, 예컨대 트레이(110)들의 바 지지대(112)들에 각각 지지된다. 이송 레일(122)들은 한 쌍으로 이루어져 좌우 방향과 나란한 방향으로 이격된 상태로 이송 프레임(120a)에 지지될 수 있다. 이송 레일(122)들은 이송 캐리어(121)들이 전후 방향과 나란한 방향으로 이동하도록 이송 캐리어(121)들의 이동을 안내한다. 따라서, 트레이(110)들은 이송 캐리어(121)들에 각각 장착된 상태로 이송 레일(122)들의 안내를 받아 전후 방향과 나란한 방향으로 이송될 수 있다.
이송 레일(122)들은 이송 캐리어(121)들이 무한 궤도로 이동하도록 이송 캐리어(121)들의 이동을 안내할 수 있다. 따라서, 트레이(110)들은 이송 캐리어(121)들에 각각 장착된 상태로 이송 레일(122)들의 안내를 받아 무한 궤도로 이송될 수 있다.
이송 캐리어 액추에이터(123)는 이송 캐리어(121)들을 전후 방향으로 이동시킨다. 일 예로, 이송 캐리어 액추에이터(123)는 회전 모터(123a)와, 구동 풀리(123b)들과, 종동 풀리(123c)들, 및 벨트(123d)들을 포함할 수 있다.
회전 모터(123a)는 몸체가 이송 프레임(120a)에 지지된 상태로 구동축을 통해 회전력을 발생시킨다. 구동 풀리(123b)들은 좌우 방향과 나란한 축을 중심으로 회전 가능하게 이송 프레임(120a)에 지지된 상태로 회전 모터(123a)로부터 회전력을 제공받아 회전한다.
종동 풀리(123c)들은 구동 풀리(123a)들로부터 전후 방향과 나란한 방향으로 이격되고, 좌우 방향과 나란한 축을 중심으로 회전 가능하게 이송 프레임(120a)에 지지된다. 벨트(123d)들은 한 쌍으로 이루어져 좌우 방향과 나란한 방향으로 이격된다. 벨트(123d)는 폐루프 형태로 구동 풀리(123b)와 종동 풀리(123c)에 걸쳐져 구동 풀리(123b)의 회전에 따라 무한 궤도로 주행한다.
벨트(123d)들은 각 외주를 따라 이송 캐리어(121)들을 고정해서 지지한다. 벨트(123d)들은 무한 궤도로 주행함에 따라 이송 캐리어(121)를 무한 궤도로 이동시킬 수 있다. 다른 예로, 벨트(123d) 대신에 체인이 이용될 수 있고, 이 경우 풀리(123b, 123c) 대신에 스프로킷이 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 성형시스템에 대한 측면 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 복합재 성형시스템은 전술한 열가소성 복합재 이송장치(100)와, 가열장치(200)와, 성형장치(300), 및 제어기(400)를 포함한다.
가열장치(200)는 이송장치(100)에 의해 트레이(110)의 상면에 안착된 상태로 가열 구간으로 이송된 열가소성 복합재(10)를 설정 온도로 가열한다. 가열장치(200)는 열가소성 복합재(10)를 180~200℃ 범위에서 설정된 온도로 가열할 수 있다. 여기서, 제어기(400)는 열가소성 복합재(10)의 온도 정보를 기반으로 가열장치(200)를 제어해서 열가소성 복합재(10)를 설정 온도까지 가열할 수 있다.
가열장치(200)는 열가소성 복합재(10)의 상부를 가열하는 상측 가열부(210)와, 열가소성 복합재(10)의 하부를 가열하는 하측 가열부(220)를 포함할 수 있다. 따라서, 열가소성 복합재(10)는 상하부가 상측 가열부(210)와 하측 가열부(220)에 의해 균일하게 가열될 수 있다. 상,하측 가열부(210, 220)는 상하로 이격된 사이로 열가소성 복합재(10)가 배치되면 상호 근접해서 열가소성 복합재(10)를 가열할 수도 있다. 이 경우, 상,하측 가열부(210, 220)는 승강기구(미도시)에 의해 상호 근접되거나 이격될 수 있다.
상측 가열부(210)는 상측 가열 프레임(211)의 하측에 상측 히터(212)가 장착되어 구성될 수 있다. 하측 가열부(220)는 하측 가열 프레임(221)의 상측에 하측 히터(222)가 장착되어 구성될 수 있다. 상,하측 히터(212, 222)는 제어기(400)에 의해 구동 제어된다. 상,하측 히터(212, 222)는 열가소성 복합재(10)를 복사 또는 대류 방식으로 가열할 수 있다.
성형장치(300)는 가열장치(200)에 의해 가열된 열가소성 복합재(10)를 트레이(110)로부터 성형 구간에서 전달받아 가압한 후 설정 온도 이하로 냉각시켜 제품 형상으로 성형한다. 성형장치(300)는 이송 로봇 등에 의해 트레이(110)로부터 열가소성 복합재(10)를 전달받을 수 있다. 성형장치(300)는 설정 온도로 가열된 열가소성 복합재(10)를 가압한 후 90~110℃ 범위에서 설정된 온도 이하로 냉각시켜 제품(10') 형상으로 성형할 수 있다.
여기서, 제어기(400)는 열가소성 복합재(10)의 온도 정보 또는 상,하금형(310, 320)의 온도 정보를 기반으로 성형장치(300)를 제어해서 열가소성 복합재(10)를 가압한 상태로 설정 온도 이하까지 냉각시킴으로써, 제품(10') 형상으로 성형할 수 있다.
성형장치(300)는 상금형(310)과 하금형(320)과 금형 구동기구(330) 및 가열원(340)을 포함할 수 있다. 상금형(310)은 하면에 제품(10')의 상부와 반대되는 형상을 갖는 상측 성형부(311)가 형성된다. 하금형(320)은 상면에 제품(10')의 하부와 반대되는 형상을 갖는 하측 성형부(321)가 형성된다.
상금형(310)과 하금형(320)은 형분리된 사이에 열가소성 복합재(10)가 배치된 상태에서 형합됨에 따라 열가소성 복합재(10)를 가압함으로써, 열가소성 복합재(10)를 상,하측 성형부(311, 321)에 의해 제품(10') 형상으로 성형할 수 있게 한다. 금형 구동기구(330)는 상금형(310)과 하금형(320)을 형합 또는 형분리시킨다. 금형 구동기구(330)는 상금형(310)과 하금형(320)을 상하 방향으로 상호 근접 또는 이격시킴에 따라 상금형(310)과 하금형(320)을 형합 또는 형분리시킬 수 있다. 금형 구동기구(330)는 유압 실린더 등을 포함하여 구성될 수 있다.
가열원(340)은 상금형(310)과 하금형(320)을 열가소성 복합재(10)의 가열 온도보다 낮은 온도로 가열시킨다. 상금형(310)과 하금형(320)은 가열원(340)에 의해 90~110℃ 범위의 설정 온도로 가열됨으로써, 180~200℃ 범위의 설정 온도로 가열된 열가소성 복합재(10)와 열교환시켜 냉각시킬 수 있다.
가열원(340)은 히터 카트리지들을 포함하여 상금형(310)과 하금형(320)에 각각 장착될 수 있다. 또는, 가열원(340)은 상금형(310)과 하금형(320)에 각각 형성된 채널에 고온수를 공급하도록 구성될 수 있다. 가열원(340)은 제어기(400)에 의해 제어된다.
제어기(400)는 이송장치(100)와 가열장치(200) 및 성형장치(300)를 제어한다. 즉, 제어기(160)는 트레이(110)들을 공급 구간으로부터 가열 구간으로 이송시키도록 트레이 이송기구(120)를 제어한다. 제어기(400)는 가열 구간으로 이송된 열가소성 복합재(10)를 설정 온도로 가열시키도록 가열장치(200)를 제어한다. 제어기(400)는 가열된 열가소성 복합재(10)를 가압한 후 설정 온도 이하로 냉각시키도록 성형장치(300)를 제어한다. 이러한 제어기(400)는 시스템을 전반적으로 제어하는 프로세서 등을 포함할 수 있다.
전술한 열가소성 복합재 성형 시스템에 의해 열가소성 복합재(10)를 제품(10') 형상으로 성형하는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 열가소성 복합재(10)는 공급 구간에서 트레이(110)들로 공급된다. 이어서, 열가소성 복합재(10)는 트레이(110)들에 안착된 상태로 트레이 이송기구(120)에 의해 가열 구간으로 이송된다. 그러면, 열가소성 복합재(10)는 가열장치(200)에 의해 설정 온도로 가열된다. 이때, 열가소성 복합재(10)는 180~200℃ 범위에서 설정된 온도로 가열할 수 있다.
이어서, 가열된 열가소성 복합재(10)는 성형 구간의 성형장치(300)로 이송된다. 이때, 가열된 열가소성 복합재(10)는 이송 로봇 등에 의해 성형장치(300)로 이송될 수 있다. 이 상태에서, 열가소성 복합재(10)는 성형장치(300)에 의해 가압된 후 설정 온도 이하까지 냉각됨으로써, 제품(10') 형상으로 성형된다. 이때, 열가소성 복합재(10)는 가압된 상태로 90~110℃ 범위에서 설정된 온도 이하로 냉각되어 제품(10') 형상으로 성형될 수 있다.
이어서, 성형된 제품(10')은 배출대로 배출될 수 있다. 이때, 상금형(310)과 하금형(320)이 형분리된 상태에서, 열가소성 복합재(10)가 배출 로봇 등에 의해 배출대로 배출될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 열가소성 복합재(10)를 표면 품질 저하 없이 생산성 높게 제품(10')으로 성형할 수 있게 한다. 그에 따라, 자동차 등의 수송기계에 대한 열가소성 복합재(10)의 적용이 확대될 수 있으므로, 경제적으로도 유리한 효과가 기대될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100..이송장치
110..트레이
111..트레이 바
112..트레이 지지대
120..트레이 이송기구
200..가열장치
300..성형장치
400..제어기

Claims (3)

  1. 설정 크기로 재단된 열가소성 복합재를 공급 구간에서 수평 자세로 공급받아 안착시키는 것으로, 각 상면 모서리가 볼록하게 곡면진 형태로 이루어지고 일 방향을 따라 등간격으로 수평 배열된 상태로 열가소성 복합재를 상면에 얹어서 지지하는 트레이 바(tray bar)들, 및 상기 트레이 바들을 지지해서 상기 트레이 바들의 간격을 유지시키는 바 지지대를 구비하는 트레이; 및
    상기 트레이를 공급 구간으로부터 가열 구간으로 이송하는 트레이 이송기구;
    를 포함하는 열가소성 복합재 이송장치.
  2. 제1항에 기재된 이송장치;
    상기 이송장치에 의해 상기 트레이의 상면에 안착된 상태로 가열 구간으로 이송된 열가소성 복합재를 설정 온도로 가열하는 가열장치;
    상기 가열장치에 의해 가열된 열가소성 복합재를 상기 트레이로부터 성형 구간에서 전달받아 가압한 후 설정 온도 이하로 냉각시켜 제품 형상으로 성형하는 성형장치; 및
    상기 이송장치와 가열장치 및 성형장치를 제어하는 제어기;
    를 포함하는 열가소성 복합재 성형시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 성형장치는,
    하면에 제품의 상부와 반대되는 형상을 갖는 상측 성형부가 형성된 상금형과,
    상면에 제품의 하부와 반대되는 형상을 갖는 하측 성형부가 형성된 하금형과,
    상기 상금형과 하금형을 형합 또는 형분리시키는 금형 구동기구, 및
    상기 상금형과 하금형을 열가소성 복합재의 가열 온도보다 낮은 온도로 가열시키는 가열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 복합재 성형시스템.
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