KR102202381B1 - 섬유강화 복합재 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

섬유강화 복합재 제조 장치 및 제조 방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치는 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하는 공급부, 상기 공급부에서 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재를 예열하는 예열부, 상기 예열부에서 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 공급받아 프로파일 부재를 성형하는 몰딩부, 상기 몰딩부에서 성형된 프로파일 부재를 공급받으며, 장섬유 복합재를 이용하여 프로파일 부재에 표면 형상부를 형성하는 압출부, 및 상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 커팅하는 커팅부를 포함하여, 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 설정 단면 형상을 갖는 프로파일 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키고 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능한 장점이 있다.

Description

섬유강화 복합재 제조 장치 및 제조 방법{APPARATUS AND METHOD OF MANUFACTURING FIBER REINFORCED COMPOSITE}
본 발명의 실시예들은 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 설정 단면 형상을 갖는 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키고 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능한 섬유강화 복합재 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
섬유강화 복합재는 자동차, 항공, 전자, 건설, 스포츠 레저 및 국방 산업 등과 관련하여 산업재료로서 각광을 받고 있으며, 성형 공정에서 그 조성을 비교적 자유롭게 변화시킬 수 있는 장점이 있다.
구체적으로는 섬유강화 복합재는 두 가지 이상 소재가 복합적으로 이루어진 재료로서, 예를 들어 Glass, Carbon Fiber 등의 강화재가 고분자 수지 등의 모재에 둘러 쌓여 있는 구조를 갖는다.
섬유강화 복합재는 섬유 길이에 따라 단섬유, 장섬유, 연속섬유복합재로 구분될 수 있다. 섬유 길이가 길어질수록 복합재 물성이 향상되나 가공이 어려우며 형태의 자유도가 낮아진다. 그래서 일방향 연속섬유강화 복합재는 테이프 형태로 많이 제공되는데, 이를 'UD 테이프(Unidirectional Tape)'라 한다. UD 테이프는 열가소성 수지에 강화재를 일방향으로 함침시켜 테이프 형태로 감아 제작된다.
이러한 일방향 연속섬유강화 복합재는 기계적 물성이 우수하여 구조강성을 보강하기 위한 용도로 활용도가 크다.
다만, 일방향 연속섬유강화 복합재는 테이프 또는 시트 형태로 제공되고 있으며, 중공을 갖는 다양한 단면 형상(예: 사각형, 원형 등)의 제품 또는 중공이 없는 중실의 단면 형상을 갖는 제품(이하, '프로파일 부재'라 함)으로 재성형하는 기술에 관심이 높아지고 있다.
일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 성형되는 프로파일 부재의 경우 인발 공정을 통해 제조될 수 있다. 그런데 이렇게 제조된 프로파일 부재는 장비방향(machine direction, MD)을 따라 섬유가 배향되어 우수한 물성을 보이지만, 축방향(transverse direction, TD)으로는 섬유의 배열이 없어 물성이 현저히 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 프로파일 부재의 횡방향 물성을 강화시키는 방법으로 편조(braiding)법이 소개되어 있지만, 고가의 장비가 필요하며 공정이 어렵고 공정속도가 느린 단점이 있다.
본 발명과 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0009888호(2013.01.23. 공개)가 있으며, 상기 선행문헌에는 열가소성 수지 복합 재료 성형품의 성형 방법에 관한 기술이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 프로파일 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키면서 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능한 섬유강화 복합재 연속 제조 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 프로파일 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키면서 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능한 섬유강화 복합재 연속 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치는, 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하는 공급부, 상기 공급부에서 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재를 예열하는 예열부, 상기 예열부에서 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 공급받아 프로파일 부재를 성형하는 몰딩부, 상기 몰딩부에서 성형된 프로파일 부재를 공급받으며, 장섬유 복합재를 이용하여 프로파일 부재에 표면 형상부를 형성하는 압출부, 및 상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 커팅하는 커팅부를 포함한다.
이때, 상기 몰딩부와 상기 압출부의 사이에 위치하며, 상기 몰딩부에서 성형된 프로파일 부재를 인취하는 제1 인취부를 더 포함한다.
또한, 상기 압출부와 상기 커팅부의 사이에 위치하며, 상기 압출부를 거쳐 제공되는 상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 인취하는 제2 인취부를 더 포함한다.
또한, 상기 공급부는, 상기 예열부로 공급되는 일방향 연속섬유강화 복합재의 장력을 조절할 수 있다.
또한, 상기 예열부는, 일방향 연속섬유강화 복합재를 상기 몰딩부에 적절히 투입하기 위한 가이드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 몰딩부는, 상기 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 가열하여 상기 프로파일 부재로 성형하는 히팅부, 및 상기 성형된 프로파일 부재를 냉각하는 쿨링부를 포함한다.
또한, 상기 압출부는, 섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 혼합부, 및 상기 혼합부에서 혼합된 섬유와 고분자 수지를 공급받아 장섬유 복합재를 형성하되, 상기 프로파일 부재에 표면에 장섬유 복합재를 도포하여 상기 표면 형상부를 형성하는 금형부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 방법은, (a) 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하는 공급단계, (b) 상기 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재를 예열하는 예열단계, (c) 상기 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 공급받아 프로파일 부재를 성형하는 몰딩단계, (d) 장섬유 복합재를 이용하여 상기 성형된 프로파일 부재의 표면에 표면 형상부를 형성하는 압출단계, 및 (e) 상기 표면 형상부가 형성된 프로파일 부재를 커팅하는 커팅단계를 포함한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 일방향 연속섬유강화 복합재는, 유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 중 적어도 하나인 섬유와, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나인 열가소성 수지를 포함한다.
또한, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 성형된 프로파일 부재를 인취하는 제1 인취단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계 이후에, 상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 인취하는 제2 인취단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 장섬유 복합재는, 유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 중 적어도 하나인 섬유와, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나인 열가소성 수지를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 프로파일 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키면서 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면 편조(braiding)법에 비해 고가의 장비가 요구되지 않아 비용이 저렴하며, 비교적 공정이 간단하며 연속공정이기 때문에 비연속공정인 편조(braiding)과 비교해 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도 2 내지 도 4는 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 성형한 프로파일 부재의 다양한 단면 형상을 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치에 의해 제조된 섬유강화 복합재를 간략히 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치에 의해 제조된 섬유강화 복합재의 표면보강부의 복잡한 형상을 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.
이하의 설명에서, '일방향 연속섬유강화 복합재'는 테이프 형태로 제공되는 UD 테이프(Unidirectional Tape)를 의미하며, 이는 열가소성 수지에 보강용 섬유를 일방향으로 함침시켜 제공되는 중간재를 말한다.
또한, 이하의 설명에서 '프로파일 부재'는 테이프 형태로 제공되는 일방향 연속섬유강화 복합재를 다양한 단면 형상(예: 사각형, 원형 등)의 제품으로 성형한 제품을 의미한다.
다만, 이와 같이 제공된 프로파일 부재는 장비방향(machine direction, MD)을 따라 섬유가 배향되어 물성이 우수하나, 축방향(transverse direction, TD)으로는 섬유의 배열이 없어 물성이 현저히 낮은 단점이 있었다.
이하에서 설명될 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치 및 제조 방법은 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 프로파일 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키고 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 장치(1000)는 공급부(100), 예열부(200), 몰딩부(300), 인취부(이하, '제1 인취부'라 함)(400) 압출부(500), 그리고 커팅부(600)를 포함한다.
공급부(100)는 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하도록 구성될 수 있다.
여기서, 일방향 연속섬유강화 복합재(1)는 UD 테이프(Unidirectional Tape)를 말하는데, 열가소성 수지에 보강용 섬유를 일방향으로 함침시켜 제공되는 중간재를 의미한다.
이러한 일방향 연속섬유강화 복합재(1)는 프로파일 부재(3)의 원재료로 이용되는데, 공급부(100)에 구성되는 크릴(creel) 등의 장치를 통해 권출되어 예열부(200)로 공급될 수 있다.
이때, 공급부(100)는 예열부(200)로 공급되는 일방향 연속섬유강화 복합재(1)의 장력을 조절할 수 있는데, 바람직하게는 일정한 장력이 유지될 수 있도록 제어해줄 수 있다.
일방향 연속섬유강화 복합재(1)(즉, UD 테이프)는 보강용 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 제조된 소재일 수 있다. 예를 들어, 이때의 섬유는 유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 중 적어도 하나인 것이 좋다. 다만, 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 관용적으로 알려진 보강용 섬유라면 제한 없이 이용할 수 있다. 그리고 이때의 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나일 수 있다. 일 예로서, 일방향 연속섬유강화 복합재(1)는 전체 중량 대비 섬유의 중량비가 50 중량% 내지 70 중량%인 것이 좋으며, 이에 한정되지 않는다.
예열부(200)는 공급부(100)에서 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재(1)를 소정의 예열온도로 예열하도록 구성될 수 있다. 예열부(200)의 예열온도는 특정 온도 범위로 제한되지 않으며, 후술할 몰딩부(300)의 가열온도보다 상대적으로 낮은 온도 범위 내에서 정해질 수 있다.
예열부(200)에서 소정의 예열온도로 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재(1)는 몰딩부(300)로 투입된다.
구체적으로는, 예열부(200)는 일방향 연속섬유강화 복합재를 후술할 몰딩부(300)에 적절히 투입하기 위한 가이드를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 예열부(200)의 말단 부분에는 몰딩부(300) 금형에 대해 위치별로 원하는 양을 투입할 수 있도록 조절하는 수단이 구비되는데 이를 가이드라 지칭한다.
몰딩부(300)는 예열부(300)에서 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재(1)를 공급받아 프로파일 부재(3)를 성형하도록 구성될 수 있다.
몰딩부(300)에서는, 예열부(300)에서 소정의 예열온도로 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재(1)를 통과시키며 사용자가 목표하는 형상(이하, '설정 단면 형상'이라 함)을 갖는 프로파일 부재로 성형한다.
구체적으로는, 몰딩부(300)는 히팅부(310)와 쿨링부(330)를 포함한다.
히팅부(310)는 예열부(200)에서 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재(1)를 가열하여 형상을 잡아주는(즉, 프로파일 부재로 성형하는) 작업을 수행한다.
또한, 쿨링부(330)는 히팅부(310)의 가열에 의해 성형된 프로파일 부재를 냉각하여 형태 안정성을 확보하는 작업을 수행한다.
몰딩부(300)에서 성형 가능한 설정 단면 형상의 실시 형태들은 도 2 내지 도 4에 도시된다. 도 2는 사각형 중공(3a)을 갖는 사각형 단면 형상의 중공 프로파일 부재(3)를 보여주며, 도 3은 원형 중공(3a)을 갖는 원형 단면 형상의 중공 프로파일 부재(3)를 보여준다. 그리고 도 4는 네 모서리가 라운드 진 사각형 중공(3a)을 갖는 중공 프로파일 부재(3)를 보여주는데, 이때 중공 프로파일 부재(3)의 네 모서리 역시 라운드 진 형상을 가진다. 이와 같이 다양한 형상의 중공(3a)을 갖는 다양한 단면 형상의 중공 프로파일 부재(3)를 성형할 수 있다. 또한, 도 2 내지 도 4를 통해 도시되진 않았으나, 중공이 없는 단면, 즉 다양한 중실 단면을 갖는 여러 형태의 프로파일 부재를 성형할 수 있다.
한편, 몰딩부(300)를 통해 성형된 프로파일 부재(3)는 장비방향(machine direction, MD)을 따라 섬유가 배향되어 물성이 우수하나, 축방향(transverse direction, TD)으로는 섬유의 배열이 없어 횡방향 물성이 낮다. 이에 따라, 프로파일 부재(3)의 횡방향 물성(이를 '굴곡물성'이라 함)을 향상시키고자 후술될 압출부(500)에서는 프로파일 부재(3)의 보강을 위해 표면 형상부(4, 도 5 참조)를 도포한다.
한편, 몰딩부(300)와 압출부(500) 사이에는 몰딩부(300)에서 성형된 프로파일 부재(3)를 인취(Haul-off)하는 인취부(이를 '제1 인취부'라 함)(400)가 배치된다. 여기서, 제1 인취부(400)는 성형된 프로파일 부재(3)를 몰딩부(300) 출구 쪽으로 이송하기 위한 장비로서 전체 공정 라인의 구동력(driving force)을 제공하는 역할을 담당한다.
또한, 필요에 따라 후술할 압출부(500)와 커팅부(600)의 사이에도 다른 하나의 인취부(이를 '제2 인취부'라 함)(미도시)를 더 배치할 수 있다. 이를 통해 섬유강화 복합재(5)의 이송에 필요한 구동력(driving force)을 더 제공할 수 있다.
압출부(500)는 몰딩부(300)에서 성형된 프로파일 부재(3)를 공급받으며, 장섬유 복합재를 이용하여 프로파일 부재(3)에 표면 형상부(4, 도 5 참조)를 형성하도록 구성될 수 있다.
여기서, 몰딩부(300)에서 성형된 프로파일 부재(3)의 표면에 장섬유 복합재를 이용하여 표면 형상부(4, 도 5 참조)를 도포하여 성형된 제품을 '섬유강화 복합재(5)'라 지칭한다.
압출부(500)는 프로파일 부재(3)의 표면에 장섬유 복합재를 이용하여 표면 형상부(4, 도 5 참조)를 도포하기 위한 압출장치(extruder)를 말한다.
이러한 압출부(500)는 혼합부(510)와 금형부(530)를 포함한다. 구체적으로는, 혼합부(510)는 장섬유 복합재를 조성하는 섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 트윈 스크류(twin screw) 장비를 이용하거나 장섬유가 열가소성 수지에 미리 혼합되어 있는 LFT-G (Long Fiber-reinforced Thermoplastic Granule) 또는 SFT (Short Fiber-reinforced Thermoplastic) resin을 사용할 수 있다. 그리고 금형부(530)는 혼합부(510)에서 혼합된 섬유와 고분자 수지를 공급받아 프로파일 부재(3)의 표면에 장섬유 복합재를 이용하여 표면 형상부(4, 도 5 참조)를 도포하는 금형(die)을 말한다.
이와 같이, 프로파일 부재(3)의 굴곡물성을 보강하기 위하여 표면에 장섬유 복합재를 도포하는 방식을 이용하는데, 프로파일 부재(3)를 성형하는 몰딩부(300)의 후미에 압출부(500)를 추가 배치할 수 있다.
이때, 장섬유 복합재를 이용하는 까닭은 일방향 연속섬유강화 복합재(1)로 성형된 프로파일 부재(3)의 표면에 랜덤 배향(random orientation) 된 섬유를 도포할 경우 횡방향 물성의 증대가 가능하기 때문이다. 이와 함께, 다소 복잡한 형태의 표면 형상 제조가 가능한 장점도 있다.
여기서, 장섬유 복합재는, 일방향 연속섬유강화 복합재(1)와 동일한 섬유 및 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이때의 섬유는 유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 등을 이용할 수 있다. 그리고 이때의 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나일 수 있다. 일 예로서, 장섬유 복합재는 전체 중량 대비 섬유의 중량비가 20 중량% 내지 30 중량%인 것이 좋으며, 10 중량% 내지 40중량%의 함량도 사용 가능하다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 일방향 연속섬유강화 복합재로 성형된 중공 프로파일 부재(3)와, 이의 표면에 장섬유 복합재를 이용하여 도포된 표면 형상부(4)를 포함하는 섬유강화 복합재(5)의 단면 형상을 보여준다.
도 5에 도시된 바와 같이 표면 형상부(4)는 일정한 두께로 도포되어 중공 프로파일 부재(3)의 횡방향 물성을 보강할 수 있다.
이에 더하여, 도 6에 도시된 바와 같이 표면 형상부(4)는 사용자의 목적에 따라 다수의 돌기들이 외측으로 돌출된 다소 복잡한 형상을 가질 수 있는데, 이와 같이 다양한 표면 형상을 손쉽게 성형할 수 있는 장점이 있다.
커팅부(600)는 압출부(500)를 거쳐 완성된 섬유강화 복합재(5)를 원하는 길이로 절단하는 장치이다. 즉, 표면 형상부(4, 도 5 참조)가 도포된 중공 프로파일 부재(3)를 설정 길이로 절단한다.
한편, 전술한 바와 같이, 압출부(500)와 커팅부(600)의 사이에 제2 인취부(미도시)를 더 배치할 수 있는데, 이를 통해 부족한 인취력을 추가로 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 복합재 제조 방법은 일방향 연속섬유강화 복합재 공급단계(S110), 예열단계(S120), 몰딩단계(S130), 압출단계(S140), 그리고 커팅단계(S150)를 포함한다.
일방향 연속섬유강화 복합재 공급단계(S110)
이 단계는 일방향 연속섬유강화 복합재 공급단계로서, 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하는 공급단계에 해당한다.
이 단계에서, 일방향 연속섬유강화 복합재는 UD 테이프(Unidirectional Tape)를 말하는데, 열가소성 수지에 보강용 섬유를 일방향으로 함침시켜 제공되는 중간재를 의미한다.
또한, 이 단계에서는 공급되는 일방향 연속섬유강화 복합재의 장력 제어가 가능할 수 있다. 바람직하게는 일정한 장력이 유지될 수 있도록 제어해줄 수 있다.
일방향 연속섬유강화 복합재(즉, UD 테이프)는 보강용 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 제조된 소재일 수 있다. 예를 들어, 이때의 섬유는 유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 중 적어도 하나인 것이 좋다. 다만, 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 관용적으로 알려진 보강용 섬유라면 제한 없이 이용할 수 있다. 그리고 이때의 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나일 수 있다.
예열단계(S120)
이 단계는 예열단계로서, 이전 단계에서 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재를 예열하는 단계에 해당한다.
이 단계에서는, 일방향 연속섬유강화 복합재를 소정의 예열온도로 예열할 수 있는데, 이때의 예열온도는 후술할 몰딩단계에서의 가열온도보다 상대적으로 낮은 온도 범위 내에서 정해질 수 있다.
한편, 예열단계를 수행하는 예열부(200, 도 1 참조)는 일방향 연속섬유강화 복합재를 몰딩부(300, 도 1 참조)에 적절히 투입하기 위한 가이드를 포함할 수 있다. 구체적으로는 가이드는 예열부(200, 도 1 참조)의 말단에 구비되어 몰딩부(300) 금형에 대해 위치별로 원하는 양을 투입할 수 있도록 조절하는 기능을 제공할 수 있다.
몰딩단계 (S130)
이 단계는 몰딩단계로서, 이전 단계에서 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 공급받아 프로파일 부재를 성형하는 단계에 해당한다.
이 단계에서는, 소정의 예열온도로 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 프로파일 부재로 성형한다.
다만, 이 단계를 거쳐 성형된 프로파일 부재는 장비방향(machine direction, MD)을 따라 섬유가 배향되어 물성이 우수하나, 축방향(transverse direction, TD)으로는 섬유의 배열이 없어 횡방향 물성이 낮다. 따라서, 프로파일 부재의 횡방향 물성(즉, 굴곡물성)을 향상시키기 위해 후술될 압출단계(S140)에서 장섬유 복합재로 형성되는 표면 형상부를 도포할 수 있다.
한편, 몰딩단계 이후에는 프로파일 부재를 인취(Haul-off)하는 제1 인취단계가 더 포함될 수 있다. 제1 인취단계는 성형된 프로파일 부재를 이송하기 위한 공정으로서, 복합재의 이송에 필요한 구동력(driving force)을 제공할 수 있다. 그리고 만일 구동력이 부족할 경우 후술할 압출단계(S140)와 커팅단계(S150) 사이에 제2 인취단계를 더 추가할 수 있는데, 이를 통해 부족한 인취력을 보충할 수 있다.
압출단계 (S140)
이 단계는 압출단계로서, 이전 단계에서 성형된 프로파일 부재의 표면에 장섬유 복합재를 이용하여 표면 형상부를 도포하는 단계에 해당한다.
이 단계에서는 이전의 몰딩단계에서 성형된 프로파일 부재를 공급받으며, 장섬유 복합재를 이용하여 프로파일 부재에 표면 형상부를 형성한다.
이 단계는 트윈 스크류 장비 등을 이용하여 장섬유 복합재를 조성하는 섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 단계와, 혼합된 섬유와 고분자 수지를 이용하여 프로파일 부재의 표면에 표면 형상부를 도포하는 단계를 포함한다. 다만, 이 단계에서 트윈 스크류 장비 등을 이용하여 직접 혼합하지 않을 경우, LFT-G, SFT resin 등 미리 혼합된 수지(예: 펠렛 등)을 사용할 수 있다.
여기서, 장섬유 복합재를 이용하는 까닭은 일방향 연속섬유강화 복합재로 성형된 프로파일 부재의 표면에 랜덤 배향(random orientation) 된 섬유를 도포할 경우 횡방향 물성의 증대가 가능하기 때문이다. 이와 함께, 다소 복잡한 형태의 표면 형상 제조가 가능한 장점도 있다. 이때, 장섬유 복합재는, 일방향 연속섬유강화 복합재와 동일한 섬유 및 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
커팅단계 (S150)
이 단계는 커팅단계로서, 이전 단계에서 표면 형상부가 형성된 프로파일 부재, 즉 섬유강화 복합재를 커팅하는 단계에 해당한다.
이 단계에서는, 압출단계를 거쳐 제조된 섬유강화 복합재(5)를 원하는 길이로 절단한다. 즉, 장섬유 복합재로 형성된 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 설정 길이로 절단한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 일방향 연속섬유강화 복합재를 이용하여 프로파일 부재를 성형함에 있어 굴곡물성을 향상시키면서 복잡한 표면 형상까지 구현이 가능한 장점이 있다.
아울러, 편조(braiding)법에 비해 고가의 장비가 요구되지 않아 공정 비용이 저렴한 장점이 있으며, 비교적 공정이 간단하며 연속공정이기 때문에 비연속공정인 편조(braiding)과 비교해 비약적으로 생산성 향상에 도움을 줄 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.
S110: 일방향 연속섬유강화 복합재 공급단계
S120: 예열단계
S130: 몰딩단계
S140: 압출단계
S150: 커팅단계
1: 일방향 연속섬유강화 복합재(또는 UD 테이프)
3: 프로파일 부재
3a: 중공
4: 표면 형상부
5: 섬유강화 복합재
100: 공급부
200: 예열부
300: 몰딩부
310: 히팅부
330: 쿨링부
400: 인취부(또는 제1 인취부)
500: 압출부
510: 혼합부
530: 금형부
600: 커팅부
1000: 섬유강화 복합재 제조 장치

Claims (11)

  1. 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하는 공급부;
    상기 공급부에서 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재를 예열하는 예열부;
    상기 예열부에서 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 공급받아 프로파일 부재를 성형하는 몰딩부;
    상기 몰딩부에서 성형된 프로파일 부재를 공급받으며, 장섬유 복합재를 이용하여 프로파일 부재에 표면 형상부를 형성하는 압출부; 및
    상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 커팅하는 커팅부;를 포함하고,
    상기 압출부는, 섬유와 열가소성수지를 공급받아 상기 장섬유 복합재를 형성하며, 상기 프로파일 부재의 표면에 상기 장섬유 복합재를 도포하여 상기 표면 형상부를 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몰딩부와 상기 압출부의 사이에 위치하며, 상기 몰딩부에서 성형된 프로파일 부재를 인취하는 제1 인취부;
    를 더 포함하는 섬유강화 복합재 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압출부와 상기 커팅부의 사이에 위치하며, 상기 압출부를 거쳐 제공되는 상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 인취하는 제2 인취부;
    를 더 포함하는 섬유강화 복합재 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 예열부로 공급되는 일방향 연속섬유강화 복합재의 장력을 조절하는
    섬유강화 복합재 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 몰딩부는,
    상기 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 가열하여 상기 프로파일 부재로 성형하는 히팅부; 및
    상기 성형된 프로파일 부재를 냉각하는 쿨링부;
    를 포함하는 섬유강화 복합재 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압출부는,
    상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 혼합하는 혼합부; 및
    상기 혼합부에서 혼합된 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 공급받아 상기 장섬유 복합재를 형성하되, 상기 프로파일 부재의 표면에 상기 장섬유 복합재를 도포하여 상기 표면 형상부를 형성하는 금형부;를 포함하고,
    상기 표면 형상부는 일정한 두께로 도포되거나, 또는 외측으로 돌출된 다수의 돌기를 더 구비하는
    섬유강화 복합재 제조 장치.
  7. (a) 일방향 연속섬유강화 복합재를 권출하여 공급하는 공급단계;
    (b) 상기 공급된 일방향 연속섬유강화 복합재를 예열하는 예열단계;
    (c) 상기 예열된 일방향 연속섬유강화 복합재를 공급받아 프로파일 부재를 성형하는 몰딩단계;
    (d) 장섬유 복합재를 이용하여 상기 성형된 프로파일 부재의 표면에 표면 형상부를 형성하는 압출단계; 및
    (e) 상기 표면 형상부가 형성된 프로파일 부재를 커팅하는 커팅단계;를 포함하고,
    상기 (d) 단계는,
    섬유와 열가소성 수지를 혼합하는 혼합 단계와,
    혼합된 상기 섬유와 상기 열가소성 수지를 공급받아 상기 장섬유 복합재를 형성하고 상기 프로파일 부재의 표면에 상기 장섬유 복합재를 도포하여 상기 표면 형상부를 형성하는 단계를 더 포함하는
    섬유강화 복합재 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 일방향 연속섬유강화 복합재는,
    유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 중 적어도 하나인 섬유와,
    폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나인 열가소성 수지를 포함하는
    섬유강화 복합재 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    상기 성형된 프로파일 부재를 인취하는 제1 인취단계;
    를 더 포함하는 섬유강화 복합재 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에,
    상기 표면 형상부가 도포된 프로파일 부재를 인취하는 제2 인취단계;
    를 더 포함하는 섬유강화 복합재 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 장섬유 복합재는,
    유리섬유 (glass fiber), 탄소섬유 (carbon fiber), 현무암 섬유 (basalt fiber) 중 적어도 하나인 섬유와,
    폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리올리핀, 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리메틸메타아클릴레이트 중 적어도 하나인 열가소성 수지를 포함하는
    섬유강화 복합재 제조 방법.
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