KR102225633B1 - 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르는 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치는 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하도록 상하로 이격 배치되며, 다수의 섬유를 개별 공급하는 다수의 크릴을 포함하는 섬유 공급부, 및 상기 다수의 크릴 각각으로부터 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유를 함침 금형의 입구 위치에 대응하도록 높이 조절하는 다수의 롤 유닛과, 상기 다수의 롤 유닛을 통해 높이 조절된 다수의 섬유를 제공받아 상기 함침 금형의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 다수의 스프레더를 포함하는 섬유 스프레딩부를 포함하며, 상기 다수의 스프레더는 상기 함침 금형의 입구 전방에서 상하로 서로 다른 높이를 갖도록 이격 배치되고, 상기 다수의 스프레더를 통과한 다수의 섬유는 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 상기 함침 금형의 입구로 투입될 수 있다.

Description

혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치 및 그 제조방법{APPARATUS AND METHOD OF MANUFACTURING HYBRID CONTINUOUS FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC COMPOSITE}
본 발명은 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연속섬유 강화 복합재는 자동차, 항공, 전자, 건설, 스포츠 레저 및 국방 산업 등과 관련하여 산업재료로서 최근 각광을 받고 있으며, 성형 공정에서 그 조성을 비교적 자유롭게 변화시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고 연속섬유 강화 복합재는 인발 등의 성형 공정에서 연속적으로 공급되는 섬유에 열가소성 수지가 함침 되고, 함침 금형 내에서 경화 또는 응고가 이루어지면서 연속적으로 생산되는 장점이 있다. 예컨대, 연속섬유 보강 복합재의 대표적인 예로서, 연속섬유 강화 열가소성 복합재(CFT: Continuous Fiber reinforced Thermoplastic)이 소개되어 있다.
도 1은 종래의 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 간략히 도시한 장치 구성도이다.
종래의 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치는 섬유(1)를 공급하는 섬유 공급부(10)와, 섬유의 공급 높이를 조절하고 섬유를 수평 방향으로 펼쳐 공급하는 섬유 펼침부(20)와, 열가소성 수지를 함침 하는 함침 다이(30)를 포함하여 구성되었다. 섬유 공급부(10)는 다수의 크릴(11)을 포함하는데, 다수의 크릴(11)은 서로 높이 차를 갖도록 배치되었다. 섬유 펼침부(20)는 다단의 크릴(11)을 통해 서로 다른 높이로 공급된 섬유의 높이를 일정하게 안내하는 가이드 롤(21)과 다수 개의 스프레더(23)를 포함하였다.
종래의 경우, 다수 개의 스프레더(23)는 서로 수평을 이루어 배치되었는데, 가이드 롤(21)을 거쳐 공급 높이가 일정해진 섬유를 수평 방향으로 넓게 펼쳐, 섬유 간의 중첩이 없도록 하여 섬유를 함침 금형(30)에 공급하였다.
이와 같이, 종래의 경우, 각 단별 크릴을 통해 동일한 섬유만 적용이 가능하였으며, 이로 인해 섬유 종류별로 1종의 CFT만이 제조될 수 밖에 없는 단점이 있었다.
따라서, 크릴의 각 단별로 다양한 종류의 섬유(예: 12K, 24K, 48K, CF, GF 등)의 적용이 가능하도록 하여, 보다 다양한 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재를 제조할 수 있는 장치 및 방법에 대한 개발이 요청된다.
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 크릴의 각 단별로 서로 다른 종류의 섬유를 적용할 수 있도록 하여 연속섬유 강화 열가소성 복합재의 두께를 다양화시키고, CF(Carbon Fiber)/GF(Glass Fiber)의 하이브리드 적용까지 가능한 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 크릴의 각 단별로 서로 다른 종류의 섬유를 적용할 수 있도록 하여 연속섬유 강화 열가소성 복합재의 두께를 다양화시키고, CF/GF의 하이브리드 적용까지 가능한 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법을 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 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치는 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하도록 상하로 이격 배치되며, 다수의 섬유를 개별 공급하는 다수의 크릴을 포함하는 섬유 공급부; 및 상기 다수의 크릴 각각으로부터 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유를 함침 금형의 입구 위치에 대응하도록 높이 조절하는 다수의 롤 유닛과, 상기 다수의 롤 유닛을 통해 높이 조절된 다수의 섬유를 제공받아 상기 함침 금형의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 다수의 스프레더를 포함하는 섬유 스프레딩부;를 포함하며, 상기 다수의 스프레더는 상기 함침 금형의 입구 전방에서 상하로 서로 다른 높이를 갖도록 이격 배치되고, 상기 다수의 스프레더를 통과한 다수의 섬유는 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 상기 함침 금형의 입구로 투입될 수 있다.
이때, 상기 다수의 섬유는, CF(Carbon Fiber)를 포함하되, 다른 필라멘트 수를 갖는 CF를 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 12K/12K/12K와 같이 동일한 필라멘트 수를 갖는 CF를 이용할 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따르면 24K/12K/24K 또는 12K/48K/12K와 같이 적어도 하나는 다른 필라멘트 수를 갖는 CF를 사용하여 두께를 다양화 시킬 수 있다. 예컨대, 12K/12K/12K의 경우 0.14mm의 두께로 제조될 수 있으며, 24K/12K/24K의 경우 0.24mm의 두께로 제조될 수 있으며, 12K/48K/12K의 경우 0.29mm의 두께로 제조될 수 있다. 이 밖에도 다양한 두께로 제조가 가능한 장점이 있다.
또한, 상기 다수의 섬유는 CF(Carbon Fiber), GF(Glass Fiber), 아라미드(Armid) 중 적어도 2개를 포함하여 혼성, 즉 하이브리드 소재의 제조가 가능해 질 수 있다. 예를 들어, 12K CF/GF/12K CF 또는 GF/24K/GF 등의 하이브리드 소재의 제조가 가능한 장점이 있다.
또한, 상기 함침 금형은, 상기 함침 금형의 내부로 다수의 섬유가 다수 층을 이루어 공급되는 내측통로를 기준으로, 상기 함침 금형의 입구 측 상, 하단이 상기 내측통로를 향해 경사지게 함몰 형성될 수 있다. 이러한 경사진 형상은, 서로 다른 높이상에 배치된 상기 다수의 스프레더 각각으로부터 다수 층을 이루어 상기 입구 통로로 공급되는 다수의 섬유 각각의 투입 각도에 대응하여 형성한 것으로, 다수의 섬유가 내측통로로 공급될 때 함침 금형의 입구 형상(즉, 직각 형상)으로 인해 상호 간섭이 발생되어 접촉 마찰이 유발되는 것을 방지하고 다수의 층을 이룬 상태로 다수의 섬유가 원활하게 함침 금형 내부로 공급될 수 있도록 해주는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치는 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하도록 상하로 이격 배치되며, 다수의 섬유를 개별 공급하는 다수의 크릴을 포함하는 섬유 공급부; 상기 다수의 크릴 각각으로부터 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유를 공급 높이를 조절하는 다수의 롤 유닛과, 상기 다수의 롤 유닛을 통해 높이 조절된 다수의 섬유를 제공받아 스프레딩시키는 다수의 스프레더를 포함하는 섬유 스프레딩부; 상기 다수의 스프레더에 의해 다수 층을 이루어 스프레딩된 다수의 섬유를 투입 받으며, 상기 투입된 다수의 섬유에 열가소성 수지를 함침 하는 함침 금형; 및 상기 함침 금형에 고유동 열가소성 수지를 공급하는 열가소성 수지 공급부;를 포함한다.
이때, 상기 다수의 스프레더는, 상기 함침 금형의 입구 전방에서 상하로 이격 배치될 수 있다.
또한, 상기 함침 금형은, 상기 함침 금형의 내부로 다수의 섬유가 다수 층을 이루어 공급되는 내측통로를 기준으로, 상기 함침 금형의 입구 측 상, 하단이 상기 내측통로를 향해 경사지게 함몰 형성될 수 있다.
그리고 상기 함침 금형 내에서, 다수 층을 이루어 스프레딩 된 다수의 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 제조된 열가소성 복합재를 전달받아 프레스 하는 캘린더(Calendar)부를 더 포함한다.
그리고 상기 캘린더부에서 프레스 된 열가소성 복합재를 감아 보관하는 와인딩부를 더 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법은 상기의 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 이용한 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법으로서, (a) 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하는 상기 다수의 크릴을 이용하여 서로 동일하거나 또는 서로 다른 섬유를 다수 공급하는 단계; (b) 상기 다수의 롤 유닛을 이용하여, 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유 각각의 높이를 조절하고, 상기 다수의 스프레더를 이용하여 상기 높이 조절된 다수의 섬유가 다수 층을 이루도록 스프레딩시키는 단계; 및 (c) 상기 다수 층을 이루어 스프레딩 된 다수의 섬유를 투입 받아 열가소성 수지를 함침 하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면 크릴의 각 단별로 서로 다른 종류의 CF를 적용할 수 있도록 하여 연속섬유 강화 열가소성 복합재의 두께를 다양화시킬 수 있으며, 나아가 이종 재질의 섬유(예: CF, GF 및 Aramid 섬유 등)까지 혼성으로 사용할 수 있어 다양한 종류의 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재를 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 함침 금형 입구 부위의 구조를 개선하여, 다단의 크릴에서 공급되는 서로 다른 종류의 섬유가 상하로 이격 배치된 다수의 스프레더를 통과하여 함침 금형의 입구로 투입될 때, 서로 다른 높이로 공급되는 섬유와 함침 금형 입구 사이의 충돌 및 마찰을 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 이로써, 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 함침 레진으로 고유동 레진을 사용함으로써 다층 섬유 함침 시 함침성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 간략히 도시한 장치 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치의 전체 구성을 간략히 도시한 장치 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치에서의 함침 금형의 개선된 입구 형상을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법을 설명하기 위해 간략히 도시한 순서도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법에 의해 제조된 다양한 복합재의 예들을 나타낸 개념도이다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 간략히 도시한 개념도이고, 도 3은 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치의 전체 구성을 간략히 도시한 장치 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치는 섬유 공급부(100), 섬유 스프레딩부(200), 함침 금형(300), 그리고 열가소성 수지 공급부(400, 도 3 참조)를 포함한다.
섬유 공급부(100)는 서로 다른 높이 상에 위치하도록 상하로 이격 배치된 다수의 크릴(110, 120, 130)을 포함한다. 설명의 편의상 가운데 위치한 크릴을 제1 크릴(110), 제1 크릴(110)을 기준으로 하측에 위치한 크릴을 제2 크릴(120), 상측에 위치한 크릴을 제3 크릴(130)이라 한다. 이들 제1, 2, 3 크릴(110, 120, 130) 각각은 다수의 섬유를 개별 공급한다.
섬유 스프레딩부(200)는 제1 섬유 스프레딩부(210), 제2 섬유 스프레딩부(220), 제3 섬유 스프레딩부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로는, 제1 섬유 스프레딩부(210)는 제1 크릴(110)에서 공급된 섬유를 높이 조절하여 함침 금형(300)의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 역할을 한다.
이를 위해, 제1 섬유 스프레딩부(210)는 제1 롤 유닛(211)과 제1 스프레더(213)를 포함한다.
제1 롤 유닛(211)은 다수의 롤을 포함하여 구성되는데, 제1 크릴(110)로부터 공급된 섬유를 함침 금형(300)의 입구 전방에서 동일 높이를 이루어 배치된 제1 스프레더(213) 쪽으로 높이 조절하여 공급한다.
제1 스프레더(213)는 제1 롤 유닛(211)에 의해 섬유를 제공받아 함침 금형(300)의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 역할을 담당한다.
이와 같이, 제1 크릴(110)을 통해 공급된 섬유는 제1 섬유 스프레딩부(210)에 의해 스프레딩 되어 f1의 형태와 같이 가운데 층을 이루어 함침 금형(300)의 입구를 통해 투입될 수 있다.
한편, 제2 섬유 스프레딩부(220)는 제2 크릴(120)에서 공급된 섬유의 공급 방향을 상향으로 높이 조절하여 함침 금형(300)의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 역할을 한다.
이를 위해, 제2 섬유 스프레딩부(220)는 제2 롤 유닛(221)과 제2 스프레더(223)를 포함한다. 이에 더하여, 필요에 따라 전방의 가이드 롤(225)을 더 포함할 수 있다.
제2 롤 유닛(221)은 다수의 롤을 포함하여 구성되는데, 제2 크릴(120)로부터 공급된 섬유를 함침 금형(300)의 입구 전방에서 제1 스프레더(213)의 하측에 이격 배치된 제2 스프레더(223) 쪽으로 높이 조절하여 공급한다.
제2 스프레더(223)는 제2 롤 유닛(221)에 의해 제공받은 섬유를 함침 금형(300)의 입구 폭에 대응하여 스프레딩 시킨다. 이를 통해, 제2 크릴(120)을 통해 공급된 섬유는 제2 섬유 스프레딩부(220)에 의해 스프레딩 되어 f2의 형태와 같이 f1의 하부 층을 이루어 함침 금형(300)의 입구를 통해 투입될 수 있다.
그리고 한편, 제3 섬유 스프레딩부(230)는 제3 크릴(130)에서 공급된 섬유의 공급 방향을 하향으로 높이 조절하여 함침 금형(300)의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 역할을 한다.
이를 위해, 제3 섬유 스프레딩부(230)는 제3 롤 유닛(231)과 제3 스프레더(233)를 포함한다. 이에 더하여, 필요에 따라 전방의 가이드 롤(235)을 더 포함할 수 있다.
제3 롤 유닛(231)은 다수의 롤을 포함하여 구성되는데, 제3 크릴(130)로부터 공급된 섬유를 함침 금형(300)의 입구 전방에서 제1 스프레더(213)의 상측에 이격 배치된 제3 스프레더(233) 쪽으로 높이 조절하여 공급한다.
제3 스프레더(233)는 제3 롤 유닛(231)에 의해 제공받은 섬유를 함침 금형(300)의 입구 폭에 대응하여 스프레딩 시킨다. 이를 통해, 제3 크릴(130)을 통해 공급된 섬유는 제3 섬유 스프레딩부(230)에 의해 스프레딩 되어 f3의 형태와 같이 f1의 상부 층을 이루어 함침 금형(300)의 입구를 통해 투입될 수 있다.
이와 같이 구성된 섬유 스프레딩부(200)의 작용에 의해 제1, 2, 3 크릴(110, 120, 130)을 통해 개별 공급된 다수의 섬유(f1, f2, f3)는 상하로 다수 층을 이루어 함침 금형(300)의 입구로 원활하게 투입될 수 있다.
다시 말해, 다수의 스프레더(213, 223, 233)는 함침 금형(300)의 입구 전방에서 상하로 서로 다른 높이를 갖도록 이격 배치되며, 이를 통해 다수의 스프레더(213, 223, 233)를 통과한 다수의 섬유(f1, f2, f3)는 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 함침 금형의 입구로 투입될 수 있다.
함침 금형(300)은 이와 같이 배치된 다수의 스프레더(213, 223, 233)에 의해 다수 층을 이루어 스프레딩된 다수의 섬유(f1, f2, f3)를 투입 받으며, 이들 다수 층을 이루는 섬유에 열가소성 수지를 함침 하는 역할을 담당한다.
특히, 함침 금형(300)의 입구는 전술한 바와 같이 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 공급되는 다수의 섬유(f1, f2, f3)를 안정적으로 투입 받을 수 있는 형상을 가져야 한다. 이에 관하여 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치에서의 함침 금형의 개선된 입구 형상을 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 서로 다른 높이(h1, h2, h3) 상에서 스프레딩 된 다수의 섬유(f1, f2, f3)가 함침 금형의 입구(310)을 통해 함침 금형(300)의 내부로 원활하게 공급될 수 있도록 하기 위한 최적의 입구 형상을 가질 수 있다.
함침 금형(300)의 입구(310)에는 내측통로(313)가 형성된다. 여기서, 내측통로(313)는 다수의 섬유(f1, f2, f3)가 상, 중, 하로 층을 이루어 함침 금형(300)의 내부로 공급되는 통로를 의미한다.
이때, 이러한 내측통로(313)를 기준으로 함침 금형(300)의 입구 측 상, 하단에는 내측통로(313)를 향해 경사지게 함몰 형성되는 경사 면(311, 312)이 형성될 수 있다. 이러한 경사 면(311, 312)에 의해 f1을 기준으로 투입 높이가 서로 다른 f2 및 f3이 소정의 경사각을 가지면서 투입된다 하여도 함침 금형(300)의 입구(310)에서 상호 간섭되거나 접촉 마찰되지 않을 수 있어 원활한 투입이 가능한 장점이 있다. 따라서, 함침 금형(300)의 내측통로(313)의 상하 높이(t)는 물론 상기 경사 면(311, 312)의 경사진 각도(a)는 다수의 섬유(f1, f2, f3) 및 이들의 공급 높이(h1, h2, h3)에 따라 적절히 변경될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 열가소성 수지 공급부(400)는 함침 금형(300)에 열가소성 수지를 공급한다. 여기서, 열가소성 수지는 고유동 열가소성 수지를 이용할 수 있는데, 이로써 다수 층을 이루어 투입되는 섬유에 대한 함침성 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 고유동 열가소성 수지는 섬유의 종류 및 필라멘트 수 등에 따라 적절히 선택하여 이용할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치는 캘린더(Calendar)부(500)와 와인딩부(600)를 더 포함할 수 있다.
캘린더부(500)는 상, 하로 설정된 간격을 두고 이격 배치된 롤(510, 520)을 포함하는 프레스 장치를 말한다. 캘린더부(500)는 함침 금형(300) 내에서, 다수 층을 이루어 스프레딩 된 다수의 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 제조된 열가소성 복합재를 전달받아 소정의 두께로 프레스 가공을 실시할 수 있다.
와인딩부(600)는 캘린더부(500)에서 프레스 된 열가소성 복합재를 감아 보관하는 장치를 말한다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따르는 다수의 섬유는 서로 동일하거나 또는 서로 다른 섬유가 이용될 수 있다.
구체적인 예로서, 다수의 섬유(f1, f2, f3)는 CF(Carbon Fiber)를 포함하되, 다른 필라멘트 수를 갖는 CF를 적어도 하나 포함할 수 있다.
예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면 동일한 필라멘트 수를 갖는 CF(Carbon Fiber)를 이용하여 소정의 두께를 갖는 복합재를 제조할 수 있는데, 12K/12K/12K CF(Carbon Fiber)만을 이용할 경우 0.14mm의 두께를 가질 수 있다.
이와 다른 예로서, 다수의 섬유는 모두 CF(Carbon Fiber)로 이루어지되, 가운데 층을 이루는 섬유는 상, 하층을 이루는 섬유와 필라멘트 수가 다를 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 24K/12K/24K CF(Carbon Fiber)를 이용할 경우 0.24mm의 두께를 가질 수 있다. 별도로 도시하진 않았으나, 12K/48K/12K CF(Carbon Fiber)를 이용할 경우 0.29mm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 이와 다른 예로서, 다수의 섬유는 CF(Carbon Fiber), GF(Glass Fiber), 아라미드(Armid) 중 적어도 2개를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 12K CF/GF/12K CF를 이용한 복합재의 제조가 가능해 질 수 있으며, 도 9에 도시된 GF/24K CF/GF를 이용한 복합재의 제조 역시 가능해 질 수 있다.
이하, 도 5의 순서도를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법을 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법은 섬유 공급 단계(S100), 섬유 스프레딩 단계(S200), 그리고 함침 단계(S300)를 포함한다.
섬유 공급 단계(S100)는 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하는 다수의 크릴을 이용하는데 서로 동일하거나 또는 서로 다른 다수의 섬유를 개별적으로 공급한다.
여기서, 다수의 섬유는, CF(Carbon Fiber)를 포함하는데, 서로 동일한 필라멘트 수를 갖는 CF를 포함하거나, 또는 다른 필라멘트 수를 갖는 CF를 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 12K/12K/12K CF를 포함할 수 있으며, 이 외에도 24K/12K/24K CF 또는 12K/48K/12K CF 등과 같이 어느 하나 이상이 다른 필라멘트 수를 갖는 CF를 포함할 수도 있다. 그리고 다수의 섬유는 CF(Carbon Fiber), GF(Glass Fiber), 아라미드(Armid) 중 적어도 2개를 포함하여 이용할 수 있다.
섬유 스프레딩 단계(S200)는 다수의 롤 유닛을 이용하여, 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유 각각의 높이를 조절하는 단계와, 다수의 스프레더를 이용하여 높이 조절된 다수의 섬유가 상하로 다수 층을 이루도록 스프레딩시키는 단계를 포함할 수 있다.
함침 단계(S300)는 다수 층을 이루어 스프레딩 된 다수의 섬유를 함침 금형의 입구를 통해 투입 받고 함침 금형 내에서 열가소성 수지로 함침 하는 단계를 말한다.
섬유 스프레딩 단계(S200)와 함침 단계(S300)에 관하여는 앞서 섬유 스프레딩부(200)와 함침 금형(300)의 설명 시 그 작용 효과에 관하여 구체적으로 설명하였으므로 불필요한 중복 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 크릴의 각 단별로 서로 다른 종류의 CF를 적용할 수 있도록 하여 연속섬유 강화 열가소성 복합재의 두께를 다양화시킬 수 있다. 나아가 이종 재질의 섬유(예: CF, GF 및 Aramid 섬유 등)까지 혼성으로 사용할 수 있어 다양한 종류의 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재를 제조할 수 있다.
이와 함께, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 함침 금형 입구 부위의 구조를 개선하였다. 이로써, 다단의 크릴에서 공급되는 서로 다른 종류의 섬유가 상하로 이격 배치된 다수의 스프레더를 통과하여 함침 금형의 입구로 투입될 때, 서로 다른 높이로 공급되는 섬유와 함침 금형 입구 사이의 충돌 및 마찰을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 혼성 연소섬유 강화 열가소성 복합재의 제조 품질 향상을 기대할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 함침 레진으로 고유동 레진을 사용함으로써 다층 섬유 함침 시 함침성이 저하되는 것을 방지할 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.
f1: 제1 섬유
f2: 제2 섬유
f3: 제3 섬유
S: 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재
100: 섬유 공급부
110: 제1 크릴
120: 제2 크릴
130: 제3 크릴
200: 섬유 스프레딩부
210: 제1 섬유 스프레딩부
211: 제1 롤 유닛
213: 제1 스프레더
220: 제2 섬유 스프레딩부
221: 제2 롤 유닛
223: 제2 스프레더
225: 가이드 롤
230: 제3 섬유 스프레딩부
231: 제3 롤 유닛
233: 제3 스프레더
235: 가이드 롤
300: 함침 금형
400: 열가소성 수지 공급부
500: 캘린더부
600: 와인딩부

Claims (10)

  1. 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하도록 상하로 이격 배치되며, 다수의 섬유를 개별 공급하는 다수의 크릴을 포함하는 섬유 공급부; 및
    상기 다수의 크릴 각각으로부터 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유를 함침 금형의 입구 위치에 대응하도록 높이 조절하는 다수의 롤 유닛과,
    상기 다수의 롤 유닛을 통해 높이 조절된 다수의 섬유를 제공받아 상기 함침 금형의 입구 폭에 대응하여 스프레딩시키는 다수의 스프레더를 포함하는 섬유 스프레딩부;를 포함하며,
    상기 다수의 스프레더는 상기 함침 금형의 입구 전방에서 상하로 서로 다른 높이를 갖도록 이격 배치되고, 상기 다수의 스프레더를 통과한 다수의 섬유는 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 상기 함침 금형의 입구로 투입되며,
    상기 함침 금형은, 상기 함침 금형의 입구로 투입된 다수 층을 이루는 다수의 섬유에 열가소성 수지를 함침하고,
    상기 함침 금형은, 상기 함침 금형의 내부로 다수의 섬유가 다수 층을 이루어 공급되는 내측통로를 기준으로, 상기 함침 금형의 입구 측 상, 하단이 상기 내측통로를 향해 경사지게 함몰 형성되며, 상하로 이격 배치된 상기 다수의 스프레더를 통과하여 상기 함침 금형의 입구로 투입될 때, 서로 다른 높이로 공급되는 섬유와 상기 함침 금형의 입구 사이의 충돌 및 마찰을 저감시키고,
    상기 열가소성 수지는 고유동 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는
    혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 섬유는,
    CF(Carbon Fiber)를 포함하되, 다른 필라멘트 수를 갖는 CF를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는
    혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 섬유는,
    CF(Carbon Fiber), GF(Glass Fiber), 아라미드(Armid) 중 적어도 2개를 포함하는
    혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치.
  4. 삭제
  5. 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하도록 상하로 이격 배치되며, 다수의 섬유를 개별 공급하는 다수의 크릴을 포함하는 섬유 공급부;
    상기 다수의 크릴 각각으로부터 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유를 공급 높이를 조절하는 다수의 롤 유닛과, 상기 다수의 롤 유닛을 통해 높이 조절된 다수의 섬유를 제공받아 스프레딩시키는 다수의 스프레더를 포함하는 섬유 스프레딩부;
    상기 다수의 스프레더에 의해 다수 층을 이루어 스프레딩된 다수의 섬유를 투입 받으며, 상기 투입된 다수 층을 이루는 다수의 섬유에 열가소성 수지를 함침 하는 함침 금형; 및
    상기 함침 금형에 열가소성 수지를 공급하는 열가소성 수지 공급부;를 포함하고,
    상기 다수의 스프레더는, 상기 함침 금형의 입구 전방에서 상하로 서로 다른 높이를 갖도록 이격 배치되고, 상기 다수의 스프레더를 통과한 다수의 섬유는 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 상기 함침 금형의 입구로 투입되며,
    상기 함침 금형은, 상기 함침 금형의 내부로 다수의 섬유가 다수 층을 이루어 공급되는 내측통로를 기준으로, 상기 함침 금형의 입구 측 상, 하단이 상기 내측통로를 향해 경사지게 함몰 형성되며, 상하로 이격 배치된 상기 다수의 스프레더를 통과하여 상기 함침 금형의 입구로 투입될 때, 서로 다른 높이로 공급되는 섬유와 상기 함침 금형의 입구 사이의 충돌 및 마찰을 저감시키고,
    상기 열가소성 수지는 고유동 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는
    혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 함침 금형 내에서, 다수 층을 이루어 스프레딩 된 다수의 섬유에 열가소성 수지가 함침되어 제조된 열가소성 복합재를 전달받아 프레스 하는 캘린더(Calendar)부;
    를 더 포함하는 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캘린더부에서 프레스 된 열가소성 복합재를 감아 보관하는 와인딩부;
    를 더 포함하는 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치.
  10. 제1항 내지 제3항, 제5항, 제8항, 제9항 중 어느 한 항의 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조장치를 이용한 혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법으로서,
    (a) 각각이 서로 다른 높이 상에 위치하는 상기 다수의 크릴을 이용하여 서로 동일하거나 또는 서로 다른 섬유를 다수 공급하는 단계;
    (b) 상기 다수의 롤 유닛을 이용하여, 서로 다른 높이에서 공급되는 다수의 섬유 각각의 높이를 조절하고, 상기 다수의 스프레더를 이용하여 상기 높이 조절된 다수의 섬유가 다수 층을 이루도록 스프레딩시키는 단계; 및
    (c) 상기 다수 층을 이루어 스프레딩 된 다수의 섬유를 투입 받으며, 상기 투입된 다수 층을 이루는 다수의 섬유에 열가소성 수지를 함침 하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서, 상기 다수의 스프레더는, 상기 함침 금형의 입구 전방에서 상하로 서로 다른 높이를 갖도록 이격 배치되고, 상기 다수의 스프레더를 통과한 다수의 섬유는 다수 층을 이루어 스프레딩된 상태로 상기 함침 금형의 입구로 투입되며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 함침 금형은, 상기 함침 금형의 내부로 다수의 섬유가 다수 층을 이루어 공급되는 내측통로를 기준으로, 상기 함침 금형의 입구 측 상, 하단이 상기 내측통로를 향해 경사지게 함몰 형성되며, 상기 상하로 이격 배치된 다수의 스프레더를 통과하여 상기 함침 금형의 입구로 투입될 때, 서로 다른 높이로 공급되는 섬유와 상기 함침 금형의 입구 사이의 충돌 및 마찰을 저감시키고, 상기 열가소성 수지는 고유동 열가소성 수지를 이용하는 것을 특징으로 하는
    혼성 연속섬유 강화 열가소성 복합재 제조방법.
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