KR102253107B1 - 섬유 강화 플라스틱 시트, 이의 제조방법 및 이의 제조장치 - Google Patents

섬유 강화 플라스틱 시트, 이의 제조방법 및 이의 제조장치 Download PDF

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Abstract

섬유 강화 플라스틱 시트, 이의 제조방법 및 이의 제조장치가 개시된다. 상기 섬유 강화 플라스틱 시트는, 일방향으로 배열된 보강섬유들과 접힘 홈(groove)을 포함한다.

Description

섬유 강화 플라스틱 시트, 이의 제조방법 및 이의 제조장치{FIBER REINFORCED PLASTIC SHEET, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND DEVICE FOR MANUFACTURING THE SAME}
발명은 섬유 강화 플라스틱 시트, 이의 제조방법 및 이의 제조장치에 관한 것이다.
섬유 보강 복합재료가 금속 대체용으로 사용되고 있는 추세이다. 섬유 보강 복합 재료는 두 가지 이상의 재료를 조합시켜, 소재 단독으로는 가질 수 없는 기능을 발휘하는 재료로 강화재의 역할을 하는 섬유와 고분자 기지재료(matrix)를 포함하여 구성된다. 널리 쓰이고 있는 섬유 강화재로는 유리섬유(Glass Fiber: GF) 또는 탄소섬유(Carbon Fiber: CF) 등이 있으며, 고분자 기재재료로는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 등이 사용되고 있다.
금속은 파괴에 대한 저항이 높아서 외력에 의한 영구 변형을 통해 최대 강도 도달 후에도 재료의 완전한 파단을 지연시키고 에너지를 저장하며 변형도가 크다.
이에 비해, 섬유 보강 복합 재료는 보강 섬유의 취성에 따른 영향으로 금속에 비해 상대적으로 작은 신율, 대략 2.5% 내지 3% 에서 재료의 최대 강도를 보인 후, 급격한 파단이 이루어지는 형태의 거동을 보이기 ‹š문에, 충격 흡수 특성이 부족하다.
파괴에 대한 저항이 높고 재료의 완전한 파단을 지연시키는 금속을 보강재로 활용하는 등의 시도가 있지만, 금속과 고분자 기재재료 간의 계면 결합에 어려움이 존재한다. 자동차 및 항공기 시장은 충격흡수 부품에 적용하기 위해, 고신율, 고강성, 고에너지 흡수율을 지닌 경량화 소재를 필요로 하고 있는데, 금속을 보강재로 활용하는 것은, 자동차 및 항공기 시장의 요구사항인 경량화 특성에 부합하지 않는다.
발명은, 신규한 섬유 강화 플라스틱 시트를 제공하고자 한다.
발명은, 신규한 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법을 제공하고자 한다.
발명은, 신규한 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조에 사용되는 제조장치를 제공하고자 한다.
발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
섬유 강화 플라스틱 시트는, 일방향으로 배열된 보강섬유들과 접힘 홈(groove)을 포함한다.
상기 섬유 강화 플라스틱 시트는, 중첩영역에서, 상기 보강섬유들의 배향방향이 서로 엇갈리는 제1 층과 제2 층을 포함할 수 있고, 상기 접힘 홈은 상기 제1 층의 두께와 상기 제2 층의 두께에 비해 얇은 두께를 가지며, 상기 제1 층으로부터 연장되어 상기 제1 층과 상기 제2 층을 서로 연결한다.
섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법은, 스크래칭 공정과 폴딩 공정을 포함한다.
상기 스크래칭 공정은, 일방향으로 배열된 보강섬유들을 포함하는 UD 프리프레그(UD prepreg)에, 사선 방향의 그루브(groove)를 형성한다
상기 폴딩 공정은, 상기 그루브를 만곡시켜, 상기 보강섬유들의 배향방향이 엇갈리게 상기 UD 프리프레그를 접어, 제1 층과 제2 층으로 포갠다.
섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치는, 스크래칭기(scratching machine)와 폴딩기(folding machine)를 포함한다.
상기 스크래칭기는, 일방향으로 배열된 보강섬유들을 포함하는 UD 프리프레그(UD prepreg)에 대해, 사선 방향으로 중첩되게 배치된다. 상기 스크래칭기는, 연직방향으로 왕복 운동하면서 상기 UD 프리프레그에 상기 사선 방향의 그루브를 형성한다.
상기 폴딩기는 전방향 이동이 가능한 로봇 암을 포함한다. 상기 로봇 암(robot arm)은 상기 그루브를 만곡시켜, 상기 보강섬유들의 배향방향이 엇갈리도록, 상기 UD 프리프레그를 접어 제1 층과 제2 층으로 포갠다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
발명은, 접힘 홈을 포함하는 신규한 섬유 강화 플라스틱 시트를 제공할 수 있다.
발명은, 접힘 홈을 포함하는 신규한 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법을 제공할 수 있다.
발명은, 접힘 홈을 포함하는 신규한 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조에 사용되는 제조장치를 제공할 수 있다.
발명은, 고에너지 흡수 성능을 가진 섬유 강화 플라스틱 시트, 이의 제조방법 및 이의 제조에 사용되는 제조장치를 제공할 수 있다.
발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1 내지 도 4는, 일 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조공정을 모식적으로 도시한다.
도 5 내지 도 8은, 다른 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조공정을 모식적으로 도시한다.
도 9 및 도 10은 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치를 모식적으로 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트를 모식적으로 도시한다.
도 12는, 도 11의 I-II 선에 따른 모식적인 단면도이다.
도 13은, 도 11의 섬유 강화 플라스틱 시트의 모식적인 전개도이다.
도 14는, 다른 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트를 모식적으로 도시한다.
도 15는, 도 14의 I-II 선에 따른 모식적인 단면도이다.
도 16은, 도 14의 섬유 강화 플라스틱 시트를 모식적인 전개도이다.
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시형태들과 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
또한, 발명은 이하에서 개시되는 내용에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하에서 개시되는 내용은 발명의 개시가 완전하도록 하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이고, 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함하는(including)", "가진(having)" 이라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참고하여, 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4는, 일 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조공정을 모식적으로 도시한다.
도 1은 스크래칭 공정을 도시한다. 도 1에 도시된 스크래칭 공정은, 일방향으로 배열된 보강섬유들(10)을 포함하는 UD 프리프레그(100)에, 사선 방향의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 형성하는 것이다. 그루브(CH1, CH2, CH3)는, UD 프리프레그(100)의 두께(H1)에 비해 얇은 두께(H2)로 형성된다. 사선 방향의 그루브(CH1, CH2, CH3)는 소정의 간격을 두고 복수 개로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 스크래칭 공정은, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를, UD 프리프레그(100)의 일면에만 선택적으로 형성한다.
UD 프리프레그(100)는, 고분자 수지 매트릭스와 일방향으로 배향된 보강섬유들(10)을 포함한다. 고분자 수지 매트릭스는, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
물품의 종류 및 요구되는 성능에 따라 다양한 종류의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지가 선택될 수 있다. 고분자 수지 매트릭스는, 예를 들어, 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 또한, 고분자 수지 매트릭스는, 예를 들어, 열경화성 수지로서, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수도 있다.
보강섬유들(10)은, UD 프리프레그(100)의 장변을 따라 또는 길이방향을 따라 배향될 수 있다.
보강섬유들(10)은, 장섬유 보강섬유들, 단섬유 보강섬유들, 연속 보강섬유들 중 하나일 수 있다. 장섬유 보강섬유들, 단섬유 보강섬유들, 연속 보강섬유들은, 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유 또는 천연 섬유 등일 수 있으나, 이들 만으로 제한되지 않는다.
예를 들어, 보강섬유들(10)은, 연속 보강섬유일 수 있다.
UD 프리프레그(100)가 연속 보강섬유를 포함하는 경우, 단섬유 보강섬유 또는 장섬유 보강섬유와 달리, 일방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성이 크게 향상될 수 있다. 연속 보강섬유의 예로는, 유리 섬유를 들 수 있으며, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리한 장점이 있다.
보강섬유들(10)은, 단일 가닥의 섬유들이 모여서 만들어진 집합체일 수 있다. 보강섬유의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 또는, 약 1㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다. 보강섬유의 단일 가닥은, 전술한 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 고분자 수지 매트릭스로의 함침성이 향상될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 폴딩 공정을 도시한다. 도 2 내지 도 4에 도시된 폴딩 공정은, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 순차적으로 만곡시켜, 보강섬유들(10)의 배향방향이 엇갈리게 UD 프리프레그(100)를 접는 것이다.
복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)가 순차적으로 만곡되면서, UD 프리프레그(100)는 반복해서 1층과 2층으로 포개진다. 다시 말하면, 도 2 내지 도 4의 폴딩 공정을 통해, 1층과 2층이 포개진 UD 프리프레그(100) 적층체가 얻어질 수 있다. 이 때, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)는 UD 프리프레그(100) 적층체에서 접힘 홈을 구성한다.
도 2 내지 도 4의 폴딩 공정은, 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 한쪽 방향으로만 UD 프리프레그(100)를 회전시키는 것이다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4의 폴딩 공정은, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 경계로 좌측에 위치하는 UD 프리프레그(100)의 일부를 고정하고, 우측에 위치하는 UD 프리프레그(100)의 일부를 시계 방향으로 회전시켜, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 만곡시킬 수 있고, 1층과 2층이 포개진 UD 프리프레그(100) 적층체가 얻어질 수 있음을 도시한다.
구체적으로, 도 2의 폴딩 공정은, 제1 그루브(CH1)의 우측에 위치된 UD 프리프레그(100)의 일부를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 좌측의 UD 프리프레그(100)의 일부의 하부면과 우측의 UD 프리프레그(100)의 일부의 하부면이 서로 접하게 된다. 이 때, 제1 그루브(CH1)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향으로 만곡될 수 있다. 또한, 이 때, UD 프리프레그(100)의 장변의 제1 파트(NF1)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 경계를 구성하며, 제2 층(2F)에 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 3의 폴딩 공정은, 제2 그루브(CH2)의 우측에 위치된 UD 프리프레그(100)의 일부를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 좌측의 UD 프리프레그(100)의 일부의 하부면과 우측의 UD 프리프레그(100)의 일부의 하부면이 서로 접하게 된다. 이 때, 제1 그루브(CH1)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 반시계 방향으로 만곡될 수 있고, 제2 그루브(CH2)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향을 만곡될 수 있다. 또한, 이 때, 제1 파트(NF1)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 경계를 구성하며, 제1 층(1F)에 배치될 수 있으며, UD 프리프레그(100)의 장변의 제2 파트(NF2)는 서로 분리된 2층들 사이의 경계가 될 수 있다.
구체적으로, 도 4의 폴딩 공정은, 제3 그루브(CH3)의 우측에 위치된 UD 프리프레그(100)의 일부를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 좌측의 UD 프리프레그(100)의 일부의 하부면과 우측의 UD 프리프레그(100)의 일부의 하부면이 서로 접하게 된다. 이 때, 제1 그루브(CH1)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향으로 만곡될 수 있고, 제2 그루브(CH2)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 반시계 방향으로 만곡될 수 있으며, 제3 그루브(CH3)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향으로 만곡될 수 있다.
또한, 이 때, 제1 파트(NF1)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 경계를 구성하며, 제2 층(2F)에 배치될 수 있으며, 제2 파트(NF2)는 서로 분리된 1층들 사이의 경계가 될 수 있고, UD 프리프레그(100)의 장변의 제3 파트(NF3)는 서로 분리된 2층들 사이의 경계가 될 수 있다.
도시되지 않았으나, 도 1 내지 도 4의 제조공정은, 각 폴딩 공정 이후에, 접합 공정과 커팅공정을 더 포함할 수 있다.
접합 공정은, UD 프리프레그(100) 적층체의 제1 층(1F)과 제2 층(2F)을 서로 붙이는 것으로, 열융착 방법, 레이저 융착 방법 등을 이용할 수 있다. 접합 공정을 통해, UD 프리프레그(100) 적층체에는, 예를 들어, 복수 개의 접합점들이 만들어질 수 있다.
커팅 공정은, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)이 접합된 UD 프리프레그(100) 적층체를 소정의 형상, 예를 들어, 다각형, 평행사변형, 사각형 등으로 재단하는 공정으로, 이를 통해, 최종품인 섬유 강화 플라스틱 시트가 얻어질 수 있다. 도 11 내지 도 13에는 도 1 내지 도 4의 제조공정을 통해 얻어진 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)가 도시되어 있다.
도 5 내지 도 8은, 다른 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조공정을 모식적으로 도시한다. 이하에서는, 도 1 내지 도 4에서 설명한 바 있는 내용들, 예를 들어, 고분자 수지 매트릭스, 보강섬유, 그루브의 두께 등에 대한 설명은 생략하기로 하고, 도 1 내지 도 4의 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법과 도 5 내지 도 8의 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법의 차이에 대해서만, 상세하게 설명한다.
도 5는 스크래칭 공정을 도시한다. 도 5에 도시된 스크래칭 공정은, 일방향으로 배열된 보강섬유들(20)을 포함하는 UD 프리프레그에, 사선 방향의 그루브(groove)를, UD 프리프레그(200)의 일면과 타면에 교대로 형성하는 점에서, 도 1의 스크래칭 공정과 차이가 있다. 이 때, 타면은 일면의 반대면으로, 도면 상, 일면은, UD 프리프레그(200)의 상부면, 타면은 UD 프리프레그(200)의 하부면으로 이해할 수 있다.
도시된 바와 같이, 예를 들어, 제1 그루브(CH1)와 제3 그루브(CH3)는 각각 UD 프리프레그(200)의 일면에 배치될 수 있으며, 제2 그루브(CH2)와 제4 그루브(CH4)는 각각 UD 프리프레그(200)의 타면에 배치될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 폴딩 공정을 도시한다. 도 6 내지 도 8에 도시된 폴딩 공정은, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 순차적으로 만곡시켜, 보강섬유들(20)의 배향방향이 엇갈리게 UD 프리프레그(200)를 접는 것이다.
복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)가 순차적으로 만곡되면서, UD 프리프레그(200)는 반복해서 1층과 2층으로 포개진다. 다시 말하면, 도 2 내지 도 4의 폴딩 공정을 통해, 1층과 2층이 포개진 UD 프리프레그(200) 적층체가 얻어질 수 있다. 이 때, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)는 UD 프리프레그(200) 적층체에서 접힘 홈을 구성한다.
도 6 내지 도 8의 폴딩 공정은, 시계 방향과 반시계 방향을 번갈아가며 UD 프리프레그(200)를 회전시키는 점에서, 도 2 내지 도 4의 폴딩 공정과 차이가 있다. 예를 들어, 도 6 내지 도 8의 폴딩 공정은, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 경계로 좌측에 위치하는 UD 프리프레그(200)의 일부를 고정하고, 우측에 위치하는 UD 프리프레그(200)의 일부를 시계 방향, 반시계 방향, 다시 시계 방향, 다시 반시계 방향으로 순서대로 회전시켜, 복수 개의 그루브(CH1, CH2, CH3)를 만곡시킬 수 있고, 1층과 2층이 포개진 UD 프리프레그(200) 적층체가 얻어질 수 있음을 도시한다.
구체적으로, 도 6의 폴딩 공정은, 제1 그루브(CH1)의 우측에 위치된 UD 프리프레그(200)의 일부를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 좌측의 UD 프리프레그(200)의 일부의 하부면과 우측의 UD 프리프레그(200)의 일부의 하부면이 서로 접하게 된다. 이 때, 제1 그루브(CH1)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향으로 만곡될 수 있다. 또한, 이 때, UD 프리프레그(200)의 장변의 제1 파트(NF1)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 경계를 구성하며, 제2 층(2F)에 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 7의 폴딩 공정은, 제2 그루브(CH2)의 우측에 위치된 UD 프리프레그(200)의 일부를 반시계 방향으로 회전시킴으로써, 좌측의 UD 프리프레그(200)의 일부의 상부면과 우측의 UD 프리프레그(200)의 일부의 상부면이 서로 접하게 된다. 이 때, 제1 그루브(CH1)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 반시계 방향으로 만곡될 수 있고, 제2 그루브(CH2)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향을 만곡될 수 있다. 또한, 이 때, 제1 파트(NF1)는 제2 층(2F)과 제3 층(3F)의 경계를 구성하며, 제2 층(2F)에 배치될 수 있으며, UD 프리프레그(200)의 장변의 제2 파트(NF2)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 경계를 구성하며, 제 2층에 배치될 수 있다.
구체적으로, 도 8의 폴딩 공정은, 제3 그루브의 우측에 위치된 UD 프리프레그(200)의 일부를 시계 방향으로 회전시킴으로써, 좌측의 UD 프리프레그(200)의 일부의 하부면과 우측의 UD 프리프레그(200)의 일부의 하부면이 서로 접하게 된다. 이 때, 제1 그루브(CH1)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향으로 만곡될 수 있고, 제2 그루브(CH2)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 반시계 방향으로 만곡될 수 있으며, 제3 그루브(CH3)가 형성되어 두께가 얇아진 부분은 시계 방향으로 만곡될 수 있다.
또한, 이 때, 제1 파트(NF1)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 경계를 구성하며, 제2 층(2F)에 배치될 수 있으며, 제3 파트(NF3)는 제2 층(2F)과 제3 층(3F)의 경계를 구성하며, 제3 층(3F)에 배치될 수 있고, 제2 파트(NF2)는 제3 파트(NF3)와 중첩되게 제2 층(2F)에 배치될 수 있다.
도시되지 않았으나, 도 5 내지 도 8의 제조공정은, 각 폴딩 공정 이후에, 접합 공정과 커팅공정을 더 포함할 수 있다.
접합 공정은, UD 프리프레그(200) 적층체의 제1 층(1F)과 제2 층(2F)을 서로 붙이는 것으로, 열융착 방법, 레이저 융착 방법 등을 이용할 수 있다. 접합 공정을 통해, UD 프리프레그(200) 적층체에는, 예를 들어, 복수 개의 접합점들이 만들어질 수 있다.
커팅 공정은, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)이 접합된 UD 프리프레그(200) 적층체를 소정의 형상, 예를 들어, 다각형, 평행사변형, 사각형 등으로 재단하는 공정으로, 이를 통해, 최종품인 섬유 강화 플라스틱 시트가 얻어질 수 있다. 도 14 내지 도 16에는 도 5 내지 도 8의 제조공정을 통해 얻어진 섬유 강화 플라스틱 시트(2000)가 도시되어 있다.
도 9 및 도 10은 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치를 모식적으로 도시한다.
도 1 내지 도 10을 참조하여, 제조장치(DE)를 구성하는 부품과 각 부품의 역할에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
제조장치(DE)는, 스크래칭기(CT1)와 폴딩기(FR, MR)를 포함한다.
스크래칭기(CT1)는, 일방향으로 배열된 보강섬유들(10, 20)을 포함하는 UD 프리프레그(100, 200, P)에 대해, 사선 방향으로 중첩되게 배치된다. 스크래칭기(CT1)는, 연직방향으로 왕복 운동할 수 있으며, 연직 하방운동 시, UD 프리프레그(100, 200, P)와 접하면서, UD 프리프레그(100, 200, P)에 사선 방향의 그루브(CH1, CH2 CH3, CH4)를 형성할 수 있다.
스크래칭기(CT1)는 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일면의 상부에만 배치될 수도 있다.
한편, 스크래칭기(CT1)는 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일면의 상부와 타면의 하부에 각각 배치될 수 있다. 또한, 스크래칭기(CT1)는 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일면의 상부와 타면의 하부에 교대로 배치될 수도 있다.
폴딩기(FR, MR)는 전방향 이동이 가능한 로봇 암을 포함한다. 로봇 암은 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)를 만곡시켜, 보강섬유들(10, 20)의 배향방향이 엇갈리도록, UD 프리프레그(100, 200, P)를 접어 1층과 2층으로 포갤 수 있다.
로봇 암은, 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 한 쪽 방향으로, UD 프리프레그(100, P)를 회전시켜, 그루브(도 2 내지 도 4의 CH1, CH2, CH3)를 만곡시킬 수 있다.
또한, 로봇 암은, 시계 방향과 반시계 방향을 번갈아가며, UD 프리프레그(200, P)를 회전시켜, 그루브(도 5 내지 도 8의 CH1, CH2, CH3 참조)를 만곡시킬 수 있다.
폴딩기(FR, MR)는, 예를 들어, 고정 로봇암(FR)과 운동 로봇암(MR)을 포함하여 구성될 수 있는데, 고정 로봇암(FR)은 폴딩 공정 시, 각 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)의 좌측의 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일부를 고정시키는 역할을 할 수 있으며, 운동 로봇암(MR)은 폴딩 공정 시, 각 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)의 우측의 UD 프리프레그(100, 200, P)를 소정의 방향으로 회전시키는 역할을 할 수 있다.
고정 로봇암(FR)은 전방위로 이동할 수 있으며, 한 쌍의 클램프 또는 한 쌍의 롤러들을 구비하고 있고, 한 쌍의 클램프 또는 한 쌍의 롤러들 사이에 UD 프리프레그(100, 200, P)를 위치시킨 후, UD 프리프레그(100, 200, P)의 상부면과 하부면을 각각, 한 쌍의 클램프 또는 한 쌍의 롤러들과 접촉시킴으로써, 폴딩 고정 시, UD 프리프레그(100, 200, P)가 움직이지 못하도록 고정할 수 있다.
이동 로봇암(MR)은 전방위로 이동할 수 있으며, 한 쌍의 클램프 또는 한 쌍의 롤러들을 구비하고 있고, 한 쌍의 클램프 또는 한 쌍의 롤러들 사이에 UD 프리프레그(100, 200, P)를 위치시킨 후, UD 프리프레그(100, 200, P)의 상부면과 하부면을 각각, 한 쌍의 클램프 또는 한 쌍의 롤러들과 접촉시킨 뒤, 폴딩 고정 시, UD 프리프레그(100, 200, P)를 소정의 방향으로 회전시키는 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 제1 고정 로봇암(FR1)과 제1 이동 로봇암(MR1)이 한 쌍이 되어, 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)를 경계로 이격되게 배치될 수 있고, 제2 고정 로봇암(FR2)과 제2 이동 로봇암(MR2)가 한 쌍이 되어, 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)를 경계로 이격되게 배치될 수 있다. 이 때, 폴딩 공정 시, 고정 로봇암들(FR1, FR2)로 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)의 좌측에 위치된 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일부를 고정하고, 이동 로봇암들(MR1, MR2)로 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)의 우측에 위치된 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일부를 회전시킬 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, UD 프리프레그(100, 200, P)의 양측 장변 상에 제1 고정 로봇암(FR1)과 제2 고정 로봇암(FR2)이 각각 분리 배치될 수도 있고, UD 프리프레그(100, 200, P)의 양측 장변 상에 제1 이동 로봇암(MR1)과 제2 이동 로봇암(MR2)이 각각 분리 배치될 수도 있다. 다만, 도시된 예로만 제한되지 않는다.
제조장치(DE)는 UD 프리프레그(100, 200, P)이 감겨진 롤(R)을 더 포함할 수 있고, 스크래칭 공정 시, 롤(R)에서 풀려진 UD 프리프레그(100, 200, P)의 일부를 지지할 수 있도록, 컨베이어(CV)를 더 포함할 수도 있다. 이 때, 스크래칭기(CT1)은 컨베이서(CV) 상부에 배치될 수 있다.
또한, 제조장치(DE)는 UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체의 제1 층(1F)과 제2 층(2F)을 서로 접합하는 융착기(WD)를 더 포함할 수 있다. 융착기(WD)는 UD 프리프레그(100, 200, P) 의 적층체의 상부에 배치되어, UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체에 열 또는 자외선 등을 가할 수 있다. 또한, 융착기(WD)는 폴딩기(FR, MR)의 뒤, 커터(CT2)의 앞에 배치될 수 있다. 융착기(WD)는 열융착기 또는 자외선 융착기 등일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
또한, 제조장치(DE)는 UD 프리프레그(100, 200, P), UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체 또는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)이 접합된 UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체를 공정방향(PD)으로 잡아당기는 클램프(C)를 더 포함할 수 있다.
클램프(C)는, 예를 들어, 스크래칭 공정 이후, UD 프리프레그(100, 200, P)를 공정방향(PD)으로 잡아당길 수 있고, 폴딩 공정 시, 폴딩기(FR, MR)가 UD 프리프레그(100, 200, P)에 장착되면, 원활한 폴딩 공정을 위해, UD 프리프레그(100, 200, P)를 놓아줄 수 있다.
또한, 예를 들어, 클램프(C)는, 순차적으로 폴딩 공정을 진행하기 위해, 각각의 UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체를 공정방향(PD)으로 잡아당겨주는 역할을 할 수 있으며, 순차적인 폴딩 공정이 원활히 진행되도록, 후속 폴딩 공정 시, UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체를 놓아줄 수 있다.
또한, 예를 들어, 클램프(C)는, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)이 접합된 UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체를 공정방향(PD)으로 잡아당겨주는 역할을 할 수 있으며, 구체적으로, 커터(CT2)에 의한 원활한 재단을 위해, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)이 접합된 UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체를 공정방향(PD)으로 잡아당겨줄 수 있다.
제조장치(DE)는 커터(CT2)를 더 포함할 수 있으며, 커터(CT)는 소정의 형상을 가진 최종품으로서, 섬유 강화 플라스틱 시트를 재단하기 위한 것이다. 폴딩 공정을 거치면서, UD 프리프레그(100, 200, P)의 적층체의 진행방향이 공정방향(PD)과 수직인 방향이 되므로, 커터(CT2)는 공정방향(PD)과 실질적으로 평행하게 배치될 수 있다. 다만, 소망하는 제품 형상에 따라 커터(CT2)의 위치는 가변적일 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트를 모식적으로 도시한다. 도 12는, 도 11의 I-II 선에 따른 모식적인 단면도이다. 도 13은, 도 11의 섬유 강화 플라스틱 시트의 모식적인 전개도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)는, 일방향으로 배열된 보강섬유들과 접힘 홈(CH1, CH2)을 포함한다. 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)는, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)을 포함하고, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)이 겹쳐진 적층구조를 포함할 수 있다.
섬유 강화 플라스틱 시트(1000)는, 제1 층(1F)과 제2 층(2F)의 중첩영역에서, 상기 보강섬유들의 배향방향이 서로 엇갈리는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 점힘 홈(CH1, CH2)은 그루브(CH1, CH2, CH3, CH4)로부터 유래된 것이다. 접힘 홈(CH1, CH2)은 제1 층(1F)의 두께와 제2 층(2F)의 두께에 비해 얇은 두께를 가진다. 접힘 홈(CH1, CH2)은 제1 층(1F)으로부터 연장되어 상기 제1 층(1F)과 상기 제2 층(2F)을 서로 연결한다.
섬유 강화 플라스틱 시트(1000)는, 다각형으로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도시된 바와 같이 평행사변형으로 구성된 경우, 평행사변형을 구성하는 변들 중 일부에는 점힘 홈(CH1, CH2)이 위치될 수 있다.
제1 층(1F)과 제2 층(2F)은 접힘 홈(CH1, CH2)으로 연결되지 않은 영역(NC)을 포함하며, 제1 층(1F)은, 서로 분리된 제1 영역(1F-1)과 제2 영역(1F-2)의 경계(G)를 포함한다.
도 14는, 다른 실시예에 따른 섬유 강화 플라스틱 시트를 모식적으로 도시한다. 도 15는, 도 14의 I-II 선에 따른 모식적인 단면도이다. 도 16은, 도 14의 섬유 강화 플라스틱 시트를 모식적인 전개도이다.
이하에서는, 도 11 내지 도 13에서 설명한 바 있는 중복된 내용들에 대한 설명은 생략하기로 하고, 도 14 내지 도 16의 섬유 강화 플라스틱 시트와 도 11 내지 도 13의 섬유 강화 플라스틱 시트의 차이에 대해서만, 상세하게 설명한다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 섬유 강화 플라스틱 시트(2000)는, 제1 층(1F), 제2 층(2F) 및 제3 층(3F)을 포함하는 적층체라는 점에서, 도 11 내지 도 13의 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)와 차이가 있다.
제2 층(2F)의 일부 영역은 제2 층(2F)의 상부에 배치된 제3 층(3F)과 중첩되게 배치되며, 제2 층(2F)의 다른 일부 영역은, 제2 층(2F)의 하부에 배치된 제1 층(1F)와 중첩되게 배치된다. 반면에, 도 11 내지 도 13의 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)는 제2 층(2F)의 일부 영역과 다른 일부 영역이 제1 층의 제1 영역(1F-1), 제2 영역(1F-2)와 중첩되게 배치된다.
또한, 도 13과 도 16을 참조하면, 전개도 상에서, 점힘 홈(CH1, CH2)의 위치가 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)와 섬유 강화 플라스틱 시트(2000)가 서로 다르다. 섬유 강화 플라스틱 시트(1000)는 일면에만 점힘 홈(CH1, CH2)가 형성되는 반면에, 섬유 강화 플라스틱 시트(2000)는 일면과 타면에 각각 점힘 홈(CH1 ,CH2)가 형성된다.
한편, 전개도 상에서, 보강 섬유들(10, 20)은 섬유 강화 플라스틱 시트(1000, 2000)의 길이방향을 따라 배열된다.
도시하지는 않았지만, 섬유 강화 플라스틱 시트(1000, 2000)는 제1 층, 제2 층 및 제3 층 중 인접하는 층들을 접합하는 접함점들을 더 포함할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나, 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예에 개시된 내용들을 조합하여 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1000, 2000: 강화 섬유 풀라스틱 시트
100, 200: UD 프리프레그
10, 20: 보강섬유
CH1, CH2, CH3, CH4: 접힘 홈 또는 그루브

Claims (15)

  1. 일방향으로 배열된 보강섬유들과 접힘 홈(groove)을 포함하고,
    중첩영역에서, 상기 보강섬유들의 배향방향이 서로 엇갈리는 제1 층과 제2 층을 포함하고,
    상기 접힘 홈은, 상기 제1 층의 두께와 상기 제2 층의 두께에 비해 얇은 두께를 가지며, 상기 제1 층으로부터 연장되어 상기 제1 층과 상기 제2 층을 서로 연결하는,
    섬유 강화 플라스틱 시트.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 섬유 강화 플라스틱 시트의 길이방향을 따라 상기 보강섬유들이 배열된,
    섬유 강화 플라스틱 시트.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    다각형으로 구성되며,
    상기 다각형을 구성하는 변들 중 일부에는 상기 접힘 홈이 위치된,
    섬유 강화 플라스틱 시트.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층과 상기 제2 층을 서로 붙여서 접힘 상태를 유지하는 접합부들; 을 더 포함하는,
    섬유 강화 플라스틱 시트.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 보강섬유들은 연속 보강섬유인,
    섬유 강화 플라스틱 시트.
  7. 제1항에 기재된 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조 방법으로서,
    일방향으로 배열된 보강섬유들을 포함하는 UD 프리프레그(UD prepreg)에, 사선 방향의 그루브(groove)를 형성하는 스크래칭 공정; 및
    상기 그루브를 만곡시켜, 상기 보강섬유들의 배향방향이 엇갈리게 상기 UD 프리프레그를 접어, 제1 층과 제2 층으로 포개는 폴딩 공정;
    을 포함하는 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 스크래칭 공정은, 상기 그루브를, 상기 UD 프리프레그의 일면에만 형성하며,
    상기 폴딩 공정은, 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 한쪽 방향으로 상기 UD 프리프레그를 회전시켜, 상기 그루브를 만곡시키는,
    섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 스크래칭 공정은, 상기 UD 프리프레그의 일면과 타면에 교대로 상기 그루브를 형성하며,
    상기 폴딩 공정은, 시계 방향과 반시계 방향을 번갈아가며 상기 UD 프리프레그를 회전시켜, 상기 그루브를 만곡시키는,
    섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 폴딩 공정 후, 상기 제1 층과 상기 제2 층을 서로 붙이는 접합 공정; 을 더 포함하는,
    섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 층과 상기 제2 층이 접합된 UD 프리프레그 적층체를 재단하는 커팅 공정;
    을 더 포함하는,
    섬유 강화 플라스틱 시트의 제조방법.
  12. 제1항에 기재된 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치으로서,
    일방향으로 배열된 보강섬유들을 포함하는 UD 프리프레그(UD prepreg)에 대해, 사선 방향으로 중첩되게 배치되어, 연직방향으로 왕복 운동하면서 상기 UD 프리프레그에 상기 사선 방향의 그루브를 형성하는 스크래칭기(scratching machine);
    전방향 이동이 가능한 로봇 암을 포함하고, 상기 로봇 암(robot arm)으로 상기 그루브를 만곡시켜, 상기 보강섬유들의 배향방향이 엇갈리도록, 상기 UD 프리프레그를 접어 제1 층과 제2 층으로 포개는, 폴딩기(folding machine);
    를 포함하는 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 스크래칭기가 상기 UD 프리프레그의 일면의 상부에만 배치되며,
    상기 로봇 암은, 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 한 쪽 방향으로, 상기 UD 프리프레그를 회전시켜, 상기 그루브를 만곡시키는,
    섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 스크래칭기가 상기 UD 프리프레그의 일면의 상부와 타면의 하부에 각각 배치되며,
    상기 로봇 암은, 시계 방향과 반시계 방향을 번갈아가며, 상기 UD 프리프레그를 회전시켜, 상기 그루브를 만곡시키는,
    섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 UD 프리프레그의 상부에 배치되어, 상기 제1 층과 상기 제2 층을 접합하는 융착기;
    상기 제1 층과 상기 제2 층이 접합된 UD 프리프레그 적층체를 공정방향으로 잡아 당기는 클램프(clamp); 및
    상기 UD 프리프레그 적층체를 재단하는 커터;
    를 포함하는 섬유 강화 플라스틱 시트의 제조장치.
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