KR102265029B1

KR102265029B1 - 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치

Info

Publication number: KR102265029B1
Application number: KR1020200121178A
Authority: KR
Inventors: 김국진
Original assignee: 김국진
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-06-14

Abstract

본 발명은 다양한 특성을 가지는 라미네이팅 프리프레그를 제조하는 장치를 개시한다. 본 발명의 제조장치는, 제1 원료를 공급하는 제1 공급부와, 상기 제1 원료 상면에 열가소성 수지 핫멜트, 열경화성 수지 핫멜트 및 수지 파우더를 선택적으로 공급하는 제1 코팅부 내지 제3 코팅부, 상기 제1 원료에 열가소성 수지 필름을 적층하거나, 상기 제1 내지 제3 코팅부에 의해 코팅된 상면에 이형지 또는 이형필름을 적층하도록 제2-1 공급부, 제2-2 공급부, 제2-3 공급부를 가지는 제2 공급부, 상부 벨트와 하부 벨트를 포함하며, 상기 벨트 사이로 상기 제2 공급부에서 공급되는 제품을 안내하면서 벨트 압력을 가하는 벨트 컨베이어를 포함한다. 그리고 상기 벨트 컨베이어의 구동에 따라 상기 제품을 상하 방향에서 가압하는 가압롤러들이 배치되고, 상기 가압되면서 이송하는 제품에 대해 소정 온도를 가열하는 히팅부와, 상기 가열된 제품을 소정 온도 이하로 냉각하여 생산품인 프리프레그 상태로 배출하는 쿨링부를 포함한다. 상기 배출되는 프리프레그는 선택적으로 소정 너비로 커팅되고, 이를 권취하여 최종 제품인 프리프레그를 제공한다.

Description

복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치{Apparatus for manufacturing composite laminated prepreg}

본 발명은 프리프레그 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 세라믹 섬유(탄소섬유, 필름, 종이) 등의 원료에 열가소성 수지 필름, 열가소성 수지 파우더, 열가소성 핫멜트 수지, 열경화성 핫멜트 수지 중 하나를 함침 또는 접착하는 방식으로 가공하여 라미네이팅 프리프레그를 제조하는 장치에 관한 것이다.

프리프레그(Prepreg)는 바잘트, 탄소, 유리, 아라미드, UHMWPE(ultra-high-molecular-weight polyethylene), 하이브리드 등 보강재 섬유에 복합재를 결합시킨 형태의 제품으로, 주로 시트(sheet) 형태로 제조된다. 따라서 취급이 쉽고 성형시 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 재단 성형의 특성상 가공에 필요한 부품 수를 줄일 수 있어, 항공/우주, 자동차, 스포츠/레저, 토목/건축 등 여러 산업 분야에서 복합재 성형을 위한 중간재로 널리 사용되고 있다. 그리고 프리프레그는 열경화성 수지가 적용된 열경화성 프리프레그와, 열가소성 수지가 적용된 열가소성 프리프레그로 구분될 수 있는데, 프리프레그 개발 초기에는 비교적 제조가 용이한 열경화성 프리프레그가 주로 사용되었으나, 최근에는 대량 생산에 적합하고 재활용이 가능한 열가소성 프리프레그의 사용이 증가하고 있다.

이러한 프리프레그 제품은, 예를 들어 우주/항공 산업용에 사용되는 고성능을 추구하는 구조용 프리프레그 제품, 주로 사출 성형품으로 전자, 전기 부품시장에 사용되는 저성능, 고생산성 지향의 프리프레그 제품, 자동차, 건설, 일반 내구성 기계 부품 등의 시장에 사용되는 중간 성능을 지닌 프리프레그 제품 등과 같이 종류가 다양하다.

이처럼 다양한 용도의 프리프레그가 있는데, 이를 제조하는 제조장치는 각각 상이다. 기본적인 장비 구성은 비슷할 수 있지만, 서로 다른 성능이나 용도로 사용되는 프리프레그를 제조하기 때문에 장비 구성은 달라질 수 밖에 없다. 즉 용도별 프리프레그를 제조하는 장치가 개별적으로 제공되어야 한다는 것이다. 따라서 종래에는 각각의 제조장치별 설치 및 관리의 어려움, 많은 비용이 발생하는 문제점이 있다.

프리프레그와 관련된 선행문헌으로 공개특허 10-2015-0119555호(2015. 10. 26. 공개)는 열경화성 및 열가소성 프리프레그를 선택적으로 제조하는 시스템을 공개하고 있지만, 이는 한 종류의 탄소섬유 토우를 이용하여 열경화성 프리프레그 또는 열가소성 프리프레그를 제조하는 장치로서, 다양한 기능을 가지는 프리프레그를 제조하는 장치를 제공하지 못하였다.

한편, 열가소성 프리프레그는 열경화성 프리프레그와 달리 대략 30초 이내의 매우 짧은 성형시간으로 우수한 성형가공 특성이 있고, 이러한 단축된 성형시간은 열스템핑, 열프레싱 등의 자동화 성형이 가능하며, 양산 생산에 적합한 소재로서 수요가 꾸준히 증가하는 추세이다. 또 열경화성 재료와는 달리 열가소성 재료는 재활용이 가능하며 국제규제 환경물질에 대한 대체 및 대응이 가능하다. 따라서 열가소성 프리프레그 제조장치에 대한 개발 및 확보가 절실히 요구되고 있다. 그러나 아직까지 이의 제조장치에 대한 개발은 전무한 상태라 할 수 있다.

본 발명의 목적은 세라믹 섬유 등에 서로 다른 기능성 재료를 제공하여 복합재 라미네이팅 프리프레그를 제조 및 생산할 수 있는 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양산성이 요구되는 소재의 제조에 필요한 조건들을 만족하면서 다양한 종류의 프리프레그를 제조 및 생산할 수 있는 제조장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 둘 이상의 원료들을 공급받아 복합재 프리프레그를 제조하는 장치이고, 제1 원료를 공급하는 제1 공급부; 상기 제1 원료 상면에 열가소성 수지 핫멜트, 열경화성 수지 핫멜트 및 수지 파우더를 선택적으로 공급하는 제1 코팅부 내지 제3 코팅부; 상기 제1 원료에 열가소성 수지 필름을 적층하거나, 상기 제1 내지 제3 코팅부에 의해 코팅된 상면에 이형지 또는 이형필름을 적층하도록 제2-1 공급부, 제2-2 공급부, 제2-3 공급부를 가지는 제2 공급부; 상부 벨트와 하부 벨트를 포함하며, 상기 벨트 사이로 상기 제2 공급부에서 공급되는 제품을 안내하면서 벨트 압력을 가하는 벨트 컨베이어; 상기 벨트 컨베이어의 구동에 따라 상기 제품을 상하 방향에서 가압하는 가압롤러들; 상기 가압되면서 이송하는 제품에 대해 소정 온도로 가열하는 히팅부; 상기 가열된 제품을 소정 온도 이하로 냉각하여 최종 생산품인 프리프레그 상태로 배출하는 쿨링부; 상기 배출되는 프리프레그를 각각 권취하는 와인더; 및 상기 제1 내지 제3 코팅부, 상기 제2-1 공급부, 제2-2 공급부, 제2-3 공급부의 구동을 선택 제어하는 제어패널을 포함하는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치를 제공한다.

상기 제1 공급부 및 제2 공급부는, 보빈 가이드 롤; 공급하는 원료를 상기 보빈 가이드 롤에 고정하는 에어 샤프트; 및 상기 보빈 가이드 롤에 감겨져 있는 원료를 일정한 텐션(tension)을 유지하면서 풀어지도록 파우더 브레이크(power braker)가 설치된다.

상기 제1 코팅부 내지 제3 코팅부는 어느 하나의 코팅부만 구동된다.

상기 제1 코팅부 내지 제3 코팅부가 미 구동상태에서, 상기 제1 공급부가 공급하는 제1 원료 상면에 상기 제2 공급부가 공급하는 열가소성 수지 필름을 적층 형성한다.

상기 벨트 컨베이어는 테트론 벨트가 사용된다.

상기 벨트 컨베이어를 따라 서로 마주보는 상부 가압롤러들 및 하부 가압롤러들이 배치되고, 상기 가압롤러들은 각각 설치된 실린더의 구동에 따라 이송되는 제품의 상하부를 가압한다.

상기 히팅부는, 서로 마주보는 상부 히팅 플레이트 및 하부 히팅 플레이트로 구성되고, 상기 상부 히팅 플레이트와 하부 히팅 플레이트는 각각 독립적으로 구동된다.

상기 쿨링부는, 서로 마주보는 상부 쿨링 플레이트 및 하부 쿨링 플레이트로 구성되고, 상기 상부 쿨링 플레이트와 하부 쿨링 플레이트는 각각 독립적으로 구동된다.

상기 쿨링부를 통해 배출되는 프리프레그를 소정 폭으로 컷팅하는 컷팅부를 더 포함한다.

이상과 같은 본 발명의 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치에 따르면, 세라믹 섬유(탄소섬유) 등에 열가소성 수지를 함침, 접착시켜 시트 타입의 프리프레그를 제조, 생산할 수 있음은 물론 구매자의 요구에 맞춰 성형된 제품으로 공급할 수 있다.

본 발명에 따르면 열경화성 프리프레그 제품에 비해 비교적 짧은 성형시간동안 다양한 특성을 가지는 열가소성 프리프레그 제품을 성형 가공할 수 있고, 우수한 성형가공 특성을 가지면서 대량으로 양산할 수 있는 효과도 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치의 전체 구성도
도 2는 본 발명에 따른 보빈 고정용 에어샤프트의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 파우더 브레이크의 구성도
도 4는 본 발명의 제1 코팅부 및 제2 코팅부의 구성도
도 5는 본 발명의 제3 코팅부의 구성도
도 6은 본 발명의 벨트 컨베이어 부분의 확대 사시도
도 7은 본 발명의 커팅부 및 와인더의 구성도
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다양한 기능을 가지는 프리프레그를 각각 제조하는 제조 공정도

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 하고, 다만 설명의 편의를 위해 최종적으로 생산되는 제품은 '프리프레그'라 칭하고, 그 이전 공정에서 원료들이 공급되면서 함침, 접착되고 이송되는 소재는 '제품'이라 칭하여 설명할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치(이하 '제조장치'라 함)(10)의 전체 구성도이다. 도면을 참고하면 제조장치(10)는 골격을 형성하는 프레임(20)에 최종 생산품인 프리프레그를 제조하기 위한 개별 장치들이 순서대로 배열된다. 도면에서 좌측이 원료가 공급되는 부분이고 우측이 제조된 프리프레그가 배출되는 부분이 된다. 좌측에서 우측 방향으로 연결되는 이송경로를 따라 일련의 공정에 의해 재료들이 공급되면서 함침 또는 접착되어 시트 타입의 프리프레그가 제조된다고 할 수 있다.

제조장치(10)는 프레임(20)의 전부 또는 일부를 감싸는 케이스(미도시)를 포함할 수 있다. 케이스는 외부로부터 내부 구성품을 보호하고 이물질 등이 쌓이는 것을 방지하는 역할을 한다. 그리고 내부 구성품들의 관리 및 청소, 고장 발생시 수리를 위해 착탈 가능한 구조이다. 이러한 케이스에 본 발명의 제어패널(미도시)이 장착될 수 있을 것이다.

본 발명의 제조장치(10)는 서로 상이한 특성이나 기능을 가지는 다양한 종류의 프리프레그를 제조할 수 있다. 공급되는 원료에 따라 프리프레그를 제조할 수 있는데, 예를 들면 세라믹 섬유(탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유, 아라미드섬유, 각종 필름, 종이 등)와 같은 제1 원료에 제2 원료인 수지 필름이나 파우더, 열가소성 또는 열경화성 수지 핫멜트를 사용하여 프리프레그를 제조할 수 있는 것이다. 즉 제1 원료는 기본적으로 공급되는 원료이고, 제2 원료는 선택적으로 공급되는 원료라 할 수 있다. 제2 원료들은 동시에 공급되지 않는다. 계속해서 이러한 제조장치의 각 구성에 대해 구체적으로 살펴본다.

도 1에서도 보듯이 프레임(20)의 선단에 제1 원료를 공급하는 제1 공급부(100)가 설치된다. 공급되는 원료로는 앞서 언급한 바 있는 세라믹 섬유, 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유, 열가소성 필름, 종이 등과 같은 것이고, 제조하고자 하는 프리프레그의 특성에 따른 재료가 될 수 있다. 제1 공급부(100)가 공급하는 원료는 프리프레그를 형성하기 위한 기본적인 재료라 할 수 있다. 실시 예에서 제1 원료는 세라믹 섬유를 예를 든다.

제1 공급부(100)는 제1 원료를 후단의 이송 경로상으로 원활하게 공급되도록 해야 한다. 이를 위해 제1 공급부(100)는 제1 원료가 감겨진 상태에서 풀어지면서 공급하는 보빈 가이드 롤(102)과, 상기 보빈 가이드 롤(102)을 지지하는 에어 샤프트(104)를 포함하여 구성된다. 여기서 보빈 가이드 롤(102)은 x-y 스크류 제어 타입으로 상하좌우방향으로 조정이 가능하며, 롤 표면은 내구성을 위해 경질의 크롬으로 도금된다.

에어 샤프트(104)는 보빈 가이드 롤(102)에 제1 원료를 고정하기 위한 것이다. 즉 프레임(20)에 설치된 에어 샤프트(104)에 보빈 가이드 롤(102)을 장착한 다음 상기 에어 샤프트(104)에 에어를 공급하면 보빈 가이드 롤(102)이 고정되는 것이고, 실시 예는 뉴매틱(pneumatic) 타입인 에어 샤프트로 설계된다. 보빈 고정용 에어샤프트의 예는 도 2에 도시하였다.

그리고 상기 보빈 가이드 롤(102)에 감겨져 있는 제1 원료는 일정한 텐션을 유지하면서 풀어져야 한다. 느슨하게 풀리거나 텐션이 일정하지 못하면 원하는 형상의 프리프레그를 제조할 수 없다. 따라서 장력 제어를 위해 보빈 가이드 롤(102) 내에는 도 3에 도시하고 있는 파우더 브레이크(power braker)(106)가 장착된다. 파우더 브레이크(106)는 자동 텐션 제어기능을 제공한다.

도 1과 같이 제1 공급부(100)에서 공급되는 제1 원료의 상면에 핫멜트 수지 및 수지 파우더를 일정 두께로 코팅하기 위한 제1 내지 제3 코팅부(200, 300, 400)가 순서대로 배치된다. 제1 코팅부(200)는 열가소성 핫멜트 수지 코팅부(PUR resin coater), 제2 코팅부(300)는 열경화성 핫멜트 수지 코팅부(Epoxy resin coater), 제3 코팅부(400)는 파우더 코팅부(Powder supply)를 말한다. 그리고 이들 코팅부(200, 300, 400)에는 각각 열가소성 수지 및 열경화성 수지, 수지 파우더를 저장/공급하는 저장탱크가 장착되거나 연결될 것이다.

상기 제1 내지 제3 코팅부(200, 300, 400)는 각각 독립적으로 설계되고 구동된다. 즉 각각 공급되는 재료가 서로 상이하며, 재료에 의해 코팅 처리되는 공정도 상이하기 때문이다. 따라서 열가소성 핫멜트 수지 및 열경화성 핫멜트 수지, 파우더가 동시에 공급되지 않아야 한다.

상기 제1 및 제2 코팅부(200, 300)는 제1 원료에 수지를 공급, 코팅하는 장치이다. 실시 예의 상기 제1 및 제2 코팅부(200, 300)는 'two-roll type comma coater type'이 사용된다. 그리고 전열기(electric heater)와 히팅 오일(heating oil) 가열방식으로 롤러 표면온도의 균등화 및 편차를 최소화하였다. 또한 도면에는 도시하고 있지 않지만 상기 제1 및 제2 코팅부(200, 300)는 롤러에 Lm-guide bearing을 사용하여 정밀도를 향상시켰고, 간극을 확인할 수 있도록 디지털 인디케이터(digital indicator)가 사용된다. 또 워엄 감속기를 사용하여 선회능력을 향상시켰으며, 스틸 플레이트 프레임으로 구성하여 안정화를 도모하였다.

도 4는 본 발명의 제1 코팅부 및 제2 코팅부를 나타낸 개략 구성도이다. 이에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 코팅부(200, 300)에서 코팅되는 수지는 블레이드(blade)(210)에 의해 제1 원료 상면에서 일정 두께로 도포된다. 상기 블레이드(210)는 상하 방향으로 이동가능하여 두께 조절이 가능하다. 또 디지털 인디게이터에 의해 실시간 확인하면서 두께 조절을 할 수도 있다.

그리고 상기 제3 코팅부(400)는 열가소성 수지(PP, PA6 등) 파우더, 에폭시 파우더, 활성 탄소 등 다양한 종류의 파우더가 사용되며, 산포 성능을 향상시키도록 멀티 플라즈마 방식을 적용하였다.

상기 제3 코팅부가 파우더를 공급하는 구성은 도 5에 나타냈다. 도 5에서 보듯이 제3 코팅부(400)는 파우더 공급부(410)에서 공급되는 파우더가 브러쉬 벨트(420)와 브러쉬(430)가 구비된 롤러(440) 사이로 공급되어 제1 원료 상면에 스케터링(scattering) 되도록 구성된다. 상기 브러쉬 벨트(420)의 반대편에는 브러쉬(430)에 묻은 파우더를 제거하는 클리닝 롤러(450)가 설치된다.

도 1를 다시 참조하면, 프레임(20)의 중단에 제2 공급부(500)가 설치된다. 제2 공급부(500)는 제2-1 공급부(510), 제2-2 공급부(520), 제2-3 공급부(530)를 포함하며, 이전 공정에서 처리되어 공급되는 제1 원료에 서로 다른 특성을 가지는 제2 원료를 선택적으로 공급하는 역할을 한다. 제2 원료는 이형지, 이형필름, 열가소성 수지필름 등을 말할 수 있다. 물론 제조하고자 할 프리프레그에 따라 제2 공급부(500)가 공급하는 재료는 변경될 수 있을 것이다. 예컨대 단열 성능의 프리프레그를 제조할 경우 제2 공급부(500)는 알루미늄 포일 및 접착필름 등을 제공할 수 있도록 변경될 수 있다.

상기 제2-1 공급부(510), 제2-2 공급부(520), 제2-3 공급부(530)는 모두 제1 공급부(100)와 같이 보빈 가이드 롤 타입이고, 이러한 보빈 가이드 롤에 재료를 고정하기 위한 에어 샤프트, 일정한 텐션 유지를 위한 파우더 브레이크가 구성된다. 도면과 같이 제1 공급부(100)와 제2 공급부(500)는 직경만 상이할 뿐 거의 비슷한 구조로 구성된다고 보면 된다.

도 1 및 도 6에서 보듯이 본 발명의 제조장치(10)는 벨트 컨베이어(belt conveyor)(600)를 포함한다. 벨트 컨베이어(600)는 이중 벨트 구조로서 상부 벨트(610) 및 하부 벨트(620)를 포함하며, 실시 예에서 상부 벨트(610) 및 하부 벨트(620)는 이형성과 고온 안정성을 위하여 테트론(PTEE) 벨트가 사용된다. 이러한 상부 벨트(610) 및 하부 벨트(620)의 벨트 압력에 의해 이전 공정에서 이송되는 원료들을 서로 함침하거나 접착시키게 된다.

벨트 컨베이어(600)의 중앙에는 상부 벨트(610) 및 하부 벨트(620) 사이로 제품의 이송을 안내하면서 상기 제품을 상/하 방향에서 압력을 가하도록 가압 롤러들이 구비된다. 가압 롤러는 상하 방향으로 마주보는 상부 가압롤러(710) 및 하부 가압롤러(720)의 1쌍으로 구성되고, 이러한 가압롤러가 벨트 컨베이어(600)의 길이 방향으로 소정 간격 이격되면서 복수 개가 배치된다.

상기 가압롤러(710, 720)의 외주면은 실리콘 고무로 코팅된다. 그리고 가압롤러(710, 720)는 공압방식으로 가압력을 제공하며, 이때 가압롤러(710,720)는 각각 롤러마다 개별적으로 설치된 공압 실린더(미도시)에 의해 가압하는 방식이다. 모든 가압롤러들(710, 720)이 동시에 동일한 가압력을 제공하는 것이 아니고, 제품의 이송 상태 등에 따라 가압롤러(710, 720)들 각각의 가압력을 조절하여 가압하게 된다. 이러한 가압 제어는 제어패널의 제어동작에 따른다.

도 6에서 보듯이 본 발명의 제조장치(10)는 벨트 컨베이어(600) 내측 중앙에 구비된 히팅부(800) 및 쿨링부(900)를 포함한다. 이송경로를 따라 히팅부(800)가 쿨링부(900)보다 먼저 위치한다. 또 히팅부(800) 및 쿨링부(900)의 설치 개수는 다양하게 설계할 수 있다. 즉 히팅부(800)와 쿨링부(900)의 개수를 같게 하거나 다르게 할 수 있는 것이다.

히팅부(800)는, 상하 방향에서 서로 마주보는 한 쌍의 상부/하부 히팅 플레이트(810, 820)로 구성되어 가열하는 방식이다. 상부/하부 히팅 플레이트(810, 820)는 이송되는 제품의 폭과 같거나 더 크게 구성된다. 상기 상부/하부 히팅 플레이트(810, 820)마다 공압 실린더가 설치되어 독립적으로 제품을 상하방향에서 가열한다. 그리고 상기 상부/하부 히팅 플레이트(810, 820)는 벨트 컨베이어의 이송 방향으로 여러 개가 설치될 수 있다. 이때 상부/하부 히팅 플레이트(810, 820)는 이웃하는 다른 한 쌍의 히팅 플레이트와 크기를 다르게 구성할 수도 있다.

쿨링부(900)는, 상기 소정 온도로 가열된 가제품을 냉각하도록 상하 방향으로 서로 마주보는 한 쌍의 상부/하부 쿨링 플레이트(910, 920)로 구성된다. 이송되는 제품을 일정 온도 이하로 냉각하여 강도를 유지시키기 위해서이다. 상부/하부 쿨링 플레이트(910, 920)도 각각 공압 실린더가 설치되어 독립적으로 제품을 상하방향에서 냉각하는 구조이다. 쿨링부(900)는 예를 들어 에어 쿨러를 통하여 분사노즐로 분사시켜 냉각시키는 구성일 수 있다. 또는 냉각수를 순환시켜 냉각시키는 구성일 수도 있다. 본 실시 예는 이렇게 쿨링부(900) 공정까지 완료되어 배출되는 제품이 최종 생산된 프리프레그라 할 수 있다.

본 발명의 제조장치(10)는 커팅부(slitting)(1000) 및 와인더(1100)를 포함한다. 도 7에 도시한 바와 같이 커팅부(1000)는 프리프레그를 정해진 폭 방향으로 절단하기 위한 것으로, 커팅 축(1010)에 하나 이상의 커팅날(1020)이 구비된다. 도면에서는 1개의 커팅날이 장착되어 프리프레그를 소정 너비로 커팅함을 예시하고 있다.

그리고 와인더(1100)는 커팅부(1000)에 의해 커팅되어 이송되는 프리프레그를 롤(roll) 형태로 권취하는 역할을 한다. 상기 와인더(1100)는 위에서 언급한 바 있는 에어샤프트 및 파우더 브레이크가 설치되어, 장력을 제어하면서 시트 타입의 프리프레그를 권취한다.

본 발명의 제조장치(10)는 제어패널을 포함한다. 미도시하고 있지만 제어패널은 작업자의 조작이 용이하도록 프레임(10) 또는 케이스의 소정 위치에 장착될 것이다. 제어패널은 상기한 각 구성들의 동작을 전체적으로 제어하는 기능을 제공한다. 즉 제1 공급부(100) 및 제2 공급부(500)의 구동, 제1 내지 제3 코팅부(200, 300, 400)의 선택적인 구동, 벨트 컨베이어(600)의 구동속도, 히팅부(800) 및 쿨링부(900)의 온도제어 등을 모두 포함한다. 제어패널은 HMI(Human Machine Interface) 방식으로 제어할 수 있도록 구성되며, 작업자가 터치조작만으로 각종 명령을 입력 하고 관련된 정보를 확인할 수 있도록 터치화면으로 구성되는 좋다.

다음에는 이와같이 구성된 본 발명의 제조장치를 이용하여 다양한 프리프레그를 제조하는 과정에 대해 살펴본다. 본 발명은 세라믹 섬유에 열가소성 수지필름, 열가소성 수지 파우더, 열가소성 핫멜트 수지 및 열경화성 핫멜트 수지를 함침 또는 접착하여 4가지 종류의 복합재 라미네이팅 프리프레그를 제조하는 장치로서, 이를 각 실시 예별로 구분하여 살펴보기로 한다.

제1 실시 예

첫 번째는 세라믹 필름에 열가소성 수지필름을 일체로 성형하는 예로서, 도 8을 참조하여 설명한다.

작업자가 제어패널을 조작하여 제1 공급부(100)와, 제2-3 공급부(530)가 구동되도록 하고, 반면 제1 내지 제3 코팅부(200, 300, 400), 제2-1 공급부(510), 제2-2 공급부(520)는 미구동상태가 되도록 셋팅한다. 미구동 상태는 각각의 장치들이 동작하지 않은 상태를 말한다.

상기 셋팅에 따라 제1 공급부(100)는 세라믹 섬유를 정해진 텐션을 유지하면서 일정 속도로 공급한다. 그리고 공급되는 세라믹 섬유는 정해진 경로를 따라 이송되면서 벨트 컨베이어(600) 방향으로 공급되는데, 이렇게 세라믹 섬유가 벨트 컨베이어(600) 방향으로 이송될 때, 'A' 위치에서 제2-3 공급부(530)로부터 열가소성 수지 필름이 공급되도록 한다. 열가소성 수지필름은 EVA 필름 또는 PA6 필름일 수 있다.

이에 상기 세라믹 섬유 상에 열가소성 수지필름이 장착되고, 'B' 위치를 거쳐 상부 벨트(610)와 하부 벨(620)트 사이로 안내되어 들어가게 된다. 그러면 경로상에 위치한 가압롤러(710, 720)들이 세라믹 섬유와 열가소성 수지필름을 일정 가압력으로 가압하게 된다. 그리고 상기 가압상태는 히팅부(800)와 쿨링부(900)를 통과하면서도 유지된다.

히팅부(800)는 소정 온도로 세라믹 섬유와 열가소성 수지 필름을 가열하고, 쿨링부(900)는 가열된 상태를 다시 소정 온도 이하로 냉각시킨다. 따라서 세라믹 섬유에 열가소성 수지 필름이 완전하게 적층 성형(laminating)되고, 시트 타입의 복합재 프리프레그가 제조된다. 제조된 프리프레그는 컷팅부(1000)에 의해 일정 간격으로 컷팅되고, 와인더(1100)가 컷팅된 프리프레그를 권취하여 최종 제품으로 생산한다.

이처럼 제1 실시 예는 세라믹 섬유와 열가소성 수지필름을 적층 성형하여 복합재 프리그레그를 생산하는 것이다. 제1 실시 예에서 상기 열가소성 수지 필름 대신 세라믹 섬유에 접착필름이나 알루미늄 포일 등을 공급하여 단열재 특성을 가지는 프리프레그 등을 생산할 수도 있다. 즉 다른 재료를 공급함으로써 상이한 특성을 제공할 수 있는 복합재 프리프레그를 생산할 수 있다는 것이다.

제2 실시 예

두 번째 실시 예는 세라믹 섬유에 열가소성 수시 핫멜트를 접착 및 코팅하여 복합재 프리프레그를 생산하는 예로서, 도 9을 참조하여 설명한다.

작업자는 제어패널을 조작하여 제1 공급부(100), 제1 코팅부(200), 제2-1 공급부(또는 제2-2 공급부)(510, 520)가 구동되도록 셋팅한다. 다른 코팅부(300, 400) 및 공급부(530)는 미구동상태가 되어야 한다.

이와 같이 셋팅된 상태에서 먼저 제1 공급부(100)가 세라믹 섬유를 풀어주면서 공급한다. 이때 세라믹 섬유는 정해진 텐션을 유지하면서 일정 속도로 공급될 것이다. 그리고 상기 세라믹 섬유가 제1 코팅부(200)에 도달하면('C' 위치), 제1 코팅부(200)는 저장탱크로부터 PUR 수지를 일정 두께로 도포한다. 여기서 PUR 수지는 정해진 양만 공급되어 세라믹 섬유 상면에 일정 두께로 도포되는데, 정해진 양 이상이 도포되더라도 제1 코팅부(200)의 후단에 마련된 블레이드(201)에 의해 PUR 수지의 두께는 일정하게 될 것이다.

PUR 수지가 도포된 세라믹 섬유가 제2-1 공급부(510)에 도달한다('D' 위치). 그러면 제2-1 공급부(510)는 이형지를 소정 속도로 풀어주면서 이형지가 PUR 수지 위에 적층되게 한다. 이때 제2-2 공급부(520)에 의해 이형필름이 공급될 수 있다. 이형지를 적층시키는 이유는 세라믹 섬유 위에 도포된 PUR 수지가 벨트 면에 묻지 않도록 하기 위한 것이다. 이와 같이 아래에서부터 세라믹 섬유, PUR 수지, 이형지가 적층된 제품은 벨트 컨베이어(600)로 안내되어 상부 벨트(610)와 하부 벨트(620) 사이로 들어가게 된다. 그러면 가압롤러들(710, 720)이 상기 적층 상태인 가 제품을 상/하 방향에서 일정 가압력으로 가압하고, 가압된 상태에서 히팅부(800)와 쿨링부(900)를 통과하게 된다.

히팅부(800)는 소정 온도로 상기 적층된 제품을 가열하고, 쿨링부(900)는 가열된 상태를 다시 소정 온도 이하로 냉각시키는 동작을 통해 시트 타입의 복합재 프리프레그를 제조한다. 이후 제조된 프리프레그는 컷팅부(1000)에 의해 일정 간격으로 컷팅되고, 와인더(1100)가 프리프레그를 권취하여 최종 제품으로 생산한다.

제3 실시 예

세 번째 실시 예는 상기 두 번째 실시 예의 PUR 수지 대신 에폭시 수지를 사용하여 복합재 프리프레그를 생산하는 예로, 공정이 거의 유사하다. 즉, 제어패널을 조작하여 제1 공급부(100), 제2 코팅부(300), 제2-1 공급부(510)가 구동되도록 셋팅하고 다른 코팅부(200, 400) 및 공급부(530)는 미구동상태가 되어야 한다.

이와 같이 셋팅된 상태에서 제1 공급부(100)가 세라믹 섬유를 풀어주면서 공급한다. 이때 세라믹 섬유는 정해진 텐션을 유지하면서 일정 속도로 공급될 것이다. 그리고 상기 세라믹 섬유가 제2 코팅부(300)에 도달하면('E' 위치), 제2 코팅부(300)는 저장탱크로부터 에폭시 수지를 일정 두께로 도포한다. 이때 도포되는 에폭시 수지의 두께는 디지털 인디케이터가 표시한다. 이러한 표시결과에 따라 두께가 일정하지 않게 되면 제어패널에 의해 에폭시 수지의 공급량을 조절하도록 한다. 또는 제2 실시예에서 설명한 바와 같이 블레이드를 이용할 수도 있다.

에폭시 수지가 도포된 세라믹 섬유가 제2-1 공급부(510)에 도달한다('F' 위치). 그러면 제2-1 공급부(510)는 이형지를 소정 속도로 풀어주면서 이형지가 PUR 수지 위에 적층되게 한다. 이때 제2-2 공급부(520)에 의해 이형필름이 공급될 수 있다. 상기 이형지(이형필름)를 적층시키는 이유는 세라믹 섬유 위에 도포된 에폭시 수지가 벨트 면에 묻지 않도록 하기 위한 것이다. 이와 같이 아래에서부터 세라믹 섬유, 에폭시 수지, 이형지가 적층된 제품은 벨트 컨베이어(600)로 안내되어 상부 벨트(610)와 하부 벨트(620) 사이로 안내되면서 이송되고, 가압롤러(710, 720)들이 이를 상/하 방향에서 일정 가압력으로 가압한다. 그리고 가압된 상태에서 적층된 제품은 히팅부(800)와 쿨링부(900)를 통과하게 된다.

히팅부(800)는 소정 온도로 상기 적층된 제품을 가열하고, 쿨링부(900)는 가열된 제품을 다시 소정 온도 이하로 냉각시키는 동작을 통해 상기 적층 상태인 제품을 접착 및 코팅시켜 시트 타입의 복합재 프리프레그를 제조한다. 이후 제조된 프리프레그는 컷팅부(1000)에 의해 일정 간격으로 컷팅되고, 와인더(1100)가 프리프레그를 권취하여 최종 제품으로 생산한다.

제4 실시 예

네 번째 실시 예는 세라믹 섬유에 수지 파우더를 이용하여 복합재 프리프레그를 생산하는 예이다. 수지 파우더를 사용하기 때문에, 제1 공급부(100), 제3 코팅부(400), 제2-1 공급부(510)가 구동되도록 셋팅하고 다른 코팅부(200, 300) 및 공급부(530)는 미구동상태가 되어야 한다.

이와 같이 셋팅된 상태에서 제1 공급부(100)가 세라믹 섬유를 정해진 텐션을 유지하면서 일정 속도로 풀어주면서 공급한다. 이렇게 공급되는 세라믹 섬유가 제3 코팅부(400)에 도달하면('G' 위치), 제3 코팅부(400)는 저장탱크로부터 수지 파우더, 예를 들어 PP, PE, PA6 및 PEEK 파우더, 에폭시 파우더, 활성 단소 등 다양한 종류의 파우더를 세라믹 섬유 상에 스케터링한다. 즉 파우더 공급부에서 공급되는 파우더가 브러쉬 벨트와 브러쉬가 구비된 롤러사이로 공급되면서 세라믹 섬유 상면에 스케터링 되는 것이다.

수지 파우더가 도포된 세라믹 섬유가 제2-1 공급부(510)에 도달한다('H' 위치). 그러면 제2-1 공급부(510)는 이형지를 소정 속도로 풀어주면서 이형지가 수지 파우더 위에 적층되게 한다. 이때 제2-2 공급부(520)에 의해 이형필름이 공급될 수 있다. 상기 이형지를 적층시키는 이유는 세라믹 섬유 위에 도포된 수지 파우더가 벨트 면에 묻지 않도록 하기 위한 것이다. 이때까지 아직 수지 파우더는 분말 상태이기 때문이다.

이와 같이 아래에서부터 세라믹 섬유, 수지 파우더, 이형지가 적층된 제품은 벨트 컨베이어(600)로 안내되어 상부 벨트(610)와 하부 벨트(620) 사이로 들어가게 된다. 그러면 가압롤러들(710, 720)이 상기 적층 상태인 제품을 상/하 방향에서 일정 가압력으로 가압하고, 가압된 상태에서 히팅부(800)와 쿨링부(900)를 통과하게 된다.

히팅부(800)는 소정 온도로 상기 적층된 제품을 가열하고, 쿨링부(900)는 가열된 상기 제품을 다시 소정 온도 이하로 냉각시키는 동작을 통해 상기 적층 상태인 제품을 접착 및 코팅시켜 시트 타입의 복합재 프리프레그를 제조한다. 이후 제조된 프리프레그는 컷팅부(1000)에 의해 일정 간격으로 컷팅되고, 와인더(1100)가 프리프레그를 권취하여 최종 제품으로 생산한다.

이와 같이 본 발명은 제조장치에 마련된 공급부 및 코팅부를 선택적으로 구동시켜 서로 다른 구성 및 특징을 가지는 복합재 프리프레그를 제조 생산하는 것임을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 프리프레그 제조장치 20: 프레임
100: 제1 공급부 102: 보빈 가이드 롤
104: 에어 샤프트 106: 파우더 브레이크
200, 300, 400: 제1 코팅부 내지 제3 코팅부
210: 블레이드 410: 파우더 공급부
420: 브러쉬 벨트 430: 브러쉬
440: 롤러 450: 클리닝 롤러
500: 제2 공급부
510: 제2-1 공급부 520: 제2-2 공급부
530: 제2-3 공급부
600: 벨트 컨베이어
610: 상부 벨트 620; 하부 벨트
710, 720: 상부 가압롤러, 하부 가압롤러
800: 히팅부
810: 상부 히팅 플레이트 820: 하부 히팅 플레이트
900: 쿨링부
910, 상부 쿨링 플레이트 920: 하부 쿨링 플레이트
1000: 커팅부 1100: 와인더

Claims

둘 이상의 원료들을 공급받아 복합재 프리프레그를 제조하는 장치이고,
제1 원료를 공급하는 제1 공급부;
상기 제1 원료 상면에 열가소성 수지 핫멜트, 열경화성 수지 핫멜트 및 수지 파우더를 선택적으로 공급하는 제1 코팅부 내지 제3 코팅부;
상기 제1 원료에 열가소성 수지 필름을 적층하거나, 상기 제1 내지 제3 코팅부에 의해 코팅된 상면에 이형지 또는 이형필름을 적층하도록 제2-1 공급부, 제2-2 공급부, 제2-3 공급부를 가지는 제2 공급부;
상부 벨트와 하부 벨트를 포함하며, 상기 벨트 사이로 상기 제2 공급부에서 공급되는 제품을 안내하면서 벨트 압력을 가하는 벨트 컨베이어;
상기 벨트 컨베이어의 구동에 따라 상기 제품을 상하 방향에서 가압하는 가압롤러들;
상기 가압되면서 이송하는 제품에 대해 소정 온도로 가열하는 히팅부;
상기 가열된 제품을 소정 온도 이하로 냉각하여 최종 생산품인 프리프레그 상태로 배출하는 쿨링부;
상기 배출되는 프리프레그를 각각 권취하는 와인더; 및
상기 제1 코팅부 내지 제3 코팅부, 상기 제2-1 공급부, 제2-2 공급부, 제2-3 공급부의 구동을 선택 제어하는 제어패널을 포함하고,
상기 제1 공급부 및 제2 공급부는,
보빈 가이드 롤;
공급하는 원료를 상기 보빈 가이드 롤에 고정하는 에어 샤프트; 및
상기 보빈 가이드 롤에 감겨져 있는 원료를 일정한 텐션(tension)을 유지하면서 풀어지도록 파우더 브레이크(power braker)가 설치되는 것을 특징으로 하는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1 코팅부 내지 제3 코팅부는 어느 하나의 코팅부만 구동되는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 코팅부 내지 제3 코팅부가 미 구동상태에서, 상기 제1 공급부가 공급하는 제1 원료 상면에 상기 제2 공급부가 공급하는 열가소성 수지 필름을 적층 형성하는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 벨트 컨베이어는 테트론 벨트가 사용되는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 벨트 컨베이어를 따라 서로 마주보는 상부 가압롤러들 및 하부 가압롤러들이 배치되고,
상기 가압롤러들은 각각 설치된 실린더의 구동에 따라 이송되는 제품의 상하부를 가압하는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 히팅부는,
서로 마주보는 상부 히팅 플레이트 및 하부 히팅 플레이트로 구성되고,
상기 상부 히팅 플레이트와 하부 히팅 플레이트는 각각 독립적으로 구동되는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 쿨링부는,
서로 마주보는 상부 쿨링 플레이트 및 하부 쿨링 플레이트로 구성되고,
상기 상부 쿨링 플레이트와 하부 쿨링 플레이트는 각각 독립적으로 구동되는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.
제 1 항에 있어서,
상기 쿨링부를 통해 배출되는 프리프레그를 소정 폭으로 컷팅하는 컷팅부를 더 포함하는 복합재 라미네이팅 프리프레그 제조장치.