KR102323052B1 - 섬유 강화 열가소성 수지의 혼련 방법, 가소화 장치 및 압출기 - Google Patents

섬유 강화 열가소성 수지의 혼련 방법, 가소화 장치 및 압출기 Download PDF

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야스후미 후지타
카즈키 후지타
유키히로 스미히로
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Abstract

본 발명은 강화 섬유의 분산성을 향상시키고, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유를 충분히 남기는 섬유 강화 열가소성 수지의 혼련 방법, 및 그 방법을 실시하기 위한 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치 및 압출기를 제공한다. 상기 혼련 방법은 열가소성 수지와 강화 섬유를 가소화 장치의 실린더에 공급하고, 스크류를 회전시켜 섬유 강화 열가소성 수지를 얻는 단계를 포함하고, 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스의 크기를 강화 섬유 투입구 부근의 상류측과 하류측 사이에서 상이하게 하고, 상기 클리어런스는 강화 섬유 투입구 부근으로부터 상류측보다 하류측이 더 커진다.

Description

섬유 강화 열가소성 수지의 혼련 방법, 가소화 장치 및 압출기
본 발명은 사출 성형기의 사출 장치 또는 압출기 등의 실린더와 스크류를 포함하는 성형 장치(가소화 장치)를 사용함으로써 열가소성 수지와, 탄소 섬유 및 유리 섬유 등의 강화 섬유로부터 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위한 혼련 방법, 및 그 방법을 실시하기 위한 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치 및 압출기에 관한 것이다.
강화 섬유(탄소 섬유 및 유리 섬유 등)와 열가소성 수지를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지로 형성된 성형품은 강도가 크고, 다양한 분야에 사용될 수 있다. 섬유 강화 열가소성 수지는 사출 성형기의 사출 장치 또는 압출기 등의 스크류를 포함하는 가소화 장치로 혼련함으로써 얻어진다.
예를 들면, 압출기에 의해 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위해서는 우선 압출기의 호퍼로부터 열가소성 수지의 재료인 수지 펠릿이 공급된다. 수지 펠릿은 압출기의 실린더 내에서 용융되고 스크류에 의해 전방으로 보내어진다. 실린더의 소정의 위치에서 실린더 내에 강화 섬유가 공급된다. 강화 섬유는 소위 로빙(roving)으로서 공급된다. 즉, 탄소 섬유 또는 유리 섬유 등의 강화 섬유의 수십~수백개가 스트랜드에 집속되고, 그 스트랜드의 수십개가 함께 꼬여 거친 실 모을 형성한다. 이러한 로빙은 실린더에 직접 공급되거나, 소정의 길이로 절단되어 실린더에 공급된다. 그 후, 스크류의 회전에 의해 용융 수지와 강화 섬유가 혼련되고, 강화 섬유가 분산되고 적당히 절단되어 섬유 강화 열가소성 수지가 얻어진다. 압출기의 선단에 제공된 소정의 다이로부터 상기 섬유 강화 열가소성 수지를 압출하면, 덩어리 형상의 중간 성형품이 얻어진다. 상기 덩어리 형상의 중간 성형품을 압축 다이로 이송해서 압축 성형을 하면, 섬유 강화 열가소성 수지로 이루어진 성형품이 얻어진다.
특허문헌 1에는 열가소성 수지와 강화 섬유로부터 섬유 강화 열가소성 수지를 제조할 때, 로빙으로서 제공된 강화 섬유를 개섬하여 공급하는 방법이 기재되어 있다. 이 문헌에 따르면, 용어 "개섬"은 강화 섬유 다발을 연속적으로 넓고 얇게 하는 공정을 말한다. 구체적인 개섬 방법으로서, 강화 섬유 다발을 환봉으로 빳빳하게 하거나, 수류 또는 고압 공기류를 쐬거나, 초음파 진동에 의해 진동시켜 느슨하게 할 수 있고, 또는 개섬 롤러를 포함하는 개섬 장치를 사용하여 상기 방법을 행할 수 있다. 즉, 물리적인 힘을 가함으로써 로빙 상태에서 서로 구속되어 있는 강화 섬유를 느슨하게 한다. 특허문헌 1에 기재된 방법에 있어서, 이러한 방법으로 강화 섬유를 개섬한 후, 그 강화 섬유를 소정의 길이로 절단하여, 절단 강화 섬유를 형성한다. 예를 들면, 사출 성형기가 사용되는 경우에 사출 장치의 가열 실린더에 절단 강화 섬유를 공급한다. 그 후, 가열 실린더 내에서 용융 수지와 강화 섬유를 혼련시켜 섬유 강화 열가소성 수지를 얻는다. 개섬하는 일 없이 강화 섬유 다발의 상태로 강화 섬유를 가열 실린더에 투입하는 관련 기술의 방법에 있어서, 수지와의 혼련 시에 강화 섬유에 작용하는 외력이 다발의 외측과 내측에서 불균일해질 때, 강화 섬유가 파단되거나 절단되기 쉽다. 특허문헌 1에 기재된 방법에 의해 개섬한 강화 섬유를 공급하여 수지와 혼련하면, 강화 섬유에 작용하는 외력이 균일해지므로 섬유가 절단되기 어려워진다. 따라서, 균일한 섬유 길이 분포를 갖는 섬유 강화 열가소성 수지가 얻어질 수 있다.
JP-A-2016-64607
관련 기술의 방법 또는 특허문헌 1에 기재된 방법에 따르면, 섬유 강화 열가소성 수지는 스크류를 포함하는 가소화 장치로 혼련하여 얻을 수 있다. 성형품은 섬유 강화 열가소성 수지를 형 체결된(mold-clamped) 다이에 직접 사출 또는 압출하여 덩어리 형상의 중간 성형품을 얻은 후, 그 덩어리 형상의 중간 성형품을 성형용 다이에 반입시켜 압축 성형을 행함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 해결해야 하거나 개선해야 할 점들이 있다.
섬유 강화 열가소성 수지는 수지에 강화 섬유가 균일하게 분산되어 있는 점, 및 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 많이 남아 있는 점의 2점이 요구된다. 이는 강화 섬유의 분산이 불균일하면 성형품에 있어서 강도가 약한 부분이 생기고, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유의 수가 적으면 높은 강도가 달성될 수 없기 때문이다. 그러나, 이들 2가지 요구 조건은 상반된다. 수지와 강화 섬유의 혼련은 스크류를 회전시킴으로써 행해지지만, 예를 들면 강화 섬유의 분산성을 높이기 위해서는 큰 전단력이 가해지는 스크류를 사용하거나, 실린더의 상류측으로부터 비교적 장시간 강화 섬유를 공급할 필요가 있다. 이 때, 강화 섬유의 분산성이 높아지고 강화 섬유에 함침된 수지의 함침도 촉진된다. 그러나, 강화 섬유는 절단되어서 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유의 비율이 저하하고, 성형품의 강도가 충분히 얻어질 수 없다. 한편, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유를 많이 남기기 위해서는 스크류의 형상을 고안함으로써 혼련 시의 전단력이 감소될 수 있는 실린더의 하류측으로부터 강화 섬유를 공급하여 혼련 시간을 비교적 짧게 할 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로 혼련을 행하면, 강화 섬유의 분산이 불충분해져, 얻어지는 성형품에 있어서 강도가 균일하게 발현되지 않는다. 관련 기술의 방법 또는 특허문헌 1에 기재된 방법에 있어서도, 상반되는 이들 2가지 요구 조건을 동시에 만족시킬 수는 없다.
특허문헌 1에 기재되어 있는 방법에 있어서, 로빙으로서 제공된 강화 섬유를 개섬하여 수지에 공급하고 혼련하기 때문에 강화 섬유가 다발로 되어 있는 경우에 비해 수지와의 혼련 시에 강화 섬유에 작용하는 외력은 균일해진다. 따라서, 불균일한 외력에 의해 절단되는 강화 섬유의 비율이 적어진다는 우수한 효과가 있다. 그러나, 수지와 강화 섬유의 혼련 시에 강화 섬유가 절단되는 원인은 섬유 강화에 작용하는 불균일한 외력에 의한 것뿐만 아니라 다른 원인도 있다. 구체적으로는, 수지와 강화 섬유를 혼련할 때에 발생하는 전단력 및 장력에 의해서도 절단된다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 방법과 같이 강화 섬유를 개섬하여 공급하는 것만으로는 절단을 충분히 막을 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 열가소성 수지와, 탄소 섬유 및 유리 섬유 등의 강화 섬유를 혼합하고 혼련함으로써 섬유 강화 열가소성 수지를 얻을 때, 강화 섬유의 분산성을 향상시킴과 동시에 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 남아 있는 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법, 및 그 혼련 방법을 실시하기 위한 가소화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 섬유 강화 열가소성 수지 중에 충분한 비율로 균일하게 분산되게 할 수 있는, 섬유 강화 열가소성 수지를 압출하기 위한 압출기를 제공하는 것이다.
본 발명은 일측면은 실린더 및 그 실린더에 삽입된 스크류를 포함하는 가소화 장치에 의해, 열가소성 수지와 강화 섬유를 상기 실린더에 공급하고 상기 스크류를 회전시키는 것을 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위한 혼련 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 의하면, 강화 섬유가 실린더에 공급될 때, 실린더 내의 복수의 상이한 개소로부터 강화 섬유가 공급된다. 가소화 장치는, 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스가 소정의 실린더 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커지도록 구성되고, 강화 섬유가 실린더에 공급되는 복수의 개소 중 적어도 1개소는 소정의 실린더 위치의 복수의 개소 중 적어도 1개소의 하류로부터 강화 섬유를 공급하도록 소정의 실린더 위치의 하류에 위치된다. 또한, 실린더에 강화 섬유가 공급되는 복수의 개소 중 소정의 1개소로부터 다른 개소까지의 구간에 있어서 전단력은 스크류의 형상에 의해 다른 구간보다 더 크게 설정된다.
본 발명의 다른 측면은 열가소성 수지를 공급하고 용융시킴과 동시에 강화 섬유를 공급하고 혼련함으로써 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지를 압출하기 위한 압출기를 제공하는 것이다. 압출기의 실린더에는 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구가 제공되고, 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스는 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커진다.
즉, 본 발명은 이하의 (1)~(12)를 특징으로 한다.
(1) 가소화 장치를 사용하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위한 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법으로서, 상기 가소화 장치는 실린더 및 그 실린더에 삽입된 스크류를 포함하고, 상기 방법은 열가소성 수지와 강화 섬유를 실린더에 공급하고 상기 스크류를 회전시키는 단계를 포함하고, 상기 강화 섬유가 상기 실린더에 공급될 때, 상기 실린더 내의 복수의 상이한 개소로부터 상기 강화 섬유가 공급되는 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 가소화 장치는, 상기 실린더의 보어와 상기 스크류 사이의 클리어런스가 소정의 실린더 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커지도록 구성되고, 상기 복수의 개소 중 적어도 1개소는 상기 소정의 실린더 위치의 하류에 위치되고, 상기 강화 섬유는 상기 소정의 실린더 위치의 상기 복수의 개소 중 적어도 1개소의 하류로부터 상기 실린더에 공급되는 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 강화 섬유가 상기 실린더에 공급되는 상기 복수의 개소 중 소정의 1개소로부터 다른 개소까지의 구간에 있어서 전단력은 상기 스크류의 형상에 의해 다른 구간보다 더 크게 설정되는 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법.
(4) 실린더; 및 그 실린더 내에서 회전가능한 스크류를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치로서, 열가소성 수지가 상기 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고, 상기 열가소성 수지와 강화 섬유를 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 실린더는 상기 강화 섬유가 상기 실린더 내의 복수의 개소에서 투입되는 강화 섬유 투입구를 포함하고, 병행하여 상기 복수의 개소로부터 상기 강화 섬유가 투입되는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
(5) 상기 (4)에 있어서, 상기 실린더의 보어와 상기 스크류 사이의 클리어런스는 상기 강화 섬유 투입구의 상기 복수의 개소 중 소정의 개소로부터 상류측보다 하류측이 더 커지는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
(6) 상기 (4)에 있어서, 상기 가소화 장치는 2개의 스크류를 갖는 2축 스크류 압출기를 포함하고, 상기 실린더의 보어는 크기가 같은 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되는 단면 형상을 가짐으로써 상기 보어의 2개소에서 내향 배럴 칩을 형성하고, 상기 강화 섬유 투입구의 상기 복수의 개소 중 소정의 1개소로부터 하류측에 있어서 상기 보어는 상기 배럴 칩 중 적어도 하나가 절단된 형상을 갖는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
(7) 상기 (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 소정의 1개소에 위치된 상기 강화 섬유 투입구와 다른 1개소에 위치된 상기 강화 섬유 투입구 사이의 구간에 있어서는 다른 구간에 비해 혼련 시의 전단력이 큰 플라이트가 상기 스크류에 형성되는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
(8) 실린더; 및 그 실린더 내에서 회전가능한 스크류를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기로서, 열가소성 수지가 상기 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고, 상기 열가소성 수지와 상기 강화 섬유를 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지는 압출기에 의해 압출되고, 상기 실린더는 상기 강화 섬유가 상기 실린더 내의 소정의 위치에서 공급되는 강화 섬유 투입구를 포함하고, 상기 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스는 상기 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커지는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
(9) 크기가 같은 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되는 단면 형상을 가짐으로써 2개소에서 내향 배럴 칩을 형성하는 보어를 갖는 실린더; 및 상기 보어에 회전가능하게 삽입되는 2개의 스크류를 포함하는 2축 스크류 압출기인 섬유 강화 열가소성 수지 압출기로서, 열가소성 수지가 상기 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 수지가 공급되고, 상기 열가소성 수지와 상기 강화 섬유를 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지는 상기 압출기에 의해 압출되고, 상기 실린더는 상기 실린더 내의 소정의 위치에서 상기 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구를 포함하고, 상기 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 하류측에 있어서 상기 보어는 상기 배럴 칩 중 적어도 하나가 절단된 형상을 갖는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
(10) 상기 (9)에 있어서, 상기 실린더의 보어와 상기 스크류 사이의 클리어런스는 상기 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커지는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
(11) 상기 (8) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 상기 실린더의 상기 강화 섬유 투입구 근방의 구간은 수지 압력이 감소하는 기아 구간인 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
(12) 상기 (8) 내지 (11) 중 어느 하나에 있어서, 상기 압출기는 절단 수단을 포함하고, 상기 강화 섬유는 상기 절단 수단에 의해 소정의 길이로 절단되어 상기 강화 섬유 투입구에 공급되는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
(발명의 유리한 효과)
상술한 바와 같이, 본 발명의 일측면은 실린더 및 그 실린더에 삽입된 스크류를 포함하는 가소화 장치에 의해, 열가소성 수지와 강화 섬유를 실린더에 공급하고 스크류를 회전시키는 단계를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위한 혼련 방법을 제공하는 것이다. 강화 섬유가 실린더에 공급될 때, 실린더 내의 복수의 상이한 개소로부터 상기 강화 섬유가 공급된다. 상류측에 공급된 강화 섬유는 장거리에 걸쳐 혼련되고 전단력을 받기 때문에, 혼련에 의해 절단된 섬유가 약간 많아지지만, 수지 중에 강화 섬유를 균일하게 분산시킬 수 있다. 한편, 하류측에 공급된 강화 섬유는 단거리밖에 혼련할 수 없기 때문에, 수지 중에의 분산은 불충분해질 수 있지만, 혼련에 의한 절단이 감소될 수 있다. 즉, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유를 큰 비율로 남게 할 수 있다. 그 결과, 비교적 짧은 강화 섬유가 수지 중에 균일하게 분산되어 있음과 동시에 비교적 긴 섬유가 소정의 비율로 포함된다. 즉, 상반되는 것으로 간주되어 있던 2가지 요구 조건을 모두 충족할 수 있다. 즉, 섬유 강화 열가소성 수지 중에 강화 섬유가 균일하게 분산되어 있음과 동시에 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 많이 남아 있다. 강화 섬유는 비교적 짧아도 어느 정도의 강도가 발현되고, 섬유 길이가 적절하면 충분히 큰 강도가 발현된다. 따라서, 이러한 섬유 강화 열가소성 수지로부터 성형품을 성형할 때, 개소에 따른 강도 분포의 불균일을 감소시키면서 전체적으로 높은 강도를 갖는 성형품이 얻어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 가소화 장치는, 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스가 소정의 실린더 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커지도록 구성되고, 강화 섬유가 실린더에 공급되는 복수의 개소 중 적어도 1개소는 소정의 실린더 위치의 복수의 개소 중 적어도 1개소의 하류로부터 강화 섬유를 공급하도록 소정의 실린더 위치의 하류에 위치된다. 이렇게 해서, 소정의 실린더 위치의 복수의 개소 중 적어도 1개소의 하류로부터 공급된 강화 섬유의 절단을 충분히 감소시킬 수 있다. 따라서, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 수지 중에 충분한 비율로 남아 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 발명에 따르면, 강화 섬유가 실린더에 공급되는 복수의 개소 중 소정의 1개소로부터 다른 개소까지의 구간에 있어서 전단력은 스크류의 형상에 의해 다른 구간보다 더 크게 설정된다. 이렇게 해서, 이 구간에 있어서 강화 섬유는 강제적으로 수지 중에 분산될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 실린더 및 그 실린더 내에서 회전하는 스크류를 포함하는 압출기이다. 열가소성 수지가 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고 혼련되어서 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지는 압출기에 의해 압출된다. 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구가 실린더 내의 소정의 위치에 제공된다. 본 발명에 따르면, 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스는 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커진다. 강화 섬유가 투입되고 용융 수지와 혼련되는 하류측에 있어서 보어와 스크류 사이의 클리어런스가 더 크기 때문에 강화 섬유의 절단을 어느 정도 감소시킬 수 있다. 따라서, 섬유 강화 열가소성 수지를 큰 전단력으로 혼련하여 강화 섬유의 분산을 증가시켜도 절단 강화 섬유의 수가 감소한다. 즉, 본 발명에 따르면, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분한 비율로 균일하게 분산될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 크기가 같은 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩된 단면 형상을 가짐으로써 2개소에서 내향 배럴 칩을 형성하는 보어를 포함하는 실린더; 및 보어에 회전가능하게 삽입되는 2개의 스크류를 포함하는 2축 스크류 압출기이다. 열가소성 수지가 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고 혼련되어서 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지는 2축 스크류 압출기에 의해 압출된다. 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구는 실린더 내의 소정의 위치에 제공되고, 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 하류측에 있어서 상기 보어는 배럴 칩 중 적어도 하나가 절단된 형상을 갖는다. 강화 섬유와 열가소성 수지가 2축 스크류에 의해 혼련될 때, 강화 섬유는 배럴 칩에서 용이하게 절단된다. 본 발명에 있어서, 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 하류측에 있어서 적어도 하나의 배럴 칩이 절단되기 때문에 강화 섬유의 절단을 감소시키는 효과가 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 실린더의 강화 섬유 투입구 근방의 구간은 수지 압력이 감소하는 기아 구간이다. 이렇게 해서, 강화 섬유가 실린더에 용이하게 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 압출기는 절단 유닛을 포함한다. 강화 섬유는 절단 유닛에 의해 소정의 길이로 절단되어 강화 섬유 투입구에 공급된다. 이는 강화 섬유의 섬유 길이가 적절한 범위 내에 있도록 보장한다.
도 1(a)~1(c)는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 성형 장치를 나타내고, 도 1(a)는 성형 장치의 부분 단면을 나타내는 정면도이고, 도 1(b) 및 1(c)는 도 1(a)의 X-X 및 Y-Y를 따라 취한 제 1 실시형태에 따른 성형 장치를 구성하는 2축 스크류 압출기의 단면도이다.
도 2(a) 및 2(b)는 2축 스크류 압출기에서 강화 섬유와 열가소성 수지가 혼련된 상태를 나타내고, 도 2(a)는 2축 스크류 압출기의 상류측의 단면도이고, 도 2(b)는 2축 스크류 압출기의 하류측의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 성형 장치의 부분 단면을 나타내는 정면도이다.
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 단축 스크류 압출기의 단면도이고, 도 4(a)는 압출기의 상류측의 단면도이다. 도 4(b)는 강화 섬유 투입구의 하류측의 단면도이다.
도 5(a)~5(c)는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 성형 장치를 나타내고, 도 5(a)는 성형 장치의 부분 단면을 나타내는 정면도이고, 도 5(b) 및 5(c)는 각각 도 5(a)에서 X-X 및 Y-Y를 따라 취한 제 3 실시형태에 따른 성형 장치를 구성하는 2축 스크류 압출기의 단면도이다.
도 6(a) 및 6(b)는 2축 스크류 압출기에서 강화 섬유와 열가소성 수지가 혼련된 상태를 나타내고, 도 6(a)는 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서 사용된 2축 스크류 압출기의 단면도이고, 도 6(b)는 관련 기술의 2축 스크류 압출기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 성형 장치에 의해 성형된 성형품에 포함된 탄소 섬유의 사진이다.
도 8은 관련 기술에 따른 성형 장치에 의해 성형된 성형품에 포함된 탄소 섬유의 사진이다.
본 발명의 일실시형태를 이하에 설명한다.
본 명세서에 있어서, "위" 및 "아래"는 중력 방향으로의 위쪽 및 아래쪽을 나타내고, "아래"는 중력 방향을 의미하고, "위"는 중력 방향과 반대 방향을 의미한다.
(제 1 실시형태)
도 1(a)에 나타내어진 제 1 실시형태에 따른 성형 장치(1A)는 열가소성 수지와 강화 섬유를 혼련함으로써 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위한 가소화 장치에 의해 구성된다. 즉, 제 1 실시형태에 따른 성형 장치(1A)는 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A); 2축 스크류 압출기(2A)로부터 압출된 덩어리 형상의 중간 성형품을 압축 성형함으로써 성형품을 얻기 위한 성형 다이(4); 성형 다이(4)를 체결하기 위한 형 체결 장치(5); 및 2축 스크류 압출기(2A)로부터 압출된 덩어리 형상의 중간 성형품을 성형 다이(4)로 이송하기 위한 로봇 암(7)을 포함한다.
관련 기술의 2축 스크류 압출기와 마찬가지로, 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A)는 또한 복수의 실린더 블록(9a, 9b, …)을 연결함으로써 형성된 실린더(9); 및 그 실린더(9)에 삽입된 2개의 스크류(11, 11)를 포함한다. 호퍼(12)는 실린더(9)의 상류측, 즉 실린더(9)의 후단부에 제공되어 열가소성 수지 펠릿을 공급한다. 또한, 강화 섬유가 실린더(9)에 공급되고, 열가소성 수지와 강화 섬유는 스크류(11, 11)에 의해 혼련되어 섬유 강화 열가소성 수지를 얻는다. 실린더(9)의 선단에는 섬유 강화 열가소성 수지가 압출된 소정의 다이(15)가 제공되어 있고, 압출된 섬유 강화 열가소성 수지를 소정의 크기로 절단하는 절단기(도시 생략)가 다이(15)에 연결되어 있다. 그 결과, 덩어리 형상의 중간 성형품이 얻어질 수 있다. 실린더(9)의 외주면에는 도 1(a)에 나타내어져 있지 않은 복수의 히터가 제공되어 실린더(9)를 가열한다.
본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A)는 2개의 강화 섬유 공급 개구가 그 사이에 축 방향으로 소정의 간격을 두고 제공되는 것을 특징으로 한다. 즉, 제 1 강화 섬유 투입구(13A) 및 제 2 강화 섬유 투입구(14A)가 제공된다. 본 실시형태에 있어서, 제 1 강화 섬유 투입구(13A)는 실린더(9)의 중심에 가까운 실린더 블록(9j)에 제공되고, 제 2 강화 섬유 투입구(14A)는 실린더(9)의 선단에 가까운 실린더 블록(9m)에 제공된다. 강화 섬유 롤(18, 19)은 제 1 및 제 2 강화 섬유 투입구(13A, 14A)에 연결되고, 로프형 강화 섬유 다발, 즉 로빙(강화 섬유(28, 29))이 강화 섬유 롤(18, 19)로부터 인출되어 제 1 및 제 2 강화 섬유 투입구(13A, 14A)에 공급된다.
본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A)는 또한 스크류(11, 11)가 삽입된 실린더(9)의 보어(17a, 17b)를 특징으로 한다. 보어(17a)는 제 2 강화 섬유 투입구(14A)의 상류측, 즉 도 1(a)의 참조 부호 R1로 표시된 구간에 있어서는 관련 기술의 2축 스크류 압출기의 보어와 동일한 형상으로 형성된다. 그러나, 보어(17b)는 제 2 강화 섬유 투입구(14A) 그 근방의 위치로부터 하류측, 즉 참조 부호 R2로 표시된 구간에 있어서는 관련 기술의 2축 스크류 압출기의 보어와는 상이한 형상으로 형성된다. 이 점에 대해 설명한다. 우선, 참조 부호 R1의 구간에 있어서, 도 1(b)에 나타내어진 바와 같이 보어(17a)는 크기가 같은 수평 배치된 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되는 단면 형상을 갖는다. 그 결과, 보어(17a)는 상측 및 하측의 2개소에서 각각 내향 돌출부, 즉 배럴 칩(21, 21)이 형성된다. 이러한 형상을 갖는 보어(17a)에 2개의 스크류(11, 11)가 삽입된다. 한편, 참조 부호 R2의 구간에 있어서, 도 1(c)에 나타내어진 바와 같이 보어(17b)는 상부 배럴 칩(21)이 절단된 형상을 갖고, 상부 배럴 칩(21)의 상부는 평면 형상을 갖는다. 부분적으로 중첩되는 2개의 원의 직경은 도 1(b)에 나타내어진 보어(17a)의 2개의 원보다 약간 더 크다. 따라서, 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스(24)는 상류측보다 더 크다.
본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A)는 또한 스크류(11, 11)의 플라이트 형상을 특징으로 한다. 우선, 제 1 강화 섬유 투입구(13A) 및 제 2 강화 섬유 투입구(14A) 근방에 있어서는 이들 구간의 수송력이 다른 구간에 비해 더 크도록 스크류(11, 11)에 플라이트가 형성된다. 수송력이 크기 때문에 제 1 및 제 2 강화 섬유 투입구(13A, 14A)에 근방에는 수지 압력이 감소된 기아 구간(25, 26)이 형성된다. 기아 구간(25, 26)에서의 플라이트의 형상은 예를 들면, 플라이트들 사이의 홈의 깊이가 깊어지거나 플라이트들의 폭이 좁아질 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 플라이트의 피치는 수송력을 향상시키기 위해 다른 부분들보다 더 크게 설정된다. 본 실시형태에 있어서, 스크류(11, 11)는 기아 구간(25, 26)에 있어서 이중 플라이트이다.
본 실시형태에 있어서, 스크류(11, 11)는 또한 제 1 강화 섬유 투입구(13A)와 제 2 강화 섬유 투입구(14A) 사이에 샌드위칭된 구간에 있어서 혼련 작용을 향상시키기는 혼련 구간(27)이 제공되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 실시형태에 있어서의 혼련 구간(27)에는 혼합 플라이트가 제공되지만, 예를 들면 혼련 플라이트도 제공될 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 성형 다이(4)는 압축 성형에 의해 성형품을 성형하기 위한 다이이다. 성형 다이(4)를 체결하기 위한 형 체결 장치(5)는 토글 메커니즘 또는 형 체결 실린더에 의해 형 체결을 수행한다.
본 실시형태에 따른 성형 장치(1A)에 의해 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고 성형품을 성형하는 성형 방법을 설명한다. 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A)에 있어서, 스크류(11, 11)를 회전시켜 호퍼(12)로부터 열가소성 수지 펠릿을 공급한다. 펠릿은 실린더(9)에서 용융되어 전방으로 보내어진다. 기아 구간(25)에서 용융 수지의 압력이 감소된다. 강화 섬유 롤(18)로부터 인출된 로빙, 즉 강화 섬유(28)는 제 1 강화 섬유 투입구(13A)를 통해 실린더(9)에 공급된다. 기아 구간(25)에 의해 수지 압력이 감소되기 때문에 강화 섬유의 공급을 용이하게 행할 수 있다. 강화 섬유(28)가 실린더(9)에 공급되고 스크류(11, 11)의 회전에 의해 혼련 될 때, 강화 섬유(28)의 일부는 도 2(a)에 나타내어진 바와 같이 2개의 스크류(11, 11) 주위에 감겨진다. 강화 섬유(28)는 배럴 칩(21, 21)에 의해 압박되어 강한 장력이 가해지고, 참조 부호 20, 30으로 표시된 바와 같이 실린더(9)의 보어(17a)와 스크류(11, 11) 사이에 마찰이 작용한다. 따라서, 이들 작용에 의해 강화 섬유(28)가 절단된다. 강화 섬유(28)는 또한 수지와의 혼련에 의해 발생된 전단력으로 인해 절단되고, 비교적 짧은 강화 섬유가 수지 중에 균일하게 분산된다.
섬유 강화 열가소성 수지는 혼련 구간(27)에 의해 더욱 강하게 혼련되고, 강화 섬유의 분산성이 더욱 향상된다. 섬유 강화 열가소성 수지가 기아 구간(26)으로 보내어지면, 수지 압력이 다시 감소된다. 강화 섬유 롤(19)로부터 인출된 로빙, 즉 강화 섬유(29)는 제 2 강화 섬유 투입구(14A)를 통해 실린더(9)에 공급된다. 참조 부호 R2로 표시된 구간에 있어서는 실린더(9)의 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스가 증가하고, 배럴 칩(21)은 하측에만 제공되어 있다. 도 2(b)에 나타내어진 바와 같이 제 2 강화 섬유 투입구(14A)로부터 공급된 강화 섬유(29)의 일부가 스크류(11, 11) 주위에 감겨 있지만, 강화 섬유(29)에 작용하는 장력이 작고, 보어(17b)와 스크류(11) 사이의 클리어런스가 크기 때문에 마찰이 거의 가해지지 않는다. 즉, 강화 섬유(29)는 절단되기 어렵다. 혼련에 의해 발생된 전단력에 의해 강화 섬유(29)가 절단되지만, 강화 섬유(29)는 너무 잘게 절단되지 않는다. 이렇게 해서, 섬유 강화 열가소성 수지에는 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 남게 된다. 즉, 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2A)에 의해 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지에 있어서, 비교적 짧은 강화 섬유가 균일하게 분산되어 있으과 동시에 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 포함되어 있다.
도 1(a)에 나타내어진 바와 같이, 소정량의 섬유 강화 열가소성 수지가 다이(15)로부터 압출되고, 소정의 절단기에 의해 절단된다. 이렇게 해서, 덩어리 형상의 중간 성형품이 얻어진다. 덩어리 형상의 중간 성형품은 로봇 암(7)에 의해 파지되고, 형(mold)이 개방된 성형 다이(4)의 캐비티로 반입된다. 형 체결 장치(5)를 구동하여 압축 성형을 수행한다. 냉각 및 고화 후에 형을 개방하면 성형품이 얻어진다.
(제 2 실시형태)
제 2 실시형태의 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법은 제 1 실시형태와 마찬가지로 강화 섬유가 가소화 장치에 공급될 때, 강화 섬유가 2개 이상의 상이한 개소로부터 공급되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 혼련 방법은 또한 가소화 장치의 역할을 하는 사출 성형기의 사출 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
도 3은 제 2 실시형태에 따른 성형 장치(1B), 즉 사출 성형기를 나타낸다. 사출 성형기의 사출 장치(2B), 즉 가소화 장치는 실린더(9) 및 그 실린더(9)에서 축 방향 및 회전 방향으로 구동되는 스크류(11)를 포함한다. 호퍼(12)는 실린더(9)의 후단부에 제공되고, 강화 섬유 투입구(13B)는 선단부 근방에 제공된다. 실린더(9)의 보어와 스크류(11) 사이의 클리어런스는 강화 섬유 투입구(13B) 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 커진다. 스크류(11)는 강화 섬유 투입구(13B) 근방의 위치로부터 하류측에 있어서 더 깊은 플라이트 홈을 포함하고, 따라서 수지 압력이 감소된 기아 구간이 형성된다. 사출 노즐(31)은 실린더(9)의 선단에 제공되고, 형 체결 장치(5)에 의해 형 체결된 성형 다이(4)의 스프루에 접해 있다. 제 2 실시형태에 따른 성형 장치(1B)에 있어서, 호퍼(12)는 열가소성 수지 펠릿을 공급할 뿐만 아니라 강화 섬유도 공급한다. 호퍼(12)에 대응하여 강화 섬유 공급 장치(6)가 제공되고, 강화 섬유 공급 장치(6)는 강화 섬유 롤(32) 및 절단 장치(36)를 포함한다. 강화 섬유 롤(32)로부터 인출된 로빙, 즉 강화 섬유(34)는 절단 장치(36)에 의해 절단되어 호퍼(12)로부터 실린더(9)에 공급된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 호퍼(12)에는 소정의 피더가 제공되고, 열가소성 수지 펠릿 및 강화 섬유가 일정 비율로 실린더(9)에 공급된다.
스크류(11)가 회전하면, 호퍼(12)로부터 공급된 펠릿 및 강화 섬유가 전방으로 보내어지고, 펠릿이 용융되고 강화 섬유와 함께 혼련됨과 동시에 강화 섬유가 전단력에 의해 절단된다. 즉, 비교적 짧은 강화 섬유가 균일하게 분산된 섬유 강화 열가소성 수지가 얻어진다. 이러한 섬유 강화 열가소성 수지는 스크류(11)에 의해 기아 구간으로 보내어져 수지 압력이 감소한다. 강화 섬유 롤(33)로부터 인출된 로빙, 즉 강화 섬유(35)는 강화 섬유 투입구(13B)를 통해 실린더(9)에 공급된다. 여기에서 공급된 강화 섬유는 또한 혼련의 전단력에 의해 어느 정도 절단되지만, 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 남게 된다. 즉, 비교적 짧은 강화 섬유가 균일하게 분산되어 있음과 동시에 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 포함된 섬유 강화 열가소성 수지가 칭량된다. 성형 다이(4)는 형 체결 장치(5)에 의해 형 체결되고, 스크류(11)를 구동하여 섬유 강화 열가소성 수지를 사출한다. 냉각 및 고화 후에 형을 개방하면 성형품이 얻어진다.
제 1 실시형태에 따른 성형 장치(1A) 및 제 2 실시형태에 따른 성형 장치(1B)는 다양한 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 설명에 있어서 강화 섬유 투입구의 수는 2개이지만, 3개 이상의 투입구가 제공될 수 있다. 강화 섬유는 로빙으로서 직접 공급되거나, 절단 후에 공급될 수 있다. 또한, 호퍼(12)로부터 공급된 펠릿으로서 강화 섬유를 포함하는 펠릿을 채용하는 것도 고려될 수 있다. 이 경우, 강화 섬유가 실린더(9) 내의 다른 개소로부터 추가 공급된다면, 강화 섬유는 실질적으로 2개소로부터 공급된다. 즉, 강화 섬유는 실린더(9) 내의 2개의 상이한 개소로부터 공급된다. 이렇게 해서, 비교적 짧은 강화 섬유가 균일하게 분산되어 있음과 동시에 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 포함된 섬유 강화 열가소성 수지가 얻어진다. 즉, 본 발명에 따른 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법이 수행될 수 있다.
제 1 실시형태에 따른 성형 장치(1A) 및 제 2 실시형태에 따른 성형 장치(1B)에 있어서, 2축 스크류 압출기(2A) 및 사출 장치(2B)의 보어도 변형될 수 있다. 예를 들면 제 1 실시형태에 있어서, 2축 스크류 압출기(2A)의 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스는 제 2 강화 섬유 투입구(14A) 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 크고, 제 2 강화 섬유 투입구(14A) 근방에 있어서는 상부 및 하부 배럴 칩(21, 21) 중 적어도 하나가 하류측으로부터 제거된다고 설명되어 있다. 그러나, 보어(17a, 17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스는 일정할 수 있고, 배럴 칩(21, 21)은 제거되지 않을 수 있다. 이 경우, 제 2 강화 섬유 투입구(14A)로부터 도입된 강화 섬유가 용이하게 절단되지만, 제 1 강화 섬유 투입구(13A)로부터 공급된 강화 섬유에 비해 혼련 시간이 짧아서 적절한 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 남게 된다. 대안적으로, 변형은 이러한 변형과 반대되는 방식으로도 이루어질 수 있다. 즉, 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스는 제 2 강화 섬유 투입구(14A) 근방의 위치로부터 하류측에 있어서 더 클 수 있고, 상부 및 하부 배럴 칩(21, 21) 모두가 제거될 수 있다. 이 경우, 제 2 강화 섬유 투입구(14A)로부터 공급된 강화 섬유의 절단이 더욱 감소된다. 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서, 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 하류측에서 증가된 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스는 소정의 하류 위치로부터 감소될 수도 있다. 이 경우, 강화 섬유는 실린더의 선단부에 접근함에 따라 용이하게 절단되지만, 섬유 강화 열가소성 수지 중에 분산된 비교적 짧은 강화 섬유의 분산성이 향상되고, 후단에 도입된 강화 섬유는 적절한 섬유 길이를 갖도록 용이하게 조정될 수 있다.
제 1 및 제 2 실시형태에 따른 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법에 있어서, 단축 스크류 압출기가 가소화 장치로서 사용될 수도 있다. 상기 방법이 단축 스크류 압출기에 의해 수행되는 경우이어도 강화 섬유는 실린더 내의 2개 이상의 상이한 개소로부터 공급될 수 있다. 강화 섬유가 실린더 내의 2개소로부터 공급되는 경우, 최하류 공급 개소에 대해 상류측에 있어서는 도 4(a)에 나타내어진 바와 같이 실린더(40)의 보어(41)와 스크류(42) 사이의 클리어런스가 작아지는 것이 바람직하고, 하류측에 있어서는 도 4(b)에 나타내어진 바와 같이 실린더(40)의 보어(41)와 스크류(42) 사이의 클리어런스가 커진다. 이렇게 해서, 압출기의 상류측에서 공급된 강화 섬유는 수지와의 혼련에 의해 절단되어 섬유 강화 열가소성 수지 중에 균일하게 분산되고, 하류측에서 공급된 강화 섬유는 절단되기 어려워 적절한 길이를 갖는 강화 섬유가 충분히 남게 된다.
(제 3 실시형태)
도 5(a)에 나타내어진 바와 같이 제 3 실시형태에 따른 성형 장치(1C)는 열가소성 수지를 가소화하고, 강화 섬유와 혼련함으로써 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 그것을 덩어리 형상의 성형품으로서 압출하도록 구성된 본 발명에 따른 2축 스크류 압출기(2C); 상기 2축 스크류 압출기(2C)에 강화 섬유를 공급하기 위한 강화 섬유 공급 장치(3); 상기 덩어리 형상의 성형품을 압축 성형하여 성형체를 얻기 위한 성형 다이(4); 상기 성형 다이(4)를 체결하기 위한 형 체결 장치(5); 및 상기 2축 스크류 압출기(2C)로부터 압출된 덩어리 형상의 성형품을 성형 다이(4)로 이송하기 위한 로봇 암(7)을 포함한다.
관련 기술의 2축 스크류 압출기와 마찬가지로, 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)는 또한 복수의 실린더 블록(9a, 9b, …)을 연결함으로써 형성된 실린더(9); 및 그 실린더(9)에 삽입된 2개의 스크류(11, 11)를 포함한다. 열가소성 수지를 공급하기 위한 호퍼(12)는 상류측, 즉 실린더(9)의 후단부에 제공되고, 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구(13C)는 실린더(9)의 하류측에 제공된다. 관련 기술의 섬유 강화 열가소성 수지를 혼련하기 위한 2축 스크류 압출기에 있어서는 강화 섬유 투입구가 실린더의 소정의 위치에 제공되는 반면, 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)에 있어서는 강화 섬유 투입구(13C)가 가급적 실린더의 선단에 가깝게 제공되므로 강화 섬유가 혼련에 의해 절단되는 구간이 짧아진다. 실린더(9)의 선단에는 소정의 다이(15)가 제공되고, 2축 스크류 압출기(2C)에 의해 섬유 강화 열가소성 수지가 압출된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 다이(15)와 관련하여 소정의 절단기가 제공되고, 소정량의 섬유 강화 열가소성 수지가 압출되면, 섬유 강화 열가소성 수지가 절단되어 덩어리 형상의 중간 성형품이 얻어진다. 실린더(9)의 외주면에는 도 5(a)에 나타내어져 있지 않은 복수의 히터가 제공되어 실린더(9)를 가열한다.
본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)는 스크류(11, 11)가 삽입되는 실린더(9)의 보어(17a, 17b)를 특징으로 한다. 보어(17a)는 강화 섬유 투입구(13C)의 상류측, 즉 도 5(a)에서 참조 부호 R3으로 표시된 구간에 있어서는 관련 기술의 2축 스크류 압출기의 보어와 동일한 형상으로 형성된다. 그러나, 보어(17b)는 강화 섬유 투입구(13C) 근방의 위치로부터 하류측, 즉 참조 부호 R4로 표시된 구간에 있어서는 관련 기술의 2축 스크류 압출기의 보어와는 상이한 형상으로 형성된다. 우선, 참조 부호 R3의 구간에 있어서 도 5(b)에 나타내어진 바와 같이 보어(17a)는 크기가 같은 수평 배열된 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되는 형상을 갖는다. 그 결과, 보어(17a)는 그것의 상측 및 하측의 2개소에서 각각 내향 돌출부, 즉 배럴 칩(21, 21)이 형성된다. 이러한 형상을 갖는 보어(17a)에는 2개의 스크류(11, 11)가 삽입되어 있다. 한편, 참조 부호 R4의 구간에 있어서 도 5(c)에 나타내어진 바와 같이 보어(17b)는 상부 배럴 칩(21)이 절단된 형상을 갖고, 보어(17b)의 상부면은 참조 번호 22로 표시되는 평면 형상을 갖는다. 부분적으로 중첩된 2개의 원의 직경은 도 5(b)에 나타내어진 보어(17a)의 2개의 원보다 약간 더 크다. 따라서, 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 참조 번호 23으로 표시된 클리어런스는 상류측보다 더 크다.
본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)는 또한 스크류(11, 11)를 특징으로 한다. 즉, 강화 섬유 투입구(13C) 근방에 있어서는 이들 구간의 수송력이 다른 구간에 비해 더 크도록 스크류(11, 11)에 플라이트가 형성되어 있다. 그 결과, 수지 압력이 감소된 기아 구간(26)이 형성된다. 수송력을 향상시키는 플라이트의 형상에 대해서는 예를 들면, 플라이트들 사이의 홈의 깊이가 깊어지거나, 플라이트의 폭이 좁아질 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 플라이트의 피치는 수송력을 향상시키기 위해 다른 부분들보다 더 크게 설정된다. 본 실시형태에 있어서, 스크류(11, 11)는 기아 구간(26)에 있어서 이중 플라이트이다.
강화 섬유 공급 장치(3)는 로프형 강화 섬유 다발, 즉 로빙(강화 섬유)이 롤 형상으로 감긴 강화 섬유 롤(37)을 포함한다. 도 5(a)~5(c)에는 도시되어 있지 않지만 로빙, 즉 강화 섬유(38)는 소정의 인출 메커니즘에 의해 강화 섬유 롤(37)로부터 인출되어 강화 섬유 투입구(13C)에 공급된다. 본 실시형태에서는 강화 섬유가 로빙 상태로 직접 공급되지만, 소정의 방법에 의해 미리 로빙을 펼쳐 느슨하게 할 수 있고, 즉 강화 섬유를 개섬하여 공급할 수 있다. 또한, 강화 섬유는 소정의 길이로 절단되어 공급될 수도 있다. 강화 섬유를 일정량씩 공급하기 위해 사이드 피더 등이 제공될 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 성형 다이(4)는 압축 성형에 의해 성형품을 성형하기 위한 다이이다. 성형 다이(4)를 체결하기 위한 형 체결 장치(5)는 토글 메커니즘 또는 형 체결 실린더에 의해 형 체결을 수행한다.
본 실시형태에 따른 성형 장치(1C)에 의해 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고 성형품을 성형하는 성형 방법을 설명한다. 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)에 있어서는 스크류(11, 11)를 회전시켜 호퍼(12)로부터 열가소성 수지 펠릿을 공급한다. 펠릿은 실린더(9)에서 용융되어 전방으로 보내어진다. 구체적으로, 펠릿은 도 5(a)에서 참조 부호 R3으로 표시된 구간, 즉 용융 구간 R3에서 용융된다. 기아 구간(26)에서 용융 수지의 압력이 감소된다. 수지 압력이 감소되기 때문에 강화 섬유는 강화 섬유 투입구(13C)로부터 용이하게 공급될 수 있다. 참조 부호 R4로 표시되는 구간, 즉 수지와 강화 섬유의 혼련 구간 R4에서 용융 수지와 강화 섬유가 혼련된다. 강화 섬유는 혼련의 전단력 등에 의해 절단되지만, 이 구간에서 실린더(9)의 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스가 커지고, 배럴 칩(21)이 하측에만 제공되어 있기 때문에 강화 섬유는 너무 잘게 절단되지 않는다.
본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)에 있어서 강화 섬유가 절단되기 어려운 이유를 도 6(a) 및 6(b)를 참조하여 설명한다. 도 6(a)에 도시된 예에 있어서, 비교적 긴 강화 섬유(38)가 2개의 스크류(11, 11) 주위에 감겨진다. 이렇게 해서, 강화 섬유(38)는 보어(17b)와 접촉하지 않는다. 따라서, 보어(17b)와의 관계로 인해 강화 섬유(38)가 절단되지 않는다. 즉, 수지와 강화 섬유의 혼련 구간 R4에 있어서는 강화 섬유의 절단이 어느 정도 감소된다. 비교로서, 관련 기술의 2축 스크류 압출기에서 강화 섬유가 혼련된 상태가 도 6(b)에 나타내어진다. 실린더(50)에는 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되어 있는 보어(51)가 형성되어 있고, 그 안에 2개의 스크류(53, 53)가 삽입되어 있다. 보어(51)와 스크류(53, 53) 사이의 클리어런스는 작고, 배럴 칩(54, 54)은 상하 방향에 형성된다. 도면에는 2개의 스크류(53, 53) 주위에 비교적 긴 강화 섬유(55)가 감겨진 상태로 도시되어 있지만, 강화 섬유(55)는 배럴 칩(54, 54)의 선단에서 장력이 가해지고, 참조 부호 57, 58로 표시된 부분에 있어서는 보어(51)와의 마찰이 발생한다. 따라서, 이들 부분에서 강화 섬유(55)가 절단된다. 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)에서는 이들 부분에서 절단이 발생하지 않는다. 강화 섬유가 절단되어도 대부분의 강화 섬유는 적절한 섬유 길이를 갖는다. 따라서, 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)에 의해 섬유 강화 열가소성 수지가 얻어지는 경우에는 적절한 길이를 갖는 강화 섬유가 수지 중에 분산된다.
이어서, 성형 방법을 설명한다. 도 5(a)에 나타내어진 바와 같이 소 정량의 섬유 강화 열가소성 수지가 다이(15)로부터 압출되어 소정의 절단기에 의해 절단된다. 이렇게 해서, 덩어리 형상의 중간 성형품이 얻어진다. 덩어리 형상의 중간 성형품은 로봇 암(7)에 의해 파지되고, 형이 개방된 성형 다이(4)의 캐비티로 반입된다. 형 체결 장치(5)를 구동하여 압축 성형을 수행한다. 냉각 및 고화 후에 형을 개방하면 성형품이 얻어진다.
본 실시형태에 따른 성형 장치(1C)는 다양한 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들면, 2축 압출기(2C)의 보어(17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스는 강화 섬유 투입구(13C) 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측이 더 크고, 강화 섬유 투입구(13C) 근방에 있어서는 상부 및 하부 배럴 칩(21, 21) 중 적어도 하나가 하류측으로부터 제거된다. 그러나, 보어(17a, 17b)와 스크류(11, 11) 사이의 클리어런스는 일정할 수 있다. 즉, 강화 섬유 투입구(13C) 부근으로부터 하류측에 있어서는 상부 및 하부 배럴 칩(21, 21) 중 하나가 제거되는 것만으로도 강화 섬유의 절단을 어느 정도 감소시킬 수 있다.
본 실시형태는 또한 다른 변형을 가질 수 있고, 2축 스크류 압출기(2)는 단일 스크류를 포함하는 단축 스크류 압출기로 대체될 수 있다. 즉, 도 4(a) 및 4(b)에 나타내어진 바와 같은 구성을 갖는 압출기이다. 실린더(40)의 보어(41)와 스크류(42) 사이의 클리어런스는 도 4(a)에 나타내어진 바와 같이 압출기의 강화 섬유 투입구의 상류 구간, 즉 용융 구간에서 감소하지만, 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 하류측, 즉 수지와 강화 섬유의 혼련 구간에 있어서는 도 4(b)에 나타내어진 바와 같이 보어(41)의 직경은 약간 커지고 보어(41)와 스크류(42) 사이의 클리어런스가 커진다. 그 결과, 수지와 강화 섬유가 혼련될 때, 강화 섬유가 과도하게 절단되지 않는다. 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C) 및 다른 실시형태에 따른 단축 스크류 압출기에 있어서 스크류(11, 42)와 보어(17b, 41) 사이의 클리어런스를 크게 하기 위해서 보어(17b, 41)의 직경을 크게 한다고 설명되어 있지만, 클리어런스는 스크류(11, 42)의 직경을 작게 함으로써도 커질 수 있다. 강화 섬유 투입구(13C) 근방의 위치로부터 하류측에 있어서는 증가된 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스가 소정의 하류 위치로부터 작아질 수 있다. 이는 강화 섬유의 섬유 길이를 적절한 길이로 용이하게 조정할 수 있게 한다.
2축 스크류 압출기(2C)로부터 덩어리 형상의 중간 성형품을 압출하고, 압축 성형을 수행함으로써 성형품을 성형하는 것이 본 실시형태에 있어서 설명되었지만, 그것을 형 체결된 성형 다이로 사출하는 성형 방법에 의해서도 상기 성형품을 성형할 수 있다. 예를 들면, 2축 스크류 압출기 또는 단축 스크류 압출기 및 플런저형 사출 장치는 소정의 유로 스위칭 밸브에 의해 결합되어 연결된다. 2축 스크류 압출기 또는 단축 스크류 압출기에 의해 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 압출하여 플런저형 사출 장치에서 칭량한다. 성형 다이가 체결되고, 유로 스위칭 밸브가 스위칭되어 플런저형 사출 장치로부터 다이로 섬유 강화 열가소성 수지를 사출한다. 냉각 및 고화 후에 형을 개방하면 성형품이 얻어진다.
상술한 제 1~제 3 실시형태에 있어서 사용된 강화 섬유는 또한 변형될 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유, 유리 섬유, 세라믹 섬유 등이 사용될 수 있다.
실시예
상술한 제 3 실시형태에 있어서, 수지 중의 강화 섬유가 지나치게 짧지 않고 적절한 길이를 갖는지 확인하기 위해 실험을 실시했다.
<실험 방법>
성형품 A는 도 5(a)에 나타내어진 바와 같은 구성을 갖는 2축 스크류 압출기(2C)를 포함하는 성형 장치(1C)를 사용하여 얻어졌다. 열가소성 수지로서 나일론 6을 채용하고, 강화 섬유로서 탄소 섬유를 채용하고, 강화 섬유는 수지에 대하여 30%의 체적비로 설정했다. 성형품 A는 300mm×300mm×3mm의 평판이었다. 한편, 동일한 재료를 사용하고, 관련 기술의 2축 스크류 압출기를 사용함으로써 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 압출하고, 압축 성형하여 성형품 A와 동일한 형상을 갖는 성형품 B를 얻었다. 즉, 수지와 강화 섬유를 도 6(b)에 나타내어진 바와 같이 2축 스크류 압출기에 의해 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지 및 성형품 B를 얻었다.
성형품 A 및 성형품 B를 각각 전기로에 넣고 450℃에서 소정의 시간 동안 연소시키고, 나일론 6을 증발시켜 탄소 섬유만을 잔류시켰다. 성형품 A에 포함된 탄소 섬유의 사진이 도 7에 나타내어지고, 성형품 B에 포함된 탄소 섬유의 사진이도 8에 나타내어진다. 성형품 A, B의 탄소 섬유로부터 길이 0.2mm 이상의 탄소 섬유를 픽업하고, 평균 섬유 길이를 계산했다. 성형품 A의 탄소 섬유는 12mm의 평균 섬유 길이를 갖는 반면, 성형품 B의 탄소 섬유는 5mm의 평균 섬유 길이를 가졌다.
<고찰>
도 7 및 도 8로부터, 성형품 A에 포함 된 탄소 섬유는 성형품 B보다 섬유 길이가 더 긴 탄소 섬유가 많이 포함되어 있음을 알 수 있다. 탄소 섬유의 평균 섬유 길이는 또한 성형품 B보다 2.4배 긴 것을 알 수 있었다. 본 실시형태에 따른 2축 스크류 압출기(2C)에 의해 수지와 강화 섬유를 혼련하면, 강화 섬유의 절단을 어느 정도 저감할 수 있고, 성형품의 강도를 향상시키는데 효과적인 소정의 섬유 길이를 갖는 강화 섬유가 많이 있다는 것이 확인되었다.
본 발명은 특정 실시형태를 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나는 일 없이 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 본 출원은 2017년 9월 26일에 출원된 일본특허출원 제2017-184641호 및 2017년 10월 6일에 출원된 일본특허출원 제2017-195576호를 기초로 하며, 그 내용은 본원에 참조로 포함된다.
1A 성형 장치 1B 성형 장치(사출 성형기)
1C 성형 장치 2A 2축 스크류 압출기
2B 사출 장치 2C 2축 스크류 압출기
3 강화 섬유 공급 장치 4 성형 다이
5 형 체결 장치 6 강화 섬유 공급 장치
7 로봇 암 9 실린더
11 스크류 12 호퍼
13A 제 1 강화 섬유 투입구 13B 강화 섬유 투입구
13C 강화 섬유 투입구 14A 제 2 강화 섬유 투입구
15 다이 17a, 17b 보어
18, 19 강화 섬유 롤 21 배럴 칩
24 클리어런스 25, 26 기아 구간
27 혼련 구간 28, 29 강화 섬유
31 사출 노즐 32, 33 강화 섬유 롤
34, 35 강화 섬유 36 절단 장치
37 강화 섬유 롤 38 강화 섬유
40 실린더 41 보어
42 스크류 50 실린더
51 보어 53 스크류
54 배럴 칩 55 강화 섬유

Claims (14)

  1. 가소화 장치를 사용하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻기 위한 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법으로서,
    상기 가소화 장치는 실린더 및 그 실린더에 삽입된 스크류를 포함하고,
    상기 방법은 열가소성 수지와 강화 섬유를 상기 실린더에 공급하고 스크류를 회전시키는 단계를 포함하고,
    상기 강화 섬유가 상기 실린더에 공급될 때, 상기 실린더 내의 복수의 상이한 개소로부터 상기 강화 섬유가 공급되고,
    상기 복수의 상이한 개소 중 적어도 1개소에서의 상기 스크류의 플라이트는, 상기 실린더 내에서 상기 열가소성 수지의 압력이 감소되도록, 상기 복수의 상이한 개소 이외의 일부 개소에서의 상기 스크류의 플라이트와는 다르며,
    상기 가소화 장치는, 상기 실린더의 보어와 상기 스크류 사이의 클리어런스가 소정의 실린더 위치로부터 상류측보다 하류측에서 더 커지도록 구성된, 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 상이한 개소 중 적어도 1개소는 상기 소정의 실린더 위치의 하류에 위치되고,
    상기 강화 섬유는 상기 소정의 실린더 위치의 하류의 상기 복수의 상이한 개소 중 적어도 1개소로부터 상기 실린더에 공급되는, 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강화 섬유가 상기 실린더에 공급되는 상기 복수의 상이한 개소 중 소정의 1개소로부터 다른 개소까지의 구간에 있어서, 전단력은 상기 스크류의 형상에 의해 다른 구간보다 더 크게 설정되는 섬유 강화 열가소성 수지 혼련 방법.
  4. 실린더; 및 그 실린더 내에서 회전가능한 스크류를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치로서,
    열가소성 수지가 상기 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고, 상기 열가소성 수지와 강화 섬유를 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고,
    상기 실린더는 상기 강화 섬유가 투입되는 강화 섬유 투입구를, 상기 실린더 내의 복수의 개소에서 포함하고, 병행하여 상기 복수의 개소로부터 상기 강화 섬유가 투입되고,
    상기 복수의 개소 중 적어도 1개소에서의 상기 스크류의 플라이트는, 상기 복수의 개소 이외의 개소에서의 상기 스크류의 플라이트와는 다르며,
    상기 실린더의 보어와 상기 스크류 사이의 클리어런스는 상기 강화 섬유 투입구의 상기 복수의 개소 중 소정의 개소로부터 상류측보다 하류측에서 더 커지는, 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 가소화 장치는 2개의 스크류를 갖는 2축 스크류 압출기를 포함하고,
    상기 실린더의 보어는 크기가 같은 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되는 단면 형상을 가짐으로써 상기 보어의 2개소에서 내향 배럴 칩을 형성하고,
    상기 강화 섬유 투입구의 상기 복수의 개소 중 소정의 1개소로부터 하류측에 있어서, 상기 보어는 상기 배럴 칩 중 적어도 하나가 절단된 형상을 갖는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
  7. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    소정의 1개소에 위치된 상기 강화 섬유 투입구와 다른 1개소에 위치된 상기 강화 섬유 투입구 사이의 구간에 있어서는 다른 구간에 비해 혼련 시의 전단력이 큰 플라이트가 상기 스크류에 형성되는 섬유 강화 열가소성 수지 가소화 장치.
  8. 실린더; 및 그 실린더 내에서 회전가능한 스크류를 포함하는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기로서,
    열가소성 수지가 상기 실린더에 공급되고 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고, 상기 열가소성 수지와 상기 강화 섬유를 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지는 압출기에 의해 압출되고,
    상기 실린더는 상기 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구를, 상기 실린더 내의 소정의 위치에서 포함하고,
    상기 실린더의 보어와 스크류 사이의 클리어런스는 상기 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측에서 더 커지는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
  9. 크기가 같은 2개의 원이 서로 부분적으로 중첩되는 단면 형상을 가짐으로써 2개소에서 내향 배럴 칩을 형성하는 보어를 갖는 실린더; 및
    상기 보어에 회전가능하게 삽입되는 2개의 스크류를 포함하는 2축 스크류 압출기인 섬유 강화 열가소성 수지 압출기로서,
    열가소성 수지가 상기 실린더에 공급되어 용융됨과 동시에 강화 섬유가 공급되고, 상기 열가소성 수지와 상기 강화 섬유를 혼련하여 섬유 강화 열가소성 수지를 얻고, 상기 얻어진 섬유 강화 열가소성 수지는 상기 압출기에 의해 압출되고,
    상기 실린더는 상기 강화 섬유가 공급되는 강화 섬유 투입구를, 상기 실린더 내의 소정의 위치에서 포함하고,
    상기 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 하류측에 있어서, 상기 보어는 상기 배럴 칩 중 적어도 하나가 절단되는 형상을 갖는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 실린더의 보어와 상기 스크류 사이의 클리어런스는 상기 강화 섬유 투입구 근방의 위치로부터 상류측보다 하류측에서 더 커지는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 실린더의 상기 강화 섬유 투입구 근방의 구간은 수지 압력이 감소하는 기아 구간인 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 압출기는 절단 수단을 포함하고,
    상기 강화 섬유는 상기 절단 수단에 의해 소정의 길이로 절단되어 상기 강화 섬유 투입구에 공급되는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 실린더의 상기 강화 섬유 투입구 근방의 구간은 수지 압력이 감소하는 기아 구간인 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
  14. 제 9 항, 제 10 항 또는 제 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압출기는 절단 수단을 포함하고,
    상기 강화 섬유는 상기 절단 수단에 의해 소정의 길이로 절단되어 상기 강화 섬유 투입구에 공급되는 섬유 강화 열가소성 수지 압출기.
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