KR102345361B1 - 쵸프드피버 및 직물소재 적층 헤드장치 - Google Patents

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조형찬
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재단법인 한국섬유기계융합연구원
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Abstract

본 발명은 쵸프드 피버 및 직물 소재 적층 헤드장치에 관한 것으로, 레저용 선박, 선체는 물론, 다양한 산업용 제품에 활용할 수 있으며, 연속섬유를 회전식 칼날을 이용하여 잘게 자른 쵸프드피버와 수지를 몰드면에 동시에 스프레이하고 압착롤러를 몰드면에 가압하여 소재를 적층하는 기능과, 섬유직물을 몰드면에 적층함과 동시에 수지를 스프레이하여 압착롤러로 소재를 적층하는 기능을 겸용으로 활용가능하도록 한 것이다.
본 발명은 선체 자동화 제조 장비의 암에 착탈 고정되는 적층 헤드 장치에 있어서, 상기 적층 헤드 장치가, 섬유설치대(2)에 회전가능하게 설치된 섬유직물소재(1)의 하부에 섬유공급모터(3)가 구비되고, 상기 섬유공급모터(3)의 일측에는 모터 구동에 의해 섬유공급롤러(4)가 동작하도록 구비되며, 상기 섬유공급모터(3)와 섬유공급롤러(4)사이에 섬유가이드롤러(6)가 구비되고, 상기 섬유공급롤러(4)의 전단 하부에 커팅모듈(7)이 설치되어 섬유직물을 잘게 절단하며, 상기 커팅모듈(7)의 전단 하부에 압착롤러(8)가 설치되어 쵸프드피버를 몰드에 압착하며, 상기 압착롤러(8)의 좌우측에는 공압실린더(9)가 설치되어 압착롤러(8)를 구동시키고, 상기 압착롤러(8)의 상단에 소재이송가이드(10)가 설치되어 쵸프드피버를 일정방향으로 가이드하며, 상기 소재이송가이드(10)의 상단에는 수지를 분사하는 수지분사노즐(11)을 포함하여 구성된 것으로, 쵸프드피버와 수지를 동시에 몰드면에 가압하도록 이루어진 것이다.

Description

쵸프드피버 및 직물소재 적층 헤드장치 {A chopped fiber and fabric material laminated head device}
본 발명은 쵸프드피버 및 직물소재 적층 헤드장치에 관한 것으로, 특히 로봇 또는 캔트리 등에 장착되어 자동차, 선박과 선체는 물론, 다양한 산업용 제품에 적용하며, 섬유직물소재를 회전식 칼날을 이용하여 잘게 자른 쵸프드피버(chopped fiber)와 수지를 몰드면에 동시에 스프레이하고 압착롤러로 가압하여 소재를 몰드면에 적층함과 함께, 드라이상태의 섬유직물을 몰드면에 적층하면서 수지 분사 노즐로 수지를 스프레이하고 압착롤러로 소재를 적층하도록 한 것이다.
일반적으로 프리폼이란 복합 재료 부품 제조공정에서의 제품의 구조 특성상 또는 요구 기능이 이상적으로 발휘될 수 있도록 최종 제품 형상으로 제작된 섬유 집합체를 말한다.
이러한 복합 재료의 자동화 제조 기술은 관련 장비 개발과 함께 발전되어 왔으며, 대표적인 자동화 공정은 ATL(Automated Tape Laying), AFP(Automated Fiber Placement), 필라멘트와인딩, 브레이딩 공법이 있고 주로 우주/항공 분야에서 기술개발이 시작되어 현재는 자동차 부품 제조에 적용되고 있다.
이러한 복합재료는 몰드에 고강도 섬유재료를 다수회 적층한 프리폼을 구성하고, 그 프리폼을 열성형하여 제조하는데 프리폼은 몰드에 원사, 띠 또는 시트 형태의 고강도 섬유재료 또는 고강도 섬유재료에 수지를 적층하거나 와인딩 등의 방법으로 구성하고 프리폼을 가열 및 가압하여 몰드의 형태를 가지는 복합재료로 제조한다.
종래에는 예를 들어, 레저용 선박에 수지 등을 적층하고자 할 때, 먼저 이형제를 도포하고, 겔코트 혼합과 도포를 한 후 섬유매트를 커팅하고 수지(수지+경화제+촉진제)를 혼합하여 유리 섬유를 적층하고 소재를 압착하여 마감도장을 함으로써 일련의 레저용 선박의 표면 수지 도작 작업을 완성하였다.
그러나 종래에는 상술한 바와 같이, 작업 공정이 복잡하여 작업시간이 많이 걸리고 인건비가 증가함은 물론, 복잡한 형상 및 다품종 생산이 불가능함과 함께 도장 색상 선택의 자유도가 제한되는 결점이 있었다.
특허공개번호 제10-2001-0092456호 특허출원번호 제10-2015-188289호
본 발명은 이와 같은 종래의 결점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 레저용 선박 등에 탄소섬유 및 유리섬유의 강화제와 에폭시 수지의 기지재를 적층시 다축 로봇을 활용하여 자동 적층 모듈을 통해 수지, 경화제, 단섬유를 자동분사하여 몰드에 적층하고 압착 및 가열함으로써 프리폼을 제조함에 있어서, 연속되는 섬유직물소재를 회전식 칼날을 이용하여 잘게 자른 쵸프드피버와 수지를 몰드면에 동시에 스프레이하고 압착롤러로 가압하여 소재를 몰드면에 적층하는 기능과, 섬유직물을 몰드면에 적층하면서 수지를 스프레이하여 압착롤러로 소재를 몰드면에 적층하는 기능을 겸용으로 활용가능하도록 한 쵸프드피버 및 직물소재 적층 헤드장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 직물소재적층 헤드장치는, 로봇 또는 캔트리 등에 장착되어 자동차, 선박 부품 등 다양한 복합재 구조물 제조시 기존과 같이 수작업으로 적층을 하지 않고 자동으로 소재적층작업을 하는 쵸프드피버 및 직물소재 적층 헤드장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 짧은 길이의 쵸퍼 피버와 수지를 동시에 스프레이하는 스프레이-업 방식의 직물소재와 수지를 적층 및 섬유직물소재에 함침시켜 몰드면에 적층하여 국부적인 기계적 강도보강이 필요한 부분에 직물소재가 적층되도록 제조하는 쵸프드피버 및 직물소재 적층 헤드장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상단에 회전가능하게 설치된 섬유직물소재, 상기 섬유직물소재를 회전가능하도록 일정 각도로 설치된 섬유설치대, 상기 섬유설치대의 하부에 설치되어 섬유직물소재로부터의 섬유직물을 공급하기 위한 섬유공급모터, 상기 섬유공급모터의 일측에 설치되어 섬유공급모터의 구동에 따라 동작하는 섬유공급롤러, 상기 섬유공급모터의 상단에 설치되어 각부를 제어하기 위한 컨트롤박스, 상기 섬유공급모터와 섬유공급롤러사이에 설치된 섬유가이드롤러, 상기 섬유공급롤러의 전단 하부에 설치되어 공급되는 섬유직물소재를 잘게 절단하여 쵸프드피버를 만드는 커팅모듈, 상기 커팅모듈의 전단 하부에 설치되어 쵸프드피버를 몰드에 압착하기 위한 압착롤러, 상기 압착롤러를 구동시키기 위한 압착롤러용 공압실린더, 상기 압착롤러의 상단에 설치되어 섬유직물을 일정 방향으로 가이드하는 소재이송가이드, 상기 소재이송가이드의 상단에 고정되어 수지를 몰드에 분사하기 위한 수지분사기를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.
상기 커팅모듈은, 원형 칼날로 이루어져 있으며, 스프링에 의해 칼날이 항상 눌려 힘을 받도록 구성함을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명은, 로봇 또는 캔트리 등에 장착하여 도장하고자 하는 몰드에 쵸프드피버와 수지분사노즐을 통해 쵸프드피버와 수지를 스프레이하고 압착롤러로 가압하는 기능과, 섬유직물을 몰드면에 적층하면서 수지를 스프레이하여 압착롤러로 몰드면에 압착하는 기능을 겸용으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 자동차와 선체 및 선박은 물론 기타 다양한 산업장비 등의 도장면의 품질을 향상시킬 수 있으며, 인건비, 작업시간, 소재의 낭비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 쵸프드피버 및 직물 소재 적층 헤드장치의 전체 사시도
도 2는 본 발명 쵸프드피버 및 직물 소재 적층 헤드장치의 자동 적층 헤드의 구성을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 직물 소재 컷팅 모듈의 상세한 도면
도 4는 본 발명의 섬유직물과 수지분사노즐을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 섬유직물의 이송경로를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 쵸프드피버 및 직물 소재 적층 헤드장치의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명 쵸프드피버 및 직물 소재 적층 헤드장치의 자동 적층 헤드의 구성을 나타내며, 도 3은 본 발명의 직물 소재 컷팅 모듈을 나타내고, 도 4는 본 발명의 섬유직물과 수지분사노즐을 나타내며, 도 5는 본 발명의 섬유직물의 이송경로를 나타낸 것으로, 상단에 회전가능하게 설치된 섬유직물소재(1)와, 상기 섬유직물소재(1)를 회전가능하게 유지해 주기 위해 일정 각도로 설치된 섬유설치대(2)와, 상기 섬유설치대(2)의 하부에 설치된 섬유공급모터(3)와, 상기 섬유공급모터(3)의 일측에 설치되어 모터구동에 따라 동작하는 섬유공급롤러(4)와, 상기 섬유공급모터(3)의 상단에 설치된 컨트롤박스(5)와, 상기 섬유공급모터(3)와 섬유공급롤러(4)사이에 설치된 섬유가이드롤러(6)와, 상기 섬유공급롤러(4)의 전단 하부에 설치되어 공급되는 섬유직물소재(1)를 잘게 절단하기 위한 커팅모듈(7)과, 상기 커팅모듈(7)의 전단 하부에 설치되어 쵸프드피버를 몰드에 압착하기 위한 압착롤러(8)와, 상기 압착롤러(8)의 좌우측에 설치되어 압착롤러(8)를 구동시키기 위한 압착롤러용 공압실린더(9)와, 상기 압착롤러(8)의 상단에 설치되어 이동되는 섬유직물소재(1)를 일정방향으로 가이드하기 위한 소재이동가이드(10)와, 상기 소재이송가이드(10)의 상단에 고정되어 경화용 수지를 일정각도로 몰드에 분사하기 위한 한쌍의 수지분사노즐(11)로 구성된 것이다.
상기 압착롤러(8)가, 섬유 소재 및 수지를 고르게 분산하기 위해서 홈이 파여진 형상, 크로스 형상, 지그재그 형상중 어느 하나로 구성하며, 상기 압착롤러(8)에 별도의 가열 장치를 설치할 수 있다.
상기 커팅모듈(7)은, 원형 칼날(7a)로 이루어지며, 스프링(7b)에 의해 칼날(7a)이 항상 눌려 힘을 받는 구조를 이루도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명한다.
본 발명은 로봇 동작 제어기술이 접목된 프리폼 제조 장치와 선박 구조물 프리폼 제조를 통한 신뢰성을 향상시키고, 선체제조라인에 스프레이 업 탄소섬유 프리폼 설비를 구축하며, 자동화 생산 장비 및 제품의 성능 검증을 병행하여 시스템 각각의 성능검증 후 통합 작업이 진행된다.
본 발명의 기능은 연속섬유를 회전식 원형칼날(7a)을 이용하여 일정길이로 자른 쵸프드피버와 수지를 몰드면에 동시에 스프레이하고 압착롤러(8)로 가압하여 소재를 적층한다.
또한, 본 발명의 다른 기능은, 드라이상태의 섬유직물을 몰드면에 적층함과 동시에 수지분사노즐(11)로 수지를 스프레이하여 압착롤러(8)로 소재를 가압하여 적층하는 것으로, 본 발명에서는 상기 두가지 기능을 겸용으로 활용할 수 있다.
상기 다른 기능은, 기계적 강도를 요하는 부분에 섬유직물을 도포하며, 섬유직물 보빈에서 이송된 섬유직물소재(1)는 수지분사노즐(11)을 통해 뿌려진 액상의 수지위에 놓이며, 압착롤러(8)로 가압하여 수지를 섬유직물에 함침시키면서 몰드면에 부착한다.
상기 섬유직물소재(1)는 특정한 위치에 적층되면 소재를 컷팅하고 다시 방향을 바꿔 다음 공정을 진행하는 것으로, 특정길이가 공급되면 직물소재 폭방향으로 원형칼날(7a)이 이동하면서 소재를 컷팅하는데, 상기 원형칼날(7a)은 스프링(7b)에 의해 항상 눌려 힘을 받는 구조를 이루며, 피딩 롤러는 동작을 멈추고 소재를 고정하며, 컷팅 이후에는 피딩롤러가 동작하여 소재를 공급한다.
본 발명은 ±0.2 mm 이송 위치 정밀도 및 1 mm 이내의 반복 재현성을 갖춘 겐트리 구조 및 위치 제어 시스템을 구비하고, 1분당 6kg 이상의 탄소섬유 소재가 적층되는 스프레이업 헤드 장치를 구비한다.
또한, 인장강도 144 MPa이상, 섬유강화복합재 선체 대비 20% 이상 경량 선박용 선체 제조 및 양산화를 구비하며, 장비/로봇 제어 신뢰성 평가 및 선체 제조공정 재현성을 수행할 수 있는 것으로, 섬유직물소재(1)로부터 섬유직물소재(1)가 풀리면서 이동되어 공급되는데 섬유공급모터(3)상단의 컨트롤박스(5)와 가이드롤러(6)사이를 지나 섬유공급롤러(4)사이를 통과하여 섬유가이드판넬(10)에 의해 가이드되어 압착롤러(8)밑으로 압착된다.
또한, 상기 소재이송가이드(10)상면에 설치되어 있는 수지분사노즐(11)로부터 경화용 수지가 몰드에 분사되는 상태에서 압착롤러(8)가 몰드에 일정 압력으로 압착하면서 반복 이동함으로써 적층되는 섬유직물소재(1)와 수지의 혼합재에 기포가 생기지 않고 깨끗이 도장이 이루어진다.
이때, 섬유직물소재(1)는 도 1과 같이 화살표 방향으로 적층되는 것으로, 상기와 같은 압착롤러(8)의 도장 작업이 여러번 왕복으로 반복수행되면서 섬유직물 및 수지 혼합재의 도장적층이 이루어진다.
여기서, 섬유직물소재(1)를 단섬유 형식으로 커팅하여 수지와 함께 뿌리는 쵸퍼 모듈과 연속 매트 섬유를 동시에 적층하여 단섬유와 연속섬유를 적층할 수 있으며, 시스템의 암(Arm)에 결합되는 적층 헤드 모듈을 필요에 따라 페인트 분사 모듈, 겔코트 분사모듈, 쵸퍼 모듈, 접착 필름 모듈, 매트 모듈 등으로 갈아 끼우며 작업할 수 있다.
상기 롤 형태로 감겨진 섬유직물소재(1)는 한 종류의 단독 매트 종류로 적용되거나, 이종 재료 및 섬유중량으로 구성된 상이한 매트들을 접합 또는 스티칭된 복수의 소재가 적용될 수 있다.
또한, 롤 형태로 감겨진 섬유직물소재(1)는 드라이 형태의 소재이거나 수지가 미리 함침된 열경화성 또는 열가소성 프리프레그 소재이거나 접합 어드히시브 필름, 진공백 등이 적용될 수 있다.
본 발명은 수지 분사노즐(11)로부터 수지를 몰드에 분사할 경우, 수지에 의한 장비 오염이 발생할 수 있기 때문에 후드 및 실링필름 적용 방법 등을 고려하여 장비 보호를 할 수 있다.
한편, 상기 압착롤러(8)는 섬유 소재의 수지를 고르게 분산하기 위해서 홈이 파여진 형상, 크로스 형상, 지그재그 등의 형상이 선택적으로 적용될 수 있으며, 압착롤러(8)에 수지가 지속적으로 붙기 때문에 압착롤러(8)의 이형처리가 필요하며, 이형처리를 위해 테프론코팅, 실리콘고무, 실리콘 커버 등이 적용될 수 있다.
상기 압착롤러(8)는 곡면 등 복잡한 형태에 대해 소재를 압착하여야 하기 때문에 복잡한 형상에 밀착될 수 있도록 공압 등의 방식으로 압착시킬 수 있으며, 압착롤러(8)에 홈이 있을 경우에 홈 부분에 계속 수지가 적용 안 될수 있기 때문에 홈의 위치를 바꿔줄 수 있는 기계장치가 적용될 수 있으며, 곡면의 형상에 맞게 압착롤러(8)가 압착되게 하기 위해서, 롤러 형상을 곡면 등에 밀착될 수 있게 변경할 수 있는 기계장치가 적용될 수 있다.
또한, 고온경화용 수지 적용 혹은 속경화 등을 위해서 적층헤드부에 열풍기, IR 히터 등을 설치할 수 있으며, 고온경화용 수지 적용 또는 속경화 등을 위해서 몰드 및 압착 롤러(8)에 가열 장치를 설치할 수 있다.
1:섬유직물소재 2:섬유설치대
3:섬유공급모터 4:섬유공급롤러
5:컨트롤박스 6:가이드롤러
7:커팅모듈 8:압착롤러
9:압착롤러용 공압실린더 10:소재이송가이드
11:수지분사노즐 12:수지분사후드
13:케이스

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 상단에 회전가능하게 설치된 섬유직물소재(1)와, 상기 섬유직물소재(1)를 회전가능하게 유지해 주기 위해 일정 각도로 설치된 섬유설치대(2)와, 상기 섬유설치대(2)의 하부에 설치된 섬유공급모터(3)와, 상기 섬유공급모터(3)의 일측에 설치되어 모터 구동에 의해 동작하는 섬유공급롤러(4)와, 상기 섬유공급모터(3)의 상단에 설치된 컨트롤박스(5)와, 상기 섬유공급모터(3)와 섬유공급롤러(4)사이에 설치된 섬유가이드롤러(6)와, 상기 섬유공급롤러(4)의 전단 하부에 설치되어 섬유직물소재를 잘게 절단하는 커팅모듈(7)을 구비한 적층 헤드 장치에 있어서,
    상기 커팅모듈(7)의 전단 하부에 설치되어 쵸프드피버를 몰드에 압착하기 위한 압착 롤러(8)와, 상기 압착롤러(8)의 좌우측에 설치되어 압착롤러(8)를 구동시키기 위한 압착롤러용 공압실린더(9)와, 상기 압착롤러(8)의 상단에 설치되어 이동되어 오는 쵸프드피버를 일정방향으로 가이드하는 소재이송가이드(10)와, 상기 소재이송가이드(10)의 상단에 수지분사노즐(11)을 구비하여 쵸프드피버와 수지를 동시에 분사하면 상기 압착롤러(8)로 몰드면에 가압하도록 구성된 것을 특징으로 하는 쵸프드피버 및 직물 소재 적층 헤드장치.
  3. 삭제
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