KR102388413B1 - 섬유 처리 방법과, 섬유 처리 장치 및 처리된 섬유로 제조된 테이프 - Google Patents

섬유 처리 방법과, 섬유 처리 장치 및 처리된 섬유로 제조된 테이프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유를 처리하는 방법과, 섬유를 처리하는 장치, 그리고 처리된 섬유로 제조된 결과적인 테이프에 관한 것이다. 이 처리 방법은 섬유 다발(1)을 지속적으로 공급하는 단계와, 제1 수지(51)의 입자의 정전 증착에 의해 제1 수지(51)를 섬유 다발(1)에 도포하는 단계와, 가열에 의해 제1 수지(1)의 입자를 섬유 다발(1)에 접합시키는 단계와, 섬유 다발(1)의 적어도 일면에 제2 수지(91)의 필라멘트의 적층에 의해 표면 코팅을 도포하는 단계를 구비하여, 섬유로 제조된 최종적인 테이프가 사용된 섬유에 대해 최소의 수지량을 가지게 된다.

Description

섬유 처리 방법과, 섬유 처리 장치 및 처리된 섬유로 제조된 테이프
본 발명은 테이프 적층 공정(tape laying process)에 사용될 테이프를 얻기 위한 섬유의 처리에 관한 것으로, 처리된 섬유로 제조된 결과적인(thus obtained) 테이프가, 제어된 정전 증착(electrostatic deposition)에 의한 제1 수지의 도포(application)와 스월링 또는 플로킹(swirling or flocking) 공정에 의해 제2 수지의 부분적 및 투과성(permeable) 표면 코팅(coating)의 도포를 통해, 사용된 섬유에 대해 최소의 수지량(resin load)을 가지도록 섬유를 처리하는 방법과 장치(installation)를 제안한다.
처리된 섬유로 제조된 테이프는 일반적으로 탄소섬유 또는 유리섬유 등의 섬유의 다발(bundle)("원사(原絲; tow)") 형태의 보강 소재(reinforcement material)와 수지(resin) 등의 바인더(binder; 교결제)로부터 얻어진다. 현재 산업에서의 요구로 복합 재질로부터의 부품의 수작업 생산을 예를 들어 ATL ("자동 테이프 적층; Automated Tape Laying") or AFP ("자동 섬유 배치; Automated Fiber Placement") 등의 자동 테이프 적층 공정으로 교체하는 중인데, 자동 테이프 적층 공정에서는 테이프 적층 공정 동안 손상을 입거나 방향의 편이를 나타내지 않도록 섬유에 충분한 밀도(consistency)를 주기 위해 섬유 다발이 처리되어야 한다.
현재 섬유로 제조된 테이프는 건식(dry) 섬유, 사전함침(preimpregnated) 섬유)(프리페그; prepeg), 또는 반(semi) 사전함침 섬유로부터 얻어진다.
건식 섬유는 처리 방법에서는 주(main) 수지량(resin load)이 투입(introduce)되지 않지만, 예를 들어 주입(infusion) 공정 또는 수지 충전 성형(resin transfer moulding; RTM) 공정 등의 부품 제조의 실제 공정 동안 주 수지량이 투입(apply)된다. 직조(weaving), 3차원 직물(three-dimensional fabric), 또는 재봉(sewing) 등 건식 섬유 모재(preform)를 전처리(preparation)하는 다른 방법들이 있는데, 현재로서 재봉이 자동 테이프 적층 공정에 사용되기에 더 간결하고 적절한 결과들을 제공한다.
건식 섬유의 처리 방법을 기재한 한 문헌은 특허 US20150375461인데, 이는 건식 섬유의 소재가 단방향(unidirectional) 섬유의 층(layer)을 베이스(base)로 포함하고 여기에 열가소성 베일(thermoplastic veil)이 적어도 그 일면에 부착되어 추가되는데, 이는 결합(cohesion)을 보장하는 하나 또는 두 바인더에 추가한 단섬유(short fibre), 열가소성 격자(grid), 또는 다공성(porous) 열가소성 박막(membrane)으로 이뤄진다.
사전함침 섬유는 단방향 섬유 및 직물의 양자가 될 수 있는데, 이는 열경화성 수지가 될 수도 있지만 일반적으로 열경화성(thermosetting) 수지인 부품 생산에 필요한 양의 수지가 사전함침 되어 있다. 일반적으로 수지가 열경화성 수지일 때 혼합물(mixture)이 그 완전한 가교결합(crosslinking)을 방지하기 위해 냉각 환경에 유지되어야 하므로, 이는 사전함침 섬유의 취급의 편의를 위해 부분적으로 경화된다(cured). 사전함침 섬유는 고온 용융(hot melt) 공정이나 용제 침지(solvent immersion) 공정에 의해 얻어질 수 있다. 고온 용융 공정은 보강 소재를 고온의 얇은 수지 필름으로 코팅(coating)한 다음 압력과 열을 인가하여 보강 소재에 수지의 함침을 수행하는 과정으로 구성된다. 침지 공정은 수지를 용제 욕조(bath) 내에 용해시키고 이에 보강 소재를 담그고, 이어서 이로부터 용제를 증발시키는 과정으로 구성된다.
사전함침 섬유의 처리 공정을 기재한 일부 문헌들은 예를 들어 특허 문헌 JP2010260888이 있는데, 이는 공기의 축적과 불균일한 함침을 방지하는 사전함침 소재의 제조 방법을 기재하고 있으며, 소재에 열과 압력을 인가하여 수지를 충전(transfer)시키는 과정을 구비한다. 특허문헌 JPH09241403은 점착성(tackiness)을 향상시킬 목적으로 사전함침 소재의 접착성 분말을 위치시키는 시스템을 기재하고 있다. 특허 문헌 JPS61220808은 후속되는 수지 용융 온도 이상의 가열 단계와 함께 탄소섬유로 제조된 테이프 상에 정전 수단(electrostatic means)에 의해 수지를 적층(deposit)시킴으로써 완전히 사전 함침된 소재를 형성하는 시스템을 기재하고 있다. 특허문헌 JP2007099926은 섬유로 제조된 테이프의 일면 상의 도전성 시트(conductive sheet)와 상기 (섬유)다발(bundle) 반대면의 대전된(charged) 분말 수지를 사용하여, 수지가 정전력(electrostatic force)에 의해 섬유(fibre)의 필라멘트(filament)들 사이에 적층되고, 이어서 가열하여 그 수지를 용융시킴으로써 역시 사전함침 소재를 형성한다.
반 사전함침 섬유로 제조된 테이프는 수지 박막(film)을 섬유 위에 도포(apply)하여 얻어지지만 부품을 제조하는 공정 동안의 고온 및 고압에 놓이기 전까지는 테이프가 완전히 수지로 침윤(wetting)되지는 않는다.
반 사전함침 섬유를 처리하는 공정을 기재한 일부 문헌들은 예를 들어 US20110171034가 있는데, 이는 양면이 섬유질 보강재의 층들로 코팅된 제1 열가소성 수지층을 구비하는데, 층들 중의 하나는 특정한 점착 수준(tack level)을 가지는 수지의 제2층으로 코팅되어 있다. 특허문헌 JP2012107160은 일부는 열가소성 수지로 일부는 열경화성 수지로 제조된 매트릭스(matrix)를 가지는 직조 섬유에 기반한 복합 소재를 기재하고 있는데, 열가소성 수지는 정전 방적(electrostatic spinning)에 의해 부착되고 나노섬유(nanofibre)로 구성된 부직포(non-woven fabric)로 형성된다.
이 해법들 중의 어느 것도, 자동 테이프 적층 공정에 사용될 수 있고 처리된 섬유로 얻어진 결과적인 테이프가 주입 또는 RTM 기반 제조 공정에 투입될 능력을 유지할 수 있는, 접합 및 처리된 건식 섬유로 제조된 테이프를 생성하기 위해 섬유 다발을 연속적 포맷(format)으로 처리한다는 목적을 가지지 않았음에 주목해야 할 것이다.
본 발명의 목적은 섬유를 처리하는 방법과, 이 처리 방법을 수행하는 장치, 그리고 이 처리 방법으로 처리된 섬유로 제조된 결과적인 테이프를 제공하는 것이다.
본 발명의 섬유 처리 방법은 적어도 다음 단계들을 구비한다:
- 섬유의 다발을 바람직하기로 1m/min 내지 100m/min의 속도로 지속적으로 공급하는 단계와,
- 제1 수지의 입자의 정전 증착(electrostatic deposition)에 의해 섬유 다발에 제1 수지를 도포(apply)하는 단계로, 바람직하기로 제1 수지의 양이 섬유 다발의 중량의 10% 미만이고, 제1 수지의 입자가 바람직하기로 1 ㎛ 내지 300 ㎛의 크기를 가지며 다발의 일면 또는 양면 모두에 도포될 수 있는 단계와,
-제1 수지의 입자를, 입자를 완전히 또는 부분적으로 용융되도록 하는 가열에 의해 섬유 다발에 접합(bonding)시키는 단계와,
-섬유 다발의 적어도 일면에 제2 수지의 필라멘트(filament)을 적층함으로써 부분적 및 투과성(permeable) 표면 코팅(surface coating)을 도포하는 단계로, 표면 코팅의 두께가 바람직하기로 0.2 mm 미만인 단계.
바람직하기로 제1 수지는 섬유 다발에 직접 도포되고, 제2 수지의 표면 코팅은 제1 수지가 도포된 섬유 다발에 도포되지만; 본 발명의 개념을 변경하지 않고 제2 수지의 표면 코팅이 섬유 다발에 직접 도포되고 제1 수지가 제2 수지의 표면 코팅을 가지는 섬유 다발에 도포될 수 있다.
방법은 제1 및 제2 수지의 도포 단계에 앞서 섬유 다발의 폭(width)을 조정하는 단계를 더 구비하는데, 섬유 다발 폭의 조정 단계는 섬유 다발을 오목한 표면을 가져 섬유 다발의 폭을 축소시키는 제1 롤러(roller)들을 통과시키는 제1 하부단계(sub-step)와, 원통형 표면을 가지며 서로 반대쪽에 분리되어 제2 롤러들에 대한(그리고 추가적으로 제1 롤러들에 대한) 섬유 다발의 제어된 마찰(friction)에 의해 섬유 다발의 폭을 원하는 값으로 확대시키는 제2 롤러들을 통과시키는 제2 하부단계를 구비한다.
본 발명 방법은 또한 제1 수지의 입자가 섬유 다발 내로 확산(diffuse)될 수 있도록 열과 압력을 인가하는 단계를 더 구비한다.
본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 표면 코팅은 제2 수지의 용융된 필라멘트를 섬유 다발의 적어도 일면에 나선(spiral) 형태로 적층하고 이어서 그 냉각을 위해 코팅된 섬유 다발 상에 기류(air stream)를 인가함으로써 이뤄진다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에 따르면, 표면 코팅은 제2 수지의 필라멘트를 정전 증착에 의해 섬유 다발의 적어도 일면에 적층하고, 이어서 필라멘트에 열을 인가하여 용융되거나 섬유 다발 내에 확산된 제2 수지를 용융시키며, 그 냉각을 위해 코팅된 섬유 다발 상에 기류를 인가한다.
어떤 방식이건 표면 코팅의 도포는 섬유로 제조된 테이프에 부착력(cohesion)을 제공하고, 소재 k11 및 k22의 파라미터 특성들로 공통적으로 규정된 평면에 평행한 방향으로의 투과성(permeability)을 향상시킨다.
또한 본 발명 방법은 섬유 다발에 관통 홈(through groove)이 형성되고, 상기 관통 홈이 섬유 다발에 평행한 방향으로 연장되는 단계 역시 구비한다. 이 단계는 테이프의 기계적 특성을 저하시키지 않고 섬유로 제조된 테이프의 소재 k33의 파라미터 특성으로 공통적으로 규정된 평면에 직교하는 방향으로의 투과성을 향상시킨다.
이에 따라, (본 발명) 섬유 처리 방법은 건식 섬유를 처리하는 다른 방법에 비해 향상된 특성을 가지는, 처리된 섬유로 제조된 결과적인 테이프를 얻을 수 있게 해준다.
도 1은 본 발명 방법을 수행하는 장치의 제1 예시적 실시예의 개략도.
도 2는 본 발명 방법을 수행하는 장치의 제2 예시적 실시예의 개략도.
도 3은 섬유 다발의 폭을 조정하는 조정 유닛의 개략 사시도.
도 4는 본 발명 방법으로 결과로 처리된 섬유로 제조된 테이프의 개략도.
도 5는 처리된 섬유로 제조된 테이프의 도 4의 V-V선을 따른 단면도.
도 1은 본 발명의 섬유 처리 방법을 수행하는 장치의 예시적 실시예를 도시하는데, 이에 의해 ATL ("Automated Tape Laying(자동 테이프 적층)") 또는 AFP ("Automated Fiber Placement(자동 섬유 배치)") 등의 후속적인 자동 테이프 적층 공정, 또는 수동 테이프 적층에 사용될, 건식 섬유로 제조된 테이프가 얻어진다.
본 발명 방법에 의해 얻어진 건식 섬유로 제조된 테이프는 보강 소재(reinforcement material)와 이 섬유의 바인더(binder; 교결제)로 형성된다. 보강 소재로는 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유(basalt fibre), 천연섬유, 또는 복합소재(composite material)의 제조를 위한 섬유상 구조(fibrillar configuration)의 다른 어떤 재질의 사용을 고려할 수 있고, 바인더로는 (공중합(co-) 폴리아미드, 공중합 폴리에스터, 페녹시(phenoxy) 수지, 에폭시 수지, 또는 폴리우레탄 등의) 열가소성 수지, 또는 열경화성 수지의 사용을 고려할 수 있다. 어느 경우건 사용된 섬유에 대해 최소 수지량(resin load)을 가지는, 섬유로 제조된 테이프가 본 발명 방법에 의해 얻어질 수 있다.
본 발명의 시점(sense)에서, 도 1 및 2에 화살표로 도시된 섬유 다발(1)의 방향의 시점에 따른, 상기 도면들에 좌에서 우로 표시된 시점에 따라 섬유를 처리하는 장치의 유닛(unit)들이 설명될 것이다.
(본 발명) 장치는 처리 장치의 다른 스테이지(stage)들을 따라 섬유 다발(1)을 지속적으로 공급하는 수단을 구비하는데, 섬유 다발(1)을 공급하는 속도는 전체 처리 방법 동안 섬유를 바람직하기로 팽팽하게 유지할 수 있도록, 이에 한정되는 것은 아니지만 바람직하기로 1m/min 내지 100m/min이 되는데, 그러면 주름(rippling)의 발생이 방지된다.
상기 수단은 그 사이에서 섬유 다발(1)이 공급되는 언와인더(unwinder; 2)와 리와인더(rewinder; 3)를 구비하는데, 이들은 섬유를 평탄하고 주름 없이 안내하는 한편, 폭(width)과 단위면적당 중량(grammage)의 변화에 더하여 다른 섬유 포맷(format)에 맞출 목적으로 인장(tension)과 속도(rate)를 조절할 수 있게 한다. 언와인더(2)는 섬유를 "조방사(粗紡絲; roving)" 포맷 또는 "원사(原絲; tow)" 포맷, 즉 이 값에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어 0.25 인치 내지 50인치의 전체 폭을 가지는 단방향(unidirectional) 섬유 필라멘트의 집합(set)으로 공급한다.
섬유 다발(1)의 방향의 시점에서 언와인더(2) 후방에, 장치는 섬유 다발(1)의 폭을 조절하고 장치의 후속 스테이지들에서 최적의 수지 수용(reception)이 이뤄지도록 섬유를 분포시키는 조정 유닛(adjustment unit; 4)을 선택적으로 구비한다.
도 3은 조정 유닛(4)의 바람직한 실시예를 도시하는데, 이는 섬유 다발의 폭을 축소시키도록 구성된 제1 롤러(roller)(41)들과 섬유 다발(1)의 폭을 확대시키도록 구성된 제2 롤러(42)들을 구비하는데, 롤러(41, 42)들의 작동을 변경시킴으로써 섬유 다발(1)이 다른 폭과 단위면적당 중량에 맞도록 변경될 수 있다.
롤러들의 제1 세트(41)는 섬유 다발(1)이 롤러(41)들의 오목한(concave) 표면과 접촉(rub)되어 그 폭이 축소되는 오목한 표면을 가지는 세 롤러들을 구비한다. 제1 롤러(41)들 중의 적어도 하나의 롤러는 모터 구동(motor-driven)이어서 적어도 하나의 모터 구동 롤러의 회전 속도를 제어함으로써 섬유 다발(1)의 폭의 축소가 제어될 수 있다.
롤러들의 제2 세트(42)는 서로 반대쪽에 분리된 원통형 표면을 가져 그 사이로 섬유 다발(1)이 통과하는 두 롤러들을 구비하여, 섬유 다발(1)이 제2 롤러(42)들 사이를 통과하면서 섬유 다발(1)의 두께를 축소시키는 마찰(friction)이 발생되고 이에 따라 그 폭이 확대된다. 이에 따라 제2 롤러(42)들 사이의 분리 거리와 이들 중 적어도 하나의 회전 속도를 제어함으로써 섬유 다발(1)의 폭의 확대가 제어될 수 있다.
조정 유닛(4) 후방에는, 정전 증착에 의해 제1 수지의 입자를 섬유 다발(1) 상에 도포하는 제1 수지 적층 유닛(first resin deposition unit; 5)이 배치된다. 제1 수지 적층 유닛(5)은 바람직하기로 1 ㎛ 내지 300 ㎛ 크기의 입자를 가지는 분말 형태의 제1 수지(51)를 기준(normal) 표면 단위면적당 중량에서 섬유 다발의 중량의 10% 미만의 제1 수지(51)의 양으로 도포하도록 구성된 분사 노즐(spray nozzle)을 가진다. 더 구체적으로, 섬유 다발(1)의 소정 단면(section)에서 섬유 다발(1)의 상기 단면의 중량의 10% 미만의 제1 수지(1)의 양이 섬유 다발(1)의 상기 단면에 적층된다. (본 발명) 방법의 후속 단계에서 입자가 가열되고 나면 제1 수지(1)의 입자의 크기와 양이 섬유 다발(1) 내의 제1 수지(51)의 최적 확산을 가능하게 한다. 또한 사용된 수지의 비율(percentage)이 섬유로 제조된 결과적인 테이프의 최종 기계적 특성과 부품이 중량이 영향 받지 않도록 해준다.
제1 수지(51)의 입자들은 음의 전하(negative electrical charge)로 대전되어 접지된 섬유 다발(1)의 영역(area) 상에 분사되는데, 섬유 다발(1)의 상기 영역은 제1 수지(51)의 음으로 대전된 입자들을 끌어당기는 중립으로 변환된다. 이에 따라 입자들이 섬유 다발(1)과 접촉하게 되면, 이들은 이들이 적층된 섬유 다발(1)의 영역에 유지(retain)된다.
사용된 분사 노즐은 제1 수지(51)에 인가되는 전류와 전압 양자를 조절할 수 있게 하는데, 상기 파라미터들은 조정될 수 있어서 입자의 크기, 분사 노즐로부터 섬유 다발(1)까지의 거리와 함께 (예를 들어 공기 흐름 속도, 압력 등) 방법에 영향을 미치는 다른 인자들에 따라 방법의 효율성이 최적화될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 수지(51)가 도포되는 영역을 통해 섬유 다발(1)의 비율(rate)을 제어함으로써 적층되는 제1 수지(51)의 양이 제어될 수 있으며, 이에 따라 수지 낭비(waste)의 비율이 다른 종래의 분사 방식 도포 기법에서보다 낮아진다.
수지(51)의 부착되지 않은 분사된 입자들은 뒤이어 해당 목적의 상용 설비에 의해 회수되어 분급(sieve)되고 다시 공정에 투입됨으로써 적층을 효율성을 거의 100%에 가깝게 달성한다.
제1 수지 적층 유닛(5) 후방에는, 열가소성 수지를 사용하는 경우 수지를 제어된 방식으로 가열 및 용융시킴으로써 섬유 다발(1) 내에 확산시키고, 또는 열경화성 수지를 사용하는 경우 부분적으로 수지를 경화(cure)시키기 위한 마이크로웨이브, 저항 오븐, 또는 적외선램프 등의 가열 유닛(6)이 배치된다. 가열 유닛(6)은 섬유 다발(1)의 일면 또는 양면 모두를 향할 수 있는데, 또한 가열 유닛(6)이 섬유 다발(1)의 일면을 향하고 섬유 다발(1)의 반대 면에는 섬유 다발(1)의 반대 면을 가열하기 위한 반사기(reflector)가 배치될 수도 있다,
가열 유닛(6) 직후에 냉각 유닛(7)이 선택적으로 배치되어 제1 수지(51)의 가열 후에 섬유 다발(1)에 제어된 냉각을 얻을 수 있다.
선택적으로, 장치는 또한 제1 수지 적층 유닛(5) 후방의 가열 유닛(6) 및 냉각 유닛(7) 후방에 열 및 압력 인가 유닛(heat and pressure application unit; 8) 역시 가질 수 있다. 열 및 압력 인가 유닛(8)은 가열 유닛이 뒤따르는 핀치 롤러(pinch roller)를 구비하여 제1 수지(51)에 열과 압력을 가함으로써 이들이 섬유 다발(1) 내에 확산될 수 있게 한다. 제1 열가소성 수지의 사용은 핀치 롤러의 압력과 함께 재가열됨으로써 제1 수지(51)의 더 깊은 침투와 섬유 다발(1)의 더 우수한 부착력(cohesion)을 얻게 한다.
열 및 압력 인가 유닛(8) 후방에는, 제2 수지(91)의 필라멘트를 적층시킴으로써 섬유 다발(1)의 적어도 일면에 부분적 및 투과성(permeable) 표면 코팅(surface coating)을 도포하도록 구성된 제2 수지 적층 유닛(9)이 배치된다. 제2 수지(91)는 제1 수지(51)와 같거나 다를 수 있다.
제2 수지(91)의 표면 코팅의 도포는 섬유 다발 상에 다공성(porous) 코팅을 생성하는데, 이는 섬유로 제조된 테이프가 복합소재로 제조된 부품을 얻기 위해 후속적인 테이프 적층 공정에 사용될 때 테이프들 사이에 갭(gap)을 생성하도록 기능함으로써, 주입 또는 RTM 공정 동안 테이프들 사이의 수지의 흐름을 촉진하므로 섬유의 평면에 평행한 방향으로 복합소재의 침투율(permeability)을 향상시킨다. 표면 코팅은 섬유 다발(1)의 일면 또는 섬유 다발(1)의 양면에 배치될 수 있다.
도 1에 도시된 예시적 실시예에 따르면, 표면 코팅의 도포는 제2 수지(91)의 용융된 필라멘트를 나선형 등으로 적층하는 스월링(swirling) 공정으로 얻어질 수 있다. 이를 위해. 용융된 재질의 작은 필라멘트에 의해 제2 수지(91)를 도포하는 노즐이 사용되는데, 이는 회전하여 섬유 다발(1) 상에 나선을 형성하며 적층됨으로써, 섬유 다발(1) 상에 투과성 층(permeable layer)을 생성한다. 제2 수지(91)의 도포는 각 경우 섬유 다발(1)에 대한 비율(rate)과 제2 수지의 원하는 농도에 따라 조정되는 가변 유량(variable flow rate)을 기반으로 수행된다. 제2 수지 적층 유닛(9)의 직후에는 냉각 유닛(10)이 배치되어 수지가 코팅된 섬유 다발(1)에 예를 들어 "와류(Vortex)" 방식 시스템에 의한 공기 흐름의 인가처럼 공기 흐름을 인가하는데, 이는 특히 상기 공정이 고속을 요구할 때 후속 공정들에서 섬유로 제조된 테이프를 취급(handling)하는 데 필요하다. 선택적으로, 스월링의 적용 이전에 가열 유닛이 배치되어 섬유 다발(1)에 대한 점착성(tack)을 향상시킬 수 있는데, 이를 위해 열 및 압력 인가 유닛(8)의 가열 유닛 또는 다른 추가적인 유닛이 사전 가열 유닛(prior heating unit)으로 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 다른 예시적 실시예에 따르면, 표면 코팅의 도포가 제2 수지(91)의 필라멘트를 정전 증착(electrostatic deposition)에 의해 적층하는 플로킹(flocking) 공정에 의해 이뤄질 수 있다. 제1 수지(51)의 정전 증착과 달리, 작은 입자 크기 분포를 가지는 입자 대신 축소된 크기의 열가소성 재질의 수지의 필라멘트가 섬유 다발(1) 상에 증착된다. 이 예시적 실시예에서는, 제2 수지 적층 유닛(9) 다음에 제2 수지(91)의 필라멘트를 용융시켜 이를 섬유 다발(1)에 결속(bind)시키는 가열 유닛(11)의 배치가 필요하고, 이와 함께 가열 유닛(11) 후방에 스월링 공정과 마찬가지로 예를 들어 "와류" 방식 시스템에서 공기 흐름의 인가처럼 섬유 다발(1)에 공기 흐름을 인가하는 냉각 유닛(10)이 후속 공정들, 특히 고속 공정들에서 섬유로 제조된 테이프를 취급하는 데 필요하다.
도 1의 제1 예시적 실시예에서 제2 수지 적층 유닛(9)과 냉각 유닛(10) 후방, 또는 도 2의 제2 예시적 실시예에서 제2 수지 적층 유닛(9)과 가열 유닛 및 냉각 유닛(10) 후방에는 섬유 다발(1)에 섬유 다발(1)의 방향에 평행으로 연장되는 관통 홈(through groove)들을 형성하도록 구성된 절단 장치(12)가 배치된다.
바람직하기로, 절단 장치(12)는 섬유 다발(1)을 관통하도록 엇갈린 분포(staggered distribution)에 따라 배치된 니들(needle) 또는 캠(cam)을 가지는 회전 절단 롤러들을 가진다.
더욱 바람직하기로, 절단 유닛(12)은 엇갈린 분포에 따라 배치된 복수의(several) 회전 절단 롤러들을 가진다. 절단 유닛의 롤러들은 절단부(cut)들의 형성을 촉진하도록 바람직하기로 동기화된 방식으로 작동한다.
선택적으로, 롤러 또는 롤러들은 적절한 온도로 작동하는 가열 수단을 가진다. 니들 또는 캠 역시 가열 수단을 가질 수 있다. 이어서, 처리되는 섬유 다발(1)은 최적의 결과를 달성하도록 홈 형성 전에 냉각 스테이지(cooling stage) 역시 가질 수 있는데, 이 스테이지는 냉각 유닛(10) 자체 또는 그 직후에 배치된 다른 냉각 유닛이 될 수 있다.
절단 유닛(12)은 이를 형성하는 섬유를 손상시키지 않고 섬유 다발 내에 홈을 형성하여 (섬유) 다발에 평행한 공간을 형성하는데, 이는 섬유로 제조된 최종 결과적인 테이프의 이를 형성한 섬유 다발(1)의 평면에 직교하는 방향으로의 침투율을 향상시키고, 이에 따라 홈은 주입 또는 RTM에 의해 복합소재로 최종 부품을 제조하는 후속 공정에서 이를 통한 수지의 확산을 촉진시킨다. 이 유닛의 유출부(outlet)에서의 압력은 정확한 홈의 형성을 가능하게 하도록 계속 제어된다.
절단 유닛(12)의 후방, 리와인더(3)의 전방에는 섬유 다발(1)을 냉각시키는 최종 냉각 유닛(13)이 선택적으로 배치되고, 섬유 다발은 이를 떠나 후속적으로 테이프 적층 공정에 사용될 릴(reel) 상에 최종 저장된다.
바람직하기로 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 제1 수지(51)는 섬유 다발(1)에 직접 도포되고 제2 수지(91)의 표면 코팅은 제1 수지(51)가 도포된 섬유 다발(1)에 도포되는데, 이 순서로 도포되면 제1 수지(51)가 섬유 다 발(1) 내에 더 잘 확산되어 이를 결속(bind)시키고 제2 수지(91)가 후속되는 테이프 적층 공정에서 처리된 섬유로 제조된 테이프들의 세트의 부착력(cohesion)이 향상되도록 해주기 때문이다. 그러나 제2 수지(91)의 표면 코팅이 섬유 다발(1)에 직접 도포되고 이어서 제1 수지(51)가 제2 수지(91)가 코팅된 섬유 다발(1)에 도포될 수도 있다.
또한 홈(121)들은 수지(51, 91)의 도포 이전, 두 도포 사이, 또는 둘 다 도포되지 않고 형성될 수도 있지만, 홈(121)들은 바람직하기로 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 수지(51, 91)가 도포된 섬유 다발(1)에 형성된다.
그러면 제1 수지(51)의 정전 증착에 의한 도포와 제2 수지(91)의 표면 코팅의 결과 종래의 건식 섬유에 비해 향상된 거동을 가지는, 처리된 건식 섬유 형태의 처리 및 접합(bond)된 섬유로 제조된 테이프가 본 발명 방법에 의해 얻어져, 사용된 섬유에 대해 최소양의 수지를 가지는, 처리 및 접합된 섬유로 제조된 테이프가 달성될 수 있게 된다.
도 4에서 볼 수 있듯, 본 발명 방법에 의해 처리된 섬유로 제조된 결과적인 테이프는 제1 수지(51)의 입자와 제2 수지(91)의 부분적 및 투과성 표면 코팅으로 처리된 섬유 다발(1)을 구비하는데, 제1 수지(51)의 입자는 섬유 다발(1) 상에 랜덤(random)하지만 균일하게 적층되고 섬유 다발 중량의 10% 미만의 중량으로 50 ㎛ 내지 300 ㎛의 입자 크기를 가지며, 제2 수지(91)의 표면 코팅은 0.2 mm 미만의 두께를 가진다.
제1 수지(51)의 상기 입자가 섬유 다발(1)에 부착(attach)되고 나면 섬유로 제조된 테이프에 전체적으로 부착력을 제공하고, AFP, ATL, 또는 수동 테이프 적층에 의한 후속되는 테이프 적층 공정에서 열의 인가에 의해 섬유로 제조된 테이프를 다른 후속되는 테이프에 부착(adhere)시킬 능력을 가지게 됨으로써 섬유로 제조된 일체의 다층(multilayer) 테이프들을 형성하게 해준다.
제2 수지(91)의 입자들이 섬유 다발(1)을 구성하는 섬유에 부착되므로, 처리된 섬유로 제조된 테이프들 사이의 섬유(1)에 평행한 방향의 침투율이 향상되어, 복합소재로 제조된 부품 형성을 위한 후속적인 주입(infusion) 또는 사출(injection) 공정을 촉진한다.
본 발명 방법으로 처리된 섬유로 제조된 결과적인 테이프는 또한 동일한 직경으로 0.1 mm 내지 2mm 크기를 가지는 섬유 다발(1)에 평행한 방향의 관통 홈(121)을 가지는데, 이는 섬유 다발(1)에 평행한 방향으로 섬유로 제조된 테이프의 침투율을 향상시켜 복합소재로 제조된 최종 부품을 형성하는 주입 또는 사출 공정을 촉진시키지만 섬유의 파손을 야기하지 않고 뒤틀림(angular distortion)도 매우 제한된다. 도 4에서 볼 수 있듯, 홈(121)은 바람직하기로 엇갈린 분포(staggered distribution)에 따라 섬유 다발의 종방향에 정렬되는 방식으로 분포되는데, 이는 섬유 다발(1)의 구조적 일체성(structural integrity)을 더 향상시켜 준다.

Claims (16)

  1. 섬유 다발(1)을 지속적으로 공급하는 단계와,
    제1 수지(51)의 입자의 정전 증착에 의해 섬유 다발(1)에 제1 수지(51)를 도포하는 단계와,
    제1 수지(51)의 입자를 가열에 의해 섬유 다발(1)에 접합시키는 단계와,
    섬유 다발(1)의 적어도 일면에 제2 수지(91)의 필라멘트를 적층함으로써 표면 코팅을 도포하는 단계와,
    섬유 다발(1)에 관통 홈(121)을 형성하는 단계를 구비하고,
    상기 관통 홈(121)은 섬유 다발(1)에 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  2. 청구항 1에서,
    제1 수지(51)가 섬유 다발(1)에 직접 적층되고, 제2 수지(91)의 표면 코팅이 제1 수지(51)가 도포된 섬유 다발(1)에 적층되는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  3. 청구항 1에서,
    제2 수지(91)의 표면 코팅이 섬유 다발(1)에 직접 적층되고, 제1 수지(51)가 제2 수지(91)의 표면 코팅이 적층된 섬유 다발(1)에 적층되는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    섬유 다발(1)의 중량의 10% 미만의 제1 수지(51)의 양이 도포되는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  5. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    제1 수지(51)의 입자가 1 ㎛ 내지 300 ㎛의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  6. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    제2 수지(91)의 표면 코팅이 0.2 mm 미만의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  7. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    섬유 다발(1)이 1m/min 내지 100m/min의 속도로 공급되는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  8. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    제1 수지(51) 및 제2 수지(92)의 도포 단계 이전에 섬유 다발(1)의 폭을 조정하는 단계를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  9. 청구항 8에서,
    섬유 다발(1)의 폭 조정 단계가, 섬유 다발(1)을 오목한 표면을 가져 섬유 다발(1)의 폭을 축소시키는 제1 롤러(41)들을 통과시키는 제1 하부단계와, 원통형 표면을 가지며 서로 반대쪽에 분리되어 마찰에 의해 섬유 다발(1)의 폭을 확대 및 조정하는 제2 롤러(42)들을 통과시키는 제2 하부단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  10. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    제1 수지(51)의 입자에 열과 압력을 인가하여 섬유 다발(1) 내로 확산될 수 있게 하는 단계를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  11. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    표면 코팅이 섬유 다발(1)의 적어도 일면에 제2 수지(91)의 용융된 필라멘트를 나선형 등으로 적층하고 이어서 코팅된 섬유 다발(1)에 공기 흐름 또는 동등한 냉각 시스템을 인가하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  12. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에서,
    표면 코팅이 제2 수지(91)의 필라멘트를 섬유 다발(1)의 적어도 일면에 정전 증착으로 적층하고 이어서 섬유 다발(1)의 접합을 위해 필라멘트에 열을 가하여 용융시키고 코팅된 섬유 다발(1)에 공기 흐름 또는 동등한 냉각 시스템을 인가하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 1에서,
    상기 관통 홈(121)이 동기화된 방식으로 작동하는 니들 또는 캠을 가지는 롤러들을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유의 처리 방법.
  15. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항의 방법을 수행하는 섬유의 처리 장치.
  16. 청구항 1 내지 3 중의 어느 한 항에 따라 처리된 섬유로 제조된 테이프.
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