KR102451294B1 - 사이징제 처리된 탄소섬유 촙드 스트랜드 절단장치 - Google Patents

사이징제 처리된 탄소섬유 촙드 스트랜드 절단장치 Download PDF

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장덕흠
박성진
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Abstract

본 발명에 의한 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드 절단장치는, 복수개의 탄소섬유 스트랜드(carbon fiber strand)가 투입되는 투입부; 나이프부재를 홀딩하는 나이프하우스와, 상기 나이프하우스 외면둘레에 배치되어 상기 탄소섬유 스트랜드 커팅 시 상기 나이프부재의 측방 전단력을 완충시키는 완충리브를 포함하는 커팅롤; 상기 완충리브 외면과 부분 접촉되며 상기 탄소섬유 스트랜드를 상기 커팅롤로 프레싱하는 프레싱롤; 및 상기 투입부와 상기 커팅롤 사이에 마련되어 상기 스트랜드의 일단을 일시적으로 바인딩하는 한쌍의 바인딩롤을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드 절단장치는, 바인딩롤과 완충리브의 볼록돌출구간부 및 프레싱롤의 오목함몰부가 탄소섬유 스트랜드 양단을 견고히 바인딩하고 커팅될 수 있어 강한 전단력이 확보되어 촙드 스트랜드의 모양이 일정하고 절단면이 매끄러워 제품 수율이 현저히 향상되고 이로 인해 컴파운드 성형 시 집속력과 피딩성이 우수할 수 있으며 나이프부재의 전후방의 제1 및 제2 관용구간부를 통해 나이프부재가 충분히 지지될 수 있어 손상 및 파손이 최소화되고 유지보수가 용이하며 촙드스트랜드의 집속력을 유지하여 분진 발생량은 현저히 감소시킬 수 있다.

Description

사이징제 처리된 탄소섬유 촙드 스트랜드 절단장치{CUTTING APPARATUS FOR CARBON FIBER STRAND}
본 발명은 탄소섬유 스트랜드 절단장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리섬유 대비 강한 인성 및 강도를 가지는 탄소섬유 스트랜드를 절단하기 위해 있는 탄소섬유 스트랜드 절단장치에 관한 것이다.
최근 탄소섬유 강화 복합재료는 고강성(중량 대비)을 확보하면서도 경량화가 가능하며 전기 전도성이 있어 각종 전기, 전자제품, 자동차부품 및 기계부품, 반도체부품 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 탄소섬유 복합재료(CFRP)에는 탄소섬유 시트재에 수지가 함침된 중간재(prepreg type)를 이용하여 다중 적층 성형할 수도 있으며, 일정 길이로 잘게 짤려진 칩 형태의 이른바 촙드 스트랜드(chopped strand)를 이용하여 열가소성 수지를 컴파운딩한 탄소섬유 강화복합재를 제조 후 이를 컴파운딩 성형 할 수 있다.
여기서, 촙드 스트랜드는 플라스틱 소재의 매트릭스 수지와의 계면결합력을 향상시키기 위해 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드를 건조(경화)하고 일정 길이로 절단 후 (적어도 7 ~ 10미터, m) 다시 고객사가 원하는 일정 길이(대략 3 ~ 10cm)로 절편화된 것을 말한다.
촙드 스트랜드 3mm 이하인 경우 성형 제품 내 탄소섬유 잔존 길이 짧은 경우 (100 마이크론미터 이하) 탄소섬유 물성 구현이 어렵고, 전기전도성도 저하되는 단점이 있다. 길이가 긴 경우(촙드 스트랜드 10mm 이상) 성형제품 내 탄소섬유 잔존길이가 긴 경우 (300 마이크론미터 이상) 수치안전성(휨, 비틀림, 외곡)이 불안전한 단점이 발생된다.
그러나 이러한 탄소섬유는 다른 기능성섬유(유리섬유, 아라미드등)에 비해 상대적으로 인장강도, 탄성률이 강하여 기존 절단설비는 절단날과 절단 대상물을 충분히 지지하지 못하는 구조로 절단 시 전단력이 약해지므로 촙드 스트랜드의 모양이 일정치 못하고 절단면이 매끄럽지 못하여 제품 수율이 현저히 저하되고 이로 인해 컴파운드 성형 시 집속력(퍼지볼현상)과 피딩성(정량투입)이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 기존 절단기는 절단날과 절단 대상물을 충분히 지지하지 못하는 구조로 되어 있어 절단이 용이하지 않고(장섬유 발생) 절단날(나이프)의 손상 및 파손이 쉽게 발생되어 유지보수가 용이치 못하며 절단 과정에서 탄소섬유 스트랜드가 깨지면서 촙드 스트랜드 집속력을 유지하지 못하여 품질저하(분진발생. 촙형상, BULK DENSITY)로 컴파운드 성형 시 피딩성이 떨어지고, 퍼지볼현상(컴파운드 설비의 사이드피더 막힘 현상)으로 작업성 및 품질문제가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 바인딩롤과 완충리브의 볼록돌출구간부 및 프레싱롤의 오목함몰부가 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드 양단을 견고히 바인딩(지탱하는, 잡아주는)하고 커팅될 수 있어 강한 전단력이 확보되어 촙드 스트랜드의 모양이 일정하고 절단면이 매끄러워 제품 수율이 현저히 향상되고 이로 인해 컴파운드 성형 시 촙드 스트랜드 집속력과 피딩성이 우수하며 나이프부재의 전후방의 제1 및 제2 관용구간부를 통해 나이프부재가 충분히 지지될 수 있어 나이프 손상 및 파손이 최소화되고 유지보수가 용이하며, 품질이 우수한 촙드 스트랜드 생산할 수 있는 절단장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드 절단장치는, 복수개의 탄소섬유 스트랜드가 투입되는 투입부; 나이프부재를 홀딩하는 나이프하우스와, 상기 나이프하우스 외면둘레에 배치되어 상기 탄소섬유 스트랜드 커팅 시 상기 나이프부재의 측방 전단력을 완충시키는 완충리브를 포함하는 커팅롤; 상기 완충리브 외면과 부분 접촉되며 상기 탄소섬유 스트랜드를 상기 커팅롤로 프레싱하는 프레싱롤; 및 상기 투입부와 상기 커팅롤 사이에 마련되어 상기 스트랜드의 일단을 일시적으로 바인딩하는 한쌍의 바인딩롤을 포함할 수 있다.
한쌍의 상기 바인딩롤 중 어느 하나에 연결되어 상기 바인딩롤 간의 간격 위치를 조절하는 간격조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 완충리브는, 상기 나이프부재의 일면을 지지하는 지지구간부; 상기 커팅롤의 회전방향을 따라 상기 나이프부재의 전방에 마련되어 상기 나이프부재에 가해지는 전단력을 지지하는 제1 관용구간부; 상기 커팅롤의 회전방향을 따라 상기 나이프부재의 후방에 가해지는 변형 시 유격을 확보하는 제2 관용구간부를 포함할 수 있다.
상기 완충리브는, 상기 바인딩롤과 접촉되는 볼록돌출구간부를 더 포함할 수 있다.
상기 프레싱롤은, 상기 나이프부재가 수용되는 수용홈부; 및 상기 볼록돌출구간부에 대응되는 오목함몰부를 포함할 수 있다.
상기 프레싱롤을 구동하는 구동부를 더 포함하며, 상기 프레싱롤에 마련되는 제1 기어와 상기 커팅롤의 제2 기어가 치합될 수 있다.
상기 바인딩롤에는 제3 기어가 마련되며, 상기 제1 기어와 제3 기어 사이를 상호 연결하는 제4 기어가 마련될 수 있다.
상기 간격조절부는, 상기 바인딩롤을 수용하는 수용하우징; 및 상기 수용하우징에 연결되어 지지대에 마련되는 브라켓에 슬라이딩 이동시키는 조절나사를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 탄소섬유 스트랜드 절단장치는, 바인딩롤과 완충리브의 볼록돌출구간부 및 프레싱롤의 오목함몰부가 탄소섬유 스트랜드 양단을 견고히 바인딩하고 커팅될 수 있어 강한 전단력이 확보되어 촙드 스트랜드의 모양이 일정하고 절단면이 매끄러워 제품 수율이 현저히 향상되고 이로 인해 컴파운딩 성형 시 집속력과 피딩성이 우수할 수 있으며 나이프부재의 전후방의 제1 및 제2 관용구간부를 통해 나이프부재가 충분히 지지될 수 있어 나이프 손상 및 파손이 최소화되고 유지보수가 용이하며, 컴파운드 성형 시 요구되는 우수한 품질(촙형상, 분진, 길이, 피딩성)의 촙드 스트랜드를 제공할 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치에서 프레싱롤을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치에서 커팅롤을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에서 완충리브 부분의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치에서 프레싱롤 및 커팅롤의 탄소섬유 스트랜드의 바인딩 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치에서 동력 전달 치합 구조를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 탄소섬유 스트랜드 절단장치의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치의 정면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치에서 프레싱롤을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치에서 커팅롤을 도시한 도면이며, 도 5는 도 4에서 완충리브 부분의 부분 확대도이다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 스트랜드 절단장치는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 탄소섬유 스트랜드가 투입되는 투입부(100); 나이프부재(220)를 홀딩하는 나이프하우스(210)와, 상기 나이프하우스(210) 외면둘레에 배치되어 상기 스트랜드 커팅 시 상기 나이프부재(220)의 측방 전단력을 완충시키는 완충리브(230)를 포함하는 커팅롤(200); 상기 완충리브(230) 외면과 부분 접촉되며 상기 스트랜드를 상기 커팅롤(200)로 프레싱하는 프레싱롤(300); 및 상기 투입부(100)와 상기 커팅롤(200) 사이에 마련되어 상기 스트랜드의 일단을 일시적으로 바인딩하는 한쌍의 바인딩롤(400); 한쌍의 상기 바인딩롤(400) 중 어느 하나에 연결되어 상기 바인딩롤(400) 간의 간격 위치를 조절하는 간격조절부(500)를 포함할 수 있다.
상기 투입부(100)는 복수개의 탄소섬유 스트랜드가 투입되는 부분으로서, 장치 일측에 마련될 수 있다. 상기 투입부(100)는 도 1을 주로 참조하면 호퍼(110)와 직선구간부(120)를 포함할 수 있다.
여기서, 탄소섬유 스트랜드는 사이징 처리된 상태로 절단장치로 투입되기 때문에, 곡률을 최소화하여 직선구간부(120)를 통해 직선 방향으로 투입될 수 있어 커팅되기 전에 깨짐이 최소화될 수 있으며 커팅 효율도 향상될 수 있다.
즉, 기존 절단기의 경우 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드의 경우 투입이 직각방향 90도 이므로 절단 시 집속력을 저해(집속력을 깨트리는)시켜, 절단 시 촙형상을 유지하지 못하여, 부피밀도(BULK DENSITY)저하, 분진발생량 증가로 품질문제가 발생되는 단점이 발생될 수 있는데, 본 실시예의 직선구간부(120)를 포함하는 투입부(100)가 전술한 단점이 극복 가능할 수 있다.
커팅롤(200)은 실질적으로 탄소섬유 스트랜드를 절단하는 나이프부재(220)가 마련되는 부분이다. 이를 위해 상기 커팅롤(200)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 나이프부재(220)를 홀딩하는 나이프하우스(210)와, 상기 나이프하우스(210) 외면둘레에 배치되어 상기 스트랜드 커팅 시 상기 나이프부재(220)의 측방 전단력을 완충시키는 완충리브(230)를 포함할 수 있다.
나이프하우스(210)는 커팅롤(200)의 내측 부분에 배치되어 나이프부재(220)가 부분 수용되는 부분이다. 상기 나이프하우스(210)에는 나이프부재(220)가 부분적으로 수용되는 삽입홈(211)이 마련될 수 있으며, 삽입홈(211)에 나이프부재(220)의 선단이 꽉 끼워지지 아니하고 미소 간격만큼 유격이 확보되어 있다. 이에 따라, 나이프부재(220)에 가해지는 충격에 대비될 수 있어 수명 향상이 가능할 수 있다.
상기 완충리브(230)는 상기 나이프하우스(210) 외면둘레에 배치될 수 있다. 상기 완충리브(230)는 상기 스트랜드 커팅 시 상기 나이프부재(220)의 측방 전단력을 완충시키는 역할을 한다.
이를 위해 상기 완충리브(230)는 주로 도 5를 참조하면, 상기 나이프부재(220)의 일면을 지지하는 지지구간부(240); 상기 커팅롤(200)의 회전방향을 따라 상기 나이프부재(220)의 전방에 마련되어 상기 나이프부재(220)에 가해지는 전단력을 지지하는 제1 관용구간부(260); 상기 커팅롤(200)의 회전방향을 따라 상기 나이프부재(220)의 후방에 가해지는 변형 시 유격을 확보하는 제2 관용구간부(250); 및 상기 바인딩롤(400)과 접촉되는 볼록돌출구간부(270)를 포함할 수 있다.
상기 지지구간부(240)는 나이프부재(220)의 일면과 면접되게 마련되어 나이프부재(220)를 지지할 수 있다. 상기 완충리브(230)와 상기 나이프부재(220) 사이에는 나이프지지구(221)가 마련되어 상기 완충리브(230)와 상기 나이프부재(220) 사이 간극을 제거하고 나이프부재(220)가 견고히 고정될 수 있다.
상기 제1 관용구간부(260)는 상기 커팅롤(200)의 회전방향을 따라 나이프부재(220)의 전방에 마련될 수 있다. 이러한 상기 제1 관용구간부(260)는 상기 나이프부재(220)에 가해지는 측방향으로 가해지는 전단력을 지지할 수 있다.
상기 제2 관용구간부(250)는 상기 커팅롤(200)의 회전방향을 따라 상기 나이프부재(220)의 후방에 가해지는 변형량의 유격을 확보하는 부분이다.
이와 같이 나이프부재(220)의 전후방의 제1 및 제2 관용구간부(260, 250)를 통해 나이프부재(220)가 충분히 지지될 수 있어 손상 및 파손이 최소화되고 유지보수가 용이할 수 있다.
즉, 나이프부재(220)에 종래 대비 상대적으로 강한 전단력이 가해진다 하더라도 나이프부재(220)가 충분히 지지되고 변형 시 유격 확보도 가능해져 손상 및 파손이 최소화되고 유지보수가 용이할 수 있다.
한편, 기존 절단 설비는 전단력이 낮아 완제품 시 촙드 스트랜드의 모양이 일정치 못하고 절단면이 매끄럽지 못하여 제품 수율이 현저히 저하되는 문제점이 있었다. 특히, 강한 절단을 위해서는 탄소섬유 스트랜드를 견고히 바인딩하는 구조가 요구된다.
이에 본 실시예에서는 완충리브(230)의 선단에 볼록돌출구간부(270)가 마련될 수 있다. 상기 볼록돌출구간부(270)는 중앙이 제일 볼록하게 솟아있고 양측으로 갈수록 테이퍼진 형태로 마련되어 후술하는 오목함몰부(370)에 대응되어 치합 시 탄소섬유 스트랜드가 견고히 바인딩될 수 있다.
상기 프레싱롤(300)은 주로 도 3을 참조하면, 상기 나이프부재(220)가 수용되는 수용홈부(310); 및 상기 볼록돌출구간부(270)에 대응되는 오목함몰부(370)를 포함할 수 있다.
상기 수용홈부(310)에는 커팅 시 상기 나이프부재(220)가 수용되는 부분이다.
상기 오목함몰부(370)는 상기 볼록돌출구간부(270)에 대응되는 부분으로서, 중앙에 제일 함몰되어 있고 양측으로 갈수록 테이퍼진 형태로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 투입부(100)와 상기 커팅롤(200) 사이에 마련되어 상기 스트랜드의 일단을 일시적으로 바인딩하는 한쌍의 바인딩롤(400)이 마련될 수 있다.
이와 같이, 탄소섬유 스트랜드의 일단을 바인딩롤(400)이 잡아주고, 타단을 볼록돌출구간부(270) 및 오목함몰부(370)가 강하게 바인딩될수 있어 나이프부재(220)에 강한 커팅력이 가해질 수 있다.
이에 따라, 커팅 완성품인 촙드 스트랜드의 모양이 일정하고 절단면이 매끄러워 제품 수율이 현저히 향상되고 이로 인해 컴파운드 성형 시 집속력(퍼지볼현상)과 피딩성(정량투입)이 우수할 수 있다.
한편, 탄소섬유 스트랜드 절단장치는 상기 프레싱롤(300)을 구동하는 구동부(11)를 더 포함할 수 있다.
도 7을 주로 참조하면, 상기 프레싱롤(300)에 마련되는 제1 기어와 상기 커팅롤(200)의 제2 기어가 치합되어 프레싱롤(300)을 구동하여 커팅롤(200)이 구동될 수 있다.
또한, 상기 바인딩롤(400)에는 제3 기어(410)가 마련되며, 상기 제1 기어(320)와 제3 기어(410) 사이를 상호 연결하는 제4 기어(600)가 마련될 수 있어, 구동부(11)의 동력이 바인딩롤(400)을 구동시킬 수 있다.
상기 간격조절부(500)는, 주로 도 2를 참조하면 상기 바인딩롤(400)을 수용하는 수용하우징(510); 및 상기 수용하우징(510)에 연결되어 지지대(10)에 마련되는 브라켓에 슬라이딩 이동시키는 조절나사(520)를 포함할 수 있다.
이러한 간격조절부(500)를 통해, 투입되는 탄소섬유 스트랜드의 투입량에 따라 조절나사(520)를 조절하여 한쌍의 바인딩롤(400)의 간격을 조절할 수 있다.
이러한 구성을 통해, 바인딩롤(400)과 완충리브(230)의 볼록돌출구간부(270) 및 프레싱롤(300)의 오목함몰부(370)가 탄소섬유 스트랜드 양단을 견고히 바인딩하고 커팅될 수 있어 강한 전단력이 확보되어 촙드 스트랜드의 모양이 일정하고 절단면이 매끄러워 제품 수율이 현저히 향상되고 이로 인해 컴파운드 성형 시 집속력과 피딩성이 우수할 수 있으며 나이프부재(220)의 전후방의 제1 및 제2 관용구간부(260, 250)를 통해 나이프부재(220)가 충분히 지지될 수 있어 손상 및 파손이 최소화되고 유지보수가 용이하며 촙드스트랜드의 집속력을 유지하여 분진 발생량은 현저히 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 투입부 110 : 호퍼
120 : 직선구간부 200 : 커팅롤
210 : 나이프하우스 211 : 삽입홈
220 : 나이프부재 221 : 나이프지지구
230 : 완충리브 240 : 지지구간부
250 : 제1 관용구간부 260 : 제2 관용구간부
270 : 볼록돌출구간부 300 : 프레싱롤
310 : 수용홈부 370 : 오목함몰부
400 : 바인딩롤 500 : 간격조절부

Claims (8)

  1. 복수개의 사이징제 처리된 탄소섬유 스트랜드(carbon fiber strand)가 투입되는 투입부;
    나이프부재를 홀딩하는 나이프하우스와, 상기 나이프하우스 외면둘레에 배치되어 상기 스트랜드 커팅 시 상기 나이프부재의 측방 전단력을 완충시키는 완충리브를 포함하는 커팅롤;
    상기 완충리브 외면과 부분 접촉되며 상기 탄소섬유 스트랜드를 상기 커팅롤로 프레싱하는 프레싱롤;
    상기 투입부와 상기 커팅롤 사이에 마련되어 상기 탄소섬유 스트랜드의 일단을 일시적으로 바인딩하는 한쌍의 바인딩롤; 및
    한쌍의 상기 바인딩롤 중 어느 하나에 연결되어 상기 바인딩롤 간의 간격 위치를 조절하는 간격조절부를 포함하며,
    상기 완충리브는,
    상기 나이프부재의 일면을 지지하는 지지구간부;
    상기 커팅롤의 회전방향을 따라 상기 나이프부재의 전방에 마련되어 상기 나이프부재에 가해지는 전단력을 지지하는 제1 관용구간부; 및
    상기 커팅롤의 회전방향을 따라 상기 나이프부재의 후방에 가해지는 변형 시 유격을 확보하는 제2 관용구간부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 스트랜드 절단장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 완충리브는, 상기 바인딩롤과 접촉되는 볼록돌출구간부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 스트랜드 절단장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프레싱롤은,
    상기 나이프부재가 수용되는 수용홈부; 및
    상기 볼록돌출구간부에 대응되는 오목함몰부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 스트랜드 절단장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프레싱롤을 구동하는 구동부를 더 포함하며,
    상기 프레싱롤에 마련되는 제1 기어와 상기 커팅롤의 제2 기어가 치합되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 스트랜드 절단장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바인딩롤에는 제3 기어가 마련되며,
    상기 제1 기어와 제3 기어 사이를 상호 연결하는 제4 기어가 마련되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 스트랜드 절단장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 간격조절부는,
    상기 바인딩롤을 수용하는 수용하우징; 및
    상기 수용하우징에 연결되어 지지대에 마련되는 브라켓에 슬라이딩 이동시키는 조절나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 스트랜드 절단장치.
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