KR102536971B1 - 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치 - Google Patents

롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치 Download PDF

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Abstract

롤러프레임과 연결된 서포터를 일체형으로 제작하여 프리프레그의 변형을 최소화하기 위한 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치가 개시된다. 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는, 개섬된 탄소섬유를 이동시키는 적어도 하나의 제1 롤러와; 상기 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키는 적어도 하나의 제2 롤러와; 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 지지하는 서포터와; 상기 서포터와 일체화된 구조를 가지고, 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 상기 서포터에 연결하는 롤러프레임을 포함한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 롤러프레임과 서포터를 일체형으로 제작하여 장치의 변형을 최소화시켜 균일한 품질의 프리프레그를 제공할 수 있다.

Description

롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치{PREPREG MANUFACTURING APPARATUS IN WHICH ROLLER FRAME AND SUPPORT ARE INTEGRATED}
본 발명은 프리프레그 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 롤러프레임과 연결된 서포터를 일체형으로 제작하여 프리프레그의 변형을 최소화하기 위한 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료는 고강도 및 고강성, 우수한 피로특성을 가지고 이방성의 기계적 물성을 가지기 때문에 제품 설계 시 요구되는 강도, 강성 등에 맞추어 설계가 가능한 설계 유연성을 가지므로 경량화가 요구되는 우주항공 산업, 방위산업, 자동차 산업 등의 제조업 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.
스포츠 산업에서의 복합재료의 이용은 세계적으로 빠르게 증가하는 추세로 국내에서도 2004년부터 단계적으로 시행에 들어간 주 5일 근무제의 영향으로 레저 스포츠 산업이 크게 성장하면서 복합재료를 이용한 고성능의 경량화 스포츠 용품 시장에 대한 요구가 커지고 있는 실정이다.
특히, 탄소강화 복합재료 제조기술을 이용한 소재의 초경량화, 에너지 친화성, 복합기능화는 매우 중요하며, 특히 탄소섬유의 나노화는 높은 비표면적과 aspect ratio에 따른 우수한 기계적 및 열적 특성, 경량성으로 인해 우주항공 산업뿐만 아니라 첨단 전자 정보 산업 등과 같은 여러 최첨단 산업분야에서 국제 경쟁력을 확보할 수 있는 것이다.
최근, 자전거 시장은 지속되는 고유가의 영향과 웰빙 열풍의 영향으로 빠르게 성장하고 있으며, 자전거 시장의 성장과 더불어 자전거 경량화에 대한 관심이 커지며 자전거 중량의 많은 부분을 차지하는 자전거 프레임 및 구동계의 경량화에 대한 연구가 요구되고 있다.
도로 경기용 사이클 자전거의 경기력 향상을 위하여, 나노카본 복합재료 기반 경량 자전거 구동계 관련 부품 소재 개발을 위한 고내열성 프리프레그(Prepreg) 및 고탄성 카본 소재 개발과 이를 활용한 구동계 관련 핵심 부품(크랭크 셋, 휠 림 등) 개발의 필요성이 시급하다.
그러나 국내 자전거 산업은 생산기반 및 부품 등에 대하여 수요를 충족시키지 못 하고 전량 수입에 의존하고 있기 때문에, 자전거 산업의 국내 설계 및 제조 기반 확보가 필요하며, 자체 개발을 통한 부품 국산화가 필요한 상황이다.
특히 카본 자전거의 경우 전량 수입에 의존함으로써 관련된 부품 산업조차 제대로 활성화되어 있지 못하며, 부품개발을 위한 소재 분야도 침체되어 있으므로, 국내 스포츠산업의 고도화 및 발전을 위하여 국내 자체 기술력으로 특성화된 소재 개발 및 부품개발이 필요하다.
자전거 부품이나 프레임 또는 림, 안장 등 특히 크랭크 셋의 바(고탄성율 프리프레그를 사용)를 제조 생산하기 위해 프리프레그를 먼저 제조해야 한다.
종래의 프리프레그 제조를 위한 장치는, 각 공정별로 롤러와 이를 지지하는 서포터 및 프레임이 각각 볼트로 체결되어 고하중의 섬유 및 수지가 지속적으로 공급되는 경우 하중을 견디지 못하고 볼트로 체결된 서포터와 프레임이 휘어지게 된다. 이러한 경우 롤러의 배치가 어긋나게 되어 불균일한 프리프레그가 생산되어 불량이 발생하게 문제가 발생하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치에 의해 제조된 프리프레그를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는, 개섬된 탄소섬유를 이동시키는 적어도 하나의 제1 롤러와; 상기 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키는 적어도 하나의 제2 롤러와; 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 지지하는 서포터와; 상기 서포터와 일체화된 구조를 가지고, 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 상기 서포터에 연결하는 롤러프레임을 포함한다.
여기에서, 상기 서포터는, 상기 롤러프레임과 동일한 재질로 제작될 수 있다.
여기에서, 상기 적어도 하나의 제2 롤러는, 열을 가하여 상기 개섬된 탄소섬유에 상기 에폭시 수지 또는 상기 탄소나노튜브를 함침시킬 수 있다.
여기에서, 상기 장치는, 상기 에폭시 수지 또는 상기 탄소나노튜브를 공급하기 위한 이형필름을 이동시키는 적어도 하나의 제3 롤러를 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 제3 롤러는, 상기 롤러프레임과 일체화된 서포터에 의해 지지될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치에 의해 제조된 프리프레그는, 개섬된 탄소섬유를 이동시키는 적어도 하나의 제1 롤러와; 상기 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키는 적어도 하나의 제2 롤러와; 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 지지하는 서포터와; 상기 서포터와 일체화된 구조를 가지고, 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 상기 서포터에 연결하는 롤러프레임을 포함하는 프리프레그 제조 장치에 의해 제조된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 롤러프레임과 서포터를 일체형으로 제작하여 장치의 변형을 최소화시켜 균일한 품질의 프리프레그를 제공할 수 있다.
또한, 롤러프레임과 서포터의 일체화를 통해 서포터와 롤러프레임 간의 분리를 해결, 유지비용 감소 및 프리프레그의 불량율을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
프리프레그(Prepreg)를 제조하는 방법은, 모재인 수지를 액상으로 하고 보강재인 Fiber/Fabrics를 함침시키는 Solvent Prepreg Process와 수지를 Film 형태로 만든 후 보강재에 함침시키는 Hot Melt Prepreg Process로 구분할 수 있다.
도 1을 참조하여 Hot Melt Prepreg Process를 설명한다.
Hot Melt Prepreg Process는 Fiber Creel로부터 Fiber Yarn을 직접 단일방향으로 가닥가닥 놓이게 하고, 수지의 공급은 Resin Hopper에서 이루어 지는데, 혼합된 수지와 경화제는 용제에 녹여져 있는 상태가 아닌 열에 의해 점도가 낮은 상태로 존재하며 종이 한쪽 면 위에 공급 접착된다. 이렇게 일방향으로 배열된 fiber 위에 한쪽 면에 수지가 접착된 종이가 부착되면서 진행된다. 이 때 종이에 접착된 수지와 섬유가 효과적으로 함침이 되도록 열과 압력을 가하여 압착하게 된다.
상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 프리프레그 제조 방법은, Fiber Creel, Spreader, Resin Hopper, Guide Roll 및 Compaction Roll 등을 포함하여 구성된 장치에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 탄소섬유는 Fiber Creel에서 해사(unwinding)되고, Fiber Creel에서 해사된 탄소섬유는 Spreader에 의해 개섬(開纖, opening)될 수 있다.
Top Paper과 Bottom Paper는 각각 이형지(이형필름)를 공급할 수 있고, Top Paper에 의해 공급되는 이형지 상에는 (에폭시) 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 공급될 수 있다. 상세하게는, Resin Hopper는 Top Paper에 의해 공급되는 이형지 상에 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)를 공급할 수 있고, Knife는 이형지 상에 공급되는 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)의 두께 등을 조절할 수 있다.
Top Paper과 Bottom Paper에서 공급되는 이형지는 Guide Roll에 의해 가이드되어 복수의 Compaction Roll를 통과할 수 있다.
또한, Spreader에 의해 개섬된 탄소섬유는 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 공급된 이형지와 함께 복수의 Compaction Roll를 통과함으로써 탄소섬유에 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 함침될 수 있다. 상세하게는, Compaction Roll는 압력과 열을 가하여 탄소섬유에 수지 또는 탄소나노튜브(CNT)를 함침시킬 수 있다.
수지 또는 탄소나노튜브(CNT)가 함침된 탄소섬유는 Slitter 및 Takeup 장치를 거치고 난 후, 후처리를 통해 프리프레그로 산출될 수 있다. 또한, 산출된 프리프레그에 대한 표면 처리가 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는, 개섬된 탄소섬유를 이동시키는 적어도 하나의 제1 롤러(11, 12, 13)와; 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키는 적어도 하나의 제2 롤러(21, 22)와; 적어도 하나의 제1 롤러(11, 12, 13)와 적어도 하나의 제2 롤러(21, 22)를 지지하는 서포터(51, 52)와; 서포터(51, 52)와 일체화된 구조를 가지고, 적어도 하나의 제1 롤러(11, 12, 13)와 적어도 하나의 제2 롤러(21, 22)를 서포터(51, 52)에 연결하는 롤러프레임(41, 42, 43, 44)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는 장치의 변형을 최소화시켜 탄소섬유 간 배열이 균일하게 제공하여 균일한 품질의 프리프레그 제조하기 위한 것으로서, 롤러프레임(41, 42, 43, 44)과 이를 연결하는 연결 서포터(51, 52)가 일체형으로 제작되어, 장치의 변형을 최소화시킬 수 있고, 이를 통하여 균일한 품질의 프리프레그를 제공할 수 있다. 예를 들어, 서포터(51, 52)는 롤러프레임(41, 42, 43, 44)과 동일한 재질로 제작될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는 각 공정별로 롤러(11, 12, 13, 21, 22)와 이를 지지하는 서포터(51, 52) 및 롤러프레임(41, 42, 43, 44)이 각각 볼트로 체결되어 롤러(11, 12, 13, 21, 22)가 배치되어 고하중의 섬유 및 수지가 지속적으로 공급되는 경우 하중을 견디지 못하고 볼트로 체결된 서포터(51, 52)와 롤러프레임(41, 42, 43, 44)이 휘어지는 경우 롤러(11, 12, 13, 21, 22)가 어긋나게 되어 불균일한 프리프레그가 생산되는 문제점을 해결할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는, 롤러(11, 12, 13, 21, 22)의 하중을 견디어 내는 강화소재를 이용하여 서포터(51, 52)와 롤러프레임(41, 42, 43, 44)의 일체화 설계를 통하여 서포터(51, 52)와 롤러프레임(41, 42, 43, 44) 간의 휘어짐 문제를 해결하여 유지비용 감소 및 프리프레그 불량을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 제2 롤러(21, 22)는 열을 가하여 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시킬 수 있고, 이를 위하여 적어도 하나의 제2 롤러(21, 22) 앞에 히터(30)가 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치는, 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 공급하기 위한 이형필름을 이동시키는 적어도 하나의 제3 롤러(미도시)를 더 포함할 수 있고, 적어도 하나의 제3 롤러는 롤러프레임과 일체화된 서포터(51, 52)에 의해 지지될 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치에 의해 제조되는 프리프레그를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 롤러프레임과 서포터를 일체형으로 제작하여 장치의 변형을 최소화시켜 균일한 품질의 프리프레그를 제공할 수 있다.
또한, 롤러프레임과 서포터의 일체화를 통해 서포터와 롤러프레임 간의 분리를 해결, 유지비용 감소 및 프리프레그의 불량율을 감소시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11, 12, 13: 제1 롤러
21, 22: 제2 롤러
30: 히터
41, 42, 43, 44: 롤러프레임
51, 52: 서포터

Claims (8)

  1. 개섬된 탄소섬유를 이동시키는 적어도 하나의 제1 롤러;
    상기 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키는 적어도 하나의 제2 롤러;
    상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 지지하는 서포터; 및
    상기 서포터와 일체화된 구조를 가지고, 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 상기 서포터에 연결하는 롤러프레임을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제2 롤러는,
    열을 가하여 상기 개섬된 탄소섬유에 상기 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키고,
    상기 서포터는,
    상기 롤러프레임과 동일한 재질로 그리고 일체로 제작되는, 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 에폭시 수지 또는 상기 탄소나노튜브를 공급하기 위한 이형필름을 이동시키는 적어도 하나의 제3 롤러를 더 포함하되,
    상기 적어도 하나의 제3 롤러는, 상기 롤러프레임과 일체화된 서포터에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치.
  5. 개섬된 탄소섬유를 이동시키는 적어도 하나의 제1 롤러;
    상기 개섬된 탄소섬유에 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키는 적어도 하나의 제2 롤러;
    상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 지지하는 서포터; 및
    상기 서포터와 일체화된 구조를 가지고, 상기 적어도 하나의 제1 롤러와 상기 적어도 하나의 제2 롤러를 상기 서포터에 연결하는 롤러프레임을 포함하는 프리프레그 제조 장치에 의해 제조되고,
    상기 적어도 하나의 제2 롤러는,
    열을 가하여 상기 개섬된 탄소섬유에 상기 에폭시 수지 또는 탄소나노튜브를 함침시키고,
    상기 서포터는,
    상기 롤러프레임과 동일한 재질로 그리고 일체로 제작되는, 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치에 의해 제조된 프리프레그.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 프리프레그 제조 장치는,
    상기 에폭시 수지 또는 상기 탄소나노튜브를 공급하기 위한 이형필름을 이동시키는 적어도 하나의 제3 롤러를 더 포함하되,
    상기 적어도 하나의 제3 롤러는, 상기 롤러프레임과 일체화된 서포터에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치에 의해 제조된 프리프레그.
KR1020170113430A 2016-09-13 2017-09-05 롤러프레임과 서포터가 일체화된 프리프레그 제조 장치 KR102536971B1 (ko)

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