KR200392754Y1 - 필라멘트 와인딩 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 필라멘트 와인딩 성형장치에 관한 것으로서, 다수개의 보빈과 수지함침조를 통해 보강섬유가 공급되는 섬유공급장치와; 상기 섬유공급장치에서 공급되는 보강섬유가 권선되는 멘드릴과; 상기 멘드릴과 별도로 마련되어 상기 멘드릴에 권선된 보강섬유를 경화시키기 위한 온도 또는 압력이 제어되는 경화조로 이루어지는 필라멘트 와인딩 성형장치에 있어서, 상기 멘드릴의 내측은 양단이 연통되도록 중공부가 형성되고, 상기 중공부를 통하여 상기 보강섬유가 열경화될 때 필요한 열을 제공하는 열원이 통과되어 상기 멘드릴의 내부에서 보강섬유의 경화열이 공급되며, 상기 경화조의 외부에는 열원공급장치가 마련되고, 상기 열원공급장치의 출구에는 주제어부가 구비되어 상기 열원공급장치에서 발생된 열원이 상기 주제어부의 제어를 받아 상기 멘드릴의 중공부로 유입되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치는 멘드릴의 구조를 변경하여 멘드릴의 내부에서 보강섬유의 경화시 필요한 열원을 공급하여 줌으로서, 보강섬유의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 성형품에 결함이 일어나는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 보강섬유의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 성형품의 내외측 표면이 고르게 성형됨으로서 탈형공정이 손쉬워지는 효과가 있다.

Description

필라멘트 와인딩 성형장치{Equipment for Filament-winding forming}

본 고안은 필라멘트 와인딩 성형장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필라멘트 와인딩 성형시 보강섬유가 권선되는 멘드릴의 양단이 연통되도록 내부에 중공부를 마련하고, 중공부를 통하여 보강섬유의 경화에 필요한 열을 공급함으로서, 보강섬유의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 개선된 탈형공정과 향상된 품질의 성형품을 얻을 수 있도록 하는 필라멘트 와인딩 성형장치에 관한 것이다.

통상적으로 복합재료를 성형하는 방법은 여러 가지가 있는데, 고분자 물질을 기지로 하는 복합재료의 성형방법으로는, 오토클레이브(Autoclave) 성형법, 진공백 성형법(Vacuum Bag Molding), 압축성형법(Compression Molding), 필라멘트 와인딩(Filament Winding), SMC 성형법(Sheet Molding Compound) 또는 BMC 성형법(Bulk Molding Compound), RTM 성형법(Resin Transfer Molding), 인발 성형법(Pultrusion), 열프레스 성형법 등이 있다.

이러한 방법들 중에서 원형 형태의 제품제조에 주로 사용되는 방법이 필라멘트 와인딩 성형법이다. 도 1에 도시한 바와같이 통상의 필라멘트 와인딩 성형장치는 다수개의 보빈(1)과 수지함침조(2)를 통해 보강섬유(6)가 공급되는 섬유공급장치(3)와; 상기 섬유공급장치(3)에서 공급되는 보강섬유(6)가 권선되는 멘드릴(4)과; 상기 멘드릴(4)과 별도로 마련되어 상기 멘드릴(4)에 권선된 보강섬유(6)를 경화시키기 위한 온도 또는 압력이 제어되는 경화조(5)로 이루어진다.

그리고 통상의 필라멘트 와인딩 공정은 수지가 함침된 화이버글라스(fiberglass:이하 "보강섬유"라 함)를 회전하는 멘드릴(mandrel;4) 위에 규칙적으로 감아서 정해진 두께에 도달시키고, 상기 멘드릴(4)을 경화조(5)에 투입한 후 경화조(5)를 적절한 온도 및 압력을 유지시켜 보강섬유(6)를 경화시키고, 이렇게 경화된 보강섬유(6)를 멘드릴(4)에서 탈형하여 줌으로서 최종제품을 얻는 성형공정이다. 이렇게 제조되는 성형품으로는 고압 파이프, 압력용기, 로켓 모터의 덮게, 테니스 라켓, 스키 폴 등 일반 산업용품 및 스포츠 레저용품 등이 있다.

하지만 통상의 필라멘트 와인딩 공정은 보강섬유가 권선된 멘드릴을 경화조(오븐)에 투입하여 경화조 내부의 온도 및 압력을 적절히 유지시킴으로 보강섬유를 경화시켜 성형품을 제조하는 것인데, 이때 보강섬유는 경화조 내부에 공급되는 온도 및 압력에 의해 외측부터 경화가 이루어져서 점점 내측으로 진행된다.

이렇게 경화의 진행방향이 외측에서 내측으로 진행되면 보강섬유의 수축방향도 경화의 진행방향과 동일하게 결정되어 보강섬유 내부에 잠재되어 있던 불순물 및 수분이 내측방향으로 이동되어 불순물은 멘드릴과의 접촉면으로 석출되고, 수분은 내측면으로 배출되면서 그 접촉면에 크랙을 만들기도 한다. 이렇게 석출된 불순물 또는 수분에 의한 크랙이 발생되면 멘드릴과 보강섬유의 접촉면이 고르지 못하게 되어 성형품의 품질을 떨어뜨리고, 이와더불어 성형품의 탈형도 어려워지는 문제점이 발생된다.

상기와 같은 탈형의 어려움 때문에 탈형을 손쉽게 하고자 멘드릴의 외주연을 테이핑 처리하는 방법, 멘드릴의 외주연에 윤활제를 바르는 방법과 같이 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 탈형공정이 늘어나는 것에 비하여 그 효율은 매우 낮은 형편이다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 멘드릴의 내부를 연통하는 중공부를 마련하고 이 중공부를 통하여 경화시에 필요한 열을 공급하여 주어 멘드릴에 권선된 보강섬유의 경화진행 방향을 개선하여 주고, 그와 동시에 경화조 내부의 온도 및 압력을 제어하여 성형품의 경화속도를 조절할 수 있도록 함으로서 불순물과 수분에 의한 결함 및 박리현상을 없애고, 탈형을 보다 손쉽게 할 수 있도록 하는 필라멘트 와인딩 성형장치 및 이 장치를 이용한 필라멘트 와인딩 성형방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치는 다수개의 보빈과 수지함침조를 통해 보강섬유가 공급되는 섬유공급장치와; 상기 섬유공급장치에서 공급되는 보강섬유가 권선되는 멘드릴과; 상기 멘드릴과 별도로 마련되어 상기 멘드릴에 보강섬유가 권선되어 제작된 성형품을 경화시키기 위한 온도 또는 압력이 제어되는 경화조로 이루어지는 필라멘트 와인딩 성형장치에 있어서, 상기 멘드릴의 내측은 양단이 연통되도록 중공부가 형성되고, 상기 중공부를 통하여 상기 성형품이 열경화될 때 필요한 열을 제공하는 열원이 통과되어 상기 멘드릴의 내부에서 성형품의 경화열이 공급되며, 상기 경화조의 외부에는 열원공급장치가 마련되고, 상기 열원공급장치의 출구에는 주제어부가 구비되어 상기 열원공급장치에서 발생된 열원이 상기 주제어부의 제어를 받아 상기 멘드릴의 중공부로 유입되는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치의 멘드릴을 나타내는 개략도이고, 도 2b는 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치의 멘드릴과 경화조를 나타내는 개략도이다.

도면에 도시한 바와같이 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치는 크게 수지함침조(2)를 통해 보강섬유(10)가 공급되는 섬유공급장치(3)와, 상기 섬유공급장치(3)에서 공급된 보강섬유(10)가 권선되는 멘드릴(20)과; 상기 멘드릴(20)과 별도로 마련되어 상기 멘드릴(20)에 권선된 보강섬유(10)의 경화를 제어하기 위한 온도 또는 압력이 제어되는 경화조(30)로 이루어진다.

상기의 섬유공급장치(3)는 다수개의 보빈(1)과 수지함침조(2)를 통해 보강섬유(10)를 공급하는 장치이다. 본 고안의 실시예에 적용되는 섬유공급장치(3)는 통상의 필라멘트 와인딩 성형장치에 사용되는 것과 동일한 것으로 당업자에게는 자명한 사실이므로 설명을 생략하겠다.

상기 멘드릴(20)은 양단으로 회전축(23)이 마련되고, 상기 회전축(23)을 포함하여 그 몸체의 내측으로 양단이 연통되도록 중공부(21)가 형성된다. 이렇게 마련된 멘드릴(20)은 종래의 멘드릴에 보강섬유(10)를 권선하듯이 회전축(23)을 회전시켜가며 멘드릴(20)의 외주연에 적절한 두께로 보강섬유(10)를 권선하여 성형품을 제작한다.

상기 멘드릴(20)은 중공부(21)에 공급되는 열원이 멘드릴(20)의 몸체를 통하여 그 외주연에 형성된 성형품에 공급되어야 하기 때문에 열전도율이 좋은 금속제로 마련되는 것이 바람직할 것이다.

상기 경화조(30)는 보강섬유(10)가 권선되어 성형품이 형성된 상기 멘드릴(20)을 거치시키고, 상기 멘드릴(20)의 경화에 필요한 열 및 압력을 공급하여 주는 수단으로서, 내부에 수용공간을 갖는 함체로 구성된다.

상기 경화조(30)의 양측으로는 상기 멘드릴(20)의 양쪽 회전축(23)이 삽입되는 연결부(31)가 각각 형성되고, 상기 연결부(31) 중 하나에는 상기 경화조(30)의 외부에 마련되는 열원공급장치(40)의 출구와 연결된다. 이때 상기 열원공급장치(40)의 출구에는 상기 멘드릴(20)의 내부로 유입되는 열원의 온도를 제어하는 주제어부(41)가 구비되어, 상기 열원공급장치(40)에서 발생된 열원이 상기 주제어부(41)의 제어를 받아 상기 멘드릴(20)의 중공부(21)로 유입되도록 한다.

상기 열원공급장치(40)는 성형품의 경화시 필요한 경화열을 직접 제공하는 것으로서, 그 열원은 멘드릴(20)에 형성된 중공부(21)의 직경에 따라 가열된 공기 또는 가열된 수증기 중 선택적으로 적용될 수 있다.

상기 열원공급장치(40)는 가열된 공기 또는 가열된 수증기를 제공할 수 있으면 어떠한 구성을 가져도 무방하겠으며, 그 구성은 당업자에게 공지된 기술로서 당업자가 본 고안을 구현시킬 때 곤란함이 없기에 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

그리고, 상기 연결부(31) 중 다른 하나에는 상기 멘드릴(20)을 통하여 성형품에 열을 공급하고 배출되는 열원을 상기 열원공급장치(40)로 순환시키는 순환배관(50)이 연결된다.

또한, 상기 경화조(30)에는 통상의 경화조와 마찬가지로 경화조(30) 내의 온도 및 압력을 공급하는 압력공급장치(60b) 및 열공급장치(60a)가 마련되고, 상기 압력공급장치(60b) 및 열공급장치(60a)에서 제공되는 온도 및 압력을 제어하여 상기 경화조(30) 내부로 유입시키는 보조제어부(61)가 마련된다.

이때 상기 순환배관(50)을 통해 배출되는 열원의 일부는 상기 멘드릴(20)의 중공부(21)를 통과한 후 상기 열공급장치(60a)로 순환되어 상기 보조제어부(61)에 의해 제어되어 상기 경화조(30)로 유입될 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치를 이용한 필라멘트 성형방법은 다음과 같다.

먼저 사용자는 섬유공급장치(3)를 이용하여 다수개의 보빈(1)에 권선된 보강섬유(10)를 수지함침조(2)에 함침한 다음 멘드릴(20)의 외주연에 적당한 두께로 권선(성형)한다.(성형단계)

성형이 마무리되면 멘드릴(20)을 경화조(30)의 내부에 위치시켜 경화시킨다.(경화단계)

이때 상기 멘드릴(20)의 회전축(23)을 경화조(30)에 구비된 연결부(31)에 연결한다. 그러면, 경화조(30)의 외부에 마련된 열원공급장치(40)와 멘드릴(20)의 중공부(21)가 연통된다.

이렇게 멘드릴(20)이 경화조(30)에 위치되면 열원공급장치(40)를 작동시켜 보강섬유(10)가 경화되는데 필요한 열을 멘드릴(20)의 중공부로 공급하여 줌으로써 멘드릴(20)의 온도를 조절한다. 이때 열원공급장치(40)를 통하여 공급되는 열원의 온도는 주제어부(41)에 의해 제어되어 수지를 경화하는데 바람직한 온도인 섭씨 100 ~ 120도를 유지하는 것이 바람직할 것이다.

상기와 같이 멘드릴(20)의 중공부(21)로 열원이 통과되면 멘드릴(20)의 온도가 상승되어 멘드릴(20)의 외주연에 성형되어 있는 성형품이 경화되기 시작한다. 이때 성형품의 경화는 멘드릴(20)과 접촉한 면 즉, 성형품의 내주연부터 경화가 일어난다. 그러면, 성형품의 내부에 포함되어 있던 수분 및 불순물이 점점 외측으로 밀려 아직 경화가 이루어지지 않은 성형품의 외주연을 통하여 배출되게 되고, 성형품의 수축도 경화진행 방향과 마찬가지로 일어나서 성형품은 내부에 불순물을 첨가 및 크랙의 발생 없이 내주연 및 외주연의 표면이 고르게 형성된다.

이때 상기 경화조(30)의 내부 온도 및 압력을 보조제어부(61)에서 적절히 제어하여 성형품의 경화속도를 제어할 수 있다. 이때 경화조(30) 내의 내부 온도는 상기 멘드릴(20)의 온도보다 낮도록 유지하는 하여야 하며, 바람직하게는 섭씨 10 ~ 70도를 유지하는 것이 바람직하다. 이렇게 성형품의 경화속도를 제어함으로 성형품의 경화시 일어날 수 있는 급속한 수축에 의한 결함의 방지 및 성형품의 품질을 개선할 수 있다.

이렇게 경화가 마무리되면 통상의 탈형방법을 통하여 멘드릴(20)에서 성형품을 분리한다.(탈형단계)

따라서, 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치는 멘드릴의 구조를 변경하여 멘드릴의 내부에서 성형품의 경화시 필요한 열원을 공급하여 줌으로서, 성형품의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 성형품에 결함이 일어나는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 성형품의 경화진행 방향 및 수축방향을 개선하여 성형품의 내외측 표면이 고르게 성형됨으로서 탈형공정이 손쉬워지는 효과가 있다.

그리고, 경화에 필요한 열원을 멘드릴의 내부로 공급하여 성형품의 경화를 촉진하고, 멘드릴의 외부 즉, 경화조에는 보조수단으로 온도 및 압력을 제어함으로서 보강섬유의 경화속도를 조절할 수 있게 됨으로서 성형품의 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 열원공급장치에서 발생된 열원이 멘드릴을 통과한 후 다시 순환배관을 통하여 열원공급장치 또는 열공급장치로 순환되어 사용됨으로서 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 필라멘트 와인딩 성형장치를 나타내는 개략도이고,

도 2a는 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치의 멘드릴을 나타내는 개략도이며,

도 2b는 본 고안에 따른 필라멘트 와인딩 성형장치의 멘드릴과 경화조를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 보빈 2: 수지함침조

3 : 섬유공급장치 10 : 보강섬유

20 : 멘드릴 21 : 중공부

23 : 회전축 30 : 경화조

31 : 연결부 40 : 열원공급장치

41 : 주제어부 50 : 순환배관

60a : 열공급장치 60b : 압력공급장치

61 : 보조제어부

Claims (5)

1. 다수개의 보빈과 수지함침조를 통해 보강섬유가 공급되는 섬유공급장치와; 상기 섬유공급장치에서 공급되는 보강섬유가 권선되는 멘드릴과; 상기 멘드릴과 별도로 마련되어 상기 멘드릴에 권선된 보강섬유를 경화시키기 위한 온도 또는 압력이 제어되는 경화조로 이루어지는 필라멘트 와인딩 성형장치에 있어서,

   상기 멘드릴(20)의 내측은 양단이 연통되도록 중공부(21)가 형성되고, 상기 중공부(21)를 통하여 상기 보강섬유(10)가 열경화될 때 필요한 열을 제공하는 열원이 통과되어 상기 멘드릴(20)의 내부에서 보강섬유(10)의 경화열이 공급되며,

   상기 경화조(30)의 외측에는 열원공급장치(40)가 마련되고, 상기 열원공급장치(40)의 출구에는 주제어부(41)가 구비되어 상기 열원공급장치(40)에서 발생된 열원이 상기 주제어부(41)의 제어를 받아 상기 멘드릴(20)의 중공부(21)로 유입되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 성형장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 경화조(30)에는 멘드릴(20)에 권선된 보강섬유(10)의 경화속도를 제어할 수 있도록 상기 경화조(30) 내부의 온도 또는 압력을 제어하는 보조제어부(61)가 마련되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 성형장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열원공급장치(40)에서 발생된 열원은 상기 멘드릴(20)의 중공부(21)를 통과한 후 순환배관(50)을 통하여 상기 열원공급장치(40)로 순환되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 성형장치.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 열원은 가열된 공기 또는 가열된 수증기인 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 성형장치.
5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 열원공급장치(40)에서 발생된 열원의 일부는 상기 멘드릴(20)의 중공부(21)를 통과한 후 순환배관(50)을 통하여 상기 보조제어부(61)에 의해 제어되어 상기 경화조(30)로 유입되는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 성형장치.