KR20150091612A

KR20150091612A - 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150091612A
Application number: KR1020140012050A
Authority: KR
Inventors: 최원석; 류승희
Original assignee: 한화첨단소재 주식회사
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2015-08-12
Also published as: KR101626305B1

Abstract

본 발명은 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법에 관한 것으로, 섬유테이프가 감겨 있고, 섬유테이프를 풀도록 회전되는 다수의 보빈을 구비한 크릴; 상기 크릴의 보빈으로부터 풀린 섬유테이프를 회전시키면서 편조하는 편조기; 상기 편조기로부터 편조된 편조물을 당겨 인출하는 제1인취기; 상기 인취기를 통해 인취된 편조물을 예열하는 예열기; 상기 예열기를 통해 예열된 편조물을 일정 형상과 모양을 갖도록 성형하는 성형금형; 상기 성형금형 내에서 성형된 후 이형된 성형품을 서서히 당겨 인출하는 제2인취기; 상기 제2인취기의 출구단에 설치되어 인출되는 성형품을 일정크기로 절단하는 커팅기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치를 제공한다.

Description

연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING COMPLEX MATERIALS WITH CONTINUOUS BRAIDING TYPE FIBER REINFORCED THERMOPLASTICITY RESINS}

본 발명은 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편조와 동시에 성형할 수 있도록 하여 가공성을 향상시키면서 동시에 연속 섬유강화 열가소성 복합재료의 단방향성 물성 강화 특성을 다방향성 물성을 개선할 수 있는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법에 관한 것이다.

산업분야 전반에서 특히 자동차 분야에서의 경량화 이슈가 대두 되면서 열가소성 복합재료는 가장 관심이 집중되는 소재이다.

기존 과거의 금속 대체의 경량화 대응 기술로써는 재생수지 제품과 열가소성 수지 사출이 주를 이루었지만, 이는 강도와 강성이 부족한 문제점이 있다.

이후에 개발이 진행된 분야는 유리섬유나 탄소섬유등의보강재를단섬유 형태로 수지에 분산시킨 컴파운드 소재인 SFT(Short -Fiber reinforced Thermoplastic)가 주를 이루었으나 이러한 소재들도 금속을 대체하기는 어려운 실정이다.

이를 해결하기 위한 방안으로 장섬유 또는 연속 섬유를 보강한 열가소성 복합재가 사용되고 있는 추세이다.

보다 자세하게는, 비 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재와 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재로 구분이 되어진다.

비연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재는GMT(Glass Mat Thermoplastic), G-LFT(Granule-Long Fiber reinforced Thermoplastic) 그리고 LFT-D(Direct Long Fiber reinforced Thermoplastic)로 분류 되어지며, 성형 방법상의 분류는 Compression Flow Molding은 GMT와 LFT-D으로, injection Molding은 LFT-D로 나뉘어진다.

연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재는 CFRTPC(Continuous-Fiber reinforced Thermoplastic)가 대표적이다.

열가소성 수지 제품의 경우 디자인 자유도 높은 사출 공정을 사용하기에 제품 성형에는 유리하지만, 물성을 만족하지 못하며, 엔지리어링열가소성 수지를 사용 할 경우 경제성에 합당하지 않게 된다.

따라서 자동차 내장재가 아닌 외장 구조 복합재인 범퍼 빔, 시트백 등과 같은 자동차 부품에 적용하기 위해서는 비 연속 섬유 열가소성 복합재를 단독 사용에 한계가 있으며, 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재를 단독 또는 혼합하여 사용하는 방안이 검토되고 있다.

이러한 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재는일방향의복합재로써 방향성에 따른 물성의 차이가 크기 때문에, 이를 해결하기 위하여 직조 형태의 복합재 시트를 사용하게 된다.

직조 형태의 열가소성 복합재를 제조하는 방법에 있어서, 직조와 편조로 나뉘어 질 수 있으며 각각의 장단점을 가지고 있다.

특히, 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재의 직조 형태는 설비가격이 고가이며, 공정 비용이 상승되는 문제가 있는 실정이다.

1. 등록특허 제1150469호(2012.05.21) 2. 등록특허 제1150470호(2012.05.21) 3. 공개특허 제2013-0139100호(2013.12.20) 4. 등록특허 제0471561호(2005.02.02)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재를 이용하여 복합재의 강도를 향상시키는 시도는 활발하게 시도되고 있는데, 비연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재와의 조합에 있어서 강도 향상이 단일 방향으로만 치우치게 되어지는 문제점을 보완할 수 있도록 한 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 연속 섬유가 보강된 열가소성 복합재를편조하여 단일 방향 물성 강도 향상을 다방향의 물성 향상이 될 수 있게 개선된 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치 및 방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 섬유테이프가 감겨 있고, 섬유테이프를 풀도록 회전되는 다수의 보빈을 구비한 크릴; 상기 크릴의 보빈으로부터 풀린 섬유테이프를 회전시키면서 편조하는 편조기; 상기 편조기로부터 편조된 편조물을 당겨 인출하는 제1인취기; 상기 인취기를 통해 인취된 편조물을 예열하는 예열기; 상기 예열기를 통해 예열된 편조물을 일정 형상과 모양을 갖도록 성형하는 성형금형; 상기 성형금형 내에서 성형된 후 이형된 성형품을 서서히 당겨 인출하는 제2인취기; 상기 제2인취기의 출구단에 설치되어 인출되는 성형품을 일정크기로 절단하는 커팅기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치를 제공한다.

이때, 상기 보빈은 풀림 잠금기능을 구비한 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 보빈에는 적어도 하나 이상의 UD형 섬유테이프를 포함하며, 상기 UD형 섬유테이프는 상기 편조기의 중심을 지나 회전되지 않고 직선상으로 인출되면서 그 양측에 다른 섬유테이프가 편조되는 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 편조기는 10-80°의 범위에서 편조하는 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 본 발명은 풀림 잠금기능을 갖는 크릴을 통해 섬유테이프를 풀어 주는 풀림단계; 풀린 섬유테이프를 회전시키면서 편조하는 편조단계; 편조된 편조물을 당겨 인출하는 제1인취단계; 인취된 편조물을 예열하는 프리히팅단계; 프리히팅된 편조물을 성형금형에 넣고 일정형상과 모양을 갖도록 가공하는 성형단계; 성형된 제품을 냉각조에 투입하여 냉각하는 냉각단계; 냉각된 제품을 서서히 인출하는 제2인취단계; 인취된 제품을 일정크기로 절단하는 커팅단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형방법도 제공한다.

이 경우, 상기 냉각단계에서의 냉각방법은 공냉 또는 수냉 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 소폭 다수의 테이프 형태의 연속 섬유강화 열가소성 복합재료를 편조하여 원통형의 복합재를 제조하는 방법으로 연속 섬유강화 열가소성 복합재료 내의 보강된 섬유의 일방향성을 다 방향성으로 개선함으로써 다 방향성에 대한 물성 보강 효과를 극대화 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제조된 원통형의 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료는 원통이나 중공형상의 튜브 그리고 시나 프로파일 형태로 2차 가공하여 비연속 섬유강화 열가소성 복합재와 다양한 형태로 조합되어 사용될 수 있다.

뿐만 아니라, 편조와 동시에 제품으로 성형할 수 있어 성형성 및 가공성이 향상되고, 가공품질이 증대되는 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료 제조예를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료 성형장치를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료 성형방법을 나타낸 공정순서도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 편조장치, 즉 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 제조는 크릴(Creel)(100), 편조기(200), 인취기(300) 및 권취기(400)를 통해 이루어진다.

이때, 상기 크릴(100)은 다수의 보빈(110)을 구비하며, 상기 보빈(110)은 보빈고정판(120) 상에 회전가능하게 구성된다.

뿐만 아니라, 상기 보빈(110)에는 일정폭의 테이프상을 갖는 연속 섬유강화 열가소성수지, 즉 섬유테이프(130)가 감겨 있다.

그리고, 상기 편조기(200)는 환편상으로 배열된 다수의 편조유닛(210)으로 인출된 섬유테이프(130)를 회전시키면서 중심봉(220) 쪽으로 인출하여 편조물을 원통형상으로 편조하는 기기이다.

특히, 본 발명에서는 단순히 섬유테이프(130)를 엇갈려 편조하는 방식이 아니라, 인라인상의 직선형 프리프레그인 UD(Unidirectional) 테이프를 사이에 두고 10-80°의 각도 범위에서 엇갈리게 편조되도록 구성되며, 이렇게 편조된 편조물은 원통형상을 이루게 된다.

한편, 상기 편조기(200)를 지난 편조물은 인취기(300)를 통해 당겨져 인출되고, 인취기(300)를 지난 편조물은 권취기(400)에 감겨 제품화되는 것이 보편적인 공정이며, 권취기(400)에 감긴 후 후속공정으로 이송되어 후속 가공을 통해 다양한 제품으로 가공될 수 있다.

여기에서, 기존 편조기는 유연성이 좋은 섬유의 형태나 유연성이 없는 금속 섬유로 된 테이프를 이용한 편조기가 대부분이기 때문에 소폭 테이프 형태의 연속 섬유강화 열가소성 복합재료의 경우 이를 적용하면 장력의 차이로 인하여 편조가 불규칙하게 된다.

또한, 소폭 테이프 형태의 연속 섬유강화 열가소성 복합재료는 탄성이 부족하기 때문에 기존의 섬유용 가이드를 사용 할 시 부러지는 현상이 발생하기 때문에 이를 보완하기 위해서 롤 형태의 가이드로의 변경과 섬유를 편조할 때 보다 큰 장력이 발생하기 때문에 보빈의 장착 방법을 잠금 체결 방식으로 변경하는 것이 바람직하다.

그런데, 본 발명에서는 별도의 후속 가공을 거치지 않고, 인취기(300)를 통해 인취되는 편조물을 그대로 금형상에 통과시켜 성형할 수 있도록 연속 성형가능하게 구현한 것을 주된 특징으로 한다.

즉, 상술한 기본적인 편조장치의 구성을 그대로 포함하면서 권취기(400)를 생략하고, 그 자리에 성형 가능한 장치를 연결하여 인취와 동시에 곧바로 성형가능하게 구성된다.

이를 위해, 도 2의 예시와 같이, 도 1에서의 인취기(300)는 제1인취기(300')로 용어가 변경되며, 후단에 성형 후 다시 인취할 수 있는 제2인취기(800)가 더 마련된다.

좀 더 구체적으로, 본 발명을 구성하는 성형장치의 주된 구성은, 크릴(100), 편조기(200), 제1인취기(300'), 예열기(500), 성형금형(600), 냉각조(700), 제2인취기(800) 및 커팅기(900)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 크릴(100), 편조기, 제1인취기(300')는 앞서 설명한 바와 같다.

그리고, 예열기(500)는 성형하기 적당한 온도로 미리 가열하여 편조물이 가소성을 갖도록 하기 위해 구비된다.

따라서, 상기 예열기(500)는 반드시 성형금형(600) 앞에 설치되어야 한다.

또한, 상기 성형금형(600)은 편조물을 원하는 제품 형상으로 가공하기 위한 몰드로서, 예열된 상태로 진입된 편조물을 프레스 방식으로 가공하여 성형하는 방식이 바람직하다.

뿐만 아니라, 성형금형(600)을 통해 성형된 후 이형된 성형제품은 냉각조(700)로 투입되어 냉각됨으로써 제품화되게 되는데, 상기 냉각조(700)는 냉각수를 이용한 냉각, 공기 냉각 방식의 냉각 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

아울러, 상기 제2인취기(800)는 이미 제품화된 상태의 편조물을 당겨야 하므로 폭이 넓고 낮은 속도로 인출할 수 있도록 구성되어야 한다.

그리고, 상기 제2인취기(800)의 후단에는 커팅기(900)가 설치되어, 제품을 일정크기로 절단하게 된다.

이러한 장치 구성을 이용하여 성형하는 방법은 도 3의 예시와 같이, 풀림 잠금기능을 갖는 크릴(100)을 통해 섬유테이프(130)를 풀어 주는 풀림단계; 풀린 섬유테이프(130)를 회전시키면서 편조하는 편조단계; 편조된 편조물을 당겨 인출하는 제1인취단계; 인취된 편조물을 예열하는 프리히팅단계; 프리히팅된 편조물을 성형금형(600)에 넣고 일정형상과 모양을 갖도록 가공하는 성형단계; 성형된 제품을 냉각조(700)에 투입하여 냉각하는 냉각단계; 냉각된 제품을 서서히 인출하는 제2인취단계; 인취된 제품을 일정크기로 절단하는 커팅단계;로 이루어진다.

여기에서, UD와 편조물의 적절한 조합이 일어나도록 크릴(100) 중 일부에서는 편조될 때 회전하지 않고 직진하도록 구성할 수 있다.

100: 크릴 200: 편조기
300': 제1인취기 500: 예열기
600: 성형금형 700: 냉각조
800: 제2인취기 900: 커팅기

Claims

섬유테이프가 감겨 있고, 섬유테이프를 풀도록 회전되는 다수의 보빈을 구비한 크릴;
상기 크릴의 보빈으로부터 풀린 섬유테이프를 회전시키면서 편조하는 편조기;
상기 편조기로부터 편조된 편조물을 당겨 인출하는 제1인취기;
상기 인취기를 통해 인취된 편조물을 예열하는 예열기;
상기 예열기를 통해 예열된 편조물을 일정 형상과 모양을 갖도록 성형하는 성형금형;
상기 성형금형 내에서 성형된 후 이형된 성형품을 서서히 당겨 인출하는 제2인취기;
상기 제2인취기의 출구단에 설치되어 인출되는 성형품을 일정크기로 절단하는 커팅기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치.
청구항 1에 있어서;
상기 보빈은 풀림 잠금기능을 구비한 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치.
청구항 1에 있어서;
상기 보빈에는 적어도 하나 이상의 UD형 섬유테이프를 포함하며, 상기 UD형 섬유테이프는 상기 편조기의 중심을 지나 회전되지 않고 직선상으로 인출되면서 그 양측에 다른 섬유테이프가 편조되는 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치.
청구항 1에 있어서;
상기 편조기는 10-80°의 범위에서 편조하는 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형장치.
풀림 잠금기능을 갖는 크릴을 통해 섬유테이프를 풀어 주는 풀림단계;
풀린 섬유테이프를 회전시키면서 편조하는 편조단계;
편조된 편조물을 당겨 인출하는 제1인취단계;
인취된 편조물을 예열하는 프리히팅단계;
프리히팅된 편조물을 성형금형에 넣고 일정형상과 모양을 갖도록 가공하는 성형단계;
성형된 제품을 냉각조에 투입하여 냉각하는 냉각단계;
냉각된 제품을 서서히 인출하는 제2인취단계;
인취된 제품을 일정크기로 절단하는 커팅단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형방법.
청구항 5에 있어서;
상기 냉각단계에서의 냉각방법은 공냉 또는 수냉 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 연속 편조 섬유강화 열가소성 복합재료의 성형방법.