KR20150121312A

KR20150121312A - 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치

Info

Publication number: KR20150121312A
Application number: KR1020140046450A
Authority: KR
Inventors: 이우일; 노정우; 최원석; 이재섭; 변의현
Original assignee: 한화첨단소재 주식회사; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2015-10-29
Also published as: KR102162865B1

Abstract

본 발명은 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치에 관한 것으로서, 공급되는 섬유 다발을 펼쳐 배출하는 섬유 광폭화 장치에 있어서, 상기 섬유 다발의 이동방향으로 평롤과 컨벡스롤이 상기 이동방향에 직교하는 회전축을 가지고 배치되며, 상기 섬유 다발은 평롤과 컨벡스롤의 외주면을 상하 지그재그로 걸쳐 이동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연속섬유 강화 복합소재의 함침 공정에 연속적으로 공급되는 섬유 다발의 균일성과 광폭성을 향상시켜서 함침성과 생산성을 극대화 할 수 있는 섬유 광폭화 장치가 제공된다.

Description

연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치 {FIBER SPREADING DEVICE FOR MANUFACTURING SYSTEM OF CONTINUOUS FIBER REINFORCED COMPOSITES HAVING THE SAME}

본 발명은 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수지 함침 공정에 연속적으로 공급되는 섬유 다발의 균일성과 광폭성을 향상시켜 함침성 및 생산성을 극대화할 수 있는 섬유 광폭화 장치에 관한 것이다.

섬유 강화 고분자 복합재료는 강화재인 섬유와 모재인 수지로 이루어진다.

복합재료의 기계적 강도가 증가하는 원인에는 여러가지가 있지만, 일반적으로 모재 내 섬유의 길이가 길수록 강도가 증가하는 경향을 갖는다.

이에, 섬유를 절단하지 않고 연속된 섬유 다발에 수지를 함침하여 복합재료를 만들게 되면 높은 물성을 갖는 소재를 구현할 수 있다.

이와 같이 미리 수지를 연속섬유에 함침한 테이프 형의 섬유 강화 고분자 복합재료를 프리프레그(Prepreg)라고 한다.

하지만, 연속 섬유의 경우, 수지의 함침이 어려운데 이는 열 경화성 수지 보다 열 가소성 수지의 경우 수지의 점도가 상대적으로 높아 함침이 더욱 어려워 지는 문제가 있다.

때문에, 섬유 다발을 연속적으로 펼쳐 수지를 함침하는 것을 통해, 기존의 연속 섬유 강화 복합재료 제조시스템에서 함침성과 생산성을 개선할 수 있다.

하지만, 섬유 광폭화에 있어 섬유 다발의 당김속도가 빨라질수록 광폭화 장치에서의 섬유 파손과 균일성이 떨어지게 되는 문제가 있다.

섬유 광폭화를 위해 다양한 선행 기술이 개시된 바 있으나, 분당 30 m 이상 고속으로 광폭화 된 섬유 다발의 균일성과 광폭화 향상에 한계가 따르는 문제점이 있었다.

1. 유럽공개특허 제0467313호 2. 미국특허 제8,490,253호 3. 논문(The design and optimisation of a rig to enable the lateral spreading of fiber bundles)(Journal of Composite Materials, USA, 2013)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 수지 함침 공정에 연속적으로공급되는 섬유 다발의 균일성과 광폭성을 향상시켜 함침성 및 생산성을 극대화할 수 있도록 함에 있다.

본 발명의 상기한 목적은, 공급되는 섬유 다발을 펼쳐 배출하는 섬유 광폭화 장치에 있어서, 상기 섬유 다발의 이동방향으로 평롤과 컨벡스롤이 상기 이동방향에 직교하는 회전축을 가지고 배치되며, 상기 섬유 다발은 평롤과 컨벡스롤의 외주면을 상하 지그재그로 걸쳐 이동하는 것을 특징으로 하는 섬유 광폭화 장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 평롤과 컨벡스롤은 상호 번갈아 배치되며, 첫 평롤의 폭은 초기 섬유 다발의 폭과 일치하는 것이 바람직하다.

그리고, 컨벡스롤은 장축(L)과 단축(D)의 비율(L/D)이 1.3~10 이고, 컨벡스롤의 단축(D) 반경은 2.5 mm 내지 200 mm 인 것이 바람직하다.

한편, 평롤과 컨벡스롤은 모두 복수로 마련될 수 있다.

또한, 컨벡스롤 후방에 위치하는 평롤의 폭은 컨벡스롤 전방의 평롤의 폭의 1.1~2.5배 이상을 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 인접하는 롤들의 회전축선은 상호 높낮이를 갖되, 인접하는 롤들 중 상단에 위치하는 롤과 상대적으로 하단에 위치하는 롤 사이에 높낮이는 양 롤의 평균 반경 범위 내에 위치하는 것이 효과적이다.

뿐만 아니라, 평롤과 컨벡스롤의 양 단부 외주에는 원주 방향을 따라 외향 돌출된 플랜지가 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

아울러, 상대적으로 상단에 위치하는 롤과 하단에 위치하는 롤 사이에 높낮이는 양 롤의 평균 직경을 d_m=(d₁+d₂)/2 이라 할 때, 각 롤의 회전축을 기준으로 -10d_m 내지 10d_m의 높낮이를 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 섬유 광폭화 장치는 섬유 다발의 이동방향으로 배치된 평롤과 컨벡스롤에 의해 하나의 섬유 광폭화 유도 경로가 형성되며, 상기 섬유 광폭화 유도 경로가 회전축선 방향을 따라 복수로 병렬 배치되어 있는 형태일 수 있다.

여기서, 병렬방향으로 배치되는 롤들은 일체로 형성되거나, 이격 배치될 수 있다.

나아가, 병렬방향으로 배치되는 롤들은 수직방향으로 롤의 이동경로가 중첩되지 않는 높낮이로 이격 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연속섬유 강화 복합소재의 함침 공정에 연속적으로 공급되는 섬유 다발의 균일성과 광폭성을 향상시켜서 함침성과 생산성을 극대화 할 수 있는 섬유 광폭화 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유 광폭화장치의 기본 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 섬유 광폭화장치의 작동예를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 섬유 광폭화장치에 사용되는 컨벡스롤의 조건을 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 광폭화장치를 통해 복수의 로빙예를 설명하는 개념도이다.

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.

본 발명에 따른 섬유 광폭화장치는 도 1 및 도 2의 예시와 같이, 평롤(R1,R2,R3) 다수개와 컨벡스롤(Convex Roll)(C1,C2,C3) 다수개가 상호 교대로 반복 설치되고, 광폭화를 위한 섬유 다발(FB)이 이들을 지그재그로 통과하도록 구성된다.

그리고, 섬유 광폭화장치의 최종단에는 텐션롤가이드(TR)가 설치되어 광폭화, 즉 스프레딩된 섬유 다발(FB)을 수평상태로 쫙 펼쳐서 정해진 폭으로 직선 안내되게 하여 도시되지 않은 권취롤에 권취되도록 안내한다.

뿐만 아니라, 상기 다수개의 평롤(R1,R2,R3)과, 다수개의 컨벡스롤(Convex Roll)(C1,C2,C3) 각각은 양단에 플랜지(F)가 구비되어 스프레딩되는 섬유 다발(FB)이 이탈되지 않도록 방지하게 된다.

이때, 섬유 다발(FB)의 초기 진입 위치에 설치된 롤은 평롤(R1)로부터 시작해야 한다.

특히, 상기 섬유 다발(FB)은 끊어지지 않으면서 충분히 인장되어 스프레딩될 수 있도록 컨벡스롤(C1,C2,C3)을 기준으로 그 앞,뒤에 설치된 평롤(R1,R2,R3)의 폭이 해당 컨벡스롤(C1,C2,C3)의 폭 보다는 작아야 하며, 앞,뒤에 설치된 평롤(R1,R2,R3)의 경우에도 뒤에 설치된 평롤이 앞에 설치된 평롤보다 더 큰 폭을 가져야 한다.

이렇게 구성해야 하는 이유는 섬유 다발(FB)이 순차적으로 퍼지면서 균일성을 갖도록 하기 위함이며, 퍼지는 정도가 현저히 차이나게 되면 섬유 다발(FB)이 부분적으로 끊어지는 현상이 발생하므로 제품 품질이 급격히 떨어지게 된다.

이와 같이, 당겨지는 섬유 다발(FB)은 퍼졌다 좁아졌다를 반복하면서 스프레딩되게 된다.

한편, 상기 컨벡스롤(C1,C2,C3)은 도 3의 예시와 같이, 곡률면은 장축(L)과 단축(D)의 비율로 결정되는데, 이 비율(L/D)이 1.3~10이 바람직하며, 곡률면의 단축(D) 반경은 2.5mm~200mm를 유지함이 바람직하다.

만약, 상기 범위를 벗어나 곡률면이 원에 가깝게 커지게 되면 퍼지는 효과는 좋지만 편차가 커 불균일한 스프레이딩이 발생되고, 곡률면이 평면에 가깝게 작아지게 되면 쏠림은 적어 균일성은 증대되지만 퍼지는 효과가 거의 없어 스프레딩이 안되는 문제가 생긴다. 때문에, 상기 범위로 한정되어야 한다.

이는 앞서 설명하였듯이, 급격한 퍼짐을 막고 순차적으로 균일하게 퍼질 수 있도록 하기 위함이다.

즉, 상대적으로 상단에 위치하는 롤과 하단에 위치하는 롤 사이에 높낮이는 양 롤의 평균 직경을 d_m=(d₁+d₂)/2 이라 할 때, 각 롤의 회전축을 기준으로 -10d_m 내지 10d_m의 높낮이를 갖는 것이 바람직하다.

이때, d₁, d₂는 상단 위치롤과 하단 위치롤의 각 직경을 의미하는데, 컨벡스롤일 경우에는 단축의 길이를 의미한다.

그리고, 상기 섬유 광폭화 장치는 섬유 다발(FB)의 이동방향으로 배치된 평롤(R1,R2,R3)과 컨벡스롤)(C1,C2,C3)에 의해 하나의 섬유 광폭화 유도 경로가 형성됨이 바람직하며, 상기 섬유 광폭화 유도 경로가 회전축선 방향을 따라 복수로 병렬 배치되어 있는 형태일 수 있다.

그리고, 병렬방향으로 배치되는 롤들은 수직방향으로 롤의 이동경로가 중첩되지 않는 높낮이로 이격 배치될 수 있다.

예컨대, 도 4의 (a)와 같이 수평방향으로 일정간격을 두고 다수의 롤(ROLL)(평롤, 컨벡스롤 모두 포함)을 이격설치하여 스프레딩되는 폭을 더욱 크게 할 수 있다.

이 경우, 이격된 간격만큼 최종단인 텐션롤가이드(TR)에서 스프레딩되지 못하고 간격이 벌어지는 현상이 발생될 수 있는데, 이런 경우라면 도 4의 (b)와 같이 롤(ROLL)들을 상하로 간격을 두고 중첩시키게 되면 상기 현상없이 균일하고 원활한 스프레딩이 가능하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 섬유 광폭화장치는 컨벡스롤이 개념을 도입함으로써 원활하면서도 효율적인 섬유 다발(FB) 스프레딩을 가능하게 하여 준다.

R1,R2,R3: 평롤 C1,C2,C3: 컨벡스롤
F: 플랜지 FB: 섬유 다발

Claims

공급되는 섬유 다발을 펼쳐 배출하는 섬유 광폭화 장치에 있어서,
상기 섬유 다발의 이동방향으로 평롤과 컨벡스롤이 상기 이동방향에 직교하는 회전축을 가지고 배치되며,
상기 섬유 다발은 평롤과 컨벡스롤의 외주면을 상하 지그재그로 걸쳐 이동하는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 평롤과 컨벡스롤은 상호 번갈아 배치되며, 첫 평롤의 폭은 초기 섬유 다발의 폭과 일치하는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 컨벡스롤은 장축(L)과 단축(D)의 비율(L/D)이 1.3~10 이고, 컨벡스롤의 단축(D) 반경은 2.5 mm 내지 200 mm 인 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 평롤과 컨벡스롤은 모두 복수로 마련된 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 컨벡스롤 후방에 위치하는 평롤의 폭은 컨벡스롤 전방의 평롤의 폭의 1.1~2.5배 이상을 가지는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 평롤 및 컨벡스롤들 다수의 롤들 중 인접하는 롤들의 회전축선은 상호 높낮이를 갖되, 인접하는 롤들 중 상단에 위치하는 롤과 상대적으로 하단에 위치하는 롤 사이에 높낮이는 양 롤의 평균 반경 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 평롤과 컨벡스롤의 양 단부 외주에는 원주 방향을 따라 외향 돌출된 플랜지가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
상기 평롤 및 컨벡스롤들 다수의 롤들 중 상대적으로 상단에 위치하는 롤과 하단에 위치하는 롤 사이에 높낮이는 양 롤의 평균 직경을 d_m=(d₁+d₂)/2 이라 할 때, 각 롤의 회전축을 기준으로 -10d_m 내지 10d_m의 높낮이를 갖는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 1에 있어서;
상기 섬유 다발의 이동방향으로 배치된 평롤과 컨벡스롤에 의해 하나의 섬유 광폭화 유도 경로가 형성되며, 상기 섬유 광폭화 유도 경로가 회전축선 방향을 따라 복수로 병렬 배치되어 있는 형태인 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 9에 있어서;
상기 병렬방향으로 배치되는 롤들은 일체로 형성되거나, 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.
청구항 9에 있어서;
상기 병렬방향으로 배치되는 롤들은 수직방향으로 롤의 이동경로가 중첩되지 않는 높낮이로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 연속섬유강화 복합재료 제조시스템의 효율 향상을 위한 섬유 광폭화 장치.