KR20190061650A - 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법 - Google Patents

다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

복수 열의 섬유를 동시에 인출하면서 프리폼의 형태로 배열하도록 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 일 양상에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치는, 강화 섬유를 테이블(22) 상에서 적층하여 섬유 프리폼(preform)을 제조하기 위해, 상기 테이블(22)로 상기 강화 섬유를 공급하여 적층시키는 장치로서, 강화섬유 공급 로봇(30), 에지 고정 로봇(40)를 포함한다. 강화섬유 공급 로봇(30)은 표면에 열가소성 수지가 도포된 다수의 강화섬유를 정해진 길이로 공급하고, 에지 고정 로봇(40)은 상기 열가소성 수지가 융해되어 상기 강화섬유가 접착되는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 인출된 강화섬유의 단부를 상기 테이블(22)에 눌러 고정시킨다.
특히, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)은, 표면에 열가소성 수지가 도포된 강화섬유(F)가 감겨진 복수의 릴(33), 상기 복수의 릴(33)로부터 인출된 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)로 이송시켜 공급하는 복수의 공급롤러(34), 상기 공급롤러(34)를 통하여 공급되는 상기 강화섬유(F)를 정해진 길이로 절단하는 커터(36), 및 상기 커터(36)에 의해 절단된 상기 강화섬유(F)의 단부를 상기 테이블(22)에 밀착시키는 압착롤러(37)를 포함한다.

Description

다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법{FIBER STACKING APPARATUS AND MEHTOD FOR MANUFACTURING DIRECT PREFORM}
본 발명은 섬유 강화 수지의 중간제품인 프리폼을 제조하기 위해 섬유를 적층하는 섬유 적층 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수 열의 섬유를 동시에 인출하면서 프리폼의 형태로 배열하도록 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.
유리섬유, 탄소 섬유 또는 나일론 섬유 등의 강화섬유와 수지의 복합재료인 섬유 강화 수지(Fiber Reinforced Plastics, FRP)은 가볍고 강도가 우수하여 산업 전반에서 폭넓게 적용하게 되고 있다.
특히, 가볍고 강도가 우수한 기계적인 특성을 이용하여 최근에는 차량의 외장재로도 각광받고 있다. 수지는 경도는 우수한 반면 인장강도가 약하지만, 이를 상기 강화섬유가 보강하므로, 상기 차량의 외장재로 적용하면, 차량의 경량화가 가능하여 연비를 향상시킬 수 있다.
이와 같은 섬유 강화 수지를 제조하는 방법으로 소정의 형재에 판상의 프리프레그(강화 섬유에 미리 매트릭스 수지를 함침한 것)를 적층한 후, 가열 경화하여 성형하는 방법이 있다. 상기 프리프레그를 수작업으로 적층하면, 자유로운 형상으로 적층하는 것이 가능하지만, 상기 프리프레그의 크기가 커지면 작업시간이 길어지고, 작업자의 숙련도에 따라 제품의 품질이 좌우되는 문제점이 있었다.
이를 해소하고자, 자동으로 상기 강화섬유를 적층하는 방법이 있다. 상기 강화수지에 미리 수지가 함침된 프리프레그를 맨드릴 표면을 가압하면서 적층함과 동시에, 별도로 구비된 가열 장치나 오토클레이브 등에 의해 함침된 수지를 용융하여 고착하여 가는 성형 방법이다. 그러나, 상기와 같이, 이는 비용이 많이 들고, 대형의 프리프레그를 수용할 수 있는 대형의 오토클레이브가 필요하게 된다.
이에 프리프레그를 이용한 성형 방법보다는 성형 사이클을 단축할 수 있도록 섬유 프리폼(preform, 수지가 충전되지 않은 섬유만의 형태를 갖는 것)을 만든 후 수지를 함침하여 FRP를 제조하는 수지충진성형법(Resin Transfer Molding, RTM)의 적용이 확대되고 있다.
도 1에는 상기 RTM법으로 자동차 부품을 제조하는 공정이 도시되어 있는데, 먼저, 섬유로 섬유 시트를 제작하고 재단한다. 이후, 최종 성형품의 형상에 대응되게 형성된 워크피스의 상부면에 상기 섬유 시트를 적층시켜 상기 프리폼이 제작된다. 상기 프리폼을 가열된 상부금형과 하부금형 사이에 배치한 상태에서 일측으로는 수지를 가압된 상태로 상기 금형으로 주입하고 타측에서는 상기 상부금형과 상기 하부금형 사이에 존재하는 공기를 흡입하여 제거한다.
그러나, 상기 RTM법은 상기 워크피스의 모서리 영역에서 접착제 또는 별도의 기구를 이용하여 상기 섬유를 상기 워크피스에 고정하면서 작업해야 하므로, 작업시간이 많이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 섬유 가닥 하나 하나마다 점착제 도포부, 냉각부, 가열부 및 절단부를 구비하여야 하므로 배열헤드(워크피스에 섬유를 적층시키는 부분)의 구성이 복잡하고, 상기 배열헤드 내부에서 접착제가 가열부에 의해 응고와 용융상태를 반복하여 상기 배열헤드가 쉽게 오염된다.
미국등록특허 US8,312,907(2012.11.20)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 강화섬유 프리폼을 형성하기 위해 강화섬유의 적층시 동시에 복수의 가닥이 직접 테이블에 배열되도록 하면서, 상기 복수의 가닥의 강화섬유를 한 번에 절단 또는 한가닥씩 절단할 수 있으며, 가열부가 필요하지 않는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 강화 섬유를 인출하는 로봇과 이를 고정하는 로봇을 분리하여 작동되도록 함으로써 신속하면서도 원하는 형상으로 적층되도록 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 강화섬유의 인출시 건조한 상태로 인출되도록 함으로써, 상기 강화섬유의 인출로 인한 오염을 최소화할 수 있는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치는, 강화 섬유를 테이블 상에서 적층하여 섬유 프리폼(preform)을 제조하기 위해, 상기 테이블로 상기 강화 섬유를 공급하여 적층시키는 프리폼 제조용 섬유 적층 장치에 있어서, 표면에 열가소성 수지가 도포된 다수의 강화섬유를 정해진 길이로 공급하는 강화섬유 공급 로봇; 상기 열가소성 수지가 융해되어 상기 강화섬유가 접착되는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 인출된 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 눌러 고정시키는 적어도 하나 이상의 에지 고정 로봇;을 포함하고, 상기 강화섬유 공급 로봇은, 표면에 열가소성 수지가 도포된 강화섬유가 감겨진 복수의 릴; 상기 복수의 릴로부터 인출된 강화섬유를 상기 테이블로 이송시켜 공급하는 복수의 공급롤러; 상기 공급롤러를 통하여 공급되는 상기 강화섬유를 정해진 길이로 절단하는 커터; 및 상기 커터에 의해 절단된 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 밀착시키는 압착롤러;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 강화 섬유 공급 로봇은, 상기 복수의 릴은 정해진 개수가 동축상에 설치되어 릴유닛을 구성하고, 상기 릴유닛은 복수로 마련되어 서로 이격된 위치에서 상기 릴유닛의 축이 서로 평행하게 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 서로 인접할 릴유닛의 릴로부터 인출된 강화섬유를 취합하여 상기 압착롤러로 공급할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 커터는 상기 복수의 공급롤러 중에서, 상기 강화섬유가 최종적으로 통과하는 공급롤러와 상기 압착롤러 사이에 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 커터는 상기 복수의 강화섬유와 같은 수로 설치되어, 각각의 강화섬유는 서로 독립적으로 커팅될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 커터는 상기 복수의 강화섬유를 모두 커버하는 폭으로 형성되어, 동시에 상기 복수의 강화섬유를 커팅할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 압착롤러는 상기 복수의 릴로부터 인출된 강화섬유를 동시에 상기 테이블로 가압시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 압착롤러는 내부에 가열수단이 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 테이블은 이송프레임에 주행가능하게 설치되는 작업대의 상부에 설치되고, 상기 작업대는 상기 테이블을 회전 및 틸팅시키는 테이블 자세제어부를 포함하며, 상기 테이블은 상기 강화섬유에 도포된 열가소성 수지를 용융시키는 가열수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 에지 고정 로봇은, 복수의 링크와 관절로 이루어지는 로봇암의 단부에 커팅된 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블로 밀착시키는 가압부가 설치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 에지 고정 로봇은 서로 이격되어 복수로 설치되고, 어느 하나의 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 공급된 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 고정하고 있는 동안 나머지 에지 고정 로봇은 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 상기 테이블로 상기 강화섬유를 공급할 수 있도록 상기 테이블과 이격된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 이송프레임의 일측에는 상기 성형된 강화섬유 프리폼를 후공정을 위해 상기 작업대로부터 상기 강화섬유 프리폼을 수지와 함침되는 후공정을 수행하는 성형부로 공급하는 언로딩 로봇을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 양상에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법은, 표면에 열가소성 수지가 도포된 다수의 강화섬유를 정해진 길이로 공급하는 강화섬유 공급 로봇과, 상기 열가소성 수지가 융해되어 상기 강화섬유가 접착되는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 인출된 강화섬유의 단부를 테이블에 눌러 고정시키는 복수의 에지 고정 로봇를 포함하는 섬유 적층 장치를 이용한 섬유 적층 방법에 있어서, 복수의 릴에 각각 감겨진 강화섬유를 인출하여, 그 단부를 각각 상기 강화섬유 공급 로봇의 정해진 위치로 셋팅하는 a)단계; 상기 강화섬유 공급 로봇로부터 정해진 길이만큼 상기 강화섬유를 테이블로 인출시키는 b)단계; 복수의 에지 고정 로봇 중 어느 하나의 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 고정시키는 c)단계; 상기 강화섬유 공급 로봇에 구비된 커터가 인출이 완료된 지점에서 상기 강화섬유를 커팅하는 d)단계; 상기 어느 하나의 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유의 단부를 고정하고 있는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇이 상기 강화섬유를 상기 테이블로 인출시키는 d)단계; 복수의 에지 고정 로봇 중 나머지 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 고정시키는 f)단계; 상기 강화섬유 공급 로봇에 구비된 커터가 인출이 완료된 지점에서 상기 강화섬유를 커팅하는 g)단계;를 포함하고, 상기 복수의 릴에 감겨진 강화섬유가 소진될 때까지 상기 b)단계 내지 g)단계를 반복한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 d)단계 또는 상기 g)단계에서 상기 복수의 강화섬유는 가닥가닥 커팅될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 d)단계 또는 상기 g)단계에서 상기 복수의 강화섬유는 상기 복수의 강화섬유를 모두 동시에 커팅될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 b)단계 내지 g)단계는 상기 테이블이 승온된 상태에서 수행될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치에 따르면, 강화섬유 프리폼을 형성하기 위해 강화섬유의 적층시 동시에 복수의 가닥이 직접 테이블에 배열되도록 함으로써 신속하게 강화섬유 프리홈을 성형할 수 있다.
그리고, 강화 섬유를 인출하는 로봇과 이를 고정하는 로봇을 분리하여 작동되도록 함으로써 신속하면서도 강화섬유의 인출량을 조정함으로써 용이하게 원하는 형상으로 적층되도록 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 가닥의 강화섬유를 한 번에 절단할 수 있다.
아울러, 열가소성 수지를 도포하는 부위가 불필요하여 강화섬유의 인출시 건조한 상태로 인출되도록 함으로써, 상기 강화섬유의 인출로 인한 오염을 최소화할 수 있고, 가열부도 필요하지 않으므로, 구조가 간단해지고 유지. 보수가 용이해진다.
도 1은 RTM법으로 자동차 부품을 제조하는 공정을 도시한 것이다
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치의 평면도이다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치에서 강화섬유 공급 로봇의 하부를 도시한 측면도이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치에서 에지 고정 로봇의 가압부의 예시이다
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법을 도시한 순서도.
전술한, 그리고 추가적인 양상들은 후술하는 실시 예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 구성요소들의 형상이나 크기 등은 실제보다 과장될 수 있다. 그리고 관련된 공지 기술에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 그 공지 기술에 대한 설명은 생략한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
도 2와 도 3는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치의 개략도와 평면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬형적층 장치는, 작업대(20)와, 강화섬유 공급 로봇(30)과, 에지 고정 로봇(40)을 비롯하여, 성형이 완료된 섬유 프리폼(preform)을 후공정으로 공급하는 언로딩 로봇(50), 그리고 이들을 제어하는 제어부(70)를 포함할 수 있다.
작업대(20)는 이송프레임(10)을 따라 슬라이딩하면서, 상기 작업대(20)에서 성형된 섬유 프리폼(P)을 다음 단계로 이송시킨다.
상기 작업대(20)는 상기 작업대(20)에서 강화섬유 프리폼(P)이 완성되면 정해진 위치로 이송시킨 후 복귀한다.
상기 작업대(20)의 상부에는 상기 강화섬유 프리폼(P)이 성형되는 공간을 제공하는 테이블(22)이 설치된다. 상기 테이블(22)은 그 상부면이 바람직하게는 정해진 면적을 갖는 평면을 갖도록 형성된다. 상기 테이블(22)이 상기 작업대(20)에 설치될 때에는 상기 테이블(22)이 상기 작업대(20)에 대하여 회전 및 틸팅이 가능하도록 테이블 자세제어부(21)를 통하여 설치된다. 또한, 상기 테이블(22)은 가열수단, 예컨대 열선이 구비되어 있어서, 강화섬유 프리폼(P)의 성형되는 동안에는 상기 테이블(22)이 승온된 상태를 유지하도록 한다. 상기 강화섬유 프리폼(P)의 성형시 상기 테이블(22)이 승온된 상태를 유지하게 되므로, 상기 강화섬유(F)의 표면에 도포된 열가소성 수지를 용융시킬 수 있다. 또한, 상기 가열수단이 상기 테이블(22)에 구비됨으로써, 강화섬유 공급 로봇(30)에 설치되는 경우에 비하여, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)의 구성을 간단히 할 수 있고, 유지 및 보수가 용이해진다.
강화섬유 공급 로봇(30)는 로봇암(31)의 단부에 강화섬유를 공급하는 배열헤드가 설치되도록 한다. 상기 배열헤드는 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에서 상기 로봇암(31)에 의해 위치가 정해지면, 상기 테이블(22)로 상기 강화섬유(F)를 정해진 길이로 공급하도록 한다.
로봇암(31)은 복수의 링크와 관절로 이루어져, 상기 로봇암(31)의 단부가 공간상에서 원하는 위치로 이동할 수 있게 한다. 상기 로봇암(31)에 대한 기술은 주지, 관용의 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 로봇암(31)의 단부에는 프레임과 같은 구조체가 설치되어, 후술되는 구성요소가 상기 프레임에 설치되게 한다.
여기서 배열헤드는 강화섬유(F)가 감겨진 복수의 릴(33), 상기 복수의 릴(33)로부터 상기 강화섬유를 인출하여 공급하는 복수의 공급롤러(34), 상기 강화섬유(F)를 정해진 길이로 절단하는 커터(36) 및 상기 절단된 강화섬유를 상기 테이블(22)로 가압하는 압착롤러(37)를 포함한다.
릴(33)은 복수로 구비되고, 각각의 릴(33)에는 표면에 열가소성 수지가 도포된 강화섬유(F)가 권취되어 있다.
상기 강화섬유(F)는 선가공을 통하여, 상기 강화섬유(F)의 표면에 열가소성 수지가 도포 후 건조하여, 상기 강화섬유(F)는 건조된 상태가 된다. 또한, 상기 강화섬유(F)는 상기 릴(33)에 권취와 인출이 용이하도록 테이프의 형태로 가공될 수 있다. 예컨대, 복수의 강화섬유를 평면상으로 배열한 후, 열가소성 수지를 이용하여 서로 접착시켜 테이프의 형태를 갖도록 할 수 있다.
상기 릴(33)은 정해진 개수의 릴(33)이 동축상에 서로 간격을 두고 설치되어 하나의 릴유닛(33U)을 이루고, 이러한 릴유닛(33U)이 서로 이격된 상태로 복수로 설치되도록 한다. 예컨대, 3개의 릴(33)이 하나의 릴유닛(33U)을 이루고, 이러한 릴유닛(33U)이 4개가 배치되어 있으므로, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에서는 동시에 12개의 릴(33)로부터 각각 강화섬유(F)가 공급된다. 여기서, 상기 릴유닛(33U)을 구성하는 릴(33)의 개수와, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 설치되는 릴유닛(33U)의 개수는 필요에 따라 적정한 개수로 조정할 수 있다.
상기 릴유닛(33U)은 서로 이격되게 배치되고, 각각의 릴유닛(33U)의 축이 서로 평행하게 배치되도록 한다. 따라서, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 설치되는 모든 릴(33)은 모두 평행하게 배치되는 것이 바람직하다.
공급롤러(34)는 복수로 설치되어, 각각의 릴(33)로부터 인출된 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)로 공급되도록 한다. 각각의 공급롤러(34)에는 일측에 서보모터와 같은 구동모터가 설치되어 있어서, 상기 구동모터가 상기 공급롤러(34)를 회전시켜, 상기 릴(33)로부터 상기 테이블(22)까지 상기 릴(33)이 공급되도록 한다.
상기 공급롤러(34)는 상기 프레임의 내부에 복수로 설치되는 데, 서로 인접한 릴유닛(33U)으로부터 인출된 강화섬유(F)가 복수의 공급롤러(34)를 통과하면서, 서로 취합되어 상기 테이블(22)로 공급된다. 예컨대, 서로 인접한 2개의 릴유닛(33U)에서 인출된 강화섬유(F)가 1차적으로 취합된 후, 2차로 나머지 2개의 릴유닛(33U)에서 인출된 강화섬유(F)와 서로 취합되어 상기 테이블(22)로 공급된다.
상기 공급롤러(34)들은 상기 복수의 릴(33)로부터 상기 테이블(22)가 상기 강화섬유를 공급할 수 있도록 배치되는 것으로, 구체적인 위치는 적절히 변경될 수 있다.
이때, 상기 복수의 공급롤러(34)와 상기 복수의 릴(33)은 서로 회전축이 평행하게 배치된다. 상기 릴(33)과 상기 공급롤러(34)의 회전축이 서로 평행하게 형성되므로, 상기 릴(33)로부터 인출된 강화섬유(F)는 꼬이지 않고, 공급될 수 있다.
커터(36)는 상기 복수의 공급롤러(34) 중에서 최종 공급롤러(34)를 통과한 강화섬유(F)를 커팅한다. 상기 커터(36)는 상기 강화섬유(F)의 진행방향과 수직하게 왕복운동하도록 하여, 커팅신호가 커터 액츄에이터(36)로 입력되면, 상기 커터(36)는 상기 강화섬유(F)를 커팅한다.
상기 커터(36)는 각각의 강화섬유(F)를 절단하도록 상기 릴(33)의 개수와 동일한 개수로 설치될 수도 있고, 한번에 상기 커터(36)를 통과하는 복수의 강화섬유(F)를 커팅할 수 있도록 그에 상응하는 폭으로 형성될 수 있다. 즉, 각각의 강화섬유(F)를 절단하도록 상기 릴(33)의 개수와 동일한 개수로 설치되면, 각각의 강화섬유(F)는 가닥가닥 별도로 상기 커터(36)에 의해 절단된다. 또는 상기 커터(36)가 상기 복수의 강화섬유(F)를 모두 커버하는 폭으로 형성되는 경우에는 한번에 절단할 수 있다.
압착롤러(37)는 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 최하단에 설치된단다. 상기 압착롤러(37)는 상기 복수의 릴(33)로부터 인출된 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)로 압착시켜, 상기 공급롤러(34) 중 최종 공급롤러(34)와 상기 압착롤러(37)의해 상기 강화섬유(F)가 장력을 갖도록 하고, 최종 공급롤러(34)와 상기 압착롤러(37) 상에 상기 커터(36)를 배치하여 상기 커터(36)의 커팅이 용이하도록 한다. 특히, 상기 압착롤러(37)는 내부에 가열수단을 구비하여 상기 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)에 압착시킬 때, 승온된 상태로 압착시켜, 압력뿐만 아니라, 열에 의해서도 상기 강화섬유(F)가 상기 테이블(22)에 압착되도록 한다.
에지 고정 로봇(40)은 상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 상기 테이블(22)로 공급된 강화섬유(F)의 단부를 눌러 고정시킨다.
상기 에지 고정 로봇(40)은 복수의 관절과 링크로 구비된 로봇암(41)과 상기 로봇암(41)의 단부에 상기 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)로 밀착시키는 가압부(43)를 포함한다.
상기 로봇암(41)은 앞서 설명한 강화섬유 공급 로봇(30)의 로봇암(31)과 마찬가지로, 복수의 링크와 관절로 이루어져 상기 로봇암(41)의 단부가 원하는 위치로 이동하도록 한다.
상기 가압부(43)는 상기 테이블(22)에 상기 강화섬유(F)가 접착되는 동안 상기 강화섬유(F)의 단부를 상기 테이블(22)로 가압시켜 밀착시킨다. 상기 가압부(43)는 상기 로봇암(41)과 고정지그(42)로 연결될 수도 있다.
상기 강화섬유(F)에는 열가소성 수지가 도포되어 있고, 상기 테이블(22)은 승온된 상태이므로, 상기 가압부(43)로 상기 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)로 가압하는 것으로 상기 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)에 접착시킬 수 있다.
도 5의 (a) 내지 (c)에는 상기 가압부(43)의 일례가 도시되어 있다.
상기 가압부(43)의 일례로서, 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 유압 또는 공압에 의해 신축되거나, 전기적인 신호에 의해 신축되는 피스톤(43a)이 될 수 있다.
또한, 상기 가압부(43)는 스프링(43bb)에 의해 탄성지지되면서, 상기 강화섬유(F)를 가압하는 푸셔(43ba)가 될 수도 있다(5의 (b) 참조).
아울러, 상기 가압부(43)는 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 에어의 공급에 의해 팽창하는 에어벌룬(43c)이 될 수도 있다.
상기 에지 고정 로봇(40)은 하나만 설치될 수 있으나, 바람직하게는 복수로 설치될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 에지 고정 로봇(40)이 2개로 설치된다면, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 공급된 강화섬유(F)의 단부를 어느 하나의 에지 고정 로봇(40)이 고정시킨 상태에서, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)이 상기 강화섬유(F)를 상기 테이블(22)로 인출시켜 공급한다. 이 때, 나머지 에지 고정 로봇(40)은 상기 테이블(22)과 이격되어 대기중인 상태이고, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)이 상기 테이블(22)에 강화섬유(F)를 공급하면 나머지 에지 고정 로봇(40)이 새로이 상기 강화섬유(F)의 단부를 누르게 되고, 상기 어느 하나의 에지 고정 로봇(40)은 상기 테이블(22)과 이격된다. 이러한 과정을 반복하여 2개의 에지 고정 로봇(40)이 상기 강화섬유(F)의 단부를 번갈아 고정함으로써, 작업속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 에지 고정 로봇(40)이 복수로 설치되는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 평행하게 배치될 수도 있으나, 서로 수직하게 배치될 수 도있다.
언로딩 로봇(50)은 로봇암(51)과 홀더(52)로 구성되어 있어, 상기 테이블(22)에서 성형이 완료되어 이송된 강화섬유 프리폼(P)을 상기 테이블(22)로부터 언로딩하여 성형부(60)로 공급함으로써, 상기 성형부(60)에서 상기 후공정이 진행될 수 있도록 한다. 여기서, 후공정은 상기 강화섬유 프리폼(P)에 수지가 함침되도록 하여 섬유 강화 수지(FRP)가 되도록 하는 공정이다.
제어부(70)는 상기 작업대(20), 상기 강화섬유 공급 로봇(30), 상기 에지 고정 로봇(40), 상기 언로딩 로봇(50)과 전기적으로 연결되어, 각 구성요소의 작동에 필요한 신호를 출력함으로써, 본 발명에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치가 작동하도록 한다. 상기 제어부(70)에는 후술되는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법에 대한 로직이 내장되어 있어, 상기 로직에 따라 상기 섬유 적층 장치를 작동시킨다.
이하에서는 본 발명에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법은, 앞서 설명한 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치를 이용하여 도 9에 도시된 바와 같은 순서로 수행된다.
먼저, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 표면에 열가소성 수지가 도포된 강화섬유(F)가 감겨긴 릴(33)를 적재한다. 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에는 복수의 릴(33)를 설치할 수 있으므로, 상기 릴(33)을 설치할 수 있는 모든 위치에 상기 릴(33)을 설치한다. 상기 강화섬유(F)는 사전 가공을 통하여 표면에 열가소성 수지가 도포되어 건조된 상태이고, 바람직하게는 테이프의 형태로 가공되어 상기 릴(33)에 감져진 상태로 공급되고, 이를 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 적재한다.
이후, 상기 복수의 릴(33)에 감겨진 강화섬유(F)를 각각 인출하여, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 정해진 최초 위치에 세팅한다(S10). 예컨대, 상기 강화섬유(F)의 단부는 상기 압착롤러(37)에 위치하도록 셋팅할 수 있다.
상기 강화섬유 공급 로봇(30)은 테이블(22) 위를 이동하면서, 상기 강화섬유(F)를 미리 정해진 길이만큼 인출한다(S20). 상기 강화섬유(F)는 상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 인출되면서, 상기 압착롤러(37)에 의해 상기 테이블(22)에 1차로 압착된다. 상기 강화섬유(F)가 상기 압착롤러(37)에 의해 상기 테이블(22)에 1차로 압착될 때에는 압력과 열 중의 어느 하나로 압착될 수 있지만 바람직하게는 압력과 열이 동시에 작용하여 압착되는 것이 바람직하다.
상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 정해진 길이만큼 상기 강화섬유(F)가 인출되면, 복수의 에지 고정 로봇(40) 중에서 어느 하나의 에지 고정 로봇(40)이 상기 강화섬유(F)의 단부(인출이 안료된 부위)를 상기 테이블(22)로 압착하여 고정시킨다(S30).
이후, 인출이 완료된 지점에서 상기 강화섬유 공급 로봇(30)에 구비된 커터(36)로 상기 강화섬유(F)를 커팅한다(S40). 상기 강화섬유(F)가 커팅되더라도, 상기 에지 고정 로봇(40)에 의해 커팅된 상기 강화섬유의 단부는 상기 테이블(22)로부터 분리되지 않는다.
한편, 상기 에지 고정 로봇(40)이 상기 강화섬유(F)를 고정하고 있는 동안, 상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 상기 강화섬유(F)가 상기 테이블(22)로 인출된다(S50).
그 다음 상기 복수의 에지 고정 로봇(40) 중에서 나머지 에지 고정 로봇(40)이 상기 강화섬유(F)의 단부를 상기 테이블(22)로 압착하여 고정시키고(S60), 상기 커터(36)로 커팅한다(S70).
한편, 각각의 릴(33)에 감겨진 강화섬유(F)가 소진될 때까지 상기 S30 단계 내지 상기 S70 단계를 반복 수행하여, 상기 테이블(22)상에서 강화섬유 프리롬이 성형되도록 한다. 상기 S30 단계 내지 상기 S70 단계가 반복 수행되는 동안, 상기 S20 단계와 S50 단계를 통하여 상기 테이블(22)위로 상기 강화섬유가 인출되면서, 강화섬유 프리폼(P)을 형성하게 된다.
상기 S20 단계와 S50 단계는 반복 수행되지만, 상기 강화섬유 프리폼의 형상에 따라 상기 강화섬유 공급 로봇(30)으로부터 인출되는 강화섬유(F)의 길이는 다르게 설정될 수 있다. 상기 강화섬유 프리폼(P)의 형태가 단순한 장방형이라면, 상기 S20 단계와 S50 단계에서 인출되는 강화섬유(F)의 길이는 동일하겠지만, 그 이외의 형태에서는 상기 S20 단계와 S50 단계에서 인출되는 강화섬유(F)의 길이는 다르게 형성될 수 있다.
성형된 강화섬유 프리폼은 후공정으로 이송되어, 수지와 함침되면서 섬유 강화 수지(FRP)로 가공된다.
위에서 설명한 바와 같은 방법을 통해 강화섬유 프리폼(P)을 제조하면, 상기 테이블(22) 상에서 원하는 형태로 성형할 수 있다. 또한, 상기 강화섬유(F)를 인출하는 단계가 반복수행되는 동안, 그 인출량을 서로 다르게 함으로써, 원하는 형상의 강화섬유 프리폼(P)을 제조할 수 있다.
또한, 에지 고정 로봇(40)이 복수로 구비되면, 테이블(22)에 인출된 강화섬유를 번갈아 고정할 수 있으므로 작업속도가 향상되고, 이로 인하여 생산성도 좋아진다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10 : 이송프레임 20 : 작업대
21 : 테이블 자세제어부 22 : 테이블
30 : 강화섬유 공급 로봇 31 : 로봇암
33 : 릴
33U : 릴유닛 34 : 공급롤러
36 : 커터
36 : 커터 액츄에이터 37 : 압착롤러
40 : 에지 고정 로봇 41 : 로봇암
42 : 고정지그 43 : 가업부
43a : 실린더 43ba : 푸셔
43bb : 스프링 50 : 언로딩 로봇
51 : 로봇암 52 : 홀더
60 : 성형부 70 : 제어부
P : 강화섬유 프리폼 F : 강화섬유

Claims (16)

  1. 강화 섬유를 테이블 상에서 적층하여 섬유 프리폼(preform)을 제조하기 위해, 상기 테이블로 상기 강화 섬유를 공급하여 적층시키는 프리폼 제조용 섬유 적층 장치에 있어서,
    표면에 열가소성 수지가 도포된 다수의 강화섬유를 정해진 길이로 공급하는 강화섬유 공급 로봇;
    상기 열가소성 수지가 융해되어 상기 강화섬유가 접착되는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 인출된 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 눌러 고정시키는 적어도 하나 이상의 에지 고정 로봇;
    을 포함하고,
    상기 강화섬유 공급 로봇은,
    표면에 열가소성 수지가 도포된 강화섬유가 감겨진 복수의 릴;
    상기 복수의 릴로부터 인출된 강화섬유를 상기 테이블로 이송시켜 공급하는 복수의 공급롤러;
    상기 공급롤러를 통하여 공급되는 상기 강화섬유를 정해진 길이로 절단하는 커터; 및
    상기 커터에 의해 절단된 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 밀착시키는 압착롤러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강화 섬유 공급 로봇은,
    상기 복수의 릴은 정해진 개수가 동축상에 설치되어 릴유닛을 구성하고,
    상기 릴유닛은 복수로 마련되어 서로 이격된 위치에서 상기 릴유닛의 축이 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 공급롤러는,
    서로 인접할 릴유닛의 릴로부터 인출된 강화섬유를 취합하여 상기 압착롤러로 공급하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커터는 상기 복수의 공급롤러 중에서, 상기 강화섬유가 최종적으로 통과하는 공급롤러와 상기 압착롤러 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커터는 상기 복수의 강화섬유와 같은 수로 설치되어, 각각의 강화섬유는 서로 독립적으로 커팅되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 커터는 상기 복수의 강화섬유를 모두 커버하는 폭으로 형성되어, 동시에 상기 복수의 강화섬유를 커팅하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 압착롤러는 상기 복수의 릴로부터 인출된 강화섬유를 동시에 상기 테이블로 가압시키는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압착롤러는 내부에 가열수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 테이블은 이송프레임에 주행가능하게 설치되는 작업대의 상부에 설치되고,
    상기 작업대는 상기 테이블을 회전 및 틸팅시키는 테이블 자세제어부를 포함하며,
    상기 테이블은 상기 강화섬유에 도포된 열가소성 수지를 용융시키는 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 에지 고정 로봇은,
    복수의 링크와 관절로 이루어지는 로봇암의 단부에 커팅된 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블로 밀착시키는 가압부가 설치되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 에지 고정 로봇은 서로 이격되어 복수로 설치되고,
    어느 하나의 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 공급된 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 고정하고 있는 동안 나머지 에지 고정 로봇은 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 상기 테이블로 상기 강화섬유를 공급할 수 있도록 상기 테이블과 이격된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 이송프레임의 일측에는 상기 성형된 강화섬유 프리폼를 후공정을 위해 상기 작업대로부터 상기 강화섬유 프리폼을 수지와 함침되는 후공정을 수행하는 성형부로 공급하는 언로딩 로봇을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 장치.
  13. 표면에 열가소성 수지가 도포된 다수의 강화섬유를 정해진 길이로 공급하는 강화섬유 공급 로봇과, 상기 열가소성 수지가 융해되어 상기 강화섬유가 접착되는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇으로부터 인출된 강화섬유의 단부를 테이블에 눌러 고정시키는 복수의 에지 고정 로봇를 포함하는 섬유 적층 장치를 이용한 섬유 적층 방법에 있어서,
    복수의 릴에 각각 감겨진 강화섬유를 인출하여, 그 단부를 각각 상기 강화섬유 공급 로봇의 정해진 위치로 셋팅하는 a)단계;
    상기 강화섬유 공급 로봇로부터 정해진 길이만큼 상기 강화섬유를 테이블로 인출시키는 b)단계;
    복수의 에지 고정 로봇 중 어느 하나의 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 고정시키는 c)단계;
    상기 강화섬유 공급 로봇에 구비된 커터가 인출이 완료된 지점에서 상기 강화섬유를 커팅하는 d)단계;
    상기 어느 하나의 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유의 단부를 고정하고 있는 동안 상기 강화섬유 공급 로봇이 상기 강화섬유를 상기 테이블로 인출시키는 e)단계;
    복수의 에지 고정 로봇 중 나머지 에지 고정 로봇이 상기 강화섬유의 단부를 상기 테이블에 고정시키는 f)단계;
    상기 강화섬유 공급 로봇에 구비된 커터가 인출이 완료된 지점에서 상기 강화섬유를 커팅하는 g)단계;
    상기 복수의 릴에 감겨진 강화섬유가 소진될 때까지 상기 b)단계 내지 g)단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 d)단계 또는 상기 g)단계에서 상기 복수의 강화섬유는 가닥가닥 커팅되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 d)단계 또는 상기 g)단계에서 상기 복수의 강화섬유는 상기 복수의 강화섬유를 모두 동시에 커팅되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 b)단계 내지 g)단계는 상기 테이블이 승온된 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다이렉트 프리폼 제조용 섬유 적층 방법.
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