KR20190079402A - 연속섬유 복합재 제조장치 - Google Patents

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KR20190079402A KR1020170181584A KR20170181584A KR20190079402A KR 20190079402 A KR20190079402 A KR 20190079402A KR 1020170181584 A KR1020170181584 A KR 1020170181584A KR 20170181584 A KR20170181584 A KR 20170181584A KR 20190079402 A KR20190079402 A KR 20190079402A
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Abstract

본 발명에 의한 연속섬유 복합재 제조장치는, 강화섬유가 연속적으로 풀려 나오는 복수 개의 릴, 용융된 수지를 공급하는 압출기, 상기 강화섬유 및 용융된 수지를 공급받고, 상기 강화섬유에 용융된 수지를 함침시키는 침지조 및 상기 침지조에 기능섬유체를 공급하고 상기 기능섬유체를 상기 강화섬유에 적층시키는 기능섬유체 공급부를 포함한다.

Description

연속섬유 복합재 제조장치 {MANUFACTURING APPARATUS OF CONTINUOUS FIBER COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 연속섬유 복합재 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속섬유가 포함된 복합재를 제조하기 위한 연속섬유 복합재 제조장치에 관한 것이다.
강화섬유와 수지를 혼합하여 제조된 복합재는 예를 들어 FRP(Fiber Reinforced Plastic)나 CFRTPC(Continuous Fiber Reinforced ThermoPlastic Composite) 등이 있다.
이 중에서 CFRTPC는 소재 내부에 연속적으로 투입되어 일방향으로 배향된 강화섬유가 인장강도를 향상시키므로, 특정 방향의 물성을 극도로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, CFRTPC 소재를 제조하기 위해서는 릴(10)에서 공급되는 강화섬유(11)를 스프레딩유닛(20)에서 펼친 후, 압출기(30)에서 공급되는 수지(31)를 침지조(40)에서 강화섬유(11)와 혼합하여 중간재(12)를 제조한 후, 중간재(12)를 성형롤(50)에 통과시켜 복합재 시트(13)를 제조한 후, 풀러(60)에 의해 복합재 시트(13)를 이송하여 롤(70)에 권취시키게 된다.
그러나 연속섬유가 배향된 방향 이외의 방향에서 가해지는 하중에는 매우 취약한 단점이 있는바, 등방성 또는 연속섬유의 배향 방향과 다른 방향으로 강화된 이방성 소재를 적층하여 다층 복합재를 구성하여 이를 해결하고자 하였다.
종래에는 이러한 다층 복합재를 제조하기 위해, 우선 완성된 CFRTPC에 별도의 적층소재, 예를 들어 부직포, 메쉬 소재, 직물, 필름 등을 접착제를 이용하여 결합시키거나, 열융착을 이용해 결합시키는 방법을 사용하였다.
그러나 접착제나 열융착을 이용하여 결합시킬 경우, 공정 시간 및 비용이 증가하게 되고, 제조된 CFRTPC의 형태에 따라 다른 공정 설계가 필요하여 범용성이 부족한 문제가 있었다.
따라서, 공정 시간 및 비용의 추가를 최소화하고, 다양한 형태의 제품에 대응할 수 있는 범용적인 다층 복합재를 제조하기 위한 장치가 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1776432 B1 (2017.09.01)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 복합재 제조 공정 도중에 추가적인 보강재를 적층시킬 수 있는 연속섬유 복합재 제조장치를 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연속섬유 복합재 제조장치는, 강화섬유가 연속적으로 풀려 나오는 복수 개의 릴, 용융된 수지를 공급하는 압출기, 상기 강화섬유 및 용융된 수지를 공급받고, 상기 강화섬유에 용융된 수지를 함침시키는 침지조 및 상기 침지조에 기능섬유체를 공급하고 상기 기능섬유체를 상기 강화섬유에 적층시키는 기능섬유체 공급부를 포함한다.
상기 기능섬유체 공급부는, 상기 침지조에 투입되기 이전의 상기 강화섬유에 적층되는 제1기능섬유체를 공급하는 제1롤과, 상기 침지조에서 용융된 수지에 함침된 상기 강화섬유에 적층되는 제2기능섬유체를 공급하는 제2롤 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
상기 침지조에서 상기 강화섬유 및 상기 기능섬유체 공급부와 이에 함침된 용융수지가 혼합되어 제조된 연질복합재를 공급받는 로드제조부를 더 포함하고, 상기 로드제조부는, 상기 연질복합재를 가압하여 봉 형상의 봉재로 변형시키는 쉐이핑 다이와, 상기 봉재를 냉각시키는 제1냉각조와, 상기 봉재가 상기 쉐이핑 다이 및 상기 제1냉각조를 통과하여 이송되도록 상기 봉재를 당기는 제1풀러와, 상기 제1풀러를 통과한 상기 봉재를 일정 길이의 로드로 절단하는 커터를 포함할 수 있다.
상기 침지조에서 상기 강화섬유 및 상기 기능섬유체 공급부와 이에 함침된 용융수지가 혼합되어 제조된 연질복합재를 공급받는 시트제조부를 더 포함하고, 상기 시트제조부는, 상기 연질복합재를 가압하여 판 형상의 시트로 변형시키는 캘린더와, 상기 시트를 냉각시키는 제2냉각조와, 상기 시트가 상기 캘린더 및 상기 제2냉각조를 통과하여 이송되도록 상기 시트를 당기는 제2풀러와, 상기 제2풀러를 통과한 상기 시트를 권취하는 권취롤을 포함할 수 있다.
상기 릴에서 공급되는 상기 강화섬유의 텐션을 유지시키는 텐션유닛 및 상기 텐션유닛을 통과한 복수 가닥의 상기 강화섬유를 소정의 간격으로 펼치는 스프레딩유닛을 더 포함하고, 상기 침지조는, 상기 스프레딩유닛에서 펼쳐진 상기 강화섬유에 용융된 수지를 공급할 수 있다.
상기 강화섬유는, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.
상기 기능섬유체는, 건식 부직포, 습식 부직포, 메쉬 소재, 직물, 필름 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
상기 수지는, PP, PA, PET 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.
본 발명에 의한 연속섬유 복합재 제조장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 공정 도중에 부직포 또는 직물 타입의 보강재를 복합재에 적층시킬 수 있어 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
둘째, 보강재의 적층 시기에 따라 다른 물성을 나타내는 복합재를 제조할 수 있다.
셋째, 기존의 제조장비에 적용 가능하여 발명의 실시가 간편하다.
도 1은 종래의 연속섬유 복합재 제조장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속섬유 복합재 제조장치의 구성도이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연속섬유 복합재 제조장치에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속섬유 복합재 제조장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 강화섬유(510)가 연속적으로 풀려 나오는 복수 개의 릴(100), 용융된 수지(221)를 공급하는 압출기(220), 강화섬유(510) 및 용융된 수지(221)를 공급받고, 강화섬유(510)에 용융된 수지(221)를 함침시키는 침지조(230) 및 침지조(230)에 기능섬유체(611, 621)를 공급하고 기능섬유체(611, 621)를 강화섬유(510)에 적층시키는 기능섬유체 공급부(600)를 포함하여 구성된다. 바람직하게는, 이에 더해서 릴(100)에서 공급되는 강화섬유(510)의 텐션을 유지시키는 텐션유닛(211) 및 텐션유닛(211)을 통과한 복수 가닥의 강화섬유(510)를 소정의 간격으로 펼치는 스프레딩유닛(212)으로 구성된 공급유닛(210)이 더 포함할 수 있다.
복수 개의 릴(100)에는 각각 강화섬유(510)가 감겨 있고, 여기에서 강화섬유(510)가 풀려 나오면서 강화섬유(510)를 공급하게 된다. 강화섬유(510)는 예를 들어, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 중 어느 하나이거나 이들의 조합일 수 있고, 가장 바람직하게는 유리섬유를 사용하는 것이 좋다.
공급유닛(210), 즉 텐션유닛(211) 및 스프레딩유닛(212)은, 릴(100)에서 공급되는 강화섬유(510)의 텐션을 유지시키고 일정 간격으로 펼치기 위한 구성으로서, 제조되는 연속섬유 복합재에 강화섬유(510)가 일정한 밀도로 배치되도록 조절하기 위한 구성이다.
압출기(220)는 수지 원료를 용융시켜 용융된 수지(221)를 공급하기 위한 구성이고, 침지조(230)는 용융된 수지(221)가 채워지는 공간을 형성하는 구성이다. 이때, 압출기(220)에서 공급되는 수지(221)는 예를 들어, PP, PA, PET 중 어느 하나이거나 이들의 조합일 수 있고, 가장 바람직하게는 PP를 사용하는 것이 좋다.
강화섬유(510)가 공급유닛(210)을 통과하여 침지조(230)로 투입되면, 용융된 수지(221)가 각각의 섬유 가닥 사이로 함침되면서 강화섬유(510)를 감싸게 되어 복합재 형태를 이루게 된다.
기능섬유체 공급부(600)는 제1롤(610) 및 제2롤(620)로 구분될 수 있다. 제1롤(610)은 침지조(230)의 전단에 설치되어 침지조(230)로 투입되는 강화섬유(510)에 제1기능섬유체(611)를 적층시키기 위한 구성이고, 제2롤(620)은 침지조(230)의 후단에 설치되어 침지조(230)를 통과하여 수지(221)가 함침된 강화섬유(510)에 제2기능섬유체(621)를 적층시키기 위한 구성이다.
제1기능섬유체(611) 및 제2기능섬유체(621)는, 예를 들어 건식 부직포, 습식 부직포, 유/무기 메쉬 소재, 유/무기 필름, 직물 중 어느 하나일 수 있고, 가장 바람직하게는 건식 부직포를 사용하는 것이 좋다.
제1기능섬유체(611)의 제2기능섬유체(621)의 재질은 예를 들어, 탄소섬유, 유리섬유 등 불연성 섬유와 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리페닐설파이드 섬유, 난연가공면, 고융점 폴리에스터 섬유 등 내열성 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 저융점 폴리에스터 섬유 중 어느 하나이거나 이들의 조합일 수 있고, 가장 바람직하게는 폴리에스터 섬유가 좋다.
기능섬유체 공급부(600)는 제1롤(610) 및 제2롤(620) 중 어느 하나로 구성되거나, 두 구성 모두를 포함할 수도 있다.
제1롤(610)을 설치할 경우, 제1기능섬유체(611)와 강화섬유(510)의 적층물을 침지조(230)에 투입하면, 침지조(230)에 공급되는 용융된 수지(221)가 강화섬유(510)와 제1기능섬유체(611)에 동시에 함침되어 강화섬유(510)와 제1기능섬유체(611)를 강하게 결합시키고, 이에 따라 강화섬유(510)의 이방성을 보완할 수 있다. 이때, 제1기능섬유체(611)는 강화섬유(510)와 함께 수지(221)에 의해 둘러싸이게 된다.
제2롤(620)을 설치할 경우, 용융된 수지(221)에 함침된 강화섬유(510)에 제2기능섬유체(621)가 적층되면 용융된 수지(221)의 잠열 및 유동성에 의해 제2기능섬유체(621)가 강화섬유(510)와 결합될 수 있다. 이때, 제2기능섬유체(621)는 제1기능섬유체(611)에 비해 강화섬유(510)와의 결합력이 약하기 때문에 비교적 이방성을 보완하는 효과가 낮지만, 제2기능섬유체(621)의 면이 수지(221)의 외부에 노출되어 있기 때문에 흡음성을 크게 향상시킬 수 있다.
제1롤(610)과 제2롤(620)을 동시에 설치할 경우, 이방성 및 흡음성을 동시에 향상시킬 수 있을 것이다.
제1기능섬유체(611) 및 제2기능섬유체(621) 중 어느 하나 또는 둘 모두와 적층된 강화섬유(510)와 수지(221)의 혼합물은 유연한 시트 형상의 연질복합재(520)로 형성되고, 이러한 연질복합재(520)는 원하는 제품의 형상에 따라 다른 공정을 통해 최종적인 형태를 이루게 된다.
로드제조부(300)는 봉 형상의 로드(531)를 제조하기 위한 구성으로서, 연질복합재(520)를 가압하여 봉 형상의 봉재(530)로 변형시키는 쉐이핑 다이(310)와, 봉재(530)를 냉각시켜 수지(221)를 경화시키는 제1냉각조(320)와, 봉재(530)를 당겨서 연질복합재(520)가 쉐이핑 다이(310)와 제1냉각조(320)를 연속적으로 통과할 수 있도록 이송하는 제1풀러(330)와, 제1풀러(330)를 통과한 봉재(530)를 소정의 길이로 절단하여 로드(531)를 제조하는 커터(340)를 포함하여 구성된다.
시트제조부(400)는 판 또는 테이프 형상의 시트(540)를 제조하기 위한 구성으로서, 연질복합재(520)를 가압하여 판 형상의 시트(540)로 변형시키는 캘린더(410)와, 시트(540)를 냉각시켜 수지(221)를 경화시키는 제2냉각조(420)와, 시트(540)를 당겨서 연질복합재(520)가 캘린더(410)와 제2냉각조(420)를 연속적으로 통과할 수 있도록 이송하는 제2풀러(430)와, 제2풀러(430)를 통과한 시트(540)를 권취하는 권취롤(440)를 포함하여 구성된다.
이와 같이, 동일한 연질복합재(520)를 로드제조부(300) 또는 시트제조부(400)에 통과시켜 로드(531)와 시트(540)와 같이 다른 형태의 제품을 제조할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 릴 210: 공급유닛
220: 압출기 221: 수지
230: 침지조 300: 로드제조부
400: 시트제조부 510: 강화섬유
520: 연질복합재 530: 봉재
531: 로드 540: 시트
600: 기능섬유체 공급부 610: 제1롤
620: 제2롤

Claims (8)

  1. 강화섬유가 연속적으로 풀려 나오는 복수 개의 릴;
    용융된 수지를 공급하는 압출기;
    상기 강화섬유 및 용융된 수지를 공급받고, 상기 강화섬유에 용융된 수지를 함침시키는 침지조; 및
    상기 침지조에 기능섬유체를 공급하고 상기 기능섬유체를 상기 강화섬유에 적층시키는 기능섬유체 공급부;를 포함하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기능섬유체 공급부는, 상기 침지조에 투입되기 이전의 상기 강화섬유에 적층되는 제1기능섬유체를 공급하는 제1롤과, 상기 침지조에서 용융된 수지에 함침된 상기 강화섬유에 적층되는 제2기능섬유체를 공급하는 제2롤 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 침지조에서 상기 강화섬유 및 상기 기능섬유체 공급부와 이에 함침된 용융수지가 혼합되어 제조된 연질복합재를 공급받는 로드제조부를 더 포함하고,
    상기 로드제조부는, 상기 연질복합재를 가압하여 봉 형상의 봉재로 변형시키는 쉐이핑 다이와, 상기 봉재를 냉각시키는 제1냉각조와, 상기 봉재가 상기 쉐이핑 다이 및 상기 제1냉각조를 통과하여 이송되도록 상기 봉재를 당기는 제1풀러와, 상기 제1풀러를 통과한 상기 봉재를 일정 길이의 로드로 절단하는 커터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 침지조에서 상기 강화섬유 및 상기 기능섬유체 공급부와 이에 함침된 용융수지가 혼합되어 제조된 연질복합재를 공급받는 시트제조부를 더 포함하고,
    상기 시트제조부는, 상기 연질복합재를 가압하여 판 형상의 시트로 변형시키는 캘린더와, 상기 시트를 냉각시키는 제2냉각조와, 상기 시트가 상기 캘린더 및 상기 제2냉각조를 통과하여 이송되도록 상기 시트를 당기는 제2풀러와, 상기 제2풀러를 통과한 상기 시트를 권취하는 권취롤을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 릴에서 공급되는 상기 강화섬유의 텐션을 유지시키는 텐션유닛; 및
    상기 텐션유닛을 통과한 복수 가닥의 상기 강화섬유를 소정의 간격으로 펼치는 스프레딩유닛;을 더 포함하고,
    상기 침지조는, 상기 스프레딩유닛에서 펼쳐진 상기 강화섬유에 용융된 수지를 공급하는 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 강화섬유는, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기능섬유체는, 건식 부직포, 습식 부직포, 메쉬 소재, 직물, 필름 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 수지는, PP, PA, PET 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합인 것을 특징으로 하는, 연속섬유 복합재 제조장치.
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