KR20200109371A - Extrusion apparatus and method for manufacturing carbon fiber reinforced plastic semi-finished products - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입구 영역(2) 및 출구 영역(3)을 갖는 하우징(1)으로 이루어지는, 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 압출 장치(100)에 관한 것으로서, 하우징(1)에는 전기장을 생성하기 위한 장치(4)가 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 다음 단계들이 연속적으로 수행된다: a) 본 발명에 따른 압출 장치(100) 및 복합 화합물(10)을 제공하는 단계; b) 하우징(1)의 입구 영역(2)을 통해 복합 화합물(10)을 압출 장치(100) 내로 도입하는 단계; c) 전기장을 생성하는 단계; 및 d) 생성된 플라스틱 반제품을, 추가의 가공을 위해, 하우징(1)의 출구 영역(3)을 통해 배출하는 단계.The present invention relates to an extrusion apparatus 100 for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product, comprising a housing 1 having an inlet region 2 and an outlet region 3, wherein the housing 1 generates an electric field. It is characterized in that a device 4 is arranged for it. The invention also relates to a method for producing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product, wherein the following steps are carried out continuously: a) providing an extrusion apparatus 100 and a composite compound 10 according to the invention; b) introducing the composite compound 10 into the extrusion apparatus 100 through the inlet region 2 of the housing 1; c) generating an electric field; And d) discharging the resulting plastic semi-finished product, for further processing, through the exit area (3) of the housing (1).
Description
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 압출 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an extrusion apparatus and method for producing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product.
압출 기술을 사용하여 제조된 플라스틱 반제품의 기계적 특성을 개선시키기 위해, 사용되는 화합물은 종종 탄소 섬유로 보강된다. 그러나, 도입된 섬유의 배향은 현재 압출 동안 발생하는 유동 현상에 의해서만 영향을 받으며, 이를 통해 섬유의 결정되지 않는 분포가 설정된다. 이를 통해, 압출된 부품의 기계적 특성에 불규칙성이 초래된다. 또한, 전기 전도성 및 큰 열 전도율과 같은 탄소 섬유의 다른 포텐셜은 활용될 수 없다.In order to improve the mechanical properties of plastic semi-finished products made using extrusion techniques, the compounds used are often reinforced with carbon fibers. However, the orientation of the introduced fibers is currently only affected by the flow phenomenon occurring during extrusion, through which an undecided distribution of fibers is established. This leads to irregularities in the mechanical properties of the extruded part. Also, other potentials of carbon fiber such as electrical conductivity and high thermal conductivity cannot be utilized.
현재 사용되는 압출 시스템은 섬유 배향에 의도한 대로 영향을 주는 추가적으로 도입된 유동 채널을 통해 가소화된(plasticized) 섬유 강화 복합 화합물의 유동 현상을 결정한다. 그러나, 섬유는 여기서 단지 프로파일 평면에 평행하게만 또는 튜브 압출의 경우에는 튜브 축에 평행한 나선형 배치로만 배향될 수 있다. 또한 여기서 가소화된 복합 화합물의 유동 영역의 가장자리 영역 및 중심에서의 상이한 유동 속도로 인해 섬유의 정의되지 않은 배향이 생성되고, 이를 통해 일정한 부품 품질이 보장될 수 없다.Extrusion systems currently in use determine the flow of plasticized fiber-reinforced composite compounds through additionally introduced flow channels that affect fiber orientation as intended. However, the fibers can here only be oriented in a helical arrangement parallel to the profile plane or parallel to the tube axis in the case of tube extrusion. In addition, an undefined orientation of the fibers is created due to the different flow velocities in the center and edge regions of the flow region of the plasticized composite compound here, whereby a constant part quality cannot be guaranteed.
공보 "흑연 충전제를 함유하는 열 교환기를 위한 플라스틱 튜브를 제조하기 위한 방법"(DOI: http://dx.doi.org/10.4421/PAPDEOTT002961)는 압출에 의한 열 전도율이 높은 플라스틱 튜브의 제조를 개시하고 있고, 여기서 흐름 방향에 수직인 탄소 섬유의 배향은 특수 충전제를 사용함으로써 그리고 압출 도구에서의 흐름 채널의 기하학적 구조를 통해 구현된다.The publication "Method for Manufacturing Plastic Tubes for Heat Exchangers Containing Graphite Fillers" (DOI: http://dx.doi.org/10.4421/PAPDEOTT002961) discloses the production of plastic tubes with high thermal conductivity by extrusion. Where the orientation of the carbon fibers perpendicular to the flow direction is achieved by the use of special fillers and through the geometry of the flow channels in the extrusion tool.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들을 극복하고, 플라스틱 반제품에서 탄소 섬유의 배향에 의도한 대로 영향을 미칠 수 있는 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to overcome the drawbacks of the prior art and to provide a device capable of influencing the orientation of carbon fibers in a plastic semi-finished product as intended.
본 발명의 목적은 본원의 독립 청구항의 특징에 따라 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 압출 장치를 제공함으로써 달성된다. 본 발명에 따른 장치의 유리한 개선예들은 종속 청구항들에 나타난다.The object of the present invention is achieved by providing an extrusion apparatus for producing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product according to the features of the independent claims of the present application. Advantageous refinements of the device according to the invention appear in the dependent claims.
본 발명의 주제는 입구 영역(2) 및 출구 영역(3)을 포함하는 하우징(1)으로 이루어지는, 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 압출 장치(100)에 관한 것으로서, 여기서 하우징(1)에는 전기장을 생성하기 위한 장치(4)가 배치되어 있다.The subject of the invention relates to an
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품은 튜브 형상이거나 또는 평평하다.Particularly preferably, in the
바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 전기장을 생성하기 위한 장치(4)는 2 개의 전극(40, 41)을 포함한다.Preferably, in the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 전극들(40, 41)은 환형으로 또는 평평하게 형성된다.Further, preferably, in the
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 전극들(40, 41)은 서로 동심으로 또는 평행하게 배치되고, 전극들(40, 41) 사이에 환형의 또는 평평한 갭(gap)(42)을 형성한다.Particularly preferably, in the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 하나의 전극은 양극이고, 다른 전극은 음극이다.Further, preferably, in the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 전기장을 생성하기 위한 장치(4)는 하우징(1)의 출구 영역(3)에 배치된다.In addition, preferably, in the
바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 하우징(1)에는 추가로 푸시 맨드릴(push mandrel)(5)이 배치되어 있다.Preferably, in the
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 푸시 맨드릴(5)은 회전 대칭으로 형성되며, 하우징(1)에 대해 이격 배치되어, 하우징의 내부와 푸시 맨드릴(5) 사이에 환형 갭(6)이 형성된다.Particularly preferably, in the
특히 바람직하게는, 압출 장치(100)에서, 푸시 맨드릴(5)은 입구 영역(2)으로부터 출구 영역(3)까지 연장된다.Particularly preferably, in the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 하우징(1)은 푸시 맨드릴(5) 내부에 부분적으로 배치되는 맨드릴 유지 도구(8)를 더 포함한다.Further, preferably, in the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치에서, 맨드릴 유지 도구(8)는, 푸시 맨드릴(5) 내부에 배치되고 하우징(1)의 출구 영역(3)까지 연장되는 배출구(9)를 포함한다.Further, preferably, in the extrusion apparatus according to the invention, the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 압출 장치(100)에서, 하우징(1)은 적어도 하나의 온도 센서(7)를 더 포함한다.In addition, preferably, in the
또한, 본 발명의 다른 주제는 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서,In addition, another subject of the present invention relates to a method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product,
a) 본 발명에 따른 압출 장치(100) 및 복합 화합물(10)을 제공하는 단계;a) providing an
b) 하우징(1)의 입구 영역(2)을 통해 복합 화합물(10)을 압출 장치(100) 내로 도입하는 단계;b) introducing the
c) 전기장을 생성하는 단계;c) generating an electric field;
d) 생성된 플라스틱 반제품을, 추가의 가공을 위해, 하우징(1)의 출구 영역(3)을 통해 배출하는 단계d) discharging the resulting plastic semi-finished product, for further processing, through the
가 연속적으로 수행된다.Is performed continuously.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 복합 화합물(10)은 단계 b) 후에 푸시 맨드릴(5)에 의해 환형 갭 유동으로 형성된다.Preferably, in the method according to the invention, the
특히, 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 복합 화합물(10)의 용융물은 적어도 하나의 온도 센서(7)에 의해 균일하게 온도 제어된다.In particular, preferably, in the method according to the invention, the melt of the
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 단계 d) 전에 지원 공기(support air)(11)가 압출 장치(100) 내로 안내된다.Also, preferably, in the method according to the invention, before step d), support
바람직하게는, 본 발명의 의미에서, 튜브 형상의 플라스틱 반제품은 CFK 튜브이다.Preferably, in the sense of the present invention, the tubular plastic semi-finished product is a CFK tube.
본 발명의 의미에서, 적어도 부분적으로 밀폐된 용기가 하우징으로 지칭되며, 이를 통해 압출 장치에서의 유동이 영향을 받는다.In the sense of the present invention, a container that is at least partially closed is referred to as a housing, through which the flow in the extrusion device is affected.
또한, 본 발명의 의미에서, 전기장을 생성하기 위한 장치의 전극에는, 적어도 50 V의 전압이 인가된다. 당업자는 생성된 전기장의 전계 강도가 인가된 전류 강도에 의존한다는 것을 알고 있다. 유리하게는, 전계 강도에 의해, 본 발명에 따른 압출 장치 내부에서 탄소 섬유의 배향이 제어될 수 있다. 당업자는, 탄소 섬유의 원하는 배향을 발생시키기 위해, 몇 가지 간단한 실험에 의해 적절한 전압 및 전계 강도를 결정할 수 있다.Further, in the sense of the present invention, a voltage of at least 50 V is applied to the electrode of the device for generating an electric field. Those skilled in the art know that the electric field strength of the generated electric field depends on the applied current strength. Advantageously, by means of the electric field strength, the orientation of the carbon fibers inside the extrusion apparatus according to the invention can be controlled. One skilled in the art can determine the appropriate voltage and electric field strength by a few simple experiments to produce the desired orientation of the carbon fibers.
또한, 본 발명의 의미에서, 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품은 복합 화합물로 이루어진다. 복합 화합물은 열가소성 수지 기반 플라스틱 매트릭스에 의해 고정되어 과립화된 화합물에 존재하는 고 모듈(high modulus) 탄소 섬유로 이루어진다. 특히, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)에 기초한 플라스틱이 열적 및 화학적 특성으로 인해 매트릭스 기재로서 사용된다.Further, in the meaning of the present invention, the carbon fiber reinforced plastic semi-finished product consists of a composite compound. The composite compound consists of high modulus carbon fibers present in the granulated compound by being fixed by a thermoplastic resin-based plastic matrix. In particular, plastics based on polytetrafluoroethylene (PTFE) are used as matrix substrates due to their thermal and chemical properties.
고 모듈 탄소 섬유를 사용하는 이점은 높은 열 전도율 및 높은 비 강도 및 강성 특성(specific strength and rigidity property) 외에 섬유 방향으로의 우수한 전기 전도성과 또한 음의 열 팽창성을 갖는다는 것이다. 1200 W/m*K의 최고 열 전도 특성은 소위 "초고 모듈(Ultra-High-Modulus)"(UHM) 특수 탄소 섬유이다.The advantage of using high modular carbon fiber is that it has good electrical conductivity in the fiber direction and also negative thermal expansion, in addition to high thermal conductivity and high specific strength and rigidity properties. The highest heat conduction property of 1200 W/m*K is the so-called "Ultra-High-Modulus" (UHM) special carbon fiber.
열 전도가 등방성인 금속 재료와 달리, 탄소 섬유의 열 전도율은 일반적으로 강하게 이방성으로 형성되며, 섬유 방향에서 가장 높다. UHM-섬유는 높은 탄소 수율로 인해 폴리아크릴로니트릴(50 %) 또는 피치(pitch)(> 80 %)를 기준으로 제조된다. 높은 열 전도 계수는 여기서 최대 3000 ℃의 온도에서 제조 공정 중에 특수 흑연화(graphitization)로 인해 발생한다. 이를 통해, 섬유 축 방향으로 흑연 평면의 사전 배향이 증가되어, 공유 결정 결합에 의해 강한 이방성 재료 거동이 생성된다. 결과적으로, 섬유 방향에 대해 횡 방향으로의 이방성 정도에 따른 열 전도율은 최대 17 W/m*K 이다. 복합물에서 섬유 함량에 따라 열 전도율이 감소된다. 따라서, 예를 들어 섬유 부피량이 60 %이고 플라스틱 매트릭스가 40 %인 단방향 라미네이트 구조의 경우, 섬유 방향으로 750 W/m*K 초과의 열 전도율이 구현될 수 있다.Unlike metallic materials whose thermal conduction is isotropic, the thermal conductivity of carbon fibers is generally strongly anisotropic, and is highest in the fiber direction. UHM-fibers are made on a polyacrylonitrile (50%) or pitch (>80%) basis due to their high carbon yield. The high coefficient of thermal conduction arises here due to special graphitization during the manufacturing process at temperatures up to 3000 °C. This increases the pre-orientation of the graphite plane in the fiber axis direction, resulting in a strong anisotropic material behavior by covalent crystal bonding. As a result, the thermal conductivity according to the degree of anisotropy in the transverse direction with respect to the fiber direction is at most 17 W/m*K. The thermal conductivity decreases with the fiber content in the composite. Thus, for example, in the case of a unidirectional laminate structure having a fiber volume of 60% and a plastic matrix of 40%, a thermal conductivity of more than 750 W/m*K may be implemented in the fiber direction.
본 발명에 따른 압출 장치 및 본 발명에 따른 방법에 의해 수행되는 본 발명에 따른 방법에서의 이점은 압출 장치에서 전기 전압 유닛을 인가함으로써, 전기장이 유도되며, 탄소 섬유는 최소 저항 경로를 통해 이 전기장의 역선에 규정된 방식으로 정렬될 수 있다. 이를 통해, 프로파일 평면 또는 튜브 축에 대해 높은 법선 비율을 갖는 정의된 배향을 통해 탄소 섬유의 매우 큰 열 전도율 및 인쇄 회로 기판에서 높은 전기 전도성뿐만 아니라 최고의 힘 도입 지점에서 의도한 대로 비 강도 및 강성 특성이 활용될 수 있다.An advantage in the extrusion apparatus according to the invention and the method according to the invention carried out by the method according to the invention is that by applying an electric voltage unit in the extrusion apparatus, an electric field is induced, and the carbon fiber is It can be arranged in the manner prescribed by the line of power. This allows for very high thermal conductivity of carbon fiber and high electrical conductivity in printed circuit boards through defined orientation with a high normal ratio to the profile plane or tube axis, as well as specific strength and stiffness properties as intended at the point of highest force introduction. Can be utilized.
본 발명에 따른 압출 장치에 의해 종래 기술에 공지된 압출 시스템이 간단한 방식으로 개선될 수 있다는 것이 또한 유리하다.It is also advantageous that the extrusion system known in the prior art can be improved in a simple manner by means of the extrusion apparatus according to the invention.
또한 유리하게는, 본 발명에 따른 압출 장치에 의해 그리고 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 탄소 섬유 강화 튜브 형상의 플라스틱 반제품은 광범위한 적용 분야에 사용될 수 있다. 가능한 적용 분야는 제조업 및 중공업이며, 예를 들어 기계 공학, 발전소 기술, 열 공학, 자동차 공학, 전기 공학, 화학 제품 등이다. 특히 열 공학 분야에서, 높은 열 전도성 탄소 섬유의 의도한 배향은, 2020년대 및 2030년대에 대해 "기후 변화 및 지속 가능한 에너지 관리"라는 제 3 EU 핵심 목표로 인해 높은 수요를 보이고 있는 효율적인 열 회수 및 냉각 시스템에서 사용될 수 있다.Also advantageously, the carbon fiber reinforced tubular plastic semi-finished products produced by the extrusion apparatus according to the invention and by the method according to the invention can be used for a wide range of applications. Possible fields of application are manufacturing and heavy industry, for example mechanical engineering, power plant technology, thermal engineering, automotive engineering, electrical engineering, chemical products, etc. Particularly in the field of thermal engineering, the intended orientation of highly thermally conductive carbon fibers is an efficient heat recovery and high demand for the 2020s and 2030s due to the 3rd EU core goal of "Climate Change and Sustainable Energy Management". Can be used in cooling systems.
본 발명은 첨부 도면에 의해 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 압출 장치의 일 실시예의 종단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 실시예를 통한 부분 섹션의 사시도를 도시한다.
도 3은 압출 장치의 종단면도를 도시한다.
도 4는 CFK 튜브의 부분 섹션의 사시도를 도시한다.
도 5는 도 4의 실시예를 통한 사시도를 도시한다.
도 6은 탄소 섬유, 플라스틱, 세라믹 및 금속의 열 전도율을 비교하여 도시한다.The invention is explained in more detail by the accompanying drawings.
1 shows a longitudinal cross-sectional view of an embodiment of an extrusion apparatus according to the invention.
2 shows a perspective view of a partial section through the embodiment of FIG. 1.
3 shows a longitudinal sectional view of the extrusion device.
4 shows a perspective view of a partial section of a CFK tube.
5 shows a perspective view through the embodiment of FIG. 4.
6 shows a comparison of the thermal conductivity of carbon fiber, plastic, ceramic and metal.
이하에서, 본 발명은 이제 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 압출 장치(100)의 일 실시예의 종단면도를 도시한다. 압출 장치(100)는 입구 영역(2) 및 출구 영역(3)을 포함하는 하우징(1)으로 이루어진다. 따라서, 압출 장치(100)의 하우징(1)의 내부 공간은 주변으로부터 적어도 부분적으로 절연된다.1 shows a longitudinal sectional view of an embodiment of an
하우징(1)의 내부에는 푸시 맨드릴(5)이 배치된다. 푸시 맨드릴(5)은 입구 영역(2)으로부터 하우징(1)의 출구 영역(3)까지 연장된다. 푸시 맨드릴(5)은 하우징의 내부와 함께 환형 갭(6)을 형성한다. 하우징(1)의 입구 영역(2)을 통해 압출 장치(100) 내로 복합 화합물(10)이 입력된다. 복합 화합물(10)은 열가소성 수지 기반 플라스틱 매트릭스에 의해 고정되어 과립화된 화합물에 존재하는 고 모듈 탄소 섬유, 바람직하게는 UHM 탄소 섬유로 이루어진다. 특히, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)에 기초한 플라스틱이 그들의 열적 및 화학적 특성으로 인해 매트릭스 기재로서 사용된다.A
입력된 복합 화합물(10)은 푸시 맨드릴(5)에 의해 환형 갭(6) 내로 도입된다. 따라서, 복합 화합물(10)은 환형 갭 유동으로 형성되고, 환형 갭(6)을 통해, 전기장을 생성하기 위한 장치(4)의 2 개의 전극(40, 41) 사이에 형성된 갭(42) 내로 의도한 대로 전달된다.The input
전기장을 생성하기 위한 장치(4)는 하우징(1)의 출구 영역(3)에 배치되는 것이 바람직하다. 전기장을 생성하기 위한 장치(4)는 2 개의 전극(40, 41)을 포함하며, 여기서 하나의 전극은 양극이고, 다른 전극은 음극이다. 전기 전압의 인가를 통해 전기장이 유도되며, 복합 화합물(10)에 함유된 탄소 섬유는 최소 저항 경로를 통해 압출 장치(100)의 축에 대해 높은 법선 비율을 가지고 이 전기장의 역선에 정렬된다. 탄소 섬유는 바람직하게는 양극으로부터 음극으로 향한다.The
또한, 하우징(1)은 푸시 맨드릴(5) 내부에 적어도 부분적으로 배치되는 맨드릴 유지 도구(8)를 포함한다. 맨드릴 유지 도구(8)는 배출구(9)를 포함하며, 이 배출구는 푸시 맨드릴(5) 내에 배치된다. 배출구(9)는 하우징(1)의 출구 영역(3)까지 연장된다. 맨드릴 유지 도구(8)를 통해 지원 공기(11)가 압출 장치(100) 내로 도입되고, 배출구(9)를 통해 하우징(1)의 출구 영역(3)으로 안내된다. 지원 공기는 압출 장치(100)에서 제조된 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품의 내부 윤곽의 안정화를 보장한다.In addition, the
또한, 압출 장치(100)의 하우징(1)에는 적어도 하나의 온도 센서(7)가 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에는 2 개의 온도 센서(7)가 도시되어 있고, 여기서 하나의 온도 센서(7)는 입구 영역(2)에 배치되고, 다른 온도 센서(7)는 압출 장치(100)의 출구 영역에 배치된다. 여기서 온도 센서(7)는 복합 화합물(10)의 용융물의 균일한 온도 제어를 결정한다.In addition, at least one
도 2는 도 1의 실시예를 통한 부분 섹션의 사시도를 도시한다. 이 도면에는 압출 장치(100)의 하우징(1)이 바람직하게는 튜브로서 설계되는 것이 도시되어 있다. 또한, 본 실시예에서, 푸시 맨드릴(5)은 회전 대칭으로 설계된다. 또한, 전기장을 생성하기 위한 장치의 2 개의 전극(40, 41)은 튜브 형상으로 설계되는 것이 도시되어 있다. 전극들(40, 41)은 서로 동심으로 배치되고, 그 결과 전극들(40, 41)은 환형 갭(42)을 형성한다. 갭(42)은 푸시 맨드릴(5)과 하우징의 내부 사이에 형성된 압출 장치의 환형 갭(도시되지 않음)에 연결된다. 이 도면에는, 내부에 위치하는 전극(41)이 푸시 맨드릴(5)의 외측면 상에 배치되고, 외부에 위치하는 전극(40)이 하우징(1)의 내측면 상에 배치되는 것이 도시되어 있다. 바람직하게는, 내부에 위치하는 전극(41)은 양극이고, 외부에 배치되는 전극(40)은 음극이다. 이러한 경우, 전기 전압이 인가되는 즉시, 탄소 섬유는 역선을 따라 양극으로부터 음극으로 정렬된다.2 shows a perspective view of a partial section through the embodiment of FIG. 1. In this figure it is shown that the
도 3은 압출 공정 내에 통합되는 압출 장치의 종단면도를 도시한다. 본 발명에 따른 압출 장치(100)의 상류에는, 이축 스크류(1001)를 갖는 압출기(101)가 배치되어 있다. 압출기(101)는 복수의 가열 요소(1003) 및 깔때기(1002)를 포함하며, 이 깔대기를 통해 탄소 섬유(1004)가 압출기(101) 내로 안내된다. 이축 스크류(1001)에서, 탄소 섬유(1004)는 기존의 매트릭스 재료와 조합되어 복합 화합물(10)을 형성한다. 이어서, 압출기에서 제조된 복합 화합물(10)은 탄소 섬유를 전기장에 정렬시키기 위해, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압출 장치(100) 내로 안내된다. 이어서, 점성의 플라스틱 반제품은 압출 장치(101)의 하우징의 출구 영역을 통해 교정 유닛(102) 내로 배출된다. 교정 유닛(102)에서, 플라스틱 반제품의 외부 직경이 결정된다. 따라서, 전기 전류장, 동적 유동 현상(계산 유체 역학) 및 열-전기 거동에 대한 결합된 분석을 통해, 압출 공정 동안 가소화된 복합 화합물(10)의 특성이 결정되고, 압출 장치가 치수화된다. 특히 고품질의 플라스틱 반제품을 제조할 수 있기 위해, 본 발명에 따른 압출 장치(100)는 공정 모니터링(캐비티 압력(cavity pressure), 온도, 전압), 균일한 열 분포(가열 요소의 배치) 및 안전한 공정 제어를 위한 상응하는 조절, 및 온도 제어 및 전압의 제어를 포함한다.3 shows a longitudinal cross-sectional view of an extrusion apparatus incorporated in the extrusion process. Upstream of the
도 4는 본 발명에 따른 압출 장치 및 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있는 CFK 튜브의 부분 섹션의 개략도를 도시한다. 본 발명에 따른 압출 장치에 의해, 튜브 축을 따라 의도한 대로 복합 화합물(도시되지 않음) 내에서 높은 법선 비율을 갖는 고 열 전도성 탄소 섬유의 배향이 정렬될 수 있다. 따라서, 높은 효율의 튜브 열 전달 시스템에 사용될 수 있는 얇은 벽의(t = 1.5 mm) CFK 튜브가 제조될 수 있다.4 shows a schematic view of a partial section of a CFK tube which can be produced by the extrusion apparatus according to the invention and the method according to the invention. By means of the extrusion apparatus according to the present invention, the orientation of high thermally conductive carbon fibers with high normal ratio within the composite compound (not shown) can be aligned as intended along the tube axis. Thus, thin walled (t = 1.5 mm) CFK tubes can be produced that can be used in high efficiency tube heat transfer systems.
도 5에는 도 4의 CFK 튜브의 사시도가 도시되어 있다. 이 도시로부터, 본 발명에 따른 압출 장치에 의해 튜브 축을 따라 높은 법선 비율을 갖는 탄소 섬유(얇은 검은 막대)의 배향이 어떻게 정렬되어 있는지가 다시 한 번 명백해진다.5 shows a perspective view of the CFK tube of FIG. 4. From this illustration, it becomes once again clear how the orientation of the carbon fibers (thin black bars) with a high normal ratio along the tube axis is aligned by the extrusion apparatus according to the present invention.
도 6은 탄소 섬유, 플라스틱, 세라믹 및 금속의 열 전도율(W/m*K)을 비교한 것을 도시하고 있다. 이러한 비교로부터, PVDF 또는 PP와 같은 플라스틱은 열을 거의 전도할 수 없는 반면, 알루미늄 및 구리와 같은 금속은 열을 전도할 수 있다는 것이 명백해진다. 알루미늄은 열 전도율이 235 W/m*K 이며, 구리는 열 전도율이 알루미늄의 열 전도율보다 거의 두 배 더 높다. 그러나, UHM-특수-탄소 섬유는 1200 W/m*K의 최고 열 전도 특성을 가지며, 이러한 UHM-특수-탄소 섬유의 열 전도율은 순수 구리의 열 전도율보다 3 배 더 높고, PP 및 PTFE에 비해 2700 배 더 높다.6 shows a comparison of the thermal conductivity (W/m*K) of carbon fiber, plastic, ceramic and metal. From this comparison, it becomes clear that plastics such as PVDF or PP can conduct little heat, whereas metals such as aluminum and copper can conduct heat. Aluminum has a thermal conductivity of 235 W/m*K, and copper has a thermal conductivity of almost twice that of aluminum. However, UHM-special-carbon fiber has the highest heat conduction property of 1200 W/m*K, and the thermal conductivity of this UHM-special-carbon fiber is three times higher than that of pure copper, compared to PP and PTFE. 2700 times higher.
따라서, 본 발명에 따른 압출 장치 또는 본 발명에 따른 방법에 의해, UHM-탄소 섬유의 높은 이방성 열 전도율(p = 2.2 g/㎤; λ = 1200 W/m*K)을 의도한 대로 사용함으로써, 얇은 벽의(t =< 1.5 mm), 높은 열 전도율을 갖는 CFK 튜브로 이루어진 매우 효율적이고 화학적으로 안정적인 튜브 열 전달 시스템이 구현될 수 있다. 튜브 축에 대해 높은 법선 비율을 갖는 섬유의 특수한 배향을 통해, 섬유 방향으로 탄소 섬유 강화 플라스틱의 매우 큰 열 전도율(ρ = 2.0 g/㎤, λ = 750 W/m*K)이 활용될 수 있고, 튜브의 높은 강도 및 강성이 달성될 수 있다. 이에 의해, 열 전달 면적이 감소될 수 있다. 결과적으로 제조 시간 및 제조 비용이 크게 감소된다. 또한, UHM-섬유를 사용하면 음의 열 팽창 계수(< -0.1*10-6/K)로 인해 열적 튜브 팽창을 최소화할 수 있고, 이를 통해 복잡한 팽창 흡수 시스템이 대체될 수 있고, 튜브 좌굴 및 누출의 위험이 크게 감소될 수 있다. 또한, 열가소성 매트릭스를 사용함에 의해, 시스템 중량의 매우 큰 감소가 발생하고, 화학적 및 매체 부하에 대한 상당한 저항성이 발생한다. 이를 위해, 열적 및 화학적 특성 면에서 이미 수년 동안 튜브 열 교환기의 제조에 사용되고 있는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)에 기초한 플라스틱이 매트릭스 기재로서 고려된다.Thus, by using the high anisotropic thermal conductivity of UHM-carbon fibers (p = 2.2 g/
1 하우징
2 입구 영역
3 출구 영역
4 전기장을 생성하기 위한 장치
40 전극
41 전극
42 갭
5 푸시 맨드릴
6 환형 갭
7 온도 센서
8 맨드릴 유지 도구
9 배출구
10 복합 화합물
11 지원 공기
100 압출 장치
101 압출기
1001 이축 스크류
1002 깔때기
1003 가열 요소
1004 탄소 섬유
102 교정 유닛1 housing
2 entrance area
3 exit area
4 Devices for generating electric fields
40 electrodes
41 electrodes
42 gap
5 push mandrel
6 annular gap
7 temperature sensor
8 Mandrel retention tool
9 outlet
10 complex compounds
11 support air
100 extrusion unit
101 extruder
1001 twin screw
1002 funnel
1003 heating element
1004 carbon fiber
102 calibration unit
Claims (17)
상기 하우징(1)에는 전기장을 생성하기 위한 장치(4)가 배치되는 것을 특징으로 하는 압출 장치.In the extrusion apparatus (100) for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product comprising a housing (1) comprising an inlet region (2) and an outlet region (3),
Extrusion device, characterized in that in said housing (1) a device (4) for generating an electric field is arranged.
상기 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품은 튜브 형상이거나 또는 평평한 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method of claim 1,
Extrusion apparatus, characterized in that the carbon fiber reinforced plastic semi-finished product is tubular or flat.
전기장을 생성하기 위한 상기 장치(4)는 2 개의 전극(40, 41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method according to claim 1 or 2,
Extrusion device, characterized in that the device (4) for generating an electric field comprises two electrodes (40, 41).
상기 전극들(40, 41)은 환형으로 또는 평평하게 형성되는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method of claim 3,
Extrusion apparatus, characterized in that the electrodes (40, 41) are formed in an annular shape or flat.
상기 전극들(40, 41)은 서로 동심으로 또는 평행하게 배치되고, 상기 전극들(40, 41) 사이에 환형의 또는 평평한 갭(gap)(42)을 형성하는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method of claim 4,
Extrusion apparatus, characterized in that the electrodes (40, 41) are arranged concentrically or parallel to each other and form an annular or flat gap (42) between the electrodes (40, 41).
하나의 전극은 양극이고, 다른 전극은 음극인 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method according to any one of claims 3 to 5,
Extrusion apparatus, characterized in that one electrode is an anode and the other electrode is a cathode.
전기장을 생성하기 위한 상기 장치(4)는 상기 하우징(1)의 상기 출구 영역(3)에 배치되는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method according to any one of claims 1 to 6,
Extrusion device, characterized in that the device (4) for generating an electric field is arranged in the outlet area (3) of the housing (1).
상기 하우징(1)에는 추가로 푸시 맨드릴(push mandrel)(5)이 배치되는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method according to any one of claims 1 to 7,
Extrusion apparatus, characterized in that a push mandrel (5) is additionally arranged in the housing (1).
상기 푸시 맨드릴(5)은 회전 대칭으로 형성되며, 상기 하우징(1)에 대해 이격 배치되어, 상기 하우징의 내부와 상기 푸시 맨드릴(5) 사이에 환형 갭(6)이 형성되는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method of claim 8,
Extrusion, characterized in that the push mandrel (5) is formed in a rotationally symmetrical manner and is spaced apart from the housing (1) to form an annular gap (6) between the inside of the housing and the push mandrel (5) Device.
상기 푸시 맨드릴(5)은 상기 입구 영역(2)으로부터 상기 출구 영역(3)까지 연장되는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method of claim 8 or 9,
Extrusion apparatus, characterized in that the push mandrel (5) extends from the inlet region (2) to the outlet region (3).
상기 하우징(1)은 상기 푸시 맨드릴(5) 내부에 부분적으로 배치되는 맨드릴 유지 도구(8)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method according to any one of claims 8 to 10,
Extrusion device, characterized in that the housing (1) further comprises a mandrel holding tool (8) which is arranged partially inside the push mandrel (5).
상기 맨드릴 유지 도구(8)는, 상기 푸시 맨드릴(5) 내부에 배치되고 상기 하우징(1)의 상기 출구 영역(3)까지 연장되는 배출구(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method of claim 11,
The mandrel holding tool (8) comprises an outlet (9) arranged inside the push mandrel (5) and extending to the outlet region (3) of the housing (1).
상기 하우징(1)은 적어도 하나의 온도 센서(7)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 장치.The method according to any one of claims 1 to 12,
Extrusion device, characterized in that the housing (1) further comprises at least one temperature sensor (7).
a) 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 압출 장치(100) 및 복합 화합물(10)을 제공하는 단계;
b) 상기 하우징(1)의 상기 입구 영역(2)을 통해 상기 복합 화합물(10)을 상기 압출 장치(100) 내로 도입하는 단계;
c) 전기장을 생성하는 단계;
d) 생성된 플라스틱 반제품을, 추가의 가공을 위해, 상기 하우징(1)의 상기 출구 영역(3)을 통해 배출하는 단계
가 연속적으로 수행되는, 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 방법.As a method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product,
a) providing an extrusion device (100) and a composite compound (10) according to any one of claims 1 to 13;
b) introducing the composite compound (10) into the extrusion device (100) through the inlet region (2) of the housing (1);
c) generating an electric field;
d) discharging the resulting plastic semi-finished product, for further processing, through the exit area (3) of the housing (1)
A method for producing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product in which is carried out continuously.
상기 복합 화합물(10)은 단계 b) 후에 푸시 맨드릴(5)에 의해 환형 갭 유동으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 방법.The method of claim 14,
The method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product, characterized in that the composite compound (10) is formed in an annular gap flow by a push mandrel (5) after step b).
상기 복합 화합물(10)의 용융물은 적어도 하나의 온도 센서(7)에 의해 균일하게 온도 제어되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 방법.The method of claim 14 or 15,
The method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product, characterized in that the melt of the composite compound (10) is uniformly temperature controlled by at least one temperature sensor (7).
단계 d) 전에 지원 공기(support air)(11)가 상기 압출 장치(100) 내로 안내되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱 반제품을 제조하기 위한 방법.The method according to any one of claims 14 to 16,
A method for manufacturing a carbon fiber reinforced plastic semi-finished product, characterized in that before step d) support air (11) is guided into the extrusion device (100).
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