KR20220085963A - 열가소성 스트랜드 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열가소성 스트랜드 제조장치는,
탄소섬유 다발을 연속 공급하는 탄소섬유 공급유닛; 고체상의 열가소성 수지를 가열하여 용융시키고, 상기 탄소섬유 공급유닛으로부터 공급된 상기 탄소섬유 다발을 용융된 열가소성 수지 속에 통과시켜 상기 탄소섬유 다발에 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침유닛; 및 상기 열가소성 수지를 함침시킨 상기 탄소섬유 다발을 이격시켜 일정한 속도로 감아, 감긴 상태로 상기 열가소성 수지를 경화시키는 와인딩유닛을 포함한다.
본 발명을 사용하면, 탄소섬유 다발 내부까지 점성이 높은 열가소성 수지가 균일하게 함침된 열가소성 스트랜드를 제조할 수 있다.

Description

열가소성 스트랜드 제조장치{Device for manufacturing thermoplastic strand}
본 발명은 열가소성 스트랜드 제조장치에 관한 것이다.
탄소섬유(Carbon Fiber)는 내열성, 내충격성, 내화학약품성 등이 뛰어나다. 또한, 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속(알루미늄)보다 가볍고, 반면에 금속(철)에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다.
이러한 특성으로 인해 탄소섬유는 복합재료의 보강재로 많이 사용되고 있다. 탄소섬유에 매트릭스 수지(Matrix Resin)를 함침시킨 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon Fibers Reinforced Composites)는 스포츠용품(낚싯대, 골프채, 테니스 라켓), 항공우주산업(내열재, 항공기 동체), 자동차, 토목건축(경량재, 내장재), 전기전자, 통신(안테나), 환경산업(공기정화기, 정수기) 등 각 분야에 널리 쓰이고 있으며, 해마다 그 수요도 증가하고 있다.
한편, 수지가 함침되어 경화된 탄소섬유 다발을 제조할 때, 열경화성 수지를 사용하는 경우, 종래에는 액체상의 열경화성 수지 속에 탄소섬유 다발을 통과시켜 탄소섬유에 수지를 함침시켰다.
그러나, 열가소성 수지를 사용하는 경우, 열가소성 수지는 열경화성 수지에 비해 점성이 높기 때문에 종래의 방식으로 수지를 함침시키면 탄소섬유 다발 내부까지 수지가 충분히 균일하게 함침되기 어렵다는 문제가 있다. 이하, 열가소성 수지가 함침되어 경화된 탄소섬유 다발을“열가소성 스트랜드”라 칭한다.
한국등록특허(10-1086106)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 열가소성 스트랜드 제조장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 열가소성 스트랜드 제조장치는,
탄소섬유 다발을 연속 공급하는 탄소섬유 공급유닛;
고체상의 열가소성 수지를 가열하여 용융시키고, 상기 탄소섬유 공급유닛으로부터 공급된 상기 탄소섬유 다발을 용융된 열가소성 수지 속에 통과시켜 상기 탄소섬유 다발에 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침유닛; 및
상기 열가소성 수지를 함침시킨 상기 탄소섬유 다발을 이격시켜 일정한 속도로 감아, 감긴 상태로 상기 열가소성 수지를 경화시키는 와인딩유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 수지 함침유닛은 탄소섬유 다발을 용융된 열가소성 수지에 침지시키고 탄소섬유 다발 내부까지 열가소성 수지가 균일하게 함침되도록 안내 및 압축하는 롤러부를 구비한다. 이로 인해, 본 발명을 사용하면, 탄소섬유 다발 내부까지 점성이 높은 열가소성 수지가 균일하게 함침된 열가소성 스트랜드를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 스트랜드 제조장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수지 함침유닛을 나타낸 도면이다.
도 3은 탄소섬유 다발이 지나가는 롤러부의 측단면을 나타낸 것으로, (a)는 제1가이드 롤러의 제1안내홈에 탄소섬유 다발이 배치된 모습 (b)는 제2가이드 롤러의 제2안내홈에 탄소섬유 다발이 배치된 모습 (c)는 압축 롤러에 의해 탄소섬유 다발이 압축되는 모습 (d)는 제3가이드 롤러의 제3안내홈에 탄소섬유 다발이 배치된 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 도1에 도시된 와인딩유닛의 측면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 스트랜드 제조장치를 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열가소성 스트랜드 제조장치(1)는 탄소섬유 공급유닛(100), 수지 함침유닛(200), 와인딩유닛(300), 장력유지유닛(400)으로 구성된다.
[탄소섬유 공급유닛]
탄소섬유 공급유닛(100)은 탄소섬유 다발(CF)을 연속 공급한다.
탄소섬유 다발(CF)은 1000∼50000개의 탄소섬유로 이루어진다.
탄소섬유 공급유닛(100)은 보빈에 감겨있는 탄소섬유 다발(CF)을 일정량씩 풀어가면서 일방향으로 연속적으로 공급한다.
[수지 함침유닛]
수지 함침유닛(200)은 고체상(Solid Phase)의 열가소성 수지를 가열하여 용융시키고, 탄소섬유 공급유닛으로부터 공급된 탄소섬유 다발(CF)을 용융된 열가소성 수지 속에 통과시켜 탄소섬유 다발(CF)에 열가소성 수지를 함침시킨다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수지 함침유닛(200)은 수지 함침조(210), 상부 커버(220), 롤러부(230)로 구성된다.
수지 함침조
수지 함침조(210)는 상면이 개방되고 내부 공간이 형성된 상자 형태이다. 열가소성 수지는 펠렛(Pellet) 형태로 수지 함침조(210)의 내부 공간에 공급된다.
수지 함침조(210)는 내면에 면상발열체(213)가 설치된다. 수지 함침조(210)에 펠렛 형태의 열가소성 수지를 채운 후 전원을 인가하면, 면상발열체(213)에 의해 수지 함침조(210)가 가열되어 열가소성 수지를 용융시킬 수 있다. 면상발열체(213)는 소정 크기의 저항을 갖는 도체에 전류가 흐를 때에 발생하는 열을 이용하여 가열 또는 보온 등을 위한 열에너지를 제공하는 것으로서, 온도조절이 용이하고, 오염물의 배출이 없어 위생적이며, 작동에 따른 소음이 발생하지 않는 장점이 있다. 면상발열체(213)로는 니크롬, 동니켈합금, 알루미늄 등의 금속 발열체 또는 탄소재료를 이용한 비금속 발열체가 사용될 수 있다. 면상발열체(213)의 발열량 조절로 수지 함침조(210)의 내부 온도를 조절하여, 탄소섬유 다발(CF)이 수지 함침조(210)를 통과하는 동안, 열가소성 수지의 온도가 변하지 않고 일정하게 유지될 수 있다.
수지 함침조(210)는 상부 좌우면에 탄소섬유 다발(CF)이 진출입하는 진입구(211)와 진출구(212)를 각각 구비한다.
상부 커버
상부 커버(220)는 수지 함침조(210)의 개방된 상면을 개폐하여, 수지 함침조(210)의 내부 온도가 내려가는 것을 방지한다.
롤러부
롤러부(230)는 수지 함침조(210)의 내부 공간에 위치된다. 롤러부(230)는 탄소섬유 다발(CF)이 용융된 열가소성 수지에 침지되고 탄소섬유 다발(CF) 내부로 열가소성 수지가 균일하게 함침되도록, 탄소섬유 다발(CF)을 안내 및 압축한다.
롤러부(230)는 제1가이드 롤러(231), 제2가이드 롤러(232), 한 쌍의 압축 롤러(233), 제3가이드 롤러(234)로 구성된다.
제1가이드 롤러(231)는 수지 함침조(210)의 진입구(211)를 통해 진입한 탄소섬유 다발(CF)을 열가소성 수지 속으로 안내한다. 제1가이드 롤러(231)는 하나 이상 구비될 수 있다. 이때, 제1가이드 롤러(231)의 적어도 하나는 열가소성 수지 내에 배치된다. 본 실시예에서는 2개로 구성된다. 하나는 진입구(211) 근처에 위치되어 진입구(211)를 통과한 탄소섬유 다발(CF)을 열가소성 수지가 있는 하부로 안내한다. 다른 하나는 열가소성 수지가 채워진 하부에 위치된다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 제1가이드 롤러(231)는 외면 중앙 영역에 탄소섬유 다발(CF)이 지나가는 제1안내홈(G1)을 구비한다. 제1안내홈(G1)의 폭(d1)은 탄소섬유 다발(CF)의 폭에 상응한다. 열가소성 수지에 침지된 탄소섬유 다발(CF)은 제1가이드 롤러(231)의 제1안내홈(G1)을 통과하는 동안 제1안내홈(G1)에 의해 탄소섬유 다발(CF)의 폭을 제한함으로써 좌우 양면에 약간의 압력이 가해져 외면에 묻은 열가소성 수지가 좀 더 안쪽으로 함침될 수 있다.
제2가이드 롤러(232)는 열가소성 수지 속에서, 제1가이드 롤러(231)를 통과한 탄소섬유 다발(CF)을 안내한다. 제2가이드 롤러(232)는 하나 이상 구비될 수 있다. 이때, 제2가이드 롤러(232)는 열가소성 수지 내에 배치된다. 제2가이드 롤러(232)의 개수와 위치를 조절하여 탄소섬유 다발(CF)이 제2가이드 롤러(232)를 통과하는 경로를 조절한다. 경로가 길수록 함침시간을 더 길게 할 수 있다. 본 실시예에서는 2개로 구성된다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 제2가이드 롤러(232)는 외면 중앙 영역에 탄소섬유 다발(CF)이 지나가는 제2안내홈(G2)을 구비한다. 제2안내홈(G2)의 폭(d2)은 탄소섬유 다발(CF)의 폭보다 작게 형성된다. 제1가이드 롤러(231)를 통과한 탄소섬유 다발(CF)은 제2가이드 롤러(232)의 제2안내홈(G2)을 통과하는 동안 제2안내홈(G2)에 의해 탄소섬유 다발(CF)의 폭이 제한함으로써 좌우 양면에 제1가이드 롤러(231)의 제1안내홈(G1)보다 큰 압력이 가해져 열가소성 수지가 탄소섬유 다발(CF) 내부 깊숙이 함침될 수 있다.
한 쌍의 압축 롤러(233)는 제2가이드 롤러(232)를 통과한 탄소섬유 다발(CF)을 상하 방향으로 압축한다. 한 쌍의 압축 롤러(233)는 하나 이상 구비될 수 있다. 압축 롤러(233)는 열가소성 수지 내에 배치될 수도 있고, 열가소성 수지 밖에 배치될 수도 있다. 본 실시예에서는 한 쌍의 압축 롤러(233) 1개가 구비된다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 압축 롤러(233) 사이로 탄소섬유 다발(CF)이 통과한다. 압축 롤러(233)를 통과하는 동안, 제1가이드 롤러(231) 및 제2가이드 롤러(232)에 의해 좌우 방향으로 압축된 탄소섬유 다발(CF)을 상하 방향으로 압축하여 열가소성 수지가 탄소섬유 다발(CF) 내부 구석구석까지 균일하게 함침될 수 있다.
제3가이드 롤러(234)는 압축 롤러(233)를 통과한 탄소섬유 다발(CF)을 수지 함침조(210)의 진출구(212)로 안내한다. 제3가이드 롤러(234)는 하나 이상 구비될 수 있다. 이때, 제3가이드 롤러(234)의 적어도 하나는 열가소성 수지 내에 배치된다. 본 실시예에서는 2개로 구성된다. 하나는 열가소성 수지가 채워진 하부에 위치된다. 다른 하나는 진출구(212) 근처에 위치되어 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 다발(CF)을 진출구(212)로 안내한다.
도 3(d)에 도시된 바와 같이, 제3가이드 롤러(234)는 외면 중앙 영역에 탄소섬유 다발(CF)이 지나가는 제3안내홈(G3)을 구비한다. 제3안내홈(G3)의 폭(d3)은 탄소섬유 다발(CF)의 폭보다 작게 형성된다. 압축 롤러(233)에 의해 상하 방향으로 압축된 탄소섬유 다발(CF)은 열가소성 수지를 지나 제3가이드 롤러(234)의 제3안내홈(G3)을 통과하는 동안 제3안내홈(G3)에 의해 탄소섬유 다발(CF)의 폭을 다시 제한함으로써 좌우 양면에 압력이 가해져 원형으로 말리면서 외면에 추가적으로 묻은 열가소성 수지가 탄소섬유 다발(CF) 사이사이로 다시 함침될 수 있다.
이와 같이, 롤러부(230)를 구성하는 제1가이드 롤러(231), 제2가이드 롤러(232), 압축 롤러(233), 제3가이드 롤러(234)의 개수 및 위치, 제1안내홈(G1), 제2안내홈(G2), 제3안내홈(G3)의 폭(d1, d2, d3)을 조절하여, 탄소섬유 다발(CF) 내부 구석구석까지 열가소성 수지를 균일하게 함침시킬 수 있다.
[와인딩유닛]
와인딩유닛(300)은 열가소성 수지를 함침시킨 탄소섬유 다발(CF)을 이격시켜 일정한 속도로 감는다. 감긴 상태로 열가소성 수지를 경화시킨다. 그러면, 열가소성 스트랜드가 제조된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 와인딩유닛(300)은 회전거치대(310), 회전구동부(320), 수평이동부(330)로 구성된다.
회전거치대
회전거치대(310)는 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 다발(CF)이 이격되어 감긴다.
회전거치대(310)는 한 쌍의 수평바(311)와 한 쌍의 수직바(312)로 구성된다.
한 쌍의 수평바(311)는 서로 일정 간격을 두고 마주하여 위치되며, 탄소섬유 다발(CF)이 이격되어 감긴다.
한 쌍의 수직바(312)는 한 쌍의 수평바(311)의 양 단부를 연결한다. 어느 하나의 수직바(312)의 중앙영역에는 회전구동부(320)와 결합되는 회전축(R)이 형성된다. 회전축(R)은 수직바(312)에 탈부착이 용이하도록 체결부재에 의해 착탈가능하게 조립된다. 따라서, 탄소섬유 다발(CF)이 수평바(311)의 길이에 걸쳐 모두 감긴 회전거치대(310)는 회전축(R)으로부터 분리되어 새로운 회전거치대(310)로 교체가 가능하다.
회전구동부
회전구동부(320)는 회전거치대(310)를 일정한 속도로 회전시킨다.
회전구동부(320)는 제1모터(321), 구동풀리(322), 종동풀리(323), 벨트(324)로 구성된다.
제1모터(321)는 회전거치대(310)를 감김 방향으로 회전 구동시키는 구동력을 제공한다. 구동풀리(322)는 제1모터(321)의 구동축에 결합된다. 종동풀리(323)는 회전거치대(310)의 수직바(312)에 형성된 회전축(R)에 결합된다. 벨트(324)는 구동풀리(322)와 종동풀리(323)를 연결한다. 벨트(324)는 회전거치대(310)의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있도록 타이밍 벨트로 구비되는 것이 바람직하다.
수평이동부
수평이동부(330)는 회전거치대(310)를 수평으로 왕복 이동시킨다.
수평이동부(330)는 베이스판(331), 이동판(332), 엘엠가이드(333), 슬라이더(334), 제2모터(335), 볼스크류(336)로 구성된다.
베이스판(331)은 수평이동부(330)를 지지한다. 이동판(332)은 상부에 회전구동부(320)가 장착된다. 회전구동부(320)는 회전거치대(310)와 결합되어 있으므로, 이동판(332)의 왕복 이동에 의해 회전거치대(310)가 수평으로 왕복 이동된다. 엘엠가이드(333)는 베이스판(331) 위에 결합된다. 본 실시예에서는 두 개의 엘엠가이드(333)가 구비된다. 두 개의 엘엠가이드(333)는 볼스크류(336)의 양 쪽에 각각 위치된다. 슬라이더(334)는 이동판(332)의 하부에 결합되어, 엘엠가이드(333)를 따라 활주이동하다. 제2모터(335)는 이동판(332)을 수평으로 왕복 이동시키는 구동력을 제공한다. 볼스크류(336)는 이동판(332)의 하부에 결합되어, 제2모터(335)의 정, 역회전에 따라 이동판(332)을 수평으로 왕복 이동시킨다.
[장력유지유닛]
장력유지유닛(400)은 탄소섬유 공급유닛(100)과 수지 함침유닛(200) 사이에 위치된다. 장력유지유닛(400)은 두 개의 수직바(410)로 구성된다. 탄소섬유 다발(CF)은 두 개의 수직바(410) 사이를 '에스(S)'자 형태로 통과한다. 즉, 탄소섬유 공급유닛(100)로부터 공급된 탄소섬유 다발(CF)은 한 개의 수직바(410)에 반바퀴 감기고, 다른 한 개의 수직바(410)에 반대 방향으로 반바퀴 감기며 수지 함침유닛(200)로 이동한다. 이로 인해, 자칫 탄소섬유 공급유닛(100)로부터 과도하게 풀릴 수 있는 탄소섬유 다발(CF)에 텐션(Tension)을 주어 탄소섬유 공급유닛(100)과 수지 함침유닛(200) 사이에서 탄소섬유 다발(CF)이 쳐지지 않는다.
1: 열가소성 스트랜드 제조장치
100: 탄소섬유 공급유닛 200: 수지 함침유닛
210: 수지 함침조 220: 상부 커버
230: 롤러부 300: 와인딩유닛
310: 회전거치대 320: 회전구동부
330: 수평이동부 400: 장력유지유닛
CF: 탄소섬유 다발

Claims (5)

  1. 탄소섬유 다발을 연속 공급하는 탄소섬유 공급유닛;
    고체상의 열가소성 수지를 가열하여 용융시키고, 상기 탄소섬유 공급유닛으로부터 공급된 상기 탄소섬유 다발을 용융된 열가소성 수지 속에 통과시켜 상기 탄소섬유 다발에 열가소성 수지를 함침시키는 수지 함침유닛; 및
    상기 열가소성 수지를 함침시킨 상기 탄소섬유 다발을 이격시켜 일정한 속도로 감아, 감긴 상태로 상기 열가소성 수지를 경화시키는 와인딩유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 스트랜드 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수지 함침유닛은,
    내면에 면상발열체가 설치되며, 상부 좌우면에 상기 탄소섬유 다발이 진출입하는 진입구와 진출구를 각각 구비하고, 상면이 개방된 수지 함침조;
    상기 수지 함침조의 상면을 개폐하는 상부 커버; 및
    상기 수지 함침조의 내부에 위치되며, 상기 탄소섬유 다발이 용융된 상기 열가소성 수지에 침지되고 상기 탄소섬유 다발 내부로 상기 열가소성 수지가 균일하게 함침되도록 상기 탄소섬유 다발을 안내 및 압축하는 롤러부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 스트랜드 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 공급유닛과 상기 수지 함침유닛 사이에, 상기 탄소섬유 공급유닛으로부터 공급되는 상기 탄소섬유 다발에 장력을 유지하기 위한 장력유지유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 스트랜드 제조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 와인딩유닛은,
    상기 열가소성 수지가 함침된 상기 탄소섬유 다발이 이격되어 감기는 회전거치대;
    상기 회전거치대를 회전시키는 회전구동부; 및
    상기 회전거치대를 수평으로 왕복 이동시키는 수평이동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 스트랜드 제조장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전거치대는,
    서로 일정 간격을 두고 마주하며, 상기 탄소섬유 다발이 감기는 한 쌍의 수평바; 및
    상기 한 쌍의 수평바의 양 단부를 연결하는 한 쌍의 수직바를 포함하는 것을 특징으로 하는 열가소성 스트랜드 제조장치.
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