KR20240003210A - 스티프너 제조장치, 이를 이용하는 스티프너 제조방법 - Google Patents

스티프너 제조장치, 이를 이용하는 스티프너 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속섬유 강화 복합재(CFT)를 권출하여 연속으로 공급하는 언와인더부; 상기 언와인더부 일측에 구비되며, 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와, 상기 연속섬유 강화 복합재와 상이한 각도로 장섬유 복합재(LFT)가 유입되는 제2 유로를 구비하고, 상기 연속섬유 강화 복합재 외부에 상기 장섬유 복합재를 합지시키는 금형을 구비하는 압출부; 상기 압출부에서 배출되는 성형품을 냉각하는 사이징부: 상기 사이징부 후단에 배치되며, 상기 연속섬유 강화 복합재의 장력을 조절하는 제1 인취부; 상기 성형품을 냉각하여 일정 곡률을 형성하는 곡률성형부; 곡률이 형성된 성형품을 인취하는 제2 인취부; 및 상기 제2 인취부 후단에 배치되어 곡률이 형성된 성형품을 절단하는 절단부;를 포함하는 스티프너 제조장치를 제공한다.

Description

스티프너 제조장치, 이를 이용하는 스티프너 제조방법{APPARATUS FOR PREPARING STIFFENER, AND PREPARING METHOD FOR STIFFENER}
본 발명은 스티프너 제조장치, 이를 이용하는 스티프너 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 압출공정에서 곡률이 부여되는 중공형의 스티프너 제조장치 및 이를 이용한 스티프너 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 안정 규정 강화로 차량의 범퍼빔 하단부에는 보행자 보호용 스티프너 제품이 필수적으로 장착된다. 스티프너는 자동차 범퍼빔 하단부에 장착되어 저속 주행 중 보행자와의 충돌 사고시 완충작용을 통하여 보행자의 부상을 최대한 감소시키는 역할을 한다. 범퍼에 충돌 시 완충작용을 하기 위해서 스티프너는 범퍼의 형태에 맞게 곡률을 가져야 한다.
스티프너는 안전부품으로 우수한 내충격 특성을 가져야하기 때문에 환봉 형태의 스틸 또는 GMT 프레스 공정, 사출 공정을 통한 플라스틱 성형품이 많이 이용되고 있다.
그러나 환봉 형태의 스틸 스티프너 및 GMT 프레스를 이용한 플라스틱 스티프너의 경우 작업 공수가 높고, 일정한 곡률을 부여하기 어려우며 차량 경량화 추세에 부합하지 않는 문제가 있다. 따라서 압출성형으로 제조가 보다 용이하고 경량이면서도 강도 및 강성이 보강되며 일정한 곡률이 부여된 차량용 스티프너 제조장치의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 배경기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0062213호에서 차량용 로워 스티프너 장치가 개시된다.
본 발명의 목적은 압출성형 공정으로 연속섬유 강화 복합재를 포함하는 차량용 중공형 스티프너를 제조할 수 있는 스티프너 제조장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 스티프너 제조장치를 사용하여 장섬유 복합재와 연속섬유 강화 복합재를 인서트하여도 장섬유 복합재와 연속섬유 강화 복합재의 계면에서 분리가 발생되지 않으며, 연속섬유 강화 복합재를 중공형 스티프너의 특정 부위에 배치되도록 하여 스티프너의 강도 및 강성을 증가시킬 수 있는 스티프너 제조방법을 제공한다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 스티프너 제조장치에 관한 것이다.
상기 스티프너 제조장치는 연속섬유 강화 복합재(CFT)를 권출하여 연속으로 공급하는 언와인더부;
상기 언와인더부 일측에 구비되며, 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와, 상기 연속섬유 강화 복합재와 상이한 각도로 장섬유 복합재(LFT)가 유입되는 제2 유로를 구비하고, 상기 연속섬유 강화 복합재 외부에 상기 장섬유 복합재를 합지시키는 금형을 구비하는 압출부;
상기 압출부에서 배출되는 성형품을 냉각하는 사이징부;
상기 사이징부 후단에 배치되며, 상기 연속섬유 강화 복합재의 장력을 조절하는 제1 인취부;
상기 성형품을 냉각하여 일정 곡률을 형성하는 곡률성형부;
곡률이 형성된 성형품을 인취하는 제2 인취부; 및
상기 제2 인취부 후단에 배치되어 곡률이 형성된 성형품을 절단하는 절단부;를 포함한다.
2. 상기 1 구체예에서, 상기 제2 유로는 상기 제1 유로의 진행 방향과 30 내지 65°의 각도를 이룰 수 있다.
3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 제1 유로는 일단이 테이퍼지게 구비된 역류방지 게이트가 구비될 수 있다.
4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 제1 유로는 외주에 제1 냉각수 라인이 구비될 수 있다.
5. 상기 1 내지 4 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 금형은 상기 제1 유로 및 제2 유로가 합류되는 코어부를 구비하고, 상기 코어부는 연속섬유 강화 복합재의 외부에 장섬유 복합재가 연속 유입되어 성형품을 형성할 수 있다.
6. 상기 5 구체예에서, 상기 코어부의 후단에는 인서트 고정부가 구비될 수 있다.
7. 상기 6 구체예에서, 상기 인서트 고정부 외주에는 인서트 고정부를 둘러싸는 제2 냉각수 라인이 구비될 수 있다.
8. 상기 1 내지 7 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 사이징부는 상기 성형품을 냉각시키는 제3 냉각수 라인을 구비하고, 일측에 진공 펌프를 구비할 수 있다.
9. 상기 1 내지 8 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 연속섬유 강화 복합재는 적어도 2개 이상의 프리프레그를 포함할 수 있다.
10. 상기 1 내지 9 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 언와인더부는 상기 금형에 유입되는 프리프레그 각각의 장력을 조절할 수 있다.
11. 상기 1 내지 10 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 곡률성형부는 적어도 1개 이상의 곡률성형기가 연속 배치되어 상기 제1 인취부에서 인출되는 성형품의 곡률을 조절할 수 있다.
12. 본 발명의 다른 관점은 스티프너 제조방법에 관한 것이다.
상기 스티프너 제조방법은 (a) 2개 이상의 프리프레그 형태인 연속섬유 강화 복합재 각각의 장력을 조절하여 권출하는 단계;
(b) 상기 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와 장섬유 복합재가 유입되는 제2 유로가 상이한 각도로 형성된 금형에 상기 제1 유로에 연속섬유 강화 복합재를 유입시키고, 상기 제 2유로에 장섬유 복합재를 유입시키며, 상기 제1 유로의 일단에 역류방지 게이트를 구비시켜 상기 연속섬유 강화 복합재가 역류되지 않도록 하는 조절하는 단계;
(c) 상기 장섬유 복합재가 유입되는 코어부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 외부에 가열된 장섬유 복합재를 유입시키고 합지하는 단계;
(d) 상기 코어부의 후단에 구비되는 인서트 고정부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 위치를 고정하고 유입된 장섬유 복합재와 함께 압출하여 성형품을 제조하는 단계;
(e) 가압하여 압출된 성형품을 냉각하는 사이징 단계;
(f) 사이징 단계에서 냉각된 성형품에 곡률을 형성하여 중공형 스티프너를 제조하는 단계; 및
(g) 곡률이 형성된 성형품을 절단하여 스티프너를 회수하는 단계;를 포함한다.
13. 본 발명의 또 다른 관점은 상기 12 구체예의 제조방법으로 제조된 차량용 중공형 스티프너를 제공한다.
본 발명에 따른 스티프너 제조장치는 연속섬유 강화 복합재(CFT)를 보강용 인서트재로 포함하는 중공형 압출 스티프너를 제조할 수 있다. 스티프너 제조장치는 이미 기지재가 함침되어 있는 프리프레그 형태의 연속섬유를 보강재로 사용하되, 함께 유입되어 성형품을 형성하는 장섬유 복합재(LFT)가 유입되는 제2 유로의 각도, 냉각조건 및 장력을 조절하여 연속섬유 강화 복합재가 역류하거나 계류되는 현상을 방지하고, 곡률을 부여하여 차량용 스티프너를 효과적으로 연속 생산할 수 있다.
제조된 스티프너는 UTM 장치를 이용한 정하중 측정 30mm, 40mm 변위에서 보강재가 구비되지 않는 스티프너 대비 각각 16%, 14% 이상 정하중 성능이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조장치의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조장치의 압출부의 금형을 나타내는 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 스티프너 제조장치를 이용한 스티프너 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 4는 스티프너의 연속섬유 강화 복합재 적용 부위에 따른 정하중 성능 구조 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너의 연속섬유 강화 복합재 적용 부위에 따른 정하중 성능 구조 해석 시뮬레이션 결과와 해당 위치에 연속섬유 강화 복합재가 적용되도록 제조한 스티프너의 정하중 성능 측정결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조방법에 의해 제조된 스티프너의 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.
본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조장치의 구성을 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조장치의 압출부의 금형을 나타내는 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 스티프너 제조장치(1000)는 언와인더부(100), 압출부(200), 사이징부(300), 제1 인취부(400), 곡률성형부(500), 제2 인취부(600) 및 절단부(700)를 포함한다.
상기 언와인더부(100)는 연속섬유 강화 복합재(Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic; CFT)를 권출하여 연속으로 공급할 수 있다.
상기 언와인더부(100)는 권취된 연속섬유 강화 복합재(CFT)를 연속으로 공급하기 위한 것으로, 상기 압출부(200)에 연속적으로 공급하기 위하여 압출부(200)의 전단측에 배치되며, 연속섬유 강화 복합재의 보강 위치 및 투입량 등을 고려하여 2개 이상의 보빈(110, 120)으로 구비될 수 있다.
상기 언와인더부(100)는 상기 보빈(110, 120)의 장력을 각각 조절하여 상기 압출부(200)로 유입되는 연속섬유 강화 복합재에 부여되는 장력이 상이하도록 조절할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재(C)가 2개 이상의 프리프레그(Prepreg)로 상기 압출부(100)에 유입되고, 상기 곡률성형부(500)에서 성형품에 일정한 곡률을 형성하는 경우 각각의 연속섬유 강화 복합재(C)에 걸리는 장력이 서로 상이해질 수 있으며, 예를 들어 곡률이 더 큰 쪽에 배치되는 연속섬유 강화 복합재는 과도한 장력이 부여되어 성형품 내의 고정 위치에서 이탈되어 스티프너 외부로 노출되는 문제가 발생될 수 있다.
상기 언와인더부(100)는 각 보빈(110, 120)의 회전속도 등을 조절하여 상기 연속섬유 강화 복합재(C) 각각의 장력을 조절할 수 있으므로, 상기 곡률성형부(500)에서 성형품의 곡률을 증가시키는 경우에도 연속섬유 강화 복합재(C)가 성형품 내 고정 위치에서 이탈되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 언와인더부(100)는 상기 각 보빈(110, 120)의 일측에 배열기(130)를 구비하여, 상기 연속섬유 강화 복합재를 일정 방향으로 유도하는 것도 가능하다.
상기 압출부(200)는 상기 언와인더부(100) 일측에 배치된다.
상기 압출부(200)는 일측으로 연속섬유 강화 복합재(C)가 유입되고, 상기 연속섬유 강화 복합재의 외주면에 장섬유 복합재(Long Fiber-Reinforced Thermoplastic; LFT)를 유입시키고 압출하여 성형품을 제조할 수 있다.
구체적으로 상기 압출부(200)는 제1 유로(210)와 제 2 유로(220)를 구비하며, 상기 제2 유로(220)가 상기 제1 유로(210)와 상이한 각도로 배치되는 금형을 포함한다.
상기 연속섬유 강화 복합재(C)는 제1 유로(210)로 연속으로 유입되고, 상기 제2 유로(220)로 연속섬유 강화 복합재와 상이한 각도로 장섬유 복합재가 유입되어 연속섬유 강화 복합재(C)의 외부에 상기 장섬유 복합재가 합지되고, 금형에서 압출되어 중공형 성형품을 형성한 후 압출부(200) 타측으로 이송된다.
상기 압출부(200)는 금형을 구비하여 장섬유 복합재에 연속섬유 강화 복합재(C)를 합지시키고 압출하여 길이방향으로 연장된 중공형 성형품(스티프너)을 연속으로 제조할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재(C)는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 중 어느 하나 이상을 강화재로 포함하고, 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드 6(PA6), 폴리아미드 66(PA66), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 중 어느 하나 이상의 수지를 기지재(Matrix)로 포함하는 복합재일 수 있다.
예를 들면, 상기 연속섬유 강화 복합재(C)는 유리섬유 다발(roving)에 수지가 함침되어 있는 두께가 10mm 이상인 테이프 형상의 프리프레그일 수 있다. 이 경우 상기 연속섬유 강화 복합재(C)는 장섬유 복합재와의 계면에서의 접합력이 증가하여 성형품 내에서 연속섬유 강화 복합재(C)가 고정 위치를 이탈하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
수지가 함침되지 않은 연속섬유 강화 복합재(C)를 사용하는 경우 성형품 내부 장섬유 복합재와의 계면에서 서로 접합이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생될 수 있다.
한편, 중공 형상의 성형품의 단면적이 작아서 많은 양의 연속섬유 강화 복합재(C)를 보강할 수 없으나, 상기 연속섬유 강화 복합재(C)가 수지가 함침된 프리프레그인 경우에는 많은 양의 연속섬유 강화 복합재(C)를 보강하기에 유리하다.
한 구체예에서, 상기 연속섬유 강화 복합재(C)는 적어도 2개 이상의 프리프레그를 포함할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재(C)를 2개 이상의 프리프레그로 구비하는 경우 충돌시 하중이 전달되는 부위에 각각 배치하여 성형품의 강도 및 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기 언와인더부(100)는 프리프레그 형태의 연속섬유 강화 복합재(C)를 권출하여 상기 압출부(200)의 제1 유로(210)로 연속섬유 강화 복합재(C)를 유입시켜 위치를 고정하고, 상기 장섬유 복합재가 상기 연속섬유 강화 복합재(C)에 부하를 증가시키지 않도록 유입시켜 연속섬유 강화 복합재(C)에 걸리는 장력을 조절할 수 있기 때문에 강도 및 강성이 현저하게 증강된 중공형 성형품을 제조할 수 있다.
상기 제1 유로(210)는 상기 연속섬유 강화 복합재(C)가 유입되고, 상기 제2 유로(220)에는 상기 장섬유 복합재가 유입된다.
한 구체예에서, 상기 장섬유 복합재는 장섬유를 포함하는 펠릿(Pellet) 형태로 유입되고, 더 바람직하게는 상기 압출부(200) 일측에 구비된 장섬유 복합재 공급부(미도시)에서 170 내지 210℃ 범위에서 가소화되어 상기 제2 유로(220)를 통하여 유입될 수 있다.
상기 장섬유 복합재가 상기 압출부(200)에 유입되고, 상기 금형에서 상기 연속섬유 강화 복합재와 합지된 후 압출되어 성형품을 제조할 수 있다.
상기 장섬유 복합재는 강성이 크고, 사출 성형이 용이하여 연속섬유 강화 복합재(C)를 보강재로 하는 성형품의 기지재로 선택되는 경우 생산 속도를 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서, 상기 제2 유로(220)의 진행방향(I1)은 상기 제1 유로(210)의 진행방향(I2)과 30 내지 65°의 각도(θ)를 이룰 수 있다.
상기 각도 범위에서 제1 유로(210)에 연속섬유 강화 복합재(C)가 유입되면서 상기 제2 유로(220)에서 장섬유 복합재가 유입되어도 장섬유 복합재의 압력을 조절하기 용이하며, 연속섬유 강화 복합재(C)의 이동에 따라 장섬유 복합재가 제2 유로(220)를 따라 역류하거나, 더 이상 유입되지 못하고 제2 유로(220)에서 계류되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 범위를 초과하는 경우 장섬유 복합재의 유입에 따른 압력 및 마찰 증가로 인하여 연속섬유 강화 복합재(C)의 이동이 용이하지 않다.
한 구체예에서, 상기 제1 유로(210)는 일단이 테이퍼지게 구비된 역류방지 게이트(212)가 구비될 수 있다.
구체적으로 상기 역류방지 게이트(212)는 내측면이 중심부를 향하여 약 3 내지 8° 가량 경사지도록 구비되어 내측 직경이 점차 감소되어 연속섬유 강화 복합재의 외부와 제1 유로(210) 내벽과의 마찰이 증가되고, 진행방향의 역 방향으로 이동하기 어렵기 때문에 상기 연속섬유 강화 복합재(C)가 상기 장섬유 복합재의 압력에 의하여 역류되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 역류방지 게이트(212)는 또한 연속섬유 강화 복합재(C)의 유입에 따른 금형에 대한 압력 부하를 감소시킬 수 있으며, 상기 장섬유 복합재가 유입된 후 합류 과정에서 과도한 압력에 의한 장섬유 복합재의 깨짐 현상을 방지할 수 있다.
상기 제1 유로(210)의 외주에 제1 냉각수 라인(211)이 구비될 수 있다.
상기 제1 냉각수 라인(211)이 구비되어 마찰에 의한 연속섬유 강화 복합재의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 연속섬유 강화 복합재가 인서트된 후 압출 과정을 안정화시킬 수 있다.
상기 금형의 일단에는 제1 유로(210) 및 제2 유로(220)가 합류되는 코어부(230)가 구비된다.
상기 코어부(230)는 장섬유 복합재를 유입시켜 상기 연속섬유 강화 복합재(C)의 외부에 장섬유 복합재를 합지시키고 압출 성형으로 중공형 성형품을 제조할 수 있다.
상기 코어부(230)는 중공형 성형품을 제조할 수 있는 구조로 구비되며, 상기 연속섬유 강화 복합재와 장섬유 복합재가 충분하게 용융 융착될 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
예를 들면, 상기 코어부(230)는 상기 역류방지 게이트(212)의 끝단으로부터 15 내지 50mm 간격을 가진 공간일 수 있으며, 상기 공간에서 연속섬유 강화 복합재(C)의 외부에 장섬유 복합재가 합지되어 융착될 수 있다.
상기 코어부(230) 후단에는 인서트 고정부(240)가 구비될 수 있다.
상기 인서트 고정부(240)는 성형품이 하중을 받는 위치에 연속섬유 강화 복합재(C)를 배치하여 연속섬유 강화 복합재의 이동을 제한할 수 있으므로 중공형 성형품을 형성할 수 있으며 안정화시킬 수 있다.
상기 인서트 고정부(240)의 형상에 따라 상기 성형품에서 연속섬유 강화 복합재(C)가 배치되는 위치가 변화될 수 있다.
예를 들면, 상기 연속섬유 강화 복합재(C)는 충돌 시 하중을 받는 전면 및 배면에 배치되어 성형품의 강도 및 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서, 상기 인서트 고정부(240)의 외주에는 인서트 고정부(240)를 둘러싸는 제2 냉각수 라인(241)이 구비될 수 있다.
상기 인서트 고정부(240)의 외주에 제2 냉각수 라인(241)이 구비되어 연속섬유 강화 복합재의 외부에서 장섬유 복합재가 혼합되고 2차적으로 고화되어 연속섬유 강화 복합재가 배치된 위치에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
상기 압출부(200)는 상기 언와인더(100)에서 유입되는 연속섬유 강화 복합재(C)에 장섬유 복합재를 합지하여, 연속섬유 강화 복합재가 충돌 시 하중을 받는 위치에 인서트하여 중공형 성형품을 형성하고, 이를 일측으로 이송할 수 있다.
상기 사이징부(300)는 상기 압출부(200)에서 배출되는 성형품을 냉각할 수 있다. 보다 구체적으로 압출된 성형품을 진공으로 냉각할 수 있다.
상기 사이징부(300)는 상기 성형품이 성형되는 압출부(200) 바로 후단에 연속으로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 사이징부(300)가 구비되어 성형품의 생산 속도를 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 연속섬유 강화 복합재(C)가 성형품 내에 고정되도록 할 수 있다.
상기 사이징부(300)는 외측에 상기 성형품을 일측으로 유입시켜 냉각시키는 제3 냉각수 라인(310)을 구비할 수 있다.
상기 사이징부(300)가 제3 냉각수 라인(310)을 구비하여 사이징부(300) 내부를 신속하게 냉각할 수 있으며, 연속섬유 강화 복합재(C)의 위치를 고정시킬 수 있다.
상기 사이징부(300)는 일측에 진공 펌프(320)가 구비되어 사이징부(300) 내부를 감압할 수 있으며, 바람직하게는 진공에 가까운 분위기를 형성할 수 있다.
상기 사이징부(300)가 진공 펌프(320)를 구비하여 사이징부(300)의 내부를 진공에 가깝게 조성하면 성형품을 효과적으로 냉각시켜 연속섬유 강화 복합재(C)를 고정시키기 유리하고, 섬유의 깨짐을 방지할 수 있다.
상기 제 1 인취부(400)는 상기 사이징부(300) 후단에 배치되며, 상기 성형품을 인취하여 상기 곡률성형부(500)에 연속으로 공급할 수 있다.
구체적으로 상기 제1 인취부(400)는 벨트타입으로 3개 이상의 롤러를 구동하여 상기 성형품을 당기는 힘을 조절할 수 있다.
상기 곡률성형부(500)는 상기 성형품에 일정 곡률을 형성할 수 있다. 구체적으로 상기 곡률성형부(500)는 상기 성형품을 냉각하면서 일정 곡률을 형성할 수 있다.
상기 곡률성형부(500)의 외부에는 냉각수라인(미도시)이 구비될 수 있다.
상기 곡률성형부(500) 외부에 냉각수라인이 구비되어 성형품의 곡률 형성과정에서 성형품을 고화시켜 곡률을 고정할 수 있다.
한 구체예에서, 상기 곡률성형부(500)는 적어도 1개 이상의 곡률성형기가 연속 배치되어 상기 제1 인취부(400)에서 인출되는 성형품의 곡률을 조절할 수 있으며, 예를 들면, 4 내지 8개의 서브 곡률성형기를 배치하여 곡률을 형성하고 점차 냉각하여 곡률을 고정시킬 수 있다.
상기 곡률성형부(500)가 4 내지 8개의 서브 곡률성형기가 연속배치되어 상기 성형품의 곡률을 미세하게 조절할 수 있으며, 급격한 곡률의 변화를 유도하지 않아서 성형품의 표면에서 연속섬유 강화 복합재가 노출되거나 깨지는 것을 방지할 수 있다.
상기 곡률성형부(500)는 상기 성형품에 일정한 곡률을 부여하여 중공형 성형품을 제조할 수 있다.
상기 제2 인취부(600)는 곡률이 형성된 성형품을 일 방향으로 인취할 수 있다.
상기 제2 인취부(600)는 성형품을 일정 속도로 이동시켜 배출할 수 있다.
1개의 인취부를 이용하여 성형품을 이동시키는 종래 압출성형 공정의 경우에는 곡률성형 과정의 부하가 증가될 수 있으나, 본 발명은 상기 제1 인취부(400)가 곡률성형부(500)에 유입되는 속도를 증가시키고, 제2 인취부(600)가 곡률 성형이 완료된 성형품을 인취하도록 하여 성형품의 제조 속도를 증가시켜 생산 효율을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기 절단부(700)는 상기 제2 인취부(600) 후단에 배치되어 곡률이 형성된 성형품을 절단할 수 있다.
상기 절단부(700)는 곡률이 형성된 성형품을 절단하여 최종적으로 성형이 완료되어 곡률이 형성된 중공형 스티프너를 제조할 수 있다.
상기 스티프너 제조장치(1000)는 상기 언와인더부(100), 압출부(200), 사이징부(300), 제1 인취부(400), 곡률성형부(500), 제2 인취부(600) 및 절단부(700)가 연이어 배치되는 연속 공정으로 스티프너를 제조하기 때문에 제조 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 연속섬유 강화 복합재(C) 유입 시 역류를 방지하고, 프리프레그형태인 연속섬유 강화 복합재(C)와 장섬유 복합재의 계면에서 장섬유 복합재의 분리를 효과적으로 방지할 수 있고, 스티프너 외부에 연속섬유 강화 복합재(C)가 노출되거나 깨짐 현상을 방지할 수 있으며, 연속섬유 강화 복합재(C)를 스티프너에 충격 하중이 집중되는 곳에 배치하여 스티프너 전체의 강도 및 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 스티프너 제조방법에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 스티프너 제조장치를 이용한 스티프너 제조방법의 공정흐름도이다.
도 3을 참조하면, 상기 스티프너 제조방법은 (a) 2개 이상의 프리프레그 형태인 연속섬유 강화 복합재 각각의 장력을 조절하여 권출하는 단계;
(b) 상기 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와 장섬유 복합재가 유입되는 제2 유로가 상이한 각도로 형성된 금형에 상기 제1 유로에 연속섬유 강화 복합재를 유입시키고, 상기 제2 유로에 장섬유 복합재를 유입시키며, 상기 제1 유로의 일단에 역류방지 게이트를 구비시켜 상기 연속섬유 강화 복합재가 역류되지 않도록 하는 조절하는 단계;
(c) 상기 장섬유 복합재가 유입되는 코어부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 외부에 가열된 장섬유 복합재를 유입시키고 합지하는 단계;
(d) 상기 코어부의 후단에 구비되는 인서트 고정부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 위치를 고정하고 유입된 장섬유 복합재를 함께 압출하여 성형품을 제조하는 단계;
(e) 가압하여 압출된 성형품을 냉각하는 사이징 단계;
(f) 사이징 단계에서 냉각된 성형품에 곡률을 형성하여 중공형 스티프너를 제조하는 단계; 및
(g) 곡률이 형성된 성형품을 절단하여 스티프너를 회수하는 단계;를 포함한다.
도 3을 참조하면, 상기 스티프너 제조방법은 상술한 스티프너 제조장치를 이용하여 중공형 스티프너를 제조하는 방법에 관한 것이다.
우선, 2개 이상의 프리프레그 형태인 연속섬유 강화 복합재 각각의 장력을 조절하여 권출한다(S100).
상기 연속섬유 강화 복합재는 언와인더부의 보빈의 회전속도를 조절하여 각각의 장력을 상이하게 조절되므로, 어느 하나의 연속섬유 강화 복합재의 장력이 과도하게 증가되어 성형품 내의 고정 위치를 이탈하거나 성형품 외부로 노출되지 않는다.
상기 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와 장섬유 복합재가 유입되는 제2 유로가 상이한 각도로 형성된 금형에 상기 제1 유로에 연속섬유 강화 복합재를 유입시키고, 상기 제 2유로에 장섬유 복합재를 유입시키며, 상기 제1 유로의 일단에 역류방지 게이트를 구비시켜 상기 연속섬유 강화 복합재가 역류되지 않도록 조절한다(S200).
상기 장섬유 복합재는 제2 유로를 따라 유입되며, 상기 연속섬유 강화 복합재의 유입에 따른 역류를 방지하기 위하여 상기 제2 유로는 연속섬유 강화 복합재가 이동하는 제1 유로의 진행 방향에 대하여 30 내지 65°의 각도로 유입될 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로의 일단에는 역류방지 게이트가 구비되며, 상기 역류방지 게이트가 테이퍼지게 형성되어 장섬유 복합재 유입에 따른 압력 증가로 연속섬유 강화 복합재가 제1 유로를 따라 역류되는 것을 방지할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재 및 장섬유 복합재가 제1 유로 및 제2 유로를 따라 서로 상이한 각도로 금형에 유입되고, 연속섬유 강화 복합재가 역류되지 않기 때문에 연속섬유 강화 복합재 외부에서 장섬유 복합재가 혼합되어 합지되고 고정된 상태에서 압출되어 성형품을 제조할 수 있다.
상기 장섬유 복합재가 유입되는 코어부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 외부에 가열된 장섬유 복합재를 유입시키고 합지시킨다(S300).
상기 장섬유 복합재는 상기 제2 유로에 펠릿 형태로 공급할 수 있다.
상기 장섬유 복합재가 가소화되어 융융된 상태로 상기 연속섬유 강화 복합재의 외부에 유입되고 합지되어 복합재를 형성할 수 있다.
상기 코어부의 후단에 구비되는 인서트 고정부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 위치를 고정하고, 유입된 장섬유 복합재를 함께 압출하여 성형품을 제조한다(S400).
상기 인서트 고정부에서 상기 복합재의 위치를 고정하여 성형품을 제조하고, 예를 들면 충돌 시 하중을 받는 전면 및 배면에 연속섬유 강화 복합재를 배치하여 성형품의 강도 및 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 상기 코어부에서 상기 장섬유 복합재가 외부에 용융 융착되고, 코어부 후단에 배치된 인서트 고정부로 유입되며, 인서트 고정부에서 냉각되어 연속섬유 강화 복합재의 위치가 고정될 수 있고, 상기 연속섬유 강화 복합재의 위치가 고정된 상태에서 압출 성형되어 성형품을 제조할 수 있다.
가압하여 압출된 성형품을 냉각하여 사이징한다(S500).
예를 들면, 상기 성형품을 진공에 가까운 상태에서 냉각하는 사이징 과정에서 연속섬유 강화 복합재의 인서트 위치를 더 안정화시킬 수 있다.
사이징 단계에서 냉각된 성형품에 곡률을 형성한다(S600).
상기 사이징 단계를 후에 복수개의 곡률성형기를 구비하는 곡률성형부를 통하여 성형품의 곡률을 미세하게 조절하여 곡률이 형성된 중공형 스티프너를 제조할 수 있다.
곡률이 형성된 성형품을 절단하여 스티프너를 회수한다(S700).
상기 절단부가 상기 곡률성형부 후단에 연속 배치되어 곡률이 형성된 스티프너를 연속 생산하여 회수할 수 있다.
상기 연속섬유 강화 복합재는 2개 이상의 프리프레그 형태인 것이 바람직하며, 상기 인서트 고정부에서 성형품 내에 배치되는 위치에 따라 서로 상이한 장력이 부여될 수 있으나, 상기 S100에서 복수개의 보빈을 구비한 언와인더에서 각각의 프리프레그의 장력을 조절할 수 있기 때문에 곡률성형 과정에서 어느 하나의 연속섬유 강화 복합재만 장력이 증가되어 고정 위치를 이탈하거나, 성형품 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있으며, 곡률성형부 전단 및 후단에 배치된 인취기를 이용하여 인취속도를 조절하여 곡률성형 과정을 안정화시키고 제조 효율을 증가시켜 연속된 스티프너를 절단하여 최종적으로 중공형 스티프너를 회수할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 상기 스티프너 제조장치를 이용한 스티프너 제조방법으로 제조된 차량용 중공형 스티프너에 관한 것이다.
상기 차량용 중공형 스티프너는 충격 하중이 전달되는 전방 및 후방에 보강재로 연속섬유 강화 복합재가 배치되고, 스티프너 전체에 일정한 곡률이 형성되며, UTM 장치를 이용한 정하중 측정 30mm, 40mm 변위에서 연속섬유 강화 복합재가 구비되지 않는 스티프너 대비 각각 16%, 14% 이상 정하중 성능이 증가될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
폴리프로필렌 수지가 미리 함침된 프리프레그 형태인 연속섬유 강화 복합재를 준비하였다.
상기 연속섬유 강화 복합재 2개를 언와인더부를 통하여 압출부의 금형에 투입하였다.
압출부의 금형은 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와 장섬유 복합재가 유입되는 제2 유로가 분리되어 있으며, 각 유로 사이의 각도를 45°로 조절하였다.
연속섬유 강화 복합재를 일측으로 유입시키되, 언와인더부의 보빈의 회전속도를 조절하여 연속섬유 강화 복합재의 장력을 상이하게 하여 장력이 증가되는 바깥쪽에 배치되는 연속섬유 강화 복합재의 장력을 보정하여 균일한 장력을 보유하도록 하여 곡률성형 과정에서 연속섬유 강화 복합재가 이탈하여 스티프너 외부로 노출되지 않도록 하였다.
금형의 온도를 180 내지 210℃로 유지하여 장섬유 복합재를 가소화시키면서 압출하여 중공형 스티프너를 제조하였다. 상기 연속섬유 강화 복합재는 프리프레그로 미리 수지가 함침되어 있기 때문에 장섬유 복합재와 결합력이 증가되며, 계면에서 연속섬유 강화 복합재가 분리되는 것을 방지할 수 있다.
제2 유로에 장섬유 복합재를 유입시키고, 연속섬유 강화 복합재의 외부면에서 장섬유 복합재를 합지 후 압출하여 성형품을 제조하였다.
제1 인취부에서 배출된 성형품을 8개의 곡률성형부에서 미세하게 곡률을 형성하고, 냉각수를 유입시켜 서서히 100℃ 이하로 냉각하여 연속되는 중공형 스티프너를 제조하고, 제 2인취부에서 스티프너를 인취하여 절단부로 이송한 이후에 일정 길이의 규격으로 스티프너를 절단하여 최종적으로 차량용 중공형 스티프너를 제조하였다.
실험예 1. 연속섬유 강화 복합재 위치에 따른 정하중 평가
스티프너 내에 연속섬유 강화 복합재 위치에 따른 강도 및 강성을 평가하기 위하여 종래 압출성형 공정으로 연속섬유 강화 복합재를 서로 상이한 위치에 배치하여 정하중 성능 구조 해석을 진행하였다.
구조 해석은 LS-DYNA를 이용하여 분석하였다.
도 4는 스티프너의 보강재 적용 부위에 따른 정하중 성능 구조 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 4에 자동차 스티프너용 강도를 규정하는 변위 구간 30mm 및 40mm 변위에서 케이스별 스티프너가 버티는 정하중 값의 결과를 나타내었다. 연속섬유 강화 복합재가 들어가는 위치별 하중 값의 차이는 있으나, 모든 경우에서 연속섬유 강화 복합재가 들어감으로써 정하중 값이 증가하는 것을 확인하였다.
이 구조 해석 결과를 통해서 실제 성형에서 구현이 가능하고 보강 효과가 좋은 위치를 선정하였으며, 스티프너를 눕힌 상태로 단면을 보았을 때, 좌측/우측 방향, 즉 정하중을 받는 정면과 배면 부위에 연속섬유 강화 복합재를 배치하는 경우(케이스 5, 6)가 가장 높은 보강 효과를 나타내는 것을 확인하였다.
실험예 2. 차량용 중공형 스티프너의 정하중 평가
실시예 1에 따라 스티프너를 제조하되, 연속섬유 강화 복합재의 배치를 변경하여 스티프너를 제조하였다.
제조된 스티프너의 구조 해석은 LS-DYNA를 이용하였다. 또한, 연속섬유 강화 복합재의 물성은 GALDABINI社 Quasar100 UTM(Universal Testing Machine) 장비를 활용하여 ASTM D3039에 의하여 측정한 결과값을 이용하였다.
우선 실시예 1에 따라 제조된 스티프너를 지지대에 고정하였다. 스티프너 전장 길이는 1200mm, 고정홀 사이의 길이는 940mm로 하였다.
정하중 시험은 Withlab사의 WL2100의 UTM을 이용하여 스티프너 중앙부를 50mm/min 속도로 압축시켜 버티는 하중을 측정하였다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 정하중 성능과 보강재 위치에 따른 정하중 성능의 측정결과를 나타낸 것이다.
연속섬유 강화 복합재를 스티프너 내에 보강함에 있어서 실제 성형이 가능한 수준에서 위치별 연속섬유 강화 복합재를 배치하고 융착하여 해석한 결과와 실제 제품상에서의 성능을 비교 평가하였다.
인서트 부위별 성형성에 따라서 해석 결과 값 대비 실제 성능에서는 증가 폭이 감소하는 경향을 보였다. 하지만 정하중을 받는 정면과 배면 부위에 연속섬유 강화 복합재를 배치하는 경우(case 3)에서 연속섬유 강화 복합재가 배치되지 않은 경우에 대비하여 30mm 변위에서는 16%, 40mm 변위에서는 14% 증가하는 것을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 스티프너 제조방법에 의해 제조된 스티프너의 사진이다.
도 6을 참조하면, 중공형 스티프너(S)는 곡률을 가지도록 성형되었으며, 전후방에 연속섬유 강화 복합재(C)가 인서트되어 고정되며 계면 분리가 발생되지 않고, 연속섬유 강화 복합재(C)가 곡률에 따라 외부로 노출되지 않는 것을 확인하였다.
따라서 본 발명은 연속섬유 강화 복합재를 중공형 스티프너의 좁은 단면 내에 배치하는 경우 가장 효과적으로 강성 및 강도를 증가시킬 수 있는 구조적 위치를 확인하였으며, 새롭게 설계된 스티프너 제조장치를 이용하여 적어도 2 개 이상의 프리프레그 형태의 연속섬유 강화 복합재를 스티프너 내에 인서트하여 고정시키고, 곡률 성형과정에서 연속섬유 강화 복합재의 장력에 의해 연속섬유 강화 복합재가 스티프너의 외부로 노출되거나 장섬유 복합재가 깨지지 않도록 하여 강도 및 강성이 증가된 차량용 스티프너를 제조할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 : 스티프너 제조장치
100 : 언와인더부 110, 120: 보빈
130: 배열기 200 : 압출부
210 : 제1 유로 211 : 제1 냉각수 라인
212 : 역류방지 게이트 220 : 제2 유로
230 : 코어부 240 : 인서트 고정부
241 : 제2 냉각수 라인 300 : 사이징부
310 : 제3 냉각수 라인 320 : 진공 펌프
400 : 제1 인취부 500 : 곡률형성부
600 : 제2 인취부 700 : 절단부
S : 중공형 스티프너
C : 연속섬유 강화 복합재

Claims (13)

  1. 연속섬유 강화 복합재(CFT)를 권출하여 연속으로 공급하는 언와인더부;
    상기 언와인더부 일측에 구비되며, 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와, 상기 연속섬유 강화 복합재와 상이한 각도로 장섬유 복합재(LFT)가 유입되는 제2 유로를 구비하고, 상기 연속섬유 강화 복합재 외부에 상기 장섬유 복합재를 합지시키는 금형을 구비하는 압출부;
    상기 압출부에서 배출되는 성형품을 냉각하는 사이징부;
    상기 사이징부 후단에 배치되며, 상기 연속섬유 강화 복합재의 장력을 조절하는 제1 인취부;
    상기 성형품을 냉각하여 일정 곡률을 형성하는 곡률성형부;
    곡률이 형성된 성형품을 인취하는 제2 인취부; 및
    상기 제2 인취부 후단에 배치되어 곡률이 형성된 성형품을 절단하는 절단부;를 포함하는,
    스티프너 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 유로는 상기 제1 유로의 진행 방향과 30 내지 65°의 각도를 이루는 것인, 스티프너 제조장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유로는 일단이 테이퍼지게 구비된 역류방지 게이트가 구비되는 것인, 스티프너 제조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유로는 외주에 제1 냉각수 라인이 구비되는 것인, 스티프너 제조장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금형은 상기 제1 유로 및 제2 유로가 합류되는 코어부를 구비하고, 상기 코어부는 연속섬유 강화 복합재의 외부에 장섬유 복합재가 연속 유입되어 성형품을 형성하는 것인, 스티프너 제조장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 코어부의 후단에는 인서트 고정부가 구비되는 것인, 스티프너 제조장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 인서트 고정부 외주에는 인서트 고정부를 둘러싸는 제2 냉각수 라인이 구비되는 것인, 스티프너 제조장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 사이징부는 상기 성형품을 냉각시키는 제3 냉각수 라인을 구비하고, 일측에 진공 펌프를 구비하는 것인, 스티프너 제조장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연속섬유 강화 복합재는 적어도 2개 이상의 프리프레그를 포함하는 것인, 스티프너 제조장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 언와인더부는 상기 금형에 유입되는 프리프레그 각각의 장력을 조절하는 것인, 스티프너 제조장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 곡률성형부는 적어도 1개 이상의 곡률성형기가 연속 배치되어 상기 제1 인취부에서 인출되는 성형품의 곡률을 조절하는 것인, 스티프너 제조장치.
  12. (a) 2개 이상의 프리프레그 형태인 연속섬유 강화 복합재 각각의 장력을 조절하여 권출하는 단계;
    (b) 상기 연속섬유 강화 복합재가 유입되는 제1 유로와 장섬유 복합재가 유입되는 제2 유로가 상이한 각도로 형성된 금형에 상기 제1 유로에 연속섬유 강화 복합재를 유입시키고, 상기 제 2유로에 장섬유 복합재를 유입시키며, 상기 제1 유로의 일단에 역류방지 게이트를 구비시켜 상기 연속섬유 강화 복합재가 역류되지 않도록 하는 조절하는 단계;
    (c) 상기 장섬유 복합재가 유입되는 코어부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 외부에 가열된 장섬유 복합재를 유입시키고 합지하는 단계;
    (d) 상기 코어부의 후단에 구비되는 인서트 고정부에서 상기 연속섬유 강화 복합재의 위치를 고정하고 유입된 장섬유 복합재를 함께 압출하여 성형품을 제조하는 단계;
    (e) 가압하여 압출된 성형품을 냉각하는 사이징 단계;
    (f) 사이징 단계에서 냉각된 성형품에 곡률을 형성하여 중공형 스티프너를 제조하는 단계; 및
    (g) 곡률이 형성된 성형품을 절단하여 스티프너를 회수하는 단계;를 포함하는,
    스티프너 제조방법.
  13. 상기 제12항의 제조방법으로 제조된 차량용 중공형 스티프너.
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