KR20240072566A - 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템 - Google Patents

고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템 Download PDF

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주식회사 하이인텍
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Abstract

본 발명에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템은 제조되는 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률 형상을 최소화하도록 탄소섬유 직물을 둘 이상의 조각으로 절단하는 절단 테이블, 절단된 조각을 보관하는 스토리지, 성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 스토리지에 보관된 절단된 조각을 프리폼 형상으로 배치하여 조립하는 레이업 몰드, 성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 상면에 위치한 조립된 조각을 프리폼 형상으로 트림하는 넷트림 몰드 및 상기 레이업 몰드에서 조립된 조각을 상기 넷트림 몰드로 이송하며, 상기 프리폼 형상에 대응하도록 조립된 조각의 곡률을 변형하는 가변곡률 행거를 포함한다.

Description

고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템{PREFORM MANUFACTURING WORK-CELL SYSTEM FOR HIGH PRODUCTIVITY AND HIGH QUALITY RTM PROCESS}
본 발명은 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼을 제조하기 위한 것으로, 보다 구체적으로 굴곡 형상을 가지는 프리폼을 고온액상성형 공정을 통해 고속으로 고품질 제조할 수 있는 워크셀에 관한 발명이다.
섬유강화 복합소재는 1) 강화섬유, 2) 프리프레그, 3) 프리폼, 4) 섬유강화 복합소재의 단계를 거쳐 제조되고 있으며, 중간 과정으로 프리프레그와 프리폼 단계를 거치는 방향으로 기술이 발전중이다. 이와 같은 중간 성형 과정인 프리프레그 및 프리폼 단계를 통해 수지 함침량과 섬유 체적비를 제어할 수 있으며, 성형품의 물성 개선 및 공정 효율성을 높일 수 있는 장점을 가진다.
프리프레그(탄소섬유)를 이용하여 프리폼을 제조하는 과정은 현재 수작업으로 처리되는 부분이 존재하여 자동화 공정이 미흡함에 따라 공정 효율이 저하되는 문제점이 존재한다. 특히, 항공기 부품과 같은 대면적의 성형품을 제조하는 경우에는 수작업을 요하는 부분이 많아 공정 효율이 떨어지고, 대면적에 의해 발생되는 여러 문제점이 존재한다. 더구나 항공기 부품의 경우 대면적을 가질 뿐 아니라 여러 곡률을 가지고 있어 기존의 제조장비를 통해서는 곡률 구조를 정확하게 레이업하여 성형하는데 어려움이 있어 자동화 공정보다는 수작업에 의존하는 부분이 많아 공정 효율이 크게 떨어지는 형편이다. 이를 해결하기 위하여 대면적 프리폼을 제조하기 위한 생산 자동화 장치(로봇)과 자동화 공정 시 발생되는 문제를 억제하기 위한 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 곡률 형상의 금형에 재단된 탄소섬유 직물을 곡률 형상에 정확하게 대응하는 형태로 탄소섬유 직물을 레이업하여 프리폼을 제조할 수 있는 워크셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시 예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 제조되는 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률 형상을 최소화하도록 탄소섬유 직물을 둘 이상의 조각으로 절단하는 절단 테이블, 절단된 조각을 보관하는 스토리지, 성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 스토리지에 보관된 절단된 조각을 프리폼 형상으로 배치하여 조립하는 레이업 몰드, 성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 상면에 위치한 조립된 조각을 프리폼 형상으로 트림하는 넷트림 몰드 및 상기 레이업 몰드에서 조립된 조각을 상기 넷트림 몰드로 이송하며, 상기 프리폼 형상에 대응하도록 조립된 조각의 곡률을 변형하는 가변곡률 행거를 포함하는 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템은 탄소섬유 직물의 재단과 이송을 하나의 연속적인 공정으로 수행하여 공정 효율성을 높일 수 있으며, 가변곡률 행거를 통해 평면 형상의 탄소섬유 직물을 곡률 형상의 몰드 상에 곡률 형태로 정확한 위치에 레이업할 수 있어 고품질 프리폼 제조가 가능하다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템의 가변곡률 행거를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템의 버큠 행거를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변곡률 행거를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 및 단어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 발명의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 후술하는 실시예에서 사용된 용어는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 명세서에서 기술한 "부"란, "하드웨어 또는 소프트웨어의 시스템을 변경이나 플러그인 가능하도록 구성한 블록"을 의미하는 것으로서, 즉 하드웨어나 소프트웨어에 있어 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템의 가변곡률 행거를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템의 버큠 행거를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변곡률 행거를 나타내는 구성도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템은 제조되는 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률 형상을 최소화하도록 탄소섬유 직물을 둘 이상의 조각으로 절단하는 절단 테이블, 절단된 조각을 보관하는 스토리지, 프리폼과 동일한 곡률 형상을 가지며 스토리지에 보관된 절단된 조각을 프리폼 형상으로 배치하여 조립하는 레이업 몰드, 프리폼과 동일한 곡률 형상을 가지며 상면에 위치한 조립된 조각을 프리폼 형상으로 트림하는 넷트림 몰드 및 상기 레이업 몰드에서 조립된 조각을 상기 넷트림 몰드로 이송하며, 상기 프리폼 형상에 대응하도록 조립된 조각의 곡률을 변형하는 가변곡률 행거를 포함한다.
절단 테이블은 제조되는 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률 형상을 최소화하도록 탄소섬유 직물을 둘 이상의 조각으로 절단하는 장치이다.
일례로서, 테이블형 커팅기를 사용하며 직물(Woven fabric) 형태의 탄소섬유를 절단한다. 이때, 절단장치는 제조되는 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률 형상을 최소화하도록 조각을 구분하여 절단한다. 제조되는 프리폼이 곡률 형상을 가질 때, 평면 탄소섬유 직물을 그 자체로 몰드에 레이업할 경우 곡률 형상 부위에서 들뜸이나 변형이 발생하여 제조되는 프리폼의 품질이 저하된다. 또한, 곡률 형상의 부품은 레이업 시 정확한 위치에 레이업하는데 어려움이 존재한다. 따라서 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률이 최소화되도록 설계하여 탄소섬유 직물을 둘 이상의 조각으로 절단한다. 즉, 곡률을 최소한으로 반영이 가능하도록 부품 사이즈에 따라 다양한 크기와 형상의 조각으로 절단하는 것이 바람직하다.
또한, 절단 테이블 상에 공급되는 탄소섬유 직물은 토우에 감겨진 탄소섬유 직물이 절단 테이블 상에서 절단된 조각의 이송 여부에 따라 자동으로 공급되는 형태인 것이 바람직하다.
스토리지는 절단 테이블에서 절단된 조각을 보관하는 것으로, 하나의 탄소섬유 직물로부터 절단된 조각을 하나의 그룹으로 하여 보관한다. 이때, 테이블 사이즈에 따른 1사이클 이송이 바람직하다.
그리고 절단 테이블 상에 위치한 절단된 조각은 로봇암에 구비된 버큠(Vacuum) 행거를 통해 픽업되어 스토리지에 레이업된다. 이때, 버큠 행거는 테이블 커터 작업반경과 동일한 사이즈로 제작되는 것이 바람직하며, 네스팅도면의 카트리지 적용에 대한 최적화를 통해 절단 테이블에서 한 번에 절단된 조각을 포함하는 한 사이클 전체를 스토리지에 위치한 하나의 카트리지로 한 번에 이송하는 것이 바람직하다.
레이업 몰드는 성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 스토리지에 보관된 절단된 조각을 프리폼 형상으로 배치하여 조립한다. 이때, 절단된 조각을 형성하는 탄소섬유 직물에 존재하는 사이징제 또는 매트릭스 수지에 열을 가하여 절단된 조각을 접착할 수 있으며, 별도의 접착 수지를 도포하여 절단된 조각을 접착할 수 있다. 이때 절단된 조각의 조립 형상은 몰드에 레이업되는 탄소섬유의 형상에 대응한다.
넷트림 몰드는 성혈 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며, 상면에 위치한 조립된 조각을 프리폼 형상으로 트림한다. 절단 테이블에서 절단된 조각을 최종 몰드 형상에 정확하게 대응하도록 절단하는 경우 레이업 몰드에서의 접착 과정이나 이송 과정에서 발생된 오차로 인해 최종 몰드 형상에 정확하게 대응하지 않게 된다. 더욱이 프리폼을 실제로 성형하는 성형 몰드는 곡률 형상을 가지고 있어, 평면 형상인 절단 테이블이나 레이업 몰드에서는 성형 몰드의 곡률 형상에 완전하게 대응하도록 절단할 수 없다. 따라서 절단된 조각을 레이업 몰드에서 조립한 후, 성형 몰드와 동일한 곡률을 가지는 넷트림 몰드에서 트림 작업을 통해 성형 몰드에 대응하는 곡률 형태로 조립된 조각을 성형한다.
이때, 절단 테이블 및 스토리지와 달리 레이업 몰드 및 넷트림 몰드는 상부면이 평면이 아닌 성형 몰드에 대응하는(성형 몰드와 동일한) 곡률 형상을 가진다. 이와 같이, 레이업 몰드 및 넷트림 몰드가 곡률 형상을 가지기 때문에 일반적인 평면 형태의 버큠 행거로 조립된 조각을 픽업 및 레이업할 경우 정확하게 위치되기 어려우며, 곡률 형상 부위에서 들뜸이나 변형이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 가변곡률 행거를 통해 레이업 몰드에서 조립된 조각을 넷트림 몰드로 이송하여 레이업한다.
이를 위해 가변곡률 행거는 버큠 행거와 같이 평면 형태가 아닌 성형 몰드의 곡률 형상에 대응하는 곡률 형태를 가진다. 이와 같은 곡률 형태를 가지는 가변곡률 행거는 곡률 형상에 대응하는 다양한 행거를 툴 체인지하여 픽업할 수 있으며, 또는 셋 이상의 엔드 이펙터를 구비하고 곡률 형상에 대응하도록 형상 변환하여 조립된 조각을 픽업할 수 있다. 예를 들어, 가변곡률 행거는 기본 형태일 때는 평면 형태를 가지지만, 액추에이터를 통해 프레임 형상을 변형하여 구비된 각각의 엔드 이펙터가 서로 다른 높낮이를 가지도록 하여 곡률 형상에 대응하는 가변곡률 형태를 가질 수 있다.
상술한 내용을 포함하는 본 발명은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체 또는 정보저장매체에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행함으로써 본 발명의 방법을 구현할 수 있다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (1)

  1. 제조되는 프리폼의 곡률 형상을 고려하여 곡률 형상을 최소화하도록 탄소섬유 직물을 둘 이상의 조각으로 절단하는 절단 테이블;
    절단된 조각을 보관하는 스토리지, 성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 스토리지에 보관된 절단된 조각을 프리폼 형상으로 배치하여 조립하는 레이업 몰드;
    성형 몰드와 동일한 곡률 형상을 가지며 상면에 위치한 조립된 조각을 프리폼 형상으로 트림하는 넷트림 몰드; 및
    상기 레이업 몰드에서 조립된 조각을 상기 넷트림 몰드로 이송하며, 상기 프리폼 형상에 대응하도록 조립된 조각의 곡률을 변형하는 가변곡률 행거;
    를 포함하는, 고속 고품질 고온액상성형 공정용 프리폼 제조 워크셀 시스템
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