WO2021033992A1 - 하이브리드형 섬유강화 복합재료 및 그 제조장치 - Google Patents

하이브리드형 섬유강화 복합재료 및 그 제조장치 Download PDF

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WO2021033992A1
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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid fiber-reinforced composite material and an apparatus for manufacturing the same.
  • automobile parts are made of metal to secure high strength and high rigidity.
  • plastics composed of reinforcing fibers and resin matrix exhibit weight reduction, high strength, and high rigidity by controlling the content and type of fibers. If the content of fibers exceeds the appropriate range, it is difficult to show weight reduction, and While the composite material has excellent formability, it is difficult to exhibit high strength, and the composite material containing only continuous fibers has excellent strength and stiffness, but has a problem in that the formability is weaker than that of the composite material containing long fibers.
  • the present invention is applicable to structural parts that require rigidity to which metal is applied, and the fluidity due to the long fibers and the rigidity due to the continuous fibers are combined, and the moldability is improved by securing the fluidity, and at the same time, it has excellent strength and hardness. It is an object of the present invention to provide a hybrid fiber-reinforced composite material and a device for manufacturing the same, which can reduce dispersion according to the location of products by simultaneously inputting fibers.
  • a hybrid fiber-reinforced composite material includes a first long fiber layer, a continuous fiber layer laminated on one side of the first long fiber layer, and a second long fiber layer laminated on one side of the continuous fiber layer, It may further include at least one of a first thermosetting resin laminated on the other side of the first long fiber layer and a second thermosetting resin laminated on one side of the second long fiber layer.
  • the first thermosetting resin and the second thermosetting resin may each include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • Each of the first long fiber layer and the second long fiber layer may have a thickness of 0.3 to 1 mm, and the continuous fiber layer may have a thickness of 0.3 to 0.7 mm.
  • the first long fiber layer, the continuous fiber layer and the second long fiber layer may each include at least one of glass fibers and carbon fibers.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material may have a basis weight of 1000 to 4000 gsm, and at least one of the glass fiber and the carbon fiber may have a weight ratio of 25 to 70% of the hybrid fiber-reinforced composite material.
  • a hybrid fiber-reinforced composite material includes a first continuous fiber layer, a long fiber layer laminated on one side of the first continuous fiber layer, and a second continuous fiber layer laminated on one side of the long fiber layer, It may further include at least one of a first thermosetting resin laminated on the other side of the first continuous fiber layer and a second thermosetting resin laminated on one side of the second continuous fiber layer.
  • the first thermosetting resin and the second thermosetting resin may each include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • the long fiber layer may have a thickness of 0.3 to 1 mm, and the first continuous fiber layer and the second continuous fiber layer may each have a thickness of 0.3 to 0.7 mm.
  • the first long fiber layer and the second long fiber layer may each include at least one of glass fibers and carbon fibers.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material may have a basis weight of 1000 to 4000 gsm, and at least one of the glass fiber and the carbon fiber may have a weight ratio of 25 to 70% of the hybrid fiber-reinforced composite material.
  • a hybrid fiber-reinforced composite material manufacturing apparatus includes a first thermosetting resin supply unit for discharging a first thermosetting resin, and a first long fiber for supplying a first long fiber to an upper portion of the first thermosetting resin.
  • a second thermosetting resin supply unit for supplying a second thermosetting resin on top of the fibers, the first thermosetting resin, the first long fibers, the continuous fibers, the second long fibers, and the second thermosetting resin are sequentially stacked.
  • a transfer belt unit to move, and a composite material consisting of the first thermosetting resin, the first long fiber, the continuous fiber, the second long fiber, and the second thermosetting resin sequentially stacked from the transfer belt unit are received. It may include a winding roll unit to wind up.
  • the first long fiber supply unit and the second long fiber supply unit may each include a support roll for supporting glass fiber or carbon fiber roving, and a cutting roll for cutting glass fiber or carbon fiber roving.
  • the transfer belt unit includes a belt moving so that the first thermosetting resin, the first long fiber, the continuous fiber, the second long fiber, and the second thermosetting resin are sequentially stacked, and a transfer providing a driving force to the belt. It may include a roll.
  • the transfer belt unit may further include a pressure support roll supplied by the second thermosetting resin supply unit to press the stacked second thermosetting resin.
  • a hybrid fiber-reinforced composite material manufacturing apparatus includes a first thermosetting resin supply unit for discharging a first thermosetting resin, and a supply roll for supplying a first continuous fiber to an upper portion of the first thermosetting resin.
  • a second continuous fiber supply unit including a first continuous fiber supply unit, a long fiber supply unit for supplying long fibers to an upper portion of the first continuous fibers, and a supply roll for supplying a second continuous fiber to an upper portion of the long fibers ,
  • a second thermosetting resin supply unit for supplying a second thermosetting resin to an upper portion of the second continuous fiber, the first thermosetting resin, the first continuous fiber, the long fiber, the second continuous fiber, the second thermosetting resin Consisting of a transfer belt unit for moving to be sequentially stacked, and the first thermosetting resin, the first continuous fiber, the long fiber, the second continuous fiber, and the second thermosetting resin sequentially stacked from the transfer belt unit. It may include a winding roll unit for receiving and winding the composite material.
  • the long fiber supply unit may include a support roll for supporting the glass fiber or carbon fiber roving, and a cutting roll for cutting the glass fiber or carbon fiber roving.
  • the transfer belt unit includes a belt moving so that the first thermosetting resin, the first continuous fiber, the long fiber, the second continuous fiber, and the second thermosetting resin are sequentially stacked, and a transfer providing a driving force to the belt. It may include a roll.
  • the transfer belt unit may further include a pressure support roll supplied by the second thermosetting resin supply unit to press the stacked second thermosetting resin.
  • hybrid fiber-reinforced composite material of the present invention is applicable to structural parts requiring rigidity to which metal is applied, and fluidity by long fibers and rigidity by continuous fibers can be combined.
  • continuous fibers are added at the same time to reduce dispersion depending on the location of the product.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid fiber-reinforced composite material according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a hybrid fiber-reinforced composite material according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart schematically showing a method of manufacturing a hybrid fiber-reinforced composite material according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a hybrid fiber-reinforced composite material manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a hybrid fiber-reinforced composite material according to a second embodiment of the present invention shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for manufacturing a hybrid fiber-reinforced composite material according to a second embodiment of the present invention.
  • thermosetting resin supply unit 120 first long fiber supply unit
  • support roll 160 transfer belt unit
  • feed roll 162 belt
  • thermosetting resin supply unit 220 first continuous fiber supply unit
  • supply roll 230 long fiber supply unit
  • second continuous fiber supply unit 241 supply roll
  • thermosetting resin supply unit 251 support roll
  • transfer belt unit 261 transfer roll
  • thermosetting resin 1200 first long fiber layer
  • thermosetting resin 2200 first continuous fiber layer
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid fiber-reinforced composite material according to a first embodiment of the present invention.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 includes a first thermosetting resin 1100, a first long fiber layer 1200, a continuous fiber layer 1300, a second long fiber layer 1400, and a second thermosetting resin. (1500) may be included.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 includes a first long fiber layer 1200, a continuous fiber layer 1300 laminated on one side of the first long fiber layer, and a second long fiber layer 1400 laminated on one side of the continuous fiber layer. ), and further includes at least one of a first thermosetting resin 1100 laminated on the other side of the first long fiber layer 1200 and a second thermosetting resin 1500 laminated on one side of the second long fiber layer 1400 can do.
  • a continuous fiber layer 1300 may be stacked on an upper surface of the first long fiber layer 1200, and a second long fiber layer 1400 may be stacked on an upper surface of the continuous fiber layer 1300. That is, the continuous fiber layer 1300 may be disposed between the first long fiber layer 1200 and the second long fiber layer 1400.
  • Long fibers for example, become polymers in gel form by applying heat and pressure to high-purity terephthalic acid (PTA) and ethylene glycol (EG), which are raw materials for polyester, and causing a polymerization reaction, This is made into a thread after going through the spinning process of pulling out the thread and the stretching process that gives various physical properties.
  • PTA terephthalic acid
  • EG ethylene glycol
  • Long fibers can be cut into 1-2 inches in length. Long fibers are cut longer than short fibers.
  • the continuous fiber can be used as it is, or a woven fabric can be used.
  • thermosetting resin 1100 is disposed on the lower surface of the fiber layer sheet in which the first long fiber layer 1200, the continuous fiber layer 1300, and the second long fiber layer 1400 are sequentially stacked, or the first thermosetting resin 1100 is disposed on the upper surface of the fiber layer sheet.
  • the second thermosetting resin 1500 may be disposed, or the first thermosetting resin 1100 may be disposed on the lower surface of the fibrous layer sheet, and the second thermosetting resin 1500 may be disposed on the upper surface of the fibrous layer sheet.
  • the first long fiber layer 1200 may be impregnated in the liquid first thermosetting resin 1100 before the first thermosetting resin 1100 is cured, and the second long fiber layer 1400 may also contain the second thermosetting resin 1500 It may be impregnated into the liquid second thermosetting resin 1500 before curing. At least a portion of the continuous fiber layer 1300 may also be impregnated into the liquid thermosetting resins 1100 and 1500 by thermocompression.
  • the first thermosetting resin 1100 and the second thermosetting resin 1500 may each include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • the thermosetting resin is supplied as a liquid before curing, and the thermosetting resin can penetrate into the long fibers and continuous fibers by thermocompression bonding together with the long fibers and continuous fibers. Therefore, as a hybrid fiber-reinforced composite material in which a thermosetting resin, a pair of long fibers and continuous fibers are integrated, it can be a sheet molding compound (SMC).
  • SMC sheet molding compound
  • the first long fiber layer 1200 and the second long fiber layer 1400 each have a thickness of 0.3 to 1 mm, and the continuous fiber layer 1300 may have a thickness of 0.3 to 0.7 mm.
  • the thickness of the first long fiber layer 1200 and the second long fiber layer 1400 means the thickness of the long fiber composite layer impregnated with a thermosetting resin, and may be 0.3 mm or more.
  • the maximum thickness of the long fiber layer may be 1 mm, but may have a thickness greater than 1 mm depending on the thickness of the part to be made of the fiber-reinforced composite material.
  • the thickness of the continuous fiber layer 1300 also refers to the thickness of the continuous fiber composite layer impregnated with a thermosetting resin, and may be 0.3 to 0.7 mm. Since it is preferable to use a fabric for the continuous fiber layer 1300, the maximum value of the thickness may be less than the maximum value of the thickness of the long fiber layer.
  • the first long fiber layer 1200, the continuous fiber layer 1300, and the second long fiber layer 1400 may each include at least one of glass fibers and carbon fibers.
  • Glass fiber is made by pulling out glass melted in a platinum crucible through a small hole drilled in the crucible on the highway.
  • the fine fibers of the thickness of about 1/200 made in this way are much more resistant to heat and chemicals than flat glass or glassware, and have high elasticity.
  • it is used in various ways by taking advantage of the heat resistance, chemical resistance, and elasticity resistance of glass fibers.
  • Glass fiber reinforced plastic is a mixture of glass fiber with plastic.
  • Carbon fiber is a very fine fiber with a thickness of 0.005 to 0.010 mm, mainly composed of carbon. Carbon atoms constituting the carbon fiber are attached in the form of hexagonal ring crystals along the length of the fiber, and have strong physical properties due to this molecular arrangement structure. A single thread is made by twisting thousands of carbon fibers. Carbon fibers can be woven in a variety of patterns, and can be used with plastics to create lightweight and strong composite materials such as carbon-fiber-reinforced polymer. Since the density of carbon fiber is much lower than that of iron, it is suitable for use when weight reduction is essential. Carbon fiber can be very widely used as a material in the aerospace industry, civil engineering construction, military, automobile, and various sports fields due to characteristics such as high tensile strength, light weight, and low thermal expansion coefficient.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 may have a basis weight of 1000 to 4000 gsm, and at least one of the glass fiber and the carbon fiber may have a weight ratio of 25 to 70% of the hybrid fiber-reinforced composite material.
  • the unit of the basis weight is gsm (grams per square meter), which refers to the weight (g) of a sheet of 1m in width and 1m in length.
  • the basis weight of the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 made of fibers and thermosetting resin may be 1000 to 4000 gsm depending on the content and thickness of the components.
  • the weight occupied by the first long fiber layer 1200, the continuous fiber layer 1300, and the second long fiber layer 1400 of the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 may be 25 to 70% of the total.
  • the first long fiber layer 1200, the continuous fiber layer 1300, and the second long fiber layer 1400 are composed of 60 wt% carbon fiber
  • the first thermosetting resin 1100, the second thermosetting resin 1500 May be composed of 40wt% of unsaturated polyester.
  • the hybrid composite material 1000 according to the first embodiment of the present invention can secure excellent strength and stiffness, secure desired mechanical properties, and can manufacture a specific type of component by secondary molding using SMC.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a hybrid fiber-reinforced composite material according to a second embodiment of the present invention.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material 2000 includes a first thermosetting resin 2100, a first continuous fiber layer 2200, a long fiber layer 2300, a second continuous fiber layer 2400, and a second thermosetting resin. (2500) may be included.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material 2000 includes a first continuous fiber layer 2200, a long fiber layer 2300 laminated on one side of the first long fiber layer, and a second continuous fiber layer 2400 laminated on one side of the continuous fiber layer. ), and further includes at least one of a first thermosetting resin 2100 laminated on the other surface of the first continuous fiber layer 2200 and a second thermosetting resin 2500 laminated on one surface of the second continuous fiber layer 2400 can do.
  • a long fiber layer 2300 may be stacked on an upper surface of the first continuous fiber layer 2200, and a second continuous fiber layer 2400 may be stacked on an upper surface of the long fiber layer 2300. That is, the long fiber layer 2300 may be disposed between the first continuous fiber layer 2200 and the second continuous fiber layer 2400.
  • Long fibers for example, become polymers in gel form by applying heat and pressure to high-purity terephthalic acid (PTA) and ethylene glycol (EG), which are raw materials for polyester, and causing a polymerization reaction, This is made into a thread after going through the spinning process of pulling out the thread and the stretching process that gives various physical properties.
  • PTA terephthalic acid
  • EG ethylene glycol
  • Long fibers can be cut into 1-2 inches in length. Long fibers are cut longer than short fibers.
  • the continuous fiber can be used as it is, or a woven fabric can be used.
  • the first thermosetting resin 2100 is disposed on the lower surface of the fiber layer sheet in which the first continuous fiber layer 2200, the long fiber layer 2300, and the second continuous fiber layer 2400 are stacked in order, or the second thermosetting resin is disposed on the upper surface of the fiber layer sheet
  • the resin 2500 may be disposed, or the first thermosetting resin 2100 may be disposed on the lower surface of the fibrous layer sheet, and the second thermosetting resin 2500 may be disposed on the upper surface of the fibrous layer sheet.
  • the first continuous fiber layer 2200 may be impregnated in the liquid first thermosetting resin 2100 before the first thermosetting resin 1100 is cured, and the second continuous fiber layer 2400 may also contain a second thermosetting resin 2500. Before being cured, it may be impregnated into the liquid second thermosetting resin 2500. At least a portion of the long fiber layer 2300 may also be impregnated into the liquid thermosetting resins 2100 and 2500 by thermocompression.
  • the first thermosetting resin 2100 and the second thermosetting resin 2500 may each include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • the thermosetting resin is supplied as a liquid before curing, and the thermosetting resin can penetrate into the long fibers and continuous fibers by thermocompression bonding together with the long fibers and continuous fibers. Therefore, as a hybrid fiber-reinforced composite material in which a thermosetting resin, a pair of long fibers and continuous fibers are integrated, it can be a sheet molding compound (SMC).
  • SMC sheet molding compound
  • the long fiber layer 2300 may have a thickness of 0.3 to 1 mm, and the first continuous fiber layer 2200 and the second continuous fiber layer 2400 may have a thickness of 0.3 to 0.7 mm, respectively.
  • the thickness of the long fiber layer 2300 means the thickness of the long fiber composite layer impregnated with a thermosetting resin, and may be 0.3 mm or more.
  • the maximum thickness of the long fiber layer may be 1 mm, but may have a thickness greater than 1 mm depending on the thickness of the part to be made of the fiber-reinforced composite material.
  • the thickness of the first continuous fiber layer 2200 and the second continuous fiber layer 2400 also refers to the thickness of the continuous fiber composite layer impregnated with a thermosetting resin, and may be 0.3 to 0.7 mm, respectively. Since it is preferable to use a fabric for the long fiber layer 2300, the maximum value of the thickness may be less than the maximum value of the thickness of the long fiber layer.
  • the first continuous fiber layer 2200, the long fiber layer 2300, and the second continuous fiber layer 2400 may each include at least one of glass fibers and carbon fibers.
  • Glass fiber is made by pulling out glass melted in a platinum crucible through a small hole drilled in the crucible on the highway.
  • the fine fibers of the thickness of about 1/200 made in this way are much more resistant to heat and chemicals than flat glass or glassware, and have high elasticity.
  • it is used in various ways by taking advantage of the heat resistance, chemical resistance, and elasticity resistance of glass fibers.
  • Glass fiber reinforced plastic is a mixture of glass fiber with plastic.
  • Carbon fiber is a very fine fiber with a thickness of 0.005 to 0.010 mm, mainly composed of carbon. Carbon atoms constituting the carbon fiber are attached in the form of hexagonal ring crystals along the length of the fiber, and have strong physical properties due to this molecular arrangement structure. A single thread is made by twisting thousands of carbon fibers. Carbon fibers can be woven in a variety of patterns, and can be used with plastics to create lightweight and strong composite materials such as carbon-fiber-reinforced polymer. Since the density of carbon fiber is much lower than that of iron, it is suitable for use when weight reduction is essential. Carbon fiber can be very widely used as a material in the aerospace industry, civil engineering construction, military, automobile, and various sports fields due to characteristics such as high tensile strength, light weight, and low thermal expansion coefficient.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material 2000 may have a basis weight of 1000 to 4000 gsm, and at least one of the glass fiber and the carbon fiber may have a weight ratio of 25 to 70% of the hybrid fiber-reinforced composite material.
  • the unit of the basis weight is gsm (grams per square meter), which refers to the weight (g) of a sheet of 1m in width and 1m in length.
  • the basis weight of the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 made of fibers and thermosetting resin may be 1000 to 4000 gsm depending on the content and thickness of the components.
  • the weight occupied by the first continuous fiber layer 2200, the long fiber layer 2300, and the second continuous fiber layer 2400 among the hybrid fiber-reinforced composite material 1000 may be 25 to 70% of the total.
  • the first continuous fiber layer 2200, the long fiber layer 2300, and the second continuous fiber layer 2400 are composed of 60 wt% carbon fiber
  • the first thermosetting resin 2100, the second thermosetting resin 2500 May be composed of 40wt% of unsaturated polyester.
  • the long fiber SMC of Comparative Example 1 is an SMC prepared by impregnating only long fibers without continuous fibers, and is made using 50 wt% of carbon fibers and a thermosetting resin.
  • the continuous fiber SMC of Comparative Example 2 is an SMC manufactured by impregnating only continuous fiber fabric without long fibers, and is made using 70 wt% carbon fiber and a thermosetting resin.
  • the hybrid SMC of Example 1 was made using a first long fiber layer, a continuous fiber layer, a second long fiber layer and a thermosetting resin composed of 60 wt% of carbon fiber.
  • the hybrid SMC of Example 2 was made using a first continuous fiber layer, a long fiber layer, a second continuous fiber layer and a thermosetting resin composed of 60 wt% of carbon fibers.
  • Example 1 Long Fiber SMC (CF 50wt%) Continuous fiber SMC (CF 70wt%) Hybrid SMC-1 (CF 60wt%) Hybrid SMC-2(CF 60wt%) Flexural strength (MPa) On Strand (Non Flow) 240 700 480 560 Out of Strand (Flow) 250 690 485 555 Flexural Stiffness (GPa) 16 60 35 40
  • the flexural strength is the flexural strength of the sheet area (On Strand) inside the 0.5m ⁇ 0.5m size when making a 1m ⁇ 1m sheet by compression molding a 0.5m ⁇ 0.5m sheet, 0.5m ⁇ 0.5m It represents the flexural strength of the sheet outside the size (Out of Strand).
  • Non Flow means that there is little flow of fibers in the resin, and Flow means that fibers flow in the resin.
  • the flexural strength is 240 MPa, 250 MPa, and the flexural stiffness is It was measured as 16 GPa.
  • the flexural strength was 700 MPa and 690 MPa, and the flexural stiffness was measured to be 60 GPa.
  • the flexural strength of Comparative Example 2 including the continuous fiber fabric was much greater than that of Comparative Example 1.
  • the difference in the flexural strength of the inside and outside of the strand is the same as 10 MPa in both Comparative Examples 1 and 2, but it can be evaluated that there is a relatively large difference in Comparative Example 1 having a small absolute value.
  • the flexural stiffness of Comparative Example 2 of 60 GPa was much better than Comparative Example 1 of 16 GPa.
  • the flexural strength was 480 MPa and 485 MPa, and the flexural stiffness was measured to be 35 GPa.
  • the flexural strength was 560 MPa and 555 MPa, and the flexural stiffness was measured to be 40 GPa.
  • both Examples 1 and 2 are preferable because the difference in flexural strength between the inside and outside of the strand is 5 MPa, which is smaller than that of the comparative examples.
  • both the flexural strength and the flexural stiffness exhibited superior values compared to Example 1. This is because the SMC of the second embodiment in which a pair of continuous fiber layers are disposed on both sides can have superior strength and rigidity than the SMC of the first embodiment in which only one continuous fiber layer is provided.
  • the strength and stiffness of the hybrid SMC of Example 2 was smaller than that of the continuous fiber SMC of Comparative Example 2, but in the case of Example 2, the carbon fiber was 70 wt%, which was more than 60 wt% of Example 2, and the continuous fiber If the reinforcement is composed of only the fabric of the same, the material cost is higher and the formability may be deteriorated.
  • the hybrid SMC of the second embodiment is most preferred in terms of strength, rigidity, cost, and formability.
  • FIG. 3 is a flow chart schematically showing a method of manufacturing a hybrid fiber-reinforced composite material according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
  • the hybrid-type composite material manufacturing method (S1000) includes a first thermosetting resin supply step (S1100), a first long fiber supply step (S1200), a continuous fiber supply step (S1300), a second long fiber supply step (S1400) and a second thermosetting resin supply step (S1500).
  • the first thermosetting resin supply step (S1100) is a step of supplying a thermosetting resin forming the lowest layer in order to manufacture a sheet molding compound (SMC), which is a composite material.
  • the thermosetting resin may include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • the first long fiber supply step (S1200) is a step of supplying the first long fiber to the top of the thermosetting resin.
  • continuous glass fiber or carbon fiber roving may be cut and supplied.
  • the continuous fiber supply step (S1300) is a step of supplying the continuous fiber to the top of the first long fiber.
  • the continuous fiber may be made of glass fiber or carbon fiber fabric.
  • the second long fiber supply step (S1400) is a step of supplying the second long fiber to the top of the continuous fiber.
  • the second long fiber supply step (S1400) may be supplied by cutting a continuous carbon fiber roving.
  • the second thermosetting resin supply step (S1500) is a step of supplying a thermosetting resin on top of the second long fibers.
  • the thermosetting resin may include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a hybrid fiber-reinforced composite material manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the hybrid composite material manufacturing apparatus 100 includes a first thermosetting resin supply unit 110, a first long fiber supply unit 120, a continuous fiber supply unit 130, and a second long fiber supply unit. 140, a second thermosetting resin supply unit 150, a transfer belt unit 160 and a winding roll unit 170.
  • the first thermosetting resin supply unit 110 provides a first thermosetting resin and is positioned so that the first thermosetting resin is discharged toward the transfer belt unit 160.
  • the first long fiber supply unit 120 supplies the first long fiber to the first thermosetting resin.
  • the first long fiber supply unit 120 may cut glass fiber or carbon fiber roving into a long fiber shape and supply it to be dispersed on the upper surface of the moving first thermosetting resin.
  • the first long fiber supply unit 120 is for providing the first long fiber on the top of the first thermosetting resin. To this end, with respect to the belt conveying direction of the conveying belt unit 160, the first long fiber supply unit 120 may be disposed after the first thermosetting resin supply unit 110.
  • the first long fiber supply unit 120 may include a support roll 121 for supporting a glass fiber or carbon fiber roving, and a cutting roll 122 for cutting a glass fiber or carbon fiber roving.
  • the cutting roll 122 includes a first cutting roll for guiding a glass fiber or carbon fiber roving between the support roll 121 and a plurality of cutting blades formed on a circumferential surface thereof to be cut between the first cutting roll. It may include a second cutting roll for supplying fibers.
  • the continuous fiber supply unit 130 is for supplying continuous fibers to the upper part of the first long fibers conveyed through the conveying belt unit 160, and may include a pair of supply rolls 131 for supplying continuous fibers. have.
  • the continuous fiber supply unit 130 may be disposed after the first long fiber supply unit 120.
  • the second long fiber supply unit 140 supplies the second long fiber to the top of the continuous fiber conveyed through the transfer belt unit 160.
  • the second long fiber supply unit 140 may also include a support roll 141 for supporting glass fiber or carbon fiber roving, and a cutting roll 142 for cutting glass fiber or carbon fiber roving.
  • the second long fiber supply unit 140 may be disposed next to the continuous fiber supply unit 130.
  • the second thermosetting resin supply unit 150 is for supplying a second thermosetting resin to the second long fiber.
  • the second thermosetting resin supply unit 150 may include a support roll 151 to stably supply the second thermosetting resin.
  • the support roll 151 may be disposed to face the belt 162 of the transfer belt unit 160.
  • a plurality of support rolls 151 may be disposed so as to change the transfer direction of the second thermosetting resin.
  • thermosetting resin supply unit 150 may be disposed after the second long fiber supply unit 140.
  • the transfer belt unit 160 may include a transfer roll 161 and a belt 162.
  • the belt 162 is connected to the transfer roll 161 and circulated, and the belt 162 moves so that the first thermosetting resin, the first long fiber, the continuous fiber, the second long fiber, and the second thermosetting resin are sequentially stacked. .
  • the transfer roll 161 provides a driving force to the belt 162.
  • the belt 162 transfers the sequentially stacked first thermosetting resin, first long fiber, continuous fiber, second long fiber, and second thermosetting resin to the winding roll unit 170.
  • the transfer belt unit 160 may further include a plurality of pressure support rolls 163.
  • the plurality of pressure support rolls 163 are for forming a hybrid fiber-reinforced composite material more effectively by pressing the second thermosetting resin provided by the second thermosetting resin supply unit 150.
  • the pressure support roll 163 may be disposed next to the second thermosetting resin supply unit 150, and may be disposed to face the belt 162.
  • the winding roll unit 170 is for winding the hybrid composite material flowing by the transfer belt unit 160.
  • the winding roll unit 170 may be disposed to extend from the transfer belt unit 160 with respect to the transfer direction of the belt 162 of the transfer belt unit 160.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material sequentially stacked on the belt 162 of the transfer belt unit 160 may be wound on the winding roll unit 170.
  • hybrid fiber-reinforced composite material wound on the winding roll unit 170 may be stored at a low temperature in a semi-cured state.
  • thermosetting resin is impregnated in the upper and lower surfaces of the sheet in which the first long fibers, the continuous fibers, and the second long fibers are sequentially stacked.
  • the integrated SMC can be easily manufactured.
  • FIG. 5 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a hybrid fiber-reinforced composite material according to a second embodiment of the present invention shown in FIG. 2.
  • the hybrid-type composite material manufacturing method (S2000) includes a first thermosetting resin supply step (S2100), a first continuous fiber supply step (S2200), a long fiber supply step (S2300), a second continuous fiber supply step (S2400) and a second thermosetting resin supply step (S2500).
  • the first thermosetting resin supply step (S2100) is a step of supplying a thermosetting resin forming the lowermost layer in order to manufacture a sheet molding compound (SMC), which is a composite material.
  • the thermosetting resin may include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • the first continuous fiber supply step (S2200) is a step of supplying continuous fibers to the top of the thermosetting resin.
  • the continuous fiber may be made of glass fiber or carbon fiber fabric.
  • the long fiber supply step (S2300) is a step of supplying long fibers to the top of the first continuous fiber.
  • the long fiber supply step (S2300) may be supplied by cutting a continuous glass fiber or carbon fiber roving.
  • the second continuous fiber supply step (S2400) is a step of supplying the continuous fiber to the top of the long fiber.
  • the continuous fiber may be made of glass fiber or carbon fiber fabric.
  • the second thermosetting resin supply step (S2500) is a step of supplying a thermosetting resin on top of the second continuous fibers.
  • the thermosetting resin may include at least one of epoxy, unsaturated polyester, and vinyl ester.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for manufacturing a hybrid fiber-reinforced composite material according to a second embodiment of the present invention.
  • the hybrid composite material manufacturing apparatus 100 includes a first thermosetting resin supply unit 210, a first continuous fiber supply unit 220, a long fiber supply unit 230, and a second continuous fiber supply unit. (240), a second thermosetting resin supply unit 250, a transfer belt unit 260 and a winding roll unit 270.
  • the first thermosetting resin supply unit 210 provides a first thermosetting resin and is positioned so that the first thermosetting resin is discharged toward the transfer belt unit 260.
  • the first continuous fiber supply unit 220 is for supplying the first continuous fiber to the first thermosetting resin, and may include a pair of supply rolls 221 for supplying the continuous fiber.
  • the first continuous fiber supply unit 220 may be disposed after the first thermosetting resin supply unit 210.
  • the long fiber supply unit 230 may cut glass fiber or carbon fiber roving into a long fiber shape and supply it to be dispersed on the upper surface of the first thermosetting resin to be moved.
  • the long fiber supply unit 230 may include a support roll 231 for supporting glass fiber or carbon fiber roving, and a cutting roll 232 for cutting glass fiber or carbon fiber roving.
  • the cutting roll 232 includes a first cutting roll for guiding a glass fiber or carbon fiber roving between the support roll 231 and a plurality of cutting blades formed on a circumferential surface thereof to be cut between the first cutting roll. It may include a second cutting roll for supplying fibers.
  • the long fiber supply unit 230 may be disposed after the first continuous fiber supply unit 220.
  • the second continuous fiber supply unit 240 is for supplying the second continuous fiber to the upper portion of the long fiber conveyed through the transfer belt unit 260, and includes a pair of supply rolls 241 for supplying continuous fiber can do.
  • the second continuous fiber supply unit 240 may be disposed next to the long fiber supply unit 230.
  • the second thermosetting resin supply unit 250 is for supplying a second thermosetting resin to the second continuous fibers.
  • the second thermosetting resin supply unit 250 may include a support roll 251 to stably supply the second thermosetting resin.
  • the support roll 251 may be disposed to face the belt 262 of the transfer belt unit 260.
  • a plurality of support rolls 251 may be disposed so as to change the transfer direction of the second thermosetting resin.
  • the second thermosetting resin supply unit 250 may be disposed after the second continuous fiber supply unit 240.
  • the transfer belt unit 260 may include a transfer roll 261 and a belt 262.
  • the belt 262 is connected to the transfer roll 261 and circulated, and the belt 262 moves so that the first thermosetting resin, the first continuous fiber, the long fiber, the second continuous fiber, and the second thermosetting resin are sequentially stacked. .
  • the transfer roll 261 provides a driving force to the belt 262.
  • the belt 262 transfers the sequentially stacked first thermosetting resin, first continuous fiber, long fiber, second continuous fiber, and second thermosetting resin to the winding roll unit 270.
  • the transfer belt unit 260 may further include a plurality of pressure support rolls 263.
  • the plurality of press support rolls 263 is for forming a hybrid fiber-reinforced composite material more effectively by pressing the second thermosetting resin provided by the second thermosetting resin supply unit 250.
  • the pressure support roll 263 may be disposed next to the second thermosetting resin supply unit 250 and may be disposed opposite to the belt 262.
  • the take-up roll unit 270 is for winding the hybrid composite material flowing by the transfer belt unit 260.
  • the winding roll unit 270 may be disposed to extend from the transfer belt unit 260 with respect to the transfer direction of the belt 262 of the transfer belt unit 260.
  • the hybrid fiber-reinforced composite material sequentially stacked on the belt 262 of the transfer belt unit 260 may be wound on the winding roll unit 270.
  • hybrid fiber-reinforced composite material wound on the winding roll unit 270 may be stored at a low temperature in a semi-cured state.
  • thermosetting resin is impregnated on the upper and lower surfaces of a sheet in which the first continuous fibers, long fibers, and second continuous fibers are sequentially stacked.
  • the integrated SMC can be easily manufactured.

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Abstract

본 발명의 일 형태에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료는, 제1연속섬유층, 상기 제1연속섬유층의 일면에 적층된 장섬유층, 및 상기 장섬유층의 일면에 적층된 제2연속섬유층을 포함하고, 상기 제1연속섬유층의 타면에 적층된 제1열경화성수지와 상기 제2연속섬유층의 일면에 적층된 제2열경화성수지 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

Description

하이브리드형 섬유강화 복합재료 및 그 제조장치
본 발명은 하이브리드형 섬유강화 복합재료 및 그 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 부품들을 금속 재질로 제조하여 고강도 및 고강성을 확보한다.
그러나 금속으로 제조된 자동차 부품의 경우, 가공시 제조 비용이 많이 들고, 중량이 커짐에 따라 경량화를 확보하기 어렵다.
이에 따른 문제점을 극복하기 위해, 금속 대신 강화섬유와 수지 매트릭스로 이루어진 플라스틱 재질로 자동차 부품을 제조하여 경량화를 확보하고 있는 실정이다.
한편, 강화섬유와 수지 매트릭스로 이루어진 플라스틱은 섬유의 함량, 종류 등을 조절하여 경량화, 고강도 및 고강성을 나타내는데, 섬유의 함량이 적정 범위를 초과하는 경우 경량화를 나타내기 어렵고, 장섬유만을 포함하는 복합재는 성형성이 우수한 반면 고강도를 나타내기 어렵고, 연속섬유만을 포함하는 복합재는 강도 및 강성이 우수한 반면 장섬유를 포함하는 복합재에 비해 성형성이 취약한 문제점이 있다.
본 발명은 금속이 적용된 강성이 요구되는 구조용 부품에 적용 가능하고, 장섬유에 의한 유동성과 연속섬유에 의한 강성이 조합되며, 유동성을 확보하여 성형성이 향상됨과 동시에 우수한 강도 및 경도를 갖고, 연속섬유가 동시에 투입되어 제품의 위치에 따른 산포를 줄일 수 있는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 및 그 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료는, 제1장섬유층, 상기 제1장섬유층의 일면에 적층된 연속섬유층, 및 상기 연속섬유층의 일면에 적층된 제2장섬유층을 포함하고, 상기 제1장섬유층의 타면에 적층된 제1열경화성수지와 상기 제2장섬유층의 일면에 적층된 제2열경화성수지 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1열경화성수지와 상기 제2열경화성수지는 각각 에폭시, 불포화 폴리에스터 및 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1장섬유층 및 상기 제2장섬유층은 각각 0.3~1mm의 두께를 가지고, 상기 연속섬유층은 0.3~0.7mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1장섬유층, 상기 연속섬유층 및 상기 제2장섬유층은 각각 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 하이브리드형 섬유강화 복합재료는 1000~4000gsm의 평량을 가지고, 상기 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 중 25~70%의 중량비를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료는, 제1연속섬유층, 상기 제1연속섬유층의 일면에 적층된 장섬유층, 및 상기 장섬유층의 일면에 적층된 제2연속섬유층을 포함하고, 상기 제1연속섬유층의 타면에 적층된 제1열경화성수지와 상기 제2연속섬유층의 일면에 적층된 제2열경화성수지 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1열경화성수지와 상기 제2열경화성수지는 각각 에폭시, 불포화 폴리에스터 및 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 장섬유층은 0.3~1mm의 두께를 가지고, 상기 제1연속섬유층 및 상기 제2연속섬유층은 각각 0.3~0.7mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1장섬유층 및 상기 제2장섬유층은 각각 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 하이브리드형 섬유강화 복합재료는 1000~4000gsm의 평량을 가지고, 상기 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 중 25~70%의 중량비를 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치는, 제1열경화성수지를 토출하는 제1열경화성수지 공급유닛, 상기 제1열경화성수지의 상부에 제1장섬유를 공급하는 제1장섬유 공급유닛, 상기 제1장섬유의 상부에 연속섬유를 공급하는 공급롤을 포함하는 연속섬유 공급유닛, 상기 연속섬유의 상부에 제2장섬유를 공급하는 제2장섬유 공급유닛, 상기 제2장섬유의 상부에 제2열경화성수지를 공급하는 제2열경화성수지 공급유닛, 상기 제1열경화성수지, 상기 제1장섬유, 상기 연속섬유, 상기 제2장섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 이송벨트 유닛, 및 상기 이송벨트 유닛으로부터 순차적으로 적층된 상기 제1열경화성수지, 상기 제1장섬유, 상기 연속섬유, 상기 제2장섬유, 상기 제2열경화성수지로 이루어진 복합재료를 전달받아 권취하는 권취롤 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제1장섬유 공급유닛과 상기 제2장섬유 공급유닛은 각각 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤을 포함할 수 있다.
상기 이송벨트 유닛은 상기 제1열경화성수지, 상기 제1장섬유, 상기 연속섬유, 상기 제2장섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 벨트와, 상기 벨트에 구동력을 제공하는 이송롤을 포함할 수 있다.
상기 이송벨트 유닛은 상기 제2열경화성수지 공급유닛에 의해 공급되어 적층된 상기 제2열경화성수지를 가압하는 가압지지롤을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치는, 제1열경화성수지를 토출하는 제1열경화성수지 공급유닛, 상기 제1열경화성수지의 상부에 제1연속섬유를 공급하는 공급롤을 포함하는 제1연속섬유 공급유닛, 상기 제1연속섬유의 상부에 장섬유를 공급하는 장섬유 공급유닛, 상기 장섬유의 상부에 제2연속섬유를 공급하는 공급롤을 포함하는 제2연속섬유 공급유닛, 상기 제2연속섬유의 상부에 제2열경화성수지를 공급하는 제2열경화성수지 공급유닛, 상기 제1열경화성수지, 상기 제1연속섬유, 상기 장섬유, 상기 제2연속섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 이송벨트 유닛, 및 상기 이송벨트 유닛으로부터 순차적으로 적층된 상기 제1열경화성수지, 상기 제1연속섬유, 상기 장섬유, 상기 제2연속섬유, 상기 제2열경화성수지로 이루어진 복합재료를 전달받아 권취하는 권취롤 유닛을 포함할 수 있다.
상기 장섬유 공급유닛은 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤을 포함할 수 있다.
상기 이송벨트 유닛은 상기 제1열경화성수지, 상기 제1연속섬유, 상기 장섬유, 상기 제2연속섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 벨트와, 상기 벨트에 구동력을 제공하는 이송롤을 포함할 수 있다.
상기 이송벨트 유닛은 상기 제2열경화성수지 공급유닛에 의해 공급되어 적층된 상기 제2열경화성수지를 가압하는 가압지지롤을 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 하이브리드형 섬유강화 복합재료 및 그 제조장치에 의하면, 금속이 적용된 강성이 요구되는 구조용 부품에 적용 가능하고, 장섬유에 의한 유동성과 연속섬유에 의한 강성이 조합될 수 있다.
또한, 유동성을 확보하여 성형성이 향상됨과 동시에 우수한 강도 및 경도를 가질 수 있다.
그리고, 연속섬유가 동시에 투입되어 제품의 위치에 따른 산포를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
[부호의 설명]
100: 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치(제1실시예)
110: 제1열경화성수지 공급유닛 120: 제1장섬유 공급유닛
121: 지지롤 122: 커팅롤
130: 연속섬유 공급유닛 131: 공급롤
140: 제2장섬유 공급유닛 141: 지지롤
142: 커팅롤 150: 제2열경화성수지 공급유닛
151: 지지롤 160: 이송벨트 유닛
161: 이송롤 162: 벨트
163: 가압지지롤 170: 권취롤 유닛
200: 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치(제2실시예)
210: 제1열경화성수지 공급유닛 220: 제1연속섬유 공급유닛
221: 공급롤 230: 장섬유 공급유닛
231: 지지롤 232: 커팅롤
240: 제2연속섬유 공급유닛 241: 공급롤
250: 제2열경화성수지 공급유닛 251: 지지롤
260: 이송벨트 유닛 261: 이송롤
262: 벨트 263: 가압지지롤
270: 권취롤 유닛
1000: 하이브리드형 섬유강화 복합재료(제1실시예)
1100: 제1열경화성수지 1200: 제1장섬유층
1300: 연속섬유층 1400: 제2장섬유층
1500: 제2열경화성수지
2000: 하이브리드형 섬유강화 복합재료(제2실시예)
2100: 제1열경화성수지 2200: 제1연속섬유층
2300: 장섬유층 2400: 제2연속섬유층
2500: 제2열경화성수지
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000)는 제1열경화성수지(1100), 제1장섬유층(1200), 연속섬유층(1300), 제2장섬유층(1400), 제2열경화성수지(1500)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000)는 제1장섬유층(1200), 제1장섬유층의 일면에 적층된 연속섬유층(1300), 및 연속섬유층의 일면에 적층된 제2장섬유층(1400)을 포함하고, 제1장섬유층(1200)의 타면에 적층된 제1열경화성수지(1100)와 제2장섬유층(1400)의 일면에 적층된 제2열경화성수지(1500) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 방향을 기준으로, 제1장섬유층(1200)의 상면에 연속섬유층(1300)이 적층되고, 연속섬유층(1300)의 상면에 제2장섬유층(1400)이 적층될 수 있다. 즉, 제1장섬유층(1200)과 제2장섬유층(1400)의 사이에 연속섬유층(1300)이 배치될 수 있다.
장섬유(long fiber)는, 예를 들어 폴리에스터의 원료인 고순도 테레프탈산(PTA)과 에틸렌글리콜(EG)에 열과 압력을 가하면서 중합반응을 일으키면 겔(Gel) 형태의 폴리머(Polymer)가 되고, 이것을 실을 뽑아내는 방사 과정과 다양한 물성을 부여하는 연신 과정을 거친 후 실의 형태로 만든 것이다. 장섬유는 1~2inch의 길이로 자른 것을 사용할 수 있다. 장섬유는 단섬유(short fiber)에 비해 더 길게 자른 것을 말한다.
연속섬유(continuous fiber)는 위에서 방사 및 연신 과정을 거쳐 실의 형태로 만든 것을 그대로 사용하거나 직조한 직물을 사용할 수 있다.
한편, 제1장섬유층(1200), 연속섬유층(1300), 제2장섬유층(1400)이 순서대로 적층된 섬유층 시트의 하면에 제1열경화성수지(1100)가 배치되거나, 섬유층 시트의 상면에 제2열경화성수지(1500)가 배치되거나, 섬유층 시트의 하면에 제1열경화성수지(1100)가 배치됨과 동시에 섬유층 시트의 상면에 제2열경화성수지(1500)가 배치될 수 있다.
제1장섬유층(1200)은 제1열경화성수지(1100)가 경화되기 전에 액상의 제1열경화성수지(1100) 속에 함침될 수 있고, 제2장섬유층(1400)도 제2열경화성수지(1500)가 경화되기 전에 액상의 제2열경화성수지(1500) 속에 함침될 수 있다. 연속섬유층(1300)도 적어도 일부가 열압착에 의해 액상의 열경화성수지(1100, 1500)에 함침될 수 있다.
제1열경화성수지(1100)와 제2열경화성수지(1500)는 각각 에폭시(Epoxy), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Poly Ester) 및 비닐에스터(Vinyl Ester) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 열경화성수지는 경화되기 전의 액상으로 공급되고 장섬유와 연속섬유와 함께 열압착함으로써 장섬유와 연속섬유 속으로 열경화성수지가 침투될 수 있다. 그래서, 열경화성수지와 한 쌍의 장섬유와 연속섬유가 일체화된 하이브리드형 섬유강화 복합재료로서 SMC(Sheet Molding Compound)가 될 수 있다.
제1장섬유층(1200)과 제2장섬유층(1400)은 각각 0.3~1mm의 두께를 가지고, 연속섬유층(1300)은 0.3~0.7mm의 두께를 가질 수 있다.
제1장섬유층(1200)과 제2장섬유층(1400)의 두께는 열경화성수지가 함침된 장섬유 복합재층의 두께를 의미하는 것으로서, 0.3mm 이상일 수 있다. 장섬유층의 최대 두께는 1mm일 수 있으나, 섬유강화 복합재료로 만드려는 부품의 두께에 따라 1mm보다 더 큰 두께를 가질 수도 있다.
연속섬유층(1300)의 두께도 열경화성수지가 함침된 연속섬유 복합재층의 두께를 의미하는 것으로서, 0.3~0.7mm일 수 있다. 연속섬유층(1300)은 직물을 사용하는 것이 바람직하므로, 그 두께의 최대값은 장섬유층 두께의 최대값보다 작을 수 있다.
제1장섬유층(1200)과 연속섬유층(1300)과 제2장섬유층(1400)은 각각 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유리섬유(glass fiber)는 백금도가니에서 녹인 유리를 도가니에 뚫린 작은 구멍으로 고속도로 뽑아 내면 유리섬유가 만들어진다. 이렇게 해서 만들어진 굵기 200분의 1정도의 가는 섬유는 판유리나 유리그릇에 비해 열이나 약품에 훨씬 강하며 탄력성이 높다. 또한, 유리섬유가 가진 내열성, 내약품성, 내탄성(耐彈性) 등을 이용하여 여러 가지 방면으로 사용이고 있다. 유리섬유를 플라스틱과 혼합한 것이 유리섬유 강화 플라스틱이다.
탄소섬유(carbon fiber)는 탄소가 주성분인 0.005~0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 한 가닥의 실은 수천 가닥의 탄소섬유가 꼬여져 만들어진다. 탄소섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 플라스틱 등과 함께 사용되어 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon-fiber-reinforced polymer)과 같이 가볍고도 강한 복합재료를 만들어낼 수 있다. 탄소섬유의 밀도는 철보다 훨씬 낮기 때문에, 경량화가 필수적인 조건일 때 사용하기에 적합하다. 탄소섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 사용될 수 있다.
하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000)는 1000~4000gsm의 평량을 가지고, 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 중 25~70%의 중량비를 가질 수 있다.
이때, 평량의 단위는 gsm(grams per square meter)으로서, 가로 1m, 세로 1m 시트의 무게(g)를 말한다. 섬유와 열경화성수지로 이루어진 하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000)의 평량은 그 성분 함량과 두께에 따라 1000~4000gsm일 수 있다.
하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000) 중 제1장섬유층(1200), 연속섬유층(1300), 제2장섬유층(1400)이 차지하는 무게는 전체의 25~70%일 수 있다. 예를 들면, 제1장섬유층(1200), 연속섬유층(1300), 제2장섬유층(1400)이 60wt%의 탄소섬유로 구성되고, 제1열경화성수지(1100), 제2열경화성수지(1500)가 40wt%의 불포화 폴리에스터로 구성될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 복합재료(1000)는 우수한 강도 및 강성을 확보하고 원하는 기계적 물성을 확보할 수 있으며, SMC를 이용하여 2차 성형하여 특정한 형태의 부품을 제작할 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 하이브리드형 섬유강화 복합재료(2000)는 제1열경화성수지(2100), 제1연속섬유층(2200), 장섬유층(2300), 제2연속섬유층(2400), 제2열경화성수지(2500)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 하이브리드형 섬유강화 복합재료(2000)는 제1연속섬유층(2200), 제1장섬유층의 일면에 적층된 장섬유층(2300), 및 연속섬유층의 일면에 적층된 제2연속섬유층(2400)을 포함하고, 제1연속섬유층(2200)의 타면에 적층된 제1열경화성수지(2100)와 제2연속섬유층(2400)의 일면에 적층된 제2열경화성수지(2500) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 방향을 기준으로, 제1연속섬유층(2200)의 상면에 장섬유층(2300)이 적층되고, 장섬유층(2300)의 상면에 제2연속섬유층(2400)이 적층될 수 있다. 즉, 제1연속섬유층(2200)과 제2연속섬유층(2400)의 사이에 장섬유층(2300)이 배치될 수 있다.
장섬유(long fiber)는, 예를 들어 폴리에스터의 원료인 고순도 테레프탈산(PTA)과 에틸렌글리콜(EG)에 열과 압력을 가하면서 중합반응을 일으키면 겔(Gel) 형태의 폴리머(Polymer)가 되고, 이것을 실을 뽑아내는 방사 과정과 다양한 물성을 부여하는 연신 과정을 거친 후 실의 형태로 만든 것이다. 장섬유는 1~2inch의 길이로 자른 것을 사용할 수 있다. 장섬유는 단섬유(short fiber)에 비해 더 길게 자른 것을 말한다.
연속섬유(continuous fiber)는 위에서 방사 및 연신 과정을 거쳐 실의 형태로 만든 것을 그대로 사용하거나 직조한 직물을 사용할 수 있다.
제1연속섬유층(2200), 장섬유층(2300), 제2연속섬유층(2400)이 순서대로 적층된 섬유층 시트의 하면에 제1열경화성수지(2100)가 배치되거나, 섬유층 시트의 상면에 제2열경화성수지(2500)가 배치되거나, 섬유층 시트의 하면에 제1열경화성수지(2100)가 배치됨과 동시에 섬유층 시트의 상면에 제2열경화성수지(2500)가 배치될 수 있다.
제1연속섬유층(2200)은 제1열경화성수지(1100)가 경화되기 전에 액상의 제1열경화성수지(2100) 속에 함침될 수 있고, 제2연속섬유층(2400)도 제2열경화성수지(2500)가 경화되기 전에 액상의 제2열경화성수지(2500) 속에 함침될 수 있다. 장섬유층(2300)도 적어도 일부가 열압착에 의해 액상의 열경화성수지(2100, 2500)에 함침될 수 있다.
제1열경화성수지(2100)와 제2열경화성수지(2500)는 각각 에폭시(Epoxy), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Poly Ester) 및 비닐에스터(Vinyl Ester) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 열경화성수지는 경화되기 전의 액상으로 공급되고 장섬유와 연속섬유와 함께 열압착함으로써 장섬유와 연속섬유 속으로 열경화성수지가 침투될 수 있다. 그래서, 열경화성수지와 한 쌍의 장섬유와 연속섬유가 일체화된 하이브리드형 섬유강화 복합재료로서 SMC(Sheet Molding Compound)가 될 수 있다.
장섬유층(2300)은 0.3~1mm의 두께를 가지고, 제1연속섬유층(2200)과 제2연속섬유층(2400)은 각각 0.3~0.7mm의 두께를 가질 수 있다.
장섬유층(2300)의 두께는 열경화성수지가 함침된 장섬유 복합재층의 두께를 의미하는 것으로서, 0.3mm 이상일 수 있다. 장섬유층의 최대 두께는 1mm일 수 있으나, 섬유강화 복합재료로 만드려는 부품의 두께에 따라 1mm보다 더 큰 두께를 가질 수도 있다.
제1연속섬유층(2200)과 제2연속섬유층(2400)의 두께도 열경화성수지가 함침된 연속섬유 복합재층의 두께를 의미하는 것으로서, 각각 0.3~0.7mm일 수 있다. 장섬유층(2300)은 직물을 사용하는 것이 바람직하므로, 그 두께의 최대값은 장섬유층 두께의 최대값보다 작을 수 있다.
제1연속섬유층(2200)과 장섬유층(2300)과 제2연속섬유층(2400)은 각각 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유리섬유(glass fiber)는 백금도가니에서 녹인 유리를 도가니에 뚫린 작은 구멍으로 고속도로 뽑아 내면 유리섬유가 만들어진다. 이렇게 해서 만들어진 굵기 200분의 1정도의 가는 섬유는 판유리나 유리그릇에 비해 열이나 약품에 훨씬 강하며 탄력성이 높다. 또한, 유리섬유가 가진 내열성, 내약품성, 내탄성(耐彈性) 등을 이용하여 여러 가지 방면으로 사용이고 있다. 유리섬유를 플라스틱과 혼합한 것이 유리섬유 강화 플라스틱이다.
탄소섬유(carbon fiber)는 탄소가 주성분인 0.005~0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다. 한 가닥의 실은 수천 가닥의 탄소섬유가 꼬여져 만들어진다. 탄소섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 플라스틱 등과 함께 사용되어 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon-fiber-reinforced polymer)과 같이 가볍고도 강한 복합재료를 만들어낼 수 있다. 탄소섬유의 밀도는 철보다 훨씬 낮기 때문에, 경량화가 필수적인 조건일 때 사용하기에 적합하다. 탄소섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 사용될 수 있다.
하이브리드형 섬유강화 복합재료(2000)는 1000~4000gsm의 평량을 가지고, 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 중 25~70%의 중량비를 가질 수 있다.
이때, 평량의 단위는 gsm(grams per square meter)으로서, 가로 1m, 세로 1m 시트의 무게(g)를 말한다. 섬유와 열경화성수지로 이루어진 하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000)의 평량은 그 성분 함량과 두께에 따라 1000~4000gsm일 수 있다.
하이브리드형 섬유강화 복합재료(1000) 중 제1연속섬유층(2200), 장섬유층(2300), 제2연속섬유층(2400)이 차지하는 무게는 전체의 25~70%일 수 있다. 예를 들면, 제1연속섬유층(2200), 장섬유층(2300), 제2연속섬유층(2400)이 60wt%의 탄소섬유로 구성되고, 제1열경화성수지(2100), 제2열경화성수지(2500)가 40wt%의 불포화 폴리에스터로 구성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 SMC의 굴곡강도와 굴곡강성을 장섬유 SMC 및 연속섬유 SMC와 비교하여 설명한다.
표 1에서 비교예1의 장섬유 SMC는 연속섬유 없이 장섬유만을 함침시켜 제조한 SMC로서, 탄소섬유 50wt%와 열경화성수지를 사용하여 만든 것이다.
비교예2의 연속섬유 SMC는 장섬유 없이 연속섬유의 직물만을 함침시켜 제조한 SMC로서, 탄소섬유 70wt%와 열경화성수지를 사용하여 만든 것이다.
실시예1의 하이브리드 SMC는 탄소섬유 60wt%로 구성된 제1장섬유층, 연속섬유층, 제2장섬유층과 열경화성수지를 사용하여 만든 것이다.
실시예2의 하이브리드 SMC는 탄소섬유 60wt%로 구성된 제1연속섬유층, 장섬유층, 제2연속섬유층과 열경화성수지를 사용하여 만든 것이다.
구분 비교예1 비교예2 실시예1 실시예2
장섬유 SMC(CF 50wt%) 연속섬유 SMC(CF 70wt%) Hybrid SMC-1(CF 60wt%) Hybrid SMC-2(CF 60wt%)
굴곡강도(MPa) On Strand (Non Flow) 240 700 480 560
Out of Strand (Flow) 250 690 485 555
굴곡강성(GPa) 16 60 35 40
굴곡강도는 0.5m×0.5m 크기의 시트를 압축성형하여 1m×1m 크기의 시트로 만들 때, 0.5m×0.5m 크기 내부에 있는 시트 부위(On Strand)의 굴곡강도와, 0.5m×0.5m 크기 외부에 있는 시트 부위(Out of Strand)의 굴곡강도를 나타낸다. Non Flow는 수지 내에서 섬유의 유동이 거의 없는 것을 의미하고, Flow는 섬유가 수지 내에서 유동함을 의미한다.비교예1의 장섬유 SMC의 경우, 굴곡강도는 240MPa, 250MPa이고, 굴곡강성은 16GPa로 측정되었다.
비교예2의 연속섬유 SMC의 경우, 굴곡강도는 700MPa, 690MPa이고, 굴곡강성은 60GPa로 측정되었다.
굴곡강도는 연속섬유의 직물을 포함하는 비교예2가 비교예1보다 훨씬 크게 나타났다. Strand 내측 및 외측의 굴곡강도 차이는 비교예1,2에서 둘 다 10MPa로 동일하지만, 절대값이 작은 비교예1에서 상대적으로 큰 차이가 있다고 평가할 수 있다. 굴곡강성도 16GPa인 비교예1보다 60GPa인 비교예2가 훨씬 우수하였다.
따라서, 비교예2의 연속섬유 SMC가 비교예1의 장섬유 SMC보다 강도와 강성 면에서 더 우수함을 알 수 있다.
실시예1의 하이브리드 SMC의 경우, 굴곡강도는 480MPa, 485MPa이고, 굴곡강성은 35GPa로 측정되었다.
실시예1의 하이브리드 SMC의 경우, 굴곡강도는 560MPa, 555MPa이고, 굴곡강성은 40GPa로 측정되었다.
실시예1과 실시예2는 둘 다 Strand 내측 및 외측의 굴곡강도 차이가 5MPa로서, 비교예들보다 작아서 바람직하다. 실시예2의 경우 굴곡강도와 굴곡강성 모두 실시예1보다 우수한 값을 나타내었다. 이는 양측에 한 쌍의 연속섬유층이 배치되는 제2실시예의 SMC가 연속섬유층이 하나만 있는 제1실시예의 SMC보다 우수한 강도 및 강성을 가질 수 있기 때문이다.
실시예2의 하이브리드 SMC의 강도 및 강성은 비교예2의 연속섬유 SMC보다 작은 값을 나타내었지만, 실시예2의 경우 탄소섬유가 70wt%로서 실시예2의 60wt%보다 더 많이 포함되고, 연속섬유의 직물로만 보강재를 구성할 경우 그만큼 재료비가 더 많이 들고 성형성이 나빠질 수 있다.
결국, 제2실시예의 하이브리드 SMC가 강도, 강성, 비용 및 성형성 등의 면에서 가장 바람직하다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조방법에 대해서 설명한다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 하이브리드형 복합재료 제조방법(S1000)은 제1열경화성수지 공급단계(S1100), 제1장섬유 공급단계(S1200), 연속섬유 공급단계(S1300), 제2장섬유 공급단계(S1400) 및 제2열경화성수지 공급단계(S1500)를 포함한다.
구체적으로, 제1열경화성수지 공급단계(S1100)는 복합재료인 SMC(Sheet Molding Compound)를 제조하기 위해 최하층을 이루는 열경화성수지를 공급하는 단계이다. 또한, 열경화성수지는 에폭시, 불포화 폴리에스터, 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1장섬유 공급단계(S1200)는 열경화성수지의 상부에 제1장섬유를 공급하는 단계이다. 또한, 제1장섬유 공급단계(S1200)는 연속되는 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙(roving)을 커팅하여 공급할 수 있다.
연속섬유 공급단계(S1300)는 제1장섬유의 상부로 연속섬유를 공급하는 단계이다. 연속섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유 직물로 이루어질 수 있다.
다음으로, 제2장섬유 공급단계(S1400)는 연속섬유의 상부에 제2장섬유를 공급하는 단계이다. 또한, 제2장섬유 공급단계(S1400)는 연속되는 탄소섬유 로빙을 커팅하여 공급할 수 있다.
제2열경화성수지 공급단계(S1500)는 제2장섬유의 상부에 열결화성수지를 공급하는 단계이다. 또한, 열경화성수지는 에폭시, 불포화 폴리에스터, 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4를 참조하면, 하이브리드형 복합재료 제조장치(100)는 제1열경화성수지 공급유닛(110), 제1장섬유 공급유닛(120), 연속섬유 공급유닛(130), 제2장섬유 공급유닛(140), 제2열경화성수지 공급유닛(150), 이송벨트 유닛(160) 및 권취롤 유닛(170)을 포함한다.
제1열경화성수지 공급유닛(110)은 제1열경화성수지를 제공하는 것으로 이송벨트 유닛(160)를 향해 제1열경화성수지가 토출되도록 위치된다.
제1장섬유 공급유닛(120)은 제1열경화성수지에 제1장섬유를 공급한다. 제1장섬유 공급유닛(120)은 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 장섬유 형태로 커팅하여 이동되는 제1열경화성수지의 상면에 분산되도록 공급할 수 있다.
제1장섬유 공급유닛(120)은 제1열경화성수지의 상부에 제1장섬유를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 이송벨트 유닛(160)의 벨트 이송방향에 대하여, 제1장섬유 공급유닛(120)은 제1열경화성수지 공급유닛(110) 다음에 배치될 수 있다.
제1장섬유 공급유닛(120)은 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤(121)과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤(122)을 포함할 수 있다. 커팅롤(122)은 지지롤(121)과의 사이에 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 안내하는 제1커팅롤과, 원주면에 복수의 커팅날이 형성되어 제1커팅롤과의 사이로 커팅된 장섬유를 공급하는 제2커팅롤을 포함할 수 있다.
연속섬유 공급유닛(130)은 이송벨트 유닛(160)을 통해 이송되는 제1장섬유의 상부에 연속섬유를 공급하기 위한 것이고, 연속섬유 공급을 위한 한 쌍의 공급롤(131)을 포함할 수 있다.
이송벨트 유닛(160)의 벨트 이송방향에 대하여, 연속섬유 공급유닛(130)은 제1장섬유 공급유닛(120) 다음에 배치될 수 있다.
제2장섬유 공급유닛(140)은 이송벨트 유닛(160)을 통해 이송되는 연속섬유의 상부에 제2장섬유를 공급한다.
제2장섬유 공급유닛(140)도 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤(141)과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤(142)을 포함할 수 있다.
또한, 이송벨트 유닛(160)의 벨트 이송방향에 대하여, 제2장섬유 공급유닛(140)은 연속섬유 공급유닛(130)의 다음에 배치될 수 있다.
제2열경화성수지 공급유닛(150)은 제2장섬유에 제2열경화성수지를 공급하기 위한 것이다. 제2열경화성수지 공급유닛(150)은 제2열경화성수지를 안정적으로 공급하기 위해 지지롤(151)을 포함할 수 있다. 지지롤(151)은 이송벨트 유닛(160)의 벨트(162)에 대향되도록 배치될 수 있다. 지지롤(151)은 제2열경화성수지의 이송 방향을 바꿀 수 있도록 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 이송벨트 유닛의 벨트 이송방향에 대하여, 제2열경화성수지 공급유닛(150)은 제2장섬유 공급유닛(140) 다음에 배치될 수 있다.
이송벨트 유닛(160)은 이송롤(161)과 벨트(162)를 포함할 수 있다.
벨트(162)는 이송롤(161)에 연결되어 순환되고, 벨트(162)는 제1열경화성수지, 제1장섬유, 연속섬유, 제2장섬유, 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시킨다.
즉, 이송롤(161)은 벨트(162)에 구동력을 제공한다.
또한, 벨트(162)는 순차적으로 적층된 제1열경화성수지, 제1장섬유, 연속섬유, 제2장섬유, 제2열경화성수지를 권취롤 유닛(170)으로 이송한다.
또한, 이송벨트 유닛(160)은 복수의 가압지지롤(163)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 복수의 가압지지롤(163)은 제2열경화성수지 공급유닛(150)에 의해 제공되는 제2열경화성수지를 가압하여 하이브리드 섬유강화 복합재료를 더욱 효과적으로 형성하기 위한 것이다.
이를 위해, 이송벨트 유닛(160)의 벨트 이송방향에 대하여, 가압지지롤(163)은 제2열경화성수지 공급유닛(150)의 다음에 배치되고, 벨트(162)에 대향하도록 배치될 수 있다.
권취롤 유닛(170)은 이송벨트 유닛(160)에 의해 유동되는 하이브리드형 복합재료를 권취하기 위한 것이다.
이를 위해 권취롤 유닛(170)은 이송벨트 유닛(160)의 벨트(162)의 이송방향에 대하여, 이송벨트 유닛(160)에서 연장되도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 이송벨트 유닛(160)의 벨트(162)에 순차적으로 적층된 하이브리드 섬유강화 복합재료는 권취롤 유닛(170)에 권취될 수 있다.
또한, 권취롤 유닛(170)에 권취되는 하이브리드 섬유강화 복합재료는 반경화된 상태로 저온보관될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치에 의하면, 제1장섬유, 연속섬유, 제2장섬유가 순서대로 적층된 시트의 상면 및 하면에 열경화성수지를 함침시켜 순차적으로 일체화된 SMC를 쉽게 제조할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조방법에 대해서 설명한다.
도 5는 도 2에 나타낸 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 하이브리드형 복합재료 제조방법(S2000)은 제1열경화성수지 공급단계(S2100), 제1연속섬유 공급단계(S2200), 장섬유 공급단계(S2300), 제2연속섬유 공급단계(S2400) 및 제2열경화성수지 공급단계(S2500)를 포함한다.
구체적으로, 제1열경화성수지 공급단계(S2100)는 복합재료인 SMC(Sheet Molding Compound)를 제조하기 위해 최하층을 이루는 열경화성수지를 공급하는 단계이다. 또한, 열경화성수지는 에폭시, 불포화 폴리에스터, 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1연속섬유 공급단계(S2200)는 열경화성수지의 상부에 연속섬유를 공급하는 단계이다. 연속섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유 직물로 이루어질 수 있다.
장섬유 공급단계(S2300)는 제1연속섬유의 상부로 장섬유를 공급하는 단계이다. 또한, 장섬유 공급단계(S2300)는 연속되는 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙(roving)을 커팅하여 공급할 수 있다.
다음으로, 제2연속섬유 공급단계(S2400)는 장섬유의 상부에 연속섬유를 공급하는 단계이다. 연속섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유 직물로 이루어질 수 있다.
제2열경화성수지 공급단계(S2500)는 제2연속섬유의 상부에 열결화성수지를 공급하는 단계이다. 또한, 열경화성수지는 에폭시, 불포화 폴리에스터, 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6을 참조하면, 하이브리드형 복합재료 제조장치(100)는 제1열경화성수지 공급유닛(210), 제1연속섬유 공급유닛(220), 장섬유 공급유닛(230), 제2연속섬유 공급유닛(240), 제2열경화성수지 공급유닛(250), 이송벨트 유닛(260) 및 권취롤 유닛(270)을 포함한다.
제1열경화성수지 공급유닛(210)은 제1열경화성수지를 제공하는 것으로 이송벨트 유닛(260)를 향해 제1열경화성수지가 토출되도록 위치된다.
제1연속섬유 공급유닛(220)은 제1열경화성수지에 제1연속섬유를 공급하기 위한 것이고, 연속섬유 공급을 위한 한 쌍의 공급롤(221)을 포함할 수 있다.
이송벨트 유닛(260)의 벨트 이송방향에 대하여, 제1연속섬유 공급유닛(220)은 제1열경화성수지 공급유닛(210) 다음에 배치될 수 있다.
장섬유 공급유닛(230)은 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 장섬유 형태로 커팅하여 이동되는 제1열경화성수지의 상면에 분산되도록 공급할 수 있다.
장섬유 공급유닛(230)은 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤(231)과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤(232)을 포함할 수 있다. 커팅롤(232)은 지지롤(231)과의 사이에 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 안내하는 제1커팅롤과, 원주면에 복수의 커팅날이 형성되어 제1커팅롤과의 사이로 커팅된 장섬유를 공급하는 제2커팅롤을 포함할 수 있다.
이송벨트 유닛(260)의 벨트 이송방향에 대하여, 장섬유 공급유닛(230)은 제1연속섬유 공급유닛(220) 다음에 배치될 수 있다.
제2연속섬유 공급유닛(240)은 이송벨트 유닛(260)을 통해 이송되는 장섬유의 상부에 제2연속섬유를 공급하기 위한 것이고, 연속섬유 공급을 위한 한 쌍의 공급롤(241)을 포함할 수 있다.
또한, 이송벨트 유닛(260)의 벨트 이송방향에 대하여, 제2연속섬유 공급유닛(240)은 장섬유 공급유닛(230)의 다음에 배치될 수 있다.
제2열경화성수지 공급유닛(250)은 제2연속섬유에 제2열경화성수지를 공급하기 위한 것이다. 제2열경화성수지 공급유닛(250)은 제2열경화성수지를 안정적으로 공급하기 위해 지지롤(251)을 포함할 수 있다. 지지롤(251)은 이송벨트 유닛(260)의 벨트(262)에 대향되도록 배치될 수 있다. 지지롤(251)은 제2열경화성수지의 이송 방향을 바꿀 수 있도록 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 이송벨트 유닛의 벨트 이송방향에 대하여, 제2열경화성수지 공급유닛(250)은 제2연속섬유 공급유닛(240) 다음에 배치될 수 있다.
이송벨트 유닛(260)은 이송롤(261)과 벨트(262)를 포함할 수 있다.
벨트(262)는 이송롤(261)에 연결되어 순환되고, 벨트(262)는 제1열경화성수지, 제1연속섬유, 장섬유, 제2연속섬유, 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시킨다.
즉, 이송롤(261)은 벨트(262)에 구동력을 제공한다.
또한, 벨트(262)는 순차적으로 적층된 제1열경화성수지, 제1연속섬유, 장섬유, 제2연속섬유, 제2열경화성수지를 권취롤 유닛(270)으로 이송한다.
또한, 이송벨트 유닛(260)은 복수의 가압지지롤(263)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 복수의 가압지지롤(263)은 제2열경화성수지 공급유닛(250)에 의해 제공되는 제2열경화성수지를 가압하여 하이브리드 섬유강화 복합재료를 더욱 효과적으로 형성하기 위한 것이다.
이를 위해, 이송벨트 유닛(260)의 벨트 이송방향에 대하여, 가압지지롤(263)은 제2열경화성수지 공급유닛(250)의 다음에 배치되고, 벨트(262)에 대향하도록 배치될 수 있다.
권취롤 유닛(270)은 이송벨트 유닛(260)에 의해 유동되는 하이브리드형 복합재료를 권취하기 위한 것이다.
이를 위해 권취롤 유닛(270)은 이송벨트 유닛(260)의 벨트(262)의 이송방향에 대하여, 이송벨트 유닛(260)에서 연장되도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 이송벨트 유닛(260)의 벨트(262)에 순차적으로 적층된 하이브리드 섬유강화 복합재료는 권취롤 유닛(270)에 권취될 수 있다.
또한, 권취롤 유닛(270)에 권취되는 하이브리드 섬유강화 복합재료는 반경화된 상태로 저온보관될 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치에 의하면, 제1연속섬유, 장섬유, 제2연속섬유가 순서대로 적층된 시트의 상면 및 하면에 열경화성수지를 함침시켜 순차적으로 일체화된 SMC를 쉽게 제조할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (18)

  1. 제1장섬유층, 상기 제1장섬유층의 일면에 적층된 연속섬유층, 및 상기 연속섬유층의 일면에 적층된 제2장섬유층을 포함하고,
    상기 제1장섬유층의 타면에 적층된 제1열경화성수지와 상기 제2장섬유층의 일면에 적층된 제2열경화성수지 중 적어도 하나를 더 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1열경화성수지와 상기 제2열경화성수지는 각각 에폭시, 불포화 폴리에스터 및 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1장섬유층 및 상기 제2장섬유층은 각각 0.3~1mm의 두께를 가지고,
    상기 연속섬유층은 0.3~0.7mm의 두께를 가지는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1장섬유층, 상기 연속섬유층 및 상기 제2장섬유층은 각각 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하이브리드형 섬유강화 복합재료는 1000~4000gsm의 평량을 가지고,
    상기 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 중 25~70%의 중량비를 가지는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  6. 제1연속섬유층, 상기 제1연속섬유층의 일면에 적층된 장섬유층, 및 상기 장섬유층의 일면에 적층된 제2연속섬유층을 포함하고,
    상기 제1연속섬유층의 타면에 적층된 제1열경화성수지와 상기 제2연속섬유층의 일면에 적층된 제2열경화성수지 중 적어도 하나를 더 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1열경화성수지와 상기 제2열경화성수지는 각각 에폭시, 불포화 폴리에스터 및 비닐에스터 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 장섬유층은 0.3~1mm의 두께를 가지고,
    상기 제1연속섬유층 및 상기 제2연속섬유층은 각각 0.3~0.7mm의 두께를 가지는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1장섬유층 및 상기 제2장섬유층은 각각 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하이브리드형 섬유강화 복합재료는 1000~4000gsm의 평량을 가지고,
    상기 유리섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나는 하이브리드형 섬유강화 복합재료 중 25~70%의 중량비를 가지는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료.
  11. 제1열경화성수지를 토출하는 제1열경화성수지 공급유닛;
    상기 제1열경화성수지의 상부에 제1장섬유를 공급하는 제1장섬유 공급유닛;
    상기 제1장섬유의 상부에 연속섬유를 공급하는 공급롤을 포함하는 연속섬유 공급유닛;
    상기 연속섬유의 상부에 제2장섬유를 공급하는 제2장섬유 공급유닛;
    상기 제2장섬유의 상부에 제2열경화성수지를 공급하는 제2열경화성수지 공급유닛;
    상기 제1열경화성수지, 상기 제1장섬유, 상기 연속섬유, 상기 제2장섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 이송벨트 유닛; 및
    상기 이송벨트 유닛으로부터 순차적으로 적층된 상기 제1열경화성수지, 상기 제1장섬유, 상기 연속섬유, 상기 제2장섬유, 상기 제2열경화성수지로 이루어진 복합재료를 전달받아 권취하는 권취롤 유닛을 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1장섬유 공급유닛과 상기 제2장섬유 공급유닛은 각각 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤을 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 이송벨트 유닛은 상기 제1열경화성수지, 상기 제1장섬유, 상기 연속섬유, 상기 제2장섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 벨트와, 상기 벨트에 구동력을 제공하는 이송롤을 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이송벨트 유닛은 상기 제2열경화성수지 공급유닛에 의해 공급되어 적층된 상기 제2열경화성수지를 가압하는 가압지지롤을 더 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  15. 제1열경화성수지를 토출하는 제1열경화성수지 공급유닛;
    상기 제1열경화성수지의 상부에 제1연속섬유를 공급하는 공급롤을 포함하는 제1연속섬유 공급유닛;
    상기 제1연속섬유의 상부에 장섬유를 공급하는 장섬유 공급유닛;
    상기 장섬유의 상부에 제2연속섬유를 공급하는 공급롤을 포함하는 제2연속섬유 공급유닛;
    상기 제2연속섬유의 상부에 제2열경화성수지를 공급하는 제2열경화성수지 공급유닛;
    상기 제1열경화성수지, 상기 제1연속섬유, 상기 장섬유, 상기 제2연속섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 이송벨트 유닛; 및
    상기 이송벨트 유닛으로부터 순차적으로 적층된 상기 제1열경화성수지, 상기 제1연속섬유, 상기 장섬유, 상기 제2연속섬유, 상기 제2열경화성수지로 이루어진 복합재료를 전달받아 권취하는 권취롤 유닛을 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 장섬유 공급유닛은 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 지지하는 지지롤과, 유리섬유 또는 탄소섬유 로빙을 커팅하는 커팅롤을 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 이송벨트 유닛은 상기 제1열경화성수지, 상기 제1연속섬유, 상기 장섬유, 상기 제2연속섬유, 상기 제2열경화성수지가 순차적으로 적층되도록 이동시키는 벨트와, 상기 벨트에 구동력을 제공하는 이송롤을 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 이송벨트 유닛은 상기 제2열경화성수지 공급유닛에 의해 공급되어 적층된 상기 제2열경화성수지를 가압하는 가압지지롤을 더 포함하는, 하이브리드형 섬유강화 복합재료 제조장치.
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