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KR102365711B1 - 탄소섬유 복합재 제조 금형 - Google Patents

탄소섬유 복합재 제조 금형 Download PDF

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KR102365711B1
KR102365711B1 KR1020200163245A KR20200163245A KR102365711B1 KR 102365711 B1 KR102365711 B1 KR 102365711B1 KR 1020200163245 A KR1020200163245 A KR 1020200163245A KR 20200163245 A KR20200163245 A KR 20200163245A KR 102365711 B1 KR102365711 B1 KR 102365711B1
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KR
South Korea
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resin
carbon fiber
mold
lower mold
fiber
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KR1020200163245A
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English (en)
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민경재
허몽영
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재단법인 한국탄소산업진흥원
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형은 공급되는 탄소 섬유에 액상의 수지를 도포, 건조, 이송을 가능하게 하는 공간에 해당하는 수지 피복 챔버(110), 상기 수지 피복 챔버(110) 상에 수지를 공급하는 수지 투입구(120), 및 공급된 수지의 회수를 가능하게 하는 수지 회수구를 포함하는 하부 금형(100); 상기 하부 금형(100)의 상단을 덮도록 결합되는 상부 금형(200) 및 상기 수지 피복 챔버(110) 상에 분리 가능하게 결합된 상태에서, 공급되는 복수의 탄소 섬유에 대한 유격을 확보하도록 복수의 섬유 관통홀이 형성된 섬유 격자 플레이트(300);를 포함한 상태에서, 공급되는 탄소 섬유 상에 액상의 수지를 연속적으로 도포, 건조, 이송을 가능하게 한다.

Description

탄소섬유 복합재 제조 금형{Carbon fiber composite manufacturing mold}
본 발명은 탄소섬유 복합재 제조 금형에 관한 것이다.
탄소섬유는 레이온, 폴리아크릴로니트릴(PAN)등의 유기섬유 또는 석유피치를 원료로 하여 이들을 precursor로서 소성 시켜 만들어진다. 원료에 따라 제조공정은 약간 다르지만, 800∼1600℃의 소성온도에서는 고강도의 탄소섬유를 얻을 수 있고, 2500∼3000℃ 고온 소성온도에서는 고탄성율의 흑연섬유가 얻어진다. 탄소섬유에는 인장강도가 큰 High Strength(HS) 또는 High Tensile Strength(HT) 와 인장강도는 적으나 탄성율이 높은 High modulus(HM)가 있다.
탄소섬유는 표면활성도가 낮기 때문에 금속과 복합화한 경우 섬유와 기지계면의 반응을 억제하기 쉽다. 따라서 현재 시판되고 있는 거의 모든 탄소섬유에는 CFRP의 층간전단강도를 크게 하기위한 표면처리가 실시되고 있다. 습식산화, 건식산화, 양극산화등의 산화에 의한 방법과 여러가지 화학반응에 의한 탄소섬유의 표면에 각종의 관능기나 쇄상분자를 부가시키는 방법, 탄소섬유의 표면에 whisker를 석출시키는 방법 또는 탄소섬유의 표면을 각종의 고분자와 열분해탄소로 피복하는 방법 등이 보고되고 있다.
산화처리에 의한 층간전단강도의 향상 기구에 대해서는 고강도사를 초산으로 산화아면 층간전단강도, 굽힘강도는 증가하지만 초산 산화 후 메틸화 처리하면 미처리사와 같은 정도로 되어 버리기 때문에 탄소섬유표면의 산소룰 포함한 관능기가 층간전단강도의 향상에 기여한다는 것이 확인되어 있다.
탄소섬유의 표면을 고분자로 피복하는 방법에 대해서는 검토되어 있으므로 인장강도도 저하시키지 않고 굽힘강도, 층간전단강도를 증가시킬 수 있다. 섬유의 젖음성(wettability)과 층간전단강도의 관계도 검토되어 있어, 탄소섬유 다발을 넣은 튜브에 에폭시수지를 침투시켜, 이 속도와 층간전단강도를 비교하면 젖음성이 우수한 섬유일수록 층간전단강도는 높다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 공급되는 탄소 섬유 상에 액상의 수지를 연속적으로 도포, 건조, 이송을 가능하게 하도록 수지 피복 챔버, 수지 투입구 및 수지 회수구를 적절하게 배치함으로써 탄소섬유 복합재를 효율적으로 생산 가능하게 한 탄소섬유 복합재 제조 금형에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형은 공급되는 탄소 섬유에 액상의 수지를 도포, 건조, 이송을 가능하게 하는 공간에 해당하는 수지 피복 챔버(110), 상기 수지 피복 챔버(110) 상에 수지를 공급하는 수지 투입구(120), 및 공급된 수지의 회수를 가능하게 하는 수지 회수구를 포함하는 하부 금형(100); 상기 하부 금형(100)의 상단을 덮도록 결합되는 상부 금형(200) 및 상기 수지 피복 챔버(110) 상에 분리 가능하게 결합된 상태에서, 공급되는 복수의 탄소 섬유에 대한 유격을 확보하도록 복수의 섬유 관통홀이 형성된 섬유 격자 플레이트(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 금형(100) 및 상부 금형(200) 상에는 액상의 수지가 도포된 탄소 섬유에 대한 냉각을 수행하는 냉각 유로가 각각 형성되는 것이 바람직하다.
상기 수지 피복 챔버(110)는, 상기 하부 금형(100)의 길이 방향을 따라서 냉각된 수지가 피복된 상태의 탄소 섬유를 이동하게 하는 탄소 섬유 배출 영역, 상기 수지 투입구(120)를 통해 공급된 수지 상에 공급된 탄소 섬유를 함침하게 하는 수지 함침 영역 및 상기 수지 함침 영역을 통해 오버플로우된 수지를 상기 하부 금형(100)의 외부로 배출하게 하는 오버플로우 영역이 순차적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 상부 금형(200) 상에는 상기 수지 함침 영역에서의 도포 작용을 육안 상으로 확인 가능하게 하는 모니터링창을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 섬유 격자 플레이트(300)는 상기 수지 함침 영역에서 상하부 방향을 따라 슬라이드 방식으로 결합되는 방식인 것이 바람직하다.
상기 냉각 유로는 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라서 상기 섬유 격자 플레이트(300)의 후단에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 섬유 격자 플레이트(300)는 복수의 단위 격자 플레이트를 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 연속 배치한 것이 바람직하다.
상기 복수의 단위 격자 플레이트에 형성된 섬유 관통홀은 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 상하 단차지게 형성된 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형은 공급되는 탄소 섬유 상에 액상의 수지를 연속적으로 도포, 건조, 이송을 가능하게 하도록 수지 피복 챔버(110), 수지 투입구(120) 및 수지 회수구(130)를 적절하게 배치함으로써 탄소섬유 복합재를 효율적으로 생산 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형의 결합사시도를 보인다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형의 분해사시도를 보인다.
도 3은 탄소섬유 복합재 제조 금형의 단면도를 보인다.
도 4는 탄소섬유 복합재 제조 금형을 이루는 섬유 격자 플레이트를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형은 공급되는 하부 금형(100), 상기 하부 금형(100)의 상단을 덮도록 결합되는 상부 금형(200), 상기 수지 피복 챔버(110) 상에 분리 가능하게 결합된 상태에서 공급되는 복수의 탄소 섬유에 대한 유격을 확보하도록 복수의 섬유 관통홀이 형성된 섬유 격자 플레이트(300) 및 하부 금형(100)과 상부 금형(200)이 결합된 상태에서 분리를 방지하게 하는 몰드 클램프(400)를 포함한다.
한편, 탄소섬유 복합재 제조 금형은 고정 작업대(10), 고정 작업대의 일측 상에 위치 변경 가능하게 배치되는 이동 작업대(20), 고정 작업대의 상부 상에 배치되는 작업 플레이트(30) 및 하부 금형(100)의 일측을 지지하는 보조 지지대(40)를 포함한다.
하부 금형(100)은 탄소 섬유에 액상의 수지를 도포, 건조, 이송을 가능하게 하는 공간에 해당하는 수지 피복 챔버(110), 수지 피복 챔버(110) 상에 수지를 공급하는 수지 투입구(120), 공급된 수지의 회수를 가능하게 하는 수지 회수구(130), 액상의 수지가 도포된 탄소 섬유에 대한 냉각을 수행하는 하부 냉각 유로(140) 및 섬유 격자 플레이트(300)의 삽입 고정을 가능하게 하도록 수지 피복 챔버(110)의 내측 벽면 상에 형성된 플레이트 결합구(150)를 포함한다. 수지 투입구(120) 및 수지 회수구(130)는 전체적으로 깔대기 형상의 구조를 갖는다.
상기 수지 피복 챔버(110)는, 하부 금형(100)의 길이 방향을 따라서 냉각된 수지가 피복된 상태의 탄소 섬유를 이동하게 하는 탄소 섬유 배출 영역(111), 상기 수지 투입구(120)를 통해 공급된 수지 상에 공급된 탄소 섬유를 함침하게 하는 수지 함침 영역(113) 및 상기 수지 함침 영역(113)을 통해 오버플로우된 수지를 상기 하부 금형(100)의 외부로 배출하게 하는 오버플로우 영역(115)이 하부 금형(100)의 길이 방향을 따라서 순차적으로 형성된다. 즉, 하부 금형(100) 상에서 수지 투입구(120)의 상부를 이루는 수지 함침 영역(113)을 중심으로 하여 일측으로는 길게 탄소 섬유 배출 영역(111)이 형성되고, 탄소 섬유 배출 영역(111)의 반대편 상으로는 오버플로우 영역(115)이 형성된다.
상기 수지 함침 영역(113) 및 오버플로우 영역(115)은 하부 금형(100)으로 공급된 수지의 유동 통로 기능을 한다. 한편, 탄소 섬유 배출 영역(111), 수지 함침 영역(113) 및 오버플로우 영역(115)은 하부 금형(100)으로 공급되는 탄소섬유의 이동 통로 기능을 한다. 즉, 오버플로우 영역(115)의 상부를 통해 수평 방향으로 공급되는 탄소 섬유는 수지 투입구(120)를 통해 수지 함침 영역(113)으로 공급된 액상의 수지로 피복되어진 상태에서 탄소 섬유 배출 영역(111)을 따라 이동하게 된다.
수지 함침 영역(113)은 하단의 수지 투입구(120)를 중심으로 하여 바깥 상부 방향으로 갈수록 경사지는 구조를 갖는다. 전체적으로는 깔대기 형상의 구조를 갖는다. 수지 투입구(120)를 통해 유입된 액상의 수지는 수지 함침 영역(113)의 하단에서부터 점점 차오르게 된 상태에서 수지 함침 영역(113)의 수용량을 벗어나는 경우에는 오버플로우 영역(115)을 통해 수지 회수구(130)로 유동한다.
하부 냉각 유로(140)는 액상의 수지가 도포된 탄소 섬유에 대한 냉각을 수행하는 기능을 한다. 하부 냉각 유로(140)는 수지 함침 영역(113)과 탄소 섬유 배출 영역(111)을 연결하는 지점 상에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 수지 함침 영역(113) 상에서 수지 도포된 탄소 섬유가 탄소 섬유 배출 영역(111)을 통해 본격적으로 이송을 시작하기 전에 경사진 상태에서 복수개가 나란히 배치된 하부 냉각 유로(140)를 통해 냉각이 이루어지게 된다. 예를 들어, 하부 냉각 유로(140)는 섬유 격자 플레이트(300)의 후단 상에서 탄소 섬유 배출 영역(111)의 초입 영역 상에 3개가 일렬로 배치된 상태를 가질 수 있다. 상기 하부 냉각 유로(140)를 통해서 유동하는 냉각수는 별도의 냉각수 순환 장치를 통해서 연속적으로 순환되는 상태를 갖는다.
상기 상부 금형(200)은 수지 함침 영역(113)과 탄소 섬유 배출 영역(111)을 덮는 방식으로 하부 금형(100) 상에 결합된다.
상부 금형(200) 상에는 수지 함침 영역(113)에서의 도포 작용을 육안 상으로 확인 가능하게 하는 모니터링창(220)을 형성한다. 모니터링창(220)은 상부 금형(200)에 관통 형성된 모니터링 개구부(210) 상에 결합된다. 한편, 상기 모니터링 개구부(210)는 하부 금형(100)의 수지 투입구(120)를 통해 수지 피복 챔버(110) 상에 수지를 공급하는 과정에서 추가적인 수지 투입을 요구하거나 구조적인 이유로 인하여 상부 투입을 원할시에는 상기 상부 금형(200)의 모니터링 개구부(210)를 통해 수지 투입을 가능하게 한다.
모니터링창(220)은 예를 들어, W160mmㅧH 10mmㅧL 140mm 의 크기를 가질 수 있으며, 소재 종류는 아크릴 판일 수 있다. 조립 홀 가공은 볼트 조립홀(직경 6mm) 9개소에 실시하며, 하부 측의 수지 주입포트인 수지 투입구(120)의 부하가 커서 수지 공급이 원활하지 않을 경우에 모니터링 개구부(210)를 통해 주입 가능하게 된다.
한편, 상부 냉각 유로(240)는 액상의 수지가 도포된 탄소 섬유에 대한 냉각을 수행하는 기능을 한다. 상부 냉각 유로는 하부 냉각 유로(140)에 대응하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 수지 함침 영역(113) 상에서 수지 도포된 탄소 섬유가 탄소 섬유 배출 영역(111)을 통해 본격적으로 이송을 시작하기 전에 나란히 배치된 복수개의 하부 냉각 유로(140)를 통해 냉각이 이루어지게 된다. 즉, 수지 함침 영역(113) 상에서 수지 도포된 탄소 섬유는 상기 상부 냉각 유로 및 하부 냉각 유로(140)를 통해 상하부 상에서 입체적인 냉각 작용을 거쳐 수지가 안정적으로 탄소 섬유 상에 고착된 상태에서 이동을 하게 한다.
섬유 격자 플레이트(300)는 수지 피복 챔버(110) 상에서 상하 방향으로 형성된 플레이트 결합구(150)를 따라서 분리 가능하게 결합된 상태를 갖는다. 섬유 격자 플레이트(300)는 공급되는 섬유의 종류 및 재질에 따라서 원활한 이동을 가능하게 하는 것으로서 빗(comb) 기능을 담당하는 것일 수 있다. 즉, 공급되는 탄소 섬유 다발이 상기 섬유 격자 플레이트(300)에 형성된 복수의 섬유 관통홀(320)을 통해 진행함으로써 간섭 및 꼬임이 방지된 상태에서 수지의 함침이 이루어지는 것이다.
플레이트 결합구(150)는 수지 함침 영역(113) 상에서 전후방을 따라서 복수개가 소정 간격으로 형성되는 것일 수 있다.
도 4를 참조하면, 섬유 격자 플레이트(300)는 공급되는 복수의 탄소 섬유에 대한 유격을 확보하도록 복수의 섬유 관통홀(320)이 형성된 복수의 단위 격자 플레이트(310)를 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 연속 배치한 것일 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, 복수의 단위 격자 플레이트 중 일측에 배치된 단위 격자 플레이트 상에만 상하부 방향을 따라 섬유 관통홀이 다단으로 형성되는 가능할 수 있다.
도 4의 (b) 및 (c)를 참조하면, 상기 복수의 단위 격자 플레이트에 형성된 섬유 관통홀은 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 상하 단차지게 형성되는 것일 수 있다. 즉, 복수의 단위 격자 플레이트들은 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 점점 섬유 관통홀의 높이가 상승되는 형태이거나 한편으로는 하강하는 형태일 수 있다.
몰드 클램프(400)는 하부 금형(100)과 상부 금형(200)이 결합된 상태에서 분리를 방지하게 한다. 몰드 클램프(400)는 하부 금형(100)의 하단을 지지하는 기능을 하는 하단 클램프 및 상부 금형(200)의 상단에 결합하는 기능을 하는 상단 클램프를 포함한다. 하단 클램프는 수지 함침 영역(113)과 탄소 섬유 배출 영역(111) 간의 단차진 부분 상에 배치되는 것으로서, 하부 금형(100)의 좌우 요동을 방지하도록 하부 금형(100)의 양측을 감싼 상태에서 지지한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 제조 금형은 공급되는 탄소 섬유 상에 액상의 수지를 연속적으로 도포, 건조, 이송을 가능하게 하도록 수지 피복 챔버(110), 수지 투입구(120) 및 수지 회수구(130)를 적절하게 배치함으로써 탄소섬유 복합재를 효율적으로 생산 가능하게 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 고정 작업대
20 : 이동 작업대
30 : 작업 플레이트
40 : 보조 지지대
100 : 하부 금형
110 : 수지 피복 챔버
111 : 탄소 섬유 배출 영역
113 : 수지 함침 영역
115 : 오버플로우 영역
120 : 수지 투입구
130 : 수지 회수구
140 : 하부 냉각 유로
150 : 플레이트 결합구
200 : 상부 금형
220 : 모니터링창
300 : 섬유 격자 플레이트
400 : 몰드 클램프

Claims (8)

  1. 공급되는 탄소 섬유에 액상의 수지를 도포, 건조, 이송을 가능하게 하는 공간에 해당하는 수지 피복 챔버(110), 상기 수지 피복 챔버(110) 상에 수지를 공급하는 수지 투입구(120), 및 공급된 수지의 회수를 가능하게 하는 수지 회수구(130)를 포함하는 하부 금형(100);
    상기 하부 금형(100)의 상단을 덮도록 결합되는 상부 금형(200) 및
    상기 수지 피복 챔버(110) 상에 분리 가능하게 결합된 상태에서, 공급되는 복수의 탄소 섬유에 대한 유격을 확보하도록 복수의 섬유 관통홀이 형성된 섬유 격자 플레이트(300);를 포함하고,
    상기 수지 피복 챔버(110)는,
    상기 하부 금형(100)의 길이 방향을 따라서 냉각된 수지가 피복된 상태의 탄소 섬유를 이동하게 하는 탄소 섬유 배출 영역(111), 상기 수지 투입구(120)를 통해 공급된 수지 상에 공급된 탄소 섬유를 함침하게 하는 수지 함침 영역(113) 및 상기 수지 함침 영역(113)을 통해 오버플로우된 수지를 상기 하부 금형(100)의 외부로 배출하게 하는 오버플로우 영역(115)이 순차적으로 형성되며,
    상기 섬유 격자 플레이트(300)는 상기 수지 함침 영역(113)에서 상하부 방향을 따라 슬라이드 방식으로 결합되는 방식인 것을 특징으로 하는,
    탄소섬유 복합재 제조 금형.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 금형(100) 및 상부 금형(200) 상에는 액상의 수지가 도포된 탄소 섬유에 대한 냉각을 수행하는 냉각 유로가 각각 형성되는, 탄소섬유 복합재 제조 금형.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 금형(200) 상에는 상기 수지 함침 영역(113)에서의 도포 작용을 육안 상으로 확인 가능하게 하는 모니터링창(220)을 형성하는, 탄소섬유 복합재 제조 금형
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라서 상기 섬유 격자 플레이트(300)의 후단에 배치되는, 탄소섬유 복합재 제조 금형.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 격자 플레이트(300)는 복수의 단위 격자 플레이트를 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 연속 배치한, 탄소섬유 복합재 제조 금형.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 단위 격자 플레이트에 형성된 섬유 관통홀은 상기 하부 금형(100)의 길이방향을 따라 상하 단차지게 형성된, 탄소섬유 복합재 제조 금형.
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