KR20160076041A

KR20160076041A - 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법

Info

Publication number: KR20160076041A
Application number: KR1020140185680A
Authority: KR
Inventors: 장준호; 윤덕우; 강현민
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-30

Abstract

본 발명은 종래 금속재질의 차체 프레임을 대신하여 강도치는 유지하면서 자동차를 경량화 할 수 있게 섬유강화 플라스틱의 낮은 절대 강도치를 향상시키고 성형 후 강화섬유의 잔존길이를 최대로 보존하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법에 관한 것으로 제1압출기에 열가소성수지 및 첨가제를 투입하여 용융 혼합시켜 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와; 상기 제1압출기를 통해 제조된 열가소성 수지 조성물과 장섬유로빙을 통해 다수개의 섬유를 제2압출기에 투입하여 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와; 상기 제2압출기를 통해 제조된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 이송형프레스에 투입 및 프레스 성형하여 섬유강화 플라스틱을 제조하는 단계를 포함하여 구성된 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법을 제공함으로써, 강화섬유의 잔존길이를 극대화하여 고분자복합재 기계적 물성을 향상시키고, 복잡한 설비 구축 없이, 프레스 장비 만으로도 사출성형과 유사 수준의 복잡한 구조의 제품을 제작할 수 있으므로 투자비를 절감하는 효과를 기대할 수 있다.

Description

이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법 {Long-fiber reinforced plastic manufacturing method by transfer molding}

본 발명은 종래 금속재질의 차체 프레임을 대신하여 강도치는 유지하면서 자동차를 경량화 할 수 있도록 섬유강화 플라스틱의 낮은 절대 강도치를 향상시키기 위해 성형 후 강화섬유의 잔존길이를 최대로 보존하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 차체 프레임은 강철, 알루미늄 또는 플라스틱 조성물 등을 재질 특성에 맞게 다양한 방법을 통해 제조하게 된다.

도 1에 의하면, 금속 재질 대비 섬유강화 플라스틱의 낮은 절대 강도치를 향상 시키기 위해, 성형 후 강화섬유의 잔존길이를 최대로 보존하는 것이 필요하다.

특히, 강철 또는 알루미늄의 경우 주조성이 높고 강도치가 상당하여 차체 프레임으로는 적격이나 중량의 증가와 이에 따른 비용이 증가되는 문제점 있다.

따라서, 최근 금속재질의 프레임을 대신하여 강도는 유지하되 중량을 감소시키는 플라스틱을 제안하는 것으로 공개특허공보 제10-2009-0131740호(장섬유강화 열가소성 플라스틱 재질의 프로파일 제조방법 및 그 제조장치)가 있으며, 이 종래는 제1압출기 및 제2압출기로 구성된 LFT-D(Long Fiber Reinforced Thermoplastic - Direct Compounding)압출기와 롤포밍장치를 이용하여 연속적으로 장섬유강화 열가소성 플라스틱(LFT)재질의 프로파일을 제조하는 방법으로, ① 상기 제1압출기에 열가소성 수지 및 첨가제를 투입하여 용융혼합시킴으로써 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와; ② 제조된 열가소성 수지 조성물과 연속 또는 불연속 섬유를 상기 제2압출기에 투입하여 혼합시킴으로써 장섬유강화 열가소성 플라스틱을 제조하는 단계와; ③ 제조된 장섬유강화 열가소성 플라스틱을 압출다이를 이용하여 연속적으로 압출함으로써 일정한 크기 및 형상을 갖는 장섬유강화 열가소성 플라스틱 압출물을 제조하는 단계와; ④ 제조된 압출물을 연속적으로 상기 롤포밍장치를 통과시킨 다음, 커팅기로 절단하여 일정한 크기 및 형상을 갖는 프로파일로 제조하는 단계;를 포함하여 장섬유강화 열가소성 플라스틱 재질의 프로파일 제조방법을 제공함으로써, LFT-D공법 및 롤포밍공법을 결합하여 열화가 적고 경제적이면서 연속적으로 장섬유강화 열가소성 플라스틱 재질의 프로파일을 제조함에 따라 제조원가를 절감할 수 있다.

그러나 통상의 섬유강화 플라스틱을 제조하는 방법으로는 대표적으로 a) 압축성형과 b) 사출성형이 있다.

이 중 a) 압축성형의 경우 공정 간 강화섬유의 길이가 온전히 보전되어 성형 후 강화섬유의 보강효과를 충분히 구현할 수 있으나, 주로 시트형태의 형상이 복잡하지 않는 부품 성형에 주로 적용되므로 다양한 형상의 섬유강화 플라스틱을 제조하기에는 한계가 있다.

한편, b) 사출성형의 경우 압축성형에 비해 복잡한 형태의 부품을 제작하는데 매우 유용하나, 열가소성 수지가 사출 스크류를 지나면서 강화섬유가 절단되어 보강효과가 저하되는 단점이 있다.

따라서, 강화섬유의 길이를 온전히 보전하여 성형 후 강화섬유에 의한 보강효과를 구현할 수 있으며, 복잡한 형태의 부품을 용이하게 제작할 수 있는 제조방법이 요구되는 바이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 공정 간 보강섬유 절단을 최소화함과 동시에, 복잡한 구조의 제품으로 성형이 가능하도록 이송성형공정을 구성하여 압축성형과 사출성형의 장점을 동시 구현하고 설비투자를 최소화, 경제성 보장하기 위해 기존 LFT-D 생산공정과 프레스 기반의 이송성형공정을 연계하여 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1압출기에 열가소성수지 및 첨가제를 투입하여 용융 혼합시켜 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와; 상기 제1압출기를 통해 제조된 열가소성 수지 조성물과 장섬유로빙을 통해 다수개의 섬유를 제2압출기에 투입하여 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와; 상기 제2압출기를 통해 제조된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 이송형프레스에 투입 및 프레스 성형하여 섬유강화 플라스틱을 제조하는 단계를 포함하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 제2압출기를 통해 토출되는 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물이 상기 이송형프레스로 투입되기까지 온도차에 의해 경화되는 것을 방지하기 위해 제2압출기의 후단에 구비된 제1히터를 통해 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 강화섬유의 잔존길이를 극대화하여 고분자복합재 기계적 물성을 향상시키고, 복잡한 설비 구축 없이, 프레스 장비 만으로도 사출성형과 유사 수준의 복잡한 구조의 제품을 제조할 수 있으므로 제작 설비에 비해 투자비를 절감하는 효과가 있다.

도 1은 일반적으로 강화섬유의 잔존길이에 따른 섬유강화 플라스틱의 절대 강도치 이론적 향상 효과를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법의 공정 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법의 공정을 나타내는 예시도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제1압출기(10)에 열가소성수지 및 첨가제(A)를 투입하여 용융 혼합시켜 열가소성 수지 조성물(B)을 제조한다. (S100)

그리고 상기 제1압출기(10)를 통해 제조된 열가소성 수지 조성물(B)과 장섬유로빙(20)을 통해 다수개의 섬유를 제2압출기(30)에 투입하여 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)을 제조한다. (S200)

여기까지는 종래와 동일한 방법으로 진행되며, 본 발명의 섬유강화 플라스틱(LFT)을 제1압출기(10)와 제2압출기(30)로 구성된 LFT-D (Long Fiber reinforced Thermoplastic-Direct compounding)압출기로 이루어진다.

한편, 상기 제2압출기(30)를 통해 제조된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)을 이송형프레스(60)에 투입 및 프레스 성형하여 섬유강화 플라스틱(D)을 제조하는 단계(S300)를 포함하여 구성한다.

여기서, 상기 제2압출기(30)를 통해 토출되는 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)이 상기 이송형프레스(60)로 투입되기까지 온도차에 의해 경화되는 것을 방지하기 위해 제2압출기(30)의 후단에 구비된 제1히터(40)를 통해 가열하는 단계(S400)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 이송형프레스(60)는 제2압출기(30)를 통해 토출된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)을 수용하는 포트(pot)(63a)가 상측에 요입 형성되고, 플런저(plunger)부(61)의 가압을 통해 성형부(65)로 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)이 유입되는 스프루(sprue)(63b)가 관통 형성된 포트부(63)를 구비하고,

상기 포트(63a)에 수용된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)을 가압하여 성형부(65)측으로 보낼 수 있게 플런저(61a)를 가지는 플런저부(61)를 형성하며,

상기 스프루(63b)를 통해 유입된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)을 고화시켜 원하는 형상의 섬유강화 플라스틱(D)으로 형성할 수 있게 캐비티(65a)를 갖는 성형부(65)로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 이송형프레스(60)의 포트부(63)에는 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물(C)이 플런저부(61)의 가압에 의해 스프루(63b)를 통해 성형부(65)의 캐비티(65a)로 이송하는 동안 스프루(63b)에서 경화되는 것을 방지하기 위해 스프루(63b)를 가열하는 제2히터(50)가 더 구비될 수 있다.

한편, 열가소성 수지 및 첨가제(A)를 투입 용융 혼합하여 열가소성 수지 조성물(B)을 제조한 후 장섬유로빙(20)을 통해 강화섬유(21)를 제2압출기(30)로 투입한다.

이때, 상기 강화섬유(21)는 유리섬유 또는 탄소섬유 중 어느 한가지로 로빙하여 제2압출기(30)에 투입 할 수 있으며, 로빙 중에 강화섬유(21)를 전체적으로 고르게 펼쳐 공급하여 최종 성형품의 연신율을 상승시킬 수 있다.

그리고 상기 제1히터(40)의 경우 조성물(C)의 경화를 방지하기 위해 제2압출기(30)의 출구 측에 제1히터(40)를 설치하며, IR 히터, 열선 등의 다양한 히터로 적용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법을 통해 LFT-D 장비를 통해 제조된 조성물은 열가소성수지의 녹는점 + 30℃를 유지하여 경화와 열화를 방지하기 위해 1분 이내 금형에 투입한다. 또한, 포트부와 스프루의 온도를 열가소성수지 녹는점 + 30℃ 동일하게 유지하여, 조성물의 유동성 저하를 방지한다. 이송형프레스(60)의 형체력 유지를 위해 성형부(65)에 별도의 잠금장치를 설치할 수 있으며, 성형부(65)의 온도는 80~100 ℃ 사이를 유지하여, 최종 성형품의 미성형을 방지한다.

여기서, LFT-D 장비는 제1압출기(10)와 제2압출기(30)를 통합하여 부르는 장치이다.

따라서, 상기와 같은 방법을 통해 제조의 예시로는 부품 성형 게이트 사이즈를 1mm 이상 권장하고, LFT-D 조성물 내 섬유 길이 16mm 수준으로 유지하여 부품 성형 게이트 통과 시 부품 내 섬유 잔존길이는 평균 1~3cm 수준으로 이루어짐으로써, 사출성형의 섬유 최종길이 200~300 μm 보다 섬유길이를 길게 유지할 수 있다

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 강화섬유(21)의 잔존길이를 극대화하여 고분자복합재 기개적 물성을 향상시키고, 복잡한 설비 구축 없이, 프레스 장비 만으로도 사출성형과 유사 수준의 복잡한 구조의 제품을 제가할 수 있으므로 제작 설비에 비해 투자비를 절감하는 효과가 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10: 제1압출기
20: 장섬유로빙
21: 강화섬유
30: 제2압출기
40: 제1히터
50: 제2히터
60: 이송형프레스
61: 플런저(plunger)부
61a : 플런저
63: 포트(pot)부
63a : 포트
63b : 스프루(sprue)
65: 성형부
65a : 캐비티 (cavity)
A : 열가소성 수지 및 첨가제
B : 열가소성 수지 조성물
C : 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물
D : 섬유강화 플라스틱
S100: 열가소성수지 조성물 제조단계
S200: 장섬유 보강 열가소성수지 조성물 제조단계
S300: 섬유강화 플라스틱 제조단계
S400: 장섬유 보강 열가소성수지 조성물의 경화 방지단계

Claims

제1압출기에 열가소성수지 및 첨가제를 투입하여 용융 혼합시켜 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와;
상기 제1압출기를 통해 제조된 열가소성 수지 조성물과 장섬유로빙을 통해 다수개의 섬유를 제2압출기에 투입하여 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 제조하는 단계와;
상기 제2압출기를 통해 제조된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 이송형프레스에 투입 및 프레스 성형하여 섬유강화 플라스틱을 제조하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2압출기를 통해 토출되는 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물이 상기 이송형프레스로 투입되기까지 온도차에 의해 경화되는 것을 방지하기 위해 제2압출기의 후단에 구비된 제1히터를 통해 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이송형프레스는 상기 제2압출기를 통해 토출된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 수용하는 수용홈이 상측에 요입 형성되고, 플런저부의 가압을 통해 성형부로 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물이 유입되는 스프루가 관통 형성된 포트부와;
상기 수용홈에 수용된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 가압하여 성형부측으로 보낼 수 있게 플런저를 가지는 플런저부와;
스프루를 통해 유입된 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물을 고화시켜 원하는 형상의 섬유강화 플라스틱으로 형성할 수 있게 캐비티를 갖는 성형부로 구성된 것을 특징으로 하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 이송형프레스의 포트부에는 장섬유 보강 열가소성 수지 조성물이 플런저부의 가압에 의해 스프루를 통해 성형부의 캐비티로 이송하는 동안 스프루에서 경화되는 것을 방지하기 위해 스프루를 가열하는 제2히터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이송성형 기반 장섬유강화 플라스틱 제조방법.