스크랩 니들펀칭부직포(Needle punching)

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니들펀칭기의 역사는 1901년 미국 Hunter사가 펠트용 니들펀칭기의 연구를 개시한 것이 부직포 제조방법중에 최초의 기계적 방법으로, 그 후 반세기에 걸쳐 기계구조에 큰 변화를 보이지 않고 지속되었다. 본격적인 기술진전은 2차 세계대전 후 화학섬유의 폭넓은 응용이 하나의 계기가 되었으며, 주로 폐섬유 원료와 화학섬유를 사용하여 가장 간단하고 경제적인 방법으로 제품화하고자 하였다.
1960년대 이후에는 독일의 Dilo사와 오스트리아의 Fehrer사가 더욱 고성능화한 기계를 개발하게 되었으며, 오늘날 이들 제조회사는 프랑스의 Asselin 사와 더불어 니들펀칭기 제조에 있어 세계적인 선두 주자의 위치를 점하고 있다.

1. 펀칭의 기본원리
펀칭원리는 니들펀칭기에서 웹의 표면에 대해 수직, 경사방향 또는 양방향으로 니들의 상하운동(stroke) 효과에 의해 섬유웹을 상호결합시키는 것에 기본을 두고 있다.
웹내부로 침이 침투할 때 침바브(needle barb, groove)가 섬유를 파지하고 웹의 두께 방향으로 파지섬유를 끌어내린다. 그 결과 수평방향으로 배열되어 있는 섬유의 일부가 수직방향으로 배열되면서 요구되는 강도를 부여하게 된다.

니들펀칭 부직포의 제조방식

기계구조를 설명하면, 주구동 장치의 회전력은 푸시로드(push rod)를 통해 상하운동으로 전환되면서 이것에 연결된 니들빔(needle beam)도 동일운동을 하게 된다. 침판에 장착되어 있는 침판상의 침이 스트리퍼 플레이트(stripper plate)와 베드 플레이트(bed plate) 사이를 지나가는 섬유웹을 서로 얽히게 하여 부직포를 제조하게 된다.

여러 가지 펀칭 방식

2. 기계의 구성요소

1) 웹 공급부
수직형, 수평형, 또는 에어레이형으로 형성된 웹을 니들펀칭기의 천공(needling) 영역으로 공급하는 장치로 예비펀칭기에 고정되어 있는 형태와 탈부착이 가능한 형태가 있다. 구조는 제조회사에 따라 약간의 차이가 있지만, 주요한 것은 섬유웹이 손상을 받지 않고 원만하게 공급되어야 한다는 점이다.

2) 구동부
교차형 빔과 받침대에 상호 연결된 두꺼운 주물 또는 용접 스탠드로 대부분 구성되어 있는 프레임 (frame) 상의 니들빔 구동은 편심캠(cam)이 장착된 구동축(main shaft)에 주동력이 전달되어 캠이 회전하게 된다. 회전하는 캠과 하나의 집합체를 구성하는 컨넥팅 로드에 연결된 니들빔의 상하운동을 부여한다. 주동력원은 기계 프레임의 측면, 후면 또는 상부에 위치하며, 편심캠은 회전운동을 할 때 평형력을 유지하기 위해 플라이 휠(fly wheel) 또는 보조캠을 장착하고 있다.

3) 니들링부
섬유웹에 상호결합력을 부여하는 부분으로 침이 부착된 침판으로 구성되어 있다. 니들링은 기계상부에서 회전하는 캠축으로부터 커넥팅 로드를 통해 침판이 상하운동하며, 그 변위는 편심캠의 편심량에 의존하게 된다. 니들보드의 재질은 초기에는 목재, 합판이 사용되었지만, 고속 니들링을 위해 보다 경량의 강한 재질이 요구되어 현재는 일반적으로 알루미늄과 마그네슘의 합금으로 되어있다.

4) 스트리퍼(stripper) 플레이트와 베드(bed) 플레이트
기계구조상 니들보드 아래에 놓이는 스트리퍼 플레이트는 침판의 상하운동시 침이 침투할 수 있도록 니들보드의 침공배열과 동일 위치에 구멍이 형성되어 있으며, 베드 플레이트 역시 니들보드의 침공배열과 동일한 위치에 직경 4∼6mm의 많은 구멍을 갖고 있다. 구멍의 직경이 작을수록 섬유의 얽힘 정도는 증가하지만 침의 손상이 커진다. 또한 섬유웹의 원활한 진행과 펀칭시 침의 침투깊이를 조절하기 위해 제품의 두께에 따라 베드 플레이트의 상하이동으로 두 플레이트간의 간격을 조정할 수 있다. 베드 플레이트를 형태별로 여러 가지 종류가 사용되고 있지만, 플레이트에 많은 침을 배열할 수 있는 각각의 침공을 갖는 플레이트 형태가 널리 사용되고 있다.

5) 권취부
권취부는 공급측으로부터 기계의 반대편에 위치하며 통상 특수고무로 코팅된 송출로울러와 니켈, 크롬으로 도금한 압축로울러로 구성된다. 권취부의 구성은 웹이 송출로울러에 밀접하게 접촉하도록 일반적으로 45도를 이루고 있으나, 특수한 경우에는 부직포가 적극적으로 권취되도록 각도를 크게하는 경우도 있다. 압축로울러의 압력적용은 기계적 또는 압축 공기실린더에 의해 이루어진다.


3. 펠팅침(Felting needle)

1) 침구조와 부분별 기능

니들펀칭에 널리 사용되는 펠팅침의 구조는 3단계로 구성되어 있다. 중간부의 구조에 따라 싱글 리듀스드(singl reduced) 침과 더블 리듀스드(double reduced) 침으로 구분한다.
리듀스드부의 직경은 생크(shank)보다 작으며, 삼각 작용(working blade)부에 비해 크다.
두꺼운 웹 펀칭시 더블 리듀스드의 생크에 의해 웹의 구멍생성을 방지하며, 탄성을 증가시키고 침의 중량을 감소시키는 효과가 있다.

침의 부위별 명칭과 바브의 형태

침은 각 부분별로 다음과 같은 특수기능을 가지고 있다.
1) 크랭크: 니들보드에 침을 삽입했을 때 안전요소로 작용하며, 웹에 대하여 침작용부의 위치를 결정한다.
2) 생크: 니들보드상에 침을 고정시키며 직경은 1.32∼2.67mm 범위이다.
가장 널리 사용되는 침생크의 직경은 1.835mm이며, 15게이지를 나타낸다.
3) 작용부(blade): 침의 기능부로 정사각형, 원형, 나선형, 홈파인 오목형 등 여러 가지 단면형상을 갖는다. 일반적으로 사용되는 것은 포인트가 둥근 삼각형 브레이드이다.
4) 바브: 브레이드 끝에 예리하게 컷팅한 돌출 구조물이다. 크기와 배열이 니들펀칭력에 결정적인 영향을 준다. 일반적인 침은 9개의 바브를 가지며, 각 브레이드 끝에 3개씩 배열되어 있다.
또한, 바브가 없는 침, 특수 목적으로 브레이드의 한쪽에만 바브를 갖는 침 등이 있다. 침 표면에 형성된 바브의 거리에 따라 RB(Regular Barb), MB(Medium Barb), CB(Close Barb)등으로 세분할 수 있으며 레귤러 바브가공이 가장 일반적이다. 하나의 표면에 위치하는 바브간격은 6.3mm이며, 인접하는 두 표면의 거리는 2.12mm이다. 첫 번째 바브는 침 포인트로부터 5mm 떨어져 있는 것이 일반적이다.

2) 침의 종류
니들펀칭에 사용되는 침은 제조하고자 하는 제품과 침의 기능 및 디자인에 따라 분류할 수 있으며, 사용하는 섬유원료, 기계특성 및 제품 종류 등을 고려하여 가장 최적의 침을 사용하여야 한다. 일반적으로 섬유웹의 전면적에 걸쳐 균일한 섬유결합을 부여하는 펠팅침이 가장 널리 사용된다.

⊙ 니들펀칭기에 이용되는 다양한 침특성

분류	세부종류	특성
펠팅침	Conventional needle
	Pressed needle
	Needle with adjusted geometry of working part	Cutting 표면의 생략과 내구성을 증진시킨 침
패턴침	Large barb needle	하나의 표면에 단지 한 개의 커다란 바브를 가지며 미세한 패턴을 만드는데 사용
	Fork blade needle	침 팀(tip)이 포크형상을 취하고 있는 침
	SH needle	침 팁이 포크와 같은 형상을 하며, 한쪽에 날카로운 포인트를 갖는 침
특수침	Tube needle	섬유 웹에 접착제를 부가할 수 있는 튜브형 침
	Crimp needle	특수한 형태의 펀칭용 침
	Heated needle	열가소성 웹의 열적 결합이 가능한 침
	needle with normal andreverse barbs	웹 표리면의 강력증진 효과를 부여하는 침
	Needle sith spiral working part	여러방향으로 니들바브를 만들어 등방성 부직포의 제조효과를 부여하는 침
	Multi-barb needle	브레이드에 다수의 작은 바브를 가지며, 장섬유 지지체와 함께 펀칭가능

3) 침게이지와 치수화
침게이지는 국제적으로 통용되고 있는 영국식 게이지 시스템을 일반적으로 사용하고 있다.
포크 침을 포함한 싱글 리듀스침의 경우 기본적으로 3가지로 치수화하고 있다. 생크 직경, 삼각작용부 직경 및 크랭크의 내측선에서 포인트까지의 길이로 표현하는 침의 전체 길이가 기본이 되고 있다. 예를 들면 침의 치수가 15×25×3일 경우에 여기서 15는 생크 직경을 의미하고 15게이지(1.83mm)이다. 25는 삼각 작용부의 직경으로 25게이지(0.81mm)를 나타내며, 바브형성 전의 직경을 말한다. 3은 침길이가 3인치임을 의미한다. 한편, 침에 관한 구체적인 사양은 기본번수 다음에 표기하는 것이 대부분이다. 예를 들면 15×18×36×3RB NKU에서 RB는 레귤러 바브이며, NKU는 노우킥업(No Kick-Up)를 의미한다. 침의 사양에 관한 표기는 침번수 다음에 위치하는 것은 동일하지만, 표기방법은 다소 차이가 있다.

펠트침의 게이지와 치수

펠트침의 명칭

4) 부직포 구조와 물성 영향인자 5) 용도전개

분야	응용예시
의류용	심지(신사, 숙녀복, 코트) 중입면(방한자켓, 스키복, 브래지어컵등)
공업자재용	에어필터: 공조용, 자동차도장, HEPA필터 공기정화: 진공청소기, 자동차에어크린너 전기절연재: 절연테이프, 분리용 집진필터: 필터백, 캐트리지필터 액체필터: 여과포, 필터프레스용 연마재등
농업/토목 건설용	토목: 수직/수평배수재, 도로매트, 콘크리트양생매트 건설: 방수재, 방음/흡음재 농업: 차광재, 보온재, 육종묘촉진재
합성피혁용	신발용: 내피, 외피, 중창 운동구: 축구공, 테니스공, 배구공, 농구공의 내외피 가방용: 내장재 및 보강심, 인조피혁기포 스웨드형 인조피혁의 기포
자동차내장재용	헤드라이너, 트렁크매트, 바닥카펫트, 도어트림