KR100414961B1 - 섬유강화열가소성재료로제조된부품의제조방법및그방법에의해제조된부품 - Google Patents

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Abstract

섬유 강화된 열가소성 재료로 만들어진 압출 부품, 특히 나사 (1) 는 일정량의 섬유를 포함한다. 무한 섬유로 형성된 탄소 섬유는 나사 (1) 의 헤드 (2) 영역 및 이것에 직접 인접한 샤프트 (5) 의 3개의 나사선에서 적어도 대략 나사 (1) 의 중심선에 대해 평행하게 배치된다. 나사선 영역의 나머지 부분의 표면에서 섬유는 부품의 축방향으로 나사선의 윤곽을 따른다. 나사 단부의 측면에서 상기 섹션의 중심에 있는 섬유는 나사의 자유 단부쪽으로 증가 하도록 임의의 방식으로 분포된다.

Description

섬유 강화 열가소성 재료로 제조된 부품의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 부품
섬유 강화 열가소성 재료로 된 부품은 대개 연결부재로 사용된다. 예컨대, 금속 나사 내신에 이러한 부품이 사용된다. 의학 기술분야, 예컨대 골나사(bone screw)로 사용시 섬유 강화 열가소성 재료로 이루어진 나사가 훨씬 더 적합한데, 그 이유는 그것이 뼈조직에 적합하고, 부식 문제를 일으키지 않으며, 금속 나사 보다 중량이 작고, 금속을 사용할 때와는 달리, 통상의 의학적 검사 방법에 영향을주지 않기 때문이다.
섬유 강화 열가소성 플라스틱으로 이루어진 이러한 나사 또는 나사선을 갖춘 로드(rod)는 공지되어 있다. 나사 소재는 동시 압출 또는 다성분 사출성형 방법에 의해 제조된다. 상기 공지된 실시예(독일 특허 공개 40 16427호)에서 출발 소재로는 동시 압출에 의해 제조된 등근 중실 로드가 사용 된다. 중심 영역에서는 하나의 압출기 내에 열가소성 과립과 5 내지 10mm의 장섬유가 처리되고, 외측영역에서는 2개의 압출기 내에 열가소성 과립과 단섬유가 처리된다. 따라서, 내측 장섬유와 외측 단섬유가 동축으로 배향된 출발 소재가 주어진다. 내측 중심영역에 있는 장섬유가 압출 공정에 의해 주로 축방향으로 배향되고, 외측 영역에 있는 단섬유는 전단력을 나사산으로 전달한다. 나사선은 후속하는 냉간성형, 예컨대 나사 전조 헤드 또는 나사 전조기에 의해 제조된다. 이러한 냉간 성형은 단섬유의 사용에 의해 가능해지지만, 나사선 영역에 이러한 단섬유의 배치로 인해 강도가 줄어든다.
독일 T2-68919466 호에 따른 방법에서는, 소재를 분할 가능한 모울드에 넣어 성형한다. 소재를 차가운 상태로 모울드 공동부내에 넣고, 가열하며, 팽창시키고 냉각시킨다. 따라서, 제한된 범위의 성형만이 가능하며, 섬유 배향에 대한 영향이 불가능하거나 적어도 예정될 수 있을 정도로 가능하지 않다.
본 발명은 먼저 단섬유, 장섬유 및/또는 무단(無端) 섬유 그리고 열가소성 재료로 이루어진 소재(素材)를 예비 제조하고, 그 소재를 열간 성형방법으로 압력하의 네가티브 모울드(negative mould)내에서 부품의 최종 형상으로 만드는 방식의, 섬유 강화 열가소성 재료 부품의 제조방법과, 먼저 50부피％ 이상의 섬유량과, 적어도 주로 무단섬유 및 열가소성 재료를 사용해서 형성된 소재를 예비 제조하고, 그 소재를 열간 성형방법으로 압력하의 네가티브 모울드내에서 부품의 최종 형상으로 만드는 방식의 인장, 휨 및/또는 비틀림 하중을 받는 섬유 강화 열가소성 재료 부품의 제조방법과, 그리고 상기 방법에 따라 제조된 섬유 강화 열가소성 재료 부품에 관한 것이다.
도 1 은 무단 섬유의 0°배향을 나타내기 위해 부분적으로 절단된 로드형 소재의 사시도.
도 2 는 나사내의 섬유 분포를 나타낸 나사형 부품의 개략도.
도 3 은 연결부재로서 제공된 부품의 길이에 대한 강성을 나타낸 다이어그램.
도 4 는 부품의 제조를 위한 온도 구역을 갖는 용융 압출 공구의 개략도.
도 5 는 압출공구의 개략도.
도 6 은 역사이클 압출방법에서 부품의 제조를 나타낸 개략도.
도 7 은 특히 골접합 플레이트로서 사용될 수 있는, 역사이클 압출방법으로제조된 부품의 평면도.
본 발명의 목적은, 부품의 사용 목적에 최상으로 적합한 섬유 강화 열가소성 재료 부품의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 특별한 방식으로 힘의 전달 및 분포 또는 강도가 부품과 상호 작용하는 몸체의 조건에 맞는,상기 방법에 따라 제조된 부품을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 방법에서는, 소재를 먼저 가열 단계에서 성형 온도로 가열한 후, 압출에 의해 네가티브 모울드 내로 프레스한다. 소재의 전체 횡단면에 걸쳐 존재하는 섬유는, 후속하는 압출 공정에 의해 의도한 대로 제어되어 배향 및 분포된다. 섬유 배향과 섬유 분포 및 상기 방법에 따라 제조된 부품의 기계적 특성이 특성화되어 제조 방법의 공정 파라미터로 사용된다. 또한, 압출에 의해 섬유 배향이 제어되므로, 부품의 길이에 걸쳐 상이한 강도값이 얻어질 수 있다.
50부피％ 이상의 무단 섬유를 사용하는 방법에서도, 소재를 먼저 가열단계에서 성형 온도로 가열한 다음, 압출에 의해 네가티브 모울드 내로 프레스 한다. 고밀도의 무단 섬유를 사용하는 경우, 제조되는 부품의 강성 및 강도를 의도한 바 대로 제어할 수 있다. 특히 복잡하게 형성된 부품의 경우, 최적의 섬유 배향 및 일정 법위 내에서 최적의 섬유 밀도를 정확하게 예측할 수 있다. 또한, 소재를 로드 재료로서 미리 제조하고 열간 성형전에 최종 부품에 필요한 길이로 절단한다. 최종 부품에 필요한 재료를 예비 제조된 로드재료로부터 절단한 다음, 열간 성형 공정에 공급한다. 압축 공정에서는 금속 부품에서와 유사한 조치가 제공된다.
무단 섬유를 사용하는 경우, 적어도 최종 부품의 소재의 길이에 상응하는 길이를 가진 무단 섬유가 사용된다. 이로 인해, 보다 개선된 강성 및 강도가 얻어질 수 있다.
상이한 섬유 배향을 갖는 종방향으로 놓인 층으로 이루어진 소재가 성형될 수도 있다. 본 발명의 방법에 의해 부품이 수많은 새로운 분야에 사용될 수 있는데, 그 이유는 특별한 사용 목적으로 제조되는 부품에서 정확히 예측가능한 강도 및 강성이 얻어질 수 있기 때문이다.
이것과 관련해서, 예컨대 상이한 매트릭스 재료 및 섬유의 상이한 배열 및/또는 상이한 부피％ 양 및/또는 상이한 재료 및/또는 상이한 길이를 갖는 다수의 층을 가진 하나 이상의 중합체 복합물로 된 소재가 성형될 수도 있다. 이러한 조치에 의하여, 제조된 부품의 최종 요구에 정확하게 부합하게 된다.
이것과 관련해서 소재를 역사이클 압출 방법에 의해 최종 부품으로 성형하는 것이 바람직하다. 로드 재료로부터 분리된 소재를 적합한 압출몰드 내에서 성형한다. 이 경우, 소위 DIN 8583 에 따른 압출방법을 사용할 수 있다. 역사이클 압출방법에서는 소재를 네가티브 모울드 내에서 여러번 좌우 이동시켜 최종 부품으로 성형한다. 스트립형 또는 플레이트형 부품의 제조시 상기 방법이 특히 긍정적인 것으로 나타났다.
금속 부품의 압출 또는 역사이클 압출과 현저히 다른 특징으로는 압출 또는 역사이클 압출 방법에서 소재를 가열 단계에서 예컨대 350 내지 450℃ 의 성형 온도로 가열한 다음, 네가티브 모울드 내로 프레스하며, 프레스 단계 동안 예컨대 143℃의 열가소성 재료의 유리 전이 온도 이하로 냉각시키는 것이다. 섬유 강화 열가소성 재료의 처리를 위해, 소재를 실온에서가 아니라 매트릭스 재료의 용융 또는 연화 온도 이상의 온도에서 성형하는 방식으로, 금속 부품에서 공지된 압출방법을 변경한다.
또한, 열간성형 방법에서 분리제로서 탄소 또는 흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 분리제는 지금까지는 열가소성 재료의 성형시에는 사용되지 않았다. 예컨대 흑연은 플라스틱에 사용되는 그 밖의 다른 코팅 또는 분리제와는 달리, 생체 적합성을 가지므로 부품이 의학 분야에 적합하다는 부가적 장점이 얻어진다. 또한, 본 발명의 방법에 따라 탄소 섬유로 강화된 PAEK(폴리-아릴-에테르-케튼)로 이루어진 소재가 처리된다. 이러한 재료의 사용에 의해, 제조된 부품의 인장강도가 평균적으로 필적할 만한 강부품의 인장 강도 보다 약 30％ 정도 낮다. 그러나, 섬유 강화 열가소성 재료로 이루어진 부품의 사용 분야에서는 상기 인장 강도가 충분히 큰 강도인데, 그 이유는 상기 부품이 어떤 재료와 상호 작용해야 하는지가 고려되어야 하기 때문이다.
의학 기술에 사용할 때, 예컨대 골나사에서, 또는 플레이트 부품 또는 레일부품에서 파괴력은 충분히 큰데, 그 이유는 부품이 뼈의 파괴력의 약 3 배의 파괴력을 갖기 때문이다.
본 발명에 따른 방법에서는 또한 섬유의 적어도 일정량이 소재의 축에 평행하게 배향된다. 그러나, 섬유의 적어도 일정량이 0 내지 90℃ 의 배향을 가질 수도 있다. 특히 종방향으로 뻗은 부품, 예컨대 나사형 또는 스트립형 조립 부품 형상의 부품을 제조할 때, 필요한 강도 범위에 대한 양호한 매칭 가능성이 주어진다. 축에 평행한 섬유를 가진 소재로 제조된 나사는 보다 높은 탄성 계수 및 강성을 갖는다. 압출 방법의 사용에 의해, 소재에서의 섬유 배향이 변할 수 있으므로, 소재에서의 특별한 섬유 배향에 의해부가의 매칭 파라미터가 가능해질 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 3mm 이상의 길이를 갖는 섬유가 사용될 수 있다.
부품의 제조를 위한 모든 공지된 섬유 강화 열가소성 재료에서는 일반적으로 단섬유 또는 장섬유가 사용된다. 50부피％ 이상의 높은 섬유량을 갖는 무단섬유의 사용은 열간 성형 방법과 관련해서, 제조되는 부품의 각 장소의 강도를 제어할 수 있는 최상의 가능성이 주어지므로, 국부적으로 의도적으로 정해진 강성이 얻어질 수 있다.
또 다른 방법상 특징은 압출시 섬유가 표면을 덮도록 매트릭스 제료에 의해 둘러싸인다는 것이다. 따라서, 열간 성형 방법에 의해 최종적으로 제조되는 부품에서 더 이상 후처리가 필요 없는데, 그 이유는 전체 표면이 이미 밀봉되었기 때문이다.
본 발명의 범위에서는 부품이 열간 성형시 부가의 표면 밀봉을 얻을 수 있다. 성형 공구에서 열의 유입에 의해 또는 부가적인 수단, 예컨대 코팅 또는 분리재에 의해 제조된 부품이 부가로 표면 밀봉될 수 있다.
열간 성형 방법에 의해, 제조 공정을 제어할 수 있는 여러 가지 가능성이 주어진다. 따라서, 본 발명의 방법에 따라 제조되는 부품은 국부적으로 정해진 강성 및 강도를 가진 영역을 얻기 위한, 형상 및 사용 목적에 알맞은 섬유 배향을 특징으로 한다. 가장 높은 인장 강도는 예컨대 높은 성형 속도 및 높은 소재 온도에서 제조된 부품에서 얻어졌다. 이에 반해, 비틀림 강도는 비교적 낮은 성형온도 및 낮은 성형온도가 사용될 때 최대값이 업어 진다. 섬유 강화 열가소성 재료의 제조방법에서는 본 발명의 방법에 따라 부품을 특수한 사용 목적에 맞게 할 수 있는 가능성이 생기며, 하나의 작업 공정이 예컨대 상이한 성형 속도를 갖는 2개 이상의 단계로 이루어질 수 있다.
부품의 형상 및 사용 목적에 대한 매칭에 의해 부품의 종방향, 직경, 두께, 형상에 대한 섬유의 배향이 제공되거나, 부품의 관통구, 홈 등에서 상이한 섬유 배향을 가진 영역이 제공될 수 있다. 이러한 부품은 특수환 사용 목적에 매우 양호하게 맞을 수 있다. 이러한 부품에서는 힘의 전달 및 분포가 부품과 상호작용하는 몸체의 조건에 보다 양호하게 매칭될 수 있다. 이것은 특히 의학 분야, 예컨대 골나사 또는 의학적 조립 부품 및 고정 스트립 등에 적용되지만, 기계공학 분야, 전자 기술 분야 또는 건축 분야의 다른 용도에도 적용된다.
따라서, 바람직한 실시예에서는 상기 부품이 공구 및 나사 샤프트용 홈과의 연결부재로 구현되며, 연결 부재의 강성이 홈으로부터 자유단부로의 상이한 섬유 배향에 의해 변동된다. 뼈 부분에 사용 가능한 부품에서는 본래의 뼈조직에 대한 매칭이 이루어지므로, 가볍고, 비자성이며 X-선 투과성의 생체 적합성 연결부재가 만들어질 수 있다. 통상의 금속 나사와는 달리 섬유 구조 및 섬유배향의 매칭에 의해 효과적인 부품이 만들어진다.
또한, 본 발명에 따라 섬유가 홈으로부터 이것에 직접 연결된 나사선까지 적어도 대략 부품의 중심축에 대해 평행하게 뻗는 한편, 나머지 나사선 부분에서는 섬유가 나사선 윤곽의 표면 근처에 부품의 축방향으로 이어지지만, 상기 부분의 중심 영역에서는 자유 단부쪽으로 분산되도록 임의로 분포된 섬유배향이 제공된다. 따라서, 나사로서 형성된 부품의 홈영역 및 이것에 이어지는 나사선 부분은 최대 강도를 갖는 한편, 뼈 내부로 삽입된 나사선 부분은 보다 작은 인장 강도를 갖는데, 그 이유는 상기 영역에서 인장력이 흡수될 수 없기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 부품에서는 부품의 강성이 섬유의 배향에 의해 홈으로부터 자유 단부쪽으로 단계적으로 또는 연속적으로 줄어든다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 그리고 성형 속도에 의해 주어지는 섬유배향에 의해, 부품의 사용분야에 대한 정확한 매칭이 이루어진다.
또한, 예컨대, 선반공구를 삽입하기 위한 또는 고정수단을 통과시키기 위한 하나 이상의 긴 홀 또는 관통구가 부품에 제공된다. 이러한 장치에 의해, 나사형 부품을 조일 때와, 특히 풀 때, 비틀림 힘이 가해질 수 있다.
부품이 편평할 때도 관통구 등에서 바람직한 실시가 이루어질 수 있는데, 그 이유는 예컨대 개구를 둘러싸는 영역이 특수한 섬유 배향에 의해 보강될 수 있기 때문이다. 이것과 관련해서, 긴 홀 또는 관통구가 부품의 제조시 형성되는 것이 바람직하다. 열간 성형 방법에서는 특히 선반 공구용 홀 또는 관통구가 성형 공정시 제공될 수 있다는 부가의 가능성이 있다.
본 발명에 따른 부품의 특별한 사용 분야는 부품이 의학 분야에서 조직적 합성 피질 또는 해면질 나사로서 형성될 때 주어진다.
부품의 또 다른 실시예에서는 부품이 하나 이상의 관통구 및/또는 종방향 경계 또는 측면경계 위로 돌출한 섹션을 갖는 스트립형 또는 플레이트형 조립 부품으로 형성되며, 부품의 전체 길이 및/또는 폭 및/또는 직경에 걸친 강성 및 강도가 예정된다. 본 발명에 따른 방법에 의해 특별한 형상을 가진 모든 종류의 부품이 제조될 수 있고, 섬유 배향 및 섬유 밀도가 예정될 수 있기 때문에 특정 섹션에 필요한 강도 및 강성에 대한 매칭이 이루어질 수 있다.
이것과 관련해서, 조립부품으로서 형성된 부품이 관통구의 영역 및/또는 통상적으로 약한 구역의 돌출한 섹션에서 섬유의 보다 긴밀한 배향에 의해 부품의 다른 영역과 동일한 강도 및 강성을 갖는다. 각각의 부품은 약한 영역을 갖지 않음으로써, 특별한 사용 목적에 있어 모든 섹션에 필요한 강도 및 강성이 얻어질 수 있도록 설계된다.
부품이 예컨대, 피질 또는 해면질 나사와 함께 사용하기 위한 골접합 플레이트로 형성되면, 매칭될 수 있는 강도 및 강성이 최상으로 된다.
본 발명의 또 다른 특징 및 장점을 첨부 도면에 도시된 실시예를 참고로 보다 상세히 설명하면 하기와 같다
본 발명에 따른 방법 및 이 방법에 따라 제조된 부품의 하기 설명에서는 부품(도 1 내지 도 5 에 따른) 이 연결부재, 특히 예컨대 의학 분야에서 피질 또는 해면질 나사로서 사용되는 나사이거나, 또는 부품(도 6 및 도 7 에 따른)이 조립 부품, 특히 전술한 연결 부재와 상호 작용하기 위한 골접합 플레이트라는 것을 전제로 한다. 물론, 본 발명의 범위에는 섬유 강화 열가소성 재료로 이루어지며 본 발명의 방법으로 제조되는 다른 부품도 포함된다.
부품의 용도가 의학 분야에만 국한되지는 않는다. 이러한 부품은 다른 용도, 예컨대 기계 공학, 전자 공학, 항공 우주 공학, 지상 공사 또는 지하 공사 등에 사용될수 있다. 부품이 항상 필수적으로 연결부재(나사)의 형상으로만 제조되어는 것은 아니며, 다른 구조를 가진 부품, 예컨대 레일 또는 플레이트로도 사용될수 있다. 예컨대, 일반적으로 자체-드릴링 나사로 구현되지 않는 섬유 강화 열가소성 재료 부품은 경우에 따라 생체 적합성 재료로 제조되거나 또는 드릴링 과정 후에 쉽게 제거될 수 있는 드릴링부를 가질 수 있다. 경우에 따라 여러 가지 용도에서 상기 제거가 필요없다. 실시예는 50부피％ 이상의 무단 섬유로 제조되는 섬유 강화 열가소성 재료로써 설명된다. 그러나, 단섬유만을 또는 장섬유만을 또는 단섬유, 장섬유 및 /또는 무단 섬유를 함께 함유하는 섬유 강화 열가소성 재료도 본 발명의 방법에 의해 바람직하게 처리될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 소재에 함유된 섬유량이 50부피％ 미만일 때도 바람직하게 사용될 수 있다.
나사 (1) 의 형상으로 도면에 도시된 연결부재는 선반 공구에 의한 힘의 전달을 위한 홈 (3)을 갖춘 헤드 (2) 및 나사선 (4)을 갖춘 샤프트 (5) 로 이루어진다. 도 2 에 나타낸 바와 같이, 나사 (2)에서 무단 섬유 (6) 의 배향이 중요하다. 구조물 내에 의도적으로 국부적으로 배향된 섬유에 의해, 나사 (2) 는 국부적으로 의도된 바대로 설정된 강성을 갖는다. 이로 인해, 피질 나사로 사용할 때, 강성이 뼈의 본래 조직에 매칭될 수 있다. 열가소성 재료와 탄소섬유의 조성 선택에 따라, 가볍고, X-선 투과성의 생체 적합성 연결부재가 만들어질 수 있다. 이러한 나사의 특별한 장점은 강성 및 강성기울기가 종래의 금속 나사에서 보다 뼈의 본래 조직에 양호하게 매칭될 수 있다는 것이다. 섬유 구조에 의해 보다 양호한 힘의 분포가 보장된다.
즉, 처음 3개의 나사선이 보다 낮은 강도를 갖는다. 또한, 연결부재가 통상의 의학적 조사 방법에 영향을 주지 않는데, 그 이유는 비자성이고 X-선에 대해 투과성이기 때문이다. 이것은 특히 종래의 금속 이식물 및 그 하부의 연결부재의 단점이다. 이것은 예컨대, 컴퓨터 토모그래피(CT) 또는 핵스핀 토모그래피와 같은 현대의 진단방법에 의한 검사를 필요 없게 만든다.
연결부재의 재조정 특징에 의해 보다 오랜 기간이 지난 후에야 헐거워짐이 발생할 수 있다. 피질 나사로서 연결부재를 설계할 때 나사는 잔류 강도로 과도하게 회전된 후에야 재차 풀어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 연결부재는 일반적으로 기계 설계에서 부식성 환경에, 특히 보다 적은 중량 및 높은 강도를 필요로 하는 곳에 사용될수 있다. 여기서도, 3개 이상의 나사선을 통한 힘의 전달이 중요하다.
도 2 에 도시된 피질 나사의 헤드 (2) 에 의해 다른 부가의 부재, 예컨대 골접합 플레이트가 고정될수 있다. 홈 (3) 은 예컨대 6각형으로 형성될 수 있다. 그러나, 예컨대 4각형 개구, 별형 개구 또는 십자 슬릿과 같은 다른 홈 또는 결합 형상도 선택될수 있다.
금속 가공에서 공지된 바와 같은 압출 방법의 한 변형예가 적용되면, 피질 나사(예컨대 3mm의 코어 직경을 가진)가 탄소 섬유 강화된 PAEK(폴리-아릴-에테르-케톤)로 제조될 수 있다. 특별한 변형예에서는 탄소 섬유 강화 PEEK(폴리-에테르-에테르-케톤)가 사용된다. 섬유 분포 및 나사의 기계적 특성이 특성화되어 제조 공정 변수로 사용된다.
압출 방법으로 제조되는 나사의 파괴 하중은 3000 내지 4000N 이고, 최대 비틀림 모멘트는 1 내지 1.5Nm 이며. ISO 표준 6475 에 따른 최대 비틀림 각은 370°이하이다. 나사는 헤드로부터 피크쪽으로 감소되는 탄성계수를 가지며, 뼈에 대해 균일한 탄성을 갖는다.
천연 조직에는 섬유 강화의 원리가 종종 적용된다. 따라서, 조직 적합성의 이유 때문에 의학적 이식물을 섬유 복합품으로 형성하는 것이 바람직하다.
특히 골접합 기술의 분야에서는 종래의 강 골접합 플레이트를 섬유 복합 재료로 된 적은 강성을 갖는 이식물로 대체해야 한다. 골접합 플레이트와 관련해서, 본 발명에 따른 설계가 바람직한 것으로 나타났다. 이러한 골접합 시스템은 종래의 강 이식물에 비해 많은 장점을 갖는다. 한편으로는 뼈에 대한 균일 탄성이 주어지기 때문에 뼈 내로 적합한 하중의 전달이 가능해지고, 다른 한편으로는 X-선 투과성 및 핵 스핀 토모그래피가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 조치에 의해 열간 성형 방법으로 저렴한 제조가 이루어진다. 부가로, 이렇게 형성된 부품은 니켈-알레르기의 경우에도 문제가 없다.
이러한 분야에 대한 연구에서, 탄소섬유 강화 열가소성 재료로 이루어진 골나사의 사용에 의해 그리고 이것과 관련해서 본 발명에 따른 제조방법에 의해 최상의 변형예가 만들어질 수 있는 것으로 나타났다. 여기서 개발된 압출방법을 기초로 탄소섬유 강화 PEAK 로 이루어진 골나사가 제조되었고 특성화되었다.
재료의 압출시 공작물은 일반적으로 실온에서 스탬프에 의해 모울드 내로 프레스된다. 따라서, 이것은 DIN 8583 에 따른 소위 압출에 속한다. 섬유 강화 열가소성 재료의 처리를 위해, 소재를 실온에서 성형하는 것이 아니라, 매트릭스 재료의 용융 온도 이상에서 성형하는 것으로 상기 방법을 변형시켰다. 나사의 제조를 위한 소재로는 50％ 이상, 바람직하게는 60％ 이상의 섬유 함량을 가진 탄소섬유 강화 PAEK-등근 로드(도 1 참조) 가 사용된다.
섬유 배향과 관련해서 2개의 상이한 형태의 소재가 사용되었다. 즉, 한편으로는 축에 평행한 섬유 배향을 가진 소재, 및 다른 한편으로는 0 내지 ±90°의 섬유배향을 가진 소재가 사용된다.
가열된 압출 공구 (8)(가열 단계)내에서 소재를 성형 온도(예컨대 350 내지 450℃)로 가열한다. 가열은 층층이 놓인 가열 단계 (9 및 10)(도 4 참조)에서도 이루어질 수 있다. 소재 (7)를 제 1 가열 단계 (9) 내로 넣고, 거기서 예열하여, 단계 (10)에서 더욱 가열한 다음, 단계 (11) 의 영역에서 네가티브 모울드 내에서 성형한다. 스탬프 (12) 에 의해 소재 (7)를 네가티브 모울드 (13) 내로 프레스하고 거기서 최종 형상을 만든다. 프레스 속도는 2내지 80mm/s 의 범위일 수 있다. 프레스 압력은 여러 가지 시험에서 120MPa로 측정되었다. 후속하는 재프레스 단계(프레스 압력은 약 90MPa 임)동안 공구를 압축 공기로 PAEK 의 유리 전이 온도(143℃) 미만으로 냉각시킨다. 압출 공구의 개방 후에 제조된 피질 나사를 분리한다.
이렇게 제조된 나사의 후속 분석에서, 최상의 값이 얻어질 수 있는 것으로 나타났다. 이것은 다량의 섬유, 무단 섬유의 사용 및 나사 제조를 위한 매우 특별한 열간 성형 방법으로부터 얻어진다. 도 2 에 나타낸 바와 같이, 나사 (1) 의 헤드 (2) 의 영역에 있는 섬유들은 주로 나사 축의 방향으로 배향된다. 나사 피크의 영역에서는 섬유들은 가장자리 영역에서 스크류 윤곽(즉, 나사 윤곽)을 따르며, 중심 영역에서는 섬유가 임의로 배향된다.
기계적 특성과 관련해서, 피질 나사의 인장 강도 평균값은 약 460N/mm2이다. 최대 인장강도는 높은 성형 속도(약 80mm/s) 및 높은 소재 온도(약 400℃)로 제조된 나사에 의해 얻어졌다. 축에 평행한 섬유 배향을 가진 소재로 제조된 나사의 비틀림 강도는 평균적으로 0°내지 ±45°의 섬유배향을 가진 소재로 제조된 나사에서 보다 18％ 정도 더 높다. 최대값은 비교적 낮은 온도 (380℃) 및 낮은 성형 속도(2mm/s) 에서 제조된 나사에서 측정되었다. 나사 종방향으로 탄성 계수는 일정하지 않고, 피크 쪽으로 급격히 감소된다. 탄성 계수는 5 내지 23GPa 로 변동되고,0°섬유 배향을 가진 소재로 제조된 나사가 더 큰 강성을 갖는다. 이것은 도 3 에 따른 다이어그램에 명확하게 나타난다. 다이어그램에 도시된 강성은 나사 혜드의 방향으로 증가하며, 나사선을 갖춘 샤프트 (5) 길이의 일정 범위에서 꺽어진다. 도 2 에 나타나는 상기 일정 범위에서, 중심 영역에 제공된 축에 팽행한 섬유 배향이 종료한다.
피질 나사의 예에서는, 장섬유 강화된 열가소성 재료의 압출에 의해 열간 성형 방법으로 복잡한 구조를 가진 부품이 제조될 수 있는 것으로 나타났다. 기계적 특성의 일정 값으로서 섬유 분포는 소재 내의 섬유 배향의 적합한 선택에 의해 일정한 한계로 조절될 수 있다. 나머지 공정 변수(성형 속도 및 성형 온도) 는 압출 결과에 보다 적은 영향을 준다.
압출된 PAEK 섬유 강화 나사의 인장 강도는 필적할 만한 강나사보다 평균적으로 약 30％ 정도 낮다. 3200N 의 평균 파괴력은 골접합 용도에 충분한데, 그 이유는 800 내지 1300N의 인장력에서 이미 나사가 뼈로부터 빠져 나오기 때문이다.
ISO 표준 6475 는 필적할 만한 치수를 가진 강나사에 있어 4.4Nm의 파괴 모멘트 및 적어도 180°의 비틀림각을 요구한다. 이러한 조치는 섬유강화 열가소성 재료로 된 나사로는 충족될 수 없다(최대 1.3Nm). 그러나, 시험에서는 뼈 내로 조일 때 나사의 과도한 회전 및 그에 따른 파괴가 배제되는 것으로 나타났는데, 그 이유는 뼈속의 나사선이 약 0.8Nm 에서도 이미 파괴되기 때문이다. 1차 파괴 후에 잔류 강도의 느린 감소는 파괴 후에도 손상된 나사가 뼈로부터 빠져나가는 것을 허용할 것이다.
5 내지 23 GPa 의 탄성계수를 갖는 압출된 나사의 탄성 특성은 뼈와 유사하다. 종방향 강도는 피크쪽으로 현저히 감소된다 (강하하는 강도 기울기). 나사가 조여진 상태에서, 나사의 강성 부분(헤드 영역) 이 피질 근처에 놓이므로, 치료되는 뼈의 강성이 가장 높은 곳에 놓인다. 이러한 강도 분포에 의해 뼈조직에 매칭되는 힘전달이 이루어질 수 있다.
본 발명에 의해, 예컨대 나사선, 혜드, 모울드 등의 특수한 설계를 갖는 섬유 강화 열가소성 재료 부품이 열간 성형방법으로 제조될 수 있고, 재료 특성, 특히 섬유의 정확한 배향에 의해, 용도에 알맞은 구성이 이루어질 수 있는 가능성이 주어진다.
전술한 설명에서는 실제로 한 방향으로만 작용하는 압출 방법을 전제로 한다. 이 경우, 소재는 적합한 온도(페이스트 형태로 또는 꿀형태로 흐르는 상태)로 된 다음, 네가티브 모울드 내로 프레스된다. 본 발명의 범위에서는 스트립형, 레일형 또는 플레이트형 부품의 제조시, 나사형 및 그 밖의 연결 부재에 그리고 특별한 형상의 부품에 또는 일정 설계이 볼트 등에 역사이클 압출 방법이 적용될수 있다. 경우에 따라 여러 번의 좌우 프레스에 의해, 즉 한번 또는 여러 번의 프레스 방향의 전환에 의해 소정 섬유 배향 또는 섬유분포가 이루어질 수 있다. 이것에 대한 보다 상세한 것은, 도 6 및 도 7을 참고로 상세히 설명한다. 역사이클 압출방법은 부품에, 예컨대 긴 홀, 관통구, 홈 또는 특별한 형상이 제공되는 경우에 특히 중요하다. 이 경우에는 섬유의 특별한 배향이 영향을 받을 수 있으므로, 제조된 부품이 특별한 강화가 필요한 영역에서 특히 강화되도록 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적용시 코팅제로서, 탄소 또는 흑연이 사용된다. 이러한 코팅 또는 분리제는 지금까지는 금속분야에만 사용되었고 플라스틱에는 사용되지 않았다. 흑연은 플라스틱에 대한 통상의 분리제와는 달리 생체 적합성을 갖는다는 부가의 장점이 있다.
도 2 에는 축방향으로 볼 때 짧은 개구가 홈 (3) 에 제공된다.
본 발명의 범위에는 적합한 선반 공구를 삽입하기 위해, 보다 깊은 홀 또는 축방향 관통구가 제공되는 것도 가능하다. 이로 인해, 전술한 비틀림 강도의 값에 부가해서 보다 높은 조임 모멘트가 달성될 수 있는데, 그 이유는 공구가 상응하는 길이의 삽입 채널내로 삽입될 수 있기 때문이다. 나사가 본 발명에 따른 압출 방법으로 제조되기 때문에, 상기 부가의 형상이 문제없이 주어질 수 있다.
레일 또는 플레이트에서도 특히 섬유에 의해 둘러싸인 관통구, 홈, 긴 홀 등이 제공될 수 있다.
도 2 에 따른 나사 (1) 또는 다른 용도의 다른 부품에서의 섬유 배향은 차이가 있다. 본 발명에 따른 조치 및 본 발명에 따른 방법에 의해 특별한 사용 목적을 위한 부품의 최상의 섬유 배향이 이루어질 수 있다. 특히, 섬유의 양이 50부피％ 이상이고 무단 섬유를 사용하는 경우에는, 여러 기술분야에서, 특히 연결 부재의 분야 및 의학 기술 분야에서 특히 효과적인 변형예가 얻어진다.
도 6 에는 연속하는 단계 Ⅰ 내지 Ⅳ를 보여주는 역사이클 압출 방버의 개략도가 도시되어 있다. 단계 Ⅰ 에서는 소재 (7)를 가열단계(섹견 9, 10) 내로 삽입하고, 거기서 성형 온도로 가열한다. 단계 Ⅱ 에서는 소재를 화살표 (16) 의 방향으로 내가티브 모울드 (13) 내로 프레스한다. 단계 Ⅲ 에서는 이미 한번 성형된 소재 (7)를 재차 반대 방향으로 (화살표 17) 프레스 한다. 단계 Ⅳ 에서는 2번 또는 3번 성형된 소재를 최종압축 및 냉각한 다음 모울드로부터 분리함으로써, 완성 부품을 만든다.
네가티브 모울드 (13) 내로 삽입된 또는 이것을 관통하는 볼트 (15) 에 의해 관통구 (14)를 가진 부품이 제조된다. 역사이클 압출 방법에 의해 소재가 볼트 (15) 에 여러 번 가압된다. 도 7 에 나타낸 바와 같이, 섬유 (6) 의 특별한 배향이 나타나 있다. 조립 부품 (18) 으로 형성된 부품의 종방향 경계 및/또는 측면 경계에 돌출한 섹션에 있으면, 동일한 또는 유사한 작용이 이루어진다. 통상적으로 약한 구역 (A)에서 섬유 (6) 의 보다 긴밀한 배향이 이루어지므로, 이 구역에서도 상기 부품의 다른 영역(B) 에서와 동일한 강도가 나타난다.
부품의 이러한 실시예는 예컨대 본 발명의 방법에 따라 제조된 나사와 함께 사용될 수 있는 골접합 플레이트에 매우 적합하다. 이 플레이트에서도 생체 적합성의 동일한 장점이 얻어지며, 강도가 지금까지 주로 사용된 스테인레스강 플레이트에 비해 뒤지지 않는다.
역사이클 압출시, 섬유 배향의 예정 및 그에 따른 부품의 형상에 대한 강도의 매칭을 보다 개선시킬 수 있는 여러 가지 부가 변수가 가능하다.
사이클 또는 역사이클의 수, 사이클의 길이, 사이클의 속도, 압력 및 역압이 설정될 수 있다. 단계 Ⅱ 및 Ⅲ은 임의로 반복될 수 있고, 매 사이클 또는 역사이클시 사이클 거리가 새로이 설정될 수 있다. 단계 Ⅳ에서 부품의 센터링이 반드시이루어져야 하는 것은 아니다. 모든 변수는 단계 Ⅱ 내지 Ⅳ에서 임의로 변경될 수 있다.
이 방법에서는 무단 섬유가 과도하게 요구되지 않으므로, 그것이 여러번 꺽어지지 않는다. 섬유가 집중적으로 배치된 장소와 섬유가 균일하게 배치된 장소의 전환은 연속적이다. 본 방법은 공지된 적층 기술과는 달리 비시이트형 부품의 제조를 가능하게 한다. 사출 성형 방법에서만 주어지는 구조도 가능해진다. 본 발명에 따라 보다 높은 강도가 얻어진다. 따라서, 홀, 언더컷 등을 가진 부품의 제조가 가능해진다. 섬유 배향이 최적화 됨으로써, 섬유의 용량이 예컨대 기계적 특성과 관련해서 완전히 이용될 수 있다. 본 방법은 무단 섬유 강화에 적합한 복합 처리를 가능하게 한다. 경계면 없이 등방성 및 이방성 특성을 가진 장소가 나란히 하나의 부품에 존재한다 경계면 또는 이음 장소는 약한 장소이기 때문에, 본 발명에 의해 부품의 피로가 줄어든다.
본 발명에 따른 역사이클 압출방법에서는 또 다른 변형예가 가능하다. 하나의 사이클 과정이 한 방향으로만 이루어지지 않고, 2개 또는 3개의 주축을 이용해서 이루어질 수 있다. 또한, 도 6 에 도시된 핀이 소재의 균질화 후, 즉 하나 또는 다수의 단계 Ⅱ 또는 Ⅲ 후에 삽입될 수 있다. 예비 스테이션에서 한번 또는 여러 번 성형된, 이미 균질화된 소재도 가능하다.
본 발명의 범위에서, 종방향으로 상이한 섬유 배향을 가진 층으로 이루어진 소재를 사용하는 것도 가능하다. 하나 이상의 중합체 복합물로 이루 어진 소재 (임의의 횡단면을 가진 로드 재료의 제조하에)를 사용하는 것도 가능하다.
이 경우에는, 소재가 상이한 매트릭스 재료 및 섬유의 상이한 배열 및/또는 상이한 부피％량 및/또는 상이한 재료/또는 상이한 길이를 가진 다수의 층으로 이루어질 수 있다. 무단 섬유가 사용되면, 무단 섬유는 일반적으로 적어도 완성된 재료에 알맞게 로드 재료로부터 분리되는 소재 (7) 의 길이에 상응하는 길이를 갖는다.

Claims (28)

  1. 먼저, 단섬유, 장섬유 및 무단섬유 (6) 중 어느 일방 또는 양방 그리고 열가소성 재료로 이루어진 소재 (7) 를 예비 제조하고, 상기 소재 (7) 를 열간 성형방법으로 압력하의 네가티브 모올드 내에서 부품의 최종 형상으로 만드는 방식의, 섬유강화 열가소성 재료 부품의 제조 방법에 있어서, 소재 (7) 를 먼저 가열단계에서 성형온도로 가열한 다음, 압출에 의해 네가티브 모올드(13)내로 프레스하고, 또한 열간 성형 공정시 분리제로서 탄소 또는 흑연을 사용하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  2. 먼저, 50 부피％ 이상의 섬유량을 가지며 또한 적어도 무단섬유 및 열가소성 재료를 사용해서 형성된 소재 (7) 를 예비 제조하고, 상기 소재를 열간 성형 방법으로 압력하의 네가티브 모올드 내에서 부품의 최종 형상으로 만드는 방식의, 인장, 휨 및 비틀림 하중 중 어느 일방 또는 양방을 받는 섬유 강화 열가소성 재료 부품의 제조 방법에 있어서, 소재 (7) 를 먼저 가열단계에서 성형온도로 가열한 다음, 압출에 의해 네가티브 모올드(13)내로 프레스하고, 또한 열간 성형 공정시 분리제로서 탄소 또는 흑연을 사용하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 소재 (7) 를 로드 재료로 미리 제조하고 열간 성형 공정 전에 최종 부품에 필요한 길이로 절단하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 무단섬유 (6)를 적어도 최종부품용 소재의 길이에 상응하는 길이로 사용하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상이한 섬유 배향을 가진 종방향으로 놓인 층으로 된 소재 (7) 를 성형하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  6. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상이한 매트릭스 재료와 상이한 섬유 배열의 층으로서, 부피％양과 섬유 재료 및 섬유 길이 중 하나 이상이 상이한 다수의 상기 층을 갖는 하나 이상의 중합체 복합물로부터 소재 (7) 를 성형하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  7. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 소재 (7) 를 역사이클 압출방법으로 최종 부품으로 성형하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  8. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 압출 또는 역사이클 압출 공정시 소재 (7) 를 가열단계에서 350 내지 450℃의 성형 온도로 가열한 다음, 네가티브 모올드(13)내로 프레스하고, 재프레스 단계시, 예컨데 143℃의 열가소성 재료의 유리 전이 온도 미만으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  9. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 탄소 섬유(6)로 강화된 PAEK(폴리-아릴-에테르-케톤)으로 이루어진 소재 (7) 를 가공하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  10. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 무단 섬유의 일정량을 소재 (7) 에서 축에 평행하게 배향하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  11. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 섬유(6) 의 일정량을 소재 (7) 에서 0 내지 90°로 배향하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  12. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 섬유(6)가 3mm 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  13. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 압출시 섬유가 매트릭스 재료에 의해 표면을 덮도록 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  14. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 프레스 온도 및 프레스 속도를 완성된 부품에서 섬유의 위치 및 배향을 변화시키기 위한 변경요소로서 조절하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조 방법.
  15. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 열간 성형시 부품이 부가적으로 표면 밀봉되는 것을 특징으로하는 부품의 제조 방법.
  16. 국부적으로 소정의 강성 및 강도를 갖는 영역을 얻기 위해 섬유가 부품의 형상 및 사용 목적에 알맞게 예정된 대로 배향되는 것을 특징으로 하는 제 1 항에 따라 제조된 섬유 강화 열가소성 재료부품.
  17. 제 16 항에 있어서, 부품이 공구 및 나사 샤프트(5)용 홈을 가진 연결 부재로 구현되고, 연결부재의 강성이 홈으로부터 자유 단부로의 상이한 섬유 배향에 의해 변하는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 섬유가 홈으로부터 그것에 직접 이어지는 나사선(4)까지 적어도 대략 부품의 중심축에 대해 평행하게 배향되는 한편, 나머지 나사선 섹션에서 섬유(6)가 부품의 축방향으로 나사선 윤곽의 표면 근처에 놓이지만, 상기 섹션의 중심영역에서는 자유 단부쪽으로 증가하도록 임의로 분포된 섬유분포가 제공되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  19. 제 17 항에 있어서, 부품의 강성이 홈으로부터 자유 단부쪽으로 상이한 섬유 배향에 의해 단계적으로 또는 연속적으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  20. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 선반 공구의 삽입 또는 고정 수단의 통과를 위한 하나 이상의 긴 홀 또는 관통구가 부품에 제공되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  21. 제 20 항에 있어서, 긴 홀 또는 관통구가 부품의 제조시 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  22. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 부품이 의학분야에 사용하기 위한 조직 적합성 피질 또는 해면질 나사로서 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 열가소성 재료 부품.
  23. 제 16 항에 있어서, 부품이 하나 이상의 관통구 (14) 및 길이방향 경계와 횡방향 경계 모두 또는 어느 한 경계 위로 돌출한 섹션을 갖는 스트립형 또는 플레이트형 조립부품(18) 으로 형성되고, 부품의 전체 길이와 폭 및 직경 중 하나 이상에걸쳐 강성 및 강도가 미리 정해져 있는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  24. 제 16 항 또는 제 23 항에 있어서, 관통구 (14) 및 돌출한 섹션 중 어느 일방 또는 양방에서 섬유 (6) 들의 조밀한 배열 때문에, 조립 부품(18)으로서 형성된 부품이 통상적으로 약한 이들 영역에서 부품의 다른 영역과 동일한 강도 및 강성을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  25. 제 16 항 또는 제 23 항에 있어서, 부품이 피질 또는 해면질 나사와 함께 사용하기 위한 골접합 플레이트로서 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유강화 열가소성 재료 부품.
  26. 제 2 항에 있어서, 소재 (7)를 로드 재료로 미리 제조하고, 열간성형 공정 전에 최종 부품에 필요한 길이로 절단하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  27. 제 2 항에 있어서, 무단 섬유 (6)를 적어도 최종 부품용 소재의 길에 상응하는 길이로 사용하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
  28. 제 2 항, 제 26 항 및 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 섬유 배향을 가진 종방향으로 놓인 층으로 된 소재 (7)를 성형하는 것을 특징으로 하는 부품의 제조방법.
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