KR100431092B1 - 수지 이송 성형에 이용되는 수지 주입 압력 제어 장치 - Google Patents

수지 이송 성형에 이용되는 수지 주입 압력 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수지 이송 성형(RTM)에 이용되는 수지 주입 압력 제어장치(1)에 관한 것으로서, 상기 수지 주입 압력 제어장치(1)는 압축공기원(10)과, 상기 압축공기원(10)에 관로로 연결된 솔레노이드밸브(20)와, 상기 솔레노이드밸브(20)에 관로로 연결된 압력용기(30)와, 상기 압력용기(30) 내에 설치된 압력센서(52)에 의해 감지된 압력신호를 개폐신호로 변환하여 상기 솔레노이드밸브(20)로 보내는 개폐제어기(50)를 포함하며, 상기 솔레노이드밸브(20)로부터 나오는 압축공기가 유입되는 상기 압력용기(30)의 입구부(32)에는 압축공기의 흐름을 지연시키는 제 1 다공성필터(32a)가 설치되며, 상기 압력용기(30)에 형성된 측관(36)에는 상기 압력용기(30) 내의 압축공기를 대기로 바이패스(bypass)시키는 제 2 다공성필터(36a)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

수지 이송 성형에 이용되는 수지 주입 압력 제어 장치{A RESIN INJECTION PRESSURE CONTROL APPARATUS FOR RESIN TRANSFER MOULDING}
본 발명은 수지 이송 성형(Resin Transfer Molding; RTM)에 이용되는 수지주입 압력 제어장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 솔레노이드밸브의 개폐 시간을 조절하여 금형 내에 주입되는 수지의 압력을 시간에 따라 제어하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, RTM 공정에는 전동기를 이용하여 일정 유량의 수지를 금형 내에 공급하는 정적형 수지 주입장치가 이용되어 왔다.
예를 들면, 미국특허 제 4,426,341호 및 국내특허 등록 제 1991-5204호에 개시된 수지 주입장치는 전동기 구동에 의해 플런저를 왕복운동시켜 수지를 금형 내에 주입하도록 구성되어 있다.
상기 수지 주입장치는 금형 내에 압력센서를 부착하거나, 플런저의 변위를 감지하는 센서를 플런저 근처에 설치하여 수지제품의 성형에 필요한 일정양의 수지를 금형 내에 공급할 수 있다.
하지만, 금형 내의 수지유동을 정밀하게 제어하기 위해서는, 수지 주입 압력 및 수지 유량을 시간에 따라 변화시킬 수 있도록 하여야 하는데, 상기 정적형 수지 주입장치는 주입구를 통해 공급되는 수지의 유량이 일정하게 고정되므로 수지의 유동을 효과적으로 제어하는데 어려움이 따른다.
이에 대해, 압력 제어기나 유량 제어기를 수지 주입구에 설치함으로써, 시간에 따라 수지의 주입 압력 또는 주입 유량을 제어하는 장치가 제안되었다.
하지만, 상기 장치들은 매우 고가이며, 주입 유량 및 압력의 허용치가 제한되어 있기 때문에 대형 제품 생산 또는 대량 생산 목적에는 적합하지 않다.
또한, RTM 공정에 사용되는 열경화성 수지를 상기 제어기를 통해 금형 내에주입할 경우, 상기 열경화성 수지의 빠른 경화성으로 인해 제어기 내에 수지가 고착될 수 있으므로, 수지 주입장치 고장의 원인이 되기도 한다.
또한, 종래에는 압축공기를 이용한 정압형 수지 주입장치도 이용되어 왔는데, 상기 정압형 수지 주입장치는 수지의 주입 압력이 일정하므로, 상술한 정적형 수지 주입장치와 마찬가지로 시간에 따른 수지 유동의 제어에는 한계가 있었다.
따라서, 본 발명가는 상기 공압을 이용한 정압형 수지 주입장치에 솔레노이드밸브 및 다공성필터를 설치함으로써 종래의 문제점을 해결하는 장치를 개발하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 RTM 공정의 수지 유동을 정밀하게 제어하여 충분한 유량의 수지를 안정적으로 금형 내에 공급할 수 있는 구조가 간단하며 저렴한 수지 주입압력 제어장치를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 다공성필터의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어장치에 있어서 솔레노이드 밸브의 개폐시간에 따른 수지 주입 압력의 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 솔레노이드 밸브에 있어서 펄스폭 변조 신호를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어장치로 수지의 주입 압력을 제어할 때, 예상된 수지 주입 압력과 실측된 압력을 비교하는 그래프.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 압축공기원 20:솔레노이드밸브
30:압력용기 32a, 36a: 다공성필터
본 발명은 수지 이송 성형(RTM)에 이용되는 수지 주입 압력 제어장치에 관한 것으로서, 상기 수지 주입 압력 제어장치는 압축공기원과, 상기 압축공기원에 관로로 연결된 솔레노이드밸브와, 상기 솔레노이드밸브에 관로로 연결된 압력용기와 상기 압력용기 내에 설치된 압력센서에 의해 감지된 압력신호를 개폐신호로 변환하여 상기 솔레노이드밸브로 보내는 개폐제어기를 포함하며, 상기 솔레노이드밸브로부터 압축공기 유입되는 상기 압력용기의 입구부에는 압축공기의 흐름을 지연시키는 제1 다공성필터가 설치되며, 상기 압력용기에 형성된 측관에는 상기 압력용기 내의 압축공기를 대기로 바이패스시키는 제 2 다공성필터가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
이하에서, 본 명세서는 본 발명에 따른 RTM용 수지 주입 압력 제어장치를 바람직한 실시예로써 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어장치(1)는 압축공기원(10), 상기 압축공기원(10)에 관로로 연결된 솔레노이드밸브(20), 상기 솔레노이드밸브(20)에 관로로 연결된 압력용기(30)를 포함한다.
또한, 상기 압력용기(30)는 솔레노이드밸브(20)로부터 나온 압축공기를 유입하는 입구부(32)와 상기 압력용기 내의 압축공기를 수지용기(40)로 공급하는 출구부(34)와, 상기 압력용기(30)의 상부에 형성된 측관(36)을 포함하며, 상기 압력용기(30)의 입구부(32) 및 측관(36)에는 소정의 공기 투과성 계수를 갖는 다공성필터(32a, 36a)가 각각 장착된다. 상기 다공성필터 중 제 1 다공성필터(32a)는 솔레노이드밸브(20)와 압력용기(30)가 연결되는 지점의 압축용기(30)에 장착되는 것이 바람직하지만, 솔레노이드밸브(20)와 압력용기(30) 사이의 관로에 설치될수 있다.
상기 제 1 다공성필터(32)는 솔레노이드밸브(20)가 개방되어 압축공기가 압력용기(30) 내로 흘러 들어갈 때 압력용기(30)의 바로 앞에서 공기의 유동을 지연시키는 역할을 한다.
또한, 상기 압력용기(30)의 측관(36)에 설치된 제 2 다공성필터(36b)는 압력용기(30) 내의 압축공기를 대기로 바이패스(bypass)시키는 역할을 한다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 다공성필터(32a, 36a)의 투과성 계수는 서로 다를 수 있으며, 상기 다공성필터(32a, 36a) 각각의 투과성 계수는 수지 성형 제품의 크기 및 수지의 종류 등 여러 가지 조건에 따라 변할 수 있다.
다공성필터(32a, 36a)의 구조는 도 2에 잘 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다공성필터(32a, 36a)는 축방향 길이(L)와 지름(D)을 갖는 원통형 모양이며, 상기 다공성필터(32a, 36a)에는 미세한 구멍이 형성된다.
여기서, 다공성필터(32a, 36a)의 투과성 계수(k)는 상기 다공성필터에 형성된 미세 구멍의 크기에 따라 달라진다. 또한, 다공성필터의 재질은 비용 또는 가공성을 고려하여 적절히 선택되어 제조될 수 있을 것이다.
계속해서 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수지 압력 제어장치(1)는 압력 용기 내에 설치되어 용기 내의 압력을 감지하는 압력센서(52)와, 상기 압력센서(52)에 의해 감지된 압력신호를 개폐신호로 변환하여 솔레노이드밸브(20)에 보내는 개폐제어기(50)를 더 포함하는 것을 알 수 있다.
또한, 해당분야에 공지된 바와 같이, 압축공기원(10) 근처의 관로에는 압력 제어장치에 과도한 압력의 공기가 공급되는 것을 차단하고 공기원의 압력변동이 제어기에 미치는 악영향을 방지하기 위해 압축공기원으로부터 공급되는 공기의 최대압력을 조절하는 압력 조절기(60)가 설치된다.
상술한 구성에 의해, 본 발명 따른 수지 압력 제어장치(1)는 RTM 금형(70) 내에 주입되는 수지의 주입 압력을 다음과 같이 제어한다.
압축공기원(10)으로부터 공급된 압축공기는 솔레노이드밸브(20)를 거쳐 압력용기(30) 내로 보내어진다. 이 때, 솔레노이드밸브(20)와 압력용기(30) 사이에 설치된 제 1 다공성필터(32a)는 공기유동에 대한 저항을 발생시킨다.
또한, 압력용기(30)의 측관(36) 설치된 제 2 다공성필터(36a)는 압력용기(30) 내의 압축공기를 대기로 바이패스시킨다.
압축공기가 압력용기(30) 내에 공급되고, 압력용기(30) 내의 압축공기가 대기로 배출될 때, 제 1 및 제 2 다공성필터(32a, 36a)에 의해 발생되는 유동저항의 크기는 압력용기(30) 내부의 공기 충전 속도 및 공기 배출속도를 결정한다. 따라서, 이러한 유동저항과 솔레노이드밸브의 개폐속도를 적절히 조절함으로써, 압력용기 내부의 공기 압력을 변화시킬 수 있다.
이 때, 다공성필터(32a, 36a)에 의한 유동 저항은 정해진 투과성 계수(k)를 갖는 다공성필터에 의해 정해지므로, 압력용기(30)의 내부 압력은 솔레노이드밸브(20)의 개폐속도만을 조절하여 쉽게 제어될 수 있을 것이다.
이제, 본 발명에 따른 다공성필터와 솔레노이드밸브에 의한 수지 주입 압력제어의 원리를 수학식을 이용해 상세히 설명하고자 한다.
압력용기 내부의 공기에 대한 압축성 유체의 질량보존식은 아래의 수학식 1과 같다.
여기서 ρ는 공기의 밀도이고, t는 시간이며, u는 속도이다.
이를 검사 체적에 대해 적분하고, Green's theorem을 적용하면 아래와 같은 수학식 2가 얻어진다.
여기서, 및 ρi, ui, Ai는 각각 압력 용기 입구에서의 공기밀도, 공기속도 및 입구 단면적을 의미하고, ρo, uo및 Ao는 각각 대기로 공기가 배출되는 공기 압력 용기의 측관에서의 공기밀도, 공기속도 및 입구 단면적을 의미하며, V는 압력용기, 배관 및 필터의 총 체적을 의미한다. 이 때, 수지 유동에 의해 발생하는 부피 변화는 공기의 유량에 비해 매우 적으므로 무시할 수 있다.
탱크 안의 공기를 이상기체로 가정하여, 상기 수학식 2에 이상기체에 대한 상태방정식 P=ρRT을 적용하면, 다음과 같은 수학식(3)이 얻어진다.
여기서 P는 압력용기 내부의 압력이고, Pi는 입구압력, Po는 출구압력을 뜻한다.
이 때, 다공성필터에서의 압력구배에 비해 용기 내부의 압력 구배가 훨씬 작으므로, 용기 내부의 압력을 균일하다고 가정하고 필터를 제외한 부피를 새로운 검사체적 V'로 정의하면 다음과 같은 수학식 4가 얻어진다.
또한, 다공성필터를 통과하는 공기의 유동 속도는 Darcy's law에 의해 아래와 같은 수학식 5로 표현될 수 있다.
여기서, ki는 압력용기 입구에 장착된 다공성필터의 투과성 계수이고, Li는 압력용기 입구에 장착된 다공성필터의 축방향 길이이고, μ는 공기의 점도이고, Pi는 용기입구의 압력이며, kO는 공기가 대기로 배출되는 압력용기 측관에 장착된 다공성필터의 투과성 계수이고, LO는 압력용기 측관에 장착된 다공성필터의 축방향 길이이고, Po는 압력용기 측관에서의 공기 압력, 즉 대기압이다.
수학식 5를 수학식 4에 대입하면 다음과 같은 수학식 6이 얻어진다.
수학식 6으로 알 수 있는 바와 같이, 대기압 PO가 일정한 상태에서 솔레노이드밸브를 거쳐 공급되는 입구압력 Pi가 시간에 따라 변화하면 용기내부압력 P 역시 시간에 따라 변화하게 된다. 따라서 솔레노이드밸브가 개폐되는 시간을 입력 데이터로 취하여, 수학식 5를 수치적으로 적분하면, 압력용기 내부의 공기압력 P의 시간에 따른 변화를 예측할 수 있다. 이와 같이, 솔레노이드밸브의 개폐 타이밍에 따른 압력 변화를 예측한 후, 그에 따라 밸브를 조작하여 압력용기 내부의 공기압력을 변화시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 펄스폭 변조(PWM)방식으로 제어되는 솔레노이드밸브에서 개방시간과 폐쇄시간의 시간비율을 적절히 조절함에 따라 압력용기 내부의 공기 압력을 높이거나 낮출 수 있음을 나타내는 그래프이다.
또한, 도 5는 상술한 제어 방식으로 수지 주입 압력을 제어할 때, 예상된 수지 주입 압력과 실측된 압력을 비교하는 그래프이다.
도 5로 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어 장치로 압력을 금형 (70)내에 주입되는 수지 압력을 제어할 경우, 상기 주입 압력 제어장치는 매우 정확하게 수지의 주입 압력을 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 솔레노이드밸브와 다공성필터를 이용하여 RTM 성형을 할 때 정밀하게 제어된 충분한 유량의 수지를 금형 내에 안정적으로 공급하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 수지 주입 압력 제어 장치는 저가의 솔레노이드밸브 및 다공성필터로 이루어지므로 저렴한 RTM 성형 장치의 제조를 가능하게 한다.

Claims (1)

  1. 수지 이송 성형(RTM)에 이용되는 수지 주입 압력 제어장치(1)로서,
    압축공기원(10)과,
    상기 압축공기원(10)의 하류에 관로로 연결된 솔레노이드밸브(20)와,
    상기 솔레노이드밸브(20)의 하류에 관로로 연결된 압력용기(30)와,
    상기 압력용기(30) 내에 설치된 압력센서(52)에 의해 감지된 압력신호를 개폐신호로 변환하여 상기 솔레노이드밸브(20)로 보내는 개폐제어기(50)를
    포함하며 ,
    상기 솔레노이드밸브(20)로부터 압축공기가 유입되는 압력용기(30)의 입구부(32)에는 압축공기의 흐름을 지연시키는 제 1 다공성필터(32a)가 설치되며,
    상기 압력용기(30)에 형성된 측관(36)에는 상기 압력용기(30) 내의 압축공기를 대기로 바이패스시키는 제 2 다공성필터(36a)가 설치되는 것을 특징으로 하는 수지 주입압력 제어 장치.
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KR20180115956A (ko) 2017-04-14 2018-10-24 재단법인 경북하이브리드부품연구원 일정한 유량제어가 가능한 열경화성 수지 주입 장치

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