KR100533929B1 - 복합재 격자 성형공법 - Google Patents

복합재 격자 성형공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인발(Pultrusion)성형 및 수지충전성형(RTM : Resin Transfer Molding) 제조공법을 사용하고 섬유를 자동 위빙(Weaving)하는 복합재 격자 성형공법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 복합재 격자 성형공법은, 복합재 중공튜브(G)를 하부금형(100)의 격자홈(120)에 연속적으로 삽입시키는 제 1 단계와; 상기 복합재 중공튜브(G) 사이로 보강섬유를 자동으로 위빙(Weaving)하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계를 거친 하부금형(100)을 상부금형(200)과 체결하고 수지를 주입하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계를 거친 수지를 경화시킨 후 상부금형(200)을 탈형하여 복합재 중공튜브(G)를 잘라내는 제 4 단계를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 제 2 단계에는, 기 프로그램된 위빙(Weaving)기가 자동으로 보강섬유를 위빙(Weaving) 하도록 구성되고, 제 3 단계의 수지 주입시에는 금형 전체를 기울여서 수지를 주입시키는 것을 포함하며, 상기 복합재 중공튜브(G)는 인발(Pultrusion)성형을 통해 인발된 중공형태의 복합재 튜브임을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 기술적인 측면 뿐만 아니라 경제적인 측면에서 상당한 이점이 있다.

Description

복합재 격자 성형공법{Advanced processing technology of Grating in Composite materials}
본 발명은 복합재 성형공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인발(Pultrusion)성형 및 수지충전성형(RTM : Resin Transfer Molding) 제조공법을 사용하고 섬유를 자동 위빙(Weaving)하는 복합재 격자 성형공법에 관한 것이다.
섬유강화 복합재료는 항공, 우주, 자동차, 방산 및 일반산업 등에 급속도로 응용되고 있는 첨단 신소재로서 재료공학적 측면에서 고부가가치 산업을 주도할 핵심재료임에 틀림없다. 최근 들어 보강섬유와 기지재료인 수지의 고성능화 및 신성형공법의 개발과 원소재의 가격하락 등으로 인해 그 응용범위는 점차 확대되어 가고 있다.
그리고, 복합재료의 성형기술에 의한 격자(Grating)구조물은 건축, 토목용 대형 구조물과 공조타워 및 선박의 바닥재와 같이 지면으로 향해 수직으로 하중을 받는 구조물에 주로 사용되고 있는데, 현재 격자(Grating)구조물은 경량 및 고강성, 고강도의 물성을 갖도록 비강성과 비강도가 우수한 복합재료가 선호되고 있다.
이에 따라, 고정도, 고품질의 복합재료 성형제품의 생상성을 향상시킬 수 있는 성형기술을 개발하거나 종래 성형법을 보완하여 사용함으로써 복합재료 성형기술에 있어서의 가장 큰 난제라 할 수 있는 생산성 문제를 해결하기 위해 노력하고 있는 실정이다.
뿐만 아니라, 종래의 복합재 격자(Grating) 제조방식은 손으로 수지에 함침된 보강섬유를 배열하는 수작업(Hand Lay-up)에 의존하여 인력에 의지함으로써 생산효율 및 제조시간, 그리고 높은 불량율 발생 등 여러가지 문제점이 발생되었다. 따라서, 복합재 격자(Grating)에 대한 신성형 공법 도입 및 자동화를 통한 효율성 증대가 무엇보다 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 저효율적인 핸드레이업(Hand Lay-up) 제조법을 복합재료 인발(Pultrusion)성형 및 수지충전성형(RTM) 제조공법으로 대체하고, 섬유를 자동 위빙(Weaving)시키는 복합재 격자(Grating) 성형 공법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 복합재 격자(Grating) 성형공법은, 복합재 중공튜브를 하부금형의 격자홈에 연속적으로 삽입시키는 제 1 단계와; 상기 복합재 중공튜브 사이로 보강섬유를 자동으로 위빙(Weaving)하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계를 거친 하부금형을 상부금형과 체결하고 수지를 주입하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계를 거친 수지를 경화시킨 후 상부금형을 탈형하여 복합재 중공튜브를 잘라내는 제 4 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는 기 프로그램된 위빙(Weaving)기가 자동으로 보강섬유를 위빙(Weaving) 하도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기 상부금형에는 일측면 하단부에 수지가 주입되는 수지주입구가 성형되고, 타측면 상단부에 여분의 수지가 외부로 배출되는 수지배출구가 성형됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 3 단계의 수지 주입시에는 금형 전체를 기울여서 수지를 주입시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 복합재 중공튜브는 인발(Pultrusion)성형을 통해 인발된 중공형태의 복합재 튜브임을 특징으로 한다.
한편, 격자형으로 돌출된 형상을 가진 하부금형에 보강섬유를 자동으로 위빙(Weaving)하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계를 거친 하부금형을 상부금형과 체결하고 수지를 주입하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계를 거친 수지를 경화시킨 후 상부금형을 탈형하여 복합재 격자(Grating) 성형품을 탈거하는 제 3 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 복합재 격자(Grating) 성형공법에 의하면, 기술적인 측면 뿐만 아니라 경제적인 측면에서 상당한 이점이 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1 에는 본 발명에 의한 인발(Pultrusion)성형된 복합재 중공 튜브를 삽입하는 하부금형 및 삽입부위가 사시도로 도시되어 있으며, 도 2 에는 본 발명에 의한 인발(Pultrusion)성형된 복합재 중공 튜브를 하부금형에 삽입하는 모습을 보인 사시도가 도시되어 있다. 그리고, 도 3 에는 본 발명에 의한 하부금형에 삽입된 복합재 중공 튜브의 각 격자사이로 보강섬유가 왕복하며 자동 위빙(Weaving)되는 모습을 보인 사시도가 도시되어 있으며, 도 4 에는 본 발명에 의한 보강섬유 위빙(Weaving) 후 상,하부금형을 체결하여 수지주입구를 통해 수지를 주입하는 모습을 보인 사시도가 도시되어 있다.
또한, 도 5 에는 본 발명에 의한 수지 경화 후 상,하부금형을 탈형시켜 두께 방향에 대하여 요구되는 두께로 잘라내어 복합재 격자 제품이 완성된 완제품의 사시도가 도시되어 있으며, 도 6 에는 본 발명에 의한 다른 실시예에 따른 격자형으로 돌출 부위가 있는 하부금형내 각 격자사이로 보강섬유를 왕복하며 자동 위빙(Weaving)되는 모습을 보인 사시도가 도시되어 있고, 도 7 에는 도 6 의 하부금형에 의해 생산된 완제품의 사시도가 도시되어 있다.
먼저, 복합재 격자(Grating) 성형공법에 사용된 기술분야는 크게 인발(Pultrusion)성형과 수지충전성형(RTM : Resin Transfer Molding)으로 대변되는 복합재 성형분야와 섬유 자동화 위빙(Weaving)을 위한 자동 섬유 피딩(Feeding) 및 인장력 제어 분야로 구분된다.
인발(Pultrusion)성형은 단면이 일정한 제품을 길이방향으로 무한대로 생산할 수 있어 대량 생산에 용이하다. 이러한 인발(Pultrusion)성형의 장점에 착안하여 단면이 사각 중공인 복합재 튜브를 연속적으로 생산하는데, 이는 원하는 격자(Grating) 두께만큼 길이방향으로 절단하여 금형하부에 삽입함으로써 간격이 동일한 격자모양을 획득한다.
상기와 같은 인발(Pultrusion)성형 복합재 튜브를 사용하는 이유는 수지경화 후 금형과 완제품의 탈형을 용이하게 함과 동시에 1회 성형으로 여러개의 복합재 격자(Grating) 제품을 생산할 수 있기 때문이다. 그리고, 복합재 인발(Pultrusion) 튜브의 생산을 위해서는 강화섬유의 공급 및 배열, 수지함침, 예비성형(Preforming), 경화, 당김(Pulling) 등의 기술영역과 최적설계를 위한 이론적 해석이 필요하다.
또한, 인발(Pultrusion)성형은 장섬유를 수지통(Resin Bath)에 통과시켜 수지(Resin)를 함침시킨 후 가열된 다이(Die)에 통과시킴으로써 연속적인 형상을 갖는 제품을 생산하는 방법으로 대량생산이 가능한 생산성이 좋은 제조방법이다.
인발(Pultrusion)성형 제조공정에서 수지는 주로 폴리에스터(Polyester), 비닐에스터(Vinylester), 에폭시(Epoxy) 등의 열경화성 수지가 사용되며, 이들 열경화성 수지가 폴리머화(Polymerization)가 일어나기 위해선 열을 필요로 하나 반응이 일어나기 전에는 모노머(Monomer) 상태이므로 점도가 낮아 작업성이 좋은 잇점을 가지고 있다.
인발(Pultrusion)성형시 내부결함이 최소화되고 섬유방향이 정확하고 균일하며 우수한 질의 제품을 생산하기 위해서는 다이(Die)의 길이 당김힘(Pulling force)과 속도(Speed) 등의 변수를 감안하여 원하는 경화반응도를 고려한 다이(Die)의 온도 및 당김속도(Pulling Speed) 선정기술이 필요하다.
그리고, 수지충전성형(RTM)은 섬유강화 복합재의 이방성 성질을 갖는 복잡한 3차원 구조물을 제조할 수 있고, 제품의 신뢰성 및 복제성(Reproducible)을 가지고 있어 복합재 격자(Grating) 성형에 적합하다. 또한, 대량생산시 형상을 복합한 격자(Grating)를 낮은 생산비용으로 제조할 수 있으며, 고정밀도 제품구현이 가능하다. 이러한 수지충전성형(RTM)의 최적성형을 위한 기술분야로는 섬유와 수지의 체적비 산출, 수지유동해석, 금형설계 및 제작기술이 필요하다.
수지충전성형(RTM)은 원하는 형상의 금형(Mold)안에 보강섬유 예비성형(Preform)을 넣고 수지를 유입구를 통해 금형(Mold)안에 주입한 후 열을 가해 성형하는 것이다. 수지충전성형(RTM)은 다른 수지사출 성형에 비해 상대적으로 낮은 압력인 20 ~ 50 psi에 의해 성형되므로 금형(Mold)의 제작 및 주입기계(Injection Machine) 등 설비 및 장치의 초기 투자가 저렴한 장점이 있다. 그리고, 완성부품의 안팎면이 모두 양호하고 젤코팅(Gel Coating)이 가능하며 내부 보강재의 양 및 방향성 조절이 쉽고 타부품과의 결합을 위한 삽입(Insert) 등의 설치가 용이하다.
또한, 수지충전성형(RTM)은 금형(Mold)의 설계 과정에서부터 사용수지의 유동특성 및 내부 보강재의 젖음성 등이 고려되어야 하므로, 수지유동 해석을 위한 FEM해석 및 사용 보강재의 침투성(Permeability) 등에 관한 연구를 수반하게 되며, 성형과정에서의 여러가지 변수에 의해 기공(Void) 발생율 및 제품의 강도가 크게 차이가 나므로 이에 대한 조직적인 연구가 필요하다.
수지충전성형(RTM)에 사용되는 보강재에는 연속섬유 매트, 단섬유(Chopped Fiber) 매트 등이 사용되는데 적층시간을 단축하고 복잡한 형상의 복잡한 보강 방향성을 유지하기 위해 금형(Mold)의 형상에 맞도록 재단, 성형하는 예비성형(Preform)을 사용하기도 한다.
일반적으로 예비성형(Preform)은 제작시에는 보강재에 바인더(Binder)를 넣어 그 형태가 유지되도록 한다. 보강재의 선택을 위해서는 부피 계수(Bulk Factor), 수지흐름에 의한 변형, 수지 함침성 등을 고려하여야 한다. 보강재 적층이 끝나면 금형(Mold)을 닫고 클램핑(Clamping)을 하는데, 프레스(Press)를 사용하거나 C-클램프(Clamp)를 사용한다.
수지충전성형(RTM)에 사용되는 수지는 점성이 낮아야 수지사출 속도를 높일 수 있으며 젤타임(Gel Time) 이후에 빠른 경화반응이 일어나야 경화시간을 단축할 수 있다. 일반적으로 거칠고(Tough) 균열(Crack) 형상이 없는 수지가 수지충전성형(RTM)에 적합하다고 할 수 있다. 수지충전성형(RTM) 수지의 선택 기준으로 내화학성, 기계적 특성, 내화성, 전기적 특성 및 내환경성을 들 수 있는데, 한 예로 높은 강도 및 중간정도의 내화학성이 요구될 때에도 이소프탈릭 폴리에스터(Isophthalic polyester)를 사용하며, 높은 내부식성이 추가 될 때에는 비닐에스터(Vinylester)계 수지를 선택하게 된다.
수지충전성형(RTM)에 사용되는 수지의 첨가물로는 혼합용 이형제, 점토 또는 탄산칼슘 등의 필러(Filler), 색상을 위한 안료 등을 들 수 있는데, 부품의 요구강도, 표면정도, 요구되는 점성(Viscosity), 함침성, 가격 등이 고려되어 선택되어야 하고, 수지충전성형(RTM) 수지로 성형작업에 최적한 상태로 하기 위해서는 수지의 온도, 경화제 비율, 필러(Filler)의 양에 의한 점성(Viscosity) 등이 고려되어야 한다.
그리고, 수지가 채워진 뒤 열을 가하면 수지가 경화되는데, 젤(Gel) 직후까지 경화시켜 이형시켜야만 틀에서 빼어내기가 용이하며, 부품의 형태를 제대로 유지시킬 수 있다. 젤타임(Gel Time)은 성형온도, 사용수지, 경화제 비율, 촉진제 양 및 기타 첨가제에 의해 좌우되는데, 일반적으로 5 ~ 45 분 정도이다. 또한, 이형작업시 대량생산의 경우에는 탈형핀(Eject pin)을 사용하기도 한다.
한편, 인발(Pultrusion)성형 복합재 튜브 혹은 금형 격자(Grating) 돌출부위 사이로 보강되는 섬유의 자동 위빙(Weaving)을 위해서는 자동 피딩(Feeding) 장치와 인장제어 장치가 필요하다. 종래 사람의 손에 의지한 수적층은 생산율 저하의 주원인이였음으로 자동화된 섬유 위빙(Weaving)과 각 격자 사이에 걸친 섬유의 처짐을 방지하기 위한 인장력 제어 장치의 설계와 제작이 필수적이다.
자동으로 섬유를 피딩(Feeding)하기 위해서는 섬유 피딩(Feeding)의 위치와 이동거리 및 인장력을 제어하는 3축 제어 모터 설계 및 전산 프로그래밍 분야가 필요하다. 즉, 마찰 및 외부하중에 대한 부하와 토크, 모멘트를 산출하고 이에 최적화된 모터를 장착한다. 또한, 자동화 위빙(Weaving)을 위해서 설계, 장착된 모터가 X, Y, Z 축으로 정밀 제어되도록 전산 프로그래밍을 입력한다. 그리고, 성형금형에 대한 개폐와 탈형의 자동화를 위해서도 소요되는 동력 및 하중을 산출하여 이에 적당한 모터 및 유압실린더 등의 동력원을 선정, 장착한다.
다음으로, 본 발명에 의한 도면을 참고하여 복합재 격자 성형공법의 과정을 설명한다.
단면이 대략 사각형(설계되는 격자의 모양에 따라 달라질 수 있음)인 복합재 중공튜브(G)를 인발(Pultrusion)성형 공법으로 성형한 다음, 일정 높이로 절단하여 미리 격자홈(120)을 파낸 하부금형(100)에 삽입한다. 그런 다음, 삽입된 복합재 중공튜브(G) 사이로 보강섬유를 각 방향으로 왕복하며 위빙(Weaving)시킨다. 이때, 자동 섬유 위빙(Weaving)기(도시되지 않음)가 보강섬유를 자동 위빙(Weaving) 하게 되는데, 이는 격자의 모양과 각 격자간의 거리를 미리 전산 프로그래밍하여 자동으로 작동한다.
상기 보강섬유의 위빙(Weaving)이 끝이 나면, 상부금형(200)을 상기 하부금형(100)에 체결하고 수지충전성형(RTM)을 실시한다. 상기 상부금형(200)의 일측면하단부에는 수지충전성형(RTM)시 수지를 주입하기 위한 수지주입구(140)와, 타측면 상단부에는 수지배출구(도시되지 않음)가 형성되어 있다. 따라서, 수지 주입시 상기 상,하부금형(100,200)이 체결된 금형 전체를 일정 각도, 예컨대 30도로 기울이고 상대적으로 낮은 위치의 수지주입구(140)로 주입하게 된다.
이렇게 상대적으로 낮은 위치의 수지주입구(140)로 수지를 주입하게 되면, 수지가 금형 캐비티(cavity)내에 서서히 차오르면서 모두 충전되어 상대적으로 높은 위치에 형성된 상기 수지배출구를 통해 잉여 수지가 배출되게 된다. 잉여 수지가 상기 수지배출구로 배출되면 금형내 수지의 충전이 완료됐음을 의미함으로, 수지 주입을 중지하고 금형내 열을 가하여 일정시간 수지를 경화시킨다.
그리고, 경화가 완료된 후 상기 상,하부금형(100,200)을 탈형하여 복합재 격자를 요구되는 격자 두께만큼 절단하여 완제품(160)을 생산한다.
한편, 도 6 에 도시된 바와 같은 하부금형으로 상기 복합재 격자를 생산하는 방법도 가능할 것이다. 즉, 대략 사각형의 격자모양으로 일정한 간격을 두고 돌출형성된 격자돌기(320)를 갖는 하부금형(300)을 제작하고, 이러한 격자돌기 사이로 상기 전산프로그래밍 된 경로에 따라 자동 섬유 위빙(Weaving)기가 보강섬유를 자동 위빙(Weaving) 한다.
그런 다음, 상기 상부금형(200)과 체결하고 금형을 기울려 아래에서부터 수지를 수지충전성형(RTM) 방식으로 주입하여 성형한다. 그리고, 수지 경화 후 탈형하여 복합재 격자 완제품(340)을 얻는다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 수작업(Hand Lay-up)에 생산되던 복합재 격자 제품에 대하여 신성형 공법인 인발(Pultrusion)성형 및 수지충전성형(RTM) 제조공법으로 대체하고, 보강섬유를 자동 위빙(Weaving)시키는 제조방식으로 변경하였다.
따라서, 종래의 수작업(Hand Lay-up)에 비해 생산효율 증가 및 제조시간 단축, 불량율 감소 등의 생산성을 제고시키는 효과가 기대되는 기술적인 측면 뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 종래 제조방식에 비해 월등히 우수한 효과가 기대된다.
도 1 은 본 발명에 의한 인발(Pultrusion)성형된 복합재 중공 튜브를 삽입하기 위한 하부금형 및 삽입부위를 나타낸 사시도.
도 2 는 본 발명에 의한 인발(Pultrusion)성형된 복합재 중공 튜브를 하부금형에 삽입하는 모습을 보인 사시도.
도 3 은 본 발명에 의한 하부금형에 삽입된 복합재 중공 튜브의 각 격자사이로 보강섬유가 왕복하며 자동 위빙(Weaving)되는 모습을 보인 사시도.
도 4 는 본 발명에 의한 보강섬유 위빙(Weaving) 후 상,하부금형이 체결되어 수지주입구를 통해 수지를 주입하는 모습을 보인 사시도.
도 5 는 본 발명에 의한 수지 경화 후 탈형시켜 두께방향에 대하여 요구되는 두께로 절단한 복합재 격자 완제품을 보인 사시도.
도 6 은 본 발명에 의한 격자형으로 돌출 부위가 있는 하부금형내 각 격자사이로 보강섬유를 왕복하며 자동 위빙(Weaving)되는 모습을 보인 사시도.
도 7 은 도 6 의 하부금형에 의해 생산된 완제품의 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 300. ..... 하부금형 120. ..... 격자홈
140. ..... 수지주입구 160, 340. ..... 완제품
200. ..... 상부금형 320. ..... 격자돌기
G. ..... 복합재 중공튜브

Claims (6)

  1. 복합재 중공튜브를 하부금형의 격자홈에 연속적으로 삽입시키는 제 1 단계와,
    상기 복합재 중공튜브 사이로 보강섬유를 자동으로 위빙(Weaving)하는 제 2 단계와,
    상기 제 2 단계를 거친 하부금형을 상부금형과 체결하고 수지를 주입하는 제 3 단계와,
    상기 제 3 단계를 거친 수지를 경화시킨 후 상부금형을 탈형하여 복합재 중공튜브를 잘라내는 제 4 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 복합재 격자 성형공법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는,
    기 프로그램된 위빙(Weaving)기가 자동으로 보강섬유를 위빙(Weaving) 하도록 구성됨을 특징으로 하는 복합재 격자 성형공법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부금형에는,
    일측면 하단부에 수지가 주입되는 수지주입구가 성형되고, 타측면 상단부에 여분의 수지가 외부로 배출되는 수지배출구가 성형됨을 특징으로 하는 복합재 격자 성형공법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계의 수지 주입시에는 금형 전체를 기울여서 수지를 주입시키는 것을 특징으로 하는 복합재 격자 성형공법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복합재 중공튜브는 인발(Pultrusion)성형을 통해 인발된 중공형태의 복합재 튜브임을 특징으로 하는 복합재 격자 성형공법.
  6. 격자형으로 돌출된 형상을 가진 하부금형에 보강섬유를 자동으로 위빙(Weaving)하는 제 1 단계와,
    상기 제 1 단계를 거친 하부금형을 상부금형과 체결하고 수지를 주입하는 제 2 단계와,
    상기 제 2 단계를 거친 수지를 경화시킨 후 상부금형을 탈형하여 복합재 격자(Grating) 성형품을 탈거하는 제 3 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 복합재 격자 성형공법.
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