KR100781147B1 - 폴리머 복합재 부품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리머 복합재부품의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에따르면, (a)몸체와; 상기 몸체의 평면에 대해 수직으로 소정길이 연장되는 수직부와, 상기 수직부의 선단부로부터 상기 몸체의 평면에 나란한 방향으로 소정길이 연장되는 수평부를 구비하는 플랜지부;를 포함하는 금형을 준비하는 단계,(b)상기 금형의 외표면에 폴리머복합재를 소정 겹으로 적층하는 단계 (c)상기 플랜지부와 상기 몸체의 사이의 공간에 소정의 두께로 압축 경화시킨 충전재를 삽입하는 단계: 및 (d)상기 금형에 폴리머 복합재를 적층하는 단계:를 포함하여 된 것을 포함하여 된 것을 특징으로 한다. 따라서, 충전재는 압축몰딩공법을 이용하여 두께를 줄이고 점도를 낮추어 끈적거림을 없애 충전재를 금형의 플랜지부에 쉽게 삽입할 수 있다.

Description

폴리머 복합재 부품의 제조방법{Method of manufacturing component made of polymer complex}
도 1a는 폴리머 복합재 부품을 도시한 사시도,
도 1b는 도 1a에 도시한 부품의 부분단면도,
도 2는 금형의 플랜지부를 도시한 단면도,
도 3a는 도2에 도시한 금형에 충전재가 삽입되는 상태를 도시한 도면,
도 3b는 도3a에 도시된 폴리머 복합재와 충전재의 접촉면(A)이 도시된 확대도,
도 4는 충전재로 사용되는 프리프래그를 도시한 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플랜지부를 갖는 금형에 폴리머복합재가 소정 겹으로 적층되는 단계를 도시한 도면,
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 충전재가 삽입되는 단계를 도시한 도면,
도 6b는 도 6a에 도시된 폴리머 복합재와 충전재의 접촉면(B)을 도시한 확대도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금형에 폴리머 복합재가 적층되는 단계를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20,60...금형 22,62...몸체
24,64...수직부 26,66...수평부
27,67...플랜지부 30,70...폴리머복합재
40,80...충전재 50...프리프래그
52...기지재 54...수지
t...수직부의 폭
본 발명은 폴리머 복합재를 이용한 부품의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플랜지부를 포함하는 금형에 충전재를 삽입하는 공정을 쉽게 하기 위하여 압축몰딩공법을 이용하여 압축 경화시킨 충전재를 삽입하는 단계를 포함하는 폴리머 복합재 부품의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 폴리머 복합재 부품을 도시한 사시도 이다. 그리고, 도 1b는 상기 폴리머 복합재 부품의 부분단면도이다. 도면을 참조하면 상기 폴리머 복합재 부품의 플랜지부(12)는 본체(10)에 비하여 상대적으로 두께가 얇다. 그러므로 상기 플랜지부(12)는 성형되기가 어려울 뿐만 아니라 강도가 약화되는 것을 방지하기 위하여 강도를 보강해야 할 필요가 있다.
도 2는 금형의 플랜지부를 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 금형은 몸체(22)와 상기 몸체(22)에 일체로 연결되어 수직으로 소정길이 연장되는 수직 부재(24)로 이루어져 있다. 상기 수직부재(24)와 상기 수직부재(24)의 선단부로부터 상기 몸체(22)의 평면에 나란하게 소정길이 연장되어 일체로 연결되는 수평부(26)는 플랜지부(27)를 이룬다.
상기 몸체(22)와 상기 수직부(24)및 상기 수평부(26)는 그 외측에 폴리머 복합재가 적층되는 빈공간(28)을 형성한다. 상기 빈공간(28)은 상기 부품(10)이 성형되면 상기 부품(10)의 플랜지부(12)를 형성하게 된다.
도 3a는 도 2에 도시한 금형에 충전재가 삽입되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 상기 금형(20)의 외측, 즉 상기 몸체(22)와 상기 수평부(26) 및 상기 수직부(24)로 둘러싸인 빈공간에는 폴리머 복합재(30)의 제1층(31)이 적층 된다. 그 다음에 상기 제1층(31)위에 상기 폴리머 복합재의 제2층(32)이 적층 된다. 그 다음에 상기 폴리머 복합재(30)로 적층 되지 않은 상기 빈공간(28)에는 충전재(40)가 삽입된다. 이때 상기 충전재(40)는 반 고체상태이고 상기 폴리머 복합재(30)도 용융상태 이므로, 상기 충전재(40)가 화살표 방향으로 밀어 넣어질 때, 상기 충전재(40)와 상기 폴리머 복합재(30)는 끈적거림으로 인하여 상호 접착하려고 하므로 상기 충전재(40)가 화살표방향으로 밀어 넣어 지는 것이 어려워진다. 따라서, 상기 플랜지부(28)에 충전재(40)가 삽입되는 것은 어렵다.
도 3b는 도 3a에 도시된 상기 폴리머 복합재(30)와 상기 충전재(40)가 접촉하는 면(A)을 도시한 확대도 이다.
도 3b를 참조하면, 상기 폴리머 복합재(30)의 표면은 반고체상태의 굴곡이 있는 면으로 되어 있고, 또한 상기 충전재(40)도 반고체상태의 굴곡이 있는 면으로 되어 있다. 상기 폴리머 복합재(30)에 접촉하여 상기 충전재(40)가 화살표방향으로 밀어 넣질때, 상기 충전재(40)와 상기 폴리머 복합재(30)의 굴곡은 상호 접촉하게 되어 마찰력이 커져서 상기 충전재(40)가 화살표 방향으로 진행되는 것이 어려워진다. 특히 상기 금형(20)의 수직부(24)의 폭(t)이 작은 경우에는 상기 충전재(40)가 상기 빈공간(28)에 삽입되는 것은 더욱 어렵다.
그리고, 상기 빈공간(28)에 상기 충전재(40)가 완전히 채워지지 아니한 상태에서 상기 부품(10)이 성형된다면 상기 부품(10)의 상기 플랜지부(12)의 강도는 약해지게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 충전재를 압축몰딩공법을 이용하여 압축 경화시켜 점도를 낮추어 끈적거림을 제거함으로써 충전재가 상기 몸체와 상기 플랜지부의 사이의 빈공간에 쉽게 삽입되도록 하는 단계를 포함하는 폴리머 복합재 부품의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 폴리머 복합재 부품의 제조 방법은
(a)몸체와; 상기 몸체의 평면에 대해 수직으로 소정길이 연장되는 수직부와, 상기 수직부의 선단부로부터 상기 몸체의 평면에 나란한 방향으로 소정길이 연장되는 수평부를 구비하는 플랜지부;를 포함하는 금형을 준비하는 단계,
(b)상기 금형의 외표면에 폴리머복합재를 소정 겹으로 적층하는 단계
(c) 상기 플랜지부와 상기 몸체의 사이의 공간에 소정의 두께로 압축 경화시 킨 충전재를 삽입하는 단계: 및
(d) 상기 금형에 폴리머 복합재를 적층하는 단계:를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전재는 압축몰딩공법을 이용하여 소정의 두께로 압축성형 하여 경화시켜 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 5내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 폴리머 복합재 부품의 제조방법을 단계별로 도시한 도면이다.
도면에는 도시하지 않았지만 본 발명을 실시하기 위해서는 먼저 플랜지부를 갖는 금형을 준비하며 또한 부품의 재료인 폴리머 복합재를 준비한다. 금형은 일체형으로 만들어지는 것은 공정상 어려우므로 분리하여 만든 후 분리되어 있는 부분을 상호 조립하여 금형을 만든다. 그 후에 leak시험(기밀시험)을 하여 상기 금형이 완전히 밀폐되어 있는지 여부를 검사한다. 폴리머 복합재는 겹(ply)으로 적층하기 적당하도록 잘라서 준비한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플랜지부를 구비한 금형에 폴리머 복합재가 소정 겹으로 적층 되는 단계를 도시한 도면이다. 여기서 상기 금형(60)은 도 2에 도시한 것과 동일한 것으로 도면부호만 다르게 표시하였다.
도 5를 참조하면, 상기 금형(60)의 몸체(62)와 수직부(64) 및 수평부(66)로 둘러싸여 이루어진 빈공간(68)에는 폴리머 복합재(70)의 제1층(71)이 적층 된다. 그 다음에 상기 제1층(71)위에 상기 폴리머 복합재(70)의 제2층(72)이 적층 된다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 충전재가 삽입되는 단계를 나타내는 도면이다.
도 6a를 참조하면, 상기 도 5에 도시된 상기 폴리머 복합재(70)가 제1층(71)과 제2층(72)으로 적층 된 후에 상기 수직부(64) 와 상기 수평부(66)로 둘러싸여 금형의 외쪽에 형성된 상기 플랜지부(67)에는 상기 폴리머 복합재(70)가 적층 되지 않은 공간(68)이 형성되어 있다. 상기 공간(68)에는 소정의 두께를 가지는 상기 폴리머 복합재(70)가 적층 되는 것은 어려울 뿐만 아니라, 상기 수직부(64)의 폭(t)은 부품의 본체에 비하여 상대적으로 작기 때문에 상기 빈공간(68)에 성형되어 지는 부품의 강도(strength)를 보강할 필요가 있다. 따라서, 상기 공간(68)에는 상기 폴리머 복합재(70)가 채워지지 아니하고 그대로 성형되는 경우에는 상기 공간(68)으로 형성되는 부품의 강도가 약해지는 문제점이 있다. 특히, 상기 수직부(64)의 폭(t)이 상당히 작은 경우, 예를 들어 폭(t)이 2.5mm이하인 경우에는 문제가 더 크다. 따라서 상기와 같은 상기 부품의 강도저하를 방지하기 위하여 상기 플랜지부(68)의 상기 빈 공간(68)에 충전재(80)가 삽입되게 된다.
상기 충전재(80)는 상기 폴리머 복합재(70)와 동일한 재질을 사용한다. 바람직한 재질로는 Cytec company사의 Carbon Fabric/Bismaleimide 5250-4이다. 일반적으로 상기 충전재(80)로는 프리프래그(prepreg)(50)가 사용되어 진다. 상기 프리프래그(50)는 도 4에 도시한 것처럼 여러 가닥의 섬유 즉 탄화섬유, 유리섬유 및 각종 탄화재로 형성된 기지재(52)에 페놀수지, 에폭시수지, 폴리 에스테르수지, 폴리 아미드수지등(54)이 함침되어 이루어진 것이다. 이러한 상기 프리프래그(50)는 각종 화학설비의 내식성구조물, 탱크 및 파이프류, 낚시대, 골프채, 건축물의 강도 보강재 및 항공기 부품 등에 사용되고 있다. 여기서 상기 수지(54)의 배열형상은 도 4에 도시된 것처럼 그물모양으로 되어 있지만 다양한 형태로 변형하여 형성될 수 있다. 예를 들어 평행하게 하거나 사각형형상으로 함침될 수 있다.
여기서, 상기 기지재(52)에 함침된 상기 수지(54)는 경화되어 있지 않은 상태에 있으므로 소정의 점도를 가진 끈적끈적한 상태를 유지하고 있다. 따라서, 상기 금형(60)의 외측에 형성되어 있는 상기 빈공간(68)에 상기 프리프래그(50)가 삽입될 때, 상기 수지(54)와 상기 플랜지부(67)에 적층 되어 있는 폴리머 복합재(70)의 접촉면은 섬유조직간에 마찰이 생기게 되므로 상기 충전재(80)가 화살표 방향으로 밀어 넣어져 삽입되는 것이 어려워진다.
또한, 상기 수직부(64)의 폭(t)은 상당히 작으므로 상기 폭(t)에 맞도록 상기 프리프래그(50)의 두께를 조정할 필요가 있다. 그러나 상기 프리프래그(50)는 성형되기 전에는 두께가 두껍기 때문에 상기 수직부(64)의 폭(t)에 맞도록 그 두께가 조정되어야 할 필요가 있다.
그러므로, 상기 프리프래그(50)는 압축몰딩공법(Compressive molding method)을 이용하여 상기 빈공간(68)에 삽입될 수 있도록 소정의 두께로 고온으로 압축 성형된다. 이때의 성형온도는 수지의 최종 성형온도보다 낮게 한다. 왜냐하면 상기 프리프래그(50)는 후에 최종적으로 고온으로 성형될 때 상기 폴리머 복합재(70)와 화학적으로 결합되어 일체가 되므로 이때에 비로소 최종 성형온도에 도달하게 된다.
상기와 같이 압축몰딩공법을 거친 상기 프리프래그(50)는 상기 기지재(52)에 함침된 상기 수지(54)가 고온에서 화학변화를 일으켜 경화되게 되어 끈적끈적거림이 없어 지게 된다. 따라서, 상기 프리프래그(50)는 상기 빈공간(68)에 쉽게 삽입될 수 있게 된다. 또한 상기 프리프래그(50)는 압축 성형되게 되므로 그 두께를 얇게 할 수 있어 상기 빈공간(68)에 삽입하기에 알맞은 소정의 두께로 만들 수 있게 된다.
도 6b는 도 6a에 도시된 상기 충전재(80)와 상기 폴리머 복합재(70)의 접촉면(B)을 도시한 확대도 이다.
도 6b를 참조하면, 상기 프리프래그(50)는 압축몰딩공법을 이용하여 압축성형 되었기 때문에 상기 프리프래그(50)의 섬유조직, 특히 상기 수지(54)는 경화되어 평평한 상태이다. 그리고 상기 폴리머 복합재(70)는 반고체상태의 굴곡이 있는 상태에 있다. 따라서 상기 충전재(80)가 화살표 방향으로 밀어 넣어 지면 상기 폴리머 복합재(70)와의 접촉면에서 발생하는 마찰을 줄일 수 있게 되어, 상기 프리프래그(50)를 경화시키기 전 보다 마찰력이 작게 되어 쉽게 상기 빈공간(68)에 밀어 넣을 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 금형에 폴리머 복합재가 적층 되는 단계를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 충전재(80)가 상기 빈공간(68)에 삽입된 상태에서 상기 폴리머 복합재(70)의 제3층(73)이 상기 제2층(72)과 상기 충전재(80)위에 적층 된다. 그 다음에 상기 제3층(73)위에 상기 폴리머 복합재(70)의 제4층(74)이 적층 된다. 그 다음에 상기 금형(60)의 나머지 부에 상기 폴리머 복합재(70)가 적층 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 폴리머 복합재 부품의 제조방법은 충전재가 두께가 얇은 부품의 플랜지부로 성형될 부분에 삽입되기 전에 압축몰딩공법을 이용하여 소정의 두께를 가지도록 압축하고 고온에서 경화시켜 점도를 낮춤으로써 끈적거림을 없애 상기 충전재가 상기 빈공간에 쉽게 삽입할 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 폴리머 복합재 부품의 제조를 효율적으로 할 수 있다.
본 발명은 상기에 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 다음에 기재되는 청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용 예가 가능한 것임은 물론이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. (a)몸체와;
    상기 몸체의 평면에 대해 수직으로 소정길이 연장되는 수직부와, 상기 수직부의 선단부로부터 상기 몸체의 평면에 나란한 방향으로 소정길이 연장되는 수평부를 구비하는 플랜지부;를 포함하는 금형을 준비하는 단계,
    (b)상기 금형의 외표면에 폴리머복합재를 소정 겹으로 적층하는 단계
    (c)상기 플랜지부와 상기 몸체의 사이의 공간에 소정의 두께로 압축 경화시킨 충전재를 삽입하는 단계: 및
    (d)상기 금형에 폴리머 복합재를 적층하는 단계:를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 폴리머 복합재 부품의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 충전재는 압축몰딩공법을 이용하여 소정의 두께로 압축성형 하여 경화시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리머 복합재 부품의 제조방법.
  3. 삭제
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