KR101237614B1 - 복합재료 성형용 지퍼 락 형태의 실리콘 백 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합재료 성형용 지퍼 락 형태의 실리콘 백 및 복합재료의 성형방법에 관한 것으로, 서로 마주하여 결합되는 바닥판 및 덮개판; 바닥판 및 덮개판의 적어도 일면의 테두리에 형성되는 개폐 가능한 지퍼 락 수단; 및 바닥판 또는 덮개판에 형성되는 진공형성용 흡입구를 포함하는 복합재료 성형용 진공 백 및 이 진공 백을 이용한 복합재료의 성형방법을 제공한다.

Description

복합재료 성형용 지퍼 락 형태의 실리콘 백{Zipper lock type silicone bag for molding composite materials}
본 발명은 복합재료 성형용 지퍼 락 형태의 실리콘 백 및 이를 이용한 복합재료의 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 일회성 진공 백의 단점을 보완하여 다중 사용이 가능하고 신속한 공정 작업이 가능한 복합재료 성형용 진공 백 및 이를 이용한 복합재료의 성형방법에 관한 것이다.
복합재료(composite materials)는 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적, 화학적으로 서로 다른 상(phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 재료를 말한다. 강화재의 구조에 따라 섬유강화 복합재료(fibrous composite), 입자강화 복합재료(particulate composite)로 구분되고, 강화하는 재료(matrix: 기지재료)에 따라 고분자 복합재료(polymer matrix composite), 금속 복합재료(metal matrix composite), 세라믹 복합재료(ceramic matrix composite)로 나누어진다.
이 중에서 섬유강화의 개념과 고분자 기지재료를 조합한 섬유강화 고분자 복합재료(fiber reinforced plastics: FRP)가 현대 복합재료의 중추적인 역할을 하고 있다. FRP의 개념은 철근콘크리트에 비유되기도 한다.
고분자 기지재료의 강도를 1이라 하면, 유리섬유와 탄소섬유는 각각 25 내지 40이며, 강성(stiffness)은 고분자 재료에 비해 유리섬유가 20배 이상이고 탄소섬유는 70배를 상회한다. 이와 같은 물성은 강철보다 우수하거나 필적하는 것으로, 무게가 금속에 비해 가벼우므로, 더욱 가벼운 고분자 기지재료와 조합되는 FRP는 강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 이상적인 경량 구조재가 된다. 유리섬유강화 고분자복합재료(GFRP)와 탄소섬유강화 고분자복합재료(CFRP)로 대표되는 이 재료들은 테니스 라켓, 골프채 등과 같은 스포츠용품과 선박, 고속전철, 항공기 등의 필수 구조재료로 이용되고 있다.
프리프레그(Prepreg)는 Preimpregnated Materials(미리 함침된 재료)의 약어로서, 결합재(Matrix)를 강화섬유(Reinforced Fiber)에 미리 함침시킨 시트 형태의 제품으로, 복합재료 제품의 중간 재료이다.
강화섬유로는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합재로는 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 폴리아미드 수지, 열가소성수지 등이 사용되고 있다.
프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합재의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하고 있다.
프리프레그를 이용하여 생산된 복합재료는 타 재료에 비해 강도(strength), 강성도(stiffness), 내식성(corrosion resistance), 피로수명(fatigue), 내마모성(wear resistance), 내충격성(impact resistance), 경량화(weight reduction) 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 되므로, 최근에는 우주항공산업, 일반산업, 스포츠, 레저용품 등의 생산에 다양하게 이용되고 있다.
탄소섬유(Carbon Fiber)는 탄소원자의 결정구조를 이용한 고강도 섬유로서, 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있는 강화섬유이다. 탄소섬유 제조 전의 물질(Precursor)에 따라 PAN계와 Pitch계 탄소섬유로 구분하고 있으며, 주로 PAN계 탄소섬유가 많이 이용되고 있다.
이러한 프리프레그는 이용부위에 필요한 모양으로 성형되는 과정이 필요하다.
탄소섬유 강화 프리프레그는 고온 고압의 오토클레이브(Autoclave) 성형을 통해 최종 제품으로 제작된다. 이때, 제품을 진공 환경에서 성형할 수 있도록 진공 백(bag)을 구축하는데, 이에 따르는 부자재의 소요비용이 증가하고, 공정 능률이 저하되는 단점이 있었다.
일본 특허 공개 제2001-47507호에는 제품 제작용 하형의 성형면에 섬유강화 플라스틱으로 이루어진 프리프레그를 쌓아올리고 이 프리프레그를 실리콘 고무 시트로 덮음과 동시에, 이 실리콘 고무 시트의 주위와 하형을 밀봉하고, 하형과 실리콘 고무 시트와의 사이에 진공을 형성시킴과 동시에, 오토클레이브 법에 의해 프리프레그를 경화시키는 것을 특징으로 하는 복합재의 오토클레이브 성형에 있어서의 바깅(bagging) 방법이 개시되어 있다. 이 특허의 경우 성형 틀에 실리콘 시트 한 장을 삽입하여 진공을 잡고자 한 것으로, 단면의 실리콘 시트와 성형 틀이 필요하며, 복합재료를 고온 및 고압 하에서 성형하면서 진공으로 뽑을 때 실리콘 시트를 계속해서 설치하고 한번 쓰고 버리는 불편한 점이 있었다.
반면에, 본 발명에서는 진공 백의 형태로 사용하므로, 성형 틀이 필요하지 않고, 반영구적 사용이 가능하다.
본 발명의 목적은 기존의 일회성 진공 백의 단점을 보완하여 다중 사용이 가능하고 신속한 공정 작업이 가능한 복합재료 성형용 진공 백 및 이을 이용한 복합재료의 성형방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 서로 마주하여 결합되는 바닥판 및 덮개판; 바닥판 및 덮개판의 적어도 일면의 테두리에 형성되는 개폐 가능한 지퍼 락 수단; 및 바닥판 또는 덮개판에 형성되는 진공형성용 흡입구를 포함하는, 복합재료 성형용 진공 백을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 바닥판은 고정된 별도의 판이고, 덮개판이 바닥판 위로 덮이는 형태일 수 있다.
본 발명에서 바닥판 또는 덮개판은 고온 및 고압 하에서 다중 사용이 가능하도록, 내열성, 내구성, 절연성, 발수성, 이형성, 내약품성 등의 물성이 우수한 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상술한 진공 백에 프리프레그를 삽입하는 단계; 지퍼 락 수단을 이용하여 진공 백을 밀봉시키는 단계; 진공 백을 일정 형상의 금형에 배치하는 단계; 진공형성용 흡입구와 진공펌프를 연결하여 진공 백 내부에 진공을 형성시켜 프리프레그와 진공 백을 밀착시키는 단계; 및 프리프레그를 가열 경화시켜 일정 형상의 복합재료를 형성하는 단계를 포함하는 복합재료의 성형방법을 제공한다.
본 발명에 따른 복합재료 성형용 진공 백은 최소한 한 면 이상에 지퍼 락을 설치함으로써, 복합재료의 성형 시 사용의 편의성을 부여하고 재사용측면에서 영구적으로 사용할 수 있어 효율을 높일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 복합재료 성형용 진공 백은 기존의 일회성 진공 백과 달리 10회 이상의 다중 사용이 가능하고, 기존 성형 부자재에 비해 단가가 매우 낮으므로, 공정 준비에 소요되는 시간이 1/10 정도로 줄어들며, 소요비용도 1/100 수준으로 감소하면서도, 기존 대비 충분한 성형 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 복합재료 성형용 진공 백의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시형태에 따른 복합재료 성형용 진공 백의 구조도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 복합재료 성형용 진공 백의 구조를 나타낸 것으로, 이 실시형태에 따른 진공 백(10)은 덮개판(11)과 바닥판(12)으로 구성되고, 지퍼 락 수단(20) 및 진공형성용 흡입구(30)를 구비한다.
도면에는 사각형의 진공 백(10)이 예시되어 있으나, 진공 백(10)의 형상은 이에 한정되지 않고, 다각형, 원형, 타원형 등으로 다양하게 변경할 수 있다.
또한, 도면에는 지퍼 락 수단(20)이 상부에 하나만 설치되어 있으나, 지퍼 락 수단(20)의 위치 및 수는 이에 한정되지 않고, 2면 이상 설치할 수 있고, 특히 모든 면에 설치할 수도 있다.
덮개판(11)과 바닥판(12)은 고온 및 고압 하에서 다중 사용이 가능하도록, 내열성, 내구성, 절연성, 발수성, 이형성, 내약품성 등의 물성이 우수한 실리콘 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
지퍼 락 수단(20)은 통상의 지퍼 락 구조를 가지며, 암 지퍼 락(22) 및 수 지퍼 락(21)으로 구성되고, 이들의 결합 및 탈착에 의해 개폐가 가능하다.
지퍼 락 수단(20)이 설치되지 않은 나머지 테두리 부위는 열에 의한 접합, 접착제를 이용한 접착, 기계적 결합 등에 의해 밀봉된다.
덮개판(11) 또는 바닥판(12)에는 진공형성용 흡입구(30)가 설치된다. 이 흡입구(30)에 진공펌프를 연결하면, 진공 백(10) 내부에 진공을 형성할 수 있다. 흡입구(30)는 타이어의 공기 주입구처럼 평상시에는 밀폐되어 있고, 외부 압력에 의해서만 개방된다.
도 2는 본 발명의 제2실시형태에 따른 복합재료 성형용 진공 백의 구조도로서, 이 실시형태의 경우 바닥판(12)은 고정된 별도의 판이고, 그 위에 덮개판(11)이 덮이는 형태이다. 이 경우 지퍼 락 수단(20)은 적어도 일면, 바람직하게는 4면에 모두 설치된다. 제1실시형태와 마찬가지로, 덮개판(11) 또는 바닥판(12)에는 진공형성용 흡입구(30)가 설치된다.
본 발명에 따른 진공 백을 이용하여 복합재료를 성형하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 진공 백(10)에 프리프레그를 삽입한다.
일반적으로 프리프레그에 사용되는 열경화성 수지의 경화는 다음의 A, B, C-Stage 3단계로 진행된다.
1) A-Stage: 수지와 경화제가 배합비율에 따라 단순히 혼합만 된 상태로서, 경화반응이 전혀 일어나지 않는 상태이다.
2) B-Stage: 수지와 경화제의 반응이 어느 정도 진행되어 점도가 급상승하여 용제(Solvent)에 의해 용해되지 않고 열에 의해 용융되어 흐름(Flow)을 형성하는 단계이다.
3) C-Stage: 수지와 경화제의 반응이 거의 끝나거나 완료된 단계로서, 용제나 열에 영향을 받지 않으며, 소재의 경화가 이루어진 단계이다.
프리프레그는 수지 경화 단계 중 B-Stage로 경화시키고 저온에서 보관하여 더 이상의 반응을 지연시킨 것이다. 이것은 -18℃ 정도의 온도에서 느리나마 경화반응이 계속되므로, 저장시한(shelf life) 내에 사용해야 하며, 저장 시한은 경화제의 종류와 온도에 영향을 받을 수 있고, 수 시간 내지 6개월 정도가 일반적이다.
다음, 암수의 지퍼 락 수단(21, 22)을 서로 끼워 진공 백(10)을 밀봉시킨다.
다음, 프리프레그가 밀봉 삽입된 진공 백(10)을 원하는 형상을 갖는 금형에 배치한다. 덮개판(11)과 바닥판(12)은 유연성을 갖기 때문에 금형의 형상에 따라 절곡될 수 있다.
다음, 진공형성용 흡입구(30)와 진공펌프를 연결하여 진공 백(10) 내부에 진공을 형성시켜 프리프레그와 진공 백(10)을 밀착시킨다.
다음, 진공 상태에서 프리프레그를 가열 경화시켜 일정 형상을 갖는 복합재료를 형성한다.
상술한 성형방법은 오토클레이브 내에서 수행될 수 있다.
본 발명의 진공 백은 기존의 일회성 진공 백과 달리 10회 이상의 다중 사용이 가능하고, 기존 성형 부자재에 비해 단가가 매우 낮으므로, 공정 준비에 소요되는 시간이 1/10 정도로 줄어들며, 소요비용도 1/100 수준으로 감소하면서도, 기존 대비 충분한 성형 효과를 얻을 수 있다.
10: 진공 백
11: 덮개판
12: 바닥판
20: 지퍼 락 수단
21: 수 지퍼 락
22: 암 지퍼 락
30: 진공형성용 흡입구

Claims (4)

  1. 서로 마주하여 결합되는 바닥판 및 덮개판;
    바닥판 및 덮개판의 4면의 테두리에 형성되는 개폐 가능한 지퍼 락 수단; 및
    바닥판 또는 덮개판에 형성되는 진공형성용 흡입구를 포함하며, 상기 바닥판은 고정된 별도의 판이고, 덮개판이 바닥판 위로 덮이는 것을 특징으로 하는 복합재료 성형용 진공 백.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    바닥판 또는 덮개판은 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 성형용 진공 백.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 진공 백에 프리프레그를 삽입하는 단계;
    지퍼 락 수단을 이용하여 진공 백을 밀봉시키는 단계;
    진공 백을 일정 형상의 금형에 배치하는 단계;
    진공형성용 흡입구와 진공펌프를 연결하여 진공 백 내부에 진공을 형성시켜 프리프레그와 진공 백을 밀착시키는 단계; 및
    프리프레그를 가열 경화시켜 일정 형상의 복합재료를 형성하는 단계를 포함하는 복합재료의 성형방법.
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