KR101517575B1 - 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치 - Google Patents

반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반함침 프리프레그의 공극을 제거하여 성형함침성이 향상된 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 이형필름의 상부에 반함침 프리프레그를 적층하는 프리프레그 적층단계; 상기 적층된 반함침 프리프레그에 인접하게 연질의 댐을 설치하여 상기 적층된 반함침 프리프레그의 형태를 안정시키는 댐설치단계; 상기 연질의 댐상에 설치된 공기이송용 섬유를 상기 적층된 반함침 프리프레그에 연결하여 상기 적층된 반함침 프리프레그에 함유된 공기를 배출하는 섬유연결단계; 및 상기 연질의 댐, 상기 공기이송용 섬유 및 상기 적층된 반함침 프리프레그에 이형필름, 브리더 및 진공필름으로 덮어 성형하는 성형단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치를 기술적 요지로 한다.

Description

반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치{Out of autoclave molding method and molding apparatus of semi-impregnated prepreg}
본 발명은 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반함침 프리프레그의 공극을 제거하여 성형함침성이 향상된 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치에 관한 것이다.
일반적으로 섬유강화 복합재료를 성형하는 방법은 금속재료를 이용하여 제품을 제조하는 방법과는 차이가 있다.
즉, 섬유강화 복합재료의 성형방법은 그 기지가 되는 물질에 따라 달라지며, 제품이 요구하는 물성치와 경제성을 얻기 위해 기지재료에 따라 전혀 다른 공정으로 제품 성형이 이루어진다. 그리고 별도의 후가공이 필요하지 않은 일체 성형의 특징을 가지므로 제품 끝단을 절단하거나 홀을 만드는 정도의 간단한 후가공만을 수행한다.
구체적으로, 섬유강화 복합재료의 성형방법으로 오토클레이브(Autoclave)공법, SMC(Sheet Molding Compound)공법, RTM(Resin Transfer Molding)공법, 인발(Pultrusion)공법, 필라멘트와인딩(Filament Winding)공법, 열프레스공법 등이 있다.
이러한 다양한 성형 방법 중 오토클레이브공법은 열, 압력 및 진공을 동시에 가할 수 있는 진공, 가압 및 가열로 진공과 가압이 동시에 이루어진다. 이에 따라, 프리프레그를 이용한 복합재 성형시 성형품 내부의 공극과 휘발분의 효과적인 제거가 가능하다. 또한 높은 압력이 가해져 가장 치밀한 구조의 성형품을 만들어 낼 수 있음으로써, 항공기 및 전자부품 등 우수한 품질이 요구되는 복합재 성형에 가장 보편적으로 적용되고 있는 공법이라 할 수 있다.
도 1은 일반적인 진공백 성형공정의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 오토클레이브공법은 기본적으로 진공백(Vacuum Bag) 성형공정에 기반을 두고 있다. 여기서 진공백 성형공정에서는 수지를 섬유에 미리 함침시켜 시트 형태로 제조한 프리프레그를 적층한 적층소재를 사용한다.
즉, 진공백 성형공정에서는 금형의 표면에 이형필름(Release Film)을 이용해 프리프레그에 함유되어 있던 수지가 배출되어 금형에 붙는 것을 방지한다. 그리고 이형필름 위에 성형하려는 복합재 프리프레그가 놓이게 된다.
이때 프리프레그 상부에는 필-플라이(Peel-ply)라는 천을 놓기도 하는데, 이러한 필-플라이는 복합재료의 표면 조도를 조절하거나 복합재료가 접합(Joining)되기 전까지의 표면 오염을 방지하기 위해 사용된다. 혹은, 접합에 필요한 표면 조도를 제공하기도 한다.
이후에, 필-플라이의 상부에는 수지를 흡수할 수 있는 흡수제(Bleeder)를 놓고, 그 상부에 다시 이형필름을 사용한다. 이형필름 상부에는 진공백 내부의 공기 흐름통로가 되는 브리더(Breather)를 사용하고 진공백 역할의 진공필름(Bagging Film)을 사용해 전체를 감싼다.
그리고 오토클레이브는 진공백 성형공정에 필수적인 진공라인을 갖추고 있는데, 이러한 진공라인은 진공백 성형공정에서 수지의 압착을 위해서 필요한 압력을 공급하고 온도를 조절하기 위한 장비라 할 수 있다.
그러나, 오토클레이브공법은 고압을 견디기 위한 압력용기 및 자체의 장비 비용이 고가이기 때문에 제품의 기본 단가가 높아 대량 생산에 불리하다는 단점을 가지고 있다.
이러한 이유로 최근 오토클레이브공법의 장점을 그대로 유지하면서도, 단점으로 지적되는 높은 설비가격과 제조단가를 낮추기 위한 탈오토클레이브(Out of Autoclave)공법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
탈오토클레이브공법은 일반적으로 기존의 진공백(Vacuum Bag) 성형적층 순서를 따르나, 고압의 오토클레이브 챔버 대신 상압(Ambient Pressure)의 오븐, 열풍기, 면상발열체 등을 활용하여 프리프레그의 온도를 상승시키며 성형하는 방법이다.
이와 관련된 특허는 다수 출원되어 있으며, 예컨대 '면상발열체를 이용한 섬유-수지 복합체의 성형방법(출원번호:10-2004-0034027)'에서는 고압의 챔버를 이용하지 않기 때문에 설비 가격을 대폭 낮춘 면상발열체를 이용한 탈오토클레이브공법을 제시하고자 하였다.
도 2는 일반적인 프리프레그와 반함침 프리프레그의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 프리프레그란 Pre-impregnated Material의 약어로써 보강섬유의 양면에 매트릭스 수지가 함침 및 도포된 시트 형태의 중간 재료를 말한다. 이러한 프리프레그의 물성은 최종 복합재료의 성능 특히 강도, 내식성, 피로수명, 경량화, 내충격성에 매우 중요한 영향을 미친다.
도 2-(a)는 일반적인 프리프레그의 개념도로써, 보강섬유에 함침용 매트릭스 수지가 완전히 함침되어 함침도가 97% 이상임을 알 수 있다. 도 2-(b)는 반함침 프리프레그로써, 미참힘 공극영역(Evacuation Channel)이 남아있으므로 함침률은 20~70% 내외임을 알 수 있다.
즉, 일반적인 반함침 프리프레그는 미함침부의 보강섬유로 인해 형태 안정성이 저하되어 있으며, 함침성 향상을 위해 점도가 낮고 흐름성이 높은 수지를 사용하고 있어 상온에서 수지의 힘이 저하되어 형태안정도가 낮다. 형태안정도가 낮기 때문에 성형시 제 위치를 잡지 못하여 공극을 원천적으로 제거할 수 없으므로 치밀한 성형품 제작에 어려움이 있다는 문제점이 있어왔다.
이에 따라, 반함침 프리프레그에 대한 연구가 국내외에서 활발히 이루어지고 있으며, 그에 대한 결과물로 많은 반함침 프리프레그들이 도출되었지만 아직은 미흡한 실정이다.
따라서, 반함침 프리프레그에 의도적인 함침을 통해 탈오토클레이브 공정 중 진공/가열시 미함침부를 통한 수지의 유로(Flow Channel) 확보를 가능하게 하며, 이를 통해 공극이 적은 치밀한 성형물의 성형이 가능한 반함침 프리프레그를 제조할 수 있는 새로운 기술개발 연구가 절실히 요구되는 시점이다.
KR 10-0997244 B1
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 반함침 프리프레그에 존재하는 공극 내의 공기를 완전히 제거하여 성형함침성을 향상시킬 수 있는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법은, 이형필름의 상부에 반함침 프리프레그를 적층하는 프리프레그 적층단계; 상기 적층된 반함침 프리프레그에 인접하게 연질의 댐을 설치하여 상기 적층된 반함침 프리프레그의 형태를 안정시키는 댐설치단계; 상기 연질의 댐상에 설치된 공기이송용 섬유를 상기 적층된 반함침 프리프레그에 연결하여 상기 적층된 반함침 프리프레그에 함유된 공기를 배출하는 섬유연결단계; 및 상기 연질의 댐, 상기 공기이송용 섬유 및 상기 적층된 반함침 프리프레그에 이형필름, 브리더 및 진공필름으로 덮어 성형하는 성형단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 공기이송용 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 현무암섬유 및 보론섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 공기이송용 섬유는 유리섬유인 것을 특징으로 한다.
그리고 댐설치단계는 연질의 합성수지로 이루어진 연질의 댐을 상기 적층된 반함침 프리프레그로부터 5~20mm의 범위로 이격되게 설치하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 섬유연결단계의 공기이송용 섬유는 직물 형상으로 직조된 유리섬유이며, 상기 유리섬유는 상기 연질의 댐 표면에 압착 형성되어 상기 적층된 반함침 프리프레그의 측면과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 섬유연결단계의 공기이송용 섬유는 실 형상의 유리섬유이며, 상기 유리섬유는 상기 적층된 반함침 프리프레그의 상면 일부에서부터 상기 적층된 반함침 프리프레그와 인접한 연질의 댐 측면을 감싸도록 일정간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형장치는 반함침 프리프레그; 상기 반함침 프리프레그가 적층될 수 있도록 평면으로 이루어진 평면부; 상기 반함침 프리프레그를 감싸도록, 상기 반함침 프리프레그의 측면에 설치되는 연질의 댐; 상기 반함침 프리프레그에 연결되어 상기 반함침 프리프레그에 함유된 공기를 배출시키는 공기이송용 섬유; 및 상기 연질의 댐, 상기 공기이송용 섬유 및 상기 반함침 프리프레그를 덮는 커버부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치는 연질의 고무 등으로 이루어진 댐과, 직물 형상으로 직조된 유리섬유 또는 실 형상의 유리섬유를 사용함으로써 수지의 흐름성과 섬유의 젖음성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 반함침 프리프레그의 형태적 불안정성 및 반함침 프리프레그의 일방향 섬유가 쪼개지는 등 형태불량발생 가능성을 낮추어 높은 물성의 성형물을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 오토클레이브 사용을 배제한 탈오토클레이브 성형을 위해 오븐을 이용함으로써 장비사용에 대한 비용을 60% 이상 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 기존의 성형 부자재로 사용하는 실란트를 댐으로 활용함으로써 종래 경질의 댐을 가공 제작하는데 드는 시간을 감소시킬 수 있어 제품 성형 비용을 줄여 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 진공백 성형공정의 개략도.
도 2는 일반적인 프리프레그와 반함침 프리프레그의 개념도.
도 3은 탈오토클레이브공법을 이용한 프리프레그 성형의 개념도.
도 4는 오토클레이브 진공 시스템(Autoclave Bagging System)의 개념도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형 개념도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형 개념도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반함침 프리프레그의 성형사이클.
본 발명을 기술하기에 앞서, 본 발명에 적용하기 위한 기술을 기술해보고자 한다.
도 3은 탈오토클레이브공법을 이용한 프리프레그 성형의 개념도이다. 도 3을 참조하여 설명해보자면, 도 3-(a)는 오토클레이브 대신 오븐을 활용한 탈오토클레이브공법의 개념도로써 오토클레이브와 유사하게 프리프레그(11)에 진공(12)을 가한 후 오븐(13) 내에 위치한 히터(14, 14', 14'')를 이용하여 가열 성형하게 된다. 이때, 오븐(13) 내의 기압은 상압으로 성형물의 크기와 관계없이 저렴하게 오븐을 제작할 수 있다는 장점이 있다.
반면, 도 3-(b)는 오븐을 사용하지 않고 프리프레그(11)에 진공(12)을 가한 후 밀폐된 공간에 프리프레그(11)를 위치시킨 후 열풍기(15)를 이용하여 성형하는 탈오토클레이브공법의 개념도를 도시하였다.
하지만 탈오토클레이브공법은 가압과정 없이 진공만으로 프리프레그에 압력을 가하므로 프리프레그 사이의 공극과 휘발분을 효과적으로 제거하기 매우 어렵다. 이러한 공법의 단점을 소재의 개선으로 극복하고자 하는 시도가 활발히 전개되고 있으며, 그 결과물로 반함침 프리프레그(Semi-preg)가 도출되게 된 것이다.
도 4는 오토클레이브 진공 시스템(Autoclave Bagging System)의 개념도이다. 도 4-(a)는 오토클레이브 진공 시스템을 이용한 반함침 프리프레그의 전면도이며, 도 4-(b)는 오토클레이브 진공 시스템을 이용한 반함침 프리프레그의 상면도임을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 기존의 오토클레이브 진공 시스템에서 평면부(T)와 동일하거나 열전도율이 비슷한 경질의 댐(Dam)을 프리프레그 측면을 감싸도록 하여 과도한 수지의 유출을 방지할 뿐만 아니라 제품의 중앙부와 끝단의 두께를 유지시킴을 알 수 있다.
그렇지만, 반함침 프리프레그 사용시 기존의 댐은 프리프레그 내부 공극의 유출을 막아 제품의 치밀한 성형을 방해하는 원인이 된다. 이에 따라, 반함침 프리프레그가 일반적인 프리프레그와 다르게 미함침 공극영역이 존재하고 있다는 것을 인지하고, 공극 영역 내의 공기를 외부로 배출시키는 방법을 모색하기 위하여 본 발명을 제시하고자 하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반함침 프리프레그(200)의 탈오토클레이브 성형장치는, 반함침 프리프레그(200), 평면부(T), 연질의 댐(300), 공기이송용 섬유 및 커버부로 이루어질 수 있다.
여기서 평면부(T)는 반함침 프리프레그(200)가 적층될 수 있도록 평면으로 이루어져 있고, 연질의 댐(300)은 반함침 프리프레그(200)를 감싸도록 반함침 프리프레그(200)의 측면에 설치되고, 공기이송용 섬유는 반함침 프리프레그(200)에 연결되어 반함침 프리프레그(200)에 함유된 공기를 배출시키며, 커버부는 연질의 댐(300)과 공기이송용 섬유와 반함침 프리프레그(200)의 전면(全面)을 덮는 구성이다.
특히, 공기이송용 섬유는 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)와 실 형상의 유리섬유(500)로 나누어질 수 있다.
말하자면, 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)는 반함침 프리프레그(200)로부터 5~20mm의 범위로 이격되게 설치되는 연질의 댐(300) 표면에 압착 형성되어 반함침 프리프레그(200)의 측면과 연결되는 섬유이다.
그리고 실 형상의 유리섬유(500)는 연질의 댐(300)과 인접한 반함침 프리프레그(200)의 상면 일부에서부터 연질의 댐(300) 측면을 감싸도록 일정간격으로 배치되어 형성되는 섬유이다.
한편, 반함침 프리프레그(200) 성형시 경질의 댐이 가지고 있는 문제점의 대안으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 탈오토클레이브 성형장치에 따른 반함침 프리프레그(200)는, 부드러운 고무(Soft rubber) 등 연질의 댐(300)에 공기의 통로를 인위적으로 만들기 위해 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400) 또는 실 형상의 유리섬유(500)를 사용하는 두 가지 방법으로 성형될 수 있다.
첫째, 연질의 댐(300)과 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 이용하여 프리프레그를 성형하는 방법이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 반함침 프리프레그(200)의 탈오토클레이브 성형 개념도이다. 도 5-(a)는 반함침 프리프레그(200) 성형에 따른 측면도이며, 도 5-(b)는 반함침 프리프레그(200) 성형에 따른 상면도이다.
도 5를 참조하면, 반함침 프리프레그(200)에 존재하는 미함침 공극영역의 공기 배출을 원활히 하기 위하여 기존 경질의 댐을 사용하지 않고 공기 배출을 원활하게 할 수 있는 연질의 댐(300) 표면에 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 접촉하게 하여 공기 통로를 만듦에 따라 진공압 만으로도 충분히 치밀한 성형이 가능하도록 하는 방법임을 알 수 있다.
먼저, 적층된 반함침 프리프레그(200)의 형태를 안정시키도록, 적층된 반함침 프리프레그(200)에 인접하게 연질의 댐(300)을 설치하는 댐설치단계를 실시한다.
이에 앞서, 추후 완제품이 평면부(T) 상에서 쉽게 분리될 수 있도록 평면부(T)의 상부 표면에 이형필름(100)을 위치시키거나 이형용액(Release Liquids)을 도포한다. 이때, 평면부(T)의 표면과 이형필름(100) 또는 이형용액의 표면에 먼지 등 기타 이물질이 부착 또는 형성되면 완제품의 표면에 그대로 나타나므로 클리닝을 치밀하게 할 필요성이 있다.
이형필름(100) 또는 이형용액을 위치시킨 후, 이형필름(100)의 상부에 반함침 프리프레그(200)를 적층하는 프리프레그 적층단계를 실시한다. 이때, 반함침 프리프레그(200)의 적층 패턴에 따라 [0]와 [90], [45] 방향으로 구분하여 적층한다. 이때, 반함침 프리프레그(200)는 완제품으로 사용되는 크기보다 10~20mm 이상 크게 절단하여 적층하는 것이 바람직하며, 적층된 반함침 프리프레그(200)는 4개(4ply)의 반함침 프리프레그(200)마다 진공압을 가해 반함침 프리프레그(200) 사이사이에 생길 수 있는 공극을 제거한다.
이후, 반함침 프리프레그(200)의 적층을 완료하고 반함침 프리프레그(200)로부터 일정간격 이격되게 연질의 합성수지 즉, 연질의 고무 및 연질의 실란트(Sealant) 중 어느 하나로 이루어진 연질의 댐(300)을 설치한다.
말하자면, 본 발명의 브리더(600, Breather)와 반함침 프리프레그(200) 사이에 위치하는 댐 소재는 상술한 바와 같이 경질보다 연질인 것이 바람직하며, 진공필름(700, Bagging Film)의 밀봉에 사용되는 실란트를 연질의 댐(300) 소재로 적용할 수 있다.
다시 말하자면, 연질의 고무 소재로 평면부(T)와 진공필름(700)의 밀착을 위해 사용하는 연질의 실란트 또는 반함침 프리프레그(200) 성형 온도와 시간을 고려하여 내구성이 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 참고로, 분진이나 이물질이 발생하여 완제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 소재는 사용하지 않는 것이 바람직하다.
특히, 연질의 고무로 실란트를 사용하면 반함침 프리프레그(200)와 밀착되어 수지의 유동과 실란트 내열도에 따라 제품 표면에 번지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 연질의 댐(300)은 적층된 반함침 프리프레그(200)로부터 수지의 함량을 고려하여 5~20mm의 범위로 이격되게 설치하여 인위적으로 공기의 통로를 만들어 이를 통해 공기가 외부로 배출되게 할 수 있다.
정리하자면, 본 단계는 고압을 사용하지 않고 상압만을 이용하여 수지의 과잉 이탈을 방지하기 위하여 브리더(600)와 반함침 프리프레그(200)의 사이에 반함침 프리프레그(200)에 포함되지 않은 이형의 소재인 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 이용하여 반함침 프리프레그(200) 내부 공극의 공기가 외부로 배출될 수 있도록 공기 통로를 만들어 줄 수 있는 기반인 연질의 댐(300)을 설치하는 단계이다.
다음으로, 연질의 댐(300)상에 설치된 공기이송용 섬유를 적층된 반함침 프리프레그(200)에 연결하여 적층된 반함침 프리프레그(200)에 함유된 공기를 배출하는 섬유연결단계를 실시한다.
여기서 공기이송용 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 현무암섬유 및 보론섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 본 발명에서는 유리섬유를 적용하는 것이 바람직하다.
즉, 섬유연결단계의 섬유로 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 적용하였으며, 본 발명에서는 공기의 통로를 만드는데 사용되는 소재로써 반함침 프리프레그(200)에 사용되지 않은 이형의 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 사용한다.
아울러, 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)는 연질의 댐(300) 표면에 압착 형성되어 적층된 반함침 프리프레그(200)의 측면과 연결된다.
특히, 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)는 진공을 가하여 인위적인 압착이 발생하였을 때 연질의 댐(300)과 일원화되어 수지 및 공기의 이동 통로가 된다. 그리고 본 단계에서의 연질의 댐(300) 표면이라 함은, 연질의 댐(300) 측면과 상면을 의미한다.
앞서 기술하였듯이, 보강섬유로 사용되는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 현무암섬유 등 다양한 섬유들을 통해서도 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 이용한 공기 통로 효과를 도출해낼 수 있다.
단, 여기서 주의할 점은 본 발명의 반함침 프리프레그(200)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 현무암섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택되어 제조될 수 있으나, 유리섬유의 경우 본 발명에서 제시한 연질의 댐(300)에 압착 형성되는 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)와는 다른 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 연질의 댐(300), 공기이송용 섬유 및 적층된 반함침 프리프레그(200)에 이형필름(100), 브리더(600) 및 진공필름(700)으로 덮어 성형하는 성형단계를 실시한다.
말하자면, 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)로 인해 공기의 통로가 확보되면 적층된 반함침 프리프레그(200)의 전면(全面)에 걸쳐 이형필름(100)으로 덮는다. 이때, 이형필름(100)의 크기는 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)가 브리더(600)와 접촉이 가능한 크기로 절단한다. 그리고 이형필름(100)이 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)를 덮어 공기 통로 역할이 미미해지지 않도록 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)의 크기를 적절히 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
이후, 반함침 프리프레그(200)를 완전히 덮은 이형필름(100)의 상부에 브리더(600)를 덮고, 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)가 접해있는지 확인 후 진공필름(700)을 적층함으로써 마무리한다.
부가적으로, 본 발명에서 제시한 반함침 프리프레그(200)의 탈오토클레이브 성형방법은 보강섬유의 형태가 일방향으로 정열된 단일 방향 프리프레그와 직물형태로 이루어진 직물형 프리프레그 모두 적용이 가능하다.
둘째, 연질의 댐(300)과 실 형상의 유리섬유(500)를 이용하여 프리프레그를 성형하는 방법이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 반함침 프리프레그(200)의 탈오토클레이브 성형 개념도이다. 도 6-(a)는 반함침 프리프레그(200) 성형에 따른 측면도이며, 도 6-(b)는 반함침 프리프레그(200) 성형에 따른 상면도이다.
도 6을 참조하면, 반함침 프리프레그(200)에 존재하는 미함침 공극영역의 공기 배출을 원활히 하여 치밀한 제품을 성형하기 위해 기존 경질의 댐을 사용하지 않고 공기 배출을 원활하게 할 수 있도록 연질의 댐(300) 표면에 실 형상의 유리섬유(500)를 배치하여 공기 통로를 만듦에 따라 진공압 만으로도 충분히 치밀한 성형이 가능하도록 하는 방법이다.
먼저, 적층된 반함침 프리프레그(200)의 형태를 안정시키도록, 적층된 반함침 프리프레그(200)에 인접하게 연질의 댐(300)을 설치하는 댐설치단계를 실시한다.
이에 앞서, 추후 완제품이 평면부(T) 상에서 쉽게 분리될 수 있도록 평면부(T)의 상부 표면에 이형필름(100)을 위치시키거나 이형용액(Release Liquids)을 도포한다. 이때, 평면부(T)의 표면과 이형필름(100) 또는 이형용액의 표면에 먼지 등 기타 이물질이 부착 또는 형성되면 완제품의 표면에 그대로 나타나므로 클리닝을 치밀하게 할 필요성이 있다.
이형필름(100) 또는 이형용액을 위치시킨 후, 이형필름(100)의 상부에 반함침 프리프레그(200)를 적층하는 프리프레그 적층단계를 실시한다. 이때, 반함침 프리프레그(200)의 적층 패턴에 따라 [0]와 [90], [45] 방향으로 구분하여 적층한다. 이때, 반함침 프리프레그(200)는 완제품으로 사용되는 크기보다 10mm 이상 크게 절단하여 적층하는 것이 바람직하며, 적층된 반함침 프리프레그(200)는 4개(4ply)의 반함침 프리프레그(200)마다 진공압을 가해 반함침 프리프레그(200) 사이사이에 생길 수 있는 공극을 제거한다.
이후, 반함침 프리프레그(200)의 적층을 완료하고 반함침 프리프레그(200)와 인접하게 연질의 고무 및 연질의 실란트 등 연질의 합성수지로 이루어진 연질의 댐(300)을 설치한다.
말하자면, 본 발명의 브리더(600)와 반함침 프리프레그(200) 사이에 위치하는 댐 소재는 상술한 바와 같이 경질보다 연질인 것이 바람직하며, 진공필름(700)의 밀봉에 사용되는 실란트를 연질의 댐(300) 소재로 적용할 수 있다.
다시 말하자면, 연질의 고무 소재로 평면부(T)와 진공필름(700)의 밀착을 위해 사용하는 연질의 실란트 또는 반함침 프리프레그(200) 성형 온도와 시간을 고려하여 내구성이 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 참고로, 분진이나 이물질이 발생하여 완제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 소재는 사용하지 않는 것이 바람직하다.
다음으로, 연질의 댐(300)상에 설치된 공기이송용 섬유를 적층된 반함침 프리프레그(200)에 연결하여 적층된 반함침 프리프레그(200)에 함유된 공기를 배출하는 섬유연결단계를 실시한다.
여기서 공기이송용 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 현무암섬유 및 보론섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 본 발명에서는 유리섬유를 적용하는 것이 바람직하다.
본 단계에서의 공기이송용 섬유는 실 형상의 유리섬유(500)를 의미하는 것으로, 이러한 실 형상의 유리섬유(500)를 적층된 반함침 프리프레그(200)의 상면 일부에서부터 적층된 반함침 프리프레그(200)와 인접한 연질의 댐(300) 측면을 감싸도록 일정간격으로 배치한다.
즉, 실 형상의 유리섬유(500)는 연질의 댐(300)과 일원화되어 수지 및 공기의 이동 통로를 형성시켜 주는 것이다.
앞서 기술하였듯이, 보강섬유로 사용되는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 현무암섬유 등 다양한 섬유들을 통해서도 실 형상의 유리섬유(500)를 이용한 공기 통로 효과를 도출해낼 수 있다.
단, 여기서 주의할 점은 본 발명의 반함침 프리프레그(200)는 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 현무암섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택되어 제조될 수 있으나, 유리섬유의 경우 본 발명에서 제시한 적층된 반함침 프리프레그(200)의 상면 일부에서부터 적층된 반함침 프리프레그(200)와 인접한 연질의 댐(300) 측면을 감싸도록 일정간격으로 배치되는 실 형상의 유리섬유(500)와는 다른 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 연질의 댐(300), 공기이송용 섬유 및 적층된 반함침 프리프레그(200)에 이형필름(100), 브리더(600) 및 진공필름(700)으로 덮어 성형하는 성형단계를 실시한다.
말하자면, 실 형상의 유리섬유(500)로 인해 공기의 통로가 확보되면 적층된 반함침 프리프레그(200)의 전면(全面)에 걸쳐 이형필름(100)으로 덮는다. 이때, 이형필름(100)의 크기는 실 형상의 유리섬유(500)가 브리더(600)와 접촉이 가능한 크기로 절단한다. 그리고 이형필름(100)이 실 형상의 유리섬유(500)가 배치된 반함침 프리프레그(200)를 덮어 공기 통로 역할이 미미해지지 않도록 실 형상의 유리섬유(500)를 일정간격으로 적절히 조절해 배치하는 것이 바람직하다.
이후, 반함침 프리프레그(200)를 완전히 덮은 이형필름(100)의 상부에 브리더(600)를 덮고, 실 형상의 유리섬유(500)가 일정간격으로 배치되어 있는지 확인 후 진공필름(700)을 적층함으로써 마무리한다.
정리하자면, 실 형상의 유리섬유(500)를 사용한 두번째 방법 역시 보강섬유의 형태가 일방향으로 정열된 단일 방향 프리프레그와 직물형태로 이루어진 직물형 프리프레그 모두 적용이 가능하다.
이하, 본 발명인 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치에 대한 바람직한 실시예 및 비교예를 설명해보자면 다음과 같다.
<실시예 1>
본 발명의 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 공정에 따라, 댐을 연질의 실란트로 대체하고 직물 형상으로 직조된 유리섬유를 첨가하여 제품의 공기통로를 만들어 주었다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반함침 프리프레그의 성형사이클이다. 도 7에 도시된 바와 같이 제품의 성형 사이클을 준수하였으며, 오븐을 이용하여 300mm × 300mm × 5mm 판넬을 제작하였다.
<실시예 2>
본 발명의 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 공정에 따라, 댐을 연질의 실란트로 대체하고 실 형상의 유리섬유를 한 면당 50mm 간격으로 배치하여 제품의 공기통로를 만들어 주었다. 도 7에 도시된 바와 같이 제품의 성형 사이클을 준수하였으며, 오븐을 이용하여 300mm × 300mm × 5mm 판넬을 제작하였다.
<비교예 1>
반함침 프리프레그를 사용하고 경질의 댐을 이용하여 제품을 성형하였다. 도 7에 도시된 바와 같이 성형 사이클을 준수하였으며, 실시예에서 사용한 동일한 오븐에서 300mm × 300mm × 5mm 판넬을 제작하였다.
<비교예 2>
반함침 프리프레그를 사용하고 경질의 댐을 이용하여 제품을 성형하였다. 도 7에 도시된 바와 같이 성형 사이클을 준수하였으며, 오토클레이브를 사용하여 성형하였다. 기본적인 성형 사이클은 도 7에 도시된 바와 같이 준수하였고, 추가적으로 일반적인 제품의 생산에 가장 많이 사용되는 4bar의 압력을 가하여 성형하였다. 시편은 300mm × 300mm × 5mm 크기의 판넬을 제작하였다.
상기한 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 조건을 다음과 같이 표 1에 정리하였다.
실시예 1 실시예2 비교예 1 비교예 2
사용장비 오븐 오븐 오븐 오토클레이브
댐 연질(실란트) 연질(실란트) 경질(알루미늄) 경질(알루미늄)
압력 상압 상압 상압 4bar
유리섬유 직물 형상으로 직조된 유리섬유 실 형상의 유리섬유 × ×
시편 크기 300mm × 300mm × 5mm
<특성 평가>
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2를 통해 성형된 반함침 프리프레그 성형품에 대한 특성 평가를 수행하였다. 평가 항목으로는 제품 품질의 평가 요소인 제품 표면의 공극(Void) 발생정도, 제품의 두께, 제품의 뒤틀림, 성형품 내부의 공극 함량, 수지 흐름성에 대한 평가를 진행하였다. 평가 결과를 다음과 같이 표 2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
성형품 표면 공극(Void) ◎ ○ △ ○
제품 두께 ◎(5.02mm) ○(5.06mm) △(5.11mm) ×(4.84mm)
뒤틀림 ○ ○ △ △
성형품 내부 공극 함량 ◎ ○ ○ ◎
수지 흐름성 ◎ ○ △ ◎
(◎:우수, ○:양호, △:보통, ×: 불량)
표 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 탈오토클레이브 성형 공정을 이용한 성형품의 품질에서 가장 우수한 품질을 확인할 수 있었다. 실시예 2의 경우 공기의 통로 역할을 수행하는 실 형상의 유리섬유 배치가 적어 제품 내부의 공극 제거가 완전히 이루어지지 않아 시험편의 두께가 실시예 1보다 두껍게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 비교예들에 비해 우수한 품질의 표면 특성을 보이고 있다.
반면, 비교예 1의 경우 경질의 댐으로 인해 진공(Vacuum)만으로는 제품 내부의 공극 배출이 어렵기 때문에 제품 표면에서 육안으로 확인할 수 있는 공극이 상당수 발견되었다. 제품을 절단하여 내부 공극을 확인한 결과, 내부의 공극이 제대로 제거되지 않고 국부적으로 뭉쳐 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 제품의 공극이 내부에 남아있어 제품의 두께도 실시예 1에 비해 1mm 가량 차이가 남을 확인 할 수 있었다.
비교예 2의 경우, 4bar로 가해지는 압력으로 인해 치밀한 제품의 생산을 보이지만, 반함침 프리프레그 내의 공극을 무시할 정도의 압력이 가해짐으로 인해 시편의 두께가 제품의 유효값을 벗어나는 결과를 보였다. 또한, 제품의 공극 배출과정에서 과도한 수지의 유출을 보여 제품의 끝단에서 뒤틀림 현상이 발생하였다.
이상과 같이 본 발명에 따른 반함침 프리프레그(200)의 탈오토클레이브 성형방법 및 성형장치는, 반함침 프리프레그(200) 내부 공극의 공기를 외부로 배출을 용이하게 함으로써 치밀한 성형품을 만들 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 산출물인 연질의 댐(300)과 반함침 프리프레그(200) 제조시 사용되는 섬유와는 이형의 보강섬유인 직물 형상으로 직조된 유리섬유(400)와 실 형상의 유리섬유(500)를 적용하여 다양한 탈오토클레이브 성형품 제조에 널리 사용가능할 것으로 기대된다.
특히, 고가의 오토클레이브를 사용할 필요가 없어 생산 원가를 줄일 수 있고 이산화탄소의 배출을 줄여 친환경적인 생산성을 나타낼 것으로 기대된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
T: 평면부 100: 이형필름
200: 반함침 프리프레그 300: 연질의 댐
400: 직물 형상으로 직조된 유리섬유 500: 실 형상의 유리섬유
600: 브리더 700: 진공필름

Claims (9)

  1. 이형필름의 상부에 반함침 프리프레그를 적층하는 프리프레그 적층단계;
    상기 적층된 반함침 프리프레그에 인접하게 연질의 댐을 설치하여 상기 적층된 반함침 프리프레그의 형태를 안정시키는 댐설치단계;
    상기 연질의 댐상에 설치된 공기이송용 섬유를 상기 적층된 반함침 프리프레그에 연결하여 상기 적층된 반함침 프리프레그에 함유된 공기를 배출하는 섬유연결단계; 및
    상기 연질의 댐, 상기 공기이송용 섬유 및 상기 적층된 반함침 프리프레그에 이형필름, 브리더 및 진공필름으로 덮어 성형하는 성형단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기이송용 섬유는,
    탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 현무암섬유 및 보론섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기이송용 섬유는,
    유리섬유인 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 댐설치단계는,
    연질의 합성수지로 이루어진 연질의 댐을 상기 적층된 반함침 프리프레그로부터 5~20mm의 범위로 이격되게 설치하는 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유연결단계의 공기이송용 섬유는,
    직물 형상으로 직조된 유리섬유이며,
    상기 유리섬유는,
    상기 연질의 댐 표면에 압착 형성되어 상기 적층된 반함침 프리프레그의 측면과 연결되는 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유연결단계의 공기이송용 섬유는,
    실 형상의 유리섬유이며,
    상기 유리섬유는,
    상기 적층된 반함침 프리프레그의 상면 일부에서부터 상기 적층된 반함침 프리프레그와 인접한 연질의 댐 측면을 감싸도록 일정간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형방법.
  7. 반함침 프리프레그;
    상기 반함침 프리프레그가 적층될 수 있도록 평면으로 이루어진 평면부;
    상기 반함침 프리프레그를 감싸도록, 상기 반함침 프리프레그의 측면에 설치되는 연질의 댐;
    상기 반함침 프리프레그에 연결되어 상기 반함침 프리프레그에 함유된 공기를 배출시키는 공기이송용 섬유; 및
    상기 연질의 댐, 상기 공기이송용 섬유 및 상기 반함침 프리프레그를 덮는 커버부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공기이송용 섬유는,
    상기 반함침 프리프레그로부터 5~20mm의 범위로 이격되게 설치되는 연질의 댐 표면에 압착 형성되어 상기 반함침 프리프레그의 측면과 연결되는 직물 형상으로 직조된 유리섬유인 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 공기이송용 섬유는,
    상기 연질의 댐과 인접한 반함침 프리프레그의 상면 일부에서부터 상기 연질의 댐 측면을 감싸도록 일정간격으로 배치되어 형성되는 실 형상의 유리섬유인 것을 특징으로 하는 반함침 프리프레그의 탈오토클레이브 성형장치.
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