KR101641719B1 - 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법 및 성형 장치 - Google Patents

수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법 및 성형 장치 Download PDF

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Abstract

수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법 및 성형 장치가 개시된다. 상부 성형몰드와 하부 성형몰드 중 적어도 어느 하나의 상면에 한 개 이상의 수지배출구가 캐비티 영역의 중앙부에 형성되며, 복수 개의 수지주입구는 캐비티 영역의 가장자리 영역의 복수 개의 지점에 형성되되 한 개 이상의 수지배출구를 중심으로 대칭적으로 배치된 성형몰드를 사용한다. 캐비티에 섬유 기재를 안착하고 그 캐비티를 진공화 한다. 액상 수지 혼합물을 복수 개의 수지주입구를 통해 동시에 캐비티 내부로 주입한다. 이에 의해 각 수지주입구를 통해 주입된 액상 수지 혼합물이 섬유 기재에 함침되면서 캐비티의 중앙부 쪽으로 이동하여 수지배출구를 포함하는 수지종착영역에서 최종적으로 만난다. 이 과정에서 발생하는 포어는 수지종착영역에 집중적으로 모인다. 캐비티의 내부가 액상 수지 혼합물로 다 채워진 상태에서, 그 수지종착영역에 존재하는 포어들을 수지배출구 밖으로 몰아내기 위해, 수지배출구에 연결된 수지배출관을 차단하고 캐비티에 보압을 인가한다. 수지 혼합물은 2단계로 구분하여 온도를 상승시켜 급격한 온도 상승에 따른 포어 발생을 최소화한다.

Description

수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법 및 성형 장치{Method of forming fiber reinforced plastic using resin transfer molding and apparatus for the same}
본 발명은 수지 이송 성형 (Resin Transfer Molding: RTM) 공정을 이용하여 원하는 물건을 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic: FRP)으로 성형하는 방법과 이를 위한 장치에 관한 것이다.
섬유 강화 플라스틱은 예컨대 탄소 섬유, 유리섬유, 아라미드(Aramid) 등과 같은 섬유(fiber)와 수지(열가소성, 또는 열경화성)를 결합하여 만들어진 복합 소재의 한 가지이다. FRP는 예컨대 전기전야 분야의 인쇄회로기판, 휴대폰 케이스, IT 기기 케이스 등의 원료로 사용되고, 최근에는 자동차 분야(경량화 차체, 차량 인테리어 부품 등), 스포츠 레저 분야(낚싯대, 모터사이클 장갑, 스키 헬멧, 축구화 등)와 여러 공업 부품(유도탄 부품, 무인 항공기 부품 등)의 경량화 추세에 잘 맞는 재료적 특징을 가지고 있어서, 그런 분야에서도 큰 관심을 받고 있는 소재이다.
이런 FRP 성형품들을 제조하기 위한 성형방법의 한 가지로서 RTM 공정이 알려져 있다. RTM 공정은, 일반적으로 섬유 원단(fiber)을 재단한 섬유 기재를 RTM 성형 몰드 내에 안착시킨 다음 성형 몰드를 닫아 잠그고 성형 몰드 내부에 부압(진공)을 걸어준 상태에서, 수지와 경화제가 적정 비율로 혼합된 수지액(2액형 또는 3액형 수지)을 가압하여 그 RTM 성형 몰드 내부로 주입한 다음, 경화시킴으로써 FRP 성형물을 만드는 공정이다. 주입 과정에서 공기는 성형 몰드 밖으로 배출된다. 수지의 종류에 따라 열을 가하거나 자외선(UV)을 가하여 경화시킨다.
일반적으로, FRP 제품의 RTM 성형에 있어서 언제나 요구되는 점은 성형제품 품질과 생산성을 좋게 하는 일이다. RTM 성형제품의 품질에 영향을 미치는 중요한 요인들 중의 하나는 성형제품에 포어(pore)의 존재 여부이다. 성형물 내에 포어(pore)가 존재하면 그 성형물의 외관, 기계적 강도 등을 떨어뜨려 품질을 나쁘게 만든다. 여기서, 용어 '포어'는 오픈 포어(pore), 쉬린키지(shrinkage), 보이드(void), 핀홀(pin hole) 등을 포괄하는 통칭적 용어이다.
RTM 공정에 있어서 포어가 발생하는 요인들은 다양하다. 그 중 수지를 성형 몰드 내에 주입을 완료하기까지 포어는 다음과 요인들에 의해 발생할 수 있다. (i) RTM 공정의 원료로 사용할 액상 수지 내에 공정 투입 전부터 존재하는 잔여 기포, (ii) 성형 몰드 내부에 안착하는 섬유 기재의 직조 패턴 사이에 존재하는 미세 공간이 성형 몰드 내에 주입된 액상의 수지에 의해 완전히 함침되지 못한 상태로 있다가 나중에 가열에 의해 수지가 완전히 경화되기 직전에 함침되는 과정에서 포어 발생, (iii) 성형 몰드에 수지를 주입하기 위해 수지공급관로에서 성형 몰드로 수지를 이송하는 과정에서 수지의 체적 변화, (iv) 수지 투입 전에 성형 몰드 내 진공 분위기를 형성하지만 완전 진공 분위기를 만드는 것은 불가한 점 등의 이유 때문에 FRP 성형물에 포어가 발생한다. 이런 요인들은 포어가 발생하지 않도록 최대한 억제하는 방법이 필요함과 동시에, 포어의 발생은 불가피한 측면도 있으므로 발생하는 포어를 가장 효과적으로 제거하는 방법이 동시에 필요함을 보여주기도 한다.
종래의 알려진 RTM 성형기술들은 이와 같은 포어의 발생 원인들을 전면적으로 파악하지 못하고 부분적으로만 알았기에, 제시하는 해결책도 부분적인 해법에 불과하였다. 또한, 포어의 발생을 억제하는 점에만 초점을 맞춘 것이 대부분이었고, 불가피하게 발생하는 포어를 효과적으로 제거하는 방법을 제거하는 방법에 관해서는 의미 있는 해법을 제시하지 못하였다. 예컨대 특허문헌 1은 성형몰드의 수지유입부와 수지유출부 각각에 댐핑포켓과 슬릿라인을 부설시켜 수지 유입구와 수지 유출구가 각각 하나씩 마련되더라도 수지를 섬유 기재에 고르게 함침시켜 압력차의 불균일로 인한 불완전 함침과 기포 발생을 최소화하는 방법을 제시한다. 하지만, 이 특허문헌 1은 불가피하게 발생하는 포어를 제거하는 방법에 관해서는 침묵하고 있다.
한편, 종래의 RTM 성형기술들 중에서 성형 몰드 내의 캐비티에 대한 수지 주입구를 복수 개 마련하여 방법을 제시한 것들이 있다. 특허문헌 2와 특허문헌 3이 그 예이다. 이들 특허문헌이 수지 주입구를 복수 개 마련하는 주된 이유는 수지의 캐비티 주입 속도를 높여 생산성을 향상시키기 위함이다.
특히, 특허문헌 2는 수지 주입속도 향상을 목적으로 마련하는 복수 개의 수지 주입구로 인해 싱크마크가 발생할 개연성이 높아지는 문제를 해결하기 위해, 일부 수지 주입구는 성형 몰드 캐비티의 중앙부에 배치하고, 나머지는 캐비티의 외주부에 배치하면서 주입 수지의 온도보다 성형 몰드의 중앙부 온도를 훨씬 더 높게 하여 중앙부의 수지를 먼저 경화시킴으로써, 주입된 수지가 경화되려고 할 때의 경화 수축에 따른 싱크 마크의 발생을 억제하는 보완책까지 제시한다. 하지만, 특허문헌 2는 복수 개의 수지 주입구를 마련하는 경우, 포어의 발생 억제 및 불가피하게 발생하는 포어의 효과적인 제거를 가능하게 하는 방안에 관해서는 아무런 가르침을 제공하지 못한다. 특허문헌 2가 제시하는 복수 개의 수지 주입구의 배치는 오히려, 캐비티 내의 수지의 온도 편차로 인해 포어가 더 많이 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 발생하는 포어들이 중앙부 수지 주입구와 외주부 수지 주입구들 사이에 갇혀 특정 영역에 밀도 높게 모이는 현상이 발생할 수 있고, 그로 인해 성형품이 표면에 결함을 발생할 가능성이 높다.
특허문헌 3도, 복수 개의 수지 주입구가 수지 주입의 속도를 높일 수 있는 점에만 주목할 뿐, 포어 발생에 어떤 영향을 미치는지, 수지 주입구들의 위치와 수지 배출구와의 관계가 어떨 때 포어 발생을 최대로 억제할 수 있는지에 관해 아무런 가르침도 제공하지 못한다. 수지 주입구의 개수가 많을수록 수지 주입을 더 효과적으로 할 수 있다는 정도의 인식에 머무르고 있다.
한편, 성형 몰드에 주입된 수지를 경화하는 과정에서 급가열에 의한 갑작스런 온도 상승으로 인한 가스 발생도 포어 발생의 원인이 된다. 특허문헌 3은 성형 몰드 투입 전 수지 온도는 60℃이고, 투입 대기하는 성형 몰드의 온도는 100℃(또는 95℃ 또는 85℃)로 가온하므로(단락번호 [0230], [0236], [0252], [0257] 참조), 수지가 성형 몰드의 캐비티 내에 주입되자마자 급가열되고, 이로 인해 포어가 발생할 수 있다. 특허문헌 2도 마찬가지이다. 주입 전의 수지의 온도와 수지 주입 시의 성형 몰드의 온도를 포어 발생 최소화의 관점에서 제어할 필요가 있다. 또한, RTM 성형공정에서 온도는 공정의 생산성에도 영향 미친다. 그러므로 포어 발생 최소화와 생산성 향상을 동시에 만족할 수 있는 공정 온도 제어가 요구된다.
(1) 대한민국 등록특허공보 제10-1447133호 (발명의 명칭: 댐핑포켓과 슬릿채널이 부설되어 있는 진공함침 수지이송성형방식에 의한 섬유강화플라스틱 성형몰드) (2) 대한민국 공개특허공보 10-2014-0126691호 (발명의 명칭: RTM 방법) (3) 대한민국 공개특허공보(A) 제10-2006-0134105호 (발명의 명칭: RTM 성형 방법 및 장치)
본 발명은 복수의 수지주입구와 한 개 이상의 수지배출구의 최적 배치를 통해 공정 속도의 향상은 물론, 성형 몰드 내 수지 혼합물 주입에 따른 포어 발생 요인들을 최대한 약화시키고 불가피하게 발생하는 포어들을 성형 몰드 밖으로 배출시켜 성형물 내 포어 잔류량을 최소화 하여 양질의 성형물을 제조할 수 있는 RTM을 이용한 FRP 성형 방법과 이를 위한 성형 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 정교하고도 최적의 공정 온도 제어를 통해, RTM 공정 시 포어의 발생을 최대한 억제하고 공정 속도를 개선하여, FRP 성형품의 품질 및 생산성 향상을 가능하게 하는 RTM을 이용한 FRP 성형 방법과 이를 위한 성형 장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상부 성형몰드 및 하부 성형몰드를 포함하며 형폐 시에 내부에 특정 형상의 캐비티가 마련되는 성형 몰드와, 수지와 경화제가 혼합된 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 캐비티 내로 주입하기 위한 수지주입수단과, 상기 캐비티 내부에 부압을 걸어주기 위한 진공화 수단을 포함하여, 섬유 기재가 상기 캐비티에 안착된 상태에서 상기 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 캐비티 내로 주입한 후 경화시켜 FRP 성형물을 제조하는 RTM 성형 장치에 있어서, 상기 상부 성형몰드의 상면에 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상기 캐비티와 연통되도록 형성되어 있으며, 상기 한 개 이상의 수지배출구는 상기 상부 성형몰드의 캐비티 영역의 중앙부에 형성되고, 상기 복수 개의 수지주입구는 상기 캐비티 영역의 가장자리 영역의 복수 개의 지점에 형성되되 상기 한 개 이상의 수지배출구를 중심으로 대칭적으로 배치되어, 상기 복수 개의 수지주입구를 통해 상기 액상 수지 혼합물이 동시에 주입되면, 각 수지주입구를 통해 주입된 액상 수지 혼합물이 상기 섬유 기재에 함침되면서 상기 캐비티의 중앙부 쪽으로 이동하여 상기 수지배출구를 포함하는 영역(이하, '수지종착영역'이라 함)에서 최종적으로 만나고, 그 과정에서 발생하는 포어를 상기 수지종착영역으로 몰아가서 모이도록 구성된 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치가 제공된다.
상기 성형 장치에 있어서, 상기 하부 성형몰드의 하면에도, 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상기 상부 성형몰드의 상면에서 형성된 것과 같은 형태로 더 형성될 수도 있다.
상기 성형 장치에 있어서, 상기 복수 개의 수지주입구 각각은, 상기 캐비티까지 연통되는 원통형 구멍; 및 상기 원통형 구멍의 하단에서 수평방향으로 부채꼴 모양으로 형성된 단차를 포함하여, 상기 단차에 의해 각 수지주입구의 하단에 여유 공간이 마련되어, 낮은 압력으로도 상기 원통형 구멍으로 주입된 액상 수지 혼합물이 상기 단차를 통해 원활하게 흘러들어갈 수 있도록 된 것이 바람직하다. 또한, 상기 단차의 부채꼴 모양은 상기 수지배출구가 마련된 상기 캐비티의 중앙부 쪽으로 연장된 것이 바람직하다.
상기 성형 장치는, 상기 상부 및 하부 성형몰드의 내부에 고른 분포로 마련되어 있는 가열용 히터와 냉각용 냉각라인; 상기 성형몰드의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 상기 온도 센서가 검출한 온도값에 의거하여 상기 히터의 구동과 상기 냉각라인에 대한 냉매의 공급을 제어하여 상기 상부 및 하부 성형몰드의 표면온도를 소정의 온도 제어 스케줄에 따라 원하는 온도값이 되도록 가열 및 냉각을 제어하는 온도제어부를 포함하는 온도제어수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 온도제어수단은, 상기 수지주입수단에 대한 온도 제어도 함께 수행하여, 상기 성형몰드로 주입될 상기 액상 수지 혼합물의 온도와 상기 액상 수지 혼합물의 주입 전 상기 성형몰드의 표면온도를 모두 50~60℃가 유지되도록 제어하는 기능을 갖는다.
또한, 상기 온도제어수단은, 상기 성형몰드의 상기 캐비티 내에 주입 완료된 상기 액상 수지 혼합물의 경화를 위해, 상기 액상 수지 혼합물을 상기 성형몰드 내로 주입할 때의 상기 성형몰드의 표면 온도(T0)에서 [(T2-T0)/2]±15℃의 온도까지 상승시켜(1단계 온도상승) 소정 시간 유지한 후, 다시 상기 액상 수지 혼합물의 완전 경화에 필요한 최소 온도인 경화 온도(T2) 이상으로 상승시켜(2단계 온도상승) 상기 액상 수지 혼합물이 완전히 경화할 때까지 유지되도록 온도제어를 수행하는 기능을 갖는다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부에 소정 형상의 캐비티를 형성하는 상부 성형몰드와 하부 성형몰드 중 적어도 어느 하나의 상면에 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상기 캐비티와 연통되도록 형성되고, 상기 한 개 이상의 수지배출구는 상기 상부 성형몰드의 캐비티 영역의 중앙부에 형성되며, 상기 복수 개의 수지주입구는 상기 캐비티 영역의 가장자리 영역의 복수 개의 지점에 형성되되 상기 한 개 이상의 수지배출구를 중심으로 대칭적으로 배치된 성형몰드와, 액상의 수지와 경화제가 혼합된 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 캐비티 내로 주입하기 위한 수지주입수단과, 상기 캐비티 내부에 부압이 걸리도록 해주는 진공화 수단을 포함하는 RTM 장치를 사용하여, FRP 성형물을 성형하는 방법에 있어서, 상기 캐비티에 섬유 기재를 안착하고 상기 성형몰드를 조립하여 형폐한 상태에서 상기 캐비티에 부압을 걸어 상기 캐비티에 진공 분위기를 조성하는 진공화 단계; 수지주입관을 통해 상기 복수 개의 수지주입구와 연결되어 있는 한 개 이상의 가압 용기 내의 상기 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 복수 개의 수지주입구를 통해 동시에 상기 캐비티 내부로 주입하고, 이에 의해 각 수지주입구를 통해 주입된 액상 수지 혼합물이 상기 섬유 기재에 함침되면서 상기 캐비티의 중앙부 쪽으로 이동하여 상기 한 개 이상의 수지배출구를 포함하는 영역(이하, '수지종착영역'이라 함)에서 최종적으로 만나고, 이 과정에서 발생하는 포어를 상기 수지종착영역으로 몰아가서 모이도록 하는 수지 주입 단계; 및 상기 캐비티의 내부가 상기 액상 수지 혼합물로 다 채워진 상태에서, 상기 수지종착영역에 존재하는 포어들을 상기 수지배출구 밖으로 몰아내기 위해, 상기 수지배출구에 연결된 수지배출관을 차단하고 상기 수지주입수단이 상기 액상 수지 혼합물을 추가적으로 가압하는 보압인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법이 제공된다.
상기 성형 방법은, 상기 보압인가 단계 후에, 상기 상부 및 하부 성형몰드 내에 마련된 히터와 냉각라인, 온도센서, 온도제어부를 포함하는 온도제어수단을 이용하여, 소정의 온도 제어 스케줄에 따라, 상기 히터를 구동하여 상기 성형몰드를 가열함으로써, 상기 성형몰드의 표면온도를 상기 액상 수지 혼합물의 경화에 필요한 온도까지 상승시켜 상기 액상 수지 혼합물이 경화될 때까지 유지하여 상기 액상 수지 혼합물이 경화되게 하고, 그 후 상기 냉각라인에 냉매를 흘려 상기 성형몰드를 냉각함으로써, 상기 성형몰드의 표면온도를 소정 온도로 하강시켜 냉각하는 경화 및 냉각 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 성형 방법에 있어서, 상기 온도 제어 스케줄에 따른 상기 성형몰드의 가열은, 상기 액상 수지 혼합물을 상기 성형몰드 내로 주입할 때의 상기 성형몰드의 표면 온도(T0)에서 [(T2-T0)/2]±15℃의 온도까지 상승시켜(1단계 온도상승) 소정 시간 유지한 후, 다시 상기 액상 수지 혼합물의 완전 경화에 필요한 최소 온도인 경화 온도(T2) 이상으로 상승시켜(2단계 온도상승) 상기 액상 수지 혼합물이 완전히 경화할 때까지 유지되도록 수행하는 것이 바람직하다.
상기 성형 방법에 있어서, 상기 온도 제어 스케줄에 따른 상기 성형몰드의 냉각은, 상기 성형 몰드의 표면온도가 상기 액상 수지 혼합물을 상기 성형몰드 내로 주입할 때의 상기 성형몰드의 표면 온도(T0)까지 하강하도록 수행하는 것이 바람직하다.
상기 성형 방법에 있어서, 상기 수지는 에폭시 수지이고, 상기 온도 제어 스케줄은, 상기 액상 수지 혼합물의 주입이 완료될 때까지 50~60℃의 온도로 상기 성형몰드의 표면온도를 유지하다가, 상기 캐비티 내에 주입 완료되면 상기 액상 수지 혼합물의 경화를 위해, 80~100℃까지 상승시켜 3~7분 동안 유지한 후, 다시 120~150℃까지 상승시켜 상기 액상 수지 혼합물이 완전히 경화될 때까지 유지하고, 상기 액상 수지 혼합물이 경화된 후 상기 성형몰드의 표면온도를 50~60℃까지 서서히 하강시켜 냉각하는 온도 제어를 수행하도록 된 것일 수 있다.
상기 성형 방법은, 상기 수지주입수단에서 상기 성형몰드로 주입되는 상기 액상 수지 혼합물의 온도와 상기 성형몰드의 표면온도를 모두 50~60℃의 범위 내로 유지되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 성형 방법은, 상기 성형몰드에 주입하기 전에, 용기에 저장되어 있는 상기 액상의 수지에 대하여 상기 용기의 내부를 진공 상태로 유지하여 수지 탈포 공정을 진행하여 상기 액상의 수지 내에 존재하는 기포를 최소화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 성형 방법에 있어서, 상기 FRP 성형물은 스마트폰 케이스일 수 있고, 그 경우, 상기 섬유 기재의 두께는 상기 성형몰드의 상기 캐비티의 두께의 80~90%인 것이 바람직하다.
본 발명은 수지 혼합물을 성형 몰드에 주입하는 과정에서 불가피하게 발생하는 포어를 효과적으로 캐비티 밖으로 몰아낼 수 있는 수지주입구 및 수지 배출구 레이아웃을 제공한다. 즉, 성형 몰드의 캐비티 영역에 한 개 이상의 수지배출구를 마련하고 이를 중심으로 복수 개의 수지주입구가 캐비티 영역의 외곽부에 대칭적인 형태로 배치된다. 그 복수 개의 수지주입구를 통해 액상 수지 혼합물이 동시에 주입하면, 각 수지주입구를 통해 주입된 수지 혼합물이 섬유 기재를 함침하면서 캐비티 영역의 중앙부에 배치된 수지배출구를 포함하는 수지종착영역에서 만난다. 수지 혼합물의 주입과정에서 발생하는 포어들은 그와 같은 수지 혼합물의 이동에 의해 상기 수지종착영역에 집중적으로 모인다. 이 상태에서 캐비티에 보압을 인가하면 그 수지종착영역에 모여 있는 포어를 수지배출구 밖으로 몰아낼 수 있다. 이에 의해 FRP 성형물에 포어 잔류를 최소화 하여 포어로 인한 품질 불량률이 크게 줄어들 수 있다.
복수 개의 수지 주입구를 통해 수지 혼합물을 동시에 주입하므로, 수지 주입 속도가 빨라져서 생산성도 향상된다.
또한, 수지 혼합물의 경화를 위한 가열을 2단계로 나누어서 진행함으로써 급격한 온도 상승에 따른 가스 및 기포 발생을 최소화 한다. 또한, 최적의 온도로 가열하고 냉각되도록 함으로써 공정의 손실시간을 최소화할 수 있다.
본 발명은 또한, 수지주입구의 형상을 원통형 주입구의 하단에 부채꼴 모양의 단차가 수평방향으로 연장되게 마련하여, 수지 혼합물의 원활한 주입을 가능하게 하고 수지 주입속도를 높여준다.
본 발명은 또한, 수지 혼합물 주입 시의 성형 몰드의 표면 온도와 거기에 주입하는 액상 수지 혼합물의 온도를 거의 비슷하게 유지하는 것, 그리고 수지를 성형 몰드에 주입하기 전에 탈포하는 것 등을 통해 수지 내에 존재하는 포어를 최소화한다.
도 1은 본 본 발명에 따른 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치의 개략적인 구성이 도시되어 있으며,
도 2는 본 발명에 따른 성형 몰드의 분해 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법의 공정 순서를 나타낸 흐름도이고,
도 4는 성형 몰드에서 마주보는 두 외곽 지점에 수지 주입구와 수지 배출구가 마련된 경우의 포어 발생 영역이 수지 배출구와 다른 영역에 형성되는 것을 나타내고,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 수지 배출구가 중심부에 마련되고 이를 중심으로 복수 개의 수지 주입구가 외곽부에 대칭적으로 마련된 성형 몰드의 여러 가지 예를 예시하며,
도 6은 본 발명에 따른 수지 주입구의 바람직한 형상을 예시하며,
도 7은 본 발명에 따른 성형 방법에 있어서 경화 및 냉각 시간과 성형몰드 표면온도 간의 바람직한 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 관해 구체적으로 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 '수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치'(10, 이하, 'RTM 성형 장치'라 함)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 이 RTM 성형 장치(10)는 성형 몰드(20), 이 성형 몰드(20) 내의 캐비티 내부에 부압을 걸어주기 위한 진공화 수단(50), 그리고 성형 몰드(20) 내의 캐비티 안으로 액상 수지 혼합물을 주입하기 위한 수지주입수단(80)을 포함한다.
성형 몰드(20)는 도 2에 예시된 것처럼 상부 성형몰드(20a)와 하부 성형몰드(20b)를 포함한다. 이 두 성형몰드(20a, 20b)의 서로 마주보는 두 면에는 캐비티(25)가 형성되어 있어, 두 성형몰드(20a, 20b)를 조립하여 형폐한 때에는 성형 몰드(20) 내부에 특정 형상의 캐비티(25)가 마련된다. 도 2에는 36개(=6x6)의 스마트폰용 케이스(100)를 제조하기 위한 캐비티(25)가 예시되어 있다. 하부 성형몰드(20b)의 캐비티(25)를 포위하면서 가장자리를 일주하면서 패킹 삽입홈이 마련되고, 그 삽입홈에 밀폐용 패킹(26)이 삽입된다. 상부 성형몰드(20a)의 저면에는 이 패킹(26)과 맞물려 그 내부를 밀폐시키는 밀폐용 돌출부(비도시)가 마련된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상부 성형몰드의 상면에는 복수 개의 수지 주입구와 한 개 이상의 수지 배출구가 캐비티(25)와 연통하도록 형성된다. 또한, 하부 성형몰드(20b)의 하면에도, 상부 성형몰드(20a)와 마찬가지로, 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상부 성형몰드(20a)의 상면에서 형성된 것과 같은 형태로 더 형성될 수도 있다. 도 2는 상부 성형 몰드(20a)의 상면 중앙부에 하나의 수지 배출구(EX1)가 형성되고, 이 수지 배출구(EX1)를 중심으로 8개의 수지 주입구(FD1~8)가 그 수지 배출구(EX1)를 둘러싸는 형태로 상면 외곽부(가장자리 영역)에 대칭적으로 배치되어 있는 성형 몰드(20)를 예시한다. 수지 주입구와 수지 배출구에 개수와 배치 위치에 관해서는 나중에 상술하기로 한다.
진공화 수단(50)은 수지배출관(52)을 통해 수지 배출구(EX1)에 연결된 진공 펌프(56)와, 수지배출관(52)의 소정 지점에 장착된 액차단 밸브(54)를 포함한다.
수지주입수단(80)은, 수지를 담고 있는 수지 용기(64a), 경화제를 담고 있는 경화제 용기(64b), 수지와 경화제를 혼합하는 혼합기(60), 가압 용기(40)를 포함한다. 수지 용기(64a)는 수지 공급관(66a)을 통해 혼합기(60)와 연통되어 있고, 그 수지 공급관(66a)의 관로 상에는 제1 펌프(62a)가 설치되어 있다. 마찬가지로, 경화제 용기(64b)는 경화제 공급관(66b)을 통해 혼합기(60)와 연통되어 있으며, 그 경화제 공급관(66b)에는 제2 펌프(62b)가 설치되어 있다. 제1 및 제2 펌프(62a, 62b)는 예컨대 기어 펌프로 구성하는 것이 바람직하다. 가압 용기(40)는 한 개 또는 복수 개의 가압 용기(40a, 40b, 40c)로 구성할 수 있다. 가압용기(40)는 각 수지주입구별로 하나씩 매칭시킬 수도 있고, 여러 개의 수지주입구에 하나의 가압용기(40)를 매칭시킬 수도 있을 것이다. 각 가압 용기(40a, 40b, 40c)는 별도의 수지입력관(68)을 통해 혼합기(60)에 각각 연결되고, 또한 공압입력관(46)을 통해 공압공급수단(비도시)에 연결되어 그로부터 수지의 가압 주입에 필요한 공압을 공급받는다. 각 가압 용기(40a, 40b, 40c)는 수지주입관(42a, 42b, 42c)을 통해 성형 몰드(20)의 수지 주입구(FD1~8)에 연결된다. 각 수지주입관(42a, 42b, 42c)에는 관로를 개폐하여 수지주입을 통제하는 개폐밸브(44)가 설치된다. 혼합기(60)는 모터(M)의 축에 달린 교반 날개가 탱크 내에 배치되어 있다.
RTM 성형장치(10)는 성형 몰드(20)의 표면 온도를 원하는 온도값으로 제어하기 위한 온도제어수단(30)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 온도제어수단(30)은 상부 및 하부 성형 몰드(20a, 20b)의 내부에 고른 분포로 매립되어 있는 가열용 히터(22)와 냉매가 흐르면서 냉각시키는 관 형태의 냉각라인(24), 성형 몰드(20)의 소정 위치에 장착되어 성형 몰드(20)의 표면 온도를 측정하기 위한 온도 센서(28), 그리고 온도 센서(28)의 측정값에 의거하여 히터(22)의 구동과 냉각라인(24)에 대한 냉매의 공급을 제어하여 성형 몰드(20)의 표면 온도를 원하는 온도값으로 제어하는 온도 제어부(25)를 포함한다. 냉각라인(24)에 대한 냉매의 공급은 예컨대 냉각라인(24)에 연결된 순환관로(비도시)와 펌프(비도시), 그리고 냉매의 열을 식히기 위한 열교환기(비도시) 등과 같은 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 냉매는 예컨대 물을 사용할 수 있다. 히터(22)는 예컨대 PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor)로 구현할 수 있지만, 이에 국한되지는 않고 알려진 몰드 가열 수단은 제한 없이 적용될 수 있다.
온도제어수단(30)은 수지주입수단(80)에 대한 온도 제어로 함께 수행할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 예컨대 혼합기(60) 및/또는 가압용기(40a, 40b, 40c)와 수지주입관(42a, 42b, 42c)에 히팅을 위한 수단(비도시)을 별도로 설치하고, 온도제어부(25)가 그 히팅 수단들의 구동을 제어하여 가압용기(40a, 40b, 40c)와 수지주입관(42a, 42b, 42c)에 있는 액상 수지 혼합물의 온도를 제어할 수 있다.
RTM 성형장치(10)는 또한 제1 및 제2 펌프(62a, 62b), 혼합기(60)의 모터(M), 진공 펌프(56) 등의 구동을 제어하기 위한 제어부(90)도 구비한다. 또한, 개폐 밸브(44) 및/또는 액차단 밸브(54)가 전기구동식 밸브(예컨대 솔레노이드 밸브 등)로 구성될 수 있는데, 그 경우 제어부(90)는 이들 밸브의 개폐 제어도 수행한다. 도 1에서, P1, P2, P3, ..., Pn는 제어부(90)가 각 제어대상으로 제공하기 위한 제어신호를 나타낸다.
다음으로, RTM 성형 장치(10)를 이용하여 FRP 제품을 성형하는 방법을 설명한다. 도 3의 흐름도는 본 발명에 따른 RTM 성형방법을 개략적으로 나타낸다. 이해를 좀 더 구체적으로 할 수 있도록, 스마트폰 케이스를 제조하는 경우를 예로 하여 설명하기로 한다.
두 가지 준비 작업이 필요하다. 한 가지는 성형 몰드(20)를 준비하는 것이고, 다른 한 가지는 원료인 액상 수지 혼합물을 준비하는 것이다.
상부 및 하부 성형몰드(20a, 20b)의 마주보는 두 면에 스마트폰 케이스를 성형하기 위한 캐비티(25)가 가공된 성형 몰드(20)를 준비한다. FRP 제품을 성형하는 데 필요한 섬유 기재 원단을 적절한 크기로 재단한다. 스마트폰 케이스를 제작하는 경우, 성형 몰드(20)의 캐비티(25)의 두께는 성형물 제품(스마트폰 케이스)의 두께와 1:1로 제작되는 것이 바람직하다. 이 때, 그 성형 몰드(20) 캐비티(25)에 안착되는 섬유 기재(70)는 캐비티(25) 두께의 대략 80~90% 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 섬유 기재(70) 외면을 덮고 있는 경화성 수지의 두께는 성형물 전체 두께의 10~20% 정도를 차지하도록 하는 것이 바람직하다. 두께를 이런 정도로 하면, 최적의 레진 콘텐츠(RC) 값이 40~60%로 되게 해준다. 섬유 기재(70)의 두께가 성형 몰드의 캐비티(25) 두께의 90%를 초과하면 수지가 투입되는 공간의 두께가 지나치게 얇아 수지의 흐름에 지장을 줄 수 있고, 그에 따른 미성형 불량이 발생할 수 있다. 섬유 기재(70)는 성형물 표면에 무늬를 제공하는 역할도 하지만, 무엇보다도 성형 제품의 강성이 섬유 기재(70)에 의해 얻어진다. 그러므로 섬유 기재(70)의 두께가 성형 몰드(20)의 캐비티(25) 두께의 80% 미만인 경우, 제품의 강성이 떨어지거나 변형이 발생할 수 있다.
이런 준비가 되면, 재단된 섬유 기재(70)를 하부 성형몰드(20b)의 캐비티(25) 안에 안착시킨다(S10 단계). 그리고 상부 성형몰드(20a)로 하부 성형몰드(20b)를 덮어 조립한다(S12 단계). 이에 의해 성형 몰드(20) 내의 캐비티(25)는 패킹(26)으로 밀폐된다. 이런 상태에서, 액상 수지 혼합물의 성형 몰드(20) 내로의 주입을 대기한다(S14 단계).
이와는 별도로, 액상 수지 혼합물을 성형 몰드(20) 내로 주입할 수 있는 준비를 한다. 먼저, 제1 펌프(62a)를 가동하여 수지용기(64a) 내에 있는 수지를 혼합기(60)로 보낸다. 이와 동시에, 제2 펌프(62b)를 가동하여 경화제 용기(64b)에 있는 경화제를 혼합기(60)로 보낸다. 원료로 사용하는 수지는 열경화성 수지이다. 이의 대표적인 예로는 에폭시 수지를 들 수 있다. 혼합기(60)의 탱크 안으로 공급된 액상의 수지와 경화제를 골고루 잘 혼합하기 위해, 모터(M)를 구동하여 교반 날개를 고속으로 회전시킨다(S16 단계). 이런 혼합 과정을 거쳐 얻어진 액상 수지 혼합물은 가압용기(40)로 제공된다(S18 단계).
포어의 발생원인들 중의 하나는 수지 내에 존재하는 잔여 기포들이다. 본 발명은 잔여 기포들에 의한 포어 발생을 억제하기 위해, 수지를 보관하고 있는 수지 용기(64a) 내부를 진공 상태로 유지하여 수지 탈포 공정을 진행한다. 사용 수지는 2액형이나 3액형을 쓸 수 있다. 이에 의해, 수지를 사용하기 전에 수지 내에 존재하는 기포를 최소화하여 포어 발생을 줄일 수 있다.
이와 같은 준비가 되면, 가압 용기(40) 내에 준비된 액상 수지 혼합물을 성형 몰드(20) 안으로 주입하고, 경화 과정을 거쳐 완성된 성형물을 취출하는 작업을 수행한다.
구체적으로, 포어의 발생원인 중의 한 가지는, 섬유 기재(70)의 직조 패턴 사이에 존재하는 미세 공간이다. 액상 수지 혼합물을 캐비티(25)에 주입하여 섬유 기재(70)를 함침시키더라도 그 미세 공간의 일부는 미함침된 상태로 존재하다가 액상 수지 혼합물이 완전 경화되기 전에 함침되는 과정에서 포어로 변환될 수 있다. 이런 형태의 포어 발생을 차단하기 위해, 액상 수지 혼합물을 캐비티(25) 내에 주입하기 전에 진공 분위기를 조성하면 기포 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 진공 분위기가 조성된 캐비티(25)에는 액상 수지 혼합물이 원활하게 주입될 수 있다. 캐비티(25)에 진공분위기를 조성하기 위해, 개폐밸브(44)는 차단하고 액차단 밸브(54)는 개방한 상태에서 진공 펌프(56)를 구동하여 성형 몰드(20) 내의 캐비티(25)에 부압이 걸리도록 한다(S20 단계).
성형 몰드(20) 내에 주입된 액상 수지 혼합물을 경화할 때 급가열을 하면 갑작스런 온도 상승으로 인하여 가스가 발생할 수 있어, 이 또한 포어 발생의 원인이 된다. 그러므로 성형 몰드(20)의 표면온도는 그 성형 몰드에 주입할 액상 수지 혼합물의 온도와 비슷하게 유지하여, 온도 급상승에 따른 기포 발생을 최소화하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지를 사용하는 경우, 성형 몰드(20)의 표면온도와 가압용기(40)에서 성형몰드(20)로 주입할 액상 수지 혼합물의 온도는 모두 50~60℃로 유지하는 것이 바람직하다. 성형몰드(20)의 표면 온도가 수지 혼합물의 온도보다 높을 경우, 수지의 겔화 속도가 빨라지므로 수지 주입 중에 수지 혼합물의 경화가 발생하여 주입 불량으로 이어질 수 있다. 이와 반대로, 성형 몰드(20)의 온도가 수지 혼합물의 온도보다 낮을 경우에는, 수지 혼합물의 점도가 높아져 수지의 흐름성이 저하되고, 그에 따라 수지 혼합물의 주입 시간의 증가 및 주입 불량 문제가 발생할 수 있다.
이런 상태에서 개폐 밸브(44)를 개방하고, 가압 용기(40) 내로 공기압을 가하여 가압 용기(40) 내의 액상 수지 혼합물이 성형 몰드(20)의 캐비티(25) 안으로 주입되도록 한다. 수지 혼합물의 주입을 위해 가하는 압력은 대략 1~3바(bar)인 것이 바람직하다. 그러면 가압 용기(40) 내의 액상 수지 혼합물이 수지주입관(42a, 42b, 42c)과 수지주입구(FD1~FD8)를 통해 캐비티(25)로 흘러들어간다(S22 단계). 즉, 캐비티(25) 안으로 주입된 액상 수지 혼합물은 섬유 기재(70)에 함침되면서 캐비티(25)와 섬유 기재(70) 사이의 빈틈을 통해 캐비티(25) 내부를 채워나간다. 액차단 밸브(54)가 개방되어 있고 성형 몰드(20)의 중앙에 마련된 수지배출구(EX1)가 외곽에 마련된 수지주입구(FD1~FD8)들에 의해 포위되어 있으므로, 수지주입구(FD1~FD8)를 통해 주입되는 액상 수지 혼합물은 캐비티(25)의 외곽에서부터 중앙부 쪽으로 점진적으로 채워들어간다.
수지주입구(FD1~FD8)들을 통해 주입되는 액상 수지 혼합물이 캐비티(25) 내부를 채워가면서 섬유 기재(70)에 함침되는 과정에서 자연스럽게 포어들을 수지배출구(EX1) 쪽으로 몰아가도록 한다. 도 5에 예시된 수지주입구와 수지배출구의 레이아웃들이 이를 가능하게 해준다(이에 관한 상세한 설명은 후술함).
이와 같은 액상 수지 혼합물의 주입은 캐비티(25)를 모두 채울 때까지 지속한다. 그리고 액상 수지 혼합물이 캐비티(25)를 전부 채운 다음, 액차단 밸브(54)를 닫은 상태에서(S24 단계), 가압 용기(40)에서 액상 수지 혼합물을 추가로 가압하여 캐비티(25)에 보압을 충분히 인가하고 개폐밸브(44)를 잠근다(S26 단계). 이에 의해 수지배출구(EX1) 밑이나 그 근처에 집중적으로 존재하는 포어들이 수지배출구(EX1) 밖으로 밀려나간다(그 이유는 후술함). 포어 제거를 위해 가하는 보압은 10~30초 정도의 시간 동안 가하는 것이 바람직하다.
이런 상태에서, 히터(22)들을 구동하여 성형 몰드(20)의 표면온도를 상승시켜 캐비티(25) 내의 액상 수지 혼합물이 열 경화되도록 한다(S28 단계). 이에 의해 섬유 기재(70)에 함침된 그 액상 수지 혼합물이 경화된다.
그 후, 냉각라인(24)에 냉매를 흘려서 성형 몰드(20)의 표면온도를 낮춰 FRP 성형물을 냉각시키고(S30 단계), 성형 몰드(20)를 분해하여(S32 단계) 완성된 FRP 성형물을 취출한다(S34 단계).
이와 같은 RTM 성형공정에 있어서, 앞에서 언급하였듯이, 액상 수지 혼합물을 캐비티(25) 내로 주입하였을 때, 포어의 발생을 원천적으로 차단하는 조치를 취하더라도 포어의 발생을 완벽하게 막기는 어렵다. 포어의 발생은 불가피하다는 점을 전제하면서, 본 발명은 발생하는 포어는 수지배출구 밖으로 최대한 몰아내는 방법을 사용한다.
본 발명의 방법에 관한 이해를 돕기 위해, 먼저 도 4를 참조하면서 액상 수지 혼합물의 주입 과정에서 포어가 발생하는 메커니즘을 설명할 필요가 있다. 도 4에서는 하나의 수지주입구(FD)와 하나의 수지배출구(EX)가 패킹(26)으로 포위된 캐비티 영역의 서로 마주보는 맞은편 외곽부(가장자리)에 위치한다. 수지주입구(FD)를 통해 주입된 액상 수지 혼합물은 섬유 기재(70)에 함침되면서 수지배출구(EX) 쪽으로 이동하는데, 그 이동속도는 도시된 화살표의 크기처럼 중앙부를 가로지르는 경우가 가장 느리고 양쪽 외곽부로 갈수록 빠르다. 특히, 패킹(26)으로 포위된 캐비티 영역 중에서 섬유 기재(70)로 덮이지 않는 최외곽 공백 영역(130)에서는 액상 수지 혼합물의 이동을 방해하는 것이 존재하지 않으므로 가장 빠른 속도로 이동한다. 최외곽 공백 영역(130)으로 이동한 수지 혼합물이 중앙부를 가로질러 이동하는 수지 혼합물보다 수지배출구(EX)에 먼저 도달하여 수지배출구(EX)와 그 주변 영역을 차지하게 된다. 섬유 기재(70)에 함침되면서 섬유 기재(70) 표면을 타고 수지배출구(EX) 쪽으로 이동하는 수지 혼합물은, 먼저 이동하여 자리 잡고 있는 수지 혼합물에 의해, 수지배출구(EX)까지 접근하지 못하고 그 근처까지만 이동하고 더 이상 전진하지 못한다. 섬유 기재(70)를 타고 이동해온 그 수지 혼합물은 자체 내의 기포와 섬유 기재(70)에 존재하던 기포 등을 함께 몰고 이동하는데, 수지배출구(EX) 근처까지만 이동할 수 있다. 그러므로 그 기포들도 수지주입구(FD)와 수지배출구(EX) 사이의 수지배출구(EX) 근처 영역(140)에 집중적으로 존재하여 이 영역(140)에 포어가 집중 발생하게 된다. 이런 상태에서는 캐비티(25)에 보압을 가하더라도 영역(140)에 있는 기포는 수지배출구(EX) 밖으로 거의 빠져나갈 수 없고, 포어를 내포하지 않는 수지 혼합물만 수지배출구(EX) 밖으로 배출된다.
본 발명은 이런 문제를 해결하기 위하여, 각 수지주입구로 주입된 액상 수지 혼합물이 섬유 기재(70)에 함침되면서 이동하여 중앙부의 수지배출구를 포함하는 영역에서 만나도록 하고, 즉 주입된 액상 수지 혼합물의 종착 지점이 수지배출구를 포함하는 수지배출구 주변영역(이를 '수지종착영역'이라 함)에 위치하도록 하고, 그런 상태에서 보압을 가하여 수지배출구 밑이나 그와 근접한 영역에 집중되어 있는 기포를 수지배출구 밖으로 몰아내는 방법을 사용한다. 이를 위해, 본 발명은 앞서 언급한 것처럼 한 개 이상의 수지배출구를 캐비티 영역(패킹(26)으로 포위되어 있는 영역)의 중앙부에 배치하고, 그 수지배출구를 중심으로 하여 복수 개의 수지주입구들을 캐비티(25)의 외곽(가장자리)에 대칭적으로 배치하는 방법을 사용한다. 이처럼 섬유 기재(70)의 전체 부위 중에서 액상 수지 혼합물의 함침이 가장 느린 부위에 수지배출구를 배치하면 수지 혼합물의 가압(보안 인가) 시 기포를 수지배출구 쪽으로 이동시키기가 용이해진다.
이 방법에 따른 수지주입구와 수지배출구의 레이아웃의 대표적인 몇 가지 예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5의 (a)의 성형몰드(220)에 따르면, 캐비티 영역(즉, 패킹(26)으로 둘러싸인 영역)에 하나의 수지배출구(EX1)와 두 개의 수지주입구(FD1, FD2)을 마련하되, 수지배출구(EX1)는 그 캐비티 영역의 중앙에 배치하고, 이를 중심으로 두 개의 수지주입구(FD1, FD2)가 캐비티 영역의 가장자리(외곽부)의 서로 마주보는 두 지점에 배치된다. 이러한 배치에 의하면, 섬유 기재(70)와 패킹(26) 사이의 빈 공간에서의 이동속도가 가장 빠르고, 섬유 기재(70)의 외곽부에서 중앙부로 갈수록 이동속도가 느려져서, 좌측의 수지주입구(FD1)를 통해 주입된 액상 수지 혼합물과 우측 수지주입구(FD1)를 통해 주입된 액상 수지 혼합물은 도시된 것과 같이 똑같은 패턴으로 중앙부의 수지배출구(EX1) 쪽으로 이동한다. 그 결과 수지배출구(EX1)를 내포하는 수지종착영역(240)에 기포가 모이게 된다.
도 5의 (b)의 성형 몰드(320)는 한 개의 수지배출구(EX1)를 캐비티 영역의 중앙부에 배치하고 그것의 좌우 양쪽 캐비티 영역 외곽부에 각각 3개씩 모두 6개의 수지주입구(FD1~6)를 좌우 대칭의 형태로 배치한 레이아웃이다. 좌측 3개의 수지주입구(FD1~3)를 통해 주입된 액상 수지 혼합물과 우측 3개의 수지주입구(FD4~6)를 통해 주입된 액상 수지 혼합물도 화살표로 나타낸 것처럼 서로 똑같은 형태로 중앙의 수지배출구(EX1) 쪽으로 이동한다. 즉, FD1과 FD4의 위쪽 영역 FD3과 FD6의 아래쪽 영역에서의 이동 속도가 FD2와 FD5가 위치하는 중앙 영역에서의 이동속도에 비해 더 빠르며, 수지 혼합물의 주입이 완료된 상태에서는 수지배출구(EX1)를 포함하는 수지종착영역(340)에 기포가 집중적으로 존재하게 된다.
도 5의 (c)의 성형 몰드(420)는 캐비티 영역의 중앙에 배치된 수지배출구(EX1)를 중심으로 8개의 수지주입구(FD1~8)가 외곽부에 소위 점대칭 형태로 배치된 레이아웃으로 되어 있다. 8개의 수지주입구(FD1~8)가 도시된 것처럼 사각형을 이루는 형태로 배치되지 않고, 원형을 이루는 형태로 배치될 수도 있을 것이다. 수지배출구(EX1)와 8개의 수지주입구(FD1~8)가 이와 같이 배치되면, 앞의 예와 마찬가지로 각 수지주입구(FD1~8)를 통해 주입된 액상 수지 혼합물은 수지배출구(EX1)를 포위하는 수지종착영역(440)에서 만나게 되고, 그 수지종착영역(440)에는 액상 수지 혼합물들이 몰고 온 기포들이 집중적으로 존재하게 된다.
도 5의 (d)의 성형 몰드(520)는 (c)의 캐비티 영역을 3개의 서브 캐비티 영역으로 분할한 경우를 도시한다. 각 서브 캐비티 영역은 (a)에서 예시한 수지주입구와 수지배출구의 레이아웃과 실질적으로 동일하다. 각 서브 캐비티 영역마다 별도의 패킹(26a, 26b, 26c)으로 밀폐하여 개별적으로 진공분위기를 구현하고 수지 혼합물을 주입할 수 있도록 되어 있다. 수지 혼합물의 주입이 완료되면, 각 수지배출구(EX1, EX2, EX3)마다 자신을 포함하는 수지종착영역(540a, 540b, 540c)에 기포가 집중적으로 모이게 된다.
도 5에서는 수지배출구를 한 개 마련한 경우만을 예시하였지만, 수지배출구는 캐비티 영역의 중앙부에 복수 개 마련될 수도 있다. 다만, 복수 개의 수지주입구들은 그 복수 개의 수지배출구를 중심으로 대칭적으로 배치되어야 함은 물론이다. 수지주입구의 개수는 성형 몰드의 크기를 고려하여 정하는 것이 바람직하다. 즉, 성형 몰드의 사이즈가 클수록 수지주입구의 수도 많게 하는 것이 유리하다. 또한, 작은 사이즈의 FRP 성형 제품 생산을 위해 대형 성형 몰드를 사용하는 경우, 도 5의 (d)와 같이 캐비티 영역을 복수 개로 분할하는 것이 유리하다. 단, 각 서브 캐비티 영역 내에서는 수지배출구가 중앙에 위치하고 복수의 수지주입구들은 이를 중심으로 대칭적으로 외곽부에 위치해야 한다. 큰 사이즈의 캐비티 영역에 맞게 큰 사이즈의 섬유 기재를 사용할 경우, 성형할 제품의 형상에 따른 양각과 음각으로 인해 가압된 수지 혼합물이 함침 이동하는 과정에서 섬유 기재의 틀어짐이 발생할 가능성이 높아진다. 하지만, 몇 개의 작은 영역으로 분할하는 경우, 사용하는 섬유 기재의 직조 패턴의 틀어짐을 방지하는 데 유리하다. 또한, 여러 개의 서브 캐비티 영역에 수지 혼합물을 동시에 주입하여 생산성을 높이는 데도 유리하다.
한편, 도 6은 수지주입구(FD)의 두 가지 형상을 도시한다. 한 가지는 도 6의 (a)의 평면도와 (b)의 단면도에 도시된 것처럼 단순한 원통형 구멍 형상이고, 나머지 한 가지는 도 6의 (c)의 평면도와 (d)의 단면도에 도시된 것처럼 원통형 구명의 하단에 부채꼴 모양의 단차(98)가 수평방향으로 연장된 형상이다. 단순 원통형 구멍 형상의 수지주입구(FD)로 주입된 수지 혼합물(95)은, 그 수지주입구(FD)를 중심으로 모든 방향으로 골고루 퍼져나가되, 섬유 기재(70)와 상부 성형 몰드(20a) 간의 좁은 틈새로 파고들어가는 데 어려움이 많아 섬유 기재(70)에 함침되는 속도가 느리다. 즉, 수지주입구(FD)에 주입되는 수지 혼합물의 양이 섬유 기재(70)에 초기 함침되는 수지 혼합물의 양에 비해 훨씬 많으므로, 수지 주입 압력이 상승하게 되고, 수지 혼합물의 이송 함침이 불리하다.
반면에, 단차(98)가 마련된 수지주입구(FD1~8)로 주입된 액상 수지 혼합물(95)은 그 단차(98) 쪽으로 쉽게 파고들어갈 수 있으므로 수지 혼합물 주입 초기에 더 넓은 면적의 섬유 기재에 함침될 수 있어 함침 속도를 빠르게 할 수 있다. 또한, 상대적으로 원활한 함침이 이루어지므로, 수지 주입 압력을 낮게 가져갈 수 있다. 한편으로는 단차(98)가 마련된 방향 쪽으로 이동의 방향성을 부여할 수도 있다. 이 단차(98)를 수지배출구가 있는 중앙부 쪽으로 향하도록 마련하면, 수지 혼합물의 수지배출구 쪽 함침 속도를 높일 수 있을 것이다. 결과적으로, 생산성 개선에 기여할 수 있다.
한편, 성형 몰드(20) 내의 액상 수지 혼합물을 가열하여 경화할 때(S28 단계), 수지 혼합물의 온도를 급상승 시키면 가스가 발생하여 포어 발생으로 이어질 수 있다. 그러므로 수지 혼합물의 온도를 순차적으로 상승시켜 가스 발생을 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 도 7에는 수지 혼합물의 경화 및 냉각 시의 바람직한 온도 제어 그래프가 표시되어 있다. 온도 제어부(25)는 성형 몰드(20)의 표면온도가 시간에 따라 이 그래프대로 변하도록 제어하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 액상 수지 혼합물의 온도를 그것의 완전 경화에 필요한 최소 온도 즉, 경화 온도(T2)까지 한 번에 상승시키지 않고, 2단계로 나누어 서서히 상승시키는 것이 바람직하다. 즉, 경화를 위한 가열 직전의 성형 몰드(20)의 표면 온도(T0)와 상기 경화온도(T2) 간의 온도차의 대략 절반 정도의 온도 범위 즉, [(T2-T0)/2]±15℃ 만큼 1단계로 상승시켜 소정 시간 유지한 다음, 다시 대략 나머지 온도만큼 추가 상승시켜 상기 경화 그 액상 수지 혼합물이 완전히 경화할 때까지 유지한다.
사용하는 수지가 에폭시 수지인 경우를 예로 들어 설명한다. 앞서 언급한 것처럼 수지 혼합물 주입 시 성형 몰드(20)의 표면 온도는 약 50~60℃(T0)로 유지된다. 그 온도로 수지 혼합물 주입이 완료되고 보압인가도 마치면, 그 다음으로 경화를 위해 히터(22)를 구동하여 성형 몰드(20)의 표면 온도를 약 80~100℃(T1) 정도로 1차 상승시킨다. 1차 온도상승에 걸리는 시간(t1)은 대략 3~7분 정도 이내가 되도록 한다. 1차 온도 상승 후에는 대략 3~7분 정도의 시간(t1~t2) 동안 그 온도(T1)로 유지한다. 이 기간 동안 수지 혼합물은 겔화가 진행된다. 겔화가 진행될 때, 급격한 온도 상승은 가스 및 기포를 발생시키는 원인이 된다.
이와 같은 1단계 온도 상승 후, 수지 혼합물의 완전 경화에 필요한 온도까지 다시 한 번 상승시킨다. 이 2단계 온도 상승은 대략 3~7분 동안에 대략 120~150℃(T2)까지 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 사용하는 수지 혼합물의 경화 시간(t3~t4)만큼 그 온도를 유지해준다. 에폭시 수지를 사용하는 경우 대략 5~10분 정도이다.
이런 히터(22) 가열에 의한 온도 상승을 통해 수지 혼합물의 경화가 완전히 이루어진 후에는 냉각 라인(24)에 냉매를 흘려 성형 몰드(20)를 냉각시킨다. 냉각 후의 성형 몰드(20)의 최종 온도는 가열 시작 시의 초기 온도인 약 50~60℃(T0)가 되게 하는 것이 바람직하다. 냉각은 최대한 완만하게 하는 것이 성형물의 변형, 뒤틀림 발생 방지에 유리하다. 사용하는 수지 혼합물의 종류에 따라 최적의 냉각시간이 다를 수 있는데, 에폭시 수지의 경우 대략 7~12분 정도의 시간 안에 냉각되도록 하는 것이 바람직하다.
경화 및 냉각의 단계별 온도와 각 단계의 유지 시간은 사용하는 수지의 종류에 따라 다를 수 있다.
이상에서는 스마트폰 케이스를 제조하는 경우를 예로 하여 설명하였지만, 본 발명은 이것에만 국한되지 않고 다양한 FRP 성형물을 제조하는 데 적용할 수 있다.
10: RTM 성형 장치 20: 성형 몰드
20a, 20b: 상부 및 하부 성형 몰드
22: 히터 24: 냉각 라인
25: 온도제어부 26: 패킹
28: 온도센서 30: 온도제어수단
40, 40a~40b: 가압 용기 42a, 42b, 42c: 수지주입관
44: 개폐 밸브 46: 공압입력관
50: 진공화 수단 52: 수지배출관
54: 액차단 밸브 56: 진공펌프
60: 혼합기 62a, 62b: 기어 펌프
64a: 수지 용기 64b: 경화제 용기
66a: 수지 공급관 66b: 경화제 공급관
68: 수지입력관 70: 섬유 기재
80: 수지주입수단 90: 제어부
95: 주입된 액상 수지 혼합물 98: 단차
140, 240, 340, 440, 540a, 540b, 540c: 수지종착영역

Claims (15)

  1. 상부 성형몰드 및 하부 성형몰드를 포함하며 형폐 시에 내부에 특정 형상의 캐비티가 마련되는 성형 몰드와, 수지와 경화제가 혼합된 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 캐비티 내로 주입하기 위한 수지주입수단과, 상기 캐비티 내부에 부압을 걸어주기 위한 진공화 수단을 포함하여, 섬유 기재가 상기 캐비티에 안착된 상태에서 상기 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 캐비티 내로 주입한 후 경화시켜 섬유 강화 플라스틱(FRP) 성형물을 제조하는 성형 장치에 있어서,
    상기 상부 성형몰드의 상면에 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상기 캐비티와 연통되도록 형성되어 있으며,
    상기 한 개 이상의 수지배출구는 상기 상부 성형몰드의 캐비티 영역의 중앙부에 형성되고,
    상기 복수 개의 수지주입구는 상기 캐비티 영역의 가장자리 영역의 복수 개의 지점에 형성되되 상기 한 개 이상의 수지배출구를 중심으로 대칭적으로 배치되어,
    상기 복수 개의 수지주입구를 통해 상기 액상 수지 혼합물이 동시에 주입되면, 각 수지주입구를 통해 주입된 액상 수지 혼합물이 상기 섬유 기재에 함침되면서 상기 캐비티의 중앙부 쪽으로 이동하여 상기 수지배출구를 포함하는 영역(이하, '수지종착영역'이라 함)에서 최종적으로 만나고, 그 과정에서 발생하는 포어를 상기 수지종착영역으로 몰아가서 모이도록 구성된 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 성형몰드의 하면에도, 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상기 상부 성형몰드의 상면에서 형성된 것과 같은 형태로 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 수지주입구 각각은, 상기 캐비티까지 연통되는 원통형 구멍; 및 상기 원통형 구멍의 하단에서 수평방향으로 부채꼴 모양으로 형성된 단차를 포함하여, 상기 단차에 의해 각 수지주입구의 하단에 여유 공간이 마련되어, 낮은 압력으로도 상기 원통형 구멍으로 주입된 액상 수지 혼합물이 상기 단차를 통해 원활하게 흘러들어갈 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단차의 부채꼴 모양은 상기 수지배출구가 마련된 상기 캐비티의 중앙부 쪽으로 연장된 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 성형몰드의 내부에 고른 분포로 마련되어 있는 가열용 히터와 냉각용 냉각라인; 상기 성형몰드의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 및 상기 온도 센서가 검출한 온도값에 의거하여 상기 히터의 구동과 상기 냉각라인에 대한 냉매의 공급을 제어하여 상기 상부 및 하부 성형몰드의 표면온도를 소정의 온도 제어 스케줄에 따라 원하는 온도값이 되도록 가열 및 냉각을 제어하는 온도제어부를 포함하는 온도제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 온도제어수단은, 상기 수지주입수단에 대한 온도 제어도 함께 수행하여, 상기 성형몰드로 주입될 상기 액상 수지 혼합물의 온도와 상기 액상 수지 혼합물의 주입 전 상기 성형몰드의 표면온도를 모두 50~60℃가 유지되도록 제어하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 온도제어수단은, 상기 성형몰드의 상기 캐비티 내에 주입 완료된 상기 액상 수지 혼합물의 경화를 위해, 상기 액상 수지 혼합물을 상기 성형몰드 내로 주입할 때의 상기 성형몰드의 표면 온도(T0)에서 [(T2-T0)/2]±15℃의 온도까지 상승시켜 소정 시간 유지한 후, 다시 상기 액상 수지 혼합물의 완전 경화에 필요한 최소 온도인 경화 온도(T2) 이상으로 상승시켜 상기 액상 수지 혼합물이 완전히 경화할 때까지 유지되도록 온도제어를 수행하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 장치.
  8. 내부에 소정 형상의 캐비티를 형성하는 상부 성형몰드와 하부 성형몰드 중 적어도 어느 하나의 상면에 한 개 이상의 수지배출구와 복수 개의 수지주입구가 상기 캐비티와 연통되도록 형성되고, 상기 한 개 이상의 수지배출구는 상기 상부 성형몰드의 캐비티 영역의 중앙부에 형성되며, 상기 복수 개의 수지주입구는 상기 캐비티 영역의 가장자리 영역의 복수 개의 지점에 형성되되 상기 한 개 이상의 수지배출구를 중심으로 대칭적으로 배치된 성형몰드와, 액상의 수지와 경화제가 혼합된 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 캐비티 내로 주입하기 위한 수지주입수단과, 상기 캐비티 내부에 부압이 걸리도록 해주는 진공화 수단을 포함하는 수지 이송 성형(RTM) 장치를 사용하여, 섬유 강화 플라스틱(FRP) 성형물을 성형하는 방법에 있어서,
    상기 캐비티에 섬유 기재를 안착하고 상기 성형몰드를 조립하여 형폐한 상태에서 상기 캐비티에 부압을 걸어 상기 캐비티에 진공 분위기를 조성하는 진공화 단계;
    수지주입관을 통해 상기 복수 개의 수지주입구와 연결되어 있는 한 개 이상의 가압 용기 내의 상기 액상 수지 혼합물을 가압하여 상기 복수 개의 수지주입구를 통해 동시에 상기 캐비티 내부로 주입하고, 이에 의해 각 수지주입구를 통해 주입된 액상 수지 혼합물이 상기 섬유 기재에 함침되면서 상기 캐비티의 중앙부 쪽으로 이동하여 상기 한 개 이상의 수지배출구를 포함하는 영역(이하, '수지종착영역'이라 함)에서 최종적으로 만나고, 이 과정에서 발생하는 포어를 상기 수지종착영역으로 몰아가서 모이도록 하는 수지 주입 단계; 및
    상기 캐비티의 내부가 상기 액상 수지 혼합물로 다 채워진 상태에서, 상기 수지종착영역에 존재하는 포어들을 상기 수지배출구 밖으로 몰아내기 위해, 상기 수지배출구에 연결된 수지배출관을 차단하고 상기 수지주입수단이 상기 액상 수지 혼합물을 추가적으로 가압하는 보압인가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보압인가 단계 후에, 상기 상부 및 하부 성형몰드 내에 마련된 히터와 냉각라인, 온도센서, 온도제어부를 포함하는 온도제어수단을 이용하여, 소정의 온도 제어 스케줄에 따라, 상기 히터를 구동하여 상기 성형몰드를 가열함으로써, 상기 성형몰드의 표면온도를 상기 액상 수지 혼합물의 경화에 필요한 온도까지 상승시켜 상기 액상 수지 혼합물이 경화될 때까지 유지하여 상기 액상 수지 혼합물이 경화되게 하고, 그 후 상기 냉각라인에 냉매를 흘려 상기 성형몰드를 냉각함으로써, 상기 성형몰드의 표면온도를 소정 온도로 하강시켜 냉각하는 경화 및 냉각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 온도 제어 스케줄에 따른 상기 성형몰드의 가열은, 상기 액상 수지 혼합물을 상기 성형몰드 내로 주입할 때의 상기 성형몰드의 표면 온도(T0)에서 [(T2-T0)/2]±15℃의 온도까지 상승시켜 소정 시간 유지한 후, 다시 상기 액상 수지 혼합물의 완전 경화에 필요한 최소 온도인 경화 온도(T2) 이상으로 상승시켜 상기 액상 수지 혼합물이 완전히 경화할 때까지 유지되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 온도 제어 스케줄에 따른 상기 성형몰드의 냉각은, 상기 성형 몰드의 표면온도가 상기 액상 수지 혼합물을 상기 성형몰드 내로 주입할 때의 상기 성형몰드의 표면 온도(T0)까지 하강하도록 수행하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 수지는 에폭시 수지이고, 상기 온도 제어 스케줄은,
    상기 액상 수지 혼합물의 주입이 완료될 때까지 50~60℃의 온도로 상기 성형몰드의 표면온도를 유지하다가, 상기 캐비티 내에 주입 완료되면, 주입된 상기 액상 수지 혼합물의 경화를 위해, 80~100℃까지 상승시켜 3~7분 동안 유지한 후, 다시 120~150℃까지 상승시켜 상기 액상 수지 혼합물이 완전히 경화될 때까지 유지하고, 상기 액상 수지 혼합물이 경화된 후 상기 성형몰드의 표면온도를 50~60℃까지 서서히 하강시켜 냉각하는 온도 제어를 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 수지주입수단에서 상기 성형몰드로 주입되는 상기 액상 수지 혼합물의 온도와 상기 성형몰드의 표면온도를 모두 50~60℃의 범위 내로 유지되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 성형몰드에 주입하기 전에, 용기에 저장되어 있는 상기 액상의 수지에 대하여 상기 용기의 내부를 진공 상태로 유지하여 수지 탈포 공정을 진행하여 상기 액상의 수지 내에 존재하는 기포를 최소화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 FRP 성형물은 스마트폰 케이스이고, 상기 섬유 기재의 두께는 상기 성형몰드의 상기 캐비티의 두께의 80~90%인 것을 특징으로 하는 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법.
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