KR101669381B1 - 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법으로서, 유동성을 갖는 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 가요성 주머니체에 수용하여, 중자를 형성하는 공정 (1)과, 섬유에 의해 구성된 패브릭의 사이에 상기 중자를 개재시키고, 상기 패브릭과 중자를 성형용 금형 내부에 배치하는 공정 (2)와, 상기 패브릭과 중자를 배치한 상기 성형용 금형에 수지를 주입하고, 경화를 실행하는 공정 (3)을 포함하고, 상기 공정 (3)의 경화를 실행할 때, 가압 수단에 의해, 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시켜, 상기 중자 내의 내압을 높이는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 중자를 이용한 성형 가공에 있어서, 외면에 주름 등의 결함이 없고, 외관이 뛰어난 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

섬유 강화 플라스틱의 성형 방법{METHOD FOR MOLDING FIBER-REINFORCED PLASTIC}

본 발명은 섬유에 의해 구성된 패브릭에 중자(core)를 이용하여 레진 트렌스퍼 성형법을 실행하여, 섬유 강화 플라스틱(FRP; Fiber Reinforced Plastics)의 성형체를 제조하는 성형 방법에 관한 것이다.

폐단면을 갖는 섬유 강화 플라스틱의 성형체는, 항공기의 동체나 날개와 같은 대형의 성형체에서, 자전거의 프레임, 테니스 라켓, 낚싯대나 골프 샤프트 등의 소형의 성형체까지 광범위하게 이용되고 있다. 또한, 개단면을 갖는 섬유 강화 플라스틱의 성형체는 헬멧 등에도 광범위하게 이용되고 있다.

폐단면을 형성하기 위한 중자로서는, 발포체나 분립체를 포장 필름으로 포장하여, 소정 형상으로 형성한 중자 등이 이용되고 있다. 특허문헌 1에는, 분립체를 소망의 형상으로 형성한 중자를 이용한, 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 발명을 본 발명의 종래 기술 1로서, 도 5를 이용하여 설명한다.

도 5는 성형용 금형(108)을 이용한, 폐단면의 일종인 중공부를 갖는 성형품의 제조 방법의 수지 함침 공정과 수지 경화 공정을 설명하는 개략 구성도이다. 즉, 중자(104)에 강화 섬유가 감기는 것에 의해 작성된 프리폼(107)을, 중자(104)와 함께 성형용 금형(108)의 캐비티(109) 내에 배치한다. 여기서, 필름 백(105)의 입구부에는, 성형용 금형(108)에 마련된 공기 공급 통로(도시하지 않음)와 접속 가능한 접속구(도시하지 않음)가 마련되어 있다.

그리고, 프리폼(107)과 중자(104)를 캐비티(109) 내에 배치할 때, 밀봉되어 있던 필름 백(105)의 입구부를 개방하고, 성형용 금형(108)에 마련된 공기 공급 통로에 접속구를 장착함으로써, 필름 백(105) 내는 접속된다. 또한, 상기 공기 공급 통로는 에어 컴프레서(도시하지 않음)와 접속되어 있으며, 에어 컴프레서로부터 토출된 공기는 공기 공급 통로를 거쳐서 필름 백(105) 내에 공급되도록 구성되어 있다.

그리고, 프리폼(107)을 중자(104)와 함께 캐비티(109) 내에 배치한 후, 수지 주입 장치(110)와 주입 구멍(111)을 접속하는 주입관(112)에 마련된 삼방 밸브(113)에 의해, 수지 주입 장치(110)와 주입 구멍(111)을 비접속으로 한다.

다음에, 감압 펌프(114)와 배출 구멍(115)을 접속하는 흡인관(116)에 마련된 삼방 밸브(17)에 의해, 감압 펌프(114)와 배출 구멍(115)을 접속한 상태에서 감압 펌프(114)를 구동함으로써, 배출 구멍(115)을 거쳐서 캐비티(109) 내를 진공에 가까운 상태까지 감압한다.

이어서, 캐비티(109) 내가 감압된 상태에서, 삼방 밸브(113)에 의해, 수지 주입 장치(110)와 주입 구멍(111)을 접속하는 동시에, 수지 주입 장치(110)로부터 사출된 수지를 주입구(111a)로부터 캐비티(109) 내에 주입하는 수지 함침 공정이 실행된다. 또한, 프리폼(107)에 함침시키는 수지에는 경화제가 첨가되어 있다.

수지 함침 공정에 있어서 수지 주입 장치(110)는 수지를 일정 유량으로, 또한, 서서히 수지의 주입 압력을 높여 최종적으로 고압(예컨대, 5㎫)의 주입 압력으로 송출한다. 여기서, 주입 압력이란, 수지 주입 장치(110)로부터 송출되는 수지의 압력을 의미하며, 압력계(118)의 검출 압력에 상당한다.

캐비티(109) 내에 수지가 고압으로 주입되면, 수지는 프리폼(107) 전체에 골고루 퍼지도록 함침된다. 이때, 중자(104)는 필름 백(105) 내에 입자(106)가 충진되어 딱딱해져 있기 때문에, 수지 주입 시에 외측으로부터 고압의 압력이 가해져도 변형되는 일 없이 소정의 형상이 유지된다.

그리고, 수지 주입 장치(110)는 수지의 주입을 소정 시간 실행한 후 수지 주입 장치(110) 및 감압 펌프(114)의 운전을 정지한다. 또한, 삼방 밸브(113, 117)는 대기 개방되고, 수지의 주입이 종료된다.

그리고, 다음에, 수지 경화 공정을 실시하여 수지의 경화를 실행한다. 수지 경화 공정에서는, 수지의 주입을 종료한 후, 성형용 금형(108) 내에 마련된 히터 등의 가열 수단(도시하지 않음)에 의해 수지의 가열을 개시하고, 또한, 에어 컴프레서 등에 의한 공기 공급 수단에 의해 필름 백(105) 내에 공기를 공급함으로써 필름 백(105) 내의 가압을 실행한다.

필름 백(105) 내에 공기가 공급되면, 공기는 도 5의 점선 화살표로 나타내는 바와 같이 입자(106) 중을 통과하여 균일하게 필름 백(105) 내에 확산된다. 그 결과, 필름 백(105) 내는 미리 설정된 압력으로 가압되며, 수지의 경화와 필름 백(105) 내의 가압이 병행하여 실행된다. 그리고, 필름 백(105)은 그 외주면에 의해 프리폼(107)의 내주면을 균일하게 가압한다.

또한, 필름 백(105) 내를 가압할 때에는, 사전에 실험을 실행하여, 이용하는 수지의 경화 및 고화 수축에 의해 발생하는 압력과 균형을 이루는 압력을 산출하고, 실험에 의해 산출된 압력까지 필름 백(105) 내를 가압한다. 그리고, 수지의 경화 및 고화 수축이 진행될 때, 수지의 경화 및 고화 수축에 의해 발생하는 압력과, 필름 백(105) 내의 압력이 균형을 이루어 수지의 경화 및 고화 수축이 억제된다. 그 때문에, FRP 성형품의 표면에 발생하는 싱크 마크(성형 형과 성형품의 사이에 공기층이 남아 있기 때문에 발생하는, 성형 형의 형상이 전사되지 않기 때문에 표면 상태가 거칠어지는 현상)를 억제, 또는 싱크 마크를 분산시킬 수 있다. 그리고, 프리폼(107)의 내주면에는, 수지의 경화가 완료될 때까지 필름 백(105)에 의해 압력이 계속 가해진다. 수지의 경화가 완료되면, 가열 수단에 의한 수지의 가열을 종료하는 동시에, 필름 백(105) 내로의 공기 공급을 종료한다.

수지 경화 공정이 종료된 후, FRP 제품의 탈형 공정을 실행한다. 탈형 공정에서는, 성형용 금형(108)을 개방하고, 필름 백(105)에 마련된 접속구를 공기 공급 통로로부터 분리하여, 성형용 금형(108) 내로부터 중자(104)와 함께 FRP 제품을 취출한다. 중자(104)를 취출하는 공정에 있어서, 필름 백(105)의 입구부를 개방하여 필름 백(105) 내의 공기를 배출한 후, 입구부를 거쳐서 필름 백(105) 내에 포함되어 있던 입자(106)를 취출해서 필름 백(105)을 오므라들게 한다. 그리고, 필름 백(105)을 FRP 제품으로부터 취출함으로써, 중자(104)가 취출된 상태의 FRP 제품이 제조된다.

일본 특허 공개 제 2008-155383 호 공보

특허문헌 1의 발명에서는, 성형용 금형 내에 수지를 주입하고, 프리폼에 수지 함침시킨 후, 중자에 유체 또는 입자를 공급하고, 내압을 가한 상태에서 수지를 경화시키고 탈형하여, FRP 제품을 제조하고 있다.

특허문헌 1에는, 섬유 또는 섬유 제품에 수지를 함침시킬 때에, 수지 주입 압력에 의해 중자를 변형시키는 일 없이, 또한, 중자를 구성하는 입자를, 수용성 점결제나 해체성 접착제 등을 이용하여 결합시키는 방법이 예시되어 있기 때문에, 입자가 유동하는 구성이나 공정으로 되어 있지 않다. 이러한, 특허문헌 1에 기재된 방법을 이용하여 FRP 제품을 제조하는 경우, 중자의 외형 형상에 높은 정밀도가 필요하게 된다. 즉, FRP 제품의 외형으로부터 프리폼의 두께분만큼 내측으로 오프셋시킴으로써 형상이 중자 형상이 되지만, 중자 형상의 정밀도가 낮으면 FRP 제품의 수지 함유율에 불균일이 발생한다. 특히, 복수의 강화 섬유 시트로 구성되며 각 시트가 서로 중첩을 갖는 복잡 형상인 경우에는 수지의 유동 속도차가 생겨서 수지가 함침하지 않는 영역이 발생하기 쉬워진다. 이와 같이, 수지가 함침하지 않는 영역이 발생하면, 경화 공정에서 중자를 필름 백 내에서 가압해도 결함으로 남게 된다. 중자와 성형용 금형의 간격에 여유를 둔 경우는, 수지가 함침하지 않는 영역은 발생하지 않지만, 수지 함유량의 불균일이 발생하기 쉽고, 기체나 액체를 중자 내에 공급하여 가압하면, 수지 함유량의 불균일을 개선하는데 고압이 필요하게 된다. 이 때문에, 가압된 기체나 액체의 일부가, 중자로부터 누출되었을 때에는, 누출된 기체나 액체는 고속 및 고압의 제트류가 되고, 나아가, 고온 상태인 채로 외부로 분출되어 버리게 된다. 그리고, 특히, 액체가 분출된 경우는, 성형용 금형의 주위에 큰 손해를 끼치거나, 작업자에 위해를 가해버릴 우려가 있기 때문에, 충분한 안전 대책을 강구한 설비가 필요하게 된다. 또한, 입자를 중자 내에 공급하여 가압해도, 입자가 유동하는 구성이나 공정으로 되어 있지 않기 때문에, 공급 부근만 가압되며, 전체의 가압은 곤란하다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법에서는, 유동성을 갖는 다수의 입자체를 가요성 주머니체에 수용하여 중자를 형성하는 공정 (1)과, 섬유에 의해 구성된 패브릭의 사이에 상기 중자를 개재시키고, 상기 패브릭과 중자를 성형용 금형 내부에 배치하는 공정 (2)와, 상기 패브릭과 중자를 배치한 상기 성형용 금형에 수지를 주입하고, 경화를 실행하는 공정 (3)을 포함하고, 상기 공정 (3)에 있어서, 경화를 실행할 때, 가압 수단에 의해, 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시켜, 상기 중자 내의 내압을 높이는 것을 포함하는 것을 가장 주요한 특징으로 하고 있다.

즉, 본 발명은 이하의 구성을 갖는다.

[1] 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법으로서,

유동성을 갖는 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 가요성 주머니체에 수용 하여, 중자를 형성하는 공정 (1)과,

섬유에 의해 구성된 패브릭의 사이에 상기 중자를 개재시키고, 상기 패브릭과 중자를 성형용 금형 내부에 배치하는 공정 (2)와,

상기 패브릭과 중자를 배치한 상기 성형용 금형에 수지를 주입하고, 경화를 실행하는 공정 (3)을 포함하고,

상기 공정 (3)의 경화를 실행할 때, 가압 수단에 의해, 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시켜, 상기 중자 내의 내압을 높이는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법;

[2] 상기 가요성 주머니체가 포장 필름이며, 상기 공정 (1)이, 상기 포장 필름으로 상기 입자체를 진공 팩하여 소망 형상의 중자를 형성하는 공정인, [1]에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법;

[3] 상기 입자체가, 다른 입자 직경을 갖는 입자로 구성되어 있는, [1] 또는 [2]에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법;

[4] 상기 공정 (3)이, 수지 주입 후, 추가로, 형 체결 가압을 실행하는 공정인, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법;

[5] 상기 공정 (3)의 후, 추가로 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시킨 부위에 유체 배출용의 구멍을 뚫는 공정 (4), 및 상기 유체 배출용의 구멍으로부터 상기 입자를 배출하는 공정 (5)를 포함하는, [1] 내지 [4] 중 어느 한 항에 기재된 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법.

본 발명에서는, 높은 유동성을 갖도록 구성된 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 가요성 주머니체에 수용한 중자를 이용하고 있다. 나아가, 성형용 금형 내에 수지를 주입하고, 경화할 때에, 섬유에 의해 구성된 패브릭을 개재하거나, 또는 패브릭을 개재하지 않고, 중자의 외주면의 일부를 가압하는 것에 의해, 중자의 외주면에 함몰부를 형성시켜서, 중자의 내압을 강제적으로 높이고 있다. 그리고, 중자의 내압을 높임으로써, 중자 내부의 입자체를 구성하는 입자 사이에 미끄럼을 발생시켜, 중자를 변형시키고 있다.

중자를 변형시킴으로써, 중자를 둘러싸고 있는 패브릭과 중자와의 간격이 넓은 경우에도, 중자의 변형에 의해 이 간격을 좁힐 수 있다. 특히, 성형용 금형의 성형면에 있어서의 코너부와 패브릭과의 간격이 넓은 경우라도, 중자의 변형에 의해, 이 간격을 좁히는 방향으로 패브릭을 이동시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 가압 성형 시의 성형용 금형을 도시하는 모식도,
도 2는 패브릭과 중자의 내부 구조를 도시하는 모식도,
도 3a는 중공부를 갖는 성형품의 제조 단계에 있어서 가압 성형이 종료된 반 성형품을 성형용 금형으로부터 취출한 상태를 도시하는 모식도,
도 3b는 중공부를 갖는 성형품의 제조 단계에 있어서 반 성형품의 오목부에 배출용의 구멍을 뚫은 상태를 도시하는 모식도,
도 3c는 중공부를 갖는 성형품의 제조 단계에 있어서 반 성형품의 오목부에 마련된 배출용의 구멍으로부터 입자체를 배출한 후의 상태를 도시하는 모식도,
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 가압 성형 시의 성형용 금형을 도시하는 모식도,
도 5는 종래의 수지 함침 공정과 수지 경화 공정을 설명하는 개략 구성도.

본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 이하의 도 1 내지 도 4를 기초로 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법으로서는, 이하에서 설명하는 성형용 금형, 중자 등의 구성 이외라도, 성형용 금형에 의한 가압 성형 중에 중자를 변형시킬 수 있는 구성이면, 그들 구성에 대해서도 본 발명을 바람직하게 적용할 수 있다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법에 있어서, 공정 (1)은 유동성을 갖는 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 가요성 주머니체에 수용하여 중자를 형성하는 공정이다.

중자로서는, 연장 전개 가능한 재질로 구성되는 포장 필름과, 유동성을 갖는 입자로 이루어지는 입자체로 구성된다. 이 중, 상기 포장 필름으로 유동성을 갖는 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 진공 팩 포장한 것인 것이 바람직하다. 또한, 상기 포장 필름으로서는, 나일론제의 필름, 폴리에틸렌제의 필름, 불소 수지 필름, 실리콘 고무 등을 들 수 있다. 이 중, 내열성, 강도의 관점에서 나일론, 불소 수지 필름인 것이 바람직하다.

상기 포장 필름으로 유동성을 갖는 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 진공 팩 포장한 중자는 형성이 용이하며, 또한 정확한 형상으로 형성 가능하기 때문에 바람직하다. 또한, 이러한 중자를 이용한 경우, 중자의 내압이 상승하면, 중자 내의 입자체를 구성하는 각 입자는 전후 좌우 방향으로 미끄럼을 일으켜서 이동하게 되지만, 입자체를 포장하고 있는 포장 필름은 연장 전개 가능하기 때문에, 입자체의 이동에 따른 중자의 외형 형상의 변형을 허용할 수 있다.

유동성을 갖는 입자체로서는, 다른 입자 직경을 갖는 입자로 구성되는 것인 것이 바람직하다. 여기서, "상이한 입자 직경을 갖는 입자로 구성되는 것"이란, 입자 직경이 0.1㎜ 내지 20㎜이며, 또한 대략 구형의 형상을 갖는 입자를, 다른 입자 직경으로 조합하고, 이들 다른 입자 직경을 갖는 각 입자가, 입자체를 구성하는 입자의 총 질량에 대해, 각각 10% 내지 90%의 비율로 혼재하는 입자체를 가리킨다. 입자체를 구성하는 입자로서는 알루미나, 지르코니아 등의 세라믹, 석영, 유리, 경질 내열 수지, 금속, 주물사 등을 입체물로 한 것을 이용할 수 있다. 이 중 열전도율이 낮은 지르코니아, 석영을 이용하는 것이 바람직하다.

공정 (1)에 있어서, 중자는 높은 유동성을 갖도록 구성된 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 가요성 주머니체에 수용하고 있기 때문에 변형 가능하다. 한편, 이러한 구성을 채용하면, 중자의 외주면을 가압하여 외주면에 함몰부를 형성하여 중자를 변형시켜도, 중자 내에 있어서의 내부 압력은, 액체나 기체를 이용했을 때와 같이, 전체 부위에 있어서 동일한 압력 상태로는 되지 않는다. 즉, 중자의 외주면의 일부를 가압하여, 내부의 입자체에 대해 압력을 가해도, 압력이 가해진 부위의 압력보다 작은 압력이 다른 부위에서 발생하게 된다. 그리고, 가해진 압력이 일정 값을 초과하면, 입자체를 구성하는 입자 사이에서 미끄럼이 발생하게 된다.

그 때문에, 중자의 외주면의 일부를 가압한 경우, 가압에 의해 중자의 외주면에 함몰부가 형성된 부위에 있어서, 그 곳에서의 내부 압력이 크게 상승해도, 이 부위로부터 이격된 중자의 외주면측에 있어서의 부위에서의 압력 상승은, 함몰부가 형성된 부위의 내부 압력보다 낮아진다.

특히, 중자 내에서의 압력의 전달성, 입자체의 유동성은, 입자체를 구성하는 입자 표면의 거칠기, 입자 직경이 영향을 미친다. 균일한 입자 직경을 갖는 입자로 이루어지는 입자체를 이용한 경우, 중자 내에서 입자체는 최밀 충진되고, 입자체의 유동성이 저해되어, 압력의 전달성이 손상된다. 따라서, 중자 내에서의 입자 직경의 분포 상황이나 입자 표면의 거칠기의 분포 상황을 고려하거나, 다른 입자 직경을 갖는 입자로 이루어지는 입자체를 조합하여 사용하는 것에 의해, 중자 내에서의 입자체의 유동성과 압력 전달성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서는, 입자 직경이 0.1㎜ 내지 20㎜이며, 또한 대략 구형의 형상을 갖는 입자를, 다른 입자 직경으로 조합하여, 이들 다른 입자 직경을 갖는 각 입자가, 입자체를 구성하는 입자의 총 질량에 대해, 각각 10% 내지 90%의 비율로 혼재하는 입자체를 이용하고 있기 때문에, 최밀 충진이 되지 않고 중자 내에서의 입자체의 유동성이 높으며, 또한 압력 전달성이 뛰어나다.

가압에 의해 함몰부가 형성된 부위로부터 이격된 중자 내의 부위에서도, 입자체를 구성하는 입자의 미끄럼에 의해 중자의 외주 표면적이 넓어지도록 변형된다. 이에 의해, 패브릭을 성형용 금형의 성형면을 따라서 가압할 수 있다

중자는 폐쇄한 형태에서, 중자를 외부로부터 가압하기 때문에, 안정적으로 가압할 수 있다. 만일, 성형용 금형의 형 체결이나, 함몰부를 형성하는 가압에 의해 중자의 내압이 지나치게 상승한 경우, 포장 필름은 이러한 압력에 저항하여 입자체를 보지하는 강도는 없기 때문에, 입자체가 포장 필름을 찢는 경우가 있다. 그렇지만, 성형용 금형의 간극을 입자의 직경보다 작아지도록 구성해 두면, 입자가 파쇄되지 않는 한, 성형용 금형으로부터 입자체가 누출되는 일은 일어나지 않는다.

본 발명에 있어서, 중자의 외주면의 일부를 가압하는 가압 수단으로서는, 성형용 금형의 성형면 내에 출몰 가능한 로드로, 중자의 외주면의 일부를 가압하는 수단을 들 수 있다. 성형용 금형의 성형면 내에 출몰 가능한 로드로서는, 예컨대, 로드로서 피스톤 로드를 이용한 구성을 들 수 있으며, 복수 부위에 가압부를 설치할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 공정 (2)는, 섬유에 의해 구성된 패브릭의 사이에 상기 중자를 개재시키고, 상기 패브릭과 중자를 성형용 금형 내부에 배치하는 공정 (2)이다.

패브릭으로서는, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유(aramid fiber), 및 탄화규소 섬유 등으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유를, 1축 제직이나 다축 제직한 것, 나아가 섬유 방향이 랜덤인 부직포 등으로 구성된 것인 것이 바람직하다.

이러한 패브릭의 사이에 중자를 개재시키고, 상기 패브릭과 중자를 성형용 금형 내부에 배치함으로써, 중자의 외주면의 일부를 가압할 때, 패브릭을 개재하거나, 또는 패브릭을 개재하지 않고 중자의 일부 외주면을 가압할 수 있다.

여기서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 성형용 금형의 대략 평면 형상 부위에서 패브릭을 개재하고 가압하는 경우에는, 패브릭은 평탄하게 된다. 한편, 도 1에 도시하는 바와 같이, 피스톤 로드 등의 볼록 형상 부위에서 패브릭을 개재하고 가압하는 경우에는, 패브릭에 오목부가 형성된다.

여기서, "대략 평면 형상 부위"란, 성형용 금형 내면의 전사와 같은 형상을 갖는 부위를 가리킨다.

본 발명에서는, 후술하는 공정 (3)의 후, 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시킨 부위(이하, "가압 부위"라 함), 즉, 상기 오목부나 평탄부에 유체 배출용의 구멍을 뚫는 공정 (4), 및 상기 유체 배출용의 구멍으로부터 상기 입자를 배출하는 공정 (5)를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 가압 부위 이외에 유체 배출용의 구멍을 뚫어도 좋다.

또한, 본 발명에서는, 중자의 외주면의 일부를 가압할 때, 패브릭을 개재하지 않고 중자의 일부 외주면을 가압해도 좋다. 패브릭을 개재하지 않고 중자의 외주면의 일부를 가압하는 경우에는, 로드 등의 가압부에 상당하는 구멍을 패브릭에 뚫어 두고, 중자에 직접 가압하게 된다. 이러한 방법에 의해 얻어진 성형품은 상기 가압부에 상당하는 구멍으로부터 포장 필름을 찢어 입자를 배출할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 중자를 구성하는 포장 필름에는 이형재를 도포하는 등 이형 처리를 실행하거나, 또는 이중 포장으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 유체 배출 구멍으로부터 입자체를 배출할 때, 입자가 접하는 포장 필름도 동시에 제거하는 것이 가능해진다.

본 발명에 있어서, 공정 (3)은 상기 패브릭과 중자를 배치한 상기 성형용 금형에 수지를 주입하고, 수지를 경화시키는 공정이다.

또한, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법은, 상기 공정 (3)의 성형 시, 가압 수단에 의해, 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시켜, 상기 중자 내의 내압을 높이는 것을 특징으로 하는 방법이다.

본 발명의 공정 (3)은, 구체적으로는, 우선, 패브릭과 중자를 배치한 성형용 금형에 수지를 주입하고, 그 후, 가압 수단에 의해 중자의 외주면의 일부를 가압한다. 그 후, 상기 가압 수단에 의해 가압한 채로의 상태에서 수지를 경화시키는 공정이다.

성형용 금형에 주입하는 수지로서는, 에폭시 수지, 우레아(urea) 수지, 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 페놀 수지 등의 열경화성 수지를 이용할 수 있다. 이 중, 최종 성형품인 FRP 제품의 강도의 관점에서, 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지를 이용하는 것이 바람직하다.

성형 시의 성형 온도는 성형용 금형에 충진하는 수지에 따라 적절히 조절할 수 있지만, 80℃ 내지 180℃인 것이 바람직하며, 110℃ 내지 150℃인 것이 보다 바람직하다.

수지의 경화 시간(이하, "큐어" 라 하기도 함)은 2분 내지 60분 간인 것이 바람직하며, 3분 내지 10분 간이 보다 바람직하다.

본 발명에 있어서, 가압 수단으로서는, 전술한 바와 같은 피스톤 로드로 중자를 가압하는 수단을 이용할 수 있으며, 복수의 피스톤 로드를 배치할 수도 있다. 또는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 높은 압력을 발생할 수 있는 형 체결 기구를 갖는 성형용 금형으로 중자를 가압하는 수단이어도 좋다.

중자를 가압하기 위한 피스톤 로드의 형상으로서는, 중자에 접촉하는 부위가 원기둥이나 반원구 등 둥근 모양을 갖는 형상인 것이 바람직하다. 중자에 접촉하는 부위가 둥근 모양을 갖는 형상이면, 포장 필름에 손상을 주기 어렵기 때문에 바람직하다.

또한, 높은 압력을 발생할 수 있는 형 체결 기구를 갖는 성형용 금형으로서는 강재제인 것이 바람직하다. 높은 압력을 발생할 수 있는 형 체결 기구를 갖는 성형용 금형이 강재제이면, 내압, 내구성이 충분하기 때문에 바람직하다.

상기 가압 수단으로 중자를 가압할 때의 압력은 1㎫ 내지 10㎫인 것이 바람직하며, 2㎫ 내지 8㎫인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 공정 (3)이, 수지 주입 후, 추가로, 형 체결 가압을 실행하는 공정인 것이 바람직하다. 여기서, "금형 가압"이란 보압을 가리킨다. 또한, 가하는 압력으로서는 1㎫ 내지 10㎫인 것이 바람직하다. 수지 주입 후, 1㎫ 내지 10㎫로 형 체결 가압을 실행함으로써, 경화 수축이 큰 수지를 성형하는 경우에, 경화 수축을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.

<실시예 1>

도 1에 도시하는 바와 같이, 중자(4)를 내포한 패브릭(3)을 성형용 금형(15)의 내주면 형상과 동일한 형상으로 부형한 프리폼을, 미리 가열한 성형용 금형(15)의 하형(1)에 형성한 오목부(1a) 내에 탑재한다.

도 1에서는, 패브릭(3)에 있어서의 단면 형상이 환상으로 형성되며, 그 내부에 중자(4)를 개재시킨 형상으로 구성되어 있다. 이러한 패브릭(3)의 구성으로서는, 예컨대, 2매의 시트 형상의 패브릭 사이에 중자(4)를 둘러싸이도록 넣은 형상을 들 수 있다.

그리고, 성형용 금형(15)의 주입 구멍(도시하지 않음)으로부터 열경화성 수지를 주입하여, 패브릭(3)에 수지를 함침시킨 후, 성형용 금형(15)에서 가열 경화를 실행하여, 소망의 형상의 섬유 강화 플라스틱(FRP)의 성형품을 제조할 수 있다.

도 1에 있어서, 중자(4)는, 입자체(4a)를 포장 필름(4b)으로 둘러싸고 진공 팩 포장을 실행하여, 소망의 외형 형상, 즉, 직사각형의 형상으로 구성한 것을 이용하고 있다.

하형(1)에는, 성형용 금형(15)의 캐비티 내에 출몰 가능한 피스톤 로드(5a)를 구비한 실린더(5)가 마련되어 있다. 또한, 도 1에서는, 피스톤 로드(5a)를 미끄럼 운동시키기 위해서 실린더(5)의 압력실에 작동 유체를 급배(給排)하는 배관의 도시는 생략하고 있다. 이하, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

우선, 상형(2)과 하형(1)이 서로 근접하는 방향으로 이동시키고, 형 체결을 실행함으로써, 하형(1)의 오목부(1a) 내에 탑재한 패브릭(3)을 가압할 수 있다. 여기서, 상형(2)과 하형(1)으로 구성되는 형 체결기로서는, 고압 프레스기를 이용하는 것이 바람직하다.

수지 주입 시는, 비교적 저압으로 수지를 주입할 수 있도록, 이들 상형(2) 및 하형(1)과 중자(4)와의 간격을 0.1㎜ 내지 1㎜ 정도 넓혀두는 것이 바람직하다. 수지 충진 후, 피스톤 로드(5a)에 의해, 또는 추가로 형 체결을 실행하는 것에 의해, 중자(4)의 압력을 높인다. 즉, 수지 충진 후, 피스톤 로드(5a) 또는 형 체결 중 적어도 어느 하나에 의해 가압을 실행한다. 한편, 수지 충진 후의 형 가압을 실행하지 않는 경우에는, 형 체결기로서는 형의 개폐 기구를 갖는 것이면 좋으며, 고압 프레스기는 불필요해진다

형 체결 후, 피스톤 로드(5a)를 성형용 금형(15)의 캐비티 내에 돌출시킴으로써, 패브릭(3) 내에 개재시키고 있는 중자(4)의 외주면에 있어서의 일부 부위를 가압한다. 이 가압에 의해, 도 1에 있어서 동그라미로 둘러싼 부위(A)를 확대한 도 2에 도시하는 바와 같이, 다른 입자 직경을 갖는 입자로 구성되는 입자체(4a)의 유동성이 향상되며, 중자(4) 내의 입자체(4a)는 미끄럼을 발생시킨다.

특히 공극이나 보이드가 발생하기 쉬운 패브릭(3)의 내면에 있어서의 네 모서리에도, 중자(4)를 변형시켜 패브릭(3)의 내면에 밀접시킬 수 있기 때문에, 오목부(1a)의 벽면을 따라서 형성되는 세로의 부위의 내면에 따른 영역에, 굽힘이나 주름이나 공극이나 보이드가 발생하기 어렵다. 그 결과, 치수 정밀도의 높은 성형품을 얻을 수 있다.

형 체결 전에, 중자(4)를 둘러싸고 있는 수지를 함침한 패브릭(3)과, 중자(4)와의 사이에 공극이나 보이드가 형성되어 있는 경우라도, 중자(4)를 변형시킴으로써, 공극이나 보이드를 구성하고 있던 공기는, 중자(4)에 의한 높은 내압에 의해 눌리거나, 또는 수지를 함침한 패브릭(3)을 통과하여 성형용 금형(15)으로부터 대기 중에 방출되게 된다. 또한, 수지를 함침한 패브릭(3)을 공기가 통과했을 때에 형성된 통로는 수지를 함침한 패브릭(3)에 의해 자연스럽게 막히게 된다.

또한, 성형용 금형(15)의 코너부에 있어서, 성형용 금형(15)과 수지를 함침한 패브릭(3)과의 사이에 공극이나 보이드가 존재하고 있던 경우라도, 외주면 형상을 넓힌 중자(4)로부터의 가압에 의해, 패브릭(3)이 공극이나 보이드측으로 이동한다. 그리고, 이 공극이나 보이드를 형성하고 있던 공기는 높은 내압에 의해 눌리거나, 성형용 금형(15)으로부터 대기 중으로 압출할 수 있다.

또한, 실시예의 설명에서 이용하는 각 도면에 있어서, 포장 필름(4b)을 알기 쉽게 설명하기 위해, 과장한 상태로 포장 필름(4b)의 두께를 두껍게 나타내고 있다. 실제로는, 포장 필름(4b)은 1㎜ 두께 이하의 얇은 필름 형상으로 구성할 수 있다. 보다 구체적으로는, 포장 필름(4b)의 필름의 두께는 0.05㎜ 내지 1㎜인 것이 바람직하다. 또한, 각 도면에 있어서, 사각파이프 형상의 성형품을 성형하는 구성에 대해 설명을 실행하고 있지만, 본 발명의 성형품으로서는, 폐단면을 갖는 다른 형상을 갖는 구성이어도 좋다.

폐단면에 가까운 형상으로서는, 단면 형상이 C자형인 형상 등이 있다. 예컨대, C자형의 단면 형상을 갖는 성형품을 형성하는 경우에는, 중자(4)의 일부를 상형(2) 또는 하형(1)의 성형면에 직접 접촉시킨 배치 구성으로 할 수 있다. 그리고, 성형면에 접촉하고 있지 않은 중자(4)의 주위를 패브릭(3)으로 덮는 것에 의해, C자형의 단면 형상을 갖는 성형품을 성형할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에 있어서의 폐단면으로서는, 사각파이프 형상 등의 형상뿐만이 아니라, 예컨대, 상술한 바와 같은 C자형의 단면 형상도 포함된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 피스톤 로드(5a)로 중자(4)의 외주면의 일부를 가압함으로써, 패브릭(3)의 외주면에는 오목부(6)가 형성되게 된다. 피스톤 로드(5a)로 중자(4)의 외주면을 가압하면, 중자(4) 내의 용적은, 입자체(4a)의 용적에 돌입한 피스톤 로드(5a)의 용적이 강제적으로 더해진 상태가 된다. 그 결과로서, 중자(4) 내의 내압을 높일 수 있다.

중자(4)의 내압이 높아지는 것에 의해, 입자체(4a)를 구성하는 입자는 상호의 입자 사이에서 미끄럼을 발생시켜 전후 좌우 방향으로 이동하게 된다. 그러나, 입자체(4a)를 포장하고 있는 포장 필름(4b)은 진공 팩 포장을 실행할 수 있는 재질로 구성되어 있기 때문에, 입자체(4a)를 구성하는 입자의 이동을 실질적으로 제한하는 일 없이 연장 전개할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법은, 중자(4)의 내압을 높여, 입자체(4a)를 구성하는 입자 사이에서의 미끄럼을 발생시킬 수 있다고 하는 특징을 갖고 있기 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같이, 중자(4)를 변형시켜서, 중자(4)와 패브릭(3)과의 사이의 공극이나 보이드를 없앨 수 있다.

나아가, 중자(4)의 변형은 공극이나 보이드가 발생하기 쉬운 부위, 즉, 수지를 함침한 패브릭(3)과의 사이의 압력이 낮은 부위에서 발생하기 때문에, 공극이나 보이드를 없애면서 수지를 함침한 패브릭(3)의 두께를 소정의 두께, 즉, 0.1㎝ 내지 1㎝로 유지할 수 있다.

이와 같이, 0.1㎝ 내지 1㎝의 두께를 갖고, 소망의 외주면 형상, 즉, 성형용 금형(15)의 내주면 형상과 같은 형상으로 수지를 함침한 패브릭(3)을 가압 성형할 수 있다.

도 3a는, 본 발명의 중공부를 갖는 성형품의 제조 단계에 있어서, 가압 성형이 종료된 반 성형품을 성형용 금형으로부터 취출한 상태를 도시하는 모식도이다. 가압 성형이 종료된 반 성형품(10a)에 있어서, 피스톤 로드(5a)로 가압한 패브릭(3)의 부위에, 오목부(6)가 형성되어 있다.

도 3b는, 중공부를 갖는 성형품의 제조 단계에 있어서, 반 성형품의 오목부에 배출용의 구멍을 뚫은 상태를 도시하는 모식도이다. 도 3b에 도시하는 바와 같이, 오목부(6)에 배출용의 구멍을 뚫으면, 이 구멍으로부터 중자(4)를 구성하고 있던 입자체(4a)를 구성하는 입자 사이에 공기가 유입하여, 입자체(4a)를 구성하는 입자 사이의 결합 상태가 무너진다. 그리고, 결합 상태가 무너진 입자체(4a)를, 오목부(6)에 형성한 배출용의 구멍으로부터 외부로 배출할 수 있다. 그리고, 도 3c에 도시하는 바와 같이, 중공부(10b)를 갖는 성형품(10)을 완성시킬 수 있다.

입자체(4a)를 진공 팩 포장하고 있던 포장 필름(4b)을, 성형품(10)에 대해 박리성이 좋은 재료로 구성하거나, 또는 포장 필름(4b)을 이중 포장으로 하는 구성으로 해둠으로써, 입자체(4a)에 접하는 포장 필름(4b)도 성형품(10)으로부터 분리할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법은, 중자(4)와 패브릭(3)과의 사이에 공극이나 보이드가 없는 상태에서, 수지를 함침한 패브릭(3)에 대한 가압 성형을 실시할 수 있으므로, 굽힘이나 주름이 없는 소망의 두께로 소망의 외주면 형상을 갖는 성형품(10)을 제조할 수 있다. 또한, 성형용 금형(15)을 폐쇄한 상태에 있어서 중자(4) 내의 내압이 낮은 경우라도, 피스톤 로드(5a)로부터 가한 가압력에 의해 중자(4) 내의 내압을 높일 수 있으므로, 성형품(10)으로서, 소망의 두께로 소망의 외주면 형상을 갖는 제품을 제조할 수 있다.

본 실시예 1을 더욱 구체적으로 나타낸다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 지르코니아 입자(직경 1㎜, 3㎜의 혼합, 토소(TOSOH)사제, 제품명: 지르코니아 분쇄 볼 YTZ)(입자체(4a))를 나일론 필름(에어테크사제, 제품명: WRIGHTLON　7400, 두께: 50㎛, 포장 필름(4b))으로 진공 팩 포장하여 중자(4)를 제작했다. 또한, 상기 중자(4)를, 탄소 섬유 평직물(미츠비시 레이온사제, 제품명: TR3110)로 5프라이로 내포하여 패브릭(3)으로 하고, 성형용 금형(15)의 내주면 형상과 대략 동일한 형상으로 프리폼했다. 다음에, 80℃의 성형용 금형(15)의 하형(1)에 형성한 오목부(1a) 내에 상기 프리폼을 탑재하고, 상형(2)과 하형(1)을 완전하게 형 체결을 실행했다. 이어서, 에폭시 수지(나가세 켐텍스사제, 제품명: 데나타이트 XNR /H6815)를 상기 프리폼에 주입 충진한 후, 피스톤 로드(5a)로 중자(4)의 외주면의 일부를 압력 3㎫로 가압했다. 외주면의 일부를 압력 3㎫로 가압한 채로 120분간 큐어하고, 그 후, 성형용 금형을 개방하여 성형품을 취출했다. 상기 성형품의 피스톤 로드(5a)의 가압에 의해 형성된 오목부(6)(도 3a)에 배출용의 구멍을 뚫고, 입자체(4a)를 배출용 구멍으로부터 외부로 배출하여(도 3b), 중공 성형품을 얻었다(도 3c). 이 성형품은 치수 정밀도가 높고, 외면에 주름 등 결함이 없는 외관이 뛰어난 것이었다. 여기서, 성형품의 치수 정밀도란, 외형 치수를 가리키며, 버니어 캘리퍼스나 3차원 측정기 등의 장치로 측정할 수 있다.

<실시예 2>

도 4를 이용하여, 본 발명에 따른 실시예 2의 구성에 대해 설명한다. 실시예 1에서는, 중자(4)를 가압하기 위한 가압 수단으로서 피스톤 로드(5a)를 이용한 구성에 대해 설명했지만, 실시예 2에서는, 중자(4)를 가압하는데 피스톤 로드(5a)를 이용하지 않는 구성으로 되어 있다. 그 이외의 구성은 실시예 1과 동일한 구성으로 되어 있다. 실시예 1과 동일한 구성 부재에 대해서는 실시예 1에서 이용한 부재 부호와 동일한 부재 부호를 이용함으로써 그 부재에 대한 설명을 생략한다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 하형(1)의 오목부(1a) 내에 프리폼된 패브릭(3)을 수납한다. 도 3c에서 도시하는 바와 같이 중공부(10b)를 갖는 성형품(10)을 제조하기 때문에, 패브릭(3) 내에는 중자(4)가 탑재되어 있다.

수지 주입 후, 높은 압력을 발생할 수 있는 형 체결기, 예컨대, 유압 프레스기에 의해, 상형(2)과 하형(1)으로 가압 성형한다. 형 체결되는 것에 의해, 다른 입자 직경을 갖는 입자로 구성되는 입자체(4a)의 유동성이 향상되며, 중자(4)를 변형시켜서, 중자(4)와 수지를 함침한 패브릭(3)과의 사이에 공극이나 보이드가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 성형용 금형(15)의 성형면과 수지를 함침한 패브릭(3)과의 사이에 발생하기 쉬운 공극이나 보이드가 형성되는 것을 방지할 수 있다.

실시예 2를 더욱 구체적으로 나타낸다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 피스톤 로드(5a)를 이용하지 않고, 상형(2)에 의해 가압을 실행한 것 이외는 전부 실시예 1과 동일한 조건으로 성형을 실행했다. 성형용 금형을 개방하고 성형품을 취출한 후, 성형품의 측면에 배출용의 구멍을 뚫고, 입자체(4a)를 배출용 구멍으로부터 외부로 배출하여, 중공 성형품을 얻었다. 이 성형품은 외면에 주름 등 결함이 없으며, 외관이 뛰어난 것이었다.

본 발명은 중자를 이용한 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법에 바람직하게 적용할 수 있다.

1: 하형 1a: 오목부
2: 상형 3: 패브릭
4: 중자 4a: 입자체
4b: 포장 필름 5: 실린더
5a: 피스톤 로드 6: 오목부
10a: 반 성형품 10b: 중공부
15: 성형용 금형 16: 주입 구멍
104: 중자 105: 주머니 부재로서의 필름 백
106: 입자 107: 프리폼
108: 성형용 금형 109: 캐비티
110: 수지 주입 장치 111: 주입 구멍
111a: 주입구 112: 주입관
113: 삼방 밸브 114: 감압 펌프
115: 배출 구멍 116: 흡인관
117: 삼방 밸브 118: 압력계

Claims (5)

1. 섬유 강화 플라스틱의 성형 방법에 있어서,
   유동성을 갖는 다수의 입자로 이루어지는 입자체를 가요성 주머니체에 수용 하여, 중자(core)를 형성하는 공정 (1)과,
   섬유에 의해 구성된 패브릭의 사이에 상기 중자를 개재시키고, 상기 패브릭과 중자를 성형용 금형 내부에 배치하는 공정 (2)와,
   상기 패브릭과 중자를 배치한 상기 성형용 금형에 수지를 주입하고, 경화를 실행하는 공정 (3)을 포함하고,
   상기 공정 (3)의 경화를 실행할 때, 가압 수단에 의해, 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시켜, 상기 중자 내의 내압을 높이는 것을 특징으로 하는
   섬유 강화 플라스틱의 성형 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가요성 주머니체는 포장 필름이며, 상기 공정 (1)은 상기 포장 필름으로 상기 입자체를 진공 팩하여 중자를 형성하는 공정인
   섬유 강화 플라스틱의 성형 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 입자체는 다른 입자 직경을 갖는 입자로 구성되어 있는
   섬유 강화 플라스틱의 성형 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 공정 (3)은, 수지 주입 후, 추가로 형 체결 가압을 실행하는 공정인
   섬유 강화 플라스틱의 성형 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 공정 (3)의 후, 추가로 상기 중자의 외주면의 일부를 가압하여 변형시킨 부위에 유체 배출용의 구멍을 뚫는 공정 (4), 및 상기 유체 배출용의 구멍으로부터 상기 입자를 배출하는 공정 (5)를 포함하는
   섬유 강화 플라스틱의 성형 방법.

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