KR101673522B1 - 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프리프레그를 이용한 복합제의 제조방법에 관한 것으로서, 후가공이 필요없는 등 제조공정이 간단하여 제조비용을 대폭 줄일 수 있고, 인장강도, 굽힘강도 및 충격강도 등의 물성이 크게 향상된 복합제를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법{Composite and a manufacturing method using the prepreg}

본 발명은 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 후가공이 필요없는 등 제조공정이 간단하여 제조비용을 대폭 줄일 수 있고, 인장강도, 굽힘강도 및 충격강도 등의 물성이 크게 향상된 복합제를 제조할 수 있는 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

사회가 복잡해짐에 따라 물류량이 증가하고 물류 이송 차량 수요도 증가하고 물류 이송 차량 증가로 물류 이송 장치 수요도 증가하는 추세이다. 현실적으로 물류 이송 장치의 중량에 의한 작업자들이 높은 노동 강도는 개선되지 있지 않아 업무 기피 원인으로 인력 수급 문제 및 생산성 저하되는 원인으로 빠른 개선이 필요한 실정이다.
또한, 최근 지구온난화로 인한 환경문제와 화석연료 대체를 위한 친환경적인 자동차인 하이브리드, 전기, 수소자동차에 대한 개발 및 연구가 활발히 진행 중인 가운데, 최근의 고유가, 경기침체, 원자재 값 급등 등으로, 연비 개선을 위한 자동차의 경량화에 대한 요구가 크게 증가하고 있다.
경량화를 이루기 위한 방법으로는 크게 차체를 소형화하여 기능과 장비 등을 줄이는 방법과 경량 소재를 채택하는 방법으로 나눌 수 있으며, 이중 차체를 소형화하는 방법은 자동차 사용자들의 성숙된 요구를 만족시킬 수 없으므로 신소재를 이용한 획기적인 구조의 개선을 통한 경량화 달성이 시급한 상황이다.
주요 선진국 및 국내 자동차의 재료 구성 비율을 보면 자동차의 경량화 추세에 따라 플라스틱 재료 비율이 점차 증가함을 알 수 있으며, 기존 철강 재료는 감소하는 추세이다.
한편, 프리프레그(prepreg)는 결합제를 강화섬유에 미리 함침시킨 시트 형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간 재료로서, 강화섬유는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합제로는 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 열가소성수지 등이 사용되고 있다.
그리고, 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합제의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하며, 프리프레그를 이용하여 생산된 복합재로는 타 재료에 비해 강도, 강성도, 내식성, 피로수명, 내충격성 등의 다양한 특성을 개선할 수 있게 되므로 최근에는 우주항공산업, 자동차산업, 일반산업, 스포츠, 레저용품 등의 생산에 다양하게 이용되고 있다.
이러한 프리프레그를 이용하여 다양한 복합제를 제조하였고, 그 제조방법은 다음과 같다.
우선, 오토클레이브(autoclave) 성형법은 프리프레그를 여러 겹 몰드에 적층한 후 진공백으로 제품 표면을 포장하여 외부와 차단시킨 다음, 진공백 외부에서는 기체의 압력이 가해지고 내부에서는 외부 진공 펌프에 의해 진공상태를 유지시켜, 제품의 내부에 함침되어 있는 수지에서 발생되는 휘발성분을 제거하여 프리프레그 각 층간의 틈이 없어지고 접합을 완전하게 할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 필라멘트 와인딩 성형법은 섬유강화재를 수지혼합물에 통과시킨 후 젖은 상태로 회전하는 원통형의 맨드렐에 연속적으로 감음으로써 성형이 진행되는 방법으로, 파이프나 실린더 같이 속이 빈 형태의 제품을 만들 때 사용되며, 6m 직경의 저장탱크로부터 2.5m 직경의 모터 등에 이르기까지 다양한 크기의 제품에 적용이 가능하고, 필라멘트운동 방식과 감기는 각도, 맨드렐의 좌우, 회전운동이 잘 조절되어야 하고, 균일한 두께의 제품과 대량 생산이 가능하며, 섬유를 성형한 다음 오토클레이브나 Hot press를 이용하여 모형을 성형하는 것이다.
그리고, 열팽창 몰딩법은 프리프레그를 금형 사이에 배치시키고 수지의 변형 온도 이상에서 실리콘 블록(silicon block)을 팽창시켜 압축 성형되도록 하는 방법으로, 수지를 미리 예열된 일정한 형태의 금형에 투입하고 고온, 고압으로 압축하여 제품을 생산하는 공정으로 짧은 시간에 복잡한 형상의 제품을 만들 수 있는 장점이 있다.
특히, 오토클레이브(autoclave) 성형법의 경우 제조공정이 간편하고 성형성이 우수하여 널리 적용되고 있으나, 여러 장의 프리프레그 시트를 적층하여 제조됨에 따라 모서리 부분이 충격 등에 의해 용이하게 파손되거나 층분리되는 문제가 있다. 특히, 링크 등의 바형상의 복합제를 성형할 경우 단부가 거칠기 때문에 절단공정 등의 후가공이 요구되는 문제가 있다.

1. 등록특허 제1237539호 2. 일본특개 1998-296864 3. 일본특개 1996-118381 4. 일본특개 1994-226874

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 후가공이 필요없는 등 제조공정이 간단하여 제조비용을 대폭 줄일 수 있고, 인장강도, 굽힘강도 및 충격강도 등의 물성이 크게 향상된 복합제를 제조할 수 있는 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 제공하기 위한 본 발명은,
a) 한장의 프리프레그 시트 또는 두장 이상의 프리프레그 시트를 일정폭으로 접거나 두루마리형태로 롤링하여 프리프레그 반제품을 형성하는 단계와;
b) 상기 반제품을 진공포장한 후 금형 내에 배치하는 단계와;
c) 상기 프리프레그에 열을 가하면서 압축성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리프레그를 이용한 복합제의 제조방법을 제공한다.
상기 a) 단계는 상기 프리프레그 시트를 일정폭으로 지그재그 형태로 접어 반제품을 형성하거나, 상기 프리프레그 시트를 절반으로 접은 다음 일정폭으로 1회 이상 접어 반제품을 형성하거나, 또는 상기 프리프레그 시트를 두루마리형태로 롤링한 후 납작하게 압착하여 반제품을 형성할 수 있다.
그리고 상기 b)단계는 상부가 개방된 성형공간이 형성된 상기 금형의 하형에 상기 반제품을 진공포장한 상태로 배치하고, 상기 금형의 상형을 합형한 후 핫프레스를 이용하여 성형하는 단계인 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명은 상기의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 프리프레그를 이용한 복합제를 제공한다.

본 발명의 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법은 후가공이 필요없는 등 제조공정이 간단하여 제조비용을 대폭 줄일 수 있고, 인장강도, 굽힘강도 및 충격강도 등의 물성이 크게 향상된 복합제를 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명인 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법을 개략적으로 나타내는 블록도이고,
도 2는 프리프레그 시트를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 3은 프리프레그 시트를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품을 형성하는 과정의 제 1예를 개략적으로 나타내는 측면도이고,
도 4는 프리프레그 시트를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품을 형성하는 과정의 제 2예를 개략적으로 나타내는 측면도이고,
도 5는 프리프레그 시트를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품을 형성하는 과정의 제 3예를 개략적으로 나타내는 측면도이고,
도 6은 프리프레그 시트를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품을 형성하는 과정의 제 4예를 개략적으로 나타내는 측면도이고,
도 7은 프리프레그 시트를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품을 형성하는 과정의 제 5예를 개략적으로 나타내는 측면도이고,
도 8은 금형을 통해 프리프레그 반제품을 압축성형하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이고,
도 9는 제 1예의 방식으로 제조된 복합제를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 10은 제 2예의 방식으로 제조된 복합제를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 11은 제 3예의 방식으로 제조된 복합제를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 12는 제 4예의 방식으로 제조된 복합제를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 13은 제 5예의 방식으로 제조된 복합제를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 물론 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.
도 1은 본 발명인 프리프레그를 이용한 복합제 및 그 제조방법을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
본 발명인 프리프레그를 이용한 복합제 바 및 그 제조방법은 도 1에서 보는 바와 같이 크게, 프리프레그 반제품 성형단계(이하 'a)단계'라 한다.), 금형배치단계(이하 'b)단계'라 한다.) 및 핫프레스 성형단계(이하 'c)단계'라 한다.)
도 2는 프리프레그 시트(100)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 프리프레그 시트(100)를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 과정의 제 1예를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
먼저, 상기 a)단계는 도 2에서 보는 바와 같이 한장의 프리프레그 시트(100) 또는 두장 이상의 프리프레그 시트(100)를 일정폭으로 접거나 두루마리형태로 롤링하여 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 단계이다.
상기 프리프레그 시트(100)는 복합제료의 제작을 용이하게 하기 위하여 거치는 중간단계의 제품을 의미하는 것으로서, 수지와 경화제가 어느 정도 반응이 진행되어 점도가 급상승하여 용매에 의하여 용해되지 않고 열에 의해 용융되어 흐름을 형성하는 단계의 제품을 말한다.
보다 구체적으로, 제 1예로, 도 3에서 보는 바와 같이 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 일측에서 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 타측방향으로 상기 프리프레그 시트(100)를 일정한 좌우폭(D)으로 접어 상기 프리프레그 반제품(10)을 형성할 수 있다.
작업자는 도 3에서 보는 바와 같이 판상의 스틱바(2)를 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 일측에 안착시킨 상태로 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 일측에서 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 타측방향으로 일정한 좌우폭으로 보다 용이하게 접을 수도 있다.
도 4는 프리프레그 시트(100)를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 과정의 제 2예를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
또는, 제 2예로, 상기 프리프레그 시트(100)를 상기 프리프레그 시트(100)의 일측에서 상기 프리프레그 시트(100)의 타측방향으로 도 4에서 보는 바와 같이 일정한 좌우폭(D)으로 지그재그 형태로 반복적으로 접어 상기 프리프레그 반제품(10)을 형성할 수도 있다.
여기서, 상기 프리프레그 시트(100)를 일정한 좌우폭으로 지그재그 형태로 접는 것이란 상기 프리프레그 시트(100)를 일정한 좌우폭으로 한번 상부방향으로 접은 후 상기 프리프레그 시트(100)를 다시 한번 일정한 좌우폭으로 하부방향으로 접는 방식을 반복하는 방식을 의미한다.
도 5는 프리프레그 시트(100)를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 과정의 제 3예를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
또는, 제 3예로, 도 5에서 보는 바와 같이 상기 프리프레그 시트(100)를 절반으로 접은 다음 절반으로 접힌 상기 프리프레그 시트(100)를 일정한 좌우폭(D)으로 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 일측에서 상기 프리프레그 시트(100)의 상부 타측방향으로 1회이상으로 접어 상기 프리프레그 반제품(10)을 형성할 수도 있다.
도 6은 프리프레그 시트(100)를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 과정의 제 4예를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
또는, 제 4예로, 도 6에서 보는 바와 같이 상기 프리프레그 시트(100)를 절반으로 접은 다음 절반으로 접힌 상기 프리프레그 시트(100)를 일정한 좌우폭(D)으로 지그재그 형태로 반복적으로 접어 상기 프리프레그 반제품(10)을 형성할 수도 있다.
도 7은 프리프레그 시트(100)를 일정폭으로 접어 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 과정의 제 5예를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
또는, 제 5예로, 도 7에서 보는 바와 같이 상기 프리프레그 시트(100)를 상기 프리프레그 시트(100)의 일측에서 상기 프리프레그 시트(100)의 타측방향으로 두루마리형태로 롤링한 후 납작하게 압착하여 상기 프리프레그 반제품(10)을 형성할 수도 있다.
도 8은 금형(20)을 통해 프리프레그 반제품(10)을 압축성형하는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
다음으로, 상기 b)단계는 상기 프리프레그 반제품(10)을 진공포장한 후 금형(20) 내에 배치하는 단계이다.
상기 금형(20)은 도 8에서 보는 바와 같이 하형(210)과; 상기 하형(210)의 상부방향에 실린더 등에 의해 상하이동가능하게 구비되어 상기 하형(210)과 합형되는 상형(220);으로 구성될 수 있다.
상기 하형(210)의 상부에는 상기 하형(210)의 상부에서 상기 하형(210)의 하부방향으로 일정깊이로 함몰되는 상부가 개방된 성형공간(211)이 상기 하형(210)의 상부 일측에서 상기 하형(210)의 상부 타측방향으로 일정간격으로 복수형성될 수 있다.
상기 금형(20)의 하형(210)의 성형공간(211)에는 상기 프리프레그 반제품(10)을 진공포장한 상태로 배치할 수 있다.
또는, 상기 하형(210)의 상부면에 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)가 수평안착된 후 상기 프리프레그 반제품(10)이 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)와 함께 상기 하형(210)의 성형공간(211)내에 수용될 수 있다.
그리고, 다른 하나의 상기 진공백용 시트(230)를 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)의 상부면에 수평안착한 후 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)의 일측과 다른 하나의 상기 진공백용 시트(230)의 일측 및 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)의 타측과 다른 하나의 상기 진공백용 시트(230)의 타측을 각각 열융착방식 등으로 접합시킨 상태에서 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)와 다른 하나의 상기 진공백용 시트(230) 사이의 공기를 진공펌프를 이용하여 외부로 배출시켜 상기 프리프레그 반제품(10)을 진공포장할 수 있다.
상기 상형(220)의 하부면에는 상기 상형(220)의 하부방향으로 돌출된 상태에서 상기 하형(210)의 성형공간(211)내로 인입되어 진공포장된 상기 프리프레그 반제품(10)을 상기 하형(210)의 하부방향으로 압축하기 위한 압축부(221)가 상기 상형(220)의 하부면 일측과 상기 상형(220)의 하부면 타측방향으로 일정간격으로 복수형성될 수 있다.
상기 하형(210)에 상기 상형(220)을 합형한 후 핫프레스를 이용하여 상기 프리프레그 반제품(10)을 성형할 수 있다.
다음으로, 상기 c)단계는 핫프레스를 이용하여 진공포장된 상기 프리프레그 반제품(10)에 일정시간동안 열을 가하면서 압축성형하는 단계이다.
진공포장된 상기 프리프레그 반제품(10)의 압축성형이 완료되면 상기 하형(210)으로부터 상기 상형(220)이 탈형시킨 후 상기 하형(210)으로부터 진공포장된 상기 프리프레그 반제품(10)을 꺼내어 상기 프리프레그 반제품의 진공포장상태를 해제하게 된다.
도 9는 제 1예의 방식으로 제조된 복합제(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 10은 제 2예의 방식으로 제조된 복합제(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 11은 제 3예의 방식으로 제조된 복합제(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 12는 제 4예의 방식으로 제조된 복합제(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 13은 제 5예의 방식으로 제조된 복합제(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은 단부를 절단하는 공정 등의 후가공이 필요없는 등 제조공정이 간단하여 제조비용을 대폭 줄인 상태로 도 9 내지 도 13에 도시된 바와 같은 복합제(1)를 제조할 수 있고,
나아가, 상기 복합제(1)의 상부와 하부, 상기 복합제(1)의 일측과 상기 복합제(1)의 타측 및 상기 복합제(1)의 각 모서리부위방향 등 다방향에서 가해지는 인장강도, 굽힘강도 및 충격강도 등의 물성이 크게 향상된 상기 복합제(1)를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 특히 각 모서리부위의 물성이 대폭 향상된 상기 복합제(1)를 제조할 수 있는 이점이 있다.

10; 프리프레그 반제품, 100; 프리프레그 시트,
20; 금형.

Claims (6)

1. a) 한장의 프리프레그 시트(100) 또는 두장 이상의 프리프레그 시트(100)를 두루마리형태로 롤링한 후 납작하게 압착하여 프리프레그 반제품(10)을 형성하는 단계와;
   b) 상부가 개방된 성형공간(211)이 상부 일측에서 상부 타측방향으로 일정간격으로 복수형성된 하형(210)과, 하부면에 상형(220)의 하부방향으로 돌출되는 압축부(221)가 하부면 일측에서 하부면 타측방향으로 일정간격으로 복수형성되는 상형(220)으로 구성되는 금형(20)의 하형(210)의 상부면에 어느 하나의 진공백용 시트(230)가 수평안착되고, 상기 프리프레그 반제품(10)이 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)와 함께 상기 하형(210)의 성형공간(211)내에 수용된 후 다른 하나의 진공백용 시트(230)가 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)의 상부에 수평안착된 상태로 열융착접합된 상태에서 진공펌프를 이용하여 어느 하나의 상기 진공백용 시트(230)와 다른 하나의 상기 진공백용 시트(230) 사이의 공기를 외부로 배출시켜 상기 프리프레그 반제품(10)을 진공포장하여 상기 금형(20)내에 배치하고, 상기 금형(20)의 하형(210)에 상형(220)을 합형한 후 핫프레스를 이용하여 성형하는 단계와;
   c) 상기 프리프레그 반제품(10)에 열을 가하면서 압축성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리프레그를 이용한 복합제의 제조방법.
   
2. 제1항에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 프리프레그를 이용한 복합제.
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