KR101689569B1 - 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법 - Google Patents

Abstract

프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법은 진공 RTM 방법에 따른 섬유 강화 복합재의 성형방법에 있어서, 스틸사와 섬유사를 각각 교차 직조하여 복합섬유를 구성하는 직조단계(S1); 적어도 2 이상의 상기 복합섬유를 적층하는 적층단계(S2); 적층된 복합섬유를 성형금형 내에 로딩하고, 가압하여 프리폼의 형상으로 예비 성형하는 예비성형단계(S3); 및 예비 성형된 상기 복합섬유 내에 진공상태로 수지를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 프리폼의 형상으로 성형하는 진공성형단계(S4)를 포함한다.

Description

프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법{METHOD OF FORMING FIBER REINFORCED PLASTIC COMPOSITE FOR FORMING PREFORM}

본 발명은 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스틸사와 섬유사를 혼용하여 직조하여 일반적인 성형 금형내에서도 탄소 섬유 강화 복합재를 프리폼 성형 가능하도록 하는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱(FRP : FIBER REINFORCED PLASTICS)은 기계적 특성, 경량성, 내부식성 등이 우수하기 때문에, 항공기, 자동차, 선박, 풍차, 스포츠용구 등, 다양한 용도를 대상으로 한 부재를 제조하는 재료로서 널리 사용되고 있다.

이러한 강화 섬유로는 아마리드 섬유, 고강도 폴리에틸렌 섬유 등의 유기 섬유, 그리고 탄소 섬유, 유리 섬유, 금속 섬유 등의 무기 섬유가 이용되며, 높은 기계 특성이 요구되는 용도로는 탄소 섬유가 이용되는 경우가 많다.

특히, 탄소섬유를 이용한 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS, 이하, CFRP라고 칭함)은 강도, 탄성률, 경량성, 안정성이 우수하기 때문에, 높은 성능이 요구되는 항공이나 자동차 분야에서는 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 경제적인 조건만 해결되면 향후 사용이 더욱 확대되고, CFRP의 제조량이 비약적으로 증가될 것으로 기대된다.

이러한 자동차 산업에서의 CFRP는 탄소섬유를 주로 에폭시나 플라스틱 등의 수지의 심으로 제조하여 많이 사용하는 추세이다.

즉, CFRP는 탄소섬유를 와인딩 모양이나 직물 모양으로 제조한 후, 수지류에 함침하여 경화시킨 것으로서, 고강도, 고탄성의 경량소재로 주목받고 있는 첨단 복합 재료이며, 비금속재이다.

이러한 CFRP는 수지류의 경도가 우수한 반면, 인장강도가 약해 쉽게 끊어지고, 탄소섬유는 인장강도가 높지만 굽힘 반발력이 없기 때문에 이 둘을 결합하는 것이다.

또한, 탄소섬유는 같은 부피의 스틸에 비해 1/4의 무게로 경량화가 가능하고, 인장강도는 10배나 강하여 강성 확보에 유리하며, 성형성 역시 좋다는 이점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 CFRP를 이용하여 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 통해 제작되는 탄소 섬유 강화 복합재로 프리폼 성형을 하기 위해서는 직조된 원단을 배열에 맞게 적층하고, 레이어 사이에 프리폼 성형을 위한 파우더 수지를 도포한 후, 고온 고압의 성형장치를 통해 이루어져 공정이 복잡하고, 제품원가가 상승하는 단점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 스틸사와 섬유사를 혼용하여 직조하여 일반적인 성형 금형내에서도 탄소 섬유 강화 복합재를 프리폼 성형할 수 있도록 하며, 스틸사를 혼용함으로써 취성 및 용접성을 갖는 프리폼을 성형할 수 있는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 진공 RTM 방법에 따른 섬유 강화 복합재의 성형방법에 있어서, 스틸사와 섬유사를 각각 교차 직조하여 복합섬유를 구성하는 직조단계(S1); 적어도 2 이상의 상기 복합섬유를 적층하는 적층단계(S2); 적층된 복합섬유를 성형금형 내에 로딩하고, 가압하여 프리폼의 형상으로 예비 성형하는 예비성형단계(S3); 및 예비 성형된 상기 복합섬유 내에 진공상태로 수지를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 프리폼의 형상으로 성형하는 진공성형단계(S4)를 포함하는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 스틸사는 스테인리스 스틸사로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 섬유사는 카본 섬유사로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 직조단계는 상기 스틸사와 섬유사를 직각방향으로 교차 직조하되, 국부적으로 상기 섬유사와 동일한 방향으로 보조 스틸사를 추가 직조할 수 있다.

또한, 상기 보조 스틸사는 상기 스틸사의 직조방향 가장자리 부분에 상기 스틸사와 직각방향으로 직조될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 스테인리스 스틸사와 탄소 섬유사를 혼용하여 스테인리스-탄소 복합섬유를 직조함으로써, 일반적인 성형 금형내에서도 탄소 섬유 강화 복합재를 프리폼 성형할 수 있으며, 섬유사에 스틸사를 혼용함으로써 취성 및 용접성을 갖는 탄소 섬유 강화 복합재 프리폼을 성형할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 따른 공정 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 적용되는 직조 개념도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 따른 공정 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 적용되는 직조 개념도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법은 진공 RTM 방법에 따라 성형되는 섬유 강화 복합재를 프리폼 형상으로 성형하기 위하여 직조단계(S1), 적층단계(S2), 예비성형단계(S3), 및 진공성형단계(S4)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 직조단계(S1)는 스틸사(10)와 섬유사(20)를 각각 교차 직조하여 복합섬유(40)를 구성하게 된다.

여기서, 상기 스틸사(10)는 스테인리스 스틸사(10)로 이루어질 수 있고, 상기 섬유사(20)는 카본 섬유사(20)로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 카본 섬유사(20)의 경우, 원하는 등급의 카본 섬유를 적용하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 직조단계(S1)에서는 상기 스틸사(10)와 섬유사(20)를 직각방향으로 교차 직조하되, 국부적으로 상기 섬유사(20)와 동일한 방향으로 보조 스틸사(30)를 추가 직조할 수 있다.

즉, 상기 보조 스틸사(30)는 상기 스틸사(10)의 직조방향 가장자리 부분에 상기 스틸사(10)와 직각방향으로 직조될 수 있다.

이와 같이, 상기 스틸사(10)와 섬유사(20)를 교차 직조하고, 상기 보조 스틸사(30)를 상기 스틸사(10)의 직조방향 가장자리 부분에 추가 직조함으로써, 섬유사(20)가 다른 차체 부품과의 접합을 위한 용접성이 취약한 물성을 보완한다.

즉, 상기 보조 스틸사(30)가 직조된 부분이 다른 차체 부품과의 용접을 위한 용접부(W)가 될 수 있다.

이러한 직조단계(S1)에 이어서, 적어도 2장 이상의 상기 복합섬유(40)를 적층하는 적층단계(S2)를 진행한다.

이러한 적층단계(S2)에서는 원하는 프리폼 형상의 탄소 섬유 강화 복합재의 두께와 강성 등을 고려하여 적층하게 된다

상기한 적층단계(S2)에 이어서, 예비성형단계(S3)를 진행한다.

상기 예비성형단계(S3)는 적층된 복합섬유(40)를 성형금형(미도시) 내에 로딩하고, 금형의 합형에 의해 가압하여 프리폼의 형상으로 선행하여 성형함으로써 모양을 갖추게 된다.

즉, 이러한 복합섬유(40)의 성형은 직조과정에 섬유사(20)와 함께 스틸사(10)를 혼용하여 직조함에 따라 스틸사(10)의 성형성에 의해 가능하게 된다.

상기와 같은 예비성형단계(S3)에 이어서, 진공성형단계(S4)를 진행한다.

상기 진공성형단계(S4)는 상기 예비 성형된 상기 복합섬유(40) 내에 진공상태로 수지(미도시)를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 프리폼의 형상으로 성형하게 된다.

즉, 상기 진공성형단계(S4)는 성형금형이 체결된 후, 내측의 피성형 공간으로 수지가 주입되고, 진공이 형성되면서, 수지가 복합섬유(40) 층 내에 함침되고 일정 시간이 경과되면, 수지가 경화되면서 성형이 진행되며, 이후, 섬유 강화 복합재를 탈형하여 사상하는 과정을 통해 프리폼 형상의 완성품을 만들게 된다.

따라서 상기한 바와 같은 본 발명의 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법에 의하면, 스테인리스 스틸사(10)와 카본 섬유사(20)를 혼용하여 복합섬유(40)를 직조하여 일반적인 성형금형에 의해서도 탄소 섬유 강화 복합재를 프리폼 성형할 수 있다.

또한, 스틸사(10)를 혼용함으로써 취성 및 용접성을 갖는 탄소 섬유 강화 복합재 프리폼을 성형할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 하나의 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 스틸사
20 : 섬유사
30 : 보조 스틸사
40 :복합섭유
W : 용접부

Claims (7)

1. 진공 RTM 방법에 따른 섬유 강화 복합재의 성형방법에 있어서,
   스틸사와 섬유사를 각각 직각방향으로 교차 직조하여 복합섬유를 구성하되, 국부적으로 상기 섬유사와 동일한 방향으로 보조 스틸사를 추가하여 직조하는 직조단계(S1);
   적어도 2 이상의 상기 복합섬유를 적층하는 적층단계(S2);
   적층된 복합섬유를 성형금형 내에 로딩하고, 가압하여 프리폼의 형상으로 예비 성형하는 예비성형단계(S3); 및
   예비 성형된 상기 복합섬유 내에 진공상태로 수지를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 프리폼의 형상으로 성형하는 진공성형단계(S4);
   를 포함하는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스틸사는
   스테인리스 스틸사로 이루어지는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 섬유사는
   카본 섬유사로 이루어지는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 보조 스틸사는
   상기 스틸사의 직조방향 가장자리 부분에 상기 스틸사와 직각방향으로 직조되는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법.
6. 진공 RTM 방법에 따른 섬유 강화 복합재의 성형방법에 있어서,
   스테인리스 스틸사와 카본 섬유사를 각각 교차 직조하며, 국부적으로 상기 카본 섬유사와 동일한 방향으로 보조 스틸사를 추가 직조하여 스테인리스-카본 복합섬유를 구성하는 직조단계(S1)
   적어도 2 이상의 상기 복합섬유를 적층하는 적층단계(S2);
   적층된 복합섬유 성형금형 내에 로딩하고, 가압하여 프리폼의 형상으로 예비 성형하는 예비성형단계(S3); 및
   예비 성형된 상기 복합섬유 내에 진공상태로 수지를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 프리폼의 형상으로 성형하는 진공성형단계(S4);
   를 포함하는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 보조 스틸사는
   상기 스테인레스 스틸사의 직조방향 가장자리 부분에 상기 스틸사와 직각방향으로 직조되는 프리폼 성형을 위한 섬유 강화 복합재의 성형방법.

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