KR101759307B1 - 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유 또는 유리섬유의 보강재에 합성수지를 미리 함침(含浸)시킨 프리프레그(Prepreg)를 가열·압착하여 섬유강화 복합재를 성형하는 과정에서 발생되는 가스 및 수증기를 효율적으로 배출시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드에 관한 것으로, 섬유강화 복합재를 성형하는 과정에서 발생되는 가스 및 수증기가 하부금형의 다이에 형성된 가스배출공을 통하여 하부 외측으로 배출됨에 따라 성형불량이 발생되지 않고, 성형된 섬유강화 복합재의 표면이 손상되지 않게 되어 제품의 품질이 현저하게 향상되며, 또한 성형이 완료된 후 상·하부 금형이 열림과 동시에 다이에 형성된 가스배출공을 통하여 상승되는 이젝트핀의 작용에 의하여 성형된 섬유강화 복합재가 윗쪽으로 들어 올려짐에 따라 성형완료된 섬유강화 복합재를 용이하게 분리·탈형(脫型)시킬 수 있어 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

Description

가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드{Mould for forming fiber-reinforced composite material easying gas emissions}

본 발명은 탄소섬유 또는 유리섬유의 보강재에 합성수지를 미리 함침(含浸)시킨 프리프레그(Prepreg)를 가열·압착하여 섬유강화 복합재를 성형하는 과정에서 발생되는 가스 및 수증기를 효율적으로 배출시킬 수 있도록 함으로써 성형불량이 발생되지 않도록 함과 동시에 성형된 섬유강화 복합재의 표면이 손상되는 현상을 미연에 방지하고, 성형 완료 후 상·하부 금형이 열림과 동시에 성형된 섬유강화 복합재를 용이하게 분리·탈형(脫型)시킬 수 있도록 하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드에 관한 것이다.

최근, 전기·전자기기, 자동차, 의료기기, 항공기, 건재 등 각종 산업분야의 제품에 적용되는 부품들은 박육(薄肉)에 의한 경량화 및 고강도화가 요구되고 있다. 이와 같은 경량·고강성의 부품을 제조하기 위한 장치로서 소재로서 핫 프레스(Hot press) 등과 같은 장치가 이용되고 있다.

이에 따라 최근에는 탄소섬유 또는 유리섬유의 보강재에 페놀수지, 에폭시수지, 폴리우레탄수지, 폴리아미드수지 등과 같은 열경화성 수지나 또는 염화비닐수지, 폴리프로필렌수지, 폴리에틸렌수지, 폴리카보네이트수지 등과 같은 열가소성수지를 미리 함침시킨 프리프레그(Prepreg)를 다양한 방법으로 성형하여 제조한 섬유강화 복합재에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

상기 프리프레그를 성형하여 제조되어지는 섬유강화 복합재는 합성수지와 보강섬유의 비율을 정밀하게 조절할 수 있으며, 직접 성형법을 적용하는 것에 비하여 성형물의 섬유 체적비를 높일 수 있어 신뢰성이 높은 고품질의 섬유강화 복합재 부품을 만들 수 있고, 쉬트형태의 프리프레그를 필요한 부분에 원하는 방향으로 필요한 길이 만큼 재단하여 사용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 섬유강화 복합재는 비강도, 비강성(比剛性)이 뛰어나고, 또한 내식성이 우수함으로 각종 산업분야에서 광범위하게 적용되고 있는바, 특히, 탄소섬유나 유리섬유를 보강재로 하는 섬유강화 복합재의 성형체는 그 형상자유도가 우수하고 생산성이 양호하기 때문에 여러 산업분야에서 폭넓게 사용되고 있다.

이와 같은 섬유강화 복합재를 이용하여 원하는 제품을 성형하기 위하여 다양한 성형방법이 채용되고 있다. 그 하나의 예로서, 제작하고자 하는 부품의 형상에 대응하는 몰드를 만들고, 상기 몰드의 외면에 열결화성 수지 또는 열가소성 수지가 함침된 섬유직물인 프리프레그를 소정 두께가 될 때까지 여러 겹 적층하고, 진공 백 배깅하여, 오토클레이브에 넣고 경화시키는 오토클레이브 성형법이 있다.

또한, 몰드의 외면에 섬유직물을 소정의 두께가 될 때까지 여러 겹 적층한 후 수지를 압력이나 진공에 의해 주입 및 함침하고, 진공 백 배깅하여 오븐에서 경화하는 RTM 성형법(Resin Transfer Molding Process)이나 인퓨젼 성형법(Vacuum Infusion Process) 등이 있으며, 상기 오토클레이브 성형법, RTM 성형법, 인퓨전 성형법 이외에, 핸드레이업 성형법, 스프레이레이업 성형법, SMC 성형법(Sheet Molding Compound Process), 핫 프레스 성형법(Hot Press Process) 등으로 섬유강화 복합재 제품을 제작할 수 있다.

한편, 상기한 프리프레그를 이용하여 쉬트형상의 섬유강화 복합재를 성형하고자 하는 경우에는 주로 핫프레스 성형법이 적용되는데, 종래의 프리프레그를 핫프레스 성형하는데 적용되는 몰드는 평판 형태이거나 또는 상·하부 금형이 닫혀지면 하부 금형상의 다이가 밀폐되는 구조로 이루어진다. 이에 따라 프리프레그에 적용된 수지의 종류에 따라서는 핫프레스 성형과정에서 발생하는 가스 및 수증기가 배출되지 않음에 따라 성형불량의 원인이 된다.

실제로 페놀수지 같은 열경화성 수지로 함침된 프리프레그를 핫프레스 방법으로 성형하는 과정에서는 열경화성 수지의 축합반응에 의하여 수증기가 발생되며, 이를 외부로 배출시키지 않으면 몰드의 내부에서 수증기가 끓으면서 성형불량을 야기시킨다. 또한 폴리프로필렌수지나 아크릴수지 등과 같은 열가소성 수지로 함침된 프리프레그를 핫프레스 방법으로 성형하는 과정에서도 미세한 소재상의 수증기와 가스가 발생되어 성형되는 섬유강화 복합재의 표면을 손상시키며, 또한, 성형이 완료된 후에 상·하부 금형이 열려진 상태에서도 상·하부 금형 사이에서 압력을 받아 성형된 섬유강화 복합재의 분리 및 탈형이 쉽지 않다는 문제점이 있다.

한편, 상기의 프리프레그를 섬유강화 복합재로 성형하는 다양한 기술이 개발되고 있으며, 그 하나의 예로서 특허문헌 1에 탄소섬유강화 탄소복합재를 제조를 위하여, 핏치 또는 황이 첨가된 핏치를 탄소섬유에 함침한 다음 이를 핫프레스로 성형하고 불활성 분위기에서 열처리한 후 10~50 부피%의 압축률로 압축한 다음 고정탄화 처리하는 방법이 제시되어 있지만, 상기한 특허문헌 1은 탄소섬유강화 탄소복합재를 제조하는 핫프레스에는 별도의 가스배출공이 마련되어 있지 않기 때문에 핫프레스 성형과정에서 발생되는 가스를 배출시킬 수 없으며, 성형이 완료된 후 다이에 압착된 복합재의 분리 및 탈형 작업이 매우 어렵다는 문제점이 있다.

그리고 상기의 프리프레그를 섬유강화 복합재로 성형하는 기술의 다른 예로서 특허문헌 2에 도 1에 도시된 바와 같이, 탄소 발포체의 표면의 탄소 발포체를 적어도 부분적으로 포함하는 금형본체를 가지며, 복합물 성형재로부터 복합물 부품을 형성하기 위한 금형은 금형면을 포함할 수 있으며 금형면 재료를 지지하도록 구성하는 방법이 제시되어 있지만, 상기 특허문헌 2에 제안된 금형 또한 다이상에 별도의 가스배출공이 형성되어 있지 않고, 다이상에 가열·압착된 복합재를 분리하기 위한 수단이 마련되어 있지 않아 성형불량이 야기되거나 생산성이 저하될 우려가 있는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 대한민국특허공보 등록번호 제10-0127991호, "탄소섬유강화 탄소 복합재의 제조방법" 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허공보, 공개번호 제10-2006-0126565호, "탄소 발포체 복합물 금형 및 이를 사용하기 위한 방법".

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소섬유 또는 유리섬유의 보강재에 기자재(Matrix)로서 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 미리 함침(含浸)시킨 프리프레그(Prepreg)를 가열·압착하여 섬유강화 복합재를 성형하는 과정에서 발생되는 가스 및 수증기를 효율적으로 배출시킬 수 있도록 함으로써 성형불량이 발생되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 제공하는 것을 과제로 한다.

그리고 본 발명의 성형된 섬유강화 복합재의 표면이 손상되는 현상을 미연에 방지할 수 있도록 하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 제공하는 것을 다른 과제로 한다.

또한 본 발명은 성형 완료 후 상·하부 금형이 열림과 동시에 성형된 섬유강화 복합재를 용이하게 분리·배출시킬 수 있도록 함으로써 생산성을 크게 향상시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 제공하는 것을 또 다른 과제로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정된 하부금형상의 다이에 놓여진 프리프레그(Prepreg)가 승강작동되는 상부금형상의 가압블럭에 의하여 가열압착(Hot press)되면서 원하는 형상으로 성형되도록 하는 섬유강화 복합재 성형용 몰드에 있어서, 상기 하부금형의 다이상에 프리프레그를 가열압착할 때 발생되는 가스 및 수증기가 하부금형의 아랫쪽 외측으로 배출되도록 하기 위한 다수개의 가스배출공이 관통·형성된 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 과제의 해결 수단으로 한다.

그리고 본 발명에서 상기 하부 금형의 수직하방에는 별도의 액츄에이터에 의하여 승강되는 받침판이 설치되고, 상기 하부금형의 다이에 형성된 각각의 가스배출공과 대응되는 위치에 해당되는 받침판상에는 섬유강화 복합재의 성형 후 상부금형의 상승에 의하여 금형이 열림과 동시에 상기 다이에 형성된 가스배출공을 통하여 끼워져 상승되면서 성형된 섬유강화 복합재를 윗쪽으로 밀어 분리시키는 이젝트핀이 돌출·설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명을 적용하면, 탄소섬유 또는 유리섬유의 보강재에 기자재(Matrix)로서 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 미리 함침시킨 프리프레그(Prepreg)를 가열·압착하여 섬유강화 복합재를 성형하는 과정에서 발생되는 가스 및 수증기가 하부금형의 다이에 형성된 가스배출공을 통하여 하부 외측으로 배출됨에 따라 성형불량이 발생되지 않고, 성형된 섬유강화 복합재의 표면이 손상되지 않게 되어 제품의 품질이 현저하게 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명을 적용하면, 성형이 완료된 후 상·하부 금형이 열림과 동시에 다이에 형성된 가스배출공을 통하여 상승되는 이젝트핀의 작용에 의하여 성형된 섬유강화 복합재가 윗쪽으로 들어 올려짐에 따라 성형완료된 섬유강화 복합재를 용이하게 분리·탈형(脫型)시킬 수 있어 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

도 1은 선행기술2의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 나타내는 분리 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드에서 요부를 나타내는 확대 분리사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 이용하여 섬유강화 복합재를 가열·압착 성형하는 작용을 나타내는 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명에서 섬유강화 복합재의 성형 완료 후 금형이 열림과 동시에 이젝트핀에 의하여 성형된 섬유강화 복합재가 다이로부터 분리되는 상태를 나타내는 확대 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하며, 각 도면에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들에 대한 도시는 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하고 설명하였다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드는 도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드(10)는 고정된 하부금형(12)상의 다이(14) 위에 놓여진 프리프레그(16)가 승강작동되는 상부금형(18)상의 가압블럭(20)에 의하여 가열압착(Hot press)되도록 구성된다.

또한, 섬유강화 복합재(P)를 성형하기 위하여 상기 프리프레그(16)를 가열·압착하는 과정에서 발생되는 가스 및 수증기가 외부로 배출되도록 하고, 성형이 완료된 후 상·하부 금형(12)(18)이 열림과 동시에 성형된 섬유강화 복합재(P)가 윗쪽으로 들어 올려지면서 다이(14)로부터 용이하게 분리·탈형(脫型)될 수 있도록 하는 것이다.

이를 위하여, 상기 하부금형(12))의 다이(14)상에는 프리프레그(16)를 가열·압착할 때 발생되는 가스 및 수증기가 하부금형(12)의 아랫쪽 외측으로 배출되도록 하기 위한 다수개의 가스배출공(22)이 관통·형성되도록 구성된다.

또한, 상기 하부금형(12)의 수직하방에는 별도의 액츄에이터(Actuator:24)에 의하여 승강되는 받침판(26)이 설치되도록 구성된다.

상기 받침판(26) 상에는 하부금형(12)의 다이(14)에 형성된 각각의 가스배출공(22)과 대응되는 위치에 이젝트핀(28)이 돌출되게 설치되도록 구성된다.

상기 이젝트핀(28)은 섬유강화 복합재(16)의 성형완료 후 상부금형(18) 및 가압블럭(20)의 상승에 의하여 금형이 열림과 동시에 상기 다이(14)에 형성된 가스배출공(22)을 통하여 끼워져 상승되면서 성형된 섬유강화 복합재(P)를 윗쪽으로 밀어 다이(14)로부터 분리·탈형시키는 작용을 한다.

본 발명에서 상기 하부금형(12)의 상부면 가장자리에는 상부금형(18)의 승강동작이 정확하게 이루어지도록 가이드하는 승강안내봉(30)이 돌설되고, 상기 승강안내봉(30)에는 승강스프링(32)이 끼워져 설치되도록 구성된다.

또, 상기 이젝트핀(28)이 설치되는 받침판(26)을 승강작동시키는 액츄에이터(24)는 유압 또는 공압에 의하여 작동될 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같은 기술적 구성을 갖는 본 발명의 작용에 대하여 설명하면 아래 내용과 같다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 사용하여 쉬트(Sheet) 형상의 섬유강화 복합재(P)를 핫프레스 방식으로 성형하고자 하는 경우, 먼저 도 4에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 또는 유리섬유의 보강재에 기자재(Matrix)로서 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 미리 함침시킨 프리프레그(16)를 상하 한 쌍의 금속평판(34)사이에 협지시킨 상태에서 하부금형(12)의 다이(14)위에 올려 놓는다.

이 상태에서 상기 상부금형(18)을 하강시키면 상부금형(18)에 설치된 가압블럭(20)이 다이(14)에 놓여진 프리프레그(16)를 가열·압착하게 되고, 그 결과 쉬트형상의 섬유강화 복합재(P)가 성형된다.

상기 프리프레그(16)에 대한 가압블럭(20)의 가열·압착과정에서 프리프레그(16)를 구성하는 기자재가 열경화성 수지인 경우, 해당 수지의 축합반응으로 수증기가 발생되는데, 이 때 발생되는 수증기는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하부금형(12)의 다이(14)에 형성된 가스배출공(22)을 통하여 하부금형(12)의 아랫쪽 외측으로 배출된다.

또, 프리프레그(16)를 구성하는 기자재가 열가소성 수지인 경우 미세한 소재상의 수증기나 가스가 발생되는데, 이와 같이 발생된 수증기 및 가스 또한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하부금형(12)의 다이(14)에 형성된 가스배출공(22)을 통하여 하부금형(12)의 아랫쪽 외측으로 배출된다.

이와 같이 섬유강화 복합재(P)를 성형하기 위하여 프리프레그(16)를 가열압착할 때 발생되는 가스 및 수증기를 외부로 배출시키면 성형불량이 야기되지 않으며, 성형되는 섬유강화 복합재(P)의 표면이 손상되지 않게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 프리프레그(16)에 대한 가열·압착이 완료되어 쉬트형상의 섬유강화 복합재(P)가 성형된 상태에서 상부금형(18)을 상승시키면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부금형(18)상의 가압블럭(20)이 윗쪽으로 상승되면서 가압상태가 해제된다.

이와 동시에 상기 하부금형(12)의 수직 하방에 설치된 받침판(26)이 액츄에이터(24)의 작용에 의하여 수직 상방으로 상승되고, 상기 받침판(26)상에서 돌출된 이젝트핀(28)이 상기 하부금형(12)상의 다이(14)에 형성된 가스배출공(22)의 아랫쪽으로부터 윗쪽으로 끼워져 상승된 다음 그 상단부가 다이(14)의 내측으로 돌출되면서 금속 평판(34) 사이에 협지된 상태로 가열·압착 성형된 섬유강화 복합재(P)를 윗쪽으로 들어 올려 다이(14)에 눌려 있던 상태로부터 분리·탈형시킨다.

이와 같이 성형완료된 섬유강화 복합재가 하부금형(12) 상의 다이(14)로부터 용이하게 분리·탈형됨에 따라 생산성이 크게 향상되는 것이다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드를 상기에서 설명하고 도면을 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

12 : 하부금형 14 : 다이(Die)
16 : 프리프레그(Prepreg) 18 : 상부금형
20 : 가압블럭 22 : 가스배출공
24 : 액츄에이터 26 : 받침판
28 : 이젝트핀(Eject pin) 30 : 승강안내봉
32 : 승강스프링 34 : 금속평판
P : 성형된 섬유강화 복합재.

Claims (3)

1. 고정되어 있고, 다수개의 가스배출공(22)이 관통 형성되는 하부금형(12)과;
   상기 하부금형(12)에 형성되고, 하부금형(12)에 형성된 다수개의 가스배출공(22)과 연결되는 다수개의 가스배출공(22)이 관통 형성되며, 프리프레그(16)가 놓여지는 다이(14)와;
   승강작동되는 상부금형(18)과;
   상부금형(18)에 형성되고, 상기 다이(14) 위에 놓여진 프리프레그(16)를 가열 압착(Hot press)시켜 섬유강화 복합재(P)가 성형되도록 하는 가압블럭(20)과;
   상기 하부금형(12)의 수직하방에 설치되고, 별도의 액츄에이터(24)에 의하여 승강되는 받침판(26)과;
   상기 하부금형(12)의 다이(14)에 형성된 각각의 가스배출공(22)과 대응되는 위치에 해당되는 상기 받침판(26) 상에 돌출 설치되고, 섬유강화 복합재(P)의 성형완료 후 상부금형(18) 및 가압블럭(20)의 상승에 의하여 금형이 열림과 동시에 상기 액츄에이터(24)의 작용에 의하여 상기 받침판(26)과 일체로 수직 상방으로 상승되되, 상기 다이(14)에 형성된 가스배출공(22)을 통하여 끼워져 상승되면서 성형된 섬유강화 복합재(P)를 윗쪽으로 밀어 분리시키는 이젝트핀(28)과;
   상기 하부금형(12)의 상부면 가장자리에 돌설되고, 승강스프링(32)이 끼워져 설치되도록 구성되며, 상기 상부금형(18)의 승강동작을 가이드하는 승강안내봉(30)을 포함하고,
   상기 하부금형(12)와 다이(14)에 형성된 다수개의 가스배출공(22)을 통해 프리프레그(16)를 가열 압착할 때 발생되는 가스 및 수증기가 하부금형(12)의 아랫쪽 외측으로 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스배출이 용이한 섬유강화 복합재 성형용 몰드.
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