KR101932783B1 - 프리폼의 제조 장치 및 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 프리폼 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열가소성 수지를 주성분으로 하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체를, 서로 대향하는 형으로 구성되는 부형형으로 가열을 통해 소정 형상으로 부형함으로써, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 제조하는 장치이며, 제1형에만 가열 기구를 설치함과 동시에, 제2형의 적어도 상기 강화 섬유 기재와 접촉하는 접촉면이 제1형보다 열전도율이 낮은 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프리폼의 제조 장치, 프리폼의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 프리폼을 제공한다.
또한, 본 발명은, 방열을 작게 억제하여 가열 효율을 높여 에너지 절약화가 가능하며, 복잡한 형상으로 부형되는 프리폼이라도 양호한 치수 정밀도로 제조하는 것이 가능한, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 용이하게 제조할 수 있는 장치 및 방법, 이 방법에 의해 제조된 프리폼을 제공한다.
또한, 본 발명은, 방열을 작게 억제하여 가열 효율을 높여 에너지 절약화가 가능하며, 복잡한 형상으로 부형되는 프리폼이라도 양호한 치수 정밀도로 제조하는 것이 가능한, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 용이하게 제조할 수 있는 장치 및 방법, 이 방법에 의해 제조된 프리폼을 제공한다.
Description
본 발명은 RTM(Resin Transfer Molding) 성형에 사용하는 프리폼의 제조 장치 및 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 프리폼에 관한 것이며, 특히 프리폼의 부형을 위해 가열하는 경우의 방열을 최소한으로 억제함과 동시에, 프리폼의 부형 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
RTM 성형에 사용하는 프리폼의 제조에 있어서는, 종래, 예를 들면 (1) 복수매 적층한 강화 섬유 기재를 부형형(賦形型) 내에 배치하고, 부형형을 폐쇄하고, 부형형에서 형상을 형성하는 것, (2) 부형형을 가열하고(또는 미리 가열해두고), 그에 따라 기재를 가열하여, 기재에 부착되어 있는 고착재를 용융시키는 것, (3) 부형형에서 형상을 유지시키면서 프리폼을 냉각하고, 고착재를 고화시켜 기재의 층간을 고착하는 것, (4) 부형된 프리폼을 부형형으로부터 취출하는 것의 일련의 공정을 거치고 있다. 이러한 프리폼의 부형에 있어서 부형형으로서는 일반적으로 금속제인 것이 사용되며, 통상 하형(下型), 상형(上型) 중 어느 한쪽 형에 가열 수단(열 매체를 유통시키거나, 또는 전기 히터를 설치한 수단)이 설치되어 있다.
또한, 비교적 간단한 부형 형상인 경우에는, 부형형은 하형으로만 하고, 하형 위에 적층한 기재를 배치하고, 그 위에서부터 필름으로 배깅(bagging)하여, 필름과 형으로 둘러싸이는 공간을 진공화함으로써, 대기압에 의해 필름을 통해 기재를 가압하고, 소정의 부형 형상을 얻는 것이 가능하다(예를 들면, 특허문헌 1). 그러나, 이와 같은 필름을 사용하는 부형 방법에서는 사람 손에 의한 작업이 많기 때문에, 생산성이 낮고, 비용이 높아진다. 그 때문에, 부형형으로서는 상하형을 사용하는 경우가 많다. 예를 들면, 특허문헌 2에서는, 알루미늄제의 상하형이 사용되고 있으며, 삼차원 형상을 포함하는 복잡한 형상으로의 부형에서는, 특허문헌 3과 같이 복수개의 가동식 금형으로 구성되는 상형이 사용되고 있다.
기초 화학 공학, 사단 법인 화학 공학회 편, 1999년
그러나, 상기와 같이 상하형을 모두 금속제의 형으로 하는 경우에는, 이하와 같은 문제점이 있다.
우선, 하형에만 가열 수단을 설치한 경우 반대측의 상형으로의 방열이 커지기 때문에, 부형을 위한 온도를 일정한 온도로 유지하기 위해서는, 하형을 필요 이상으로 가열해야 하는 경우가 많다. 그 때문에, 가열을 위해 사용하는 에너지가 커져, 에너지 절약이 곤란하다. 또한, 하형에만 가열 수단을 설치하고, 상형에 대하여 발포재 등의 단열재를 개재시킨 경우, 부형을 위한 가압시에 발포재 등의 단열재가 변형되기 때문에, 완성되는 프리폼의 치수 정밀도가 저하된다. 한편, 상하의 형 양쪽에 가열 수단을 설치하는 경우, 적어도 어느 한쪽의 형을 분할형(分割型)으로 하여 복잡한 형상의 부형에 대응하는 것이 곤란해진다.
따라서, 본 발명의 과제는 상기와 같은 문제점에 착안하여, 방열을 작게 억제하여 가열 효율을 높여 에너지 절약화가 가능하며, 복잡한 형상으로 부형되는 프리폼이라도 양호한 치수 정밀도로 제조하는 것이 가능한, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 확실하면서도 용이하게 제조할 수 있는 장치 및 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 프리폼을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 관한 프리폼의 제조 장치는, 열가소성 수지를 주성분으로 하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체를, 서로 대향하는 제1형, 제2형으로 구성되는 부형형에서 가열을 통해 소정 형상으로 부형시킴으로써, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 제조하는 장치이며, 제1형에만 가열 기구를 설치함과 동시에, 제2형의 적어도 상기 강화 섬유 기재와 접촉하는 접촉면이 제1형보다 열전도율이 낮은 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것을 포함한다.
이러한 본 발명에 관한 프리폼의 제조 장치에 있어서는, 부형형의 한쪽 형(제1형)에만 가열 기구가 설치되어 이 제1형측으로부터만 가열이 행해지는데, 다른쪽 형(제2형)이 보다 열전도율이 낮은 재료로 형성되어 있기 때문에, 이 제2형으로의 열전도, 나아가서는 이 제2형으로부터의 방열이 낮게 억제된다. 그 결과, 부형형 내에 배치되어 있는 열가소성 수지를 주성분으로 하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재의 적층체가 적은 열량으로도 효율적으로 원하는 온도로 가열되게 된다. 가열 효율을 상승시킴으로써 에너지 절약화가 가능해진다. 또한, 변형되기 쉬운 단열재를 개재시킬 필요가 없기 때문에, 프리폼의 부형 치수 정밀도를 높이는 것이 가능해진다. 또한, 가열 기구가 설치되지 않는 다른쪽 형(제2형)은 용이하게 분할형으로 구성할 수 있으며, 그에 따라 복잡한 형상으로의 부형에도 높은 치수 정밀도로 용이하게 대응할 수 있게 된다.
상기 접촉면은, 예를 들면 열전도율이 0.01W/mㆍK 이상 10W/mㆍK 이하인 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 열전도율이 5W/mㆍK 이하인 재료로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다. 제2형의 형성 재료의 열전도율은 낮을수록 바람직하고, 그에 따라 상기와 같은 높은 가열 효율, 우수한 에너지 절약화의 실현이 가능해진다. 단, 접촉면의 열전도율이 너무 낮은 경우, 고착제의 고화 공정에서 부형형을 폐쇄한 상태로 냉각을 행하는 경우에 형 내로부터의 방열이 진행되지 않기 때문에, 프리폼의 냉각에 시간이 요구되는 것이 염려된다. 따라서, 접촉면의 형성 재료는 0.01W/mㆍK 이상, 나아가서는 0.1W/mㆍK 이상의 열전도율을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 낮은 열전도율의 접촉면의 형성 재료로서 적어도 5mm의 두께를 갖는 비금속 재료를 들 수 있으며, 그 중에서 제조 용이성 등으로부터 저열전도율이면서도 내열성이 높은 수지 등의 재료가 바람직하다. 예를 들면, 에폭시 수지(열전도율: 0.2 내지 0.4W/mㆍK), 페놀 수지(동: 0.13 내지 0.25W/mㆍK), 베이크라이트 수지(동: 0.33 내지 0.67W/mㆍK), PTFE 수지(약 0.25W/mㆍK)와 같은 범용 수지나, 케미컬 우드(열전도율: 0.1 내지 1.8W/mㆍK), 내열 보드재(예를 들면, 로스나 보드(lossna board)(닛꼬 가세이 가부시끼가이샤 제조), 동: 0.24W/mㆍK)와 같은 재료도 사용할 수 있다. 단, 예시한 재료로 한정되는 것은 아니다. 또한, 내열성은 프리폼의 부형 온도, 상기 고착재로서의 열가소성 수지를 용융시키기 위한 온도에 견딜 수 있을 만한 내열성이 있는 것이 바람직하다.
단, 비금속 재료 중 필름과 같은 박물(薄物)의 소재는, 상기 접촉면의 형성 재료로서 적당하지 않다. 배깅 필름에 의한 부형에서는, 상술한 바와 같이 사람 손에 의한 작업이 많아져, 생산성의 저하나 비용의 증가와 같은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 제2형측에 형상을 부여할 수 없게 될 우려도 있다. 그 뿐만 아니라, 박물의 소재는 외기 온도의 영향을 강하게 받기 쉽기 때문에, 가열원을 설치한 제1형으로부터 전달된 열을 방열해버린다. 그 때문에, 제2형측에도 가열원을 설치할 필요가 생길 수 있다. 이 제2형은, 적어도 5mm 이상의 두께를 갖고 있는 것이 바람직하다.
이에 비해, 제1형은, 기재측을 향한 전열(傳熱)을 위한 비교적 높은 열전도율을 갖는 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 특히 금속제인 것이 바람직하다. 예를 들면, 알루미늄(열전도율: 204 내지 230W/mㆍK), 탄소강(동: 36 내지 53W/mㆍK), 크롬강(동: 22 내지 60W /mㆍK) 등을 사용할 수 있다. 단, 예시한 재료로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에서의 제2형에는 가열 기구가 설치되지 않기 때문에, 용이하게 분할형으로 구성할 수 있다. 분할형으로 구성함으로써, 복잡한 형상의 프리폼의 부형에도 대응할 수 있게 된다.
상기 적층체를 구성하는 강화 섬유 기재의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 탄소 섬유 기재나 유리 섬유 기재, 아라미드 섬유 기재, 나아가서는 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유 기재를 사용 가능하고, 그 중에서도 RTM 성형시에 높은 치수 정밀도로 프리폼의 부형이 요구되는 탄소 섬유 기재를 포함하는 경우, 본 발명이 특히 유효하다.
또한, 본 발명에 관한 프리폼의 제조 장치에서 사용하는 강화 섬유 기재에 대하여, 상기 고착제의 유리 전이 온도(Tg)가 50 내지 80℃의 범위에 있는 것이 바람직하다. 고착제의 Tg가 50 ℃를 하회하는 경우, 기재의 수송시에 기재끼리 부착되는 등, 취급성이 나빠질 우려가 있다. 반대로 80℃를 초과하는 경우, 부형 온도를 상승시킬 필요가 있으며, 내열 온도가 높은 특수한 재료를 특히 제2형에서 사용할 필요가 생길 우려가 있다.
강화 섬유 기재의 표면에 부착시킨 고착제로서는, 열가소성 수지를 주성분으로 하는 것인 것이 바람직하다. 열가소성 수지로서는, 예를 들면 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌에테르, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리비닐포르말 등이 있지만, 특별히 한정되는 것은 아니다. 수지 재료가 열가소성 수지를 주성분으로 하는 것이면, 강화 섬유 직물에 산포하여 고착시키는 경우, 나아가서는 강화 섬유 직물을 적층, 입체 형상으로 변형시킨 후에 층간을 접착시키는 경우의 취급성이 향상되고, 생산성이 향상된다. 또한, 주성분이란 수지 재료를 구성하는 성분 중에서, 그의 비율이 가장 많은 성분을 말한다. 단, 고착제에 에폭시 수지나 페놀 수지와 같은 열경화성 수지를 포함시키는 것을 제한하는 것은 아니고, 열가소성 수지 및/또는 열경화성 수지를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법은, 열가소성 수지를 주성분으로 하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체를, 서로 대향하는 제1형, 제2형으로 구성되는 부형형에 의해 프레스에 의해 소정 형상으로 부형시킴과 동시에, 가열에 의해 강화 섬유 기재간에 존재하는 상기 고착재를 용융시키고, 용융 후에 냉각함으로써 상기 고착재를 고화시켜 강화 섬유 기재끼리 접착시켜 부형 형상을 유지하는, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 제조하는 방법이며, 상기 가열에 있어서 제1형으로부터만 가열함과 동시에, 제2형의 적어도 상기 강화 섬유 기재와 접촉하는 접촉면을 제1형보다 열전도율이 낮은 재료로 형성하여 제2형측으로의 열전도를 억제하는 것을 특징으로 하는 방법을 포함한다.
이러한 프리폼의 제조 방법에서도, 상기 접촉면은 열전도율이 0.01W/mㆍK 이상 10W/mㆍK 이하인 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 5W/mㆍK 이하인 재료로 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 접촉면은 앞서 예시한 바와 같은 적어도 5mm의 두께를 갖는 비금속 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 제1형도 앞서 예시한 바와 같은 금속 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 단, 상술한 이유로부터, 이 방법에서도 접촉면의 형성 재료는 0.01W/mㆍK 이상, 나아가서는 0.1W/mㆍK 이상의 열전도율을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 가열 기구가 설치되지 않는 제2형은 분할형으로 구성할 수 있으며, 그에 따라 복잡한 형상으로의 부형에도 높은 치수 정밀도로 용이하게 대응할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법에서는, 상기 냉각 과정에 있어서 상기 적층체를 프레스한 상태 그대로 냉각을 행하도록 하는 것이 가능하다. 만일, 프레스를 해방한 상태에서 냉각하는 경우, 해방된 계에서 고착재가 고화되게 되고, 프리폼의 치수 정밀도가 저하될 우려가 있다. 한편, 이와 같이 하면, 가열에 의한 부형 동작에 이어서 연속적으로 냉각 동작을 행할 수 있기 때문에, 부형 시간을 단축하여 제조 효율을 향상시키는 것도 가능하다.
또한, 상술한 바와 같이, 사용하는 강화 섬유 기재의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 본 발명은 강화 섬유 기재가 탄소 섬유 기재를 포함하는 경우에 특히 유효한 것이다.
또한, 본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법에서도, 상기 고착제의 유리 전이 온도(Tg)가 50 내지 80℃의 범위에 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기와 같은 방법을 사용하여 제조된 프리폼에 대해서도 제공된다. 본 발명에서는, 치수 정밀도가 높은 프리폼이 적은 열에너지로 효율적으로 제조된다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 방열을 작게 억제하여 효율적으로 기재를 가열할 수 있게 되고, 가열 효율을 상승시켜 에너지 절약화를 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 복잡한 형상으로의 부형시에도, 높은 치수 정밀도이면서도 높은 생산성으로 원하는 RTM 성형에 사용하는 프리폼을 확실하면서도 용이하게 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 관한 프리폼의 제조 장치의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예, 비교예에 사용한 시험 장치의 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서의 온도 분포의 일례를 나타내는 개략 특성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예, 비교예에 사용한 시험 장치의 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서의 온도 분포의 일례를 나타내는 개략 특성도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 한 실시 형태에 관한 프리폼의 제조 장치 (1)을 나타내고 있다. 이 프리폼의 제조 장치 (1)에서는, 서로 대향하는 제1형으로서의 하형 (2) 및 제2형으로서의 상형 (3)으로 구성되는 부형형 (4) 내에 열가소성 수지를 주성분으로 하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체 (5)가 배치된다. 하형 (2)에만 가열 기구 (6)으로서의 온수 또는 가열된 오일을 순환시키는 열 매체 유통로가 배치되어 있고, 본 실시 형태에서는 또한 하형 (2)에 공냉 또는 수냉 방식의 냉각 수단 (7)이 설치되어 있다. 가열 기구로서는, 상기와 같은 열 매체 순환 방식 이외에 히터를 구비한 기구로 구성하는 것도 가능하다. 냉각 수단 (7)로서는, 예를 들면 압축 공기를, 하형 (2)에 설치한 관통 구멍으로부터 프리폼을 향해 공급함으로써 프리폼을 냉각하는 방식이나, 하형 (2) 내에 설치한 유통로 중에 냉각수를 순환시키는 방식을 채용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 가열 기구 (6)이 설치되어 있지 않은 상형 (3)은 복수로 분할된 분할형으로 구성되어 있다. 이 상형 (3)에는, 상형 (3)을 하형 (2)에 대하여 개폐시킴과 동시에, 적층체 (5)의 부형을 위한 가압력(프레스압)을 발생시키는 프레스 기구 (8)이 연결되어 있다.
이러한 부형형 (4) 내에 적층체 (5)가 배치되고, 상기 부형형 (4)에서 하형 (2)로부터의 가열과 프레스 기구 (8)에 의한 상형 (3)으로부터의 가압을 통해 적층체 (5)가 소정 형상으로 부형됨으로써, RTM 성형에 사용하는 프리폼이 제조된다. 또한, 부형형 (4)에서의 상형 (3)은, 하형 (2)보다 열전도율이 낮은 재료로 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 하형 (2)가 알루미늄(20℃의 열전도율: 228W/mㆍK) 또는 알루미늄 합금이나, 스틸(20℃의 순철의 열전도율: 72.7W/mㆍK) 등의 금속제로 구성되고, 상형 (3)이 내열성이 있는 수지제(예를 들면, 20℃의 페놀 수지의 열전도율: 0.233W/mㆍK)로 구성되어 있다.
상기와 같은 RTM 성형에 사용하는 프리폼의 제조 장치 (1)에서는, 적층체 (5)가 부형형 (4)의 하형 (2), 상형 (3) 사이에서 프레스에 의해 소정 형상으로 부형됨과 동시에, 하형 (2)측으로부터의 가열 기구 (6)에 의한 가열에 의해 강화 섬유 기재간에 존재하는 고착재가 용융되고, 용융 후에 냉각 수단 (7)에 의한 냉각에 의해 고착재가 고화되어 강화 섬유 기재끼리 접착되어 부형 형상이 유지된다. 상기 가열에서는, 가열 기구 (6)이 설치된 하형 (2)측으로부터만 가열이 행해지게 되지만, 상형 (3)이 하형 (2)보다 열전도율이 낮은 재료로 구성되어 있기 때문에, 이 상형 (3)으로의 열전도, 나아가서는 이 상형 (3)으로부터의 외부를 향한 방열이 낮게 억제된다. 그 결과, 부형형 (4) 내에 배치되어 있는 열가소성 수지를 주성분으로 하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재의 적층체 (5)에, 적은 열량으로도 효율적으로 고착재의 용융에 필요한 열량이 부여되고, 그 후 고화된 고화재에 의해 기재끼리 접착되게 된다. 이와 같이 가열 기구 (6)에 의한 가열 효율을 상승시킴으로써, 부형시의 사용 에너지량이 감소되어, 에너지 절약화가 가능해진다. 또한, 상술한 바와 같은 변형되기 쉬운 단열재를 개재시킬 필요도 없기 때문에, 부형되는 프리폼의 치수 정밀도를 높이는 것이 가능해진다. 또한, 가열 기구 (6)이 설치되지 않는 상형 (3)은 도시예와 같이 분할형으로 구성할 수 있기 때문에, 복잡한 형상으로의 부형에도 대응할 수 있게 되고, 이 복잡한 형상으로의 부형을 높은 치수 정밀도로 행할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명에 관한 구성에 의한 효과를 조사하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같은 시험을 행하였다. 가열 기구 (11)(도시예에서는, 히터)을 구비하고, 100℃로 가열한 하형 (12) 위에 탄소 섬유 직물 (13)을 4매 적층한 적층체 (14)를 설치하고, 상형 (15)를 폐쇄한 후의 각 탄소 섬유 직물 (13) 층간 및 적층체 (14)의 양측에 배치해 둔 열전대 (16)[(1), (2), (3), (4), (5)]에 의해 각 개소의 온도를 측정하였다. 또한, 상형 (15)에는 가열원이 되는 것은 설치하지 않았다. 하형 (12)를 알루미늄제로 하고, 상형 (15)를 수지제(케미컬 우드, 열전도율: 1.5W/mㆍK)로 한 것을 실시예로 하고, 하형 (12)를 알루미늄제(열전도율: 228W/mㆍK)로 하고, 상형 (15)도 알루미늄제로 한 것을 비교예로서 시험을 실시하고, 형을 폐쇄한 후 각 개소의 온도가 어떻게 변화되는지를 측정하였다. 시험의 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 상형이 수지제인 경우(실시예), 가열원으로부터 가장 이격된 개소 (5)에서도 30초 후에는 97.4℃에 도달하고 있다. 이것은, 하형으로부터의 열이 열전도율이 낮은 상형으로 전해지지 않고, 거의 탄소 섬유 직물의 가열에 사용되고 있는 것을 나타내고 있다. 이에 비해, 상형이 열전도율이 높은 알루미늄제인 경우(비교예), 가열원으로부터 가장 이격된 개소 (5)에서는 600초가 경과하여도 53.0℃밖에 도달하지 않았을 뿐만 아니라, 가열원에 가장 가까운 개소 (1)에서조차 78.1℃까지밖에 상승하지 않았다. 이것은 하형의 열이 상형측으로 빠져나가고 있는 것을 나타내고 있다. 얻어진 프리폼도 실시예의 경우에는 각 층간이 확실히 고착된 프리폼이 얻어진 것에 비해, 비교예의 경우에는 고착재가 용융되지 않았기 때문에 층간의 고착이 충분히 이루어지지 않았다. 그 때문에, 프리폼을 반송할 때에 형상이 붕괴되어, RTM 성형에 사용할 수 없었다.
[실시예]
도 3은 본 발명의 실시예에서의 온도 분포의 일례를 나타내는 개략 특성도이다. 도 3은, 제1형으로서의 하형 (2)와 제2형으로서의 상형 (3) 사이에 강화 섬유 기재의 적층체 (5)(5층 구조)가 끼워지고, 하형 (2)로부터 상형 (3)을 향해 열의 이동 (Q)가 발생하고 있는 상태에서의 각 지점의 온도를 모식적으로 나타낸 것이다. T(T1 내지 T8)는 각 지점의 접촉면의 온도(℃), l(l1 내지 l7)은 각 층의 두께(m), λ(λ1 내지 λ7)는 각각의 재료의 열전도율(W/mㆍK)이다.
도 3에서, 하형 (2), 상형 (3) 및 적층체 (5)의 각 층을 서로 밀착한 평행 평면판으로 간주하여 층간의 접촉면에서의 접촉 열저항을 무시하고, 열의 이동 (Q)가 정상 열전도(T1 일정 및 T8 일정)라고 가정한 경우, 단위 면적당 이동하는 열량 q(W/m2)는 하기 수학식 1에 의해 표시된다.
<수학식 1>
이때, T2 내지 T7은 하기 수학식 2로 표시될 수 있다(단, 2≤i≤7).
<수학식 2>
여기서, T1을 100℃, T8을 25℃로 가정하고, 피치계 탄소 섬유(사이텍(Cytec)사 제조, Theonel K-1000, λ2 내지 λ6=1000W/mㆍK)와 PAN계 탄소 섬유(도레이 가부시끼가이샤 제조, 토레카 T300, λ2 내지 λ6=6.5W/mㆍK) 및 유리 섬유(니토보 제조, E 유리계, λ2 내지 λ6=1.03W/mㆍK) 각각에 있어서, T2 내지 T7을 구한 결과를 표 2 내지 5에 나타낸다. 단, l1=0.02m, l2 내지 l6=0.0015m, l7=0.1m로 한다.
표 2는, 하형 (2)가 알루미늄제(λ1=228W/mㆍK), 상형 (3)이 알루미늄제 (λ7=228W/mㆍK)인 경우의 계산 결과이다.
표 3은, 하형 (2)가 알루미늄제(λ1=228W/mㆍK), 상형 (3)이 수지제(λ7=1.5W/mㆍK)인 경우의 계산 결과이다.
표 4는, 하형 (2)가 탄소강제(λ1=45W/mㆍK), 상형 (3)이 탄소강제(λ7=45W/mㆍK)인 경우의 계산 결과이다.
표 5는, 하형 (2)가 탄소강제(λ1=45W/mㆍK), 상형 (3)이 수지제(λ7=1.5W/mㆍK)인 경우의 계산 결과이다.
표 2, 4로부터 명백해진 바와 같이, 가열원으로부터 이격된 상형 (3)이 열전도율이 높은 알루미늄이나 탄소강으로 이루어지는 경우에는 상형 (3) 내에서의 온도차가 작아지기 때문에, 상형 (3) 표면의 온도가 저하된다. 특히, 강화 섬유 기재가 열전도율이 낮은 PAN계의 탄소 섬유나 유리 섬유로 이루어지는 경우에는 하형 (2)로부터의 열전도가 작아지기 때문에, 상형 (3) 표면의 온도의 저하가 현저해지는 것을 알 수 있었다.
그러나, 상형 (3)을 열전도율이 작은 수지제의 것으로 변경한 경우에는 상형 (3) 내의 열전도가 율속(律速)이 되고, 온도차가 커지기 때문에, 강화 섬유 기재로서 열전도율이 작은 PAN계의 탄소 섬유나 유리 섬유를 사용했다고 해도, 강화 섬유 기재의 각 층 내에서의 온도 저하를 작게 할 수 있다.
상기한 계산 결과를 실제의 프리폼 제조 장치에 적용시키면, 상형 (3)이 열전도율이 높은 재료를 포함하는 경우에는, 상형 (3) 내에서의 열 전달이 진행되기 때문에, 상형 (3) 근방의 강화 섬유 기재의 각 층의 가열에는 시간이 요구되는 것으로 생각된다. 한편, 상형 (3)이 열전도율이 낮은 재료를 포함하는 경우에는, 상형 (3) 내에서의 열전달이 율속이 되기 때문에, 상형 (3) 근방의 온도 저하를 방지할 수 있고, 강화 섬유 기재가 열전도율이 낮은 PAN계의 탄소 섬유라도 강화 섬유 기재의 각 층을 신속히 가열할 수 있다.
본 발명에 관한 프리폼의 제조 장치 및 제조 방법은, RTM 성형에 사용하는 프리폼을 에너지 절약화를 도모하면서 고정밀도로 부형하는 것이 요구되는 모든 용도에 적용 가능하다.
1 프리폼의 제조 장치
2 제1형으로서의 하형
3 제2형으로서의 상형
4 부형형
5 강화 섬유 기재의 적층체
6 가열 기구
7 냉각 수단
8 프레스 기구
Q 열의 이동
l, l1 내지 l7 두께
T, T1 내지 T8 접촉면의 온도
λ, λ1 내지 λ7 열전도율
2 제1형으로서의 하형
3 제2형으로서의 상형
4 부형형
5 강화 섬유 기재의 적층체
6 가열 기구
7 냉각 수단
8 프레스 기구
Q 열의 이동
l, l1 내지 l7 두께
T, T1 내지 T8 접촉면의 온도
λ, λ1 내지 λ7 열전도율
Claims (16)
- 열가소성 수지를 포함하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체를, 서로 대향하는 제1형, 제2형으로 구성되는 부형형(賦形型)에서 가열을 통해 소정 형상으로 부형시킴으로써, RTM(Resin Transfer Molding, 수지 트랜스퍼 성형) 성형에 사용하는 프리폼을 제조하는 장치이며, 제1형에만 가열 기구를 설치함과 동시에, 제2형의 적어도 상기 강화 섬유 기재와 접촉하는 접촉면이 제1형보다 열전도율이 낮은 재료인 에폭시 수지, 페놀 수지, 베이크라이트 수지, PTFE 수지, 케미컬 우드 또는 내열 보드재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 프리폼의 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 접촉면은 열전도율이 0.01W/mㆍK 이상 10W/mㆍK 이하인 재료로 형성되어 있는 것인 프리폼의 제조 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉면은 적어도 5mm의 두께를 갖는 비금속 재료로 형성되어 있는 것인 프리폼의 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 제1형이 금속 재료로 형성되어 있는 것인 프리폼의 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 제2형이 분할형(分割型)으로 이루어지는 것인 프리폼의 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 고착재의 유리 전이 온도가 50 내지 80℃의 범위에 있는 것인 프리폼의 제조 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 강화 섬유 기재가 탄소 섬유 기재를 포함하는 것인 프리폼의 제조 장치.
- 열가소성 수지를 포함하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체를, 서로 대향하는 제1형, 제2형으로 구성되는 부형형에 의해 프레스에 의해 소정 형상으로 부형시킴과 동시에, 가열에 의해 강화 섬유 기재간에 존재하는 상기 고착재를 용융시키고, 용융 후에 냉각함으로써 상기 고착재를 고화시켜 강화 섬유 기재끼리 접착시켜 부형 형상을 유지하는, RTM(Resin Transfer Molding) 성형에 사용하는 프리폼을 제조하는 방법이며, 상기 가열에 있어서 제1형으로부터만 가열함과 동시에, 제2형의 적어도 상기 강화 섬유 기재와 접촉하는 접촉면을 제1형보다 열전도율이 낮은 재료인 에폭시 수지, 페놀 수지, 베이크라이트 수지, PTFE 수지, 케미컬 우드 또는 내열 보드재로 형성하여 제2형측으로의 열전도를 억제하는 것을 특징으로 하는 프리폼의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 접촉면은 열전도율이 0.01W/mㆍK 이상 10W/mㆍK 이하인 재료로 형성되어 있는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 접촉면은 적어도 5mm의 두께를 갖는 비금속 재료로 형성되어 있는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 제1형이 금속 재료로 형성되어 있는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 제2형이 분할형으로 구성되어 있는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 고착재의 유리 전이 온도가 50 내지 80℃의 범위에 있는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 냉각에 있어서 상기 적층체를 프레스한 상태 그대로 냉각을 행하는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 강화 섬유 기재가 탄소 섬유 기재를 포함하는 것인 프리폼의 제조 방법.
- 열가소성 수지를 포함하는 고착재를 부착시킨 강화 섬유 기재를 복수매 적층한 적층체를, 서로 대향하는 제1형, 제2형으로 구성되는 부형형에 의해 프레스에 의해 소정 형상으로 부형시킴과 동시에, 가열에 의해 강화 섬유 기재간에 존재하는 상기 고착재를 용융시키고, 용융 후에 냉각함으로써 상기 고착재를 고화시켜 강화 섬유 기재끼리 접착시켜 부형 형상을 유지하고, 상기 가열에 있어서 제1형으로부터만 가열함과 동시에, 제2형의 적어도 상기 강화 섬유 기재와 접촉하는 접촉면을 제1형보다 열전도율이 낮은 재료인 에폭시 수지, 페놀 수지, 베이크라이트 수지, PTFE 수지, 케미컬 우드 또는 내열 보드재로 형성하여 제2형측으로의 열전도를 억제함으로써 제조되고, RTM 성형에 사용되는 것을 특징으로 하는 프리폼.
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