KR101995529B1 - 섬유 강화 복합 몰딩 - Google Patents

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핵셀 홀딩 게엠베하
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Abstract

본 발명은 외부 구조(102) 및 내부 구조(106)를 갖는 섬유-강화 복합 몰딩으로서, 외부 구조(102)는 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 1 수지 물질로부터 형성되며, 내부 구조(106)는 복수의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 2 수지 물질로부터 형성되며, 비경화된 제 1 수지 물질의 점도는 비경화된 제 2 수지 물질의 점도 보다 낮으며, 복합 몰딩에서 두 개의 수지 물질은 서로 적어도 일부 혼합되는, 섬유-강화 복합 몰딩에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 섬유-강화 복합 몰딩의 생산 방법에 관한 것이다.

Description

섬유 강화 복합 몰딩 {FIBRE REINFORCED COMPOSITE MOULDING}
본 발명은 외부 구조 및 내부 구조를 갖는 섬유-강화 복합 몰딩으로서, 외부 구조는 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 1 수지 물질로부터 형성되며, 내부 구조는 복수의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 2 수지 물질로부터 형성되는, 섬유-강화 복합 몰딩에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 섬유-강화 복합 몰딩의 생산 방법에 관한 것이다.
섬유 강화 플라스틱(fibre-reinforced plastic; FRP)은 섬유로 강화된 폴리머 매트릭스로 제조된 복합 재료이다. 이러한 섬유는 예를 들어, 유리, 탄소, 케블러(kevlar), 아라미드(aramid), 현무암(basalt)(미네랄)으로 제조되거나 코튼(cotton), 마섬유(hemp) 또는 아마섬유(flax)와 같은 유기물 기원일 수 있으며, 매트릭스의 폴리머는 대개 에폭시, 비닐에스테르, 열가소성 또는 폴리에스테르 열경화성 플라스틱이다. FRP는 항공우주, 자동차, 해양, 및 건설 산업에서 일반적으로 사용되고 있다.
매트릭스에 접합되기 전에, 섬유는 프리프레그(prepreg) 또는 "건조(dry)" 섬유 강화 물질로서 섬유 예비성형품(fibre preform)으로 제작된다.
프리프레그는 "사전-함침된" 복합 섬유에 대한 용어이다. 프리프레그에서, 섬유 강화 물질는 강화 수지 물질로 완전히 또는 일부 함침된다. 본 출원의 이러한 문맥에서, 프리프레그는 또한 섬유 강화 물질를 포함하는데, 이러한 물질은 수지 층에 결합되고 이에 의해 섬유 층의 외부 표면이 터치에 대해 건조 상태이거나(dry to touch) 수지 함침물을 함유하지 않거나 낮은 수준의 수지 함침물을 함유하거나 실질적으로 비점착성(untacky)이다. 프리프레그는 대개 직조(weave) 또는 단방향의 형태를 가지고 제작 동안 이러한 것들을 함께 접합하고 다른 구성 성분에 접합하기 위해 사용되는 소정량의 매트릭스 물질 또는 수지 물질을 이미 함유한다. 프리프레그는, 활성화가 가장 일반적으로 열에 의해 이루어지기 때문에, 일반적으로 냉각된 구역에서 저장된다. 이에 따라, 프리프레그로 제조된 복합 구조물은 일반적으로 경화시키기 위해 오븐 또는 오토클레이브를 필요로 할 것이다.
"건조(dry)" 섬유 강화 물질는 주로 직조(weaving), 니팅(knitting), 브레이딩(braiding) 및 스티칭(stitching)의 직물 가공 기술을 이용하여, 스프레이 적용을 위한 시트, 연속 매트 또는 연속 필라멘트로 흔히 제조된다.
스티칭은 분명하게 4개의 주요 직물 제작 기술 중 가장 간단한 기술이다.
기본적으로, 스티칭 공정은 니들을 삽입하고, 섬유층의 스택(stack)을 통해 스티치 쓰레드(stitch thread)를 이동시켜 3D 구조물을 형성시키는 것으로 이루어진다. 프리프레그 물질와 관련하여, 스티칭은, 프리프레그가 제작 동안 이러한 것들을 함께 접합시키고 다른 구성 성분에 접합시키기 위해 사용되는 소정량의 매트릭스 물질을 이미 함유하기 때문에, 대개 필수적이지 않다. 다중축 프리프레그는 스티칭되지만, 단방향 프리프레그 물질은 통상적으로 스티칭되지 않는다.
이러한 섬유 강화 물질 및 폴리머 물질 (또는 프리프레그 각각)는 이후에 몰딩에 의해 이들의 최종 형상을 갖게 된다. FRP 플라스틱을 이용하는 두 개의 별도의 주 카테고리의 몰딩 공정, 즉 복합 몰딩(composite moulding) 및 습식 몰딩(wet moulding)이 존재한다. 복합 몰딩은 프리프레그를 사용하는데, 즉 프리프레그의 시트 또는 스택은 상이한 방식으로 가열되거나 압축되어 기학학적 형상을 형성시킨다. 습식 몰딩은 몰딩 공정 동안에 섬유 강화물 및 폴리머 매트릭스를 합한다.
물론, 다른 카테고리의 몰딩 공정들이 존재한다.
블레더 몰딩(bladder moulding)과 관련하여, 프리프레그 물질의 개개 시트는 벌룬-유사 블레더와 함께 암-스타일(female-style) 몰드(mould)에 놓여지고 배치된다. 이러한 몰드는 닫혀지고, 가열된 프레스에 배치되며, 블레더는 가압되어 몰드 벽에 대해 물질 층들에 힘을 가한다. 이러한 물질은 이후에 경화되고 고온 몰드에서 제거된다. 블레더 몰딩은 15 내지 60분의 비교적 짧은 경화 사이클을 갖는 폐쇄형 몰딩 공정이다.
압축 몰딩(Compression moulding)은 SMC, BMC 또는 때때로 프레프레그 섬유의 "예비성형품" 또는 "충전물"이 몰드 공동(mould cavity)에 배치되는 것을 포함한다. 이러한 몰드는 닫혀지며, 이러한 물질은 압력 및 열에 의해 압축되고 경화된다.
오토클레이브/진공 백 몰딩은, 프리프레그 물질의 개개 시트들이 개방된 몰드에 놓여지고 배치됨을 의미한다. 이러한 물질은 이형 필름, 블리더(bleeder)/브리더(breather) 물질, 및 진공 백으로 덮혀진다. 진공은 일부 몰드 상에 형성되며전체 몰드는 추가적으로 오토클레이브에 배치될 수 있다. 이러한 물질은 연속 진공(continuous vacuum)으로 경화되어 라미네이트로부터 갇힌 가스들을 추출한다. 이는 항공우주 산업에서 매우 일반적인 공정인데, 왜냐하면 이는 갈고 느린 경화 사이클로 인하여 몰딩 공정에 대한 정밀한 제어를 제공할 수 있기 때문이다. 이러한 정밀한 제어는 강도 및 안전성을 확보하기 위해 요구되는 정확한 라미네이트 기하학적 형태를 형성시킨다.
만드렐 랩핑(Mandrel wrapping)은 다른 가능한 방법(possibility)으로서, 여기서 프리프레그 물질의 시트는 스틸 또는 알루미늄 만드렐 둘레로 랩핑된다. 프리프레그 물질은 나일론 또는 폴리프로필렌 셀로테이프(cellotape)에 의해 압축되며, 이러한 부품(part)들은 통상적으로 오븐에 매달아서 배치 경화된다. 경화 후에, 셀로(cello) 및 만드렐은 제거되어 FRP 재료로 제조된 중공 튜브를 형성시킨다.
습식 레이업 (wet layup) 섬유 강화 직물은 개방된 몰드에 배치되고 이후에 폴리머 매트릭스 물질을 직물 위에 붓고 이를 직물 및 몰드에 섞이게 함으로써 폴리머 매트릭스 물질로 포화된다. 이러한 몰드는 이후에, 수지가 경화되도록, 대개 실온에서 유지되며, 열은 때때로 적절한 경화 공정을 보장하기 위해 사용된다. 유리 섬유는 이러한 공정을 위해 가장 일반적으로 사용되며, 그 결과물은 섬유유리로서 널리 알려져 있고, 스키, 카누, 카약 및 서핑 보드와 같은 일반적인 제품을 제조하기 위해 사용된다.
더욱 한정된 용도를 갖는 다른 방법에는 초퍼 건(chopper gun), 필라멘트 와인딩(filament winding), 및 풀투르전(pultrusion)이 있다.
특히 고려되는 것 중에는 주입 기술(infusion technique)로 불리워지는 RTM & VARTM이 있다. 여기서, 직물은 몰드에 배치되며, 이러한 몰드로 유동성 수지가 용이하게 주입된다. RTM(수지 이송 몰딩(Resin Transfer Molding)) 공정에서, 수지는 통상적으로 가압되고 진공 하에 있는 공동에 힘이 가해지는 반면, VARTM (진공 보조 수지 이송 몰딩(Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding)) 공정에서, 수지는 진공 하에서 공동으로 완전히 끌어당겨진다. 이러한 후속 몰딩 공정은 정확한 공차 및 세부 형상화(detailed shaping)를 가능하게 하지만 때때로 직물을 완전히 포화시키지 못하여 최종 형상에서 약한 스폿을 야기시킨다. 액체 수지 막 주입(Liquid Resin Film infusion; LRI)은 다른 기술로서, 이는 강화 층의 주입을 위해 수지 막을 사용한다. 이러한 막은 가열되고, 액화되고, 이에 따라 강화 층의 섬유로 침투된다.
섬유 강화 플라스틱 구성성분은 통상적으로 서핑 보드의 경우에서와 같이, 때때로 구조적 포움(structural foam)을 갖는 내측 상에 채워지는, 얇은 "쉘(shell)" 구조이다. 이러한 구성성분은 거의 임의 형상을 지닐 수 있으며, 단지 쉘을 제작하기 위해 사용되는 몰드의 복잡성 및 공차에 의해 제한된다. 발전된 제작 기술, 예를 들어 프리프레그 및 섬유 로빙(roving)은 섬유 강화 플라스틱에서 가능한 인장 강도 및 적용을 확대한다.
FRP의 사용은 풍력 터빈 디자인에서 특히 고려되지만, 이로 한정되는 것으로 의미되지 않는다.
신세대 풍력 터빈 디자인은 수 메가와트 범위에서 10 메가와트 이상의 전력을 발생시킨다. 이러한 보다 큰 용량 디자인의 일반적인 트랜드는 터빈 블레이드를 더욱 크게 하는 것이다. 현재의 생산 풍력 터빈 블레이트는 150 내지 200 미터 범위의 프로토타입과 함께 125 미터 직경 정도로 크게 제작된다.
보다 큰 블레이드 시스템을 디자인할 때 가장 중요한 목적들 중 하나는 블레이드 중량을 제어되게 유지시키는 것이다. 블레이드 질량이 터빈 반경의 세제곱으로서 증가하기 때문에, 중력으로 인한 하중은 보다 큰 블레이드를 갖는 시스템에 대한 제한적인 디자인 인자가 된다.
40 내지 50 미터 범위의 블레이드에 대한 현 제작 방법은 다양한 입증된 섬유유리 복합 제작 기술을 포함한다. 일부 제작은 블레이드 제작을 위한 주입 공정을 사용하며, 다른 제작은 이러한 기술의 변형을 사용하며, 일부는 에폭시 매트릭스에 유리섬유와 함께 탄소 및 목재를 포함한다. 옵션은 또한 프리프레그 섬유유리 및 진공-보조된 수지 이송 몰딩을 포함한다. 필수적으로 이러한 옵션들 각각은 동일한 테마의 변형예이다. 유리 섬유 강화 폴리머 복합물은 상이한 복잡성을 갖는 다양한 수단을 통해 구성된다. 아마도, 더욱 단순하고 개방된 몰드의 습식 시스템이 갖는 가장 큰 문제는 대기로 방출되는 휘발성 유기물과 관련된 배출일 것이다. 사전 함침된 물질 및 수지 주입 기술은 모든 반응 가스를 함유함으로써 휘발성물의 방출을 방지한다. 그러나, 이러한 함유된 공정들은 그 자체의 문제를 갖는데, 즉 구조적 구성성분을 위해 필수적인 두꺼운 라미네이트의 생산이 더욱 어렵게 된다는 것이다. 예비성형물 수지 침투성이 최대 라미네이트 두께를 지시하기 때문에, 블리딩(bleeding)은 공동을 제거하고 적절한 수지 분포를 보장하기 위해 요구된다. 해법은 예를 들어 WO 2008/119941 A1호에 기술되어 있는데, 이는 심미적 및 보호 피니시(finish)를 제공하기 위해 외부 표면 코팅을 갖는 섬유-강화 복합체 구성성분을 제작하는 방법이 기술되어 있다. 표면층은 몰드에 배치되며 구조적 건조 직물 강화물을 포함하는 구조층은 상기 표면층 위에 배치된다. 프리프레그 층은 표면층의 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층 내에 또는 이에 인접하여 제공될 수 있다. 프리프레그 층은 제 3 수지 물질 층에서 단방향 섬유를 포함한다. 표면층 및 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층은 일반적인 단계에서 몰드 표면의 일부 상에 배치된다. 표면층 및 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층의 상이한 수지 물질은 경화 단계에서 동시에 적어도 부분 경화된다. 배기 동안, 건조 직물이 기류를 위한 경로를 제공하며, 열 및 압력이 적용된 직후에, 수지가 건조 영역으로 흘러서 전체적으로 함침된 라미네이트 구조를 야기시킬 것으로 추정된다.
에폭시-기반 복합물은 풍력 터빈 제조업체에게 가장 크게 고려되는데, 왜냐하면, 이러한 복합물이 다른 수지 시스템에 비해 환경, 생산 및 비용 이점의 중요한 조합을 나타내기 때문이다. 에폭시는 또한 보다 짧은 경화 사이클, 내구성 증가 및 표면 피니시(surface finish) 증가를 가능하게 함으로써 풍력 터빈 블레이드 복합물 제작을 개선시킨다. 프리프레그 작업(operation)은 습식 레이-업 시스템에 비해 가공 사이클을 감소시키고 이에 따라 제작 시간을 감소시킴으로써 비용-효율적인 작업을 추가로 개선시킨다. 터빈 블레이드가 60 미터 이상으로 접근함에 따라, 수지 셋-업 시간(set-up time)과 비교하여 전통적인 수지 이송 몰딩 주입 시간이 너무 길고 이에 따라 라미네이트 두께를 제한하기 때문에, 주입 기술은 더욱 일반적인 기술이 되고 있다. 주입은 보다 두꺼운 층 스택을 통해 수지에 힘을 가하고, 이에 따라 라미네이트 구조에서 겔화가 일어나기 전에 수지를 침적시킨다. 수명 및 점도를 맞춰서 주입 적용에서 수지 성능을 조정하기 위해 특수한 에폭시 수지가 개발되었다.
최근에, 탄소 섬유 강화 하중-지지 스파(load-bearing spar)는 또한 중량을 감소시키고 강성(stiffness)을 증가시키기 위한 비용-효율적인 수단으로서 확인되었다. 60 미터 터빈 블레이드에서 탄소 섬유의 사용은 100% 섬유유리 디자인과 비교하여, 전체 블레이드 질량의 38% 감소 및 비용의 15% 감소를 초래하는 것으로 추정된다. 탄소 섬유의 사용은 섬유유리 라미네이트 섹션의 두께를 감소시키는 부가된 이점을 가지며, 이는 또한 두꺼운 레이-업 섹션의 수지 습윤화와 관련된 문제를 다룬다.
US 특허출원 US 2009/008836 A1호에는 서로 인접하지만 상이한 방식으로 구성된 두 개의 영역을 갖는 함께 결합된(joined-together) 섬유 복합체 구성성분을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 제 1 영역은 예비성형품으로부터 제조되며, 제 2 영역은 프리프레그로부터 제조된다. 두 개의 영역은 폴리머 매트릭스에 침지된(embedded) 강화 섬유를 가지며, 전이 막은 이러한 것들 사이에 배열된다. 전이 막은 진공 밀봉되고 두 개의 영역을 공간적으로 분리시키지만 열처리 공정에 의해 두 개의 영역의 매트릭스와 영구 접합을 개시한다. 상기 특허출원은 두 개의 영역이 상이한 위치에서 상이한 시간에 제조될 수 있는 이점을 주장한다. 그러나, 두 개의 영역이 상이한 수지를 사용한 것으로 가정되어야 한다. 이러한 이유로, 이송 막은 상이한 세기의 진공을 두 개의 영역에 적용할 것으로 요구되는데, 이는 또한 두 개의 진공 백이 필요로 하는 것을 시사하는 것이다.
US 7,419,627 B2호는 복합체 구조의 분야, 및 특히 동시-경화된 수지 진공 보조된 이송 몰딩 제작 방법에 관한 것이다.
GB 2,351,937 B호에는 섬유 강화 플라스틱 구성성분을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 구성성분 중 하나의 일부는 프리프레그 반제품(semi-finished product)으로서 사전제작되며, 다른 일부는 탄소, 유리 또는 아라미드 섬유로 제조되고 소잉(sewing), 자수(embroidering), 브레이딩(braiding) 또는 위빙(weaving)에 의해 사전 제작되는 직물 반제품으로서 사전 제작된다. 수지 막은 직물 제품에 적용되는데, 이는 경화 장치에서 프리프레그 생성물과 함께 배치된다. 프리프레그 및 직물 제품은 함께 배기되고 경화된다.
상기 언급된 문헌 WO 2008/119941 A1호에는 원칙적으로 프리프레그 층과 건조 직물 강화물의 조합이 기재되어 있지만, 기술된 바와 같이, 이러한 층들은 끼워지며 하중 지지 내부 구조는 이의 모든 단점을 갖는 건조 직물 강화물로부터 적어도 일부 형성된다.
특히, 주입 기술에 의한 풍력 터빈 블레이드의 제작은 여러 문제들과 연관되어 있다.
첫번째 문제는 주입 기술에 의해 제작된 블레이드의 내부 구조의 유사한 나쁜 품질 및 불량한 재현성과 관련된다. 이는 주입된 내부 구조의 유사하게 불량한 기계적 성질을 초래한다.
두번째 문제는 내부 구조를 위한 스티칭된 단방향 물질(하기에서 'UD')의 주입이 실제로 주입 기술을 사용하여 블레이드 제작 공정의 처리량에서 병목 현상이라는 사실과 관련이 있다.
세번째 문제는 제작이 두 개의 공정 단계를 포함하는 경우에(예를 들어, 블레이드의 내부 구조 및 외부 구조가 별도로 제작되는 경우에), 생산 시간 및 높은 블레이드 생산 비용과 관련이 있다.
풍력 터빈을 위한 블레이드의 생산 시에 두 개의 생산 단계가 사용될 때, 큰 부품의 경우에 긴 제작 시간은 필수적이며, 하나의 몰드 대신에 두 개의 몰드가 필수적이며, 추가 몰드 및 고에너지에 대한 증가된 자본 비용(capital cost)이 존재하며, 인건비가 포함된다.
내부 구조가 주입 기술에 의해 제조될 때, 또한 하기 문제들이 확인되었다:
주입 기술의 고유 성질로서 수지 함량의 불량한 제어가 존재하며, 특히 내부 구조의 길고 두꺼운 UD 스택을 위한 긴 주입 시간이 요구되며, 주입된 부분의 수지 함량의 큰 차이가 발생하여, 최종 블레이드 중량의 편차를 야기시킨다. 또한, 주입된 구역에서 낮은 진공으로 인하여 주입된 부분에서의 낮은 압축, 내부 구조 내측에서 수지 함침의 불량한 제어, 특히 두꺼운 부분 내측에서 시각적으로 검출되기 어려운 잠재적인 건조 스폿의 발생이 존재한다. 상기 언급된 인자들은 유사한 높은 안정성 인자(security factor)의 적용을 나타내어 블레이드 중량 (및 물질 비용)의 증가를 초래한다.
수작업 방식(대개 주입된 내부 구조를 제작하기 위해 적용됨)으로의 건식 스티칭된 UD 플라이의 레이업은 라빙(raving), 토우(tow), 또는 플라이(ply)의 인장의 임의 제어를 가능하게 하지 않는다. 다층 레이업에서, 이러한 효과는 정렬 불량, 주름 및 접힘(fold)을 필연적으로 야기시킬 것이고, 오늘날의 큰 구조/블레이드를 위해 사용된 두꺼운 레이-업의 기계적 성질(특히, 압착 및 피로 성능)의 감소를 야기시킬 것이다. 탄소 UD의 특정 경우에서, 이러한 문제들이 더욱 중요하다.
본 발명의 목적은 상술된 과제를 제거하고/거나 경감시키고/거나 일반적으로 개선점을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 청구범위들 중 어느 한 항에 따라 정의된 몰딩 및 방법이 제공된다.
본 발명의 한 목적은 상술된 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 것으로서, 외부 구조 및 내부 구조를 갖는 섬유-강화 복합 몰딩으로서, 외부 구조가 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 1 수지 물질로부터 형성되며 내부 구조가 복수의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 2 수지 물질로부터 형성되는 섬유-강화 복합 몰딩을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 이러한 목적은 비경화된 제 1 수지 물질의 점도가 비경화된 제 2 수지 물질의 점도 보다 낮으며, 복합 몰딩에서 두 개의 경화된 수지 물질이 서로 적어도 일부 혼합된다는 점에서 달성된다. 다시 말해서, 본 발명에 따르면, 대개 심미적 및 보호 기능을 제공하는 외부 구조는 양호한 유동성(flowability)을 갖는 수지를 사용하는 주입 기술에 의해 제조되며, 내부의 하중 지지 구조는 프리프레그, 즉 바람직하게 제 2 수지로 함침된 UD 층으로 형성된다. 이러한 독특한 형성으로 인하여, 프리프레그로 형성된 내부 구조에서 건조 영역이 존재하지 않기 때문에, 내부 구조의 건조 영역으로 수지가 흘러 들어갈 필요가 없으며, 내부 구조는 프리프레그로 형성된다. 스티칭되고 주입된 UD 대신에 UD 프리프레그의 사용은 섬유의 주름을 방지하며, 이에 따라 내부 구조의 기계적 성능은 스티칭되고 주입된 UD 물질의 경우 보다 매우 양호하다. 추가적으로 그리고 내부 구조 옆에 또는 내부 구조 내에, 추가 하중 지지 엘리먼트 및/또는 좌굴(buckling) 방지 구조 및 엘리먼트, 예를 들어 포움, 목재, 경량 금속 또는 복합체로 제조된 엘리먼트가 포함될 수 있다.
이러한 적용의 문맥에서, 용어 외부 구조 및 내부 구조는 주로 몰딩, 어셈블리 또는 빌드-업(build-up)의 한 부분을 몰딩의 다른 부분과 구분한다. 바람직하게, 몰딩의 내측 상의 몰딩의 부분은 내부 구조이며, 몰딩된 부분의 외부의 부분에 가깝거나 이러한 부분을 형성하기 때문에 몰딩의 내측 상에 존재하지 않는 부분은 외부 구조이다. 내부 구조는 코어 물질 또는 코어 구조를 포함할 수 있다. 코어 물질은 하중을 지지할 수 있다. 코어 물질은 수지에 불침투성일 수 있다. 코어 물질은 포움 또는 목재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 외부 구조는 층간 유동 매질을 추가로 포함한다. 층간 유동 매질은 가공 동안에 몰딩으로부터 공기 및 휘발성 물질을 제거하고 층간 유동 매질을 침지시키기 위하여 제 1 수지를 수용하도록 구성된다. 층간 유동 매질은 가스 및 수지 둘 모두에 침투 가능하다.
이러한 층간 유동 물질은 바람직하게 외부 구조에 제 1 수지 물질의 완전한 주입을 가질 시에 몰딩되고 이를 보조하기 위해 전체 구조의 하부측 상에 위치된다. 이는 다양한 수단, 예를 들어, 외부 구조를 형성시키는 섬유 강화 물질 층(들) 내에 채널을 제공하는 그리드, 연속, 초핑된 섬유 매트에 의해 형성될 수 있다. 층간 유동 매질의 목적은 흐름 임계 구역(flow critical area)에서 수지(외부 구조를 위한 저점도 수지)의 최적의 흐름을 제공하고, 이에 따라 외부 구조의 섬유 강화 물질 건조 층에 가능한 공기 포집을 방지하고 제 1 수지의 주입 동안에 배출시키기 위한 것이다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예는 25℃ 측정하여, 비경화된 제 1 수지 물질의 점도가 0.14 내지 0.4 Pa.s이며 비경화된 제 2 수지 물질의 점도가 0.7·104 내지 8·105인 것을 특징으로 한다. 더욱 상세하게, 제 1 (주입) 수지의 초기 혼합 점도는 25℃에서 0.14(매우 낮은 점도의 수지) 내지 0.4 Pa.s에서 변경되며, 이러한 수지는 즉시 경화하기 시작하고 25℃에서 4 시간 후에, 점도는 약 6 내지 10 Pa.s일 것이다. 프리프레그를 위해 사용되는 제 2 수지의 점도는 요구되는 특정 프리프레그에 의존적이고, 일부 적용에 대하여, 25℃에서 0.7·104 내지 8·105에서 변경될 수 있다. 프리프레그와 함께 사용되는 수지는 2.5 내지 6.5·104의 점도를 갖는 M9.6F (Hexcel, AT) 및 0.9 내지 1.9·105의 점도를 갖는 M9.6LT (Hexcel, AT)이다. 예를 들어, 주입 수지에 대하여 완전한 주입을 달성하기 위해 낮은 점도를 갖도록 하는 것이 중요하며, 프리프레그의 경우에 실용적 관점으로부터, 낮은 점착성이 중요하다. 이러한 낮은 점착성은 고점도 수지(M9.6LT 또는 아마도 보다 양호한 M19.6LT 수지, 동일한 점도를 갖지만 반응성이 더욱 낮음, 둘 모두 Hexcel AT)를 이용하거나 예를 들어 중간에 일부 건조 플리스(dry fleece)를 갖는 프리프레그(M9.6F 또는 보다 양호한 M19.6 수지, 동일한 점도를 갖지만 반응성이 더욱 낮음, 둘 모두 Hexcel AT)를 이용하여 달성될 수 있으며, 이에 따라 프리프레그에 터치에 대한 건조성을 제공하여, 레이업을 용이하게 하고 공기를 배출시켜 낮은 다공도를 갖는 레이업을 달성하게 한다. 또한, 예를 들어 M19.8 (Hexcel AT)은 매우 높은 점도 (4-8·105 Pa.s)를 가지고 더욱 낮은 반응성을 가져야 한다. 주입 수지와 프리프레그 수지 간의 상호작용과 관련하여, 다른 중요한 점은 두 수지, 즉 프르프레그 수지와 주입 수지 간의 혼화성이다. 바람직하게, 둘 모두의 경우에서 에폭시 수지가 사용되며, 이는 화학적으로 혼화 가능하다. 프리프레그 수지의 경우에, 특히 경화 사이클이 주입 몰드에서 진행되는 경우에, 몰드의 표면에서 고온을 방지하기 위하여, 낮은 반응성의 수지가 선택되어야 한다.
바람직하게, 외부 구조는 스티칭되거나 접합된 섬유 강화 물질의 적어도 하나의 층을 포함한다. 이에 의하여, UD 물질이 외부 구조에서 사용될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 섬유 강화 물질의 섬유가 제 1 수지로의 주입 전에 함께 안전하게 유지된다는 것이 보장된다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예에 따르면, 내부 구조는 프리프레그로부터 제조된 비스티칭되거나 비접합되거나 비직조된 섬유 강화 물질 층으로 구성된다. 스티칭되거나 접합되거나 직조된 직물을 사용하는 주입과 같은 다른 공지된 기술과 비교하여 프리프레그를 사용하는 경우에, 프리프레그는 스티칭, 접합 또는 위빙 기술의 필요 없이, 섬유의 수지 고정화로부터만 얻어지는 직선의 평평한 그리고 균질한 섬유 정렬로 인하여 향상된 기계적 성질을 보장한다. 본 발명과 관련하여, 프리프레그와 주입 기술을 결합시킴으로써 긴 스케일의 복합체 부분, 예를 들어 풍력 블레이트를 한 단계로 그리고 한 몰드에서 제작하는 것이 가능하다. 이러한 개념을 이용하여, 내부 구조는 주입 기술을 이용함으로써 프리프레그 및 외부 구조를 사용하여 제조될 것이다. 두 구조 모두는 동일한 몰드에서 형성되고 한 단계로 경화될 것이다.
긴 스케일의 복합체 부분을 제작하기 위한 본 발명의 기술의 이용은 특히 몰드 시간, 에너지 비용 및 자본 비용(지금까지 내부 구조 및 외부 구조가 별도의 몰드에서 제작되는 경우에)의 절약을 초래할 것이다. 주입된 복합체 부품과 비교하여, 내부 구조를 위한 프리프레그의 사용과 결합된 외부 구조를 위한 주입은 하기를 포함하는 프리프레그 물질의 이점을 전부 이용할 것이다:
● 수지 함량의 우수한 제어, 이는 복합체 부부품 중량의 개선된 일관성을 야기시킴
● 내부 구조의 제작 공정의 우수한 재현성
● 일정한 높은 품질 수준의 내부의 하중 지지 구조
● 내부 구조에 탄소 UD의 도입이 유리 UD와 동일한 품질 수준에서 용이하게 이루어질 수 있음
● 내부 구조에서 프리프레그의 전용(Exclusive use)이 일정하고 제어된 수지 함량 및 수지 분포를 보장함
● 프리프레그의 사용은 모든 섬유가 함침될 것임을 보장함
● 프리프레그에서 사용되는 바와 같이 신장된, 비-스티칭된 섬유로부터 기원한 내부 구조에서 기계적 이점을 야기시킴
● 또한, 두꺼운 내부 구조 레이업의 형성 동안 점착성에 의한 정위화 및 고정화가 확보됨
● 일반적으로, 보다 양호한 기계적 성능, 특히 압축 강도, ILS 및 피로 성능과 관련한 보다 양호한 기계적 성능이 제공됨
● UD 내부 플라이 레이-업 및 정위화를 자동화하는 것이 가능하여 수작업 공정으로부터 결함 위험성을 방지함.
본 발명의 기술을 이용할 때, 또한 사전압밀(pre-consolidation) 시간이 필수적이지 않다. 프리프레그의 "공동-주입(Co-infusion)", 즉 외부 구조를 위한 주입 기술 및 내부 구조, 특히 긴 스케일의 복합체 부품을 위한 프리프레그 기술의 동시 이용은 현저하게 감소된 주입 공정 시간을 초래하여 보다 높은 몰드 생산량을 야기시킬 것이다.
내부 구조를 위한 프리프레그와 외부 구조를 위한 주입 기술의 조합된 이용에 의하여, 내부 구조 및 외부 구조 둘 모두가 주입될 때 특히 풍력 터빈을 위한 긴 블레이드의 생산에서 발생하는 문제점들이 해소된다. 이는 특히 내부 구조의 주입 및 스티칭 둘 모두로 인하여 섬유의 정렬에 관한 것으로서, 스티칭은 주입 기술을 이용할 때 큰 문제이고, 본 발명에 따른 것과 비교하여 주입된 내부 구조의 낮은 기계적 성질을 야기시킨다. 또한, 본 발명과 관련하여, 또한 예를 들어 "저-발열성" 프리프레그를 사용함으로써 발열을 보다 용이하게 제어하며, 이에 따라 또한 전체 구조를 생산하는 시간을 보다 용이하게 제어한다. 결과적으로, 본 발명은 또한 생산성 및 품질 제어를 개선시키기 위해 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 하기 단계들을 포함하는, 상술된 섬유-강화 복합 몰딩을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다:
● 몰드 표면 상에 하나 이상의 섬유 강화 물질 층을 배치시켜 외부 구조의 일부 또는 전부를 형성시키는 단계,
● 외부 구조의 일부 또는 전부 상에 제 2 수지 물질이 함침된 복수의 프리프레그 층을 배치시켜 내부 구조를 형성시키는 단계,
● 복수의 프리프레그 층을 하나 이상의 섬유 강화 물질 층으로 덮어서 외부 구조를 완성하는 단계,
● 어셈블리에 감압을 적용하는 단계,
● 감압 하에서 유동성 제 1 수지 물질을 빌드 업(build up)에 주입하는 단계, 및
● 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 동시에 경화시키는 단계.
본 발명의 방법은 빠른 주입 및 또한 전체 구조의 완전한 함침을 용이하게 수행하고 이의 이점을 제공한다. 제 1 수지 물질(주입을 위해 사용됨)은 몰딩 물질(종래 기술의 구체예에서와 같이)의 내부 구조로 길게 진행하지 않으며, 주입은 외부 구조에서 일어난다. 내부 구조는 이와 같이 공지된 프리프레그로 이루어지며, 수지의 추가 공급은 내부 구조 상에 완전한 함침을 제공하기 위해 필수적이지 않다. 프리프레그는 이의 위치를 고정시키기 위해 수지로부터의 점착성을 사용하여 서로 놓여진다. 프리프레그는, 직선 플라이 및 섬유 위치/방향을 확보하도록 정위화시킨 직후에 수지 점착성을 통해 강성 시트와 다소 유사하다. 즉, 프리프레그는 정위화 후 및 진공 적용 동안에 완전히 고정되고 이에 따라 내부 구조의 하중 지지 형성에서의 접혀짐 및 주름을 방지한다. 코어가 전체 몰딩의 하중 지지 부분을 형성시키기 때문에, 코어가 이의 구조에서 공극을 지니지 않는 것이 특히 중요하다. 수지 물질은 서로 혼화 가능해야 하며, 프리프레그 수지는 일반적으로 느린 수지이지만, 주입 수지는 빠르게 반응한다. 모든 통상적인 타입의 수지 또는 수지의 조합물이 사용될 수 있지만, 이러한 것들이 혼합되기 때문에 이러한 수지들이 혼화 가능해야 한다.
바람직하게, 본 방법은 추가적으로 외부 구조의 형성 동안에 층간 유동 물질을 적용하는 단계를 포함한다. 이러한 매질에 의하여, 외부 구조의 완전한 주입이 보장되는데, 왜냐하면 내부 구조 아래에 그리고 외부 구조 내에 포집된 공기가 용이하고 완전하게 배출하기 위한 수단을 제공하기 때문이다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 본 방법은 내부 구조 옆에 하중 지지 코어 구조를 적용하는 단계를 추가적으로 포함한다. 본 발명의 방법을 이용할 때, 또한 포움 바디(foam body)(또는 경량 목재, 금속, 탄소 섬유 등으로 제조된 바디)를 추가 하중 지지 구조로서 프리프레그 내부 구조 옆에 부가하는 것이 가능하다. 이러한 바디는, 섬유-강화 복합 몰딩 내에 균질한 접합 매트릭스를 형성시키기 위해 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질이 유동 가능하고 적어도 일부 서로 혼합할 때(주입 수지는 프리프레그 수지로 이동될 것임), 경화 동안에 내부 구조의 부분이 될 것이다.
또한, 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질이 70℃ 내지 140℃의 온도에서, 100 내지 600분 시간 동안, 특히 80℃ 내지 100℃의 온도에서 120 내지 480분의 시간 동안에 동시에 경화되는 것이 바람직하다. 이러한 온도 및 시간 간격은 종래 기술에 비해 실질적인 개선을 제공하며, 본 발명의 방법에 따른 경화는 주입 또는 프리프레그 기술을 위한 통상적인 공정에 비해 더욱 빠르고 보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 상기 경화 사이클은 실질적으로 두 수지 모두에 대해 양립 가능하며, 내부 구조의 프리프레그의 발열 반응으로 인해 최대 온도는 몰드 표면의 Tg를 초과하지 않아야 한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 구체예는 외부 구조의 함침을 위해 요구되는 제 1 수지 물질의 80%가 120분 미만의 시간 내에 주입되는 것을 특징으로 한다. 또한, 이는 종래 기술의 방법에 비해 실질적으로 개선되며, 외부 구조의 함침(주입)은 이전 보다 매우 빠르게 진행할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 외부 구조 및 내부 구조를 갖는 섬유-강화 복합 몰딩 또는 어셈블리가 제공되며, 여기서 외부 구조는 적어도 하나의 섬유 강화 물질 층 및 제 1 수지 물질로부터 형성되며, 내부 구조는 제 2 수지 물질을 포함하는 복수의 수지 함침된 섬유 강화 물질 또는 프리프레그 층으로부터 형성되며, 몰딩 또는 어셈블리는 유동성 제 1 수지 물질을 몰딩으로 주입하고 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 경화시킴으로써 가공을 위해 구성된다. 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질은 바람직하게 동시에, 경화되거나 부분 경화된다.
경화 전 몰딩 또는 어셈블리는 섬유 강화 물질로 흐르는 제 1 수지에 의해 주입되며 후속하여 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질은 경화된다.
외부 구조의 섬유 강화 물질는 건조되거나(비함침되거나) 주입 전에 수지로 일부 함침될 수 있다. 내부 구조는 경화된 수지 함침된 섬유 강화 물질 또는 경화된 프리프레의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 유리한 구체예에서, 내부 구조는 비경화되거나 비가공된 프리프레그 물질와 함께 비경화되고/거나 부분 경화되거나 일부 가공된 수지 사전함침된 섬유 층(프리프레그 층)을 포함한다.
경화되거나 부분 경화된 수지 함침된 섬유 층을 포함하는 것의 중요한 장점은 이러한 것이 경화시키기 위해 몰딩을 처리하도록 요구되는 에너지 입력을 낮춘다는 것이다. 또한, 이는 온도가 소정의 시간 동안 일정하게 유지되는 동안에 다중 드웰(dwell) 스테이지를 포함하는 경화 스케쥴에 대한 필요성을 배제하는 몰딩의 경화 동안에 발열 에너지 방출을 보다 양호하게 제어할 수 있다. 이는 어셈블리 또는 몰딩을 경화시키기 위한 보다 빠른 가공 시간을 초래한다.
바람직한 구체예에서, 주입 동안에 먼저 제 1 수지 물질은 내부 구조 아래의 외부 구조에 주입한 후에, 프리프레그 위의 외부 구조는 전부 함침된다. 몰딩은 하중 지지 코어 구조를 포함할 수 있으며, 코어 구조는 어셈블리에서 수지의 위치를 시각적으로 식별하기 위하여 개구를 포함한다.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 하기 단계들을 포함하는, 섬유-강화 복합 몰딩을 제조하는 방법이 제공된다:
a) 몰드 표면 상에 하나 이상의 섬유 강화 물질 층을 배치시켜 외부의 일부 또는 전부를 형성시키는 단계;
b) 외부 구조의 일부 또는 전부 상에 제 2 수지 물질이 함침된 복수의 프리프레그를 배치시켜 내부 구조를 형성시키는 단계,
c) 복수의 프리프레그를 하나 이상의 섬유 강화 물질 층으로 덮어서 외부 구조를 완성시키고 빌드 업 또는 어셈블리를 형성시키는 단계,
d) 어셈블리를 배기시키거나 어셈블리로부터 가스를 추출하는 단계,
e) 어셈블리에 유동성 제 1 수지 물질을 주입하거나 사출시키는 단계, 및
f) 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 경화시키는 단계.
여기서, 단계 e)는 제 1 주입 단계 및 후속의 제 2 주입 단계를 포함하며, 제 1 주입 단계에서, 내부 구조 아래의 외부 구조는, 프리프레그 층 위의 외부 구조가 완전히 주입되기 전에, 주입된다.
본 방법의 단계 d)는 또한 어셈블리에 감압을 적용하는 단계를 포함한다. 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질은 동시에 경화될 수 있다. 수지는 외부 구조를 주입하거나 함침시키기 위하여 어셈블리에 주입되거나 사출될 수 있다.
단계 e)의 주입 이전에, 본 방법은 빌드 업에 대해 제 1 수지 유동점 및 제 2 수지 유동점을 제공하는 단계, 및 수지 유동점 사이에 수지 흐름 방해물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 수지 흐름 방해물은 압축 부재가 적용되는 위치에서 외부 구조를 통해 수지의 흐름을 방해하는 압축 부재로 이루어질 수 있다. 통상적으로, 몰딩이 가요성 진공 챔버 또는 진공 백 내측에 위치되어 있기 때문에, 압축 부재는 진공 백 내의 외부 구조에 적용되고 몰딩의 배기 시에 외부 구조 상에 압축되는 임의의 부재에 의해 형성될 수 있다. 이는 국소 수지 흐름 방해를 야기시킨다. 수지 경화 가공의 흐름을 제어하기 위하여, 흐름 방해물은 탈착식일 수 있다.
다른 구체예에서, 수지 유동점은 몰딩에 대해 위치된다. 수지 유동점은 수지가 이로부터 흐를 수 있고 수지가 이로 흘러들어 갈 수 있는 포인트이다. 이에 따라, 수지 유동점은 수지를 유동점 쪽으로 몰딩으로 들어가는 배기 또는 흡입 포인트(suction point)에 의해 또는 수지를 몰딩에 가압시키는 수지 공급 라인에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게, 수지 유동점은 몰딩으로부터 공기 및/또는 수지를 뽑아내기 위한 배기 또는 흡입 포인트이다. 유동점은 요망되는 경우에 수지를 어셈블리로 흘러들어가도록 활성화될 수 있다.
바람직한 구체예에서, 단계 e)에서, 제 1 수지 유동점은 어셈블리의 일 부분에 주입하도록 활성화되며, 그 동안 제 2 수지 유동점은 비활성화되며, 제 2 수지 유동점의 활성화 후에, 전체 어셈블리에 주입한다. 제 1 수지 유동점은, 제 2 수지 유동점이 활성화될 때 비활성화될 수 있다. 또한, 수지 유동점은 수지가 어셈블리의 요망되는 위치에 도달 시에 활성화되고/거나 비활성화될 수 있다.
다른 구체예에서, 어셈블리는 하중 지지 코어 구조를 포함할 수 있으며, 코어 구조는 어셈블리의 수지의 위치를 시각적으로 확인하기 위한 개구를 포함한다.
본 발명은 하기 실시예 및 도면을 이용하여 기술될 것이지만, 이는 한정적인 것은 아니어야 한다.
도 1에서, 개개 참조 번호는 하기 의미를 갖는다:
1) 스크림프 네트(Scrimp net)
2) 필 플라이(Peel Ply)
3) 이축 유리 섬유 층
4) 포움 구조
5) 이축 유리 섬유 층
6) 유입구 채널
7) 유출구 채널
8) UD 프리프레그 층
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 UD 프리프레그, 포움 및 다중축 섬유(3x3 플라이)의 20 플라이를 포함하는 몰딩의 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 몰딩의 개략도를 도시한 것이다.
실시예 1
길이가 4 미터이고 폭이 1.9 미터인 복합체 부품을 하기 절차에 따라 그리고 도 1 및 도 2에서 개략적으로 도시된 본 발명으로부터 제조하였다.
레이업 테이블(layup table)을 적절하게 처리하기 위하여, 800 gsm 이축 유리 섬유(예를 들어, Saertex S32EX021-00820-01270-250000)의 두 개의 층을 배치시킨 후에 이축 섬유의 길이의 중심선을 따라 500-600mm 폭의 층간 유동 매질(예를 들어, Aerovac X.Fuse-CS200)의 층을 배치시켰다. 이후에, 이축 유리 섬유의 추가 층을 존재하는 층 위에 배치시켰다. 하나 초과의 이축 유리 섬유 조각을 각 층에 대해 사용하여 섬유의 인접한 조각들에 대해 50 mm 중첩시킴으로써 1900 mm의 요망되는 폭을 달성하였다.
존재하는 어셈블리의 길이의 중심선을 따라, 20 플라이의 440 mm 폭 및 4000 mm 내지 3800 mm의 길이의 단방향 프리프레그 (예를 들어, Hexply M9.6F/32%/1600+50/G)를 배치시켜, 프리프레그의 유리 플리스 부분(glass fleece portion)이 존재하는 이축 유리 섬유 플라이(ply) 쪽으로 아래로 향하도록 하였다. 가장 긴 프리프레그의 조각을 먼저 배치시킨 후에(예를 들어, 4000 mm), 점진적으로 보다 짧은 길이(예를 들어, 3800 mm 이하)의 조각을 배치시켜, 챔퍼(chamfer)가 프리프레그 스택의 길이의 어느 한 단부에 달성되도록 하였다.
이러한 프리프레그 스택의 양 길이방향 측에 들이받도록(butted) 폭이 550 mm이고 길이가 4000 mm인 포움 코어(예를 들어, DIAB Inc. Divinylcell H80)를 배치시키고, 프리프레그 스택과 동일한 높이로 절단하고, 배치될 때 코어 조각의 외부 에지가 챔퍼되도록 하였다. 도 1에 따른 단면에서, 단지 우측의 포움 코어가 도시되어 있다.
전체적으로 폭이 1900 mm이고 길이가 4000 mm인 동일한 이축 섬유의 추가 3 층을 존재하는 물질의 상부 위에 배치시켜 본 발명의 전체 어셈블리를 달성하였다.
이후에, 전체 어셈블리 위에 필 플라이 층, 구멍이 난 이형 호일 및 주입 네트(infusion net)를 적용한 후에 필수적인 진공 및 수지 채널을 배치시키고 진공 포트 및 두 개의 수지 포트가 장착된 적합한 진공 백을 배치시킴으로써 주입을 위해 어셈블리를 준비시켰다. 수지 포트를 저점도 주입 수지 및 경화제(예를 들어, 100 중량부의 Hexion Epikote MGS RIM 135 수지 및 30 중량부의 Hexion RIMH 137 경화제)의 혼합물에 연결하였다.
이후에 진공을 적용함으로써 공기를 어셈블리로부터 배기하였다. 요망되는 수준의 진공이 달성된 직후에, 제 1 수지 포트를 개방하여 수지를 주변 온도에서 어셈블리에 주입하였다. 14분 후에, 제 2 수지 포트를 개방하여 추가 주입을 허용하였다. 어셈블리를 22분 후에 전부 주입하였으며, 이후에 전체 35 kg의 주입 수지 및 경화제를 소비하였다.
이후에 어셈블리를 절연 물질로 덮고 어셈블리를 90℃로 경화하도록 셋팅하였다.
실시예 2
길이가 4 미터이고 폭이 1.9 미터인 다른 복합체 부품을 하기 절차에 따라 그리고 도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 본 발명으로부터 제조하였다.
레이업 테이블을 적절하게 처리하기 위하여, 800 gsm 이축 유리 섬유(예를 들어, Saertex S32EX021-00820-01270-250000)의 두 개의 층을 배치시킨 후에 이축 섬유의 길이의 중심선을 따라 500mm 폭의 층간 유동 매질(예를 들어, Aerovac X.Fuse-CS200)의 층을 배치시켰다. 이후에, 이축 유리 섬유의 추가 층을 존재하는 층 위에 배치시켰다. 하나 초과의 이축 유리 섬유 조각을 각 층에 대해 사용하여 섬유의 인접한 조각들에 대해 50 mm 중첩시킴으로써 1900 mm의 요망되는 폭을 달성하였다.
존재하는 어셈블리의 길이의 중심선을 따라, 20 플라이의 440 mm 폭 및 4000 mm 내지 3800 mm의 길이의 단방향 프리프레그 (예를 들어, Hexply M9.6F/32%/1600/G)를 배치시켜, 프리프레그의 유리 플리스 부분이 존재하는 이축 유리 섬유 플라이 쪽으로 아래로 향하도록 하였다. 가장 긴 프리프레그의 조각을 먼저 배치시킨 후에(예를 들어, 4000 mm), 점진적으로 보다 짧은 길이(예를 들어, 3800 mm 이하)의 조각을 배치시켜, 챔퍼(chamfer)가 프리프레그 스택의 길이의 어느 한 단부에서 달성되도록 하였다.
이러한 프리프레그 스택의 양 길이방향 측에 들이받도록 폭이 550 mm이고 길이가 4000 mm인 포움 코어(예를 들어, DIAB Inc. Divinylcell H60)를 배치시키고, 프리프레그 스택과 동일한 높이로 절단하고, 배치될 때 코어 조각의 외부 에지가 챔퍼되도록 하였다. 도 1에 따른 단면에서, 단지 우측의 포움 코어가 도시되어 있다.
전체적으로 폭이 1900 mm이고 길이가 4000 mm인 동일한 이축 섬유의 추가 3 층을 존재하는 물질의 상부 위에 배치하여 본 발명의 전체 어셈블리를 달성하였다.
이후에, 전체 어셈블리 위에 필 플라이 층, 구멍이 난 이형 호일 및 주입 네트를 적용한 후에 필수적인 진공 및 수지 채널을 배치시키고 진공 포트 및 두 개의 수지 포트가 장착된 적합한 진공 백을 배치시킴으로써 주입을 위해 어셈블리를 준비시켰다. 수지 포트를 저점도 주입 수지 및 경화제(예를 들어, 100 중량부의 Hexion Epikote MGS RIM 135 수지 및 30 중량부의 Hexion RIMH 137 경화제)의 혼합물에 연결하였다.
이후에 진공을 적용함으로써 공기를 어셈블리로부터 배기하였다. 요망되는 수준의 진공이 달성된 직후에, 제 1 수지 포트를 개방하여 수지를 주변 온도에서 어셈블리에 주입하였다. 15분 후에, 제 2 수지 포트를 일부 개방하여 추가 주입을 허용하였다. 21분 후에 제 2 수지 포트를 전부 개방하고, 어셈블리를 27분 후에 전부 주입하고, 31 kg의 주입 수지 및 경화제를 소비하였다. 이후에, 어셈블리를 절연 재료로 덮고 어셈블리를 90℃에서 경화시키기 위해 셋팅하였다.
상기 실시예에서와 유사한 크기의 부품을 LRI 및 건조 섬유 만을 이용하여 형성하였고, 주입하는데 45분에 이상이 소요되고 얻어진 라미네이트 품질이 불량하다는 것을 발견하였다. 주입 시간을 줄이기 위한 시도는 사용될 수 있는 제한된 수의 수지 유입구 포트로 인해 어려운 것으로 입증되었으며, 주입 시간을 증가시킴으로써 라미네이트 품질을 개선시키기 위한 시도는 부품의 완전한 주입이 달성되기 전에 허용되지 않은 높은 점도에 도달하는 반응성 수지 혼합물로 인하여 실패되었다.
상기 실시예로부터, 본 발명에 따르면, 당해 기술에 비해 여러 이점이 제공될 수 있다는 것이 명확하다. LRI를 이용할 때, 시간 소비적이고 경화 동안에 하중 지지 스파 스택(load bearing spar stack)을 저장하기 위한 추가 공간이 필수적인 두 개의 별도의 공정 단계(레이업을 위한 단계, 두꺼운 하중 지지 스파 섹션의 주입 및 경화, 및 레이업을 위한 단계, 경화된 하중 지지 스파를 갖는 쉘 섹션을 인시튜로 주입 및 경화)를 갖는 것이 필수적일 것이다. 종래 기술의 방법에 따르면, 복합체 부품의 코어에서의 하중 지지 구조는 언급된 모든 단점, 예를 들어 정렬 불량, 주름, 접힘 및 기계적 성질의 감소를 초래하는 라빙, 토우 또는 플라이의 인장 제어 부족을 갖는 스티칭된 건조 섬유 재료를 포함할 것이다. 또한, 복합체 부품의 코어에서 하중 지지 구조에서의 스티칭된 건조 섬유 재료를 사용하는 것은 하중 지지 구조의 수지 함량의 제어와 관련하여 어려움을 야기시키며, 특히 건조 섬유 재료의 두꺼운 스택과 관련하여, 코어 하중 지지 구조의 개개 수지 물질로의 전체 함침을 제공하는데 어렵고 시간 소비적이다. 불량한 함침, 즉 최종 하중 지지 구조에서의 건조 섬유의 구역은 복구될 수 있지만, 이러한 복구는 어렵고 고가이다. 마지막으로, 주입 시간은 또한, 건조 섬유 재료의 두꺼운 스택이 코어 로드 지지 구조에서 사용될 때 또한 길 것이다.
본 발명에 따르면, 단지 하나의 단계가 필수적이며, 이러한 단계는 외부 구조의 주입 및 경화와 내부 프리프레그 구조의 경화를 결합시킨 것이다. 코어 하중 지지 구조는 임의의 스티칭 없이 UD 프리프레그 물질의 스택으로 이루어지며, 비교적 강성이고 점착성의 프리프레그 물질에 의해 스택 내의 정렬 불량, 주름 및 접힘이 용이하게 방지되며 기계적 성질들이 유지될 수 있다. 물론, 또한 수지 제어가 용이한데, 왜냐하면 수지 물질이 코어 스택으로 균질한 분포로 들어가게 하는 것이 필수적이지 않고, 프리프레그에서 수지 물질이 이미 존재하고 균질하게 분포되어 있기 때문이다. 마지막으로, 본 발명의 방법은 보다 적은 수지가 요망되기 때문에, 주입 시간과 관련하여 더욱 빠르며, 이러한 수지는 또한 코어 하중 지지 구조가 아닌 어셈블리의 외부 구조에 주입되어야 한다.
도 3은 섬유-강화 복합 몰딩 어셈블리(100)의 생산 방법을 도시한 것이다. 몰딩 어셈블리는 외부 구조의 적어도 일부를 형성시키기 위해 몰드 표면(110) 상에 배치된 건조 섬유 강화 물질(102) 층들로 이루어진다. 제 2 수지 물질로 함침된 복수의 프리프레그 층(104)은 외부 구조 상에 위치된다. 프리프레그 층(104)은 외부 구조를 완성시키기 위하여 섬유 강화 물질(102)로 덮혀진다. 어셈블리 또는 빌드 업 또는 몰딩(100)은 프리프레그 층(104)의 일 측 상에 위치된 코어 물질(106)를 추가로 포함한다. 코어 물질(106)는 수지로 거의 침투 가능하고 재료(106)를 통해 수지를 흐르지 못하게 할 수 있다. 코어 물질(106)는 프리프레그의 일 측 상에 개구(108)을 포함한다. 코어 물질은 포움(예를 들어, Diab Europe에 의해 공급된 divinycell™) 또는 목재와 같은 임의의 적합한 재료에 의해 형성될 수 있다.
어셈블리(100)는 밀봉된 배기 챔버 내측에 진공 백(114) 형태로 위치된다. 몰딩 어셈블리(100)는 몰딩에 수지를 공급하기 위한 수지 공급 라인(116), 배기 또는 흡입 포인트(118, 120) 형태의 두 개의 수지 유동점, 및 수지의 흐름을 방해할 수 있는 테이프(112) 형태의 수지 흐름 방해물을 추가로 포함한다.
사용 시에, 감압이 어셈블리(100)에 적용된다. 이는 진공 백을 수축시켜 수지 흐름 방해를 야기시키는 외부 구조 상에 테이프(112)를 가압한다. 어셈블리(100)는 제 1 수지 유동점(118)을 활성화시킴으로써 유입된다. 이는 프리프레그 층(104) 위 및 프리프레그 층(104) 아래 둘 모두의 외부 구조에 수지가 주입되게 한다. 수지가 개구(108)을 통해 흐르는 것이 관찰될 때, 제 2 수지 유동점(120)은 또한 활성화되며, 이는 수지가 어셈블리(100)의 외부 구조에 전부 유입되게 한다. 이러한 단계에서, 제 1 수지 유동점(118)은 비활성화될 수 있다. 주입이 완료된 직후에, 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질은 동시에 경화된다. 이후에, 이는 프리프레그 물질 및 수지 주입된 섬유 재료 둘 모두를 포함하는 경화된 몰딩을 형성시킨다.
본원에 기술되는 바와 같은 몰딩 및 방법은 풍력 터빈 블레이드와 같은 블레이드, 특히 블레이드의 외부 표면 또는 쉘을 제작하기에 특히 적합하다. 다른 구체예에서, 이에 따라 본원에 기술된 바와 같은 방법에 의해 제작된 풍력 터빈 및 블레이드가 제공된다.

Claims (28)

  1. 외부 구조 및 내부 구조를 갖는 섬유-강화 복합 성형품(fibre-reinforced composite moulding)으로서, 외부 구조가 하나 이상의 섬유 강화 물질 층 및 제 1 수지 물질로부터 형성되며, 내부 구조가 제 2 수지 물질을 포함하는 수지 함침된 섬유 강화 물질 또는 프리프레그의 복수 층으로부터 형성되며, 성형품이 유동성 제 1 수지 물질을 성형품에 주입(infusion)하거나 사출(injection)시키고 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 경화시킴으로써 가공하도록 구성되고,
    주입 동안에, 제 1 수지 물질이, 내부 구조 위의 외부 구조에 완전히 주입되기 전에, 내부 구조 아래의 외부 구조에 주입되는, 섬유-강화 복합 성형품.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질이 동시에 경화되거나 부분 경화되는, 섬유-강화 복합 성형품.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 성형품이 하중 지지 코어 구조(load carrying core structure)를 포함하며, 코어 구조가 어셈블리에서 수지의 위치의 시각적 확인을 가능하게 하기 위한 개구(aperture)를 포함하는, 섬유-강화 복합 성형품.
  5. 제 4항에 있어서, 내부 구조가 코어 구조를 포함하는, 섬유-강화 복합 성형품.
  6. a) 몰드 표면 상에 하나 이상의 섬유 강화 물질 층을 배치시켜 외부 구조의 일부 또는 전부를 형성시키는 단계,
    b) 외부 구조의 일부 또는 전부 상에 제 2 수지 물질이 함침된 복수의 프리프레그 층을 배치시켜 내부 구조를 형성시키는 단계,
    c) 복수의 프리프레그 층을 하나 이상의 섬유 강화 물질 층으로 덮어서 외부 구조를 완성시키는 단계,
    d) 어셈블리를 형성하는 내부 구조 및 외부 구조의 어셈블리에 감압을 적용하는 단계,
    e) 감압 하에서, 유동성 제 1 수지 물질을 어셈블리에 주입하거나 사출시키는 단계, 및
    f) 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 경화시키는 단계를 포함하며,
    단계 e)가 제 1 주입 단계 및 후속의 제 2 주입 단계를 포함하며, 제 1 주입 단계에서, 프리프레그 층 위의 외부 구조에 완전히 주입되기 전에, 내부 구조 아래의 외부 구조에 주입되는, 섬유-강화 복합 성형품을 제조하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 제 1 수지 및 제 2 수지가 동시에 경화되거나 부분 경화되는 방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 단계 e)에서의 주입 또는 사출 이전에, 제 1 수지의 흐름을 조절하기 위해 어셈블리에 대해 흐름 방해물(flow restriction)을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 흐름 방해물이 탈착식(removable)인 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 단계 e)에서의 주입 또는 사출 이전에, 빌드 업(build up) 또는 어셈블리에 대해 제 1 수지 유동점(resin flow point) 및 제 2 수지 유동점을 제공하고 상기 수지 유동점들 사이에 수지 흐름 방해물을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 단계 e)에서, 제 2 수지 유동점이 비활성화되는 동안에, 제 1 수지 유동점이 활성화되어 어셈블리의 일부를 주입한 후에, 제 2 수지 유동점을 활성화시켜 전체 어셈블리를 주입하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 제 2 수지 유동점이 활성화될 때, 제 1 수지 유동점이 비활성화되는 방법.
  13. 제 10항에 있어서, 수지가 어셈블리에서 요망되는 위치에 도달 시에, 수지 유동점이 활성화거나 비활성화되는 방법.
  14. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 어셈블리가 하중 지지 코어 구조를 포함하며, 코어 구조가 어셈블리에서 수지 위치의 시각적 확인을 가능하게 하기 위해 개구를 포함하는 방법.
  15. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 내부 구조가 하중 지지 코어 구조 또는 코어 물질을 포함하며, 코어 물질이 수지 물질에 불침투성인 방법.
  16. 외부 구조 및 내부 구조를 갖는 섬유-강화 복합 성형품으로서, 외부 구조는 하나 이상의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 1 수지 물질로부터 형성되며, 내부 구조는 복수의 섬유 강화 물질 층 및 경화된 제 2 수지 물질로부터 형성되며, 비경화된 제 1 수지 물질의 점도는 비경화된 제 2 수지 물질의 점도 보다 낮으며, 복합 성형품에서, 두 개의 경화된 수지 물질은 서로 일부 또는 전부 혼합되고,
    외부 구조가 층간 유동 매질(interlaminar flow medium)을 추가로 포함하고,
    성형품이 유동성 제 1 수지 물질을 성형품에 주입시키고 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 경화시킴으로써 가공하도록 구성되고,
    주입 동안에, 제 1 수지 물질이, 내부 구조 위의 외부 구조에 완전히 주입되기 전에, 내부 구조 아래의 외부 구조에 주입됨을 특징으로 하는, 섬유-강화 복합 성형품.
  17. 삭제
  18. 제 16항에 있어서, 25℃ 측정하는 경우, 비경화된 제 1 수지 물질의 점도가 0.14 내지 0.4 Pa·s이며, 비경화된 제 2 수지 물질의 점도가 0.7·104 내지 8·105Pa·s인 것을 특징으로 하는, 섬유-강화 복합 성형품.
  19. 제 16항에 있어서, 외부 구조가 하나 이상의 스티칭되거나(stitched) 접합된(bonded) 섬유 강화 물질 층을 포함함을 특징으로 하는, 섬유-강화 복합 성형품.
  20. 제 16항에 있어서, 내부 구조가 프리프레그로부터 제조된 비스티칭되거나(unstitched), 비접합되거나(unbonded), 비직조된(nonwoven) 섬유 강화 물질 층으로 구성됨을 특징으로 하는 섬유-강화 복합 성형품.
  21. ● 몰드 표면 상에 하나 이상의 섬유 강화 물질 층을 배치시켜 외부 구조의 일부 또는 전부를 형성시키는 단계,
    ● 외부 구조의 일부 또는 전부 상에 제 2 수지 물질이 함침된 복수의 프리프레그 층을 배치시켜 내부 구조를 형성시키는 단계,
    ● 복수의 프리프레그 층을 하나 이상의 섬유 강화 물질 층으로 덮어서 외부 구조를 완성시키는 단계,
    ● 어셈블리에 감압을 적용하는 단계,
    ● 감압 하에서 유동성 제 1 수지 물질을 빌드 업에 주입하는 단계로서, 제 1 주입 단계 및 후속의 제 2 주입 단계를 포함하며, 제 1 주입 단계에서, 프리프레그 층 위의 외부 구조에 완전히 주입되기 전에, 내부 구조 아래의 외부 구조에 주입되는 단계, 및
    ● 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질을 동시에 경화시키는 단계를 포함하는, 제 16항에 따른 섬유-강화 복합 성형품을 제조하는 방법으로서, 외부 구조의 빌드 업 동안에 층간 유동 매질이 외부 구조에 적용되는 방법.
  22. 삭제
  23. 제 21항에 있어서, 내부 구조 옆에 하중 지지 코어 구조를 적용하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서, 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질이 70℃ 내지 140℃의 온도에서 100 내지 600분의 시간 동안 동시에 경화됨을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질이 80℃ 내지 100℃의 온도에서 120 내지 480분의 시간 동안 동시에 경화됨을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 21항에 있어서, 외부 구조의 함침을 위해 요구되는 제 1 수지 물질의 80%가 120분 미만의 시간 내에 주입됨을 특징으로 하는 방법.
  27. 삭제
  28. 제 1항 또는 제 2항에 따른 성형품을 포함하는 풍력 터빈 블레이드.
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