KR102012140B1 - 복합 재료의 제조 방법 및 복합 재료의 제조 장치 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

캐비티 내에 있어서 수지의 유동을 제어함으로써 성형 시간의 단시간화를 도모함과 함께, 설비 투자비의 삭감을 도모할 수 있는 복합 재료의 제조 방법, 복합 재료의 제조 장치, 복합 재료용 프리폼 및 복합 재료를 제공한다. 복합 재료(400)의 제조 방법은, 강화 기재(510)와 강화 기재에 함침된 수지(600)를 구비하는 복합 재료의 제조 방법이며, 제1 영역(501)과 제2 영역(502)을 구비하는 시트형의 강화 기재에, 제1 영역보다 제2 영역의 접착제의 함유 밀도가 낮아지도록 접착제(520)를 부여하는 부여 공정과, 강화 기재를 예비 성형하여 프리폼(500)을 형성하는 예비 성형 공정과, 프리폼에 수지(600)를 함침시켜 복합 재료(400)를 성형하는 공정을 갖는다. 캐비티(350) 중 강화 기재의 제2 영역이 배치된 부분을 강화 기재의 제1 영역이 배치된 부분에 비하여, 캐비티 내에 주입한 수지가 흐르기 쉽게 한다.

Description

복합 재료의 제조 방법 및 복합 재료의 제조 장치
본 발명은 복합 재료의 제조 방법 및 복합 재료의 제조 장치에 관한 것이다.
근년, 자동차의 차체 경량화를 위해 강화 기재에 수지를 함침시킨 복합 재료가 자동차 부품으로서 사용되고 있다. 복합 재료의 제조 방법으로서, 양산화에 적합한 RTM(Resin Transfer Molding) 성형법이 주목받고 있다.
RTM 성형법에 있어서는, 우선, 강화 기재를 적층하여 미리 소정의 형상으로 예비 성형한 프리폼을 성형 형 내의 캐비티에 배치한다. 형을 폐쇄 클램핑한 후, 주입구로부터 캐비티 내로 수지를 주입하고, 강화 기재에 수지를 함침시킨다. 그리고, 캐비티 내에 주입한 수지를 경화시킴으로써 복합 재료를 완성시킨다. 수지를 한창 주입하고 있는 동안에는, 캐비티 내의 압력의 증가에 의한 성형 형의 의도하지 않은 형 개방이 발생하지 않도록, 소정의 프레스기를 사용하여 클램핑 압력을 부여하고 있다(특허문헌 1을 참조).
일본 특허 공개 제2005-193587호 공보
상기와 같은 복합 재료의 성형 방법에 있어서, 캐비티 내로 주입한 수지는, 캐비티 내를 넓히면서 유동하여, 캐비티에 배치된 프리폼에 있어서 주입구 부근 등의 수지가 유동하기 쉬운 영역에서부터 프리폼의 주연부 등의 수지가 유동하기 어려운 영역까지 이동한다. 주입한 수지는, 캐비티 내를 유동하는 과정에서 강화 기재의 내부를 함침하면서 통과하기 때문에, 수지가 유동하기 어려운 영역에 수지를 도달시키기 위해서는, 주입에 장시간을 요해 버려, 성형 시간을 장기화시켜 버린다. 이 때문에, 단시간에 의해 수지를 주입시키기 위해서는, 주입 압력을 고압으로 설정하지 않을 수 없기 때문에, 보다 큰 클램핑 압력을 부여하는 것이 가능한 대형 프레스기를 사용해야 한다. 또한, 수지를 주입하기 위한 설비에 대해서도 고압 주입이 가능한 고성능의 것이 필요하게 되므로, 고압 주입용 설비를 사용함에 따른 설비 투자비의 증가도 문제가 되고 있다.
그래서, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 캐비티 내에 있어서 수지의 유동을 제어함으로써 성형 시간의 단시간화를 도모함과 함께, 설비 투자비의 삭감을 도모할 수 있는 복합 재료의 제조 방법 및 복합 재료의 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 관한 복합 재료의 제조 방법은, 강화 기재와, 상기 강화 기재에 함침된 수지를 구비하는 복합 재료의 제조 방법이다. 제1 영역과 제2 영역을 구비하는 시트형의 상기 강화 기재에, 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역의 접착제의 함유 밀도가 낮아지도록 상기 접착제를 부여하고, 상기 강화 기재를 예비 성형하여 프리폼을 형성하고, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 성형 형의 주입구의 근처에 배치되도록, 상기 성형 형 내의 캐비티에 상기 프리폼을 배치하고, 상기 성형 형의 상기 주입구로부터 상기 캐비티 내로 상기 수지를 주입하고, 상기 프리폼에 상기 수지를 함침시켜 상기 복합 재료를 성형한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 관한 복합 재료의 제조 장치는, 제1 영역과 제2 영역을 구비하는 시트형의 강화 기재에 접착제를 부여하는 부여부와, 상기 강화 기재를 예비 성형하여 프리폼을 형성하는 예비 성형 형과, 상기 프리폼이 배치되는 캐비티를 형성하고, 상기 캐비티 내에 수지를 주입하는 주입구를 구비하는 성형 형과, 상기 부여부 및 상기 예비 성형 형의 작동을 제어하는 제어부를 갖는다. 상기 제어부는, 상기 부여부의 작동을 제어하여, 상기 강화 기재의 상기 제1 영역보다 상기 강화 기재의 상기 제2 영역의 상기 접착제의 함유 밀도가 낮고, 또한 상기 성형 형의 상기 캐비티 내에 상기 프리폼을 배치한 상태에서, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 상기 성형 형의 상기 주입구의 근처에 배치되도록 상기 접착제를 부여한다.
삭제
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 복합 재료의 제조 장치 및 제조 방법의 전체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼을 성형하는 예비 성형 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 2의 (A)는 부여부의 개관 사시도이고, 도 2의 (B)는 히터의 개관 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼을 성형하는 예비 성형 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 3의 (A)는 절단부의 개관 사시도이고, 도 3의 (B)는 예비 성형 형의 개관 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼을 사용하여 복합 재료를 성형하는 성형 장치의 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼을 성형 형에 배치하여 수지를 주입한 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 원리를 설명하는 개념도이며, 강화 기재의 적층체의 층간을 수지가 유동하는 모습을 측면 방향에서 본 도면이며, 도 6의 (A)는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼의 상태를 도시하는 도면이고, 도 6의 (B)는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼에 수지를 주입한 상태를 도시하는 도면이고, 도 6의 (C)는, 대비예에 관한 프리폼에 수지를 주입한 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 원리를 설명하는 개념도이며, 강화 기재를 배치한 성형 형 내를 수지가 유동하는 모습을 상면 방향에서 본 도면이며, 도 7의 (A)는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼에 수지를 주입한 상태를 도시하는 도면이고, 도 7의 (B)는, 대비예에 관한 프리폼에 수지를 주입한 상태를 도시하는 도면이다.
도 8은, 수지의 유동에 의한 강화 기재의 배향의 흐트러짐 상태의 평가 결과를 나타내기 위한 사진이며, 도 8의 (A)는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼에 수지를 흘린 상태, 도 8의 (B)는, 대비예에 관한 프리폼에 수지를 흘린 상태를 도시하고 있다.
도 9는, 실시 형태에 관한 복합 재료의 제조 방법을 실시하였을 때의 캐비티 내의 압력의 시간 추이를 도시하는 도면이다.
도 10은, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼의 성형 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 11은, 본 발명의 실시 형태에 관한 복합 재료의 성형 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 12는, 본 발명의 실시 형태에 관한 복합 재료의 제조 방법을 적용하여 제조한 자동차 부품을 도시하는 도면이며, 도 12의 (A)는 복합 재료를 사용한 각종 자동차 부품을 도시하는 도면이고, 도 12의 (B)는 자동차 부품을 접합하여 형성한 차체를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 이하의 설명은 특허청구범위에 기재되는 기술적 범위나 용어의 의의를 한정하는 것은 아니다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 편의상 과장되어 있고, 실제의 비율과는 상이한 경우가 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 복합 재료(400)의 제조 장치(100) 및 제조 방법의 전체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼(500)(복합 재료용 프리폼에 상당)을 성형하는 예비 성형 장치(200)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼(500)을 사용하여 복합 재료(400)를 성형하는 성형 장치(300)의 개략도이다. 도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼(500)을 성형 형(310)에 배치하여 수지(600)를 주입한 모습을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 6 및 도 7은, 본 발명의 원리를 설명하는 개념도이다. 도 8은, 수지(600)의 유동에 의한 강화 기재(510)의 배향의 흐트러짐 상태의 평가 결과를 나타내기 위한 사진이다. 도 9는, 실시 형태에 관한 복합 재료(400)의 제조 방법을 실시하였을 때의 캐비티(350) 내의 압력의 시간 추이를 도시하는 도면이다. 도 10은, 본 발명의 실시 형태에 관한 프리폼(500)의 성형 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 11은, 본 발명의 실시 형태에 관한 복합 재료(400)의 성형 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 12는, 본 발명의 실시 형태에 관한 복합 재료(400)를 사용한 자동차 부품(701 내지 703) 및 차체(700)를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 2 및 도 3의 (A) 중의 화살표는, 반송부(210)에 의한 강화 기재(510)의 반송 방향(하류 공정을 향하는 방향)을 나타내고 있다. 또한, 도 3의 (B) 중의 화살표는, 강화 기재(510)를 예비 성형할 때의 성형 방향을 나타내고 있다. 또한, 도 5 및 도 6 중의 화살표는, 수지(600)의 유동 방향을 나타내고 있다.
이하, 각 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
(프리폼)
본 실시 형태에 관한 프리폼(500)은, 강화 기재(510)에 접착제(520)를 함침시켜 형성된다.
강화 기재(510)는, 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유, 유기 섬유 등에 의해 형성할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 강화 기재(510)로서 탄소 섬유를 사용한 예를 설명한다. 탄소 섬유(510)는, 열팽창 계수가 작고, 치수 안정성이 우수하고, 고온 하에 있어서도 기계적 특성의 저하가 적다고 하는 특징이 있기 때문에, 자동차의 차체(700) 등의 복합 재료(400)의 강화 기재(510)로서 적합하게 사용할 수 있다. 탄소 섬유(510)는, 예를 들어 섬유가 일방향으로 정렬된 UD(일방향)재나 섬유가 일방향으로 정렬된 복수의 시트를 각각 상이한 방향으로 겹쳐 보조 섬유로 일체화한 소위 NCF(논 크림프 패브릭)재 등의 시트형의 강화 기재(510)를 사용할 수 있다. 적층 구성은, 성형품인 복합 재료(400)에 요구되는 재료 특성에 따라 다르지만, 일반적으로 복수의 배향 각도를 구비하도록 적층한다. 본 실시 형태에서는, 섬유 배향이 ±45°방향인 NCF재, 90°방향인 UD재, 0°방향인 UD재의 3종류를 적층하는 적층 구성으로 한다.
접착제(520)는, 탄소 섬유(510)에 부여되어, 탄소 섬유(510)끼리를 접착한다. 이에 의해, 탄소 섬유(510)를 시트형의 형태로 안정되게 유지시킬 수 있고, 탄소 섬유(510)의 배치의 변동을 억제할 수 있다. 또한, 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)(도 3의 (B)를 참조)를 원하는 형상으로 부형하였을 때, 그 형태를 유지하는 역할을 한다. 접착제(520)는, 도 6의 (A) 및 도 7의 (A)에 도시하는 바와 같이, 접착제(520)의 함유 밀도가 높은 제1 영역(501)과, 제1 영역(501)보다 접착제(520)의 함유 밀도가 낮은 제2 영역(502)을 형성하도록 탄소 섬유(510)에 부여된다. 제1 영역(501)에서는, 제2 영역(502)에 비하여, 접착제(520)의 함유 밀도가 높기 때문에, 탄소 섬유(510) 사이를 흐르는 수지(600)의 유동이 접착제(520)에 의해 가두어진다. 이 때문에, 제2 영역(502)은, 제1 영역(501)에 비하여 수지(600)의 유동 저항이 낮아진다. 이와 같이, 접착제(520)를 부여하는 부분을 제어하고, 함유 밀도 분포를 조정함으로써, 수지(600)의 유동 저항을 제어할 수 있다.
접착제(520)를 구성하는 재료는, 열에 의해 연화하는 재료이면 특별히 한정되지 않고, 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리올레핀 수지, 스티렌계 수지, 나일론 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열가소성 수지, 또한 예를 들어 저분자량 에폭시 수지 등의 열경화성 수지 등을 들 수 있다. 본 실시 형태에서는, 후술하는 복합 재료(400)에 사용하는 수지와 동일한 에폭시 수지이며, 용융 점도가 낮기 때문에 유동성이 높고, 내열성, 내습성이 우수한 저분자량 에폭시 수지를 사용한다. 저분자량 에폭시 수지는, 경화 전에 있어서 탄소 섬유(510)에 함침할 수 있을 정도의 낮은 점도를 구비하는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 공지의 저분자량 에폭시 수지를 사용할 수 있다.
(복합 재료)
본 실시 형태에 관한 복합 재료(400)는, 탄소 섬유(510)가 미리 소정의 형상으로 예비 성형된 프리폼(500)에 수지(600)를 함침시켜 경화시킴으로써 제조된다.
복합 재료(400)는, 탄소 섬유(510)와 수지(600)가 조합됨으로써, 수지(600) 단체로 구성되는 성형품에 비하여 높은 강도 및 강성을 구비한 것이 된다. 또한, 도 12에 도시하는 바와 같은 자동차의 차체(700)(도 12의 (B)를 참조)에 사용되는 프론트 사이드 멤버(701)나 필러(702) 등의 골격 부품, 루프(703) 등의 외판 부품에 복합 재료(400)를 적용함으로써, 철강 재료로 이루어지는 부품을 조립하여 구성한 차체와 비교하여, 차체(700)의 경량화를 도모할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 복합 재료(400)는, 프리폼(500)에 수지(600)를 함침시킴으로써 형성된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 강성 향상을 위해 복합 재료(400)의 내부에, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같은 코어재(530)가 삽입되어 있다.
수지(600)는, 열경화성 수지인 에폭시 수지, 페놀 수지 등이 사용된다. 본 실시 형태에 있어서는, 기계적 특성, 치수 안정성이 우수한 에폭시 수지를 사용한다. 에폭시 수지는 2액 타입이 주류이며, 주제 및 경화제를 혼합하여 사용한다. 주제는 비스페놀 A형의 에폭시 수지, 경화제는 아민계의 것이 일반적으로 사용되지만, 특별히 이것에 한정되는 것은 아니며, 원하는 재료 특성에 맞추어 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 수지(600)에는, 복합 재료(400)를 성형한 후의 탈형을 용이하게 행할 수 있도록, 내부 이형제를 포함시키고 있다. 내부 이형제의 종류는, 특별히 한정되지 않고, 공지의 것을 사용할 수 있다.
코어재(530)는, 탄소 섬유(510)에 피복된 상태로, 탄소 섬유(510)에 수지(600)를 함침시킴으로써 복합 재료(400)의 내부에 형성된다. 코어재(530)를 구성하는 재료는, 특별히 한정되지 않지만, 경량화의 관점에서 발포체(폼 코어)가 바람직하게 사용된다. 예를 들어 폴리우레탄, 염화비닐, 폴리올레핀, 아크릴계 수지, 폴리이미드계 수지(PMI(폴리메타크릴이미드), PEI(폴리에테르이미드)) 등을 포함하는 발포체가 적절하게 사용된다.
(제조 장치)
도 1 내지 도 4를 참조하여, 복합 재료(400)의 제조 장치(100)에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에 관한 복합 재료(400)의 제조 장치(100)는, 크게 나누어, 도 1의 상단 및 중간단에 도시하는 프리폼(500)을 성형하는 예비 성형 장치(200)와, 도 1의 하단에 도시하는 프리폼(500)을 사용하여 복합 재료(400)를 성형하는 성형 장치(300)로 구성된다. 또한, 복합 재료(400)의 제조 장치(100)는, 제조 장치(100) 전체의 동작을 제어하는 제어부(110)를 갖는다.
우선, 프리폼(500)을 성형하는 예비 성형 장치(200)에 대하여 설명한다.
예비 성형 장치(200)는, 개략적으로 설명하면, 도 1의 상단에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510)를 연속적으로 반송하는 반송부(210)와, 탄소 섬유(510)에 접착제(520)를 부여하는 부여부(220)와, 접착제(520)가 부여된 탄소 섬유(510)를 가열하는 히터(230)와, 탄소 섬유(510)를 절단하는 절단부(240)와, 탄소 섬유(510)를 예비 성형하는 예비 성형 형(260)을 갖는다.
반송부(210)는, 도 1의 상단에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510)가 권회되어 이루어지는 기재 롤(510a)로부터 공급된 탄소 섬유(510)를 연속적으로 하류 공정인 부여부(220), 히터(230) 및 절단부(240)로 반송한다. 반송부(210)는, 벨트 컨베이어에 의해 구성되어 있다. 부여부(220), 히터(230) 및 절단부(240)는, 벨트 컨베이어의 반송 경로에 맞추어 설치되어, 연속해서 작업을 행할 수 있도록 구성되어 있다.
부여부(220)는, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 반송부(210)의 평면 방향으로 이동 가능하게 구성되고, 반송부(210)의 상류로부터 반송된 탄소 섬유(510)에 접착제(520)를 부여한다. 접착제(520)의 부여량은, 사용하는 접착제(520)의 종류, 물성에 따라 다르지만, 예를 들어 10 내지 100g/㎥로 할 수 있다. 부여부(220)는, 예를 들어 분말상(고형)의 접착제(520)를 사용하여 스크린 인쇄 방식, 액상의 접착제(520)를 사용하여 잉크젯 방식, 접착제(520)를 부직포에 가공하여 탄소 섬유(510) 상에 적층하는 방식 등에 의해 구성할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 양산성이 높고, 부여 정밀도가 높은 잉크젯 방식을 사용한다. 잉크젯 방식은, 접착제(520)를 미적화하여, 탄소 섬유(510)에 대하여 직접 분사하는 방식이며, 부여하는 부위에 따라 접착제(520)의 부여량을 조정할 수 있다.
히터(230)는, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 부여부(220)에 의해 접착제(520)를 부여한 탄소 섬유(510)를 가열한다. 가열 온도는, 사용하는 접착제(520)의 용융 온도에 따라 다르지만, 예를 들어 70℃ 내지 150℃로 한다. 이에 의해, 접착제(520)를 연화 또는 용융시켜, 탄소 섬유(510)에 함침시킬 수 있다. 접착제(520)를 함침시킨 결과, 탄소 섬유(510)의 단위 면적당 접착제(520)의 함유량, 즉 함유 밀도가 정해진다. 접착제(520)의 함유 밀도는, 복합 재료(400)의 형상이나, 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)의 두께에 따라 다르지만, 예를 들어 함유 밀도가 높은 부분에서는 80g/㎥, 함유 밀도가 낮은 부분에서는 10g/㎥로 할 수 있다.
히터(230)는, 특별히 한정되지 않지만, 순간적 또한 균등하게 탄소 섬유(510)를 가열 가능한 것으로 구성되어 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 연속로 또는 고주파 코일, 원적외선 히터, 열풍기 등의 가열 히터를 사용할 수 있다.
절단부(240)는, 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이, 접착제(520)가 함침된 탄소 섬유(510)를 미리 결정된 절단선 L을 따라 절단한다. 절단부(240)는, 예를 들어 초음파 커트, 레이저 커트, 둥근톱 커트, 프레스 커트, 가위 커트 등 여러 가지 절단 기구를 사용할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 비교적 단시간에 의해 정확하게 절단할 수 있는 초음파 커트를 사용한다.
예비 성형 형(260)은, 탄소 섬유(510)를 정해진 입체 형상으로 예비 성형한다. 도 1의 중간단에 도시하는 바와 같이, 프리폼(500)의 대상으로 되는 탄소 섬유(510)가 배치되는 하형(261)과, 하형(261)에 대하여 접근 이반 이동 가능한 상형(262)을 갖고 있다. 상형(262)의 하형(261)에 대향하는 면에는, 탄소 섬유(510)의 프리폼(500)의 형상에 합치하는 형상에 따른 성형면이 형성되어 있다. 탄소 섬유(510)를 하형(261)에 배치한 상태에서 상형(262)을 하형(261)에 접근 이동시켜, 탄소 섬유(510)에 대하여 가압력을 부여함으로써, 탄소 섬유(510)를 프리폼(500)으로 성형하는 것이 가능하게 되어 있다.
이어서, 프리폼(500)을 사용하여 복합 재료(400)를 성형하는 성형 장치(300)에 대하여 설명한다.
도 4를 참조하여, 본 실시 형태에 관한 성형 장치(300)는, 개략적으로 설명하면, 프리폼(500)이 배치되는 캐비티(350)를 형성하는 개폐 가능한 성형 형(310)과, 성형 형(310)에 클램핑 압력을 부하하는 프레스부(320)와, 캐비티(350) 내에 용융된 수지(600)를 주입하는 수지 주입부(330)와, 성형 형(310)의 온도를 조정하는 성형 형 온도 조정부(340)를 갖는다.
성형 형(310)은, 개폐 가능한 한 쌍의 상형(311)(수형)과 하형(312)(암형)을 갖는다. 상형(311)과 하형(312)의 사이에, 밀폐 가능한 캐비티(350)를 형성한다. 프리폼(500)은, 캐비티(350) 내에 배치한다.
성형 형(310)은, 캐비티(350) 내에 수지(600)를 주입하는 주입구(313)를 더 갖는다. 주입구(313)는, 캐비티(350) 및 수지 주입부(330)에 연통된다. 성형 형(310)의 캐비티(350)에 대향하는 면은, 도 6의 (A)에 도시하는 바와 같이 주입구(313)측의 제1 벽면(310a)과, 주입구(313)와 대향하는 측의 제2 벽면(310b)을 구비한다. 제2 벽면(310b)은, 성형 형(310)의 캐비티(350)에 대향하는 면에 있어서 주입구(313)로부터 가장 이격된 장소에 배치되는 면이다.
본 실시 형태에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 주입구(313)는, 캐비티(350) 내에 배치된 프리폼(500)의 측부에 위치하기 때문에, 당해 측부(도 4 중의 좌측)에 위치하는 면이 제1 벽면(310a)이고, 당해 측부와 반대측에 위치하는 프리폼(500)의 단부(도 4 중의 우측)에 위치하는 면이 제2 벽면(310b)이다. 또한, 주입구(313)는, 성형 형(310)의 상방부에 형성해도 된다. 이 경우, 수지(600)는, 프리폼(500)의 상방부로부터 하방부로 함침된다. 또한, 하형(312)에, 캐비티(350) 내를 진공화하여 공기를 흡인하는 흡인구를 형성해도 된다. 또한, 캐비티(350) 내를 밀폐 상태로 하기 위해, 상형(311)과 하형(312)의 맞춤면에 시일 부재 등을 설치해도 된다.
프레스부(320)는, 예를 들어 유압 등의 유체압을 사용한 실린더(321)를 구비하고, 유압 등을 제어함으로써 클램핑 압력을 조정 가능한 프레스기에 의해 구성할 수 있다.
수지 주입부(330)는, 주제 탱크(331)로부터 공급되는 주제와, 경화제 탱크(332)로부터 공급되는 경화제를 순환시키면서, 성형 형(310)으로 공급 가능한 공지의 순환식 펌프 기구에 의해 구성할 수 있다. 수지 주입부(330)는, 주입구(313)에 연통되어 캐비티(350) 내에 수지(600)를 주입한다.
성형 형 온도 조정부(340)는, 수지(600) 주입의 초기 단계에 있어서, 캐비티(350) 내의 온도가 접착제(520)의 용융 온도 이하로 되도록 성형 형(310)의 온도를 조정한다. 프리폼(500)을 캐비티(350) 내에 배치한 후, 서서히 수지(600)의 경화 온도까지 가열하여, 캐비티(350) 내에 주입된 수지(600)를 경화시킨다. 성형 형 온도 조정부(340)에는, 가열을 행하기 위한 장치로서, 예를 들어 성형 형(310)을 직접적으로 가열하는 전기 히터나, 기름 등의 열매체를 순환시킴으로써 온도 조정을 행하는 온도 조정 기구 등을 구비시킬 수 있다.
제어부(110)는, 제조 장치(100) 전체의 동작을 제어한다. 구체적으로는, 도 4를 참조하여, 제어부(110)는, 기억부(111)와, 연산부(112)와, 각종 데이터나 제어 명령의 송수신을 행하는 입출력부(113)를 갖는다. 입출력부(113)는, 부여부(220), 히터(230), 절단부(240), 예비 성형 형(260), 프레스부(320), 수지 주입부(330), 성형 형 온도 조정부(340)에 전기적으로 접속되어 있다.
기억부(111)는, ROM이나 RAM으로 구성하고, 접착제(520)의 부여량, 제1 영역(501) 및 제2 영역(502)의 분포, 성형할 프리폼(500) 및 복합 재료(400)의 형상 등의 데이터를 기억한다. 연산부(112)는, CPU를 주체로 하여 구성되고, 입출력부(113)를 통하여 반송부(210)에 의한 탄소 섬유(510)의 이송 속도 등의 데이터를 수신한다. 연산부(112)는, 기억부(111)로부터 판독한 데이터 및 입출력부(113)로부터 수신한 데이터에 기초하여, 접착제(520)의 부여 타이밍이나 부여량, 성형 형 온도 조정부(340)에 의한 성형 형(310)의 가열 온도 등을 산출한다. 산출한 데이터에 기초하는 제어 신호는, 입출력부(113)를 통하여 부여부(220), 히터(230), 절단부(240), 예비 성형 형(260), 프레스부(320), 수지 주입부(330), 성형 형 온도 조정부(340)로 송신한다. 이와 같이 하여, 제어부(110)는, 접착제(520)의 부여량 및 부여 위치, 예비 성형 형(260)의 작동, 성형 형(310)의 클램핑 압력, 수지(600)의 주입량, 성형 형(310)의 온도 등을 제어한다.
(제조 방법)
실시 형태에 관한 복합 재료(400)의 제조 방법을 설명한다.
복합 재료(400)의 제조 방법은, 도 10에 도시하는 프리폼(500)을 성형하는 공정 및 도 11에 도시하는 프리폼(500)을 사용하여 복합 재료(400)를 성형하는 공정의 크게 나누어 2개의 공정으로 구성된다.
우선, 프리폼(500)을 성형하는 공정에 대하여 설명한다.
프리폼(500)을 성형하는 공정은, 도 10에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510) 소재를 공급하는 공급 공정(스텝 S11)과, 제1 영역(501)과 제2 영역(502)을 구비하는 시트형의 탄소 섬유(510)에, 제1 영역(501)보다 제2 영역(502)의 접착제(520)의 함유 밀도가 낮아지도록 접착제(520)를 부여하는 부여 공정(스텝 S12)과, 탄소 섬유(510)를 가열하는 가열 공정(스텝 S13)과, 탄소 섬유(510)를 절단하는 절단 공정(스텝 S14)과, 적층체(510b)를 형성하는 적층 공정(스텝 S15)과, 적층체(510b)를 반송하는 반송 공정(스텝 S16)과, 탄소 섬유(510)를 예비 성형하여 프리폼(500)을 형성하는 예비 성형 공정(스텝 S17)과, 성형한 프리폼(500)을 예비 성형 형(260)으로부터 탈형하는 공정(스텝 S18)을 갖는다.
각 공정에 대하여 설명한다.
우선, 스텝 S11로서, 도 1의 상단에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510)가 권회되어 이루어지는 기재 롤(510a)로부터 탄소 섬유(510)를 인출하고, 연속적으로 탄소 섬유(510)를 반송부(210)에 공급한다.
이어서, 스텝 S12로서, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 반송부(210)에 의해 연속적으로 송출되는 탄소 섬유(510)에 대하여, 부여부(220)에 의해 접착제(520)를 부여한다. 이때, 미리 정한 함유 밀도 분포에 따라, 부여하는 양을 조정한다. 즉 탄소 섬유(510)의 제2 영역(502)은, 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501)에 비하여 접착제(520) 함유 밀도가 낮아지도록 접착제(520)를 부여한다.
이어서, 스텝 S13으로서, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510)를 히터(230)에 의해 가열하고, 부여한 접착제(520)를 연화 또는 용융시켜, 탄소 섬유(510)의 층간에 접착제(520)를 함침시킨다. 접착제(520)를 함침시킴으로써, 탄소 섬유(510)에 접착제(520)의 함유 밀도 분포가 형성된다.
이어서, 스텝 S14로서, 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이, 접착제(520)가 용융된 상태에서 탄소 섬유(510)를 절단선 L을 따라 절단한다. 절단선 L은, 성형품인 복합 재료(400)의 전개 형상을 미리 설정하고, 당해 전개 형상에 따라 결정한다.
이어서, 스텝 S15로서, 도 1의 중간단의 적층 공정에 도시하는 바와 같이, 반송 로봇(250)에 의해 절단한 탄소 섬유(510)를 소정 매수 적층한다. 본 실시 형태에 있어서는, 적층 배향이 상이한 탄소 섬유(510)를 적층하여, 소정의 적층 구성으로 한다. 구체적으로는, 섬유 배향이 ±45°방향인 NCF재, 90°방향인 UD재, 0°방향인 UD재의 3종류를 사용한다. 이 때문에, 공급 공정, 부여 공정, 가열 공정 및 절단 공정은 각각 상이한 제조 라인의 레인에 있어서 행하고, 각 배향 각도별로 절단된 탄소 섬유(510)를, 소정의 배향 순서에 따라 적층하여 적층체(510b)를 형성한다.
이어서, 스텝 S16으로서, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같이, 적층체(510b)를 예비 성형 형(260)의 하형(261)까지 반송하여 배치한다. 이때, 접착제(520)에 의해 탄소 섬유(510)의 층간이 접착되어 있으므로 반송 시의 탄소 섬유(510)의 변동을 억제할 수 있다. 반송 중의 온도는, 예를 들어 50 내지 70℃까지 탄소 섬유(510)의 온도가 저하되도록 관리하는 것이 바람직하다. 이와 같이 관리함으로써, 탄소 섬유(510)를 예비 성형 형(260)까지 반송하였을 때, 접착제(520)를 반경화 상태 또는 경화 상태로 할 수 있다. 이에 의해, 예비 성형 시에 접착제(520)를 단시간에 의해 경화시킬 수 있기 때문에, 예비 성형에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.
이어서, 스텝 S17로서, 도 3의 (B)에 화살표로 나타내는 바와 같이, 예비 성형 형(260)의 하형(261)에 배치된 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)를 예비 성형하여 프리폼(500)을 성형한다. 이때, 탄소 섬유(510)에 의해 피복되도록 코어재(530)를 배치한다. 상형(262)은, 도 1의 중간단의 예비 성형 공정에 도시하는 바와 같이, 복수의 분할된 형에 의해 구성해도 되고, 분할되어 있지 않은 하나의 형으로 이루어지는 상형을 사용해도 된다. 예비 성형 형(260)은, 예를 들어 20 내지 40℃로 냉각해 두는 것이 바람직하다. 이에 의해, 형 폐쇄와 동시에 접착제(520)의 냉각이 행해지고, 접착제(520)가 경화되어 예비 성형이 완료된다.
이어서, 스텝 S18로서, 예비 성형 형(260)을 개방하여, 프리폼(500)을 탈형하면, 프리폼(500)의 성형이 완료된다.
이어서, 프리폼(500)을 사용하여 복합 재료(400)를 성형하는 공정에 대하여 설명한다.
복합 재료(400)를 성형하는 공정은, 도 11에 도시하는 바와 같이, 프리폼(500)을 성형 형(310)의 캐비티(350)에 배치하는 공정(스텝 S21)과, 캐비티(350) 내에 수지(600)를 주입하는 공정(스텝 S22)과, 수지(600)를 경화시키는 공정(스텝 S23)과, 성형한 복합 재료(400)를 성형 형(310)으로부터 탈형하는 공정(스텝 S24)을 갖는다.
각 공정에 대하여 설명한다.
우선, 스텝 S21로서, 프리폼(500)을 성형 형(310)의 캐비티(350)에 배치한다(도 4를 참조). 이때, 캐비티(350) 내의 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351)에 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501)을 배치하고, 캐비티(350) 내의 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 탄소 섬유(510)의 제2 영역(502)을 배치한다. 성형 형(310)의 온도는, 캐비티(350) 내의 온도가 접착제(520)의 용융 온도 이하로 되도록 성형 형 온도 조정부(340)에 의해 조정한다. 또한, 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351) 및 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)은, 복합 재료(400)의 형상 등에 기초하여 시뮬레이션에 의해 미리 구해 둔다.
수지(600)의 유동 용이성은, 도 6의 (C)에 도시하는 바와 같이 캐비티(350)에 배치된 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)를 포함하는 프리폼(500)을 측면 방향에서 보았을 때, 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)의 적층 방향으로 변화한다. 구체적으로는, 성형 형(310)의 주입구(313)측의 제1 벽면(310a)에 가까운 부분은, 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351)이고, 주입구(313)와 대향하는 측의 제2 벽면(310b)에 가까운 부분은, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)이다. 즉, 주입구(313)에 가까운 제1 벽면(310a)으로부터 주입구(313)로부터 먼 제2 벽면(310b)을 향하여, 수지(600)의 유동 용이성은 저하된다. 따라서, 도 6의 (A)에 도시하는 바와 같이, 주입구(313)측의 제1 벽면(310a)으로부터 주입구(313)와 대향하는 측의 제2 벽면(310b)을 향하여 접착제(520)의 함유 밀도가 저하되도록 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501) 및 제2 영역(502)을 캐비티(350)에 배치한다.
또한, 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)를 상면 방향에서 보았을 때, 도 7의 (B)에 도시하는 바와 같이, 수지(600)는 주입구(313)로부터 동심원형으로 퍼지도록 유동한다. 따라서, 주입구(313) 근방은, 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351)이고, 주입구(313)로부터 이격된 프리폼(500)의 주연부는, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)으로 된다.
본 실시 형태에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이 프리폼(500)의 측부로부터 단부를 향하여 부채형으로 수지(600)가 함침된다. 즉, 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351)은, 주입구(313)에 가까운 프리폼(500)의 측부이고, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)은, 프리폼(500)의 단부이다. 따라서, 프리폼(500)의 측부의 접착제(520)의 함유 밀도를 높게 하고, 단부를 향함에 따라 접착제(520)의 함유 밀도가 저하되도록 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501) 및 제2 영역(502)을 캐비티(350)에 배치한다.
이어서, 스텝 S22로서, 캐비티(350) 내에 수지(600)를 주입한다.
도 6의 (C)에 도시하는 바와 같이, 수지(600)의 유동 용이성은, 주입구(313)에 가까운 제1 벽면(310a)으로부터 주입구(313)로부터 먼 제2 벽면(310b)을 향하여 저하된다. 따라서, 접착제(520)를 적층체(510b)의 층간에 균일하게 부여한 경우, 수지(600)의 유동 속도에 차가 발생하고, 유동 속도의 차가 큰 부분에 있어서 탄소 섬유(510)의 층에 어긋남이나 꼬임이 발생하는 경우가 있다. 탄소 섬유(510)의 층에 어긋남이나 꼬임이 발생해 버리면, 층간에 수지 리치 부분 혹은 수지(600)만의 부분을 형성해 버리는 경우가 있어, 성형품인 복합 재료(400)의 강도 저하를 초래할 우려가 있다.
본 실시 형태에서는, 도 6의 (A)에 도시하는 바와 같이, 주입구(313)측의 제1 벽면(310a)으로부터 주입구(313)와 대향하는 측의 제2 벽면(310b)을 향하여 접착제(520)의 함유 밀도가 저하되도록 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501) 및 제2 영역(502)을 캐비티(350)에 배치하고 있다. 접착제(520)의 함유 밀도를 변화시킴으로써, 제1 벽면(310a)으로부터 제2 벽면(310b)을 향하여, 수지(600)의 유동 저항이 서서히 낮아지도록 형성할 수 있다. 즉, 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351)인 제1 벽면(310a)측의 탄소 섬유(510)의 층간에 유동하는 수지(600)의 유동 속도를 늦추고, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)인 제2 벽면(310b)을 향함에 따라, 탄소 섬유(510)의 층간에 유동하는 수지(600)의 유동 속도를 점점 빠르게 할 수 있다. 따라서, 도 6의 (B)에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510)의 층간에 있어서, 수지(600) 유동 용이성을 거의 균일하게 할 수 있다. 이에 의해, 탄소 섬유(510)의 층간에 있어서 수지(600)의 유동 속도의 차를 저감하고, 탄소 섬유(510)에 발생하는 주름이나 꼬임을 억제할 수 있다.
또한, 탄소 섬유(510)의 적층체(510b)를 상면에서 보았을 때, 도 8의 (B)에 도시하는 바와 같이, 탄소 섬유(510)가 수지(600)의 유동에 의한 충돌력에 의해, 주입구(313) 근방에 배치된 프리폼(500)의 표층에 있어서의 탄소 섬유(510)의 배향에 흐트러짐이 발생하는 경우가 있다. 특히, 수지(600)의 주입의 초기 단계에서는, 일반적으로 유동 속도가 빠르기 때문에, 수지(600)의 유동에 의한 충돌력이 커지기 쉽고, 탄소 섬유(510)의 배향에 흐트러짐이 발생하기 쉽다. 이와 같이 탄소 섬유(510)의 배향이 흐트러진 부위에 수지 리치 부분 혹은 수지(600)만의 부분이 형성되는 경우가 있어, 성형품인 복합 재료(400)의 강도 저하나 의장성의 저하를 초래할 우려가 있다.
또한, 도 7의 (B)에 도시하는 바와 같이, 주입구(313)로부터 이격된 캐비티(350)의 주연부는, 수지(600)가 도달하기 어렵기 때문에, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)이다. 이 때문에, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 수지(600)를 도달시키기 위해서는, 도 9의 파선으로 도시하는 바와 같이, 수지(600)의 주입 작업에 있어서의 최대 주입 압력 P2를 고압으로 설정시키지 않을 수 없다. 또한, 수지(600)를 충전하기 위한 최대 주입 압력 P2를 고압으로 설정하면, 그만큼, 캐비티(350) 내의 압력도 증가한다. 따라서, 주입 작업 중에 성형 형(310)의 뜻하지 않은 형 개방이 발생하는 것을 방지하기 위해, 보다 큰 클램핑 압력을 부여하는 것이 가능한 대형 프레스기를 사용해야 한다.
본 실시 형태에서는, 도 7의 (A)에 도시하는 바와 같이, 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351), 예를 들어 주입구(313) 근방에 제1 영역(501)을 배치하고, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352), 예를 들어 캐비티(350)의 주연부에 제2 영역(502)을 배치한다. 수지(600)가 유동하기 쉬운 부분(351)에 배치된 제1 영역(501)에 있어서 수지(600)가 유동하기 어려워지기 때문에, 그 이외의 부분에 수지(600)가 흐르기 쉬워진다. 이 결과, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 배치된 제2 영역(502)에 있어서 상대적으로 수지(600)가 유동하기 쉬워지도록 제어할 수 있다. 이에 의해, 수지(600)의 주입 압력을 높게 하지 않아도 단시간에 의해 전체에 수지(600)를 도달시킬 수 있기 때문에, 도 9의 실선으로 도시하는 바와 같이, 수지(600)의 최대 주입 압력 P1을 저감할 수 있다. 캐비티(350) 내의 압력을 비교적 작게 억제할 수 있기 때문에, 성형 시간의 단시간화를 도모함과 함께, 설비 투자비의 삭감을 도모할 수 있다. 또한, 주입구(313) 근방에 있어서 수지(600)의 유동 저항을 높게 함으로써 수지(600)의 유동 속도를 늦출 수 있다. 이에 의해, 도 8의 (A)에 도시하는 바와 같이, 주입구(313) 근방에 있어서의 섬유 배향의 흐트러짐을 억제할 수 있고, 성형품인 복합 재료(400)의 강도 및 의장성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 문제를 해결하는 방법으로서, 예를 들어 복수의 주입구(다점 게이트)를 구비하는 성형 형에 의해, 복수의 개소로부터 수지(600)를 주입하고, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 수지(600)를 흐르기 쉽게 하여, 수지(600)의 최대 주입 압력을 저감하는 방법도 고려된다. 그러나, 복수의 주입구를 구비하는 성형 형이 필요하게 되므로 설비 투자비의 증가가 문제로 된다. 또한, 주입구가 복수로 됨으로써, 주입구의 구멍에 부착된 수지(600)의 세정 등의 메인터넌스를 위해 설비 비용이나 제조 시간의 증가를 초래해 버린다.
본 실시 형태에 따르면, 하나의 주입구(313)를 구비하는 성형 형(310)을 사용해도 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 수지(600)를 흐르기 쉽게 하여, 수지(600)의 최대 주입 압력 P1을 저감하는 것을 가능하게 하고 있다. 이에 의해, 복수의 주입구를 구비하는 성형 형을 사용하는 경우에 비하여 설비 투자비나 메인터넌스의 비용 및 제조 시간을 대폭 삭감할 수 있다.
또한, 도 7의 (A)에 도시하는 바와 같이, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 수지(600)가 유동하기 쉽게 제어함으로써, 단시간에 의해 전체에 수지(600)를 도달시킬 수 있다. 이에 의해, 성형 시간의 단시간화를 도모함과 함께, 최대 주입 압력 P1을 대폭 증가시킬 필요가 없어짐으로써 설비 투자비의 삭감을 도모할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 수지(600) 주입의 초기 단계에 있어서, 성형 형(310)의 온도는, 캐비티(350) 내의 온도가 접착제(520)의 용융 온도 이하로 되도록 미리 조정되어 있다. 이에 의해, 접착제(520)를 고형상으로 유지할 수 있기 때문에, 주입된 수지(600)를 가두는 효과를 한층 더 높여, 수지(600)의 유동을 제어할 수 있다.
이어서, 스텝 S23으로서, 성형 형(310)의 온도를 서서히 수지(600)의 경화 온도까지 가열하여, 탄소 섬유(510)에 함침한 수지(600)를 경화시킨다. 성형 형(310)의 온도를 서서히 상승시킴으로써, 수지(600)의 경화에 수반하는 반응열 및 성형 형(310)의 열에 의해, 캐비티(350) 내의 온도가 상승하고, 접착제(520)가 고형상으로부터 반고형상 또는 액상으로 연화된다. 그에 수반하여, 접착제(520)에 의해 수지(600)를 막는 효과가 서서히 저하된다. 이에 의해, 복합 재료(400)의 성형 시에 접착제(520)가 연화된 부분의 탄소 섬유(510)에 수지(600)가 함침하여, 탄소 섬유(510) 전체에 수지(600)가 거의 균일하게 함침된 고품질의 복합 재료(400)를 성형할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 수지(600)는, 에폭시 수지에 의해 형성되고, 접착제(520)는, 저분자량 에폭시 수지에 의해 형성된다. 이에 의해, 복합 재료(400)의 성형 시에 수지(600) 및 접착제(520)가 동종의 재료에 의해 형성되어 있기 때문에, 수지(600)와 접착제(520)의 계면의 형성을 억제하고, 수지(600)와 일체화함으로써 보다 균질의 복합 재료(400)를 성형할 수 있다. 이에 의해, 수지(600)의 주입 초기 단계에 있어서는, 접착제(520)는, 수지(600)를 막는 효과를 갖고, 수지(600)의 유동을 제어할 수 있다. 수지(600)의 주입이 진행됨에 따라, 접착제(520)가 연화되고, 서서히 수지(600)가 캐비티(350) 내 전체에 퍼짐으로써 수지(600)와 접착제(520)를 보다 균질하게 혼합할 수 있다.
이어서, 스텝 S24로서, 수지(600)가 경화된 후, 성형 형(310)을 개방하여, 탄소 섬유(510), 수지(600) 및 코어재(530)가 일체화된 복합 재료(400)를 탈형하면, 성형이 완료된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 복합 재료(400)의 제조 방법 및 제조 장치(100)에 따르면, 제1 영역(501)과 제2 영역(502)을 구비하는 시트형의 탄소 섬유(510)에, 제1 영역(501)보다 제2 영역(502)의 접착제(520)의 함유 밀도가 낮아지도록 접착제(520)를 부여하고, 탄소 섬유(510)를 예비 성형하여 프리폼(500)을 형성하고, 성형 형(310) 내의 캐비티(350)에 프리폼(500)을 배치하고, 프리폼(500)에 수지(600)를 함침시켜 복합 재료(400)를 성형한다. 캐비티(350) 중 탄소 섬유(510)의 제2 영역(502)이 배치된 부분을 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501)이 배치된 부분에 비하여, 캐비티(350) 내에 주입한 수지(600)가 흐르기 쉽게 한다.
이와 같이 구성한 복합 재료(400)의 제조 방법 및 제조 장치(100)에 따르면, 캐비티(350) 내의 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 제2 영역(502)을 배치함으로써, 탄소 섬유(510)에 균일하게 접착제(520)를 부여한 경우에 비하여, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 수지(600)를 흐르기 쉽게 할 수 있다. 이에 의해, 탄소 섬유(510)에 균일하게 접착제(520)를 부여한 경우에 비하여, 단시간에 의해 캐비티(350) 내의 탄소 섬유(510) 전체에 수지(600)를 도달시킬 수 있다. 이에 의해, 성형 시간의 단시간화를 도모함과 함께, 최대 주입 압력 P1을 대폭 증가시킬 필요가 없어짐에 따라 설비 투자비의 삭감을 도모할 수 있다.
또한, 캐비티(350)의 주입구(313)측의 제1 벽면(310a)으로부터 주입구(313)와 대향하는 측의 제2 벽면(310b)을 향하여, 접착제(520)의 함유 밀도가 저하되도록 접착제(520)를 부여한다. 이에 의해, 주입구(313) 부근의 수지(600)의 유동 저항을 높게 함으로써 수지(600)의 유동 속도를 늦출 수 있기 때문에, 주입구(313) 부근에 있어서의 탄소 섬유(510)의 배향의 흐트러짐을 억제할 수 있다. 또한, 탄소 섬유(510)의 층간에 있어서 수지(600)의 유동 속도의 차를 저감하고, 탄소 섬유(510)에 발생하는 주름이나 꼬임을 억제할 수 있다. 따라서, 복합 재료(400)의 강도 및 의장성을 향상시킬 수 있다.
또한, 접착제(520)는, 열에 의해 연화하는 재료에 의해 형성되고, 수지(600)를 캐비티(350) 내에 주입한 후에, 성형 형(310)을 가열하고, 접착제(520)를 수지(600)의 경화에 수반하는 반응열 및/또는 성형 형(310)의 열에 의해 연화시킨다. 이에 의해, 복합 재료(400)의 성형 시에 접착제(520)가 연화된 부분의 탄소 섬유(510)에 수지(600)가 함침하여, 탄소 섬유(510) 전체에 수지(600)가 거의 균일하게 함침된 고품질의 복합 재료(400)를 성형할 수 있다.
또한, 부여 공정과 예비 성형 공정의 사이에, 접착제(520)를 부여한 탄소 섬유(510)를 적층하여 적층체(510b)를 형성하는 적층 공정을 더 갖는다. 이에 의해, 접착제(520)에 의해 탄소 섬유(510)를 접착한 상태에서 예비 성형 공정으로 반송할 수 있으므로 탄소 섬유(510)의 배치의 변동을 억제할 수 있다.
또한, 수지(600)는, 에폭시 수지에 의해 형성되고, 접착제(520)는, 저분자량 에폭시 수지에 의해 형성된다. 이에 의해, 복합 재료(400)의 성형 시에 수지(600) 및 접착제(520)가 동종의 재료에 의해 형성되어 있기 때문에, 수지(600)와 접착제(520)의 계면의 형성을 억제하고, 보다 균질의 복합 재료(400)를 성형할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 프리폼(500)에 있어서, 탄소 섬유(510)의 제2 영역(502)은, 탄소 섬유(510)의 제1 영역(501)보다 접착제(520)의 함유 밀도가 낮아지도록 형성된다. 캐비티(350)에 프리폼(500)을 배치할 때, 캐비티(350) 내의 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 제2 영역(502)을 배치함으로써, 수지(600)가 유동하기 어려운 부분(352)에 있어서의 수지(600)의 유동 저항을 저감하고, 수지(600)가 유동하기 쉽게 할 수 있기 때문에, 복합 재료(400)의 성형 시간의 단시간화를 도모할 수 있다.
또한, 접착제(520)는, 열에 의해 연화하는 재료에 의해 형성된다. 이에 의해, 프리폼(500)을 사용하여 복합 재료(400)를 성형할 때, 접착제(520)가 연화된 부분의 탄소 섬유(510)에 수지(600)가 함침하여, 탄소 섬유(510) 전체에 수지(600)가 거의 균일하게 함침된 고품질의 복합 재료(400)를 성형할 수 있다.
이상, 실시 형태를 통하여 복합 재료의 제조 방법, 제조 장치 및 복합 재료를 설명하였지만, 본 발명은 실시 형태에 있어서 설명한 구성에만 한정되지 않고, 특허청구범위의 기재에 기초하여 적절하게 변경하는 것이 가능하다.
예를 들어, 가열 공정은, 절단 공정 전에 행하기로 하였지만, 절단 공정 또는 적층 공정 후에 행해도 된다.
또한, 강화 기재는 복수 적층하여 적층체를 형성하기로 하였지만, 1매의 강화 기재에 의해 복합 재료를 형성해도 된다.
또한, 복합 재료는 코어재를 갖기로 하였지만, 코어재를 갖지 않는 복합 재료여도 된다.
100: 제조 장치
110: 제어부
200: 예비 성형 장치
220: 부여부
260: 예비 성형 형
300: 성형 장치
310: 성형 형
310a: 제1 벽면
310b: 제2 벽면
313: 주입구
340: 성형 형 온도 조정부
350: 캐비티
400: 복합 재료
500: 프리폼(복합 재료용 프리폼)
501: 제1 영역
502: 제2 영역
510: 탄소 섬유(강화 기재)
510b: 적층체
520: 접착제
530: 코어재
600: 수지

Claims (11)

  1. 강화 기재와 상기 강화 기재에 함침된 수지를 구비하는 복합 재료의 제조 방법이며,
    제1 영역과 제2 영역을 구비하는 시트형의 상기 강화 기재에, 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역의 접착제의 함유 밀도가 낮아지도록 상기 접착제를 부여하고,
    상기 접착제를 시트형의 강화 기재에 부여한 후, 시트형의 강화 기재를 예비 성형하여 프리폼을 형성하기 전에, 상기 시트형의 강화 기재에 부여된 상기 접착제를 반경화 또는 경화하고,
    상기 강화 기재를 예비 성형하여 프리폼을 형성하고,
    상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 성형 형의 주입구의 근처에 배치되도록, 상기 성형 형 내의 캐비티에 상기 프리폼을 배치하고,
    상기 성형 형의 상기 주입구로부터 상기 캐비티 내로 상기 수지를 주입하고, 상기 프리폼에 상기 수지를 함침시켜 상기 복합 재료를 성형하는, 복합 재료의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접착제를 부여할 때, 상기 성형 형의 상기 주입구의 제1 벽면으로부터 상기 주입구와 대향하는 측의 제2 벽면을 향하여, 상기 접착제의 함유 밀도가 저하되도록 상기 접착제를 부여하는, 복합 재료의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접착제는, 열에 의해 연화하는 재료에 의해 형성되고,
    상기 수지를 상기 캐비티 내에 주입한 후에, 상기 성형 형을 가열하고,
    상기 접착제를 상기 수지의 경화에 수반하는 반응열, 상기 성형 형의 열, 또는 상기 반응열과 상기 성형 형의 열에 의해 연화시키는, 복합 재료의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접착제를 부여한 후, 상기 프리폼을 형성하기 전에, 상기 접착제를 부여한 상기 강화 기재를 적층하여 적층체를 형성하는, 복합 재료의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수지는, 에폭시 수지에 의해 형성되고,
    상기 접착제는, 저분자량 에폭시 수지에 의해 형성되는, 복합 재료의 제조 방법.
  6. 제1 영역과 제2 영역을 구비하는 시트형의 강화 기재에 접착제를 부여하는 부여부와,
    상기 강화 기재를 예비 성형하여 프리폼을 형성하는 예비 성형 형과,
    상기 프리폼이 배치되는 캐비티를 형성하고, 상기 캐비티 내에 수지를 주입하는 주입구를 구비하는 성형 형과,
    상기 부여부 및 상기 예비 성형 형의 작동을 제어하는 제어부를 갖고,
    상기 제어부는, 상기 부여부의 작동을 제어하여, 상기 강화 기재의 상기 제1 영역보다 상기 강화 기재의 상기 제2 영역의 상기 접착제의 함유 밀도가 낮고, 또한 상기 성형 형의 상기 캐비티 내에 상기 프리폼을 배치한 상태에서, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 상기 성형 형의 상기 주입구의 근처에 배치되도록 상기 접착제를 부여하는, 복합 재료의 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 성형 형은, 상기 주입구측의 제1 벽면과, 상기 주입구와 대향하는 측의 제2 벽면을 갖고,
    상기 제어부는, 상기 부여부를 제어하여, 상기 제1 벽면으로부터 상기 제2 벽면을 향하여, 상기 접착제의 함유 밀도가 저하되도록 상기 접착제를 부여하는, 복합 재료의 제조 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 성형 형의 온도를 조정하는 형 온도 조정부를 더 갖고,
    상기 제어부는, 상기 형 온도 조정부의 작동을 제어하여 상기 성형 형을 가열하고,
    상기 접착제는, 열에 의해 연화하는 재료에 의해 형성되고, 상기 수지의 경화에 수반하는 반응열, 상기 성형 형의 열, 또는 상기 반응열과 상기 성형 형의 열에 의해 연화하는, 복합 재료의 제조 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 수지는, 에폭시 수지에 의해 형성되고,
    상기 접착제는, 저분자량 에폭시 수지에 의해 형성되는, 복합 재료의 제조 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
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