KR102078749B1 - Pmi 발포 물질을 위한 신규한 성형 방법 및/또는 그로부터 제조된 복합 부품 - Google Patents

Pmi 발포 물질을 위한 신규한 성형 방법 및/또는 그로부터 제조된 복합 부품 Download PDF

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요르게 핀토
매티아스 알렉산더 로쓰
외른 다니엘 쥔데르만
아르님 크라쯔
디터 슐라거
라이너 지머만
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에보니크 오퍼레이션즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 예를 들어 경질 발포체로부터 제조된 코어를 갖는 복합 물질의 제조에 적합한 신규한 방법에 관한 것이다. 여기서, 발포 물질 및 상부 층의 플라스틱 모두가 자유롭게 선택될 수 있다는 점이 본 발명의 이점이다. 특히, 본 발명의 방법은 또한 그의 가공 온도는 코어 물질의 가공 온도와 뚜렷하게 상이한 상부 층을 가공하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 제2 실시양태에서 일체형의 발포 구조가 부분적으로 압축될 수 있는 방법에 관한 것이다. 제3 실시양태로서, 용접에 의해 발포체의 둘 이상의 작업편으로부터 특히 높은 품질의 연결부를 갖는 중공체를 제조하는 것이 가능하다. 여기서, 이는 상부 층을 갖거나 갖지 않으면서 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법으로서 진공 성형 공정을 사용하여 발포 물질을 가공하는 것이 특히 만족스럽게 가능하다.

Description

PMI 발포 물질을 위한 신규한 성형 방법 및/또는 그로부터 제조된 복합 부품 {NOVEL SHAPING PROCESS FOR PMI FOAM MATERIALS AND/OR COMPOSITE COMPONENTS PRODUCED THEREFROM}
본 발명은, 예를 들어 경질의 발포체로 이루어진 코어를 갖는 복합 물질의 제조에 유용한 신규한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 본원에서 발포 물질 및 외부 층 모두가 자유롭게 선택가능하다는 상당한 이점을 갖는다. 보다 특히, 본 발명의 방법은 그의 가공 온도가 코어 물질의 가공 온도와 뚜렷하게 상이한 외부 층에 대처할 수 있다.
추가로, 본 발명은 제2 실시양태에서 일체형의 발포 구조를 부분적으로 압밀시킬 수 있는 방법에 관한 것이다. 제3 실시양태에서, 발포 물질의 둘 이상의 작업편을 함께 융합시켜 특히 고품질의 연결부를 갖는 중공체를 생성할 수 있다. 이는 외부 층을 갖거나 외부 층 없이 행해질 수 있다.
추가로, 본 발명은 진공 성형에 의해 발포 물질을 가공하기에 매우 유용하다.
경질 발포체를 포함하는 섬유-강화 플라스틱의 다양한 제조 방법 또는 경질 발포체의 다양한 성형 방법이 일반적인 용어로 선행 기술에 기재되어 있다. 본 발명의 문맥에서 경질 발포체는 상업적으로 입수가능한 PU 또는 폴리스티렌 발포체와 달리 예를 들어 최소의 힘에 의해 기계적으로 변형가능하지 않아 후속적으로 회복하는 발포체이다. 경질 발포체의 예에는 특히 PP, PMMA 또는 고도로 가교된 PU 발포체가 있다. 예를 들어 에보니크(Evonik)에 의해 명칭 로하셀(Rohacell)® 하에 시판되는 폴리(메트)아크릴이미드 (PMI)는 특히 강한 경질 발포체이다.
기재된 복합 물질의 제조를 위해 널리 공지된 방법은 외부 층을 형성하고, 이어서 발포 원료 물질을 도입하고, 최종적으로 발포 원료 물질을 발포시키는 것이다. 이러한 방법은 예를 들어 US 4,933,131에 기재되어 있다. 이러한 방법의 한 단점은 발포가 통상적으로 매우 불균일하다는 점이다. 이는 특히 기껏해야 과립으로서 첨가될 수 있는 PMI와 같은 물질에 적용된다. 이러한 방법의 추가의 단점은 구조물의 순수한 발포 물질을 형성하기 위해 외부 층이 다시 제거되어야 할 것이라는 점이다. 이어서, 복합 구조 부품의 경우에, 흔히 외부 층과 발포 코어 사이의 접착력이 기계적으로 응력을 받는 구조 부품에는 불충분하다.
문헌 [Passaro et al., Polymer Composites, 25(3), 2004, p.307ff]에서는 PP 발포 코어 물질을 압축 몰드에서 섬유-강화 플라스틱에 연결시키는 방법이 기재되어 있으며, 이는 외부 물질에 대해 양호한 결합을 달성할 수 있기 위해 발포 코어 물질을 특별히 표면에서만 가열한다. 문헌 [Grefenstein et al., International SAMPE Symposium and Exhibition, 35 (1, Adv.Materials: Challenge Next Decade), 1990, pp.234-44]에서는 벌집형 코어 물질 또는 PMI 발포 코어를 갖는 샌드위치 물질의 제조를 위한 유사한 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이들 두 방법 중 어느 것으로도 성형은 불가능하며, 샌드위치 물질을 단지 시트 형태로 제조한다.
WO 02/098637에는 열가소성 외부 물질을 용융물로서 발포 코어 물질의 표면에 적용하고 이어서 발포 코어와 함께 이중 시트 공정으로 성형하여 복합 성형물을 형성하고 이어서 외부 물질이 몰드에서 경화되도록 열가소성 물질을 냉각시키는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 단지 제한된 개수의 물질만이 이러한 방법을 사용하여 조합될 수 있다. 예를 들어, 섬유-강화 외부 물질은 수득 불가능하다. 방법은 또한 외부 물질이 없는 발포체 작업편을 순수한 형태로 사용할 수 없다. 또한, 발포 물질의 선택은 낮은 온도에서 탄력적으로 성형가능한 물질에 제한된다. 경질 발포체는 발포 물질이 균일하게 가열되지 않는 이러한 방법에서 너무 큰 구조적 손상을 입을 것이다.
EP 0 272 359에 기재된 방법이 매우 유사하다. 발포 코어 예비성형물을 먼저 형상으로 절단하고 몰드에 위치시킨다. 이어서, 열가소성 물질의 용융물을 표면 상에 주입한다. 이어서, 온도를 올려 발포 코어 예비성형물을 팽창시키는데, 이는 외부 물질의 표면에 대한 압축을 초래한다. 이러한 방법은 외부 물질에 더 양호한 접착력을 제공하나, 초기 성형의 추가 단계때문에 비용이 더 많이 들고 불편하고, 대체로 구현가능한 형상과 관련하여 뚜렷하게 더 제한적이다.
문헌 [W. Pip, Kunststoffe, 78(3), 1988, pp.201-5]에서는 섬유-강화 외부 층 및 PMI 발포 코어를 갖는 성형 복합물을 압축 몰드에서 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이러한 방법에서, 개개의 층은 가열된 압축 몰드에서 함께 연결되며, 압축되는 국소적으로 가열된 발포 물질에서 최상 층에 약간의 성형이 수행된다. 또한, 제2 발포에 의해 성형물이 몰드 내에서 생성될 수 있는 방법이 기재되어 있다. 이러한 방법의 단점은 상기 논의되었다. 제3 변형으로서, 예열된 발포 물질을 압축 성형하면서 물질을 탄성 압축시키는 방법이 개시되어 있다. 예열은 오븐에서 행해진다. 그러나, 이러한 방법은 많은 발포 물질이 열-탄성 성형을 위해 매우 높은 온도를 필요로 한다는 점에서 불리하다. 예를 들어, PMI 발포체는 적어도 185℃의 온도를 필요로 한다. 또한, 물질 파괴를 피하기 위해 코어 물질이 그의 전체 코퍼스에 걸쳐 적절히 가열될 필요가 있다. 그러나, 이러한 온도에서, 특히 이들이 균일하게 분포되어야 하는 경우 이들을 수 분 동안 장기간 가열하여야만 가능하기 때문에, 예를 들어 PP와 같은 많은 외부 물질들이 너무 심하게 손상되어 방법을 수행할 수 없을 것이다.
문헌 [U. Breuer, Polymer Composites, 1998, 19(3), pp. 275-9]에서는 상기 논의된 Pip로부터의 제3 변형의 다소 변경된 방법을 PMI 발포 코어에 대해 개시한다. PMI 발포 코어 및 섬유-강화 외부 물질을 IR 열 램프를 사용하여 가열한다. 특히 3 내지 50 μm 범위의 파장에서 빛을 방출하는 이러한 IR 열 라디에이터 (IR-C 또는 MIR 방사선)는 기재를 빠르게 가열하는데 특히 유용하다. 그러나, 목적하는 에너지 투입량이 매우 높고 따라서 동시에 예를 들어 PP와 같은 많은 외부 물질들에 손상을 초래한다. 이에 따라, 문헌 [Breuer et al.]에서는 외부 층을 위해 가능한 매트릭스 물질로서 오직 폴리아미드 12 (PA12)만을 개시한다. PA12는 플라스틱을 손상시키지 않으면서 200℃ 초과로 용이하게 가열가능하다. 이러한 IR 스펙트럼의 열 방사선이 발포 매트릭스로 침투되지 않고 이에 따라 열가소적으로 성형가능한 상태가 수득되지 않기 때문에 이러한 작업 방법에서 발포 코어의 동시 성형은 불가능하다.
논의된 선행 기술의 배경기술에 대해, 이에 따라 본 발명의 목적은 경질 발포 물질이 구조적 손상 없이 신속하고 간단히 성형될 수 있고/있거나 외부 층, 특별히 열가소성 물질과 함께 복합물로 가공될 수 있는 신규한 방법을 제공하는 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 이러한 복합 물질이 성형 작업에서 생성되고 동시에 표면 물질의 선택이 비교적 자유로우며, 가공 동안 이러한 표면 물질이 손상되지 않는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 방법은 외부 물질을 갖거나 갖지 않는 발포 물질을 부분적으로 압밀하는데 유용하여야 한다. 또한, 방법은 외부 층을 갖거나 갖지 않는 2종 이상의 발포 물질로부터 중공체를 제조하기에 유용하여야 한다. 또한, 방법은 이것이 진공-성형 작업과 조합될 수 있도록 변경가능하여야 한다.
또한, 목적으로 제기된 개개의 실시양태와 상관없이, 신규한 방법은 10 분 보다 뚜렷하게 적은 빠른 사이클 시간을 가능하게 하여야 한다.
여기서 명백히 논의되지 않은 추가의 목적은 선행 기술, 개시 내용, 특허청구범위 또는 예시적 실시양태로부터 이하에서 명백해질 수 있다.
본 발명의 목적은 발포된 물질을 성형하기 위한 신규한 방법에 의해 달성된다. 이러한 신규한 방법은 고도로 가교된 폴리우레탄 (PU), 폴리프로필렌 (PP) 또는 폴리(메트)아크릴이미드, 특별히 폴리메타크릴이미드 (PMI)로서의 경질 발포체를 성형하기에 특히 유용하다. 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 외부 물질과 이들 사이에 발포 코어를 갖는 임의의 복합 플라이 레이업 단계,
b) 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 근적외 방사선 (NIR 방사선)을 조사함으로써 발포된 물질을 가열하는 단계,
c) 성형 툴로 성형하는 단계,
d) 최종 작업편을 냉각시키고 이형시키는 단계.
여기서, 두 상이한 실시양태가 가능하다. 첫째로, NIR 방사선으로 가열하기 위한 툴과 성형 툴이 서로 분리되어 있다. 이러한 경우에 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 외부 물질과 이들 사이에 발포 코어를 갖는 임의의 복합 플라이 레이업 단계,
b1) 가열 영역의 기계-측면 활성 부분으로 도입시키는 단계,
b2) 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 근적외 방사선 (NIR 방사선)을 조사함으로써 발포된 물질을 가열하는 단계,
c1) 발포된 물질을 성형 툴 내로 이송하는 단계,
c2) 툴로 성형하는 단계, 및
d) 최종 작업편을 냉각시키고 이형시키는 단계.
제2 실시양태에서, NIR 방사선으로 조사하기 위한 가열 장치는 성형 툴의 일체형 구성물이다:
a) 외부 물질과 이들 사이에 발포 코어를 갖는 임의의 복합 플라이 레이업 단계,
b1) 제거가능한 가열 영역이 장착된 성형 툴로 도입시키는 단계,
b2) 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 근적외 방사선 (NIR 방사선)을 조사함으로써 발포된 물질을 가열하는 단계,
c1) 성형 툴의 작업 범위로부터 열을 제거하는 단계,
c2) 툴로 성형하는 단계, 및
d) 최종 작업편을 냉각시키고 이형시키는 단계.
가공 단계 b1) 및 b2)는 상기 실시양태 중 가공 단계 b)의 하위 단계로서 해석되어야 한다. 이는 가공 단계 c)와 관련하여 가공 단계 c1) 및 c2)에도 적용된다.
놀랍게도, 가공 단계 b) (또는, 경우에 따라 b2)일 수 있음)에서 물질의 온화한 가열은 열을 균일하게 투입시킴으로써 플라스틱 성형성을 유발하면서 동시에 물질이 임의의 손상을 입지 않는 것으로 발견되었다. 특별히, 예를 들어 오븐에서 가열시 관찰되는 경질 발포체 표면에 대한 손상은 본 발명의 방법의 적절한 실행에서 발생하지 않는다. 사용된 NIR 스펙트럼으로 인한 열 방사선은 흡수되지 않으면서 발포 셀에서의 기상을 통과하고 셀 벽 매트릭스의 직접 가열을 유발한다.
본 발명에 따른 방법의 특정한 실시양태에서, 단계 d)에서의 성형은 감압, 즉 진공하에 이중 시트 공정을 사용하여 수행된다. 사용된 이중 시트 장치는 이것이 압축-성형기로서 사용될 수 있도록 구성된다.
이중 시트 공정의 원리는 둘 이상의 작업편을 진공, 즉 감압하에 성형되는 하나의 공정 단계에 두고, 동시에 접착제, 용접 보조제 또는 용매와 같은 첨가제 없이 함께 융합되는 것이다. 이러한 공정 단계는 높은 사이클 시간에서, 경제적으로 및 환경 친화적으로 수행가능하다. 본 발명자들은, 놀랍게도 단계 b)에서 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 -NIR 방사선을 조사하여 작업편을 예열하는 추가의 단계를 포함시킴으로써 이러한 방법이 또한 선행 기술에 의해 판단시 이에 대해 부적합한 것으로 나타난 상기 언급된 경질 발포체를 가공하기 위해 사용될 수 있음을 발견하였다. 언급된 방사선으로 달성가능한 비교적 신속한 가열은 응력 없이 작업편에 걸쳐 균일한 열 분포를 제공한다. 그리고 방사선은 사용되는 발포 물질에 따라 기재된 범위 내에서 강도에 있어서 변화시킬 수 있다. 외부 물질이 또한 사용되는 경우, 발포 코어 및 외부 물질이 심지어 상이한 가공 및 성형 온도에서도 공동으로 형성되고 함께 결합되도록 가열 영역의 온도 및 그의 강도를 변경한다. 이러한 개작은 최소의 실험으로 당업자에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 한 대단한 이점은 이것이 환경적으로 온난한 방식으로 그리고 매우 높은 사이클 시간에서 수행될 수 있으며 동시에 복수의 단계가 하나의 작업으로 조합된다는 점이다. 그리고, 원칙적으로 신규한 이러한 방법은 각각 완전히 신규한 생성물을 생성하는데 사용될 수 있는 일련의 모든 변형을 발생시킨다:
제1 변형에서, 성형 단계 d)는 발포된 물질의 국소적인 압밀을 제공한다. 신규한 생성물이 이러한 국소적인 압밀에 의해 생성되는 것이 가능하다. 국소적으로 압밀한 경질 발포체를 포함하는 성형물은 용도에 있어서 더 다기능성이고 전체로서 더 안정하다. 신규한 형상이 또한 달성될 수 있다. 또한, 이러한 생성물은 보강재, 삽입부 또는 스크류 결합부가 특히 압밀되는 부분에 도입되어 기술적 주변부로부터 힘을 조화롭게 도입할 수 있게 하기 때문에 또한 유리하다. 이러한 삽입부 또는 스크류 결합부는 발포된 물질이 후속적으로 차량 또는 항공기 건설에서 추가로 간단히 가공되게 한다. 이러한 부분은 종종 또한 접착되거나 용접된 결합에서 더 양호하게 성능한다. 본 발명에 따른 방법의 이러한 변형은 예를 들어 PMI 발포체에 대해 5 분 미만의 사이클 시간으로 수행될 수 있다. 이러한 변형으로 특히 놀라운 점은 선행 기술에 의해 판단시 이러한 구조 부품이 단일-단계 공정에서 생성될 수 없었다는 점이다.
본 발명의 공정에 대한 제2 변경에서, 단계 d)는 이중 시트 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 공정의 이러한 변형은 발포 물질이 단계 a)에서 한 측면 또는 양 측면 상에서 외부 물질로 피복되고 따라서 이중 시트 공정이 한 측면 또는 양 측면의 외부 층 및 경질 발포 코어를 갖는 복합 물질을 제공하는 경우 특히 바람직하다. 이러한 제2 변형은 6 분 미만의 사이클 시간에서 수행될 수 있다.
놀랍게도, 외부 물질의 선택은 비교적 자유롭다. 예를 들어, 순수한 열가소성 물질, 제직물 또는 편직물 또는 그의 복합물, 예를 들어 소위 유기패널 또는 유기시트, 또는 예를 들어 인조 가죽과 같은 플라스틱-코팅된 텍스타일 배킹재를 선택할 수 있다. 외부 물질은, 바람직하게는 섬유-강화 플라스틱을 포함한다. 이어서, 섬유는 예를 들어 아라미드, 유리, 탄소, 중합체성 또는 텍스타일 섬유일 수 있다. 이어서, 플라스틱은 바람직하게는 PP, 폴리에틸렌 (PE), 폴리카르보네이트 (PC), 폴리염화비닐 (PVC), 에폭시 수지, 이소시아네이트 수지, 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 또는 폴리아미드를 포함할 수 있다.
방법의 제3 변형에서, 단계 a)에서 둘 이상의 별도의 조각의 발포된 물질을 처음에 충전하고, 이어서 단계 d)의 성형에서 이들로부터 중공체를 성형한다. 또한, 이러한 변형은 하나 초과의 공극을 갖는 성형된 조각이 수득되도록 설계될 수 있다. 이러한 변형은 이러한 유형의 중공체가 접착제 또는 후속 열 용접 없이 수득가능하다는 점에서 유리하다. 이어서, 이는 생성된 중공체가 선행 기술의 중공체보다 양호한 안정성 및 중량의 조합을 갖는다는 이점을 갖는다. 또한, 중공체는 더 양호한 외관을 갖는다. 이는 또한, 최초의 두 발포 물질들 사이의 연결부가 최종 생성물에서 거의 보이지 않는 것까지 연장될 수 있다. 보다 구체적으로, 이러한 방법에서 형성된 이음매는 주변 물질과 거의 구별가능하지 않고, 기공 구조는 이러한 연결부뿐만 아니라 다른 부분에서도 보존된다. 이러한 방법은 또한 이중 시트 공정의 형태를 취할 수 있다. 이러한 경우, 심지어 매우 복잡한 기하구조가 5 분 미만의 사이클 시간에서 양호한 재현성으로 구현될 수 있다.
제3 변형과 비교하여 다소 변경된 본 발명의 한 실시양태에서, 심지어 경질 발포체의 개개의 작업편이 매우 복잡한 작업편도 감압에서 진공-성형될 수 있다. 이러한 방법은 10 mm까지의 발포체 두께에 대해 특히 유용하다. 바람직하게는, 단계 c)에서 발포된 물질을 성형 툴 내로 이송하는 것은 성형 툴에서 압축 공기로 예비성형하기 직전에 선행되거나 또는 별법으로 직후에 뒤따른다.
원칙적으로, 이러한 방법은 추가의 변경에서 이중-쉘 툴에서 수행될 수 있다. 이는 매우 더 높은 기하학적 정확성을 제공한다. 본 발명의 추가의 대단한 이점은 상기 논의된 세 변형이 또한 본 발명에 따라 동시 발생으로 수행되는 한 방법에서 각각 또는 서로 자유롭게 조합될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 하나 이상의 공극을 갖는 가장자리-압밀된 생성물이 수득가능하다. 유사하게, 부분-압밀된 발포 코어 및/또는 하나 이상의 공극을 갖는 복합물이 수득가능하다.
일반적으로, 클램핑 프레임을 사용하여, 본 발명의 실시양태와 무관하게 임의의 미끄러짐을 방지하는 장치로 물질을 제자리에 고정시킨다. 이를 위해, 가공하고자 하는 물질은 툴 테두리를 벗어나서 예를 들어 몇몇 센티미터 연장되고, 이러한 부분에서 언급된 클램핑 프레임에 의해 강제 하향한다.
본 발명의 방법을 사용하여 가공될 수 있는 경질 발포 물질은 당업자가 자유롭게 선택가능하다. PMI가 바람직한 경질 발포 물질이다. 이러한 PMI 발포체는 보통 다음의 2-단계 공정으로 생성된다: a) 캐스트 중합체를 제조하는 단계 및 b) 이러한 캐스트 중합체를 팽창시키는 단계.
캐스트 중합체를 제조하기 위해, 제1 단계는 주요 구성물로서 (메트)아크릴산 및 (메트)아크릴로니트릴을 바람직하게는 2:3 내지 3:2의 몰비로 포함하는 단량체 혼합물을 제조하는 것이다. 추가로, 공단량체, 예를 들어 아크릴산 또는 메타크릴산, 스티렌, 말레산 또는 이타콘산의 에스테르, 또는 그의 무수물, 또는 비닐피롤리돈을 또한 사용할 수 있다. 그러나, 공단량체 분율은 30 중량% 이하여야 한다. 소량의 가교 단량체, 예를 들어 알릴 아크릴레이트를 또한 사용할 수 있다. 그러나, 그 양은 바람직하게는 0.05 중량% 내지 2.0 중량% 이하여야 한다.
공중합 혼합물은 약 150 내지 250℃의 온도에서 분해되거나 증발되어 기상을 형성하는 발포제를 추가로 포함한다. 중합은 이러한 온도 미만에서 진행되고, 따라서 캐스트 중합체는 잠재적 발포제를 함유한다. 중합은 두 유리판 사이에서 슬랩 형태로 편리하게 수행된다.
이어서, 캐스트 중합체는 제2 단계에서 적절한 온도에서 팽창된다. 이러한 PMI 발포체의 제조는 원칙적으로 당업자에게 공지되어 있고, 예를 들어 EP 1 444 293, EP 1 678 244 또는 WO 2011/138060에서 고찰할 수 있다. 에보니크 인더스트리즈 아게(Evonik Industries AG)로부터의 로하셀® PMI 발포체가 특히 언급될 수 있다. 제조 및 가공에 관해 PMI 발포체의 유사체로서 아크릴이미드 발포체를 고려하여야 한다. 그러나, 이들은 독물학적 이유때문에 다른 발포 물질에 대해 뚜렷하게 덜 바람직하다.
PVC 발포체는 가공가능한 제2 경질 발포체이다. 이는 섬유 복합물 기법 및 기동차 건설을 위한 샌드위치 제조, 풍력 시스템의 제조, 및 선박 건설로부터 광범위하게 공지되어 있다. 발포체의 최종 시트는 PMI 발포체 시트와 유사하게 가공될 수 있다.
이는 필요한 부분만 약간 수정하여 PP 경질 발포체에도 적용된다. PP 발포체는 단열재로서, 수송 컨테이너에서 그리고 샌드위치 물질로서 특히 잘 공지되어 있다. PP 발포체는 충전제를 함유할 수 있고 20 내지 200 kg/m3의 밀도 범위에서 통상적으로 상업적으로 입수가능하다.
이어서, PU 경질 발포체는 적은 개방 기공 구조 및 높은 가교 정도에 의해 PU 가요성 발포체와 구별된다. PU 경질 발포체는 상당한 양의 무기 충전제 물질을 추가로 함유할 수 있다.
필요한 발포 부품은 유리판의 적합한 선택을 통해 또는 몰드 내 발포를 통해 수득가능하다. 별법으로, 이들은 팽창된 발포체의 시트를 절단, 톱질 또는 밀링함으로써 수득된다. 하나의 시트로부터 둘 이상의 발포 부품을 절단해내는 것이 바람직할 수 있다.
경질 발포 물질의 밀도는 비교적 자유롭게 선택가능하다. PMI 발포체는 예를 들어 25 내지 220 kg/m3의 밀도 범위에서 사용될 수 있다.
표면에 개방 기공을 갖는 톱질, 절단 또는 밀링된 발포 코어의 조각은 몰드 내 발포에 의해 생성된 것들에 비해 이점을 갖는다. 수지-함침 섬유와 접촉시, 여전히 불완전하게 경화된 수지 중 일부가 발포 코어 표면에서 이러한 개방 기공으로 침투할 것이다. 이는 경화가 완료되면 발포 코어와 피복 물질 사이의 계면에서 특히 강한 접착력이 수득된다는 이점을 갖는다.
원칙적으로, 본 발명의 경질 발포체 작업편은 매우 많은 용도를 갖는다.
국소적으로 압밀되는 제1 변형에 의해 수득된 작업편은 또한 일체형의 구조를 갖는 발포체로서 지칭될 수 있다. 복합 물질의 추가의 변형에서뿐만 아니라 이들은 (복합) 구조 부품을 둘러싸는 물질의 주변 구조로 힘을 도입하는 계면을 부착시킬 경우에 따른 적용분야에서 특별히 유용하다. 이는 예를 들어 금속 또는 다른 플라스틱으로 이루어진 구조 부품이 발포 물질 및/또는 복합물에 결합되는 임의의 고려할 수 있는 디자인에 적용된다. 이러한 전제조건은 자동차 건설, 항공우주 기법, 선박 건설, 궤도 차량의 디자인, 기계 공학, 의약 장치 공학, 가구제조, 풍력 시스템의 건설 또는 엘리베이터 건설의 영역에서 특히 나타난다.
심지어 일체형의 구조를 갖지 않는 제2 변형의 복합 물질은 특히 물질 제조에서, 예를 들어 차체 건설을 위해 또는 자동차 산업에서의 내장 트림, 궤도 차량 또는 선박 건설에서의 내장 부품을 위해, 항공우주 산업에서, 기계 공학에서, 가구 건설에서 또는 풍력 시스템의 디자인에서 적용분야를 찾을 수 있다.
이어서, 경질 발포체를 포함하는 중공체는 예를 들어 배터리 케이싱, 에어컨에서의 공기 도관에서 또는 풍력 회전 날개의 공기 역학적 하위 조립체로서 (예를 들어 후단 에지로서) 사용될 수 있다. 그러나, 상기 언급된 산업에서의 적용을 또한 고려할 수 있다.
도 1: 발포 코어를 갖는 섬유-강화 플라스틱의 제조
A: 가열 단계; B: 성형
(1) 성형 툴의 상부 부분
(2) 성형 툴의 저부 부분
(3) 상부 가열기 (NIR 라디에이터)
(4) 저부 가열기 (NIR 라디에이터)
(3a) 및 (4a) 경로로부터 이동한 가열기
(5) 발포 코어
(6) 클램핑 프레임
(7) 외부 층
도 2: 발포체를 부분적으로 압밀시키는 일체형 구조의 제조
A: 가열 단계; B: 성형
(1) 성형 툴의 상부 부분
(2) 성형 툴의 저부 부분
(3) 상부 가열기 (NIR 라디에이터)
(4) 저부 가열기 (NIR 라디에이터)
(3a) 및 (4a) 경로로부터 이동한 가열기
(5) 발포체
(6) 클램핑 프레임
도 3: 중공체의 성형
A: 가열 단계; B: 성형
(1) 성형 툴의 상부 부분
(2) 성형 툴의 저부 부분
(3) 상부 가열기 (NIR 라디에이터)
(4) 저부 가열기 (NIR 라디에이터)
(3a) 및 (4a) 경로로부터 이동한 가열기
(5) 발포체 (여기서, 상부 부분을 위한 제1 작업편)
(6) 클램핑 프레임
(8) 발포체 (저부 부분을 위한 제2 작업편)
도 4: 발포체의 진공 성형
A: 가열 단계; B: 성형
(2) 성형 툴의 저부 부분
(3) 상부 가열기 (NIR 라디에이터)
(4) 저부 가열기 (NIR 라디에이터)
(4a) 경로로부터 이동한 저부 가열기
(5) 발포체
(6) 클램핑 프레임
(7) 외부 층
(9a) 양의 압력하의 기계 공간
(9b) 음의 압력 (진공)하의 기계 공간
<예시적 실시양태>
이제, 본 발명의 특정한 몇몇 실시양태를 일반적인 용어로 기재할 것이다. 이들은 또한 실시예를 포함한다. 상응하는 시험은 성공적으로 수행되었다.
실시예 1: 발포 코어를 갖는 섬유-강화 플라스틱의 제조 (복합 구조 부품)
예를 들어, 가이쓰 아게(Geiss AG)로부터의 T8 모델과 같은 이중 시트 성형기 상에서 방법을 수행한다. 성형기는 다음의 구성을 갖추었다:
플래쉬 라디에이터 (NIR; 0.78-1.40 μm)를 구비한 가열 영역
조정가능한 작업공간 윈도우
높이-조정가능한 상부 가열기
성형력 30 미터법 톤 (min.), 모터 구동장치
가열가능하고 냉각가능한 성형 몰드
본 실시양태를 예시하기 위한 도 1을 참조한다.
일반적으로, 선택되는 공정 변수는 개개의 경우에서 사용한 장비의 배치에 좌우된다. 이들은 예비 시험에서 결정되어야 한다. 기준 온도 TF는 PMI 발포 매트릭스의 Tg(S), 외부 층의 성형 온도, 상부 가열기의 높이 설정에 좌우된다 Tg(S)≤ TF (상부 가열기의 온도). 상부 가열기와 발포 매트릭스 사이의 거리가 클수록, 상부 가열기에 더 높은 온도가 설정되어야 한다. 구조 부품의 부분적인 영역의 성형성 (Ug)에 따라, 라디에이터 영역 강도 (I)를 또한 변화시킬 수 있다. 라디에이터 영역 강도 I는 클램핑 장치 부근의 가장자리에서 100%에 근접하도록 선택되어 물질을 지속적으로 유동시키고, 동시에 물질의 클램핑 하향 상태를 지속한다.
외부 층의 레이업: 상이한 외부 물질을 발포 코어의 한 측면 또는 양 측면에 적용할 수 있다. 예에는 발포체 표면에 결합할 수 있는 열가소성 상, 또는 열가소성 외부 층, 예컨대 PC, PMMA, PVC 또는 다른 열가소적으로 성형가능한 플라스틱이 부여되는 다양한 섬유 유형 또는 섬유 블렌드 제조된 복합물 (및 유기패널 또는 유기시트로 공지됨)로부터의 드레이핑가능한 제직물/스크림이 포함된다. 이는 임의로는 접착 촉진제로서 고온-용융 접착제 필름 또는 웹을 사용하여 행해질 수 있다. 특정한 실시예에서, 본드 라미네이츠(Bond Laminates) (테펙스(Tepex)® 다이날라이트(Dynalite) 102-RG600)로부터의 유기판 또는 유기시트의 800 μm 두께의 층을 상부 및 저부에 사용하였다. 추가의 실시예는 렉산(Lexan) 폴리카르보네이트 시트를 1500 μm 두께로 양 측면 상에서 사용하였다.
절차: 사용된 발포 코어는 51 kg/m3의 밀도 및 15 mm의 두께를 갖는 에보니크 인더스트리즈 아게로부터의 로하셀® S 유형의 PMI 발포체였다. 클램핑 장치는 바람직하게는 알루미늄형 접착제 테이프 또는 고광택 스테인리스강 패널로 인해 내부 표면 상에 거울 마감재를 가져야 했다. 외부 층의 포맷 크기는 윈도우 크기에 대한 설정에 좌우되고, 외부 층이 길이 및 너비에 있어서 약 5 cm만큼 윈도우와 겹치고 이에 따라 클램핑 프레임으로 잡힐 수 있게 결정된다. 성형하고자 하는 발포 코어를 외부 층과 함께 작업 윈도우 위에 위치시키고, 그것을 제자리에 고정시키기 위해 클램핑 프레임을 낮춘다.
PMI 발포체를 210℃ 성형 온도로 가열하는 동안, 외부 층이 파도 모양을 이루기 시작하는 것을 관찰할 수 있다. 지속적인 가소화의 개시에서, 압축 공기의 개개의 펄스를 기계 공간에서 소성시켜 저부 가열기 상으로 처지는 것을 방지한다. 외부 층의 요건에 따라, 외부 물질이 드레이핑할 수 있는 상태로 가소적으로 변형되도록 약 3 내지 4 분 후 열적 라디에이터의 기준 온도 및 강도를 변화시킬 수 있다. 이어서, 간단히 기준 온도를 대략 추가로 5℃만큼 올려서 물질에 더 큰 잔류 열을 부여한다.
가열 단계를 완료하면, 저부 및 상부 가열 영역을 툴 절반부의 작업 범위로부터 이동시키고 120℃ 내지 150℃의 온도로 온도-조절되는 툴의 폐쇄 이동을 가능한한 빠르게 수행한다. 이러한 방식으로, 툴 기하구조를 따라 외부 층의 성형 및 드레이핑을 하나의 작업으로 수행한다. 툴을 80℃ 미만으로 냉각시킨 후, 구조 부품을 최종적으로 제거할 수 있다. 툴을 재가열한 후, 다음 복합 구조 부품의 제조를 시작할 수 있다.
실시예 2: 국소적으로 압밀시킨 발포 물질의 제조 (일체형 구조)
예를 들어, 실시예 1에 기재된 바와 동일한 가이쓰 아게 모델 T8 이중 시트 성형기 상에서 방법을 수행하였다. 역시, 선택되는 공정 변수는 일반적으로 개개의 경우에서 사용한 장비의 배치에 좌우된다. 기준 온도 TF는 실시예 1에서의 상응하는 언급과 유사하게 적용된다. 본 실시양태를 예시하기 위한 도 2를 참조한다.
절차: 본 실시예에서는 110 kg/m3의 밀도를 갖는 에보니크 인더스트리즈 아게로부터의 로하셀® IG 유형의 PMI 발포체를 사용하였다. 물질의 초기 두께는 60 mm였다. 물질을 부분적으로 압밀하는 툴에서 융기된 콘을 통해 약 25 mm의 직경에 걸쳐 34 mm 두께로 부분적인 압밀을 달성하였다. 또한, 툴 기하구조를 약 6 min의 사이클 시간 동안 좁은 반경 및 상당한 압밀 정도로 구조 부품의 다른 부분에서 재현하였다.
또한, 클램핑 장치는 바람직하게는 알루미늄형 접착제 테이프 또는 고광택 스테인리스강 패널로 인해 내부 표면 상에 거울 마감재를 가져야 했다. 발포체의 포맷 크기는 윈도우 크기에 대한 설정에 좌우되고, 발포체 포맷이 길이 및 너비에 있어서 약 5 cm만큼 윈도우와 겹치고 이에 따라 클램핑 프레임으로 잡힐 수 있게 결정된다. 성형하고자 하는 발포체 포맷을 작업 윈도우 위에 위치시키고, 그것을 제자리에 고정시키기 위해 클램핑 프레임을 낮춘다.
부분적인 압밀 정도에 따라, 예를 들어 삽입부와 같은 부속품을 도입하고자 하는 부분에서, 예를 들어 열 강도를 개작할 수 있다. 본 특정한 실시예에서는, 190℃의 온도로의 플래쉬 라디에이터 (NIR; 0.78-1.40 μm)를 이용한 초기 가열 단계가 있었다. 지속적인 가소화의 개시에서, 압축 공기의 개개의 펄스를 15 mm 이하의 발포체 두께에서 기계 공간에서 소성시켜 저부 가열기 상으로의 처짐을 방지한다. 가열 단계 후, 간단히 기준 온도를 대략 추가로 5-10℃만큼 올려서 물질에 더 큰 잔류 열을 부여한다.
성형을 위해, 가열 단계를 완료하면, 저부 및 상부 가열 영역을 툴 절반부의 작업 범위로부터 이동시키고 120℃ 내지 150℃의 온도로 온도-조절되는 툴의 폐쇄 이동을 가능한한 빠르게 수행한다. 이러한 방식으로, 구조 부품의 개개의 부분의 성형 및 동시 압밀을 하나의 작업으로 수행한다. 동일한 작업에서, 동시에 삽입부를 도입할 수 있다.
툴을 80℃ 미만으로 냉각시킨 후, 구조 부품을 최종적으로 제거할 수 있다. 툴을 재가열한 후, 다음 섬유-플라스틱 복합 구조 부품의 제조를 시작할 수 있다.
실시예 3: 중공체의 성형
예를 들어 실시예 1에 기재된 바와 동일한 가이쓰 아게 모델 T8 이중 시트 성형기 상에서 방법을 수행하였다. 역시, 선택되는 공정 변수는 일반적으로 개개의 경우에서 사용한 장비의 배치에 좌우된다. 기준 온도 TF는 실시예 1에서의 상응하는 언급과 유사하게 적용된다. 본 실시양태를 예시하기 위한 도 3을 참조한다.
절차: 본 실시예에서는 110 kg/m3의 밀도를 갖는 에보니크 인더스트리즈 아게로부터의 로하셀® IG 유형의 PMI 발포체를 사용하였다. 두 발포체 포맷의 초기 두께는 각각의 경우에 15 mm였다.
또한, 클램핑 장치는 바람직하게는 알루미늄형 접착제 테이프 또는 고광택 스테인리스강 패널로 인해 내부 표면 상에 거울 마감재를 가져야 했다. 발포체의 포맷 크기는 윈도우 크기에 대한 설정에 좌우되고, 발포체 포맷이 길이 및 너비에 있어서 약 5 cm만큼 윈도우와 겹치고 이에 따라 클램핑 프레임으로 잡힐 수 있게 결정된다. 두 발포체 포맷을 기계의 이중 시트 프레임으로 도입한다. 결합시켜 중공체를 형성하고자 하는 발포체 포맷을 작업 윈도우 위에 위치시키고, 그것을 제자리에 고정시키기 위해 클램핑 프레임을 낮춘다.
성형 정도에 따라, 열 강도를 개작할 수 있었다. 이 특정한 실시예에서는, 195℃의 온도로의 플래쉬 라디에이터 (NIR; 0.78-1.40 μm)를 이용하는 초기 가열 단계가 있었다. 지속적인 가소화의 개시에서, 압축 공기의 개개의 펄스를 15 mm 이하의 발포체 두께에서 기계 공간에서 소성시켜 저부 가열기 상으로의 처짐을 방지한다. 가열 단계 후, 간단히 기준 온도를 대략 추가로 5-10℃만큼 올려서 물질에 더 큰 잔류 열을 부여한다.
성형을 위해, 가열을 완료하면, 저부 및 상부 가열 영역을 툴 절반부의 작업 범위로부터 이동시키고 120℃ 내지 150℃의 온도로 온도-조절되는 툴의 폐쇄 이동을 가능한한 빠르게 수행한다. 가소적으로 변형가능한 발포체의 패널을 상부 및 저부 툴의 툴 내부 벽 상으로 흡인함으로써 성형을 수행한다. 동시에, 툴 기하구조에 대한 디자인 수단을 통해 발포체 포맷들이 주변부를 따라 함께 용접되게 한다. 방법에서 중공체는 둘레를 따르는 방식으로 툴 기하구조를 재현하였고, 주변부 가장자리에서 함께 용접되어 균질한 발포체 구조가 이음매 없이 형성되었다.
툴을 80℃ 미만의 온도로 냉각시킨 후, 구조 부품을 제거할 수 있다. 툴을 재가열한 후, 다음 섬유-플라스틱 복합 구조 부품의 제조를 시작할 수 있다.
실시예 4: 중공체의 진공 성형
예를 들어 실시예 1에 기재된 바와 동일한 가이쓰 아게 모델 T8 이중 시트 성형기 상에서 방법을 수행하였다. 역시, 선택되는 공정 변수는 일반적으로 개개의 경우에서 사용한 장비의 배치에 좌우된다. 기준 온도 TF는 실시예 1에서의 상응하는 언급과 유사하게 적용된다. 본 실시양태를 예시하기 위한 도 4를 참조한다.
절차: 본 실시예에서는 71 kg/m3의 밀도를 갖는 에보니크 인더스트리즈 아게로부터의 로하셀® HF 유형의 PMI 발포체를 사용하였다. 성형물 포맷의 초기 두께는 5.6 mm였다. 본 발명의 이러한 실시양태는 바람직하게는 최대 10 mm의 두께의 성형물 포맷을 이용하였다.
또한, 클램핑 장치는 바람직하게는 알루미늄형 접착제 테이프 또는 고광택 스테인리스강 패널로 인해 내부 표면 상에 거울 마감재를 가져야 했다. 발포체의 포맷 크기는 윈도우 크기에 대한 설정에 좌우되고, 발포체 포맷이 길이 및 너비에 있어서 약 5 cm만큼 윈도우와 겹치고 이에 따라 클램핑 프레임으로 잡힐 수 있게 결정된다. 두 발포체 포맷을 기계의 이중 시트 프레임으로 도입한다. 결합시켜 중공체를 형성하고자 하는 발포체 포맷을 작업 윈도우 상부에 위치시키고, 그것을 제자리에 고정시키기 위해 클램핑 프레임을 낮춘다.
성형 정도에 따라, 열 강도를 개작할 수 있다. 이 특정한 실시예에서는, 210℃의 온도로의 플래쉬 라디에이터 (NIR; 0.78-1.40 μm)를 이용하는 초기 가열 단계가 있었다. 지속적인 가소화의 개시에서, 압축 공기의 개개의 펄스를 기계 공간에서 소성시켜 이에 따라 발포체 버블을 발생시킨다.
성형을 위해, 가열 단계를 종료한 후, 오직 저부 가열 영역만을 툴 절반부의 작업 범위로부터 이동시키고, 성형 툴을 발포체 버블의 바로 아래로부터 제거한다. 이어서, 툴을 버블 아래에 위치시킨다. 이어서, 기계 공간을 가능한한 신속하게 탈기시킨다. 상부에 남아있는 공기 컬럼은 발포체가 툴 윤곽에 걸쳐 당겨지도록 한다. 성형의 전체 기간 동안, 상부 가열기를 그의 작업 위치에 두어 발포체가 냉각되는 것을 방지하였다. 툴을 80℃ 이하로 냉각시킨 후, 구조 부품을 제거할 수 있었고, 툴을 다시 가열한 후, 다음 구조 부품의 제조를 시작할 수 있었다.
이에 따라 제조된 약 260 nm의 내부 높이를 갖는 기하구조는 예를 들어 헬리콥터 레이돔의 노즈 부분을 구성한다.

Claims (10)

  1. a) 외부 물질과 이들 사이에 발포 코어를 갖는 임의의 복합 플라이 제작 단계,
    b) 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 근적외 방사선 (NIR 방사선)을 조사함으로써 발포된 물질을 가열하는 단계,
    c) 성형 툴로 성형하는 단계,
    d) 최종 작업편을 냉각시키고 이형시키는 단계
    를 포함하는, PMI를 포함하는 발포된 물질의 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    가열 및 성형은 별도의 두 개의 툴에서 수행되고,
    a) 외부 물질과 이들 사이에 발포 코어를 갖는 임의의 복합 플라이 제작 단계,
    b1) 성형 툴과 분리된 가열 툴 내로 도입시키는 단계,
    b2) 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 근적외 방사선 (NIR 방사선)을 조사함으로써 발포된 물질을 가열하는 단계,
    c1) 발포된 물질을 성형 툴 내로 이송하는 단계,
    c2) 툴로 성형하는 단계, 및
    d) 최종 작업편을 냉각시키고 이형시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    가열 및 성형은 하나의 툴에서 수행되고,
    a) 외부 물질과 이들 사이에 발포 코어를 갖는 임의의 복합 플라이 제작 단계,
    b1) 제거가능한 가열 영역이 장착된 성형 툴 내로 도입시키는 단계,
    b2) 0.78 내지 1.40 μm의 파장을 갖는 근적외 방사선 (NIR 방사선)을 조사함으로써 발포된 물질을 가열하는 단계,
    c1) 성형 툴의 작업 범위로부터 열을 제거하는 단계,
    c2) 툴로 성형하는 단계, 및
    d) 최종 작업편을 냉각시키고 이형시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 d)가 진공-성형 공정을 포함하는 것인 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 d)가 발포된 물질의 국소적인 압밀을 제공하는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 발포된 물질의 둘 이상의 별도의 조각을 처음에 충전하고, 단계 d)에서 이들 조각으로부터 중공 물품을 성형하는 것인 방법.
  8. 제4항에 있어서, 단계 c)가 압축 공기로 예비성형하기 직전에 선행되거나 직후에 뒤따르는 것인 방법.
  9. 제4항에 있어서, 단계 a)가 수행되고 섬유-강화 플라스틱이 외부 물질로서 사용되는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 플라스틱이 PP, PE, PC, PVC, 에폭시 수지, 이소시아네이트 수지, 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 또는 폴리아미드를 포함하고, 섬유 물질이 탄소, 유리, 중합체성 또는 아라미드 섬유를 포함하는 것인 방법.
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