KR102184462B1 - 수지이송성형용 금형 - Google Patents

Abstract

프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화할 수 있는 수지이송성형용 금형에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 수지이송성형용 금형은 프리폼(preform)을 수용하는 하부 금형; 및 상기 하부 금형 상에 결합하여 상기 프리폼을 고정시키는 상부 금형;을 포함하고, 상기 상부 금형은 수지 주입구를 포함하고, 상기 상부 금형에는 하부 금형과 마주보는 외곽부에 배치되며, 상기 상부 금형과 하부 금형 결합 시, 수지 주입구를 통해 주입된 수지가 밀폐되도록 하기 위한 실링(sealing)재가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

수지이송성형용 금형{MOLD FOR RESIN TRANSFER MOLDING}

본 발명은 금형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화할 수 있는 수지이송성형용 금형에 관한 것이다.

수지이송성형(Resin Transfer Molding, RTM)은 섬유로 구성되는 프리폼(preform)을 미리 제작한 후, 이를 금형 내에 넣고 수지를 주입 및 프리폼에 함침시키고, 경화하는 방법으로 수행되며, 이를 통해 기계적 성질이 우수한 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있다.

수지이송성형(RTM) 공정에서 금형 내의 프리폼을 고정시키기 위해서는 상부 금형(cavity) 외곽부에 요철 구조가 형성된다.

요철 구조가 형성된 상부 금형은 상부 금형과 하부 금형 결합 시, 결합된 금형 내부로 주입되는 수지의 흐름을 완전히 차단하지 못하기 때문에, 수지가 프리폼 쪽이 아닌 금형의 외곽 방향으로 빠져나가게 된다.

이에 따라, 수지가 함침된 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상이 발생하고, 프리폼에 수지가 불균일하게 함침되어 섬유강화 복합재료의 외관이 우수하지 못한 문제점이 발생한다.

따라서, 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화하여 미려한 외관의 제품 생산이 가능한 금형의 디자인이 필요한 실정이다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제 10-1618959호(2016.04.29. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 섬유강화복합소재 제조용 프리폼 금형 구조체가 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 수지이송성형 공정 시 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화하여, 섬유강화 복합재료의 최적 설계가 가능한 수지이송성형용 금형을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수지이송성형용 금형은 프리폼(preform)을 수용하는 하부 금형; 및 상기 하부 금형 상에 결합하여 상기 프리폼을 고정시키는 상부 금형;을 포함하고, 상기 상부 금형에는 하부 금형과 마주보는 외곽부에 배치되며, 상기 상부 금형과 하부 금형 결합 시, 수지 주입구를 통해 주입된 수지가 밀폐되도록 하기 위한 실링(sealing)재가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 실링재는 실리콘 재질일 수 있다.

상기 실링재의 쇼어 A 경도(shore A hardness)는 50~80일 수 있다.

상기 실링재의 두께는 0.5~1.5mm일 수 있다.

상기 실링재의 폭은 0.5~1cm일 수 있다.

본 발명에 따른 수지이송성형용 금형은 하부 금형과 마주보는 상부 금형의 외곽부에 최적의 두께와 폭을 갖는 실링재을 형성함으로써, 수지의 흐름이 금형의 외곽 방향으로 빠져나가지 않고 프리폼을 통해서만 진행된다.

이에 따라, 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화할 수 있으며, 수지의 소모량을 최소화하여 원가 절감이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 상부 금형의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형에서 실리콘 재질의 실링재를 적용한 후 수지의 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 4는 종래, 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형에서 실링재 미적용 시 수지의 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 5는 하부 금형과 마주보는 상부 금형의 표면이 곡면인 상부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 상부 금형에 실리콘 재질의 실링재를 적용한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 수지이송성형용 금형 내에 수지가 함침된 프리폼을 나타낸 사진이다.
도 8은 비교예 1에 따른 요철을 포함하는 상부 금형을 나타낸 사진이다.
도 9는 비교예 1에 따른 수지가 함침된 프리폼을 나타낸 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수지이송성형용 금형에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래에는 수지이송성형(RTM) 시, 금형 내의 섬유로 형성된 프리폼을 고정시키기 위해 상부 금형의 외곽부에 요철을 갖는 구조가 대부분이었다. 요철은 금형과 비슷한 금속 재질로 형성되거나, 탄성을 갖는 재질로 형성되는데, 금속 재질의 요철을 갖는 금형은 금형 외곽부에서 수지의 흐름을 완전히 차단하지 못하는 문제점이 있다.

이로 인해, 수지가 금형의 외곽 방향으로 빠져나가게 되고 프리폼의 섬유 배향이 불균형해지면서 섬유강화 복합재료의 강도 저하, 외관 악화를 초래하게 된다.

섬유강화 복합재료는 고강도를 가지면서 경량화를 가진 소재로 주로 자동차 부품 등에 적용되며, 점차 그 수요가 늘어나고 있다.

본 발명에서는 수지이송성형(RTM) 시, 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화하여 미려한 외관의 섬유강화 복합재료의 생산이 가능하고, 섬유강화 복합재료의 최적 설계가 가능하도록 하기 위한 수지이송성형용 금형을 제공하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수지이송성형용 금형(100)은 프리폼(preform, 10)을 수용하는 하부 금형(20); 및 상기 하부 금형(20) 상에 결합하여 상기 프리폼(10)을 고정시키는 상부 금형(30);을 포함한다.

본 발명의 하부 금형(20)와 상부 금형(30)은 강성이 있는 재질로 형성될 수 있으며, 열, 압력에 의한 수축, 변형, 변색 및 표면 스크래치가 적은 재질이 바람직하다. 예를 들어, 하부 금형(20)과 상부 금형(30)은 공구강(tool steel) 및 고속도강(high speed steel)의 H-13, S-7, A-2, D-2 등으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 상부 금형(30)은 프리폼(10)의 형상에 따라 상부 금형(30)의 형상을 달리할 수 있다. 예를 들어, 도 5에서와 같이, 프리폼(10)의 상부면이 곡면인 경우, 하부 금형(20)과 마주보는 상부 금형(30)의 표면 및 실링재(50)의 표면이 곡면일 수 있다.

상기 상부 금형(30)은 액상의 수지를 수지이송성형용 금형(100)에 주입하기 위해 수지 주입구(40)를 포함한다. 수지 주입구(40)는 상부 금형(30)의 외곽부 또는 중앙에 위치할 수 있다.

수지 주입구(40)를 통해 주입되는 수지로는 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열경화성 수지가 주로 사용될 수 있으며, 이외에도 폴리아마이드 수지, 폴리에스터 수지 등의 인시츄(In-situ) 공법이 적용 가능한 다양한 수지 종류가 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 상부 금형(30)은 하부 금형(20)과 마주보는 외곽부에 실링(sealing)재(50)를 형성하는 것이 바람직하다.

상부 금형(30)에 형성되는 실링재(50)는 상기 상부 금형(30)과 하부 금형(20) 결합 시, 프리폼을 고정시킴과 동시에 수지 주입구(40)를 통해 주입된 수지를 밀폐시키는 것을 특징으로 한다.

상기 실링재(50)는 프리폼(10)의 외곽 둘레를 완전히 포갤 수 있는 크기로 형성되거나, 프리폼(10)의 외곽 둘레보다 0.1~1cm 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 프리폼(10)의 크기가 10Х10cm인 경우, 실링재의 크기는 9.9Х10cm이거나, 9Х9cm일 수 있다.

또한, 프리폼(10)의 두께는 실링재(50)의 두께와 동일하거나, 실링재(50)의 두께보다 작을 수 있다.

이러한 실링재(50)는 100~200℃에서 내열성을 갖는 실리콘 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 이 온도 범위에서 색상의 변화 및 박리 현상이 발생하지 않는 실리콘 재질인 것이 바람직하다. 실링재(50)는 상부 금형(30)에 액상의 실리콘을 도포하여 완전 경화하거나, 이미 만들어진 형태의 완전 경화된 실리콘을 상부 금형(30)에 부착할 수도 있다.

실링재(50)는 수지의 밀봉을 최대화하기 위해, 50~80의 쇼어 A 경도(shore A hardness, Hs)를 갖는 것이 바람직하다.

쇼어 A 경도가 50 미만인 경우, 너무 낮은 경도에 의해 실링재가 쉽게 변형될 수 있으며, 80를 초과하는 경우, 경도가 높아짐에 따라 밀폐 효과가 저하되어 수지가 금형의 외곽 방향으로 국부적으로 빠져나갈 수 있다.

쇼어 경도는 쇼어 경도측정기를 이용하여 탄성체의 경도를 측정할 수 있으며, 다양한 형태의 바늘(인덴터, indentor)을 물체에 찌른 후 튀어오르는 정도를 경도의 수치로 나타낸다. 예를 들어, 일정한 높이 ho로부터 선단에 다이아몬드를 붙인 작은 해머를 시험하는 시험면 위에 낙하시켜서, 그 튀어오르는 높이 h에 의해 경도를 표시한다. 일반적으로 쇼어 A 경도는 소프트(soft)한 소재에 주로 사용되고, 쇼어 D 경도는 하드(hard)한 소재에 주로 사용된다.

또한, 도 1 내지 도 3에서와 같이, 상기 실링재(50)의 두께(d₁)는 0.5~1.5mm인 것이 바람직하다.

실링재(50)의 두께(d₁)는 상부 금형(30) 표면에서 돌출된 높이로, 0.5mm 미만인 경우, 수지가 금형의 외곽 방향으로 빠져나가는 현상이 발생할 수 있다. 반대로, 1.5mm를 초과하는 경우, 수지가 금형의 외곽 방향으로 빠져나가는 현상은 완화되나 실링재의 내열성, 표면경도가 저하되는 등 수명이 짧아지는 단점이 있다.

또한, 상기 실링재(50)의 폭(d₂)은 0.5~1cm인 것이 바람직하다. 실링재(50)의 폭(d₂)이 0.5cm 미만인 경우, 폭이 너무 작아져 수지가 금형의 외곽 방향으로 국부적으로 빠져나갈 수 있다. 반대로, 1cm를 초과하는 경우, 폭이 넓어지면서 수지가 금형의 외곽 방향으로 빠져나가는 현상은 완화되나 프리폼의 외곽 둘레에 편평한 부위(trimming)의 면적이 넓어질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형에서 실리콘 재질의 실링재를 적용한 후 수지의 흐름을 나타낸 개략도이다.

도 4는 종래, 상부 금형과 하부 금형을 포함하는 수지이송성형용 금형에서 실링재 미적용 시 수지의 흐름을 나타낸 개략도이다.

도 3에서와 같이, 상부 금형(30)의 외곽부에 실링재(50)를 형성함으로써, 수지의 밀봉 효과를 증대시킬 수 있으며, 수지의 흐름이 균일한 방향을 나타낸다. 이에 따라, 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 방지할 수 있음을 예측할 수 있다.

반면, 실링재를 미적용한 도 4에서는 금형의 외곽 방향에서 수지의 흐름이 불균일한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 수지이송성형용 금형(100)을 이용한 수지이송성형(RTM) 공정은 다음과 같이 수행될 수 있다.

먼저, 하부 금형(20)에 제품의 예비 성형체인 프리폼(10)을 위치시킨 후, 실링재가 형성된 상부 금형(30)을 닫는다.

다음으로, 수지 주입구(40)를 이용하여 금형(100) 내부로 수지를 주입한다.

이때, 1~20MPa의 고압으로 수지를 주입할 수 있으며, 프리폼의 내부까지 수지가 함침될 수 있다.

주입된 수지는 프리폼에 균일하게 함침되며, 이 후 실링재(50)가 형성된 상부 금형(30)을 분리하고 원하는 형상의 섬유강화 복합재료를 제조한다. 경화는 함침과 동시에 대략 70~200℃에서 수행될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 수지이송성형용 금형은 상부 금형의 외곽부에 형성된 실링재가 프리폼을 고정시킴과 동시에 주입된 수지가 밀폐되도록 함으로써, 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상을 최소화할 수 있으며, 수지의 소모량을 최소화하여 원가 절감이 가능한 효과가 있다.

이와 같이 수지이송성형용 금형에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

1. 섬유강화 복합재료의 제조

실시예 1

먼저, 실리콘 재질의 실링재(SR3300)가 외곽 방향에 형성된 상부 금형(H-13)을 마련한다.

실링재의 두께는 0.5mm이고, 폭은 0.5cm이다. 실링재의 쇼어 A 경도는 50이다.

다음으로, 0.5mm의 두께를 갖는 프리폼을 하부 금형(H-13)에 위치시킨 후 상부 금형을 닫는다. 수지 주입구를 이용하여 금형 내부로 속경화형 폴리프로필렌 수지를 주입한다.

이때, 10MPa의 압력으로 상기 수지를 주입한다.

주입된 수지는 프리폼에 균일하게 함침되며, 이를 120℃에서 3분 동안 경화시킨다. 이후, 상부 금형을 분리하여 섬유강화 복합재료를 제조한다.

실시예 2

실링재의 두께는 1.5mm이고, 폭은 1cm이고, 쇼어 A 경도는 80인 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 섬유강화 복합재료를 제조하였다.

비교예 1

실링재를 형성하지 않고, 두께 1.0mm, 폭 1cm인 알루미늄 재질의 요철을 상부 금형에 일부 형성한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 섬유강화 복합재료를 제조하였다.

2. 결과

도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 상부 금형에 실리콘 재질의 실링재를 적용한 사진이고, 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 수지이송성형용 금형 내에 수지가 함침된 프리폼을 나타낸 사진이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상부 금형의 외곽 방향에 실리콘 재질의 실링재를 형성한 경우, 프리폼의 섬유 뒤틀림 현상이 발생하지 않고, 프리폼에 수지가 균일하게 함침되어 경화된 것을 확인할 수 있다.

도 8은 비교예 1에 따른 요철을 포함하는 상부 금형을 나타낸 사진이고, 도 9는 비교예 2에 따른 수지이송성형용 금형 내에 수지가 함침된 프리폼을 나타낸 사진이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 수지가 프리폼에 불균일하게 함침되거나 외곽부 방향에 섬유의 뒤틀림 현상이 발생한 것을 확인할 수 있다.

따라서, 실시예 1, 2와 비교예 1의 물성 결과로부터, 상부 금형의 외곽부에 두께와 폭이 최적의 범위로 설계된 실리콘 재질의 실링재를 형성하는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 : 프리폼
20 : 하부 금형
30 : 상부 금형
40 : 수지 주입구
50 : 실링재
100 : 수지이송성형용 금형

Claims (5)

1. 프리폼(preform)을 수용하는 하부 금형; 및
   상기 하부 금형 상에 결합하는 상부 금형;을 포함하고,
   상기 상부 금형은 수지 주입구를 포함하고,
   상기 상부 금형에는
   하부 금형과 마주보는 외곽부에 배치되며, 상기 상부 금형과 하부 금형 결합 시, 상기 프리폼을 고정시킴과 동시에 수지 주입구를 통해 주입된 수지가 밀폐되도록 하기 위한 실링(sealing)재가 형성되며,
   상기 실링재에 의해 상기 주입된 수지의 흐름이 균일한 방향을 가지며,
   상기 실링재는 실리콘 재질이며,
   상기 실링재의 쇼어 A 경도(shore A hardness)는 50~80인 것을 특징으로 하는 수지이송성형용 금형.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 실링재의 두께는 0.5~1.5mm인 것을 특징으로 하는 수지이송성형용 금형.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 실링재의 폭은 0.5~1cm인 것을 특징으로 하는 수지이송성형용 금형.
   

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