KR102218842B1 - 반자동 막-보조 압축 성형 공정 - Google Patents
반자동 막-보조 압축 성형 공정 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 액추에이터와 조합된 반자동 막-보조 압축 성형 공정을 위한 시스템 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은, 분리 가능한 몰딩 부재를 갖고 그 위에 섬유 보강재(1)가 배치되는 하부 몰드(2); 하나 이상의 분리 가능한 액추에이터(7)를 포함하는 상부 몰드(3)로서, 각각의 액추에이터(3)의 말단에 제조될 복합체의 국부 영역에 국부 압력을 가하기에 적합한 형상을 갖는 국부 몰딩 부재가 독립적으로 제공되는, 상부 몰드(3); 상기 몰딩 부재와 상기 국부 몰딩 부재 사이에 배치되고 상기 상부 몰드(3)와 밀폐식으로 연결되어 있는 가요성 막(4)으로서, 가압 장치에 의해 상기 가요성 막을 통해 상기 섬유 보강재에 전체 압력을 가할 수 있는, 가요성 막(4); 및 상기 섬유 보강재(1)에 경화성 재료를 도입하기 위한 주입 유닛;을 포함한다.
Description
본 출원은 "반자동 막-보조 압축 성형 공정"이라는 명칭의 2016년 9월 20일자로 제출된 중국 출원번호 201610835359.X의 우선권을 주장하며, 상기 특허 출원의 모든 내용은 참조로서 본원에 원용된다.
본 발명은 액추에이터와 조합된 반자동 막-보조 압축 성형 공정을 위한 시스템 및 이를 이용하는 방법을 제공한다.
폴리머 기반의 섬유 강화 복합체는 비중(specific gravity)이 낮고, 비강도(specific strength)와 비탄성계수(specific modulus)가 높아 자동차, 우주 항공, 운동 기계, 생체 의학 및 기타 분야에서 광범위하게 응용된다. 복합체의 제조 기술은 완제품에 요구되는 형상, 크기 및 특성에 따라 다양하다. 구조 강도 및 완제품의 불규칙한 형상을 고려할 때, 성형 공정은 주로 진공 백 몰딩 및 수지 이송 성형(RTM) 등을 포함한다. 복합체는 높은 섬유 체적비뿐만 아니라 우수한 물리적 및 기계적 성질을 가져야 한다.
진공 백 몰딩은, 폴리머 백 내에 밀폐된 보강재가 압착되도록 폴리머 백에 진공을 가함으로써 폴리머 백에 외기압을 작용시켜 수지가 보강재와 함침되도록 한다. RTM은 폴리머 막 대신 몰드를 사용한다. 섬유 보강재는 몰딩 공동에 배치되고, 수지는 압력에 의해 몰딩 공동 내로 주입되고, 유리 섬유 보강재와 함침되어 경화된 후에 방출된다.
섬유 보강재에 적용되는 압력은 복합체 제조에 중요하다. 한편으로는, 섬유 보강재는 몰드에 잘 부착될 수 있다. 다른 한편으로는, 섬유 재료는 압축될 수 있고 상기 복합체 내에서 체적비는 증가될 수 있다. 종래 기술에서는, 섬유 보강재의 제조 중에 진공 백 또는 강성 몰드의 각 부분에 일관된 압력이 가해진다. 그러나, 복잡한 형상을 갖는 물품의 경우, 모서리 또는 특정 형상에 위치한 섬유 보강재는 평평한 영역에 위치한 섬유 보강재보다 높은 압력을 필요로 한다. 따라서, 섬유 보강재의 다른 영역에 과도하게 높은 압력이 가해져 에너지 소비가 증가하고 제조된 재료의 불안전성을 야기한다.
세그먼트 몰드가 특정 국부 영역에 맞게 설계되면, 고압이 요구되는 영역에는 고압이 적용되고 다른 부분에는 일반적인 압력이 적용되도록 목적에 따라 상이한 영역의 섬유 보강재에 상이한 압력을 적용할 수 있다. 따라서, 시스템이 단순화될 수 있고, 보조 재료에 대한 에너지 소비 및 비용이 감소될 수 있으며, 더욱 유연하게 복합 재료를 제조할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는, 제조 중에 복합체의 상이한 영역에 가해지는 압력 및 그에 대응하는 값을 유연하게 조정할 필요가 있고, 또한 경화성 재료에 의한 섬유 보강재의 양호한 충전 및 함침을 보장할 필요가 있다.
본 발명의 제1 양태에 의하면, 하기를 포함하는 복합체 제조 시스템이 제공된다:
분리 가능한 몰딩 부재를 갖고 그 위에 섬유 보강재가 배치되는 하부 몰드;
하나 이상의 분리 가능한 액추에이터를 포함하는 상부 몰드로서, 각각의 액추에이터의 말단에 제조될 복합체의 국부 영역에 국부 압력을 가하기에 적합한 형상을 갖는 국부 몰딩 부개가 독립적으로 제공되는, 상부 몰드;
상기 몰딩 부재와 상기 국부 몰딩 부재 사이에 배치되고 상기 상부 몰드와 밀폐식으로 연결되어 있는 가요성 막으로서, 가압 장치에 의해 상기 가요성 막을 통해 상기 섬유 보강재에 전체(overall) 압력을 가할 수 있는, 가요성 막; 및
상기 섬유 보강재에 경화성 재료를 도입하기 위한 주입 유닛.
본 발명에 따른 실시 형태에서, 본 발명에 따른 시스템은 폐쇄(closing) 압력을 제어하기 위한 프레싱기를 더 포함한다. 본 발명에 따른 또 다른 실시 형태에서, 본 발명에 따른 시스템은 하부 몰드에 연결된 진공 유닛을 더 포함한다. 본 발명에 따른 다른 실시 형태에서, 본 발명에 따른 시스템의 가압 장치는 유체로 압력을 가한다. 본 발명에 따른 다른 실시 형태에서, 본 발명에 따른 시스템의 프레싱기 및 액추에이터는 유압 시스템에 의해 제어된다.
본 발명의 제2 양태에 의하면, 본 발명에 따른 시스템으로 수행될 수 있는 하기의 단계를 포함하는 복합체 제조 방법이 제공된다:
1) 하부 몰드의 몰딩 부재 상에 섬유 보강재를 제공하고, 가요성 막이 섬유 보강재에 부착되도록 상부 몰드 및 하부 몰드를 폐쇄하는 단계;
2) 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 압력을 가하는 단계;
3) 섬유 보강재에 경화성 재료를 주입하는 단계;
4) 주입 후, 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 과압을 가하는 단계; 및
5) 경화성 재료를 경화시켜 제조된 복합체를 수득하는 단계.
본 발명에 따른 실시 형태에서, 본 발명에 따른 방법은 3) 단계 이전 및 선택적으로 2) 단계 이후에 섬유 보강재에 진공을 가하는 단계 및 선택적으로 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 압력을 가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 형태에서, 전체 압력이 섬유 보강재에 가해지도록 단계 4)에서 유체로 가요성 막에 압력을 가할 수 있다
도 1은 본 발명에 따른 복합체의 제조 방법의 바람직한 실시 형태를 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 몰드의 개방 상태를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 몰드의 폐쇄 상태를 도시하는 개략도이다.
부호의 설명
1: 섬유 보강재
2: 하부 몰드
3: 상부 몰드
4: 가요성 막
5: 프레싱기
6: 진공 입구
7: 액추에이터
8: 경화성 재료 주입구
9: 유체 주입구
10: 방향
11: 온도 제어 시스템
단계 S100 - S106
도 2는 본 발명에 따른 몰드의 개방 상태를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 몰드의 폐쇄 상태를 도시하는 개략도이다.
부호의 설명
1: 섬유 보강재
2: 하부 몰드
3: 상부 몰드
4: 가요성 막
5: 프레싱기
6: 진공 입구
7: 액추에이터
8: 경화성 재료 주입구
9: 유체 주입구
10: 방향
11: 온도 제어 시스템
단계 S100 - S106
본 발명은 이하에서보다 상세히 설명되며, 이들 용어는 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해된다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 기술적 및 과학적 용어는 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 모순이 있는 경우, 본 출원에 의해 제공된 정의가 우선한다. 양, 농도 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 바람직한 수치 상한 및 바람직한 수치 하한의 형태로 표현될 때, 그것은 범위가 구체적으로 개시되는 것과 무관하게 임의의 상한 범위 또는 바람직한 값을 임의의 하한 범위 또는 바람직한 값과 조합함으로써 형성되는 임의의 범위를 구체적으로 개시하는 것과 동일하다는 것을 이해해야한다. 달리 명시하지 않는 한, 본원에 기재된 수치 범위는 범위의 끝점, 범위 내의 모든 정수 및 분수(소수)를 포함한다.
수치 변수와 관련하여 사용되는 용어 "약", "대략"은 일반적으로 변수의 값과 변수의 모든 값이 실험 오차 내(예: 평균값에 대해 95 % 신뢰 구간 내) 또는 지정된 값의 ± 10 % 이상의 범위 내에 있는 것을 의미한다.
"포함한다(comprise)", "내포한다(contain)", "포함한다(include)", "가지고 있다(have)" 등의 표현은 개방형으로서, 다른 미 나열된 부재, 단계 또는 성분을 배제하지 않는다. "~로 구성되는(consist of)"이라는 표현은 나열되지 않은 부재, 단계 또는 구성 부재는 제외한다. "~로 실질적으로 구성되는(substantially consist of)"이라는 표현은, 청구된 주제의 기본적이고 새로운 특징에 실질적으로 영향을 미치지 않는 임의의 부재, 단계 또는 성분과 함께, 소정 범위 내의 특정 부재, 단계 또는 성분을 지칭한다. "포함한다"라는 표현은 "~로 실질적으로 구성되는" 및 "~로 구성되는"이라는 표현을 포함하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따른 "경화성 재료"라는 용어는, 선택적으로 경화제, 예를 들어 지방족 아민(aliphatic amines), 방향족 아민(aromatic amines)의 존재하에서, 일부 조건 하에서 경화될 수 있는 재료를 의미한다. 경화 반응을 개시하기 위한 조건은 당업계에 공지되어 있으며, 가시광 경화, UV 경화, 열 경화 등을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 열 경화가 바람직하다. 바람직한 실시 형태에서, 경화성 재료는 에폭시 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 푸란 수지 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 수지이다.
본 발명에 따른 용어 "섬유 보강재"는 복합체의 골격으로서 작용할 수 있는 섬유 재료를 지칭하며, 예를 들어 하나 이상의 시트 재료(라미네이트)를 포함할 수 있다. 적용된 압력을 통해, 섬유 보강재는 몰드에 적용되어 원하는 모양으로 가공될 수 있다. 섬유 보강재의 예로는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 섬유 보강재의 다른 예는 패브릭(fabric), 직물(woven) 또는 단일 방향 섬유 보강재이다. 본 발명에 따른 시스템 및 방법으로 처리될 수 있는 재료는 프리프레그(prepreg)일 수 있다.
본 발명에 따른 용어 "가요성 막"은 작업 조건 하에서 가해지는 압력 및 온도를 견딜 수 있는 특정한 인성, 탄성, 강도 및 열 안정성을 갖는 막을 지칭한다.
본 발명에 따른 용어 "유체"는 가스 또는 액체일 수 있다. 가스는 공기, CO2, He, 질소 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 액체는 석유계 유압 유체 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 본 발명에서 사용되는 유체는 압축성일 수 있으며, 예를 들어 압축 공기가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템
바람직한 실시 형태에서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 몰드(2)는 분리 가능한 몰딩 부재를 가질 수 있으며, 그 형상 및 배치는 제조될 복합 재료에 적합해야 한다. 상부 몰드(3)는 가요성 막(4)에 연결되고 이를 지지하며 유체로 그 위에 압력이 가해질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상부 몰드 및/또는 하부 몰드는 시스템 온도, 경화 온도 및 몰드로부터 복합체 제거를 제어하기 위한 가열 및/또는 냉각 장치, 즉 온도 제어 시스템(11)이 구비될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 하부 몰드 및/또는 몰딩 부재는 다양한 형상을 갖는 다양한 부재를 제조하도록 변경될 수 있다. 특정 형상의 부재의 경우, 하부 몰드는 하나 이상의 액추에이터(7)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 시스템에서, 상부 몰드 및 하부 몰드가 폐쇄될 때, 가요성 막(4)은 섬유 보강재(1)에 부착되어 섬유 보강재를 몰드에 맞출 수 있다.
다른 실시 형태에서, 시스템은 프레싱기(5)를 포함할 수 있다. 상부 및 하부 몰드의 개폐 상태는 프레싱기에 의해 제어될 수 있다. 프레싱기의 폐쇄 압력은 적어도 100 Tn/m2 (약 9.8 bar), 예를 들어 100-200, 100-300 Tn/m2 등일 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 또한, 프레싱기는 막에 생성된 압력 및 액추에이터에 의해 발생하는 압력을 지원하기에 충분한 압력을 제공할 수 있다. 바람직한 실시 형태에서, 프레싱기 및 액추에이터는 유압 시스템에 의해 제어될 수 있다.
가요성 막의 존재로 인하여, 상기 시스템은 섬유 보강재 내부의 공기가 제거될 수 있도록 섬유 보강재를 진공 상태로 만들기 위하여 하부 몰드에 연결된 진공 유닛을 포함할 수 있다. 한편, 경화성 재료에 의한 보강재의 충분한 충전 및 함침이 보장될 수 있다. 진공 상태인 경우, 가요성 막이 보강재에 충분히 부착될 수 있어 특정한 압력을 상기 보강재에 가할 수 있으므로, 예를 들어 보강재가 몰딩 부재에 더 부착되게 할 수 있고 재료의 몰딩에도 유리하다. 진공 유닛의 개수는 특별히 제한되지 않는다. 원할 경우, 진공 유닛의 수는 증가될 수 있으며, 하나 이상의 진공 유닛이 사용될 수 있다. 진공 상태가 아닌 경우, 진공 유닛은 또한 배출구로서 기능할 수 있다.
본 발명의 시스템에서, 가압 장치는 상부 몰드와 가요성 막 사이에 장착될 수 있다. 따라서, 유체가 유체 주입구(9)를 통해 가요성 막 상에 적용될 수 있고, 이에 따라 충분하고 균일한 압력이 처리될 재료에 추가로 인가될 수 있다.
바람직하게는, 유체에 의해 가해지는 압력은 섬유 보강재에 대한 진공 적용 시에 사용될 수 있으며, 이에 의해 가요성 막이 섬유 보강재에 밀착되고, 공기 제거 및 보조 몰딩에 더욱 기여한다. 그러나, 이 압력 값은 경화성 재료의 주입을 방해해서는 안된다.
바람직하게는, 유체에 의해 가해지는 압력은 또한 섬유 보강재가 경화성 재료로 충분하게 충전되고 함침되도록 경화성 재료를 주입 한 후에 사용되어 복합체의 형상을 보장할 수 있다. 이러한 방식으로 가해진 압력은 또한 가공될 재료를 몰딩할 수 있다.
유체가 경화성 재료의 경화 동안 열을 교환할 수 있기 때문에, 경화 온도가 더 잘 제어될 수 있다. 적합한 유체의 유형은 다양한 경화 반응의 발열 양상에 따라 선택될 수 있다. 복합체상에 유체에 의해 가해지는 전체 압력 및/또는 복합체상에 액추에이터에 의해 가해지는 국부 압력은 복합체의 고품질 및 고정밀 몰딩을 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시 형태에서, 경화성 재료, 하부 몰드, 분리 가능한 몰딩 부재 및/또는 가요성 막은 (예를 들어, 표면 상에) 상기 시스템으로부터 제조된 복합체의 분리를 용이하게 하기 위해 박리제(demoulding agent)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 박리제는 고점성 폴리실록산, 계면활성제 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 실시 형태에서, 가요성 막은 작업 조건 하에서 가해지는 압력 및 온도를 견딜 수 있는 일정한 인성, 탄성, 강도 및 열 안정성을 갖는 막인 것이 바람직하다. 바람직한 실시 형태에서, 가요성 막은, 예를 들어 나일론 막, 폴리이미드 막, 폴리프로필렌 막, 폴리테트라플루오르에틸렌 막 등의 폴리머 막 일 수 있고, 이에 한정되지 않는다. 가요성 막은 연속 경화 온도, 작동 압력 또는 그 변화에 따라 양호한 특성을 유지해야 한다. 가요성 막은 유체 및 유동성 경화 재료가 가요성 막을 통과하지 못하도록 우수한 투과 저항을 가져야 한다. 가요성 막과 경화성 재료 사이에 강한 상호 작용이 거의 없거나 전혀 없어서 경화 후 복합체로부터 막이 완전히 분리되는 것을 용이하게 하는 것이 바람직하다. 상기 분리는, 예를 들어 박리제의 존재에 의해 실현될 수 있다. 가요성 막은 일반적으로 약 0.1-5mm, 예를 들어 약 0.5-4mm, 예컨대 약 1, 2, 3, 4mm의 두께를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 실시 형태에서, 가요성 막은 재사용될 수 있으며, 이는 특히 연속 배치 공정 중에 재료 및 시간을 절약할 수 있다. 가요성 막은 상부 몰드에 밀폐식으로 연결되는 것이 바람직하다. 가요성 막은 가압 장치를 통해 섬유 보강재에 압력을 가할 수 있는 것이 더욱 바람직하다. 통상적으로, 프레싱기 기반 기술은 제품 품질을 보장하기 위해 높은 병렬 제어가 필요하다. 가요성 막의 전체 압력 때문에, 병렬 제어의 정밀도에 대한 요구 사항은 상대적으로 낮다.
본 발명에 따른 시스템에서, 하나 이상의 분리 가능한 액추에이터가 상부 몰드와 가요성 막 사이에 배치된다. 이러한 액추에이터는 독립적으로 작동할 수 있다. 하나 이상의 액추에이터를 사용함으로써, 필요에 따라 처리될 재료의 국부 영역에 상이한 압력이 가해질 수 있으며, 특히 모서리 또는 특정 형상과 같은 특정 영역에 대해 유연한 공정이 가능하다. 각 액추에이터에 의해 가해지는 압력은 동일하거나 상이할 수 있다. 압력을 분산시킴으로써, 재료의 특성 및 몰드에 대한 적응성을 개선하고 시스템을 단순화하고 에너지를 절약하고 시스템의 실제 요구조건에 대한 적응을 향상시키도록, 섬유 보강재의 상이한 부분들에 필요에 따라 압력을 개별적으로 적용할 수 있다. 액추에이터의 수뿐만 아니라 액추에이터의 단부에서의 국부 몰딩 부재의 형상에 특별한 제한이 없으며, 이 둘 모두는 부재의 다양한 제조를 가능하게 하고 보조 재료 비용을 절감하도록 실제 필요조건에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 몰딩 부재의 형상 및 크기가 제조될 복합체의 크기 및 두께에 적합하도록 계산되고 설계될 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 액추에이터에 의해 가해지는 국소 압력은 진공 적용시 섬유 보강재로부터 공기의 충분한 제거 및/또는 적층의 개선과 같은 경화성 재료에 의한 섬유 보강재의 함침을 용이하게 한다.
또한, 압력을 분산시킴으로써, 섬유 보강재의 모든 표면에 일정한 압력이 가해지지 않도록 특정 형상 또는 모서리를 갖는 영역에 유연하고 정확한 압력을 가할 수 있다. 이러한 방식으로, 상대적으로 보다 적은 전체 압력에 의해, 높은 물리적 및 기계적 특성을 갖는 복합체를 획득할 수 있다.
다른 실시 형태에서, 처리될 제품의 형상에 따라, 경화성 재료의 효과적인 주입을 위해 하나 이상의 경화성 재료 주입구(8)가 사용될 수 있다.
액추에이터의 수 및 압력 및 주입 조건의 조절을 통해, 본 발명에 따른 시스템은 섬유에 경화성 재료의 양호한 함침을 달성할 수 있어서, 다양한 형상을 갖는 보강재, 예를 들어, 패브릭, 직물 또는 단일 방향 섬유 보강재가 가공될 수 있다. 프리프레그가 또한 가공될 수 있다. 예를 들어, 프리프레그 공정 중에, 시스템이 폐쇄되는 경우, 선택적으로 압력이 프리프레그에 가해질 수 없는 상태에서 프리프레그로부터 공기를 제거하기 위하여, 가요성 막의 일 측면 또는 양 측면으로부터 진공이 적용된다. 그 후, 진공이 유지될 수 있으며 공기 또는 유체 압력이 가요성 막의 상부에 가해져, 프리프레그 라미네이트의 우수한 압축을 돕는다. 상기 공정은 액추에이터에 의해 개선될 수 있는데, 예를 들어, 작은 모서리에서 적층 특성을 개선할 수 있다.
본 발명의 시스템에서, 시스템 온도, 경화 온도 및 몰드로부터의 복합체의 제거는 온도 제어 시스템(11)에 의해 제어된다. 예를 들어 가열 장치를 사용하여 몰드의 바닥을 가열하는 것 이외에, 내장형 가열 장치가 제공될 수 있다. 내장형 가열 장치는, 예를 들어, 상부 몰드와 가요성 막에 의해 형성된 챔버에 배치될 수 있거나, 상부 몰드에 내장될 수 있다. 내장형 가열 장치는, 예를 들어 가요성 막을 통해 섬유 보강재 또는 라미네이트를 신속하게 가열하기 위한 적외선 램프일 수 있다. 필요한 경우, 가열을 수행할 수 있다. 액추에이터가 섬유 보강재 또는 라미네이트의 압축 후에 제거되었을 때, 열이 섬유 보강재 또는 라미네이트 상에 고르게 분포되는 것을 허용하기 때문에 빌트인 가열 장치를 사용하는 솔루션이 바람직하다. 또한, 내장형 가열 장치는 액추에이터가 제거되지 않는 경우 열 손실을 피하는 것을 도와 모든 섬유 보강재 또는 라미네이트가 빠른 경화 온도에 도달할 수 있게 한다. 프리프레그의 경우, 내장 가열 장치가 특히 바람직하다.
제조 주기를 단축하기 위하여, 빠른-경화를 갖는 경화 재료를 제외하고는, 예를 들어 제조된 재료를 제거하는 것을 돕기 위해 온도를 60-80 ℃로 낮추기 위하여, 냉각 장치를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법
또한, 복합체를 제조하는 방법이 제공된다. 도 1은 본 발명에 따른 복합체의 제조 방법의 바람직한 실시 형태를 나타내는 순서도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 제조 방법의 단계들은 다음과 같이 상세히 설명된다.
1) 단계 S100 : 하부 몰드의 몰딩 부재 상에 섬유 보강재가 제공되고, 상부 몰드 및 하부 몰드가 폐쇄되어 가요성 막이 섬유 보강재에 부착된다.
가요성 막(4)은 상부 몰드(3)에 고정되고, 섬유 보강재(1)는 하부 몰드(2) 상에 위치된다. 상부 몰드(3) 및 하부 몰드(2)는 가요성 막(4)이 섬유 보강재에 부착되도록 폐쇄된다. 상부 몰드 및 하부 몰드의 폐쇄는 프레싱기(5)로 제어할 수 있다.
몰드의 폐쇄 압력은 예를 들어 9.8 bar 일 수 있다. 상부 몰드 및 하부 몰드의 폐쇄 속도는 5-50 mm/s, 예를 들어 5-10 mm/s, 5-40 mm/s, 10-30 mm/s 등 일 수 있다.
2) 단계 S101 : 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 압력을 가한다.
다양한 단계에서 적용되는 압력을 구별하기 위해, 이 압력은 제1 압력으로 지칭된다. 각각의 액추에이터 상의 압력은 동일하거나 상이할 수 있음을 이해해야 한다. 예시를 위해, 하나 이상의 액추에이터에 대한 압력이 집합적으로 제1 압력으로 지칭된다. 섬유 보강재(1)가 하부 몰드(2)에 적응되도록, 방향(10)을 따라 하나 이상의 액추에이터(7)에 의해, 섬유 보강재(1)의 국소 영역에 제1 압력이 가해진다.
제1 압력은 일반적으로 0.1-1 bar, 예를 들어 약 0.1, 0.2, 0.5, 0.8 bar 등일 수 있다. 각 액추에이터에 가해지는 제1 압력은 동일하거나 상이할 수 있다. 액추에이터의 속도는 5-10 mm/s, 예를 들어 5, 7, 8, 10 mm/s일 수 있다.
선택적으로, 진공을 적용하는 단계 S105는 단계 S101 이후 또는 단계 S101와 동시에 수행될 수 있다. 진공 유닛의 진공 주입구(6)를 통해, 하부 몰드(2)와 가요성 막(4) 사이에 형성된 밀봉된 공간에 진공이 가해져 섬유 보강재(1)로부터 공기를 제거한다.
선택적으로, 액추에이터에 의해 압력을 가하기 위한 단계 S106이 수행된다. 하나 이상의 액추에이터(7)로 섬유 보강재(1)의 국부 영역에 압력이 가해진다. 마찬가지로, 상기 압력은 제2 압력으로 지칭된다. 각각의 액추에이터 상의 압력은 동일하거나 상이할 수 있음을 이해해야 한다. 예시를 위해, 하나 이상의 액추에이터에 대한 압력은 집합적으로 제2 압력으로 지칭된다.
적용된 진공은 예를 들어 약 -0.1 내지 -1.5 bar, 예를 들어 약 -0.2, 약 -0.3, 약 -0.4, 약 -0.5, 약 -0.8, 약 -1.0 bar 등일 수 있고, -0.8 bar가 바람직하다. 이러한 진공은 비교적 짧은 기간에, 예를 들어 약 5 내지 90초, 예를 들어 약 5 내지 50초, 약 20 내지 30초에 공기를 제거할 수 있으며, 10 내지 30초가 바람직하다. 필요한 경우, 진공 유닛의 수를 늘릴 수 있다. 진공 및/또는 제2 압력의 적용은 가요성 막(4)이 섬유 보강재에 더욱 부착되도록 하여 섬유 보강재에 남아있는 공기를 충분히 제거할 수 있게 한다. 바람직하게는, 상기 제2 압력은 상기 제1 압력보다 높을 수 있다. 제2 압력은 약 0.1-2 bar, 예를 들어 약 0.2-1.2 bar 일 수 있다. 제1 압력과 유사하게, 각각의 액추에이터 상의 제2 압력은 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게는, 진공 적용 시 유체를 통해 가요성 막(4)상에 압력이 가해질 수 있다. 그러나, 압력의 값은 경화성 재료의 주입을 방해해서는 안된다.
3) 단계 S102 : 섬유 보강재에 경화성 재료를 주입한다.
경화성 재료는 경화성 재료 주입구(8)를 통해 섬유 보강재(1) 내로 주입된다. 바람직하게는, 경화성 재료는 수지, 예를 들어 열경화성 수지이다. 주입 시간은 약 10s-120s, 예를 들어 약 20-120s, 약 10-50s이고 10-50s가 바람직하다. 주입 압력은 약 0.1-5 bar, 예를 들어 약 0.5-4 bar 일 수 있다. 필요하다면, 하나 이상의 주입 유닛이 사용될 수 있다.
경화성 재료의 주입과 동시에, 진공에 의해 발생된 부압은 경화성 재료의 주입 및 섬유 보강재로의 함침을 용이하게 하기 위해, 선택적으로 동시에, 즉 진공 유닛의 진공 주입구(6)를 폐쇄하지 않으면서, 유지될 수 있다.
4) 단계 S103 : 주입 후, 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 압력을 가한다.
단계 102 후에, 예를 들어 진공 유닛의 진공 주입구(6)를 폐쇄함으로써, 진공 적용(존재한다면)은 정지된다. 하나 이상의 액추에이터(7)를 갖는 섬유 보강재(1)의 국부 영역에 과압이 가해진다. 마찬가지로, 상기 압력은 제3 압력으로 지칭된다. 바람직하게는, 제3 압력은 제1 압력 및/또는 제2 압력보다 높을 수 있다. 액추에이터 각각의 압력은 같거나 다를 수 있음을 이해해야 한다. 예시를 위해, 하나 이상의 액추에이터 상의 압력은 집합적으로 제3 압력으로 지칭된다. 제3 압력은 약 1 내지 8 bar, 예를 들어 6 bar, 바람직하게는 약 3.9 내지 5.9 bar (약 4-6 kg/cm2) 일 수 있다.
바람직하게는, 과압이 가해지는 경우, 섬유 보강재에 전체 압력을 가하기 위해, 유체로 가요성 막에 압력을 가한다. 유체 주입구(9)를 통해, 예를 들어 압축 공기 또는 유압의 형태의 유체에 의해 가요성 막에 압력이 가해진다. 예시 및 구별을 위해, 상기 압력은 제4 압력으로 지칭된다. 제4 압력은 약 1 내지 6 bar, 예를 들어 약 1, 2, 3, 4, 5, 6 bar일 수 있으며, 6 bar가 바람직하다. 예를 들어, 제4 압력은 제3 압력보다 높을 수 있다. 유체의 속도는 400-900 L/min, 예를 들어 약 400, 500, 600, 700, 800, 900 L/min 일 수 있고 800 L/min이 바람직하다. 사이클 당 프레싱 프로세스는 약 30초 이내로 수행될 것이다.
액추에이터에 의하고, 임의로, 유체에 의해 인가된 제4 압력과 조합된 제3 압력을 통해, 경화성 재료는 섬유 보강재 내에 균일하게 분산될 수 있고, 과량의 경화성 재료가 또한 제거될 수 있다. 제4 압력은 바람직하게는 주입 후 및 경화 완료 전에 적용되고 주입 후 가능한 한 짧은 시간 내에 수행되어야 함에 주목해야 한다. 예를 들어, 주입 후 1초 내지 5초, 바람직하게는 2초에 수행될 수 있다. 비교적 낮은 주입 압력은 섬유의 양호한 함침을 초래할 수 있다. 상기 섬유 보강재-수지 시스템을 압축하는 제4 압력은 과량의 경화성 재료를 제거할 수 있다.
5) 단계 S104 : 경화성 재료를 경화시켜 제조된 복합체를 얻는다.
경화 시간은 약 20분 이하, 예를 들어 약 15분 이하, 예를 들어 약 5분, 6분, 7분, 8분, 9분, 10분, 12분, 15분 등일 수 있다. 경화는, 예를 들어 가열에 의해 수행되는 하부 몰드 내의 온도 제어 시스템(11)에 의해 조정될 수 있다. 경화 온도는 사용되는 경화성 재료에 따라 변화한다. 예를 들어, 약 200 ℃ 이하, 예를 들어 190 ℃ 이하, 180 ℃ 이하, 170 ℃ 이하, 바람직하게는 150 ℃ 이하일 수 있다. 선택적으로, 가열은 상부 몰드 및 가요성 막에 의해 형성된 챔버 내에 배치되거나 상부 몰드에 내장된 적외선(IR) 램프와 같은 내장형 가열 장치에 의해 촉진되어 섬유 보강재-수지 시스템에 온도가 균일하게 분포된다. 필요한 경우, 경화제가 경화성 재료에 첨가될 수 있다. 경화가 완료된 후, 복합체가 얻어진다. 선택적으로, 냉각 장치가 냉각을 위해 적용되어 복합체를 제거하는데 도움이 되도록 온도를 60-80 ℃로 낮춘다. 편의상, (예를 들어, 표면 상의) 경화성 재료, 하부 몰드, 분리 가능한 몰딩 부재 및/또는 가요성 막은 최종 복합체의 분리를 용이하게 하기 위해 박리제를 포함할 수 있다.
다양한 단계에서 가해지는 압력들을 구별하기 위해 상기 압력들은 제1 내지 제4 압력으로 지칭되며, 이러한 압력들이 언급된 순서로 적용되거나 반드시 동일하거나 상이함을 의미하지는 않는 것을 이해해야 한다. 이들 압력들의 값과 적용 기간은 처리될 복합체에 따라 달라질 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 압력은 연속적으로 또는 연속적인 절차로서 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 압력을 가하는 동안, 액추에이터는 압력이 연속적으로 가해지도록 인출(withdrawn)되지 않을 수 있다. 필요한 경우, 액추에이터는 불연속 압력이 가해 지도록 적절히 인출 또는 조정될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 압력이 각각 0.2 bar, 0.6 bar 및 6 bar 인 경우, 필요에 따라 압력이 0.2 bar로 부터 0.6 bar 및 6 bar까지 연속적으로 증가하도록 액추에이터가 인출되지 않는다. 또는, 실제 요구에 따라, 액추에이터는 이러한 3가지 압력의 전이 상태가 조정되도록 인출되거나 조정될 수 있다. 예를 들어, 0.6 bar로부터 6 bar까지의 과정 동안, 압력을 적절히 낮추고(심지어 0까지), 그 이후에 원하는 값까지 증가시킬 수 있다.
본 발명의 방법에 따라, 수지 주입 후, 액추에이터에 의해 섬유 보강재의 특정 국부 영역에 가해지는 압력 및 유체에 의해 섬유 보강재에 가해지는 전체 압력을 통하여, 상대적으로 낮은 압력에서 높은 물리적 및 기계적 성질을 갖는 복합체가 얻어진다. 작업 시스템이 단순화되고 보조 재료 및 에너지 비용이 절감된다. 본 발명의 시스템 및 방법에 따라, 제조된 제품 내의 섬유의 체적비는 증가한다.
실시예 1
탄소 섬유 보강재를 하부 몰드 상에 펼친다. 폴리테트라플루오르에틸렌 막 (2mm 두께)이 탄소 섬유 보강재에 부착되도록 상부 몰드 및 하부 몰드가 폐쇄된다. 상·하 몰드는 프레싱기의 제어 하에 20mm/s의 속도로 폐쇄되고, 폐쇄 압력은 10 bar이다. 그 다음, 탄소 섬유 보강재의 국부 영역에 액추에이터에 의해 0.2 bar의 압력을 가해져 섬유 보강재를 하부 몰드에 맞춰진다. 액추에이터가 탄소 섬유 보강재에 접근하는 속도는 8mm/s이다.
진공 주입구를 통해 하부 몰드와 폴리테트라플루오로에틸렌 막 사이의 밀봉된 공간에 -0.8 bar의 진공을 가하여 탄소 섬유 보강재 내의 공기를 15 초 동안 제거한다. 그런 다음 액추에이터는 1.0 bar의 압력을 탄소 섬유 보강 영역에 적용한다.
비스페놀 A 형 에폭시 수지 조성물을 주입구를 통해 탄소 섬유 재료에 주입한다. 주입 시간은 30 초이며 압력은 4 bar이다. 두 개의 주입 유닛이 사용된다.
주입 후, 진공을 인출하고, 액추에이터는 약 6 bar의 압력을 탄소 섬유 보강의 국소 영역에 적용한다. 유체 주입구를 통해 압축 공기로 폴리테트라플루오르에틸렌 막에 2 bar의 압력을 가한다. 유체는 800 L/min의 속도를 가지며 주입 완료 후 2초 내에 적용된다.
수지는 하부 몰드 내의 히터로 가열하여 경화된다. 경화 온도는 120 ℃이고 경화 시간은 12 분이다. 경화 후, 제조된 복합체는 다이-방출된다.
얻어진 복합체는 우수한 기계적 성질, 주름(crease)이 없는 매끄러운 외관 및 섬유의 높은 체적비를 갖는다.
통상의 기술자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 본원에 기재된 특정 실시 형태는 단지 예로서 제공되며 어떠한 방식으로도 제한하려는 것은 아니다. 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 첨부된 청구 범위에 의해 표시되며, 명세서 및 실시 형태는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
Claims (10)
- 복합체 제조를 위한 시스템에 있어서,
분리 가능한 몰딩 부재를 갖고 그 위에 섬유 보강재가 배치되는 하부 몰드;
하나 이상의 분리 가능한 액추에이터를 포함하는 상부 몰드로서, 각각의 액추에이터의 말단에 제조될 복합체의 국부 영역에 국부 압력을 가하기에 적합한 형상을 갖는 국부 몰딩 부재가 독립적으로 제공되는, 상부 몰드;
상기 몰딩 부재와 상기 국부 몰딩 부재 사이에 배치되고 상기 상부 몰드와 밀폐식으로 연결되어 있는 가요성 막으로서, 가압 장치에 의해 상기 가요성 막을 통해 상기 섬유 보강재에 전체(overall) 압력을 가할 수 있는, 가요성 막; 및
상기 섬유 보강재에 경화성 재료를 도입하기 위한 주입 유닛;을 포함하는 복합체 제조를 위한 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 상부 몰드와 하부 몰드의 폐쇄(closing) 압력을 제어하기 위한 프레싱기를 더 포함하는, 복합체 제조를 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 하부 몰드에 연결된 진공 유닛을 더 포함하는, 복합체 제조를 위한 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 가압 장치는 유체로 상기 압력을 가하는, 복합체 제조를 위한 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 프레싱기 및 상기 액추에이터는 유압 시스템에 의해 제어되는, 복합체 제조를 위한 시스템.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 시스템을 이용한 복합체 제조 방법에 있어서,
1) 하부 몰드의 몰딩 부재 상에 섬유 보강재를 제공하고, 가요성 막이 섬유 보강재에 부착되도록 상부 몰드 및 하부 몰드를 폐쇄하는 단계;
2) 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 압력을 가하는 단계;
3) 섬유 보강재에 경화성 재료를 주입하는 단계;
4) 주입 후, 하나 이상의 액추에이터로 섬유 보강재의 국부 영역에 과압을 가하는 단계; 및
5) 경화성 재료를 경화시켜 제조된 복합체를 수득하는 단계;를 포함하는 복합체 제조 방법. - 제6항에 있어서, 경화성 재료를 주입하는 단계 이전에, 상기 섬유 보강재에 진공을 가하고 하나 이상의 액추에이터로 상기 섬유 보강재의 국부 영역에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는, 복합체 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 단계 4)에서, 전체 압력이 상기 섬유 보강재에 가해지도록 유체로 상기 가요성 막에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 복합체 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 경화성 재료를 경화시키는 단계는 상기 하부 몰드 및/또는 상부 몰드 내의 온도 제어 시스템의 제어 하에 수행되는 복합체 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 경화성 재료가 수지인 복합체 제조 방법.
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