KR102307481B1 - 프리폼을 이용한 복합재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재 성형 제품 성형을 위해 적층되는 프리폼을 치구를 이용하여 층별로 성형 제품의 형상에 맞게 미리 성형하여 복합재 제조를 위한 몰드 위에 순차적으로 적층하는 프리폼을 이용한 복합재 제조방법에 관한 것으로, 복합재 성형 제품 성형을 위한 몰드의 표면 형상과 대응된 형상을 갖는 하층치구에 섬유를 배치하고 진공 배깅 공정을 통해 상기 섬유가 상기 하층치구의 표면에 밀착되도록 하여 상기 하층치구와 대응되는 하층프리폼을 성형하는 단계, 상기 하층치구를 통해 상기 하층프리폼이 성형되면 상기 하층치구에서 상기 하층프리폼을 탈거하는 단계, 성형된 상기 하층프리폼과 대응하는 두께 및 형상을 갖는 상층치구를 상기 하층프림폼이 탈거된 상기 하층치구에 배치하는 단계, 상기 상층치구에 섬유를 배치하고 진공 배깅 공정을 통해 상기 섬유가 상기 상층치구의 표면에 밀착되도록 하여 상기 상층치구와 대응되는 상층프리폼을 성형하는 단계, 복합재 성형 제품 성형을 위한 몰드에 하부스킨을 이루는 섬유를 적층하고 상기 섬유의 위에 코어를 배치하는 단계, 상기 코어의 위에 상부스킨을 성형하기 위해 상기 하층프리폼 성형단계 및 상기 상층프리폼 성형단계를 통해 상기 코어와 동일한 형상으로 미리 성형된 상기 하층프리폼과 상기 상층프리폼을 상기 코어에 순차적으로 적층하는 단계 및 상기 하층프리폼과 상층프리폼들이 적층되면 진공 배깅 공정을 통해 상기 하층프리폼과 상층프리폼들이 적층된 몰드로 레진을 주입하여 복합재 성형 제품을 성형하는 단계를 포함한다.
상기 상층치구를 통해 성형된 상기 상층프리폼의 하면 형상 변수 값과 상기 하층프리폼의 상면 형상 변수 값은 같고, 상기 하층프리폼과 상기 상층프리폼은 코어의 상면과 동일한 형상으로 형성되어 상기 코어에 순차적으로 적층되며, 상기 상층프리폼을 상기 하층프리폼에 배치하면 상기 하층프리폼의 상면과 상기 상층프리폼의 하면은 일치하여 밀착된다.
따라서, 복합재 성형을 위해 순차적으로 적층되는 프리폼들을 성형 제품의 형상에 맞게 미리 형성한 후 적층하므로 복합재 제품의 형상을 정교하게 성형할 수 있다.

Description

프리폼을 이용한 복합재 제조방법{manufacturing method for composite using preform}

본 발명은 프리폼을 이용한 복합재 제조방법에 관한 것이다.

복합재는 단순히 두 가지 재료를 적층시킨 적층 복합재(laminate composite), 두 구성입자들을 분말 형태로 혼합시킨 입자 복합재(phase composite), 그리고 기본(matrix)이 되는 재료 속에 강선(steel wire)이나 섬유(fiber)를 특정한 방향으로 심은 섬유강화 복합재(fiber reinforced composite)로 분류할 수 있다. 이러한 복합재는 금속재료와 차별화되는 뛰어난 비강도, 비강성, 내피로 성능 및 내식성을 가지므로 우주, 항공, 건축구조물, 에너지 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

적층 복합재를 만들기 위해서는, 먼저 성형할 제품의 형상에 대응하는 형상을 갖는 치구를 만든다. 치구에 하부스킨을 이루는 복수의 섬유들을 소정 두께가 될 때까지 적층하고, 하부스킨 위에 코어를 적층하며, 코어 위에 상부스킨을 이루는 복수의 섬유들을 소정 두께가 될 때까지 적층한다. 하부스킨, 코어, 상부스킨이 적층된 상태에서 고온 고압의 진공 경화하는 과정을 통해 레진을 주입하면서 적층 복합재를 성형한다.

그러나, 하부스킨은 치구 형상을 따라 그 형상이 성형되나, 상부스킨의 경우 적층된 섬유들이 코어의 일면 형상을 따라 늘어나거나 줄어들면서 코어의 일면과 대응되는 형상으로 성형되는데 한계가 있었다. 이에, 코어 일면 형상에 맞춰 상부스킨을 이루는 섬유들을 재단하여 코어 일면에 섬유들을 적층 하였으나, 섬유들이 끊기게 되면서 적층 복합재의 구조적 성능이 저하되었다.

등록특허 제10-1689569호 (2016. 12. 20.) 등록특허 제10-1447136호 (2014. 09. 26.)

본 발명은 복합재 성형을 위해 적층되는 섬유를 성형 제품의 형상에 맞게 미리 성형하여 적층하는 프리폼을 이용한 복합재 제조방법을 제공한다.

본 발명의 한 실시예에 따른 프리폼을 이용한 복합재 제조방법은 복합재 성형 제품 성형을 위해 적층되는 프리폼을 치구를 이용하여 층별로 성형 제품의 형상에 맞게 미리 성형하여 복합재 제조를 위한 몰드 위에 순차적으로 적층하는 것으로, 복합재 성형 제품 성형을 위한 몰드의 표면 형상과 대응된 형상을 갖는 하층치구에 섬유를 배치하고 진공 배깅 공정을 통해 상기 섬유가 상기 하층치구의 표면에 밀착되도록 하여 상기 하층치구와 대응되는 하층프리폼을 성형하는 단계, 상기 하층치구를 통해 상기 하층프리폼이 성형되면 상기 하층치구에서 상기 하층프리폼을 탈거하는 단계, 성형된 상기 하층프리폼과 대응하는 두께 및 형상을 갖는 상층치구를 상기 하층프림폼이 탈거된 상기 하층치구에 배치하는 단계, 상기 상층치구에 섬유를 배치하고 진공 배깅 공정을 통해 상기 섬유가 상기 상층치구의 표면에 밀착되도록 하여 상기 상층치구와 대응되는 상층프리폼을 성형하는 단계, 복합재 성형 제품 성형을 위한 몰드에 하부스킨을 이루는 섬유를 적층하고 상기 섬유의 위에 코어를 배치하는 단계, 상기 코어의 위에 상부스킨을 성형하기 위해 상기 하층프리폼 성형단계 및 상기 상층프리폼 성형단계를 통해 상기 코어와 동일한 형상으로 미리 성형된 상기 하층프리폼과 상기 상층프리폼을 상기 코어에 순차적으로 적층하는 단계 및 상기 하층프리폼과 상층프리폼들이 적층되면 진공 배깅 공정을 통해 상기 하층프리폼과 상층프리폼들이 적층된 몰드로 레진을 주입하여 복합재 성형 제품을 성형하는 단계를 포함한다.
상기 상층치구를 통해 성형된 상기 상층프리폼의 하면 형상 변수 값과 상기 하층프리폼의 상면 형상 변수 값은 같고, 상기 하층프리폼과 상기 상층프리폼은 코어의 상면과 동일한 형상으로 형성되어 상기 코어에 순차적으로 적층되며, 상기 상층프리폼을 상기 하층프리폼에 배치하면 상기 하층프리폼의 상면과 상기 상층프리폼의 하면은 일치하여 밀착될 수 있다.

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본 발명의 실시예에 따르면, 복합재 성형을 위해 순차적으로 적층되는 프리폼을 성형 제품의 형상에 맞게 미리 성형한 후 적층하므로 복합재 제품의 형상을 프리폼 제작 단계에서 곡면 및 모서리 등을 정교하게 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 섬유가 탄소 섬유로 이루어진 상태에서 성형 제품의 형상에 맞게 프리폼화 되어 하나의 층을 이루므로 섬유들이 연속 연결된 상태를 유지하므로 구조적 성능을 그대로 유지할 수 있다. 이에 섬유 절단으로 섬유들이 끊어지면서 발생하는 구조적 성능 저하를 예방할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 프리폼이 놓이는 코어의 상면이 타 구조물과의 인터페이스를 고려한 복잡한 형상으로 성형되어 있고, 그 위에 코어와 동일하게 미리 성형된 프리폼들을 적층하므로 코어와 적층되는 프리폼이 일치하게 되면서 코어의 손상을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 프리폼 제조방법을 나타낸 블럭도.
도 2는 도 1의 공정도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리폼 제조방법을 나타낸 블럭도.
도 4는 도 3의 공정도.
도 5은 도 1 내지 도 4의 실시예에 따른 프리폼으로 복합재 제조방법을 나타낸 블록도.
도 6은 도 5의 공정도.
도 7은 도 1 내지 도 4의 실시예에 따른 프리폼으로 복합재 성형 제품 제조 상태를 나타낸 개략도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

그러면 본 발명의 한 실시예에 따른 프리폼 제조방법에 대하여 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 프리폼 제조방법을 나타낸 공정도이고, 도 2는 도 1의 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 프리폼 제조방법은, 복합재 성형을 위해 적층되는 섬유를 성형 제품 형상에 맞추어 미리 가공하는 것으로, 하층프리폼 성형단계(S10) 및 상층프리폼 성형단계(S20)를 포함한다. 하층프리폼과 상층프리폼은 각각의 치구를 통해 성형된다. 섬유는 기설정된 두께와 넓이를 가지며 탄소 섬유일 수 있으며 진공 배깅(Vacuum bagging) 공정을 통해 프리폼으로 성형될 수 있다. 하층프리폼과 상층프리폼은 복합재 성형을 위해 몰드에 적층될 수 있다. 섬유를 탄소 섬유를 한정하는 것은 아니며 성형 제품에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

하층프리폼(11) 성형을 위해 기설정된 형상을 갖는 하층치구(1)에 섬유를 배치한다. 하층치구(1) 형상은 성형 제품 성형을 위한 몰드의 표면 형상과 대응된다. 진공 배깅 공정을 통해 섬유가 하층치구(1)의 표면에 밀착되도록 하여 하층치구(1)와 대응되는 하층프리폼(11)을 성형한다.

상층프리폼(21) 성형을 위해 하층프리폼(11)과 대응하는 두께 및 형상을 갖는 상층치구(2)에 섬유를 배치한다. 진공 배깅 공정을 통해 섬유가 상층치구(2)의 표면에 밀착되도록 하여 상층치구(2)와 대응되는 상층프리폼(21)을 성형한다. 상층치구(2)가 하층프리폼(11)과 대응하는 두께와 형상을 가지므로 상층치구(2)를 통해 성형된 상층프리폼(21) 하면 형상 변수 값과 하층프리폼(11)의 상면 형상 변수 값은 같다. 이에, 상층프리폼(21) 하면이 하층프리폼(11) 상면과 접하도록 배치하면 하층프리폼(11)의 상면과 상층프리폼(21)의 하면은 일치하여 밀착될 수 있다.

한편, 하층프리폼(11)이 몰드에 적층되고, 하층프리폼(11) 위에 상층프리폼(12)이 적층될 때 그 형상이 틀어지지 않고 반듯하게 적층될 수 있도록 하층프리폼(11)과 상층프리폼(12)에는 핀홀(11a, 21a)이 형성된다. 핀홀(11a, 21a)은 각 치구(1, 2)를 통해 형성된다. 즉, 하층치구(1)와 상층치구(2)의 같은 위치에는 핀홀(11a, 21a)을 형성하기 위한 핀부재(1a, 2a)가 형성되어 있다.

이에, 성형된 프리폼들이 적층되는 몰드(3)(도 6 참조)에는 핀홀(11a, 21a)에 삽입되는 기준부재(31)가 형성되어 있다. 적층되는 프리폼(11, 21)들의 핀홀(11a, 21a)이 기준부재(31)에 위치하여 동일한 곳에 위치하므로 적층되는 프리폼은 틀어지지 않으며 반듯하게 적층되어 그 틀어지지 않고 정확한 위치에서 적층될 수 있다.

도 3 및 도 4를 더 참고하면, 프리폼 제조방법은 하층프리폼 탈거단계(S30) 및 상층치구 배치단계(S40)를 더 포함할 수 있다.

하층치구(1)를 통해 하층프리폼(11)이 성형되면 하층치구(1)에서 하층프리폼(11)을 탈거한다. 하층치구(1)에는 프리폼에 핀홀 형성을 위한 핀부재(1a)가 형성되어 있다.

하층치구(1)에 상층프리폼(21) 성형을 위한 상층치구(2)를 배치한다. 이때 상층치구(2)에는 핀부재(1a)가 통과하는 관통홀(2b)이 형성되어 있다. 핀부재(1a)는 상층치구(2) 위로 노출된다.

상층치구(2)에 섬유를 배치하여 진공 배깅 공정을 통해 상층프리폼(21)을 성형한다. 이때 핀부재(1a)에 의해 성형된 상층프리폼(21)에는 핀홀(21a)이 형성된다.

상층프리폼(21)을 성형하는 상층치구(2)가 상층프리폼(21)이 적층되는 하층프리폼(11)과 그 두께 및 형상 등이 대응하므로, 하층프리폼(11)과 상층프리폼(21)이 서로 접하고 있는 하층프리폼(11)의 상면 형상 변수 값과 상층프리폼(21)의 하면 형상 변수 값은 같다. 이에 하층프리폼(11)과 상층프리폼(21)은 전체적으로 밀착될 수 있다.

위 설명에서 하층프리폼과 상층프리폼만 설명하였으나, 프리폼을 이용하여 성형하는 제품의 구조, 두께 및 형상에 따라 프리폼의 적층 개수는 달라질 수 있다. 이에, 적층 개수에 대응하는 각각의 치구를 통해 프리폼을 성형한다. 여기서, 섬유의 두께가 0.5 mm 미만인 경우 섬유를 복수 적층하여 하나의 치구를 이용하여 복수의 섬유를 하나의 프리폼으로 성형할 수 있다.

또한, 프리폼을 진공 배깅 공정을 통해 성형하는 것으로 설명하였으나, 섬유의 재질에 따라 프레스 공정으로 프리폼을 성형할 수 있다. 프레스 공정에서 사용되는 섬유는 성형 시 기설정된 열이 필요한 수지일 수 있다. 수지는 서모 플라스틱(thermoplastic)일 수 있다.

다음으로 도 5 및 도 6을 참고하여 복합재 제조방법에 대해 설명한다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 복합재 제조방법은 하층프리폼 성형단계(S110), 상층프리폼 성형단계(S120), 프리폼 적층단계(S130) 및 레진 주입단계(S140)를 포함한다.

본 실시예에 따른 복합재 제조방법의 하층프리폼 성형단계(S110) 및 상층프리폼 성형단계(S120)는 도 1 내지 도 4 실시예에 따른 프리폼 제조방법의 하층프리폼 성형단계 및 상층프리폼 성형단계와 동일한 것이므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.

하층프리폼 성형단계(S110) 및 상층프리폼 성형단계(S120)를 통해 성형된 각각의 프리폼(11, 21)을 몰드(3) 위에 순차적으로 적층한다(S130). 이때 성형 제품의 규격에 맞추어 프리폼은 복수의 층으로 적층한다. 각 층의 프리폼은 각 치구를 이용하여 성형하며, 각 프리폼에는 핀홀이 형성되어 있다.

하층프리폼(11)을 몰드(3)에 배치하고, 하층프리폼(11) 위에 상층프리폼(21)을 배치한다. 이때 하층프리폼의 상면 형상과 상층프리폼의 하면 형상이 대응되므로 하층프리폼과 상층프리폼의 접하는 부분은 서로 밀착되어 결합될 수 있다. 성형할 제품의 규격에 맞게 프리폼들이 적층되면 진공 배깅 공정을 통해 프리폼들이 적층된 몰드로 레진을 주입하여 복합재(31)를 성형한다(S140).

한편, 프리폼(11, 12)들을 몰드(3)에 적층 할 때 각 핀홀(11a, 21a)이 몰드(3)의 기준부재(31)에 위치하도록 하여 프리폼(11, 12)을 적층한다. 적층되는 프리폼(11, 12)이 기준부재(31)를 기준으로 적층되어 그 형상이 틀어지지 않고 반듯하게 적층될 수 있다.

한편, 복합재를 이용한 성형 제품에 따라 몰드(4)에 하부스킨(41)을 이루는 섬유를 적층하며, 섬유 위에 폼 또는 허니콤 형태의 코어(42)를 배치한다. 코어 위에 상부스킨(43)을 성형하기 위해 하층프리폼 성형단계(S10) 및 상층프리폼 성형단계(S20)를 통해 코어와 동일한 형상으로 미리 성형된 하층프리폼(11) 및 상층프리폼(21)을 순차적으로 적층 한다. 이때 몰드(4)에 결합된 핀부재(4a)를 기준으로 하층프리폼(11) 및 상층프리폼(21)이 순차적으로 적층되면서 프리폼들은 틀어지지 않고 정확한 위치에서 적층될 수 있다. 이후 진공 배깅 공정을 통해 레진을 주입하여 복합재를 이용한 제품을 성형한다(도 7 참고).

하층프리폼(11)과 상층프리폼(21)이 놓이는 코어(311)의 상면이 기설정된 형상으로 성형되어 있고, 그 위에 코어와 동일하게 성형된 프리폼들을 적층하므로 코어와 적층되는 프리폼이 일치하게 되면서 코어(311)의 손상을 최소화할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1: 하층치구 11: 하층프리폼
2: 상층치구 21: 상층프리폼
3: 몰드 31: 복합재
41: 하부스킨 42: 코어
43: 상부스킨

Claims (4)

1. 복합재 성형 제품 성형을 위해 적층되는 프리폼을 치구를 이용하여 층별로 성형 제품의 형상에 맞게 미리 성형하여 복합재 제조를 위한 몰드 위에 순차적으로 적층하는 것으로,
   복합재 성형 제품 성형을 위한 몰드의 표면 형상과 대응된 형상을 갖는 하층치구에 섬유를 배치하고 진공 배깅 공정을 통해 상기 섬유가 상기 하층치구의 표면에 밀착되도록 하여 상기 하층치구와 대응되는 하층프리폼을 성형하는 단계,
   상기 하층치구를 통해 상기 하층프리폼이 성형되면 상기 하층치구에서 상기 하층프리폼을 탈거하는 단계,
   성형된 상기 하층프리폼과 대응하는 두께 및 형상을 갖는 상층치구를 상기 하층프림폼이 탈거된 상기 하층치구에 배치하는 단계,
   상기 상층치구에 섬유를 배치하고 진공 배깅 공정을 통해 상기 섬유가 상기 상층치구의 표면에 밀착되도록 하여 상기 상층치구와 대응되는 상층프리폼을 성형하는 단계,
   복합재 성형 제품 성형을 위한 몰드에 하부스킨을 이루는 섬유를 적층하고 상기 섬유의 위에 코어를 배치하는 단계,
   상기 코어의 위에 상부스킨을 성형하기 위해 상기 하층프리폼 성형단계 및 상기 상층프리폼 성형단계를 통해 상기 코어와 동일한 형상으로 미리 성형된 상기 하층프리폼과 상기 상층프리폼을 상기 코어에 순차적으로 적층하는 단계 및
   상기 하층프리폼과 상층프리폼들이 적층되면 진공 배깅 공정을 통해 상기 하층프리폼과 상층프리폼들이 적층된 몰드로 레진을 주입하여 복합재 성형 제품을 성형하는 단계
   를 포함하며,
   상기 상층치구를 통해 성형된 상기 상층프리폼의 하면 형상 변수 값과 상기 하층프리폼의 상면 형상 변수 값은 같고, 상기 하층프리폼과 상기 상층프리폼은 코어의 상면과 동일한 형상으로 형성되어 상기 코어에 순차적으로 적층되며, 상기 상층프리폼을 상기 하층프리폼에 배치하면 상기 하층프리폼의 상면과 상기 상층프리폼의 하면은 일치하여 밀착되는
   프리폼을 이용한 복합재 제조방법.
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