KR102503377B1 - 복잡한 형상을 갖는 복합 부품 제조를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 매트릭스 및 연속 강화재로 3차원 복합 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서,
a. 3차원 편직에 의해 사전 함침된 섬유상 예비성형품(100)을 얻는 단계;
b. 예비성형품을 툴링의 펀치(110) 또는 다이(120) 상에 배치하고, 이들 사이에 밀봉된 폐쇄 공동을 획정하는 단계;
c. 예비성형품에 제1 압력을 가하기 위해 툴링을 폐쇄하는 단계;
d. 제1 압력을 유지하면서 예비성형품에 함침된 중합체의 용융 온도로 공동의 온도를 상승시키는 단계;
f. 예비성형품을 포함하는 공동을 제2 압력을 유지하면서 탈형에 적합한 온도로 냉각하는 단계; 및
g. 몰드를 개방하고 부품을 탈형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복잡한 형상을 갖는 복합 부품 제조를 위한 장치 및 방법

본 발명은 복잡한 형상을 갖는 복합 부품을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 상자 또는 돔과 같은, 또는 복수의 돌출 릴리프를 포함하는 3차원 복합 부품의 제조를 위한 것이다. 본 발명은 또한 특히 배기 매니폴드와 같은 여러 튜브의 접합부를 포함하는 튜브형 부품의 제조에 적용된다.

본 발명은 많은 분야에 적용되며, 한정되지 않지만 특히 태블릿 또는 텔레비전 스크린과 같은 전자 하드웨어용 커버 또는 여행가방의 제조, 헬멧 또는 보호 장비의 제조, 보다 일반적으로는 대량 생산되는 3차원 복합 부품에 적용되며, 더욱 구체적으로는 한정되지 않지만, 이러한 3차원 형상이 개발될 수 없는 경우에 적용된다.

이 분야의 종래 기술은 예를 들어 문헌 EP2694277에 설명되어 있다. 이 문헌은 열가소성 중합체로 사전 함침된 적층 직물의 레이업을 포함하는 평평한 블랭크로부터 시작하여 5개의 면을 갖는 상자 형상을 가진 모서리가 돌출된 직사각형 쉘의 제조에 대해 설명한다. 상기 직물은 펀치-다이 유닛에 의해 연속 섬유로 강화된 복합 부품으로 형성되고 압축(compact)/강화(consolidate)되는 반면, 블랭크 홀더는 레이업을 원하는 형상으로 형성하는 동안 장력 하에서 섬유를 유지하는 것을 가능하게 한다. 이 기술은 만족스럽지만 형성 및 강화 후 부품을 상당히 다듬어야 하며, 딥 드로잉 스탬핑을 생산할 수 없다. 상자의 면 사이의 3차원 접합부를 연결하는 코너 피팅(corner fitting)은 특히 응력이 가해지는 영역이며, 여기서 중합체의 비틀림이 발생하기 쉬워, 코팅되지 않고, 보기 흉하며, 심지어 주름이나 찢어짐을 보이는 섬유가 나타날 수 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하는 것이며, 이 목적을 위해 열가소성 매트릭스 및 연속 강화재를 사용하여 3차원 복합 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로,

a. 3차원 편직에 의해 최종 부품의 형상에 대응하는 상기 매트릭스를 형성하는 열가소성 중합체의 사전 함침된 섬유상 예비성형품을 얻는 단계;

b. 펀치와 툴링(tooling)과 쌍을 이루는 다이 사이에 상기 예비성형품을 배치하고, 이들 사이에 밀봉된 폐쇄 공동을 획정하는 단계;

c. 상기 예비성형품에 제1 압력을 가하는 방식으로 툴링을 폐쇄하는 단계;

d. 제1 압력을 유지함으로써 상기 예비성형품을 함침시키는 상기 중합체의 용융 온도로 상기 공동을 가져오는 단계;

e. 상기 예비성형품을 포함하는 상기 공동을 제2 압력을 유지함으로써 탈형에 적합한 온도로 냉각하는 단계; 및

f. 몰드를 개방하고 부품을 탈형하는 단계를 포함한다.

따라서 편직 방법은 플라이(plies)를 조립하지 않고 변형에 의한 형태없이, 완전한 최종 부품의 형상에 실질적으로 대응하는 3차원 형상의 예비성형품을 얻을 수 있게 한다. 압력-온도 사이클과 관련된 폐쇄된 공동을 사용하면 다듬을 필요없는 깨끗한 모서리를 갖는 완성된 치수의 부품을 직접 얻을 수 있다. 스탬핑 깊이는 성형이 없기 때문에 제한되지 않는다. 상기 예비성형품은 열가소성 중합체로 사전 함침되기 때문에, 기간의 제한 없이 저장될 수 있고, 변형 장소로부터 멀리 떨어진 장소에서 제조될 수 있다. 따라서 상기 방법은 본 발명이 목표로 하는 분야에 적합한 산업적 대량 생산에 특히 적합하다.

본 발명의 맥락에서 본 발명의 대상 방법에 의해 얻어진 예비성형품에 적용되는 "사전 함침된"이라는 용어는 미래의 복합 부품의 매트릭스를 형성하는 중합체를 포함하는 건조하고 유연한 외관의 예비성형품을 지칭한다. 이러한 특성을 만족하는 편직된 예비성형품에 중합체를 통합하기 위한 수단이 본 발명의 특정 실시예에서 설명된다. 엄밀히 말하면, 함침은 본 발명의 대상 방법의 단계 d) 및 e) 동안 용융되는 중합체의 섬유 사이의 침투(percolation)를 통해 이루어진다.

본 발명은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 허용되는 조합에 따라 고려되어야 하는 이하에 개시된 실시예 및 대안에 따라 유리하게 구현된다.

일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 단계 d) 이전에 펀치 및 다이에 의해 획정되고 예비성형품을 포함하는 성형 공동의 진공화(evacuation)로 구성되는 단계를 포함한다. 따라서, 상기 공동에서의 진공 및 제1 압력의 적용은 함침 중합체의 용융 동안 예비성형품의 탈기(degassing) 및 예비성형품의 양호한 함침을 보장하는 것을 가능하게 한다.

유리하게는, 본 발명의 방법은 단계 d)와 단계 f) 사이에:

g. 상기 중합체에 의한 상기 예비성형품의 함침에 적합한 시간 동안 온도를 유지하는 단계를 포함한다.

중합체의 점도 및 섬유 함량에 의해 결정되는 이 유지 시간은 상기 예비성형품의 균일한 함침을 보장할 수 있게 한다.

유리하게는, 단계 g) 동안 상기 예비성형품에 제2 압력이 가해진다. 따라서, 상기 매트릭스를 형성하는 중합체가 이미 유동화되었을 때 제2 압력의 적용으로 압축을 수행할 수 있게 된다. 냉각 중에 이 압력을 유지하면 부품의 두께와 형상을 교정할 수 있다.

유리하게는, 상기 편직된 예비성형품은 함침 중합체로 만들어진 가닥(strand)과 혼합된 강화 섬유의 가닥으로 구성된 실(thread)을 사용하여 얻어진다. 이 실시예는 단계 d) 및 e) 동안 상기 예비성형품의 균일한 함침을 제공한다.

유사하게, 상기 편직된 예비성형품은 함침 중합체로 코팅된 강화 섬유로 구성된 실을 사용하여 얻어진다.

다른 대안적인 실시예에 따르면, 상기 예비성형품은 강화 섬유로 만들어진 실과 함침 중합체로 만들어진 실을 사용하여 편직된다.

이 대안적인 실시예의 특정 경우에 따르면, 상기 강화 섬유는 용융 온도가 상기 함침 중합체의 용융 온도보다 높은 중합체이다.

대안적인 실시예에 따르면, 상기 예비성형품은 핑거위빙(fingerweaving) 편직 기술을 사용하여 편직된다. 이 대안은 생산될 수 있는 형상의 측면에서 가장 광범위하고 가장 다재다능한 편직 기술을 사용하지만, 많은 경우에, 3차원 예비성형품의 마무리 또는 마감은 이음매의 수행을 필요로 한다.

이 목적을 위해, 이 실시예의 대안적인 구현에 따르면, 본 발명의 대상 방법은 단계 b) 이전에 상기 예비성형품의 윤곽을 닫기 위한 재봉 단계를 포함한다. 이 실시예는 편직 기술이 편직 중에 직접 이러한 특성을 얻는 것을 가능하게 하지 않더라도, 사용할 준비가 된 닫힌 윤곽의 예비성형품을 준비하는 것을 가능하게 한다.

대안적으로, 상기 방법은 단계 b)와 c) 사이에:

h. 용접에 의해 상기 예비성형품의 윤곽을 닫는 단계를 포함한다.

이 실시예는 함침 중합체를 통합하는 예비성형품의 구성을 이용한다. 이 용접은 단계 b) 이전에 또는 상기 예비성형품이 펀치 또는 다이에 배치될 때 수행되며, 이는 상기 용접의 정확한 위치를 보장하기 위함이다.

다른 대안적인 실시예에 따르면, 상기 예비성형품은 트랜스퍼 메쉬(transferred mesh) 기술을 사용하여 편직된다. 상기 대안에 따르면, 이 기술은 단일 또는 이중 저지 직물을 생산하며, 보다 복잡한 편직의 대가로 이음매 또는 접합 없이 단일 부품으로 3차원 예비성형품을 생산하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 방법의 유리한 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 압력은 상기 폐쇄된 공동에서 상기 펀치와 상기 다이 사이의 간격을 2개의 값 사이에서 변화시킴으로써 상기 예비성형품에 가해진다. 이 실시예는 두께의 더 정확한 제어 및 따라서 상기 예비성형품의 교정을 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명의 대상 방법의 구현을 위한 툴링에 관한 것으로, 상기 툴링은:

x. 전기 전도성 재료로 만들어진 펀치;

y. 펀치와 다이의 성형 표면 사이에 공동을 형성하도록 상기 펀치와 쌍을 이루며, 전기 전도성 재료로 만들어진 다이;

z. 상기 펀치 또는 상기 다이의 성형 표면을 가열하기 위한 유도 회로;

u. 상기 유도 회로에 전력을 공급하는 고주파 전류 발생기를 포함한다.

상기 툴링의 자율 가열 모드로 유도를 사용하면 사이클 시간과 대량 생산되는 부품의 생산 시간을 줄일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 펀치와 상기 다이 사이에 획정된 상기 공동은 상기 펀치의 베이스를 향해 벌어지는(flare) 원뿔형을 포함한다. 따라서 상기 예비성형품에 가해지는 압력은 다이와 펀치의 상대적 변위에 의해 제어되며, 이는 돌출된 모서리를 따르는 원뿔형에 따라 상기 예비성형품의 모든 면에서 폐쇄된 공동의 간격 값을 제어하는 것을 가능하게 한다.

유리하게는, 상기 펀치 및/또는 상기 다이는 유체의 순환을 위한 냉각 회로를 포함한다. 이 배열은 상기 방법의 단계 f)를 가속화함으로써 부품을 생산하기 위한 사이클 시간을 감소시킨다.

유리하게는, 상기 공동을 획정하는 상기 펀치 및 상기 다이의 성형 표면은 퀴리점(Curie point)이 상기 예비성형품을 함침시키는 중합체의 용융 온도와 동일한 강자성 재료로 만들어진다. 이 실시예는 특히 상기 예비성형품의 강화 섬유가 이러한 현상을 겪을 때 탄 자국를 방지하기 위해 공동 내의 온도 제어를 단순화한다.

본 발명의 대상 방법을 구현하기 위한 툴링의 실시예에 따르면, 툴링은 열 전도성 재료로 만들어진 다이 및 상기 다이에서 만들어진 공동 내로 연장되는 인덕터를 포함하며, 여기서 성형 공동의 부피는 상기 펀치와 상기 다이의 결합과는 관계없이 가변적이다. 이 실시예는 전기 전도성이거나 그렇지 않은 섬유를 포함하는 예비성형품의 구현에 적합하다. 성형 공동의 부피 변화는 압축 및 완성된 부품의 두께 교정을 보장할 수 있게 한다.

본 발명의 대상 툴링의 대안적인 실시예에 따르면, 상기 펀치는 팽창 가능한 블래더(bladder)를 포함한다. 이 대안은 특히 상기 방법의 단계 e) 및 f) 동안 상기 예비성형품의 전체 표면에 걸쳐 균일한 압력을 제공하는 것을 가능하게 한다.

툴링의 다른 대안적인 실시예에 따르면, 상기 펀치는 상기 다이와 상기 펀치의 결합에 의해 작동되는 가동부를 포함한다. 이 대안은 간격을 제어할 수 있으므로 성형 공동 내에서 완성된 부품의 두께를 제어할 수 있다.

다른 대안에 따르면, 펀치의 외부 표면은 가요성 밀봉 타폴린(tarpaulin)을 포함하고, 여기서 본 발명의 방법의 단계 c) 내지 f)를 수행하기 위해 상기 펀치와 상기 타폴린 사이에 기체 압력이 가해진다.

유리하게는, 상기 타폴린은 상기 예비성형품과 접촉하는 면에 유도를 통한 가열에 민감한 다량의 재료를 포함한다. 따라서 타폴린은 상기 예비성형품의 균일한 가열에 참여한다.

본 발명은 도 1 내지 도 5를 참조하여 어떠한 방식으로도 제한되지 않는 바람직한 실시예에 따라 이하에서 개시되며, 여기서:

도 1은 본 발명의 구현을 위한 개방 위치에서 도시된 단면도에 따른 툴링의 예시적인 실시예를 나타낸다.

도 2는 3차원 연결 영역을 포함하는 하프-쉘 형태로 편직된 2개의 예비성형품의 예를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 대상 방법의 구현을 위한 툴링의 다른 실시예를 개방 위치에서 단면도로 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 방법의 블록도를 나타낸다.

도 5는 5개의 면 및 상기 면 사이의 3차원 연결 영역을 포함하는 닫힌 윤곽을 갖는 편직된 예비성형품의 실시예를 사시도로 나타낸 것이다.

편직 기술은 종래 기술에 공지되어 있고, 루프 또는 메쉬에 따라 복수의 인터레이스된(interlaced) 실을 조립함으로써 3차원 형상의 직물을 만드는 것을 가능하게 한다. 사용된 편직 방식에 따라, 복잡한 예비성형품이 단일 편직 작업으로 만들어진다. 다른 편직 기술에 따르면, 부품의 윤곽은 닫혀질 수 없으며, 이 경우 이음매에 의해 닫는 단계 또는 더 유리하게는 추가로 개시되는 용접에 의해 닫는 단계가 필요하다.

도 5는 5개의 면과 상기 면 사이의 4개의 3차원 연결 영역(501)을 포함하는 3차원 예비성형품(500)의 예를 나타내며, 이들 연결 영역은 일반적으로 "코너 피팅(corner fitting)"이라는 용어로 지칭된다. 편직된 예비성형품(500)의 3차원 형상을 정확하게 보기 위해, 편직된 예비성형품이 여기에서는 지지체 상에 배치된 것으로 도시되어 있으며, 상기 지지체는 예를 들어 툴링의 펀치이다. 이 실시예에서 사용된 편직 기술은 예비성형품의 전체 표면에 걸쳐 섬유의 연속성을 허용하며, 윤곽은 닫힌다. 가닥은 전개될 수 없는, 즉 가닥의 길이를 유지하면서 평평하게 배치될 수 없는 영역인 3차원 연결 영역(501)을 포함하여 연속적이다. 이 도면에 나타난 바와 같이, 편직 기술은 이미 부품의 최종 형상이거나 부품의 최종 형상에 매우 가까운 형상을 갖는 예비성형품을 얻을 수 있게 한다.

본 발명의 방법의 편직 단계는 닫힌 윤곽으로 만들어질 수 있는 형태의 측면에서 가장 다재다능성을 제공하는 평사 편직기(plain weft knitting machine)에 의해 유리하게 구현되나 이에 한정되지 않는다. 만들어질 수 있는 형태는 코너 피팅을 포함하는 상자 형태, 헬멧과 같은 실질적으로 돔 또는 캡의 형상을 갖는 형태, 튜브의 접합부를 포함하는 튜브 형태, 또는 선택적으로 오목부(recesses)를 포함하는 이러한 상이한 형태의 조합을 포함한다.

종래 기술에 따르면, 3차원 편직은 건식 섬유상 예비성형품의 생산에 사용되며, 이후 RTM(Resin Transfer Molding) 방법과 같은 몰드 내에 액체 수지의 이송을 구현하는 방법을 통해 열경화성 수지로 그후에 함침된다.

그러나 이 방법은 대량 생산에는 적합하지 않다.

본 발명의 방법은 복합 부품의 매트릭스를 형성할 중합체 자체를 포함하는 편직된 섬유상 예비성형품을 구현한다.

이 목적을 위해, 본 발명의 방법의 편직 단계는 적용 가능한 경우 미리 크기를 조정하고 방적하는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 금속 섬유, 중합체 섬유와 같은 강화 섬유 또는 아마 섬유, 코코넛 섬유, 사이잘 섬유, 황마 섬유, 대나무 섬유와 같은 천연 섬유 또는 이들 섬유의 조합으로 구현하고, 미래의 복합 부품의 매트릭스를 구성하는 열가소성 중합체와 결합된다.

예로서, 상기 중합체는 강화 섬유와 혼합되어, 예를 들어 상기 섬유의 가닥의 형태로, 상기 중합체의 가닥과 함께 방적되고 선택적으로 꼬인 형태로, 또는 상기 중합체로 코팅된 강화 섬유의 형태로, 또는 강화 섬유로 만들어진 실과 함께 상기 중합체의 실을 편직함으로써 도입된다.

생산 방식에 관계없이, 열가소성 중합체의 점착성의 부재는 편직 단계 동안 강화 섬유와 공동으로 그것의 구현을 가능하게 한다.

비제한적인 예로서, 상기 열가소성 중합체는 폴리에테르케톤(PEK), 폴리에테르 에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 열가소성 폴리에스테르, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아미드(예를 들어 PA6 또는 PA6-6), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)이다.

다른 예에 따르면, 상기 중합체는 다음과 같은 바이오소스 중합체로부터 선택된다:

- 폴리아미드(PA), 특히 PA11

- 바이오소스 폴리에틸렌(PET)

- 폴리락트산(PLA)

- 또는 바이오소스 폴리에스테르

섬유를 인터레이스하고 전체 형태에 걸쳐 인터레이스의 연속성을 허용하는 예비성형품을 얻는 모드와 열가소성 중합체의 조합은 특히 충격에 내성이 있으며, 중합체의 선택에 따라 온도 및 화염에 내성이 있는 가벼운 부품의 생산을 가능하게 한다. 따라서 본 발명의 방법은 여행가방 부품, 헬멧, 하니스, 실드, 팔꿈치 보호대 또는 무릎 보호대, 보호 쉘, 경량 장갑 부품과 같은 개인 보호 장비와 같이 이러한 유형의 응력을 받는 부품의 생산에 특히 적합하다.

도 1에서 본 발명의 방법의 일 실시예에 따르면, 강화 섬유가 전기 전도성이 아닌 예비성형품을 구현하는데 적합하며, 미리 편직되고 강화 섬유 및 최종 부품의 함침 열가소성 중합체를 포함하는 상기 예비성형품(100)은 툴링의 펀치를 형성하는 부분에 배치된다.

도 2에서 비제한적인 실시예에 따르면, 예비성형품(100a)은 "코너 피팅"으로 불리는 3차원 연결 영역을 포함하는 쉘 형태이다. 예를 들어, 설명의 목적으로 그것은 여행가방의 하프-쉘이다. 일 실시예에 따르면, 상기 예비성형품(100a)은 상기 예비성형품의 편직 중에 직접 수행되는 오목부(201)를 포함한다. 형상의 스탬핑 강화와 같은 열가소성 복합 재료를 구현하기 위한 종래 기술의 기술과 비교하여, 편직에 의해 예비성형품을 얻는 기술은 연결 영역, 특히 코너 피팅에서, 부품의 나머지 부분에서의 강화 비율과 비슷한 강화 섬유 대 중합체 비율을 유지하면서 동일한 영역에서 주름의 형성을 방지하는 것을 가능하게 한다.

도 1로 돌아가서, 편직 기술이 닫힌 윤곽에 따라 이러한 예비성형품의 생산을 허용하지만, 툴링이 개방 구성에 있기 때문에, 필요하다면 상기 펀치에 탈형제를 분무한 후, 상기 예비성형품(100)으로 상기 펀치를 덮음으로써 상기 예비성형품(100)은 펀치(110) 상에 간단히 끼워진다. 이러한 작업은 수동으로 또는 매니퓰레이터 또는 로봇에 의해 용이하게 수행된다. 이하에 제시된 바와 같은 자체 가열 툴링의 구현은 펀치가 이 단계 동안 주위 온도에 있도록 한다.

도 2에서 다른 실시예에 따르면, 사용된 편직 기술은 예비성형품(100b)의 윤곽을 닫는 것을 가능하게 하지 않으며, 상기 예비성형품은 2개의 열린 모서리(211, 212)에 의해 획정되는 윤곽 불연속성을 포함한다.

도 1로 돌아가서, 편직 기술이 닫힌 윤곽을 갖는 편직된 예비성형품을 얻는 것을 가능하게 하지 않는다면, 예비성형품이 펀치(110) 상에 배치되고, 툴링에서 상기 예비성형품의 위치는 윤곽 불연속성의 열린 모서리를 결합하는 적어도 2개의 용접점을 수행함으로써 안정화된다. 편직된 예비성형품 내의 중합체의 존재는 이러한 용접을 수행하는 것을 가능하게 한다. 상기 용접은 예를 들어 납땜 인두에 의해 수행되거나, 대안적으로 레이저 또는 초음파와 같은 종래 기술에 공지된 다른 수단에 의해 점 또는 용접선의 형태로 수행된다.

상기 툴링의 이러한 실시예에 따르면, 펀치는 예를 들어 메쉬에 도입된 핀 또는 후크의 형태로 예비성형품의 열린 모서리 하나를 다른 하나에 대해 위치시키기 위한 수단을 유리하게 포함한다. 따라서 예비성형품이 툴링 상에 완벽하게 위치된다.

툴링은 개방 구성 및 폐쇄 구성으로 분리될 수 있는 적어도 2개의 부분(110, 120)으로 구성되며, 펀치(110) 및 다이(120)를 획정한다. 펀치와 다이는 성형 표면에서 그리고 툴링의 폐쇄 동안 생산된 부품의 최종 두께에 해당하는, 도면에서 과장된, 간격(e)을 그들 사이를 획정하는 방식으로 쌍을 이룬다. 따라서 펀치와 다이 사이의 공간은 예비성형품(100)이 위치되는 성형 공동을 획정한다.

일 실시예에 따르면, 수단(160)은 일단 툴링이 폐쇄되면 예비성형품(100)을 포함하는 성형 공동 내의 가스를 진공화할 수 있게 한다.

일 실시예에 따르면, 펀치 및 다이는 강자성 재료로 만들어지고, 성형 표면을 제외한 이들의 외부 면이 구리와 같은 전기 전도성 및 비강자성 재료의 연속층(111, 121)으로 덮여 있다. 툴링의 폐쇄 동안, 펀치 및 다이를 포함하는 툴링의 부분은 전기 절연 재료의 층(130)에 의해 서로 분리된다. 이 절연 재료의 층은 또한 툴링의 폐쇄 동안 펀치와 다이 사이에 형성된 공동의 밀봉을 제공한다.

펀치-다이 유닛은 2개의 하프-코일(141, 142)을 포함하는 유도 회로에 삽입되며, 그 중 하나(141)는 펀치와 통합되고 다른 하나(142)는 다이와 통합된다. 툴링의 폐쇄는 2개의 하프-코일을 전기적으로 연결하는 효과가 있다. 툴링을 둘러싸는 이렇게 형성된 코일은 고주파 전류 발생기(도시되지 않음)에 연결되어, 상기 코일에 대한 전원 공급은 툴링의 표면 위로 유도 전류의 순환을 유발한다. 유도 전류는 툴링 표면의 감소된 두께의 재료로 순환한다. 따라서 상기 유도 전류는 코팅층(121, 111)에서 순환하고, 툴링의 두 부분 사이의 절연층(130)에 의해 수행되는 차단으로 인해 펀치와 다이 사이에 획정된 공동의 성형 표면에서 순환한다.

강자성 재료로 만들어진 상기 성형 표면은 이러한 고주파 유도 전류의 순환으로 인해 온도가 급격히 상승하고, 그 열을 예비성형품(100)으로 전달한다.

상기 온도의 영향 하에, 편직된 예비성형품에 포함된 중합체는 그 용융 온도가 되고, 예비성형품은 폐쇄되고 밀봉된 공동에 갇히게 되어, 상기 중합체는 예비성형품을 균일하게 함침시킨다.

펀치와 다이 사이의 간격(e) 뿐만 아니라 몰드에 가해지는 폐쇄 압력은 최종 부품의 두께를 교정한다. 이 실시예에 따른 몰드의 구성에서, 유도를 통한 가열을 사용하면, 툴링의 전체 덩어리를 가열할 필요 없이 공동의 성형 표면에 가열을 집중시키는 것이 가능하다.

상기 성형 표면은 온도가 급격히 상승하고, 상기 온도는 예를 들어 퀴리 온도에 따라 몰드를 만드는 강자성 재료를 선택함으로써 제어된다.

유리하게는, 툴링의 펀치(110) 및/또는 다이(120)는 열전달 유체, 예를 들어 물의 순환을 위한 채널(151, 152)을 포함하여 성형 표면의 빠른 냉각을 가능하게 한다.

성형 공동 및 예비성형품(100)은 상기 예비성형품에 포함된 중합체의 용융 온도와 적어도 동일한 온도가 되도록 하고, 상기 온도는 중합체에 의한 예비성형품의 균일한 함침을 보장하기 위해 수초 내지 1분 사이의 적절한 시간 동안 유지된다.

상기 유지 시간은 섬유상 강화재의 함량 및 유지 온도에서의 용융된 중합체의 점도에 따른다. 중합체의 점도가 높고 섬유 함량이 높을수록 유지 시간이 길어진다. 유지 시간은 시험을 통해 쉽게 결정된다.

적절한 유지 시간 후, 코일(141, 142)의 전원 공급이 중단되고, 성형 공동은 툴링의 냉각 채널(151, 152)에서 열전달 유체의 순환에 의해 냉각된다.

가열, 유지 및 냉각 단계 동안 툴링의 폐쇄 압력이 유지된다.

대안적인 실시예에 따르면, 가열 종료 시 및 유지 단계 동안 제1 압력보다 큰 제2 압력이 예비성형품에 가해진다. 이 제2 압력은 예를 들어 다이에 대해 펀치를 상대적으로 변위시킴으로써 가해진다. 일 실시예에 따르면, 펀치와 다이는 펀치의 베이스를 향해 벌어진 약간의 원뿔형을 가지며, 이 상대적 변위 방식으로 간격(e)을 줄임으로써 예비성형품의 모든 표면에 상기 압력을 가한다.

열전달 유체의 순환에 의한 성형 공동의 냉각은 성형 공동의 온도를 중합체의 유리 전이 온도보다 낮은 온도, 또는 보다 일반적으로 중합체의 강성이 이렇게 생산된 부품을 변형없이 조작하기에 충분한 온도로 감소시키면 몰드가 개방되고 부품이 탈형된다.

그런 다음 새로운 예비성형품으로 사이클이 재개된다. 몰드의 두 번의 개방 사이의 부품의 제조 시간은 부품의 치수, 중합체의 특성 및 섬유 함량에 따라 다르지만, 실질적으로 온도를 유지하는 시간에 따라 일반적으로 1분에서 5분 사이이다.

유도를 통한 가열을 사용하면 부품의 균일한 함침을 제공하기 위해 각 사이클 동안 충분한 가열 온도에 도달하는 것을 보장할 수 있다. 이 가열 방법에 의해 인가된 약 2℃/s의 가열 속도는 또한 섬유를 열화시킬 위험 없이 연소에 민감한 천연 섬유의 구현을 가능하게 한다.

전술한 구현 단계는 초기에 펀치가 아닌 다이에 예비성형품을 배치함으로써 동일한 방식으로 적용되며, 또한 하프-상자 이외의 형태인 편직된 예비성형품의 구현에도 적합하다.

도 3에서, 전기 전도성 섬유를 포함하는 임의의 유형의 섬유에 적합한 본 발명의 방법의 다른 실시예에 따르면, 툴링은 펀치(310) 및 다이(320) 형태의 적어도 2개의 부분을 포함한다. 이 실시예에 따르면, 다이(320)는 본 예에 한정되는 것은 아니지만, 알루미늄 또는 구리 합금과 같은 열을 잘 전도하는 금속 재료로 만들어진다.

다이(320)는 인덕터(341)가 연장되는 덕트(340) 세트를 포함한다. 상기 인덕터는 구리 튜브 또는 리츠(Litz) 케이블의 형태를 갖는다. 일 실시예에 따르면, 상기 덕트의 내부는 0.2mm와 2mm 사이의 두께에 걸쳐 강자성 재료로 형성된 라이닝(342)을 포함한다. 따라서, 인덕터(341)에 고주파 전류가 공급되면, 유도 전류는 강자성 라이닝(342)에서 순환하여 강자성 라이닝의 가열을 야기한다.

열은 다이로 전달되고 전도를 통해 성형 표면으로 전파되어 온도가 상승한다.

유리하게는, 인덕터(341)를 포함하는 상기 덕트(340)는 상기 다이의 성형 표면 상에서 균일한 온도를 보장하는 방식으로 다이의 공동으로부터 거리 (d)에 위치된다.

대안적으로, 다이는 강자성 재료, 예를 들어 강철로 만들어지며, 이 경우 인덕터(341)를 포함하는 덕트(340)의 라이닝이 필요하지 않다.

유리하게는, 다이는 그것의 냉각을 목적으로 열전달 유체의 순환을 위한 채널(360)을 포함한다.

몰드는 여기에서 개방 위치로 나타나 있다. 밀봉 수단(312) 뿐만 아니라 펀치(310)와 다이(320)를 함께 결합함으로써 편직된 예비성형품(100)이 포함된 밀봉된 공동을 획정할 수 있다.

이 실시예에 따르면, 펀치는 블래더(350) 및 상기 블래더를 팽창시키는 수단(351)을 포함한다. 블래더(350)는 예비성형품에 포함된 중합체의 용융 온도에 견디는 엘라스토머로 만들어진다.

예로서, 상기 블래더는 탄소가 적재된 실리콘으로 형성된다. 이 실시예는 다이 공동이 펀치의 베이스를 향해 벌어진 임의의 원뿔형을 특징으로 하지 않더라도, 그리고 그것이 역 원뿔형을 특징으로 하더라도, 예를 들어 본 발명의 방법이 헬멧을 제조하는데 사용되는 경우 상기 블래더를 팽창시킴으로써 예비성형품의 모든 면을 압축하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 다이는 최종 부품의 탈형을 허용하기 위해 분리될 수 있는 적어도 2개의 부분을 포함한다.

펀치가 블래더(350)를 포함하는 이 실시예는 도 1에 도시된 툴링의 실시예에서도 사용될 수 있다. 이 경우, 부품의 제조 동안 예비성형품(100)과 접촉하는 블래더의 면은 유도 전류의 순환을 보장하기 위해 펀치의 나머지 부분에 전기적으로 연결된 전기 전도성 코팅을 포함하며, 이 코팅은 또한 강자성일 수 있다.

이 실시예에 따른 툴링의 사용예에 따르면, 편직된 예비성형품(100)은 다이(320)의 공동 내로 삽입된다. 펀치는 다이에 더 가까워져 예비성형품이 포함된 밀봉된 공동을 생성한다. 블래더(350)는 예비성형품과의 접촉을 보장하기 위해 제1 압력에서 팽창된다. 인덕터(341)에 고주파 전류가 공급되며, 이는 성형 공동을 가열하고 편직된 예비성형품에 포함된 중합체를 그 용융 온도로 가져오는 효과가 있다.

블래더(350)의 팽창 압력은 예비성형품의 압축을 제공하는 방식으로 증가된다. 온도는 예비성형품의 균일한 함침을 제공하는 방식으로 성형 공동에서 유지되며, 이 함침 시간은 섬유 함량 및 중합체의 점도의 함수이다.

그런 다음, 인덕터의 전원 공급이 중단되고 열전달 유체가 냉각 채널(360)로 보내져 몰드 및 이렇게 생산된 부품을 탈형에 적합한 온도로 냉각시킨다.

도 1에 도시된 툴링이 전술한 바와 같은 전도성 코팅을 포함하는 이러한 팽창 가능한 블래더를 포함하는 경우, 이 블래더가 다이 또는 펀치 중 어느 하나에 연결되든, 전술한 바와 같은 작업의 순서는 동일하다.

도 1의 예와 같이, 펀치가 블래더를 포함하지 않고, 가열 및 냉각 수단이 펀치 또는 심지어 펀치 및 다이에 포함되고, 예비성형품이 다이가 아닌 펀치에 배치되는 다른 실시예가 가능하다.

따라서, 전술한 임의의 실시예 또는 이들 실시예의 조합에 따른 유도를 통한 자율 가열을 갖는 몰드를 함침 중합체를 포함하는 편직된 예비성형품과 함께 사용하는 조합은 단일 강화 작업으로 리드 타임을 단축하면서 높은 섬유 함량을 포함하는 복잡한 형상의 부품을 대량 생산하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 대상 방법은 고소비 시장을 목표로 하는 복합 부품의 생산에 특히 적합하다.

높은 섬유 함량, 매트릭스를 구성하는 열가소성 중합체 및 복합재에서 섬유 구성 방식의 연관성은 이들 부품이 충격에 특히 내성을 갖도록 하고, 종래 기술의 방법에 따라 감소된 섬유 함량을 갖는 영역, 특히 도시된 예의 코너 피팅에서 상당한 섬유 함량을 유지하는 것을 가능하게 한다.

그러나 이들 영역, 특히 3차원 연결 영역 또는 코너 피팅은 특히 여행가방 쉘과 같은 충격 측면에서 본 발명에 의한 제품 대상에 특히 강조되는 영역이다.

도 4에서, 본 발명의 방법의 제1 단계(410)에 따르면, 예비성형품은 최종 부품의 형상에 대응하도록 편직된다. 상기 예비성형품은 편직된 실에서 혼합된 형태로, 또는 편직된 실 상의 코팅 형태로, 또는 강화 실과 함침 중합체로 만들어진 실의 편직에 의해 최종 부품의 열가소성 함침 중합체를 포함한다.

상기 중합체는 상기 예비성형품이 시간적 제한 없이 저장될 수 있거나 변형 장소로부터 멀리 떨어진 장소에서 생산될 수 있도록 안정하다.

로딩 단계(420)에 따르면, 이렇게 얻어진 예비성형품은 몰드가 개방된 상태에서 임의의 실시예에 따라 툴링 상에 또는 툴링 내에 배치된다.

특정 실시예에 따르면, 편직 기술이 닫힌 윤곽을 갖는 예비성형품을 얻을 수 없는 경우에 대응하여, 용접 단계(425)는 예비성형품의 윤곽을 닫도록 툴링에서 직접 수행된다.

함침/강화 단계(430)에 따르면, 몰드가 폐쇄되고, 따라서 예비성형품에 제1 압력이 가해지고 펀치와 다이 사이에 획정된 성형 공동이 함침 중합체의 용융 온도 이상의 온도가 된다.

특정 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 몰드의 폐쇄 후 예비성형품을 포함하는 공동의 진공화 단계(427)를 포함한다.

유지 단계(440)에 따르면, 성형 공동 및 예비성형품은 펀치와 다이의 성형 표면과 예비성형품 사이의 접촉 압력을 여전히 유지하면서 이전 단계(430) 동안 도달된 온도로 유지된다.

대안적인 실시예에 따르면, 유지 단계(440)는 펀치 및 다이를 접근시키거나 다이 또는 펀치의 팽창 수단(블래더)에 추가 팽창 압력을 가함으로써 예비성형품에 대한 압력을 증가시키는 압축 단계(445)를 포함한다.

냉각 단계(450)에 따르면, 성형 공동 및 예비성형품은 여전히 예비성형품에 대한 압력을 유지하면서 몰드 내의 열전달 유체의 순환에 의해 냉각된다.

냉각(450)은 성형 공동 내의 온도가 함침 중합체의 유리 전이 온도 이하가 될 때까지 계속된다.

탈형 단계(460)에 따르면, 몰드가 개방되고 부품이 탈형된다. 그 다음, 사이클은 새로운 예비성형품으로 로딩 단계(420)에서 재개된다.

Claims (13)

1. 열가소성 중합체 매트릭스 및 연속 섬유를 포함하는 강화재를 사용하여 3차원 복합 부품을 제조하는 방법으로서,
   a. 3차원 편직에 의해 최종 부품의 3차원 형상에 대응하고, 상기 매트릭스를 형성하는 열가소성 중합체로 사전 함침된 연속 섬유를 갖는 코너 피팅을 포함하는 섬유상의 3차원 형상의 예비성형품(100)을 얻는 단계(410);
   b. 상기 예비성형품을 폐쇄 및 개방 상태를 갖는 툴링의 펀치(110, 310)와 상기 펀치와 쌍을 이루는 다이(120, 320) 사이에 배치하고(420), 상기 펀치의 성형 표면과 상기 다이의 성형 표면 사이에 폐쇄 공동을 획정하는 단계;
   c. 상기 펀치와 상기 다이 사이의 상기 예비성형품에 제1 압력을 가하기 위해 상기 툴링을 폐쇄하는 단계;
   d. 상기 제1 압력을 유지하면서 상기 예비성형품의 섬유를 함침시키는 상기 열가소성 중합체의 용융 온도로 상기 폐쇄 공동을 가져오는 단계(430);
   e. 상기 예비성형품을 포함하는 상기 공동을 상기 예비성형품에 대한 제2 압력을 유지하면서 탈형에 적합한 상기 열가소성 중합체의 유리 전이 온도 이하의 온도로 냉각하는 단계(450); 및
   f. 몰드를 개방하고 3차원 형상의 부품을 탈형하는 단계(460)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 c)는 상기 공동의 진공화(427)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 단계 d)와 f) 사이에,
   g. 상기 중합체에 의한 상기 예비성형품의 함침에 적합한 1분 미만의 시간 동안 온도를 유지하는 단계(440)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 단계 g) 동안 상기 예비성형품에 제2 압력이 가해지는(445) 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 3차원 형상의 예비성형품은 함침 중합체로 만들어진 가닥과 혼합된 강화 섬유의 가닥으로 만들어진 실을 사용하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 3차원 형상의 예비성형품은 함침 중합체로 코팅된 실로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 3차원 형상의 예비성형품은 강화 섬유로 만들어진 실과 함침 중합체로 만들어진 실을 편직함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 강화 섬유는 용융 온도가 상기 함침 중합체의 용융 온도보다 높은 중합체로 만들어진 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 b)와 단계 c) 사이에,
    h. 용접에 의해 상기 3차원 형상의 예비성형품의 윤곽을 닫는 단계(425)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 형상의 예비성형품은 트랜스퍼 메쉬(transferred mesh) 기술을 사용하여 편직되는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.
13. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압력은 폐쇄된 공동에서 상기 펀치와 상기 다이 사이의 간격을 2개의 값 사이에서 변화시킴으로써 상기 3차원 형상의 예비성형품에 가해지는 것을 특징으로 하는 3차원 복합 부품 제조 방법.

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