KR102519232B1 - 상이한 기능의 영역을 포함하는 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

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KR102519232B1
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가에탄 마오
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생-고뱅 퍼포먼스 플라스틱스 프랑스
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Abstract

본원의 개시 내용은 편직된 예비성형체로부터 상이한 기능을 갖는 영역을 포함하는 복합 재료로 이루어진 제품을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 본원의 발명자들은 상이한 구성요소의 영역을 구비하는 건식 예비성형체를 편직한 다음, 상이한 기능을 갖는 영역을 구비하는 고체 복합 재료로 용융함으로써 동일한 것을 변형시키는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 다른 기능에 의해서, 이것은 다른 경성 영역, 다른 내마모성 영역, 다른 전기 전도도 또는 열 전도성 영역, 다른 투명도 영역을 제공하는 것이 가능하다.

Description

상이한 기능의 영역을 포함하는 복합 재료의 제조 방법
본 개시내용은 상이한 기능의 영역(different functional areas)을 포함하는 복합 재료(composite material)의 제조 방법에 관한 것이다.
구현예들은 실시예로서 예시되는 것이며, 첨부 도면에 제한되지 않는다.
도 1은 다양한 가요성 영역을 포함하는 제품의 실례를 나타낸 도면이다.
도 2는 내마모성이 다른 영역을 포함하는 제품의 실례를 나타낸 도면이다.
도 3은 열전도율이 다른 영역을 포함하는 제품의 실례를 나타낸 도면이다.
도 4는 투명도가 다른 영역을 포함하는 예비성형체의 실례를 나타낸 도면이다.
도 5는 투명도가 다른 영역을 포함하는 도 4의 예비성형체로부터 수득된 제품의 실례를 나타낸 도면이다.
관련 기술분야의 통상의 기술자는 도면의 요소가 단순성과 명료성에 맞게 예시되었으며, 반드시 축척에 맞게 도시된 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다.
바람직한 실시예(들)의 상세한 설명
다음의 논의는 교시를 위한 특정 구현예 및 실시예에 초점을 맞춘 것이다. 상세한 설명은 특정 실시예를 설명하는 것을 돕기 위해 제공되었으며, 본원의 개시 또는 교시의 범위 또는 적용 가능성에 대한 제한으로 해석되어서는 안된다. 본 명세서에 제공된 바와 같은 개시 및 교시에 기초하여 다른 실시예가 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어 "포함한다", "포함하는", "구비한다", "구비하는", "갖는다", "갖는" 또는 이들의 임의의 다른 변형된 용어들은 비배타적으로 포함하는 것을 커버하도록 의도된 것이다. 예를 들어, 특징적인 내용들의 리스트를 포함하는 방법, 물품 또는 장치는 반드시 그러한 특징적인 내용에만 국한되지 않으며, 명시적으로 나열되지 않았거나 그러한 방법, 물품 또는 장치에 고유하지 않은 다른 특징을 포함할 수 있는 것이다. 또한, 달리 명시적으로 언급하지 않는 한, "또는"은 배타적 논리합이 아니라 비배타적 논리합을 나타낸다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중 하나에 의해 충족된다. 즉, A는 참(또는 존재)이고 그리고 B는 거짓(또는 존재하지 않음)이며, A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 그리고 B는 참(또는 존재)이며, 그리고 A 및 B는 모두 참(또는 존재)인 것이다.
또한, 영문 명세서의 "a" 또는 "an"은 본원의 명세서에 설명된 요소 및 구성요소를 설명하는 데 사용된 것이다. 이것은 단지 편의를 위해 그리고 본 발명의 범위에 대한 일반적인 의미를 제공하기 위해 사용된 것이다. 상기 용어는 달리 의미를 부여하지 않는 한, 하나, 적어도 하나, 또는 복수를 포함하는 단수를 나타내는 것으로 이해되어야 하며, 그 반대의 경우도 마찬가지 이다. 예를 들어, 본원의 명세서에서 단일 항목이 설명될 때, 단일 항목 대신 둘 이상의 항목이 사용될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 항목이 본원의 명세서에 설명된 경우, 단일 항목이 하나 이상의 항목을 대체할 수 있다.
본 발명은 복합 재료(들)로 만들어진 제품 분야에 관한 것이다. 복합 재료는 중합체 재료(polymeric material), 특히 열가소성 또는 열경화성 재료로 구성된 매트릭스를 포함하는 제품을 의미하는 것으로 이해하며, 이 매트릭스는 중합체 재료의 융점보다 높은 융점을 갖는 재료에 의해 보강된다. FRP는 일반적으로 "섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastic)"을 의미한다.
복합 재료는 수년 동안 잘 알려져 있는 것이다. 복합 재료는 재료의 무게와 관련하여 양호한 기계적 내성을 갖고 있다. 또한 복합 재료는 부식에 대한 내성도 매우 우수하다. 복합 재료들은 별도로 취한 구성 요소보다 우수한 특성을 가지고 있다.
복합 재료는 특히 자동차 또는 항공 분야에서 전통적으로 강철로 만들어진 부품의 경량화를 가능하게 한다. 복합 재료는 또한 피로에 대한 우수한 내성을 가지고 있다.
강화재는 매트릭스에 분산된 광물 섬유를 추가하거나, 강철 프레임 또는 합성 재료를 사용하거나, 강화 섬유의 직물을 사용하거나, 부직포 또는 매트를 사용하거나, 또는 섬유 공정으로 얻은 기타 제품과 같이 다양한 방법으로 얻을 수 있는 것이다.
직물 강화재는 평평한 구조를 가지며 수직적으로 배열된 위사 및 경사로 구성된다. 이를 제조하려면 각 경사에 대해 별도의 스풀을 사용해야 한다.
아주 최근에, 편물 강화재의 사용이 명백해졌다. 편물 강화재는 일반적으로 얀이 연속적인 열로 배열된 인터레이스 메쉬를 형성하는 연속 얀으로부터 수득되는 제품을 의미하는 것으로 이해된다. 전통적인 편직물의 제조에는 얀 메쉬용으로 오직 1개 스풀의 얀 만을 필요로 한다.
얀은 모노필라멘트 또는 멀티필라멘트 유형일 수 있다. 멀티필라멘트는 로빙(roving)(즉, 꼬이지 않고 조립된 평행한 연속 필라멘트 세트), 섬유 얀(즉, 꼬임에 의해 조립된 짧은 불연속 섬유 세트)일 수 있다. 얀은 또한 다수의 얀 또는 다른 재료의 필라멘트의 조립품일 수도 있다. 이 조립품은 꼬기, 편조 등에 사용할 수 있다. 따라서 중합체 재료와 강화 재료를 포함하는 얀을 생산할 수 있다. 예를 들어, 아라미드, 탄소, 유리 유형 등의 강화 얀과 열가소성 얀(폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에테르이미드(PEI) 등)을 조립하는 것이 가능하다. 이런 유형의 얀을 혼합사(mixed yarn)라고 한다.
이러한 유형의 혼합사를 편직하면 강화재 및 매트릭스를 모두 포함하는 건식 예비성형체(dry preform)를 수득할 수 있다.
직조 강화재(woven reinforcements)와 비교하여 편직 강화재(knitted reinforcements)는 많은 장점이 있다.
일반적으로 "프리프레그(prepreg)"라고 하는 겔화와 같은 중합체 재료로 미리 침투된 직조 강화재는 부드럽게 처리되어야 한다. 직조 강화재는 보호 필름을 제거하면 끈적거림이 있는 것이다. 직조 강화재는 실온에서 제한된 시간 동안만 유지될 수 있는 것이다.
몰드에 직조 강화재를 드레이핑(draping)하는 것은 길고 섬세한 작업이다. 이것은 다수 층의 "프리프레그"를 사용해야 하는데, 그것은 너무 많이 겹치는 것을 피하면서 충분한 두께를 보장하기 위해 몰드의 모양에 따라 신중하게 절단 및 배열을 해야 하는 작업이다.
프리프레그 직물 절단에는 재료의 30 % 를 차지할 수 있는 제품 스크랩이 포함된다. 또한 직물 제조에는 수백 개의 스풀이 필요하다.
전통적인 편직물의 생산에는 얀 메쉬(yarn mesh)용으로 오직 1개의 얀 스풀(one spool of yarn)이 필요하다. 다양한 편직 기술을 통해서 재봉 없이 단일 피스를 형성하는 편물을 3D로 얻을 수 있다. 공지된 편직 기술은 환형 편직 또는 직선 편직을 수행할 수 있게 한다.
편직은 위편직 방법(weft knitting methods)과 경편직 방법(warp knitting methods)으로 구분할 수 있다.
위편직(피크(picked) 스티치라고도 함)에서는 얀이 바람직하게 행(row) 방향(직물에 비유하여 가로(weft)방향)을 따른다. 동일한 행의 각각의 루프가 차례로 편직된다. 각각의 행은 차례로 편직된다. 하나의 얀을 사용하여 전체 편직을 할 수 있다. 각각의 바늘(needle)은 개별적으로 제어된다. 즉, 편직하면서 복잡한 3D 모양을 얻을 수 있다.
경편직(쓰로우(throw) 스티치라고도 함)에서는 얀이 바람직하게 열(columns) 방향(직물에 비유하여 세로(warp)방향)을 따른다. 동일한 행의 루프 모두가 동시에 편직된다. 각 행은 차례로 편직된다. 메쉬 열 당(per) 하나의 얀이 필요하다. 바늘은 다른 그룹으로 연결된다. 그룹을 개별적으로 제어할 수 있지만 그룹을 구성하는 바늘을 제어할 수는 없다. 생산된 니트는 플랫(flat)이다. 그럼에도 불구하고 두께는 가능하지만 복잡한 3D 모양은 가능하지 않다.
보유자의 특허출원 FR 3065181은 복합 재료로 만들어진 제품을 제조하기 위한 건식 예비성형체의 제조 방법을 교시하고 있다. 이 문헌은 적어도 하나의 메쉬 얀과 적어도 하나의 단일방향 강화 얀을 위편직하여 제조된 예비성형체를 기재하고 있다. 이 예비성형체는 강화 재료의 얀 또는 필라멘트와 열가소성 재료의 얀 또는 필라멘트의 혼합물을 편직하여 형성되기 때문에, 더 이상 수지(resin) 주입이 필요하지 않으며, 후자는 성형 중에 용융되게 되어 있다. 편직 얀은 실제로 열가소성 재료로 만든 필라멘트와 강화 재료로 만든 필라멘트를 혼합하여 구성된다.
문헌 US 2012/0168012는 액체 함침에 의해 생산된 복합 튜브를 기재하고 있다. 상기 복합 튜브는 중합체 매트릭스가 몰드에 함침에 의해 적용되는 지지체로서 역할을 하는 환형 편직 구조를 포함한다. 또한, 세트를 보강하기 전에 연속적으로 추가되는 층들(layers)이 더해지는 것이다.
여기에는 기능이 다른 영역을 포함하는 복합 재료로부터 제품을 제조할 필요가 있다. 다른 기능은 예를 들어 다음을 의미한다. 즉, 드릴링/컷팅에 대해 내성이 있는 재료의 피스(a piece of material)에서 드릴링/컷팅을 허용하는 영역; 단단한 피스에서 유연한 영역; 단열 피스에서 열 전도성 영역을 의미한다.
복합 재료를 제조하는 전통적인 방법에서는 서로 다른 재료의 피스를 별도로 만든 다음, 조립해야 한다.
그 조립은 섬세한 단계이다. 조립된 복합재는 조립 지점에서 더 취약한 영역을 가지고 있다. 조립품은 또한 특정한 특성, 특히 전기적 특성의 불연속성을 유발하거나 또는 특정 처리를 수행해야 할 필요가 있다. 조립품은 또한 난류를 생성할 수 있는 표면에서 불연속성을 생성할 수 있다(항공 프로파일 참조). 조립품은 또한 다른 재료의 도입으로 인해 과중량을 유발하기도 한다.
본 발명의 목적은 미리 제조된 피스를 따로 조립할 필요가 없는, 서로 다른 상호 침투 기능(interpenetrating functionalities)을 가진 복합 재료를 제공하는 것이다.
특정 구현예에 따르면, 서로 다른 구성요소의 영역을 포함할 수 있는 건식 예비성형체를 편직한 다음, 그것을 서로 다른 기능을 가진 영역을 포함할 수 있는 고체 복합 재료에 용융하여서 변형할 수 있음을 발견했다. 이러한 기능은 일반적으로 합체한 후에만 사용할 수 있다.
특정 구현예에 따르면, 편직할 때, 특정 영역에서는 다른 재료의 얀을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 다양한 재료들은 최종 복합 제품의 특정 영역에서 특정 기능을 제공할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 본 발명은 섬유에 의해 강화된 중합체 재료의 매트릭스를 포함할 수 있는 복합 재료로 제조될 수 있는 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것일 수 있으며, 중합체 재료는 강화 섬유를 구성하는 재료의 융점보다 낮은 융점을 갖는다. 제품에는 기능이 서로 다른 2개 이상의 영역이 포함될 수 있다. 특정 구현예에 따르면, 적어도 하나의 영역에서, 중합체 재료는 최종 제품의 적어도 50 중량% 를 차지할 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 적어도 다음의 단계를 포함할 수 있다. 즉, 다음의 단계는: 위편직 방법으로 3차원의 연속한 피스에 편직물을 제조하는 단계, 상기 편직물은 수득할 제품 형상에 대응하는 건식 예비성형체를 구성하고 다른 구성요소로 이루어진 적어도 2개의 영역을 구비할 수 있음; 강화 재료의 융점 온도에 도달하지 않고 적어도 중합체 재료의 융점 온도에 도달하도록 압력 하에 가열함으로써 성형하는 단계; 및 이렇게 구해진 제품을 냉각하는 단계이다.
특정 실시예에 따르면, 3차원 편직은 잠재적으로 축대칭이 아닐 수 있고/있거나 폐쇄된 및/또는 완전 개방된 면을 가질 수 있다. 편직은 직선 또는 환형 편직 방법으로 수행 할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 양호하게, 원형 편직일 경우에는 할 수 없는, 복잡한 3D 형상을 얻을 수 있게 만드는 직선 편직으로 편직이 수행 된다.
특정 구현예에 따르면, 예비성형체는 2개의 서로 다른 영역 또는 복수의 서로 다른 영역을 가질 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 중합체 재료는 예를 들어, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 등과 같은 열경화성 물질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 또 다른 구현예에 따르면, 중합체 물질은 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, PMMA, 저밀도 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 등과 같은 열가소성 물질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 강화 재료는 아라미드(파라-; 메타-), 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르와 같은 합성 재료; 린넨, 대마와 같은 천연 재료; 유리, 석영, 탄소, 현무암 등과 같은 무기물 재료를 포함할 수 있다.
특정 구현예에 따르면, 중합체 재료는 최종 제품의 적어도 하나의 영역에서 완제품의 55 중량% 내지 85 중량%, 바람직하게는 완제품의 60 중량% 내지 80 중량%를 차지할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 제조된다.
다른 구현예에 따르면, 예비성형체는 강화 얀을 편직하여 제조되고; 중합체 재료는 액체 공정으로 몰드에 도입된다.
또 다른 구현예에 따르면, 원하는 적용에 따라, 예비성형체와는 상이한 구성요소의 영역이 강화 섬유의 성질, 밀도, 및/또는 구성요소를 변경하여서 제조될 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 이들 상이한 영역은 완제품에서 상이한 특성을 생성할 수 있으며, 이는 상이한 가요성, 상이한 열전도성, 상이한 전기 전도성 또는 상이한 내마모성일 수 있다.
특정 구현예에 따르면, 예비성형체는 상이한 강화 재료를 가질 수 있는 적어도 2개의 영역을 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 완제품이 연결부가 없고(따라서 공기역학적 프로파일이 연속함) 다른 피스와의 조립을 필요로 하지 않기 때문에 특히 유리한 것이다. 재료가 상호 침투하여(interpenetrated), 기계적 내성이 증가하고 그리고 연결 요소의 잠재적인 고장이 일어나지 않는다.
특정 구현예에 따르면, 많은 상이한 양태 및 구현예가 가능하다. 이러한 양태 및 구현예 중 일부를 본원에 기재한다. 본 명세서를 읽은 후, 숙련된 기술자는 그러한 양태 및 구현예가 단지 예시적인 기재이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 구현예들은 아래에 열거된 구현예 중 임의의 하나 이상의 구현예에 따를 수 있다.
구현예 1. 복합 재료로 이루어진 제품을 제조하기 위한 방법으로, 상기 제품은 섬유로 강화된 중합체 재료의 매트릭스를 포함하며, 상기 중합체 재료는 강화 섬유를 구성하는 재료의 융점보다 낮은 융점을 갖고; 상기 제품은 상이한 기능을 갖는 2개 이상의 영역을 추가로 포함하고; 1개 이상의 영역은 최종 제품의 50 중량% 이상의 중합체 재료를 포함하고, 공정은:
- 위편직으로 3차원의 연속한 피스로 편직물을 생산하는 단계, 상기 편직물은 수득될 제품의 형상에 대응하는 건식 예비성형체를 구성하고, 상기 건식 예비성형체는 상이한 구성요소를 갖는 2개 이상의 영역을 구비하고;
- 강화 재료의 융점 온도에 도달하지 않고, 적어도 중합체 재료의 융점 온도에 도달하도록 압력 하에서 가열하여 성형하는 단계; 및
- 이렇게 수득된 제품을 냉각하는 단계를 포함한다.
구현예 2. 구현예 1에 따른 방법에서, 3차원의 편직물 제조는 직선 위사를 편직하여서 수행된다.
구현예 3. 구현예 1 또는 구현예 2에 따른 방법에서, 최종 제품의 적어도 하나의 영역은 최종 제품의 55 중량% 내지 85 중량% 의 중합체 재료를 포함한다.
구현예 4. 선행 구현예 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 제조된다.
구현예 5. 구현예 1 또는 구현예 3에 따른 방법에서, 예비성형체는 강화 얀을 편직하여 제조되고; 중합체 재료는 액체 방식으로 몰드에 도입된다.
구현예 6. 선행 구현예 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 예비성형체는 상이한 강화 재료를 구비하는 적어도 2개의 영역을 포함한다.
구현예 7. 선행 구현예 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 가요성을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 8. 구현예 1 내지 6 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 열전도율을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 9. 구현예 1 내지 6 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 내마모성을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 10. 구현예 1 내지 5 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 상이한 투명도를 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 11. 선행 구현예 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 중합체 재료는 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, PMMA, 저밀도 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르 이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK)에서 선택된다.
구현예 12. 선행 구현예 중 어느 하나의 구현예에 따른 방법에서, 강화 재료는 파라-아라미드, 메타-아라미드, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 리넨, 대마, 유리, 석영, 탄소, 현무암으로부터 선택된다.
구현예 13. 상이한 기능을 갖는 영역을 포함하는 복합 재료의 제품을 제조하기 위해 3D로 직선 위사(rectilinear weft)를 편직하여 수득된 건식 예비성형체의 용도.
구현예 14. 구현예 13에 따른 용도에서, 건식 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 수득된다.
구현예 15. 구현예 13에 따른 용도에서, 건식 예비성형체는 강화 재료의 얀 및 몰드의 사출 단계에서 추가된 중합체 재료의 얀을 편직하여 수득된다.
구현예 16. 복합 재료로 이루어진 제품을 제조하기 위한 방법에서, 상기 제품은 섬유로 강화된 중합체 재료의 매트릭스를 포함하고, 상기 중합체 재료는 강화 섬유를 구성하는 재료의 융점보다 낮은 융점을 갖고, 상기 제품은 상이한 기능을 갖는 2개 이상의 영역을 추가로 포함하고, 1개 이상의 영역은 최종 제품의 50 중량% 이상의 중합체 재료를 구비하고, 공정은:
- 위편직으로 3차원의 연속한 피스의 편직물을 생산하는 단계, 상기 편직물은 수득될 제품의 형상에 대응하는 건식 예비성형체를 구성하며, 건식 예비성형체는 상이한 구성요소를 갖는 2개 이상의 영역을 구비하고;
- 강화 재료의 융점 온도에 도달하지 않고, 적어도 중합체 재료의 융점 온도에 도달하도록 압력 하에서 가열하여 성형하는 단계; 및
- 이렇게 수득된 제품을 냉각하는 단계를 포함한다.
구현예 17. 구현예 16에 따른 방법에서, 3차원의 편직물 생산은 직선 위사를 편직하여 수행된다.
구현예 18. 구현예 16에 따른 방법에서, 최종 제품의 적어도 하나의 영역은 최종 제품의 55 중량% 내지 85 중량% 의 중합체 재료를 포함한다.
구현예 19. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 제조된다.
구현예 20. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체는 강화 얀을 편직하여 제조되고; 중합체 재료는 액체 방식으로 몰드에 도입된다.
구현예 21. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체는 상이한 강화 재료를 구비하는 적어도 2개의 영역을 포함한다.
구현예 22. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 가요성을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 23. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 열전도율을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 24. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 내마모성을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 25. 구현예 16에 따른 방법에서, 예비성형체의 2개의 영역은 상이한 투명도를 갖는 영역을 형성할 수 있다.
구현예 26. 구현예 16에 따른 방법에서, 중합체 재료는 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, PMMA, 저밀도 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르 이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK)에서 선택된다.
구현예 27. 구현예 16에 따른 방법에서, 강화 재료는 파라-아라미드, 메타-아라미드, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 리넨, 대마, 유리, 석영, 탄소, 현무암에서 선택된다.
실시예 28. 상이한 기능을 가진 영역을 포함하는 복합 재료의 제품을 생산하기 위해 3D로 직선 위사를 편직하여 수득된 건식 예비성형체의 용도.
구현예 29. 구현예 28의 용도에서, 건식 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 수득된다.
구현예 30. 구현예 28의 용도에서, 건식 예비성형체는 강화 재료의 얀 및 몰드의 사출 단계에서 추가되는 중합체 재료의 얀을 편직하여 수득된다.
구현예 31. 구현예 28의 용도에서, 제품의 적어도 하나의 영역은 최종 제품의 55 중량% 내지 85 중량% 의 중합체 재료를 포함한다.
구현예 32. 구현예 28의 용도에서, 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 제조된다.
구현예 33. 구현예 28의 용도에서, 예비성형체는 강화 얀을 편직하여 제조되고; 중합체 재료는 액체 방식으로 몰드에 도입된다.
구현예 34. 구현예 28의 용도에서, 예비성형체는 상이한 강화 재료를 구비하는 적어도 2개의 영역을 포함한다.
구현예 35. 구현예 28의 용도에서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 가요성을 갖는 영역을 형성할 수 있다.
실시예
본 명세서에 기술된 개념이 하기 실시예에서 추가로 기술되며, 실시예는 청구범위에 기술된 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
실시예 1: 경성 영역(Rigid Area)과 가요성 영역(Flexible Area)을 포함하는 복합 제품
3D 예비성형체는 직선 위편직 방법에 의해 단일 피스(single piece)로 편직된다.
완제품의 경성 피스를 형성하기 위한 영역에서, 얀은 탄소 강화 섬유와 저융점 폴리에틸렌 테레프탈레이트("저융 폴리에틸렌 테레프탈레이트"의 경우 LPET)의 열가소성 섬유로 구성된다. 강화 섬유는 전체 섬유 부피의 20 % 내지 45 % 를 차지한다.
완제품의 가요성 피스를 형성하기 위한 다른 영역에서, 얀은 케블라 강화 섬유와 저융점 폴리에틸렌 테레프탈레이트(LPET) 열가소성 섬유로 구성된다. 강화 섬유는 전체 섬유 부피의 15 % 내지 37 % 를 차지한다.
경성 피스를 형성하기 위한 영역에서, 밀도는 4 행/㎝ 내지 6 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.8 열/㎝ 이다. 평량은 800 g/㎡ 내지 2000 g/㎡ 이다.
완제품의 가요성 피스를 형성하기 위한 영역에서, 밀도는 3.7 행/㎝ 내지 5.5 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.7 열/㎝ 이다. 평량(basis weight)은 400 g/㎡ 내지 1200 g/㎡ 이다.
3D 예비성형체를 강철 몰드 및 카운터 몰드에 넣고 190℃ 내지 230℃ 의 온도 및 1 bar 내지 4 bar 의 압력으로 가열한다.
도 1에 도시된 완제품은 2개의 경성 영역(2) 및 1개의 가요성 영역(1)을 갖고, 경성 영역(2)의 기계적 특성은 영률이 10 GPa 내지 30 GPa 이고, 파괴 강도가 60 MPa 내지 600 MPa 이며, 가요성 영역(1)의 기계적 특성은 영률이 2 GPa 내지 15 GPa 이고, 파괴 강도가 30 MPa 내지 450 MPa 이다.
이러한 유형의 제품의 가요성 영역은 힌지, 진동 댐퍼로서 역할을 하거나, "연성(soft)" 접촉부를 제공할 수 있다.
실시예 2: 상이한 내마모성 영역을 갖는 복합 제품
3D 예비성형체는 직선 위편직 방법으로 일 피스로 편직된다.
완제품의 기계가공(드릴링, 트리밍) 파트를 형성하기 위한 영역에서, 얀은 유리 강화 섬유로 구성된다. 상기 강화 섬유는 전체 부피의 20 % 내지 45 % 를 차지한다.
완제품의 내마모성 파트를 형성하기 위한 영역에서, 얀은 케블라 강화 섬유로 이루어 진다. 상기 강화 섬유는 전체 부피의 20 % 내지 45 % 를 차지한다.
가공 가능한 파트를 형성하기 위한 영역에서, 밀도는 3 행/㎝ 내지 6 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.7 열/㎝ 이다. 평량은 1200 g/㎡ 내지 2500 g/㎡ 이다.
완제품의 내마모성 파트를 형성하기 위한 영역에서, 밀도는 3 행/㎝ 내지 6 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.8 열/㎝ 이다. 평량은 800 g/㎡ 내지 2000 g/㎡ 이다.
3D 예비성형체는 가요성 "블래더(bladder)" 카운터 몰드가 있는 강철 몰드에 배치된다. 에폭시 폴리머를 주입하고, 전체를 130℃ 내지 190℃ 의 온도 및 1 bar 내지 4 bar 의 압력으로 가열한다.
도 2에 예시된 완제품은 기계적 특성이 영률이 4 GPa 내지 19 GPa 이고, 파괴 강도가 100 MPa 내지 1000 MPa 인 내마모성 영역과, 기계적 특성이 영률이 3 GPa 내지 15 GPa 이고, 파괴 강도가 70 MPa 내지 850 MPa 인 가공 가능한 영역을 갖는다.
도 2에서 볼 수 있듯이 가공 가능한 영역(왼쪽)에는 드릴 가공된 구멍이 있는 반면에 내마모성 영역에는 드릴 작업 시도가 깨끗한 구멍을 형성하지 못했다.
실시예 3: 열 전도성 영역 및 단열 영역을 포함하는 복합 제품
3D 예비성형체는 직선 위편직 방법으로 일 피스로 편직된다.
완제품의 전도성 파트를 형성하기 위한 영역에서, 얀은 탄소 강화 섬유로 구성된다. 상기 강화 섬유는 전체 부피의 33 % 내지 45 % 를 차지한다.
완제품의 절연 파트를 형성하기 위한 영역에서, 얀은 케블라 강화 섬유로 구성된다. 상기 강화 섬유는 전체 부피의 33 % 내지 45 % 를 차지한다.
도전 파트를 형성하기 위한 영역에서, 밀도는 3 행/㎝ 내지 6 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.8 열/㎝ 이다. 평량은 800 g/㎡ 내지 2000 g/㎡ 이다.
완제품의 절연 파트를 형성하기 위한 영역에서, 밀도는 3 행/㎝ 내지 6 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.7 열/㎝ 이다. 평량은 500 g/㎡ 내지 1500 g/㎡ 이다.
3D 예비성형체는 강철 카운터 몰드가 있는 강철 몰드에 배치된다. 에폭시 폴리머를 주입하고, 전체를 130℃ 내지 190℃ 의 온도와 1 bar 내지 4 bar 의 압력으로 가열한다.
도 3에 도시된 완제품은 열전도율이 2.5 Wm/K 내지 8 Wm/K 인 중앙의 전도성 영역과 열전도율이 0.2 Wm/K 내지 1 Wm/K 인 주변부의 절연 영역을 포함한다.
2개 영역은 또한 전기 전도성으로 구분할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위를 초과하지 않고 다른 기능도 달성될 수 있는 것이다. 예를 들어 촉감이 부드러운 영역과 거친 영역 등을 영역으로 하는 설계를 할 수도 있는 것이다.
실시예 4: 서로 다른 투명 영역을 가진 제품
도 4는 직선 위편직 방법에 의해 일 피스로 편직된 3차원 예비성형체를 예시한 것이다.
예비성형체에는 폴리카보네이트 섬유만 포함된 영역이 있다.
밀도는 4 행/㎝ 내지 6 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.8 열/㎝ 이다. 이 영역의 평량은 500 g/㎡ 내지 1300 g/㎡ 이다.
동일한 예비성형체에는 20 부피% 내지 45 부피% 의 유리 섬유와 80 부피% 내지 55 부피%의 폴리카보네이트로 구성된 다른 복합 영역이 포함된다. 밀도는 3.6 행/㎝ 내지 5 행/㎝ 그리고 2 열/㎝ 내지 2.7 열/㎝ 이다. 이 영역의 평량은 550 g/㎡ 내지 1800 g/㎡ 이다.
2개의 영역은 재봉이나 조립 없이 하나의 편직물 피스(a single knitted piece)를 형성한다.
3D 예비성형체는 카운터 몰드가 있는 강철 몰드에 배치된다. 전체를 200℃ 내지 250℃ 의 온도와 3 bar 내지 10 bar 의 압력으로 가열한다.
완제품이 도 5에 도시되었다. 적절한 중합체를 사용하면 변형 후 순수한 중합체 영역을 투명하게 만들 수 있다.
기계적 특성은 순수한 중합체 영역에서 1 GPa 내지 4 GPa 의 영률 및 40 MPa 내지 70 MPa 의 파괴 강도이고; 복합 영역에서 4 GPa 내지 19 GPa 의 영률 및 50 MPa 내지 600 MPa 의 파괴 강도이다.
일반적인 설명이나 실시예에서 위에 설명된 모든 수행이 필요한 것은 아니며, 특정 수행의 일부는 필요하지 않을 수 있으며, 설명된 실행 외에 하나 이상의 추가 실행이 수행될 수도 있다. 또한 실행이 나열되는 순서가 반드시 수행되는 순서는 아니다.
이점, 장점, 및 문제에 대한 해결책이 특정 실시예와 관련하여 위에서 설명되었다. 그러나 이점, 장점, 및 문제에 대한 해결책 그리고 이점, 장점 또는 문제에 대한 해결책을 유발하거나 더욱 두드러지게 할 수 있는 특징(들)이 청구범위의 일부 또는 모든 중요한, 필수적인, 또는 본질적인 특징인 것으로 해석되어서는 안된다.
본 명세서에 기술된 구현예 및 예시 내용은 다양한 구현예의 구조에 대한 일반적인 이해를 제공하기 위한 것이다. 사양 및 예시 내용은 본원의 명세서에 설명된 구조 또는 방법을 사용하는 장치 및 시스템의 모든 요소 및 특징에 대한 철저하고 포괄적인 설명으로 제공된 것은 아니다. 별개의 구현예가 또한 단일 구현예로부터 조합되어 제공될 수 있으며, 역으로 간결함을 위해 단일 구현예의 맥락에서 설명된 다양한 특징이 개별적으로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다. 또한 범위에 명시된 값에 대한 참조에는 해당 범위 내의 각각의 값 및 모든 값이 포함된다. 많은 다른 구현예는 본 명세서를 읽은 후에만 숙련된 기술자에게 명백하게 나타낼 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 구조적 대체, 논리적 대체, 또는 다른 변경이 이루어질 수 있도록 다른 구현예가 사용될 수 있고, 본 명세서로부터 유도될 수도 있다. 따라서, 본원의 개시 내용은 제한적이기보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (15)

  1. 복합 재료로 이루어진 제품을 제조하기 위한 방법으로, 상기 제품은 섬유로 강화된 중합체 재료의 매트릭스를 포함하며, 상기 중합체 재료는 강화 섬유를 구성하는 재료의 융점보다 낮은 융점을 갖고; 상기 제품은 상이한 기능을 갖는 2개 이상의 영역을 추가로 포함하며; 1개 이상의 영역은 최종 제품의 50 중량% 이상의 중합체 재료를 포함하며, 공정은:
    - 위편직(weft knitting)으로 3차원의 연속한 피스로 편직물(knit)을 생산하는 단계, 상기 편직물은 수득될 제품의 형상에 대응하는 건식 예비성형체를 구성하고, 상기 건식 예비성형체는 상이한 구성요소를 갖는 2개 이상의 영역을 구비하고;
    - 강화 재료의 융점 온도에 도달하지 않고, 적어도 중합체 재료의 융점 온도에 도달하도록 압력 하에서 가열하여 성형하는 단계; 및
    - 이렇게 수득된 제품을 냉각하는 단계를 포함하고,
    3차원의 편직물 제조는 직선 위사를 편직하여 수행되는 것인, 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 최종 제품의 적어도 하나의 영역은 최종 제품의 55 중량% 내지 85 중량% 의 중합체 재료를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 제조되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 예비성형체는 강화 얀을 편직하여 제조되고; 중합체 재료는 액체 방식으로 몰드에 도입되는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 예비성형체는 상이한 강화 재료를 구비하는 적어도 2개의 영역을 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 가요성을 갖는 영역을 형성할 수 있는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 열전도율을 갖는 영역을 형성할 수 있는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 예비성형체의 2개의 영역은 최종 복합 제품에서 상이한 내마모성을 갖는 영역을 형성할 수 있는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 예비성형체의 2개의 영역은 상이한 투명도를 갖는 영역을 형성할 수 있는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 중합체 재료는 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, PMMA, 저밀도 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르 이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK)에서 선택되는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 강화 재료는 파라-아라미드, 메타-아라미드, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 리넨, 대마, 유리, 석영, 탄소, 현무암으로부터 선택되는, 방법.
  13. 3D로 직선 위사를 편직하여 수득된 건식 예비성형체를 사용하여, 상이한 기능을 갖는 영역을 포함하는 복합 재료의 제품을 생산하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 건식 예비성형체는 중합체 재료 및 강화 재료를 포함하는 혼합사를 편직하여 수득되는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 건식 예비성형체는 강화 재료의 얀 및 몰드의 사출 단계에서 추가되는 중합체 재료의 얀을 편직하여 수득되는, 방법.
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