KR20010075455A - 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체 및 그의 제조 방법 Download PDF

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아끼히꼬 기따노
게니찌 요시오까
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히라이 가쯔히꼬
도레이 가부시끼가이샤
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Abstract

(A) 하나 이상의 개구부와 이 개구부의 최대 폭보다 큰 최대 폭의 공동부를 내부에 갖는 본체부를 구비한 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체로서,
(B) 상기 본체부는 강화 섬유에 합성 수지가 함침된 섬유 강화 수지로 구성되어 있음과 동시에,
(C) 상기 본체부는 공동부의 내부 최대 폭 (F)가 0.5 m 이상이고, 동시에 상기 개구부의 최대 폭 (f)에 대한 공동부의 내부 최대 폭 (F)의 비 (F/f)가 1.1 내지 500의 범위 내인 비회전체 형상을 하고 있으며,
(D) 또한, 상기 본체부는 그 전체가 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체가 개시되어 있다..

Description

중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체 및 그의 제조 방법 {Hollow Structure of Fiber-Reinforced Resin and Method of Manufacturing The Same}
최근, 자동차 및 항공기 등의 수송 기기, 기체 및 액체 등을 저장 또는 반송하기 위한 용기, 골프 샤프트나 낚싯대 등의 스포츠 용품, 내진 보강재 등의 건설 구조체 등, 경량, 고강도가 요구되는 구조체로서 FRP 구조체가 주목받고 있다.
이들 FRP 구조체 중, 예를 들면 압력 용기로서는 개구부가 비교적 작은 중공 FRP 구조체가 바람직하게 사용된다. 이러한 중공 FRP 구조체는 회전하는 라이너(liner)에 수지를 함침한 강화 섬유 다발을 감은 후 경화시키는, 이른바 필라멘트 와인딩(winding)법으로 제조되는 것이 통상적이다.
그런데, 필라멘트 와인딩법으로 제조되는 중공 FRP 구조체는, 회전축에 수직인 단면에서의 내외형이 모두 실질적으로 원형인 회전체 형상으로 한정된다. 즉, 개구부가 내부의 폭 (직경)과 비교하여 작은 중공 단면을 갖는 FRP 구조체로서는 회전체 형상의 것 밖에 알려져 있지 않았다. 또한, 그 개구부의 최대 폭에 대한 내부 최대 폭의 비가 1.1배 이상인 것에 대해서는 코어를 개구부로부터 인출할 수 없기 때문에, 예를 들어 미국 특허 3,220,910호 명세서에 개시되어 있는 바와 같이 절단기를 사용하여 코어를 절단하여 꺼내게 된다. 이 경우, 리브(rib)를 포함하는 구조이면 이러한 절단 방식에도 한계가 있다.
그런데, 수송 기기나 가솔린 탱크 용기 등은 수송 비용 절감을 위하여 당연히 경량의 중공 구조체이면서 가벼운 것이 바람직하지만, 회전체 형상 밖에 취할 수 없게 되면 내부 공간을 생각한 대로 효율적으로 취할 수 없거나, 형상에 크게 의존하는 공력 저항 등을 적정화할 수 없는 등의 문제, 또한, 디자인 상의 문제도 있어 종래부터 알려져 있는 회전체 형상의 중공 FRP 구조체를 그대로 사용하는 것은 곤란하였다.
단면이 중공이 아닌 FRP 구조재나, 개구부가 비교적 큰 복수의 중공 FRP 구조재를 접합하여 일체화하면, 약간 복잡한 형상의 중공 구조체를 제조할 수는 있지만, 이 경우 접합된 부위에서의 강도 및 강성이 낮아지거나, 접합용 지그 등에 의한 중량 증가를 초래하는 등, 경량이면서 고강도, 고강성이라는 FRP의 특징이 손상되기 쉽다. 또한, 접합에 요하는 공정수가 비용 증대를 초래한다는 문제도 있다.
한편, 각종 형상의 개구부가 복수개 요구되고, 동시에 전체로서도 비교적 복잡하고 대형인 수송 기기의 중공 단면을 갖는 FRP 구조체에 있어서, 상기 구조체는 복수의 FRP 성형체로 구성되며, 각각이 접합되어 구조체를 이루고 있는 경우는 있다. 그러나, 상기 복수의 FRP 성형체 모두가 개방 형상인 경우, 이들이 접합되어 구성된 구조체는 둘레 방향으로 연속된 부분을 갖지 않기 때문에 구조체로서의 강도 및 전체 강성이 비교적 떨어지기 쉽다는 문제가 있다.
그러나, 또한 상기 폐공간, 즉 둘레 방향으로 연속된 폐곡면부를 갖는 중공 FRP 성형체에 관해서는, 폐곡면부가 연속하여 형성된 단면 형상이 비교적 작은 것, 예를 들면 파이프형의 것에 대해서는 인발 성형이나 맨드릴(mandrel)에 수지를 합침한 강화 섬유 다발을 감은 후 경화시키는, 이른바 필라멘트 와인딩법 등에 의해 성형 기술은 확립되어 있지만, 전체 길이가 몇 m나 되는 비교적 대형의 것이나, 또한 단부 및 도중에 개구부를 갖고, 폐곡면부가 전체 길이에 걸쳐 연속되어 있지 않은 형상의 중공 FRP 구조체에 대해서는 아직 성형 기술이 확립되어 있다고 할 수 없다.
즉, 종래의 중공 FRP 구조체에 있어서는, 그 형상 및 치수 상의 제한 등으로부터 수송 기기나 각종 형상의 용기 등으로서 바람직하게 사용하기가 곤란한 경우가 많았다.
또한, 제조 방법에 대해서도 비교적 큰 성형체를 제조하는 것을 목적으로, 신축성이 있는 코어를 사용하여 상기 코어를 팽창시키기 위해서 내압 성형하는 방법이 미국 특허 5,059,377호 명세서 및 일본 특개소 54-13571호 공보, 일본 특개평11-48318호 공보 등에 개시되어 있지만, 모두 본 발명이 대상으로 하는 건식 강화 섬유 기재를 배깅(bagging)하여 감압한 형태로 수지를 주입하는 방법과는 전혀 달라 미리 수지를 부착시킨 기재를 올려 놓은 후에 내압 성형하거나, 열가소성 섬유와 강화 섬유를 혼직한 기재를 가열하면서 내압 성형하는 방법이다. 따라서, 수지의 터크(tuck)성 때문에 작업성이 저하하거나, 미세하고 복잡한 형상에 대응하지 못하는 등의 문제 및 구조도, 개구부의 최대 폭보다 넓은 내부 폭이 없는 것 등의 비교적 단순한 구조가 대상이었다.
즉, 본 발명이 목표로 하는 개구부의 최대 폭보다 큰 내부 최대 폭을 가지고, 그 최대 폭이 0.5 m 이상의 비교적 대형 중공 FRP 구조체이며, 상기 구조체의 형상도 비회전체 형상과 같은 볼록형의 리브 구조를 내면에 배치하는 등의 복잡한 형상에 대응할 수 있는 것은 아직 존재하지 않았다.
본 발명은 예를 들면 항공기용 동체, 자동차용 바디, 유체 수송 기기 등과 같이 비회전체 형상의 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 (FRP) 구조체 (이하, "중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체"를 "중공 단면을 갖는 FRP 구조체" 또는 "중공 FRP 구조체"라고 함)와 그의 제조 방법의 개량에 관한 것이다. 특히, 내부 공동 크기에 대하여 개구부가 비교적 작은 형상적 특징을 가지며, 나아가 경량 내지 고강도이기 때문에 상기 항공기나 자동차 등의 수송 기기로서 바람직하게 사용되는 중공 단면을 갖는 FRP 구조체 및 그의 구조체를 효율적인 생산성으로 쉽게 제조할 수 있는 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명을 적용할 수 있는 중공 FRP 구조체의 예를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명을 적용할 수 있는 별도의 중공 FRP 구조체의 예를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명을 적용할 수 있는 또 다른 중공 FRP 구조체의 예를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명을 적용할 수 있는 또 다른 중공 FRP 구조체의 예를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명을 적용할 수 있는 또 다른 중공 FRP 구조체의 예를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명에 관한 FRP 성형체의 성형 방법 중 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 7은 본 발명에 관한 FRP 성형체의 성형 방법 중 다른 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 8은 본 발명의 오목형 홈을 갖는 코어에 의한 내부착재 형성법의 예를 나타내는 단면 사시도.
도 9는 도 1과는 별도의 본 발명에 관한 FRP 성형체 구조체의 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 중공 FRP 구조체의 사시도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 중공 FRP 구조체의 사시도.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 중공 FRP 구조체의 사시도.
도 13은 도 9에서 나타낸 본 발명에 관한 또 다른 FRP 성형체의 성형 방법중일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 14는 본 발명에 관한 FRP 성형체의 성형 방법 중 다른 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 15는 본 발명의 실시예에 관한 FRP 성형체의 성형 방법 중 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 16은 본 발명에 관한 FRP 성형체 리브의 또 다른 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 17은 본 발명에 관한 FRP 성형체 리브의 또 다른 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
도 18은 본 발명에 관한 FRP 성형체 리브의 또 다른 일례를 나타내는 개략적인 구성도.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하에, 본 발명의 중공 단면을 갖는 중공 FRP 구조체 및 그의 제조 방법 및 성형용 코어에 대하여 바람직한 실시 형태와 함께 상세히 설명한다.
본 발명에서 말하는 중공 단면이란, 중공 FRP 구조체 중 어느 한 단면에 있어서 구조체 내부에 형성되어 있는 공간부가 성형체를 포함하는 외주부로 둘러싸이고, 외부와 연락하는 개구부 내지 통로를 갖지 않는 것을 말한다. 또한, 폐공간이란, 상기 중공 단면이 장축 방향으로 연속되어 있는 부분을 가리킨다. 즉, 둘레 방향으로 외계와 연결되어 있지 않은 부분이다. 또한, 상기 폐공간은 볼(ball) 내부와 같이 외부와 전혀 연락되지 않는 공간일 수도 있지만, 그것은 그다지 실용성이 없고 원칙적으로 구조체의 장축 방향의 단부의 개구부 내지는 도중의 개구부를 갖는 부분, 즉 폐공간을 형성하지 않은 부분을 통하여 외계와 연결되어 있다. 또한, 상기 폐공간의 장축 방향의 길이로서는 특히 한정되는 것은 아니며, 동시에 용도나 목적에 따라 다양하기 때문에 일괄적으로는 말할 수 없지만, 대략 0.2 m 이상 또는 전체 길이의 10 % 이상인 것이 바람직하다. 상기 수치 범위 이하에서는, 중공 구조체를 형성하기 위한 최저한의 강성치를 하회함에 따라 실용화하지 못하는 경우가 있다.
또한, 비회전체 형상이란, 회전체 형상 이외의 모든 입체 형상을 말한다. 회전체 형상이란, 실질적으로 평면 도형을 회전시켰을 때 궤적에 의해 얻어지는 입체 형상을 말하며, 구, 회전 타원체, 원추, 원통, 다단 테이퍼 원통 등을 포함한다. 또한, 본 발명에서의 비회전체 형상으로서는, 특히 대칭축을 갖는 형상을 바람직한 대상으로 하고 있다. 또한, 본 발명의 구조체는 각 단면이 비원형인 것에 한정되는 것은 아니다. 각 단면이 원형이라도 입체로서는 비회전체인 것은 있을 수 있다 (예를 들면 단면이 원이고, 장축의 방정식이 Y=X2(-0.5<X<0.5)의 입체인 경우, 즉, z2+(y-x2)2=(r2-2*x2)2[-r<x<r, r: 상수] 등). 그리고, 당연히 그것은 본원 발명의 구조체 형상에 속한다.
본 발명에 관한 비회전체 형상의 FRP 구조체는 중공 형상을 이루는데, 중공 형상이란 껍질 형상, 북 형상, 통 형상과 같은 실질적으로 내부 공간을 갖는 형상이며, 내부 공간과 외부 공간은 한군데 이상의 개구부로 연결되어 있다. 개구부는사람이나 사람의 손이 출입하거나, 짐을 출납하거나, 곡물이나 액체, 기체 등을 내부에 수납하기 위한 출입구 등으로 이용할 수 있다.
본 발명의 중공 단면을 갖는 FRP 구조체의 특징 중 하나는, 개구부의 최대 폭보다 큰 내부 최대 폭을 갖는 중공 형상을 갖는 것이다.
본 발명의 개구부의 최대 폭이란, 개구부의 직경 길이 중 최대를 말하며, 치수도 1 m 이상의 대형인 것을 가르킨다. 예를 들어, 개구부가 원형인 경우에는 그 직경, 개구부가 타원형인 경우에는 그 장경, 또한 개구부가 직사각형인 경우에는 그 대각선 길이가 각각 개구부의 최대 폭에 상당한다. 개구부가 곡면을 이루는 경우에는, 개구부 가장자리 위의 임의의 두점 사이의 직선 거리 중 최대의 것을 최대 폭으로 한다.
본 발명의 본체부에서의 공동부의 내부 최대 폭이란, 내부 공간의 최대 직경 길이인데, 이 때 길이를 측정하는 방향은 개구부면과 평행인 면 내에서의 방향으로 하며, 그 평행인 면 내에서의 최대 길이를 내부 최대 폭으로 한다.
또한, 개구부를 두군데 이상 갖는 경우, 본 발명 중, 이 중공 FRP 구조체는 모든 개구부에 대하여 상기한 바와 같이 개구부 최대 폭보다 내부 최대 폭이 크다. 또한, 개구부는 양단부 이외에 있을 수도 있다.
또한, 개구부의 최대 폭에 대한 내부 최대 폭의 비율은 1.1 내지 500의 범위 내일 필요가 있으며, 1.2 내지 100의 범위 내인 것이 바람직하다. 비율이 1.5 내지 50의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 이 범위의 하한치보다 작으면, 내부 공간이 충분하지 않고, 상한치보다 크면 차체나 용기 등의 경우 내부 청소나 세정이번거롭기 때문이다. 또한, 개구부 최대 폭의 1.2배 (보다 바람직하게는 1.5배) 이상의 단면 최대 폭(=어느 한 단면 내에서의 최대 폭)을 갖는 단면이 장축 방향으로 길이가 0.1 m (보다 바람직하게는 0.5 m) 이상 및(또는) 전체 길이의 5 % (보다 바람직하게는 20 %) 이상의 비율인 것이 바람직하다. 이 경우, 이 조건을 충족하는 단면의 단면 최대 폭 크기는 동일한 것이 연속될 수도 있고, 연속적으로 변화하는 등 다를 수도 있다. 이 범위의 하한치를 하회하는 경우, 내부 공간이 충분하지 않고, 사람의 거주 공간이 좁아져 바람직하지 못한 경우가 있다. 이것은 특히 항공기나 자동차 등의 수송 기기 관련 용도에 있어서 바람직한 조건이다.
이러한 형상 상의 특징에 의해, 개구부 크기에 대하여 비교적 큰 내부 공간을 얻을 수 있다. 한편, 내부 공간을 채우는 물체를 분할 및 변형시키지 않고 개구부에서 꺼내는 것이 거의 불가능한 형상이기도 하다.
본 발명에서의 비회전체 형상에는 좌우 대칭, 상하 대칭의 것이 포함된다. 비회전체 형상이기 때문에, 본 발명의 중공 FRP 구조체는 수송 기기, 각종 용기 등의 다양한 용도로 적용할 수 있다. 수송 기기란, 항공기, 비행기, 헬리콥터 등의 비상체, 자동차, 버스, 트럭, 오토바이, 자전거, 또는 객선, 범선, 모터 보우트, 레저 보우트 등의 선박, 객차, 고속 열차 등의 철도 차량, 기타 유통 기기 등이다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 중공 FRP 구조체는 기계적 특성이 우수하기 때문에 특히, 몇 미터 이상의 대형 구조체에 적합하다.
또한, 본 발명에서의 중공 FRP 구조체란, 그 주요 구성부가 접합된 부위를 갖지 않고 실질적으로 일체로 형성되어 있는 것과, 복수의 성형체로 구성되지만,그 중의 하나 이상이 폐공간을 형성하여 실질적으로 일체로 형성된 부분으로 구성되는 것을 지칭한다.
전자는 리벳, 볼트 등에 의해 접합되어 이루어지는 것을 포함하지 않으며, 실질적으로 일체로 되어 있다. 따라서, 접합된 부위를 갖는 것과 같이 섬유가 절단되어 있지 않기 때문에 강도가 높고, 두께를 얇게 할 수 있으며, 생산성이 높고, 경량화 및 저비용화가 가능하다. 특히, 몇 미터 이상의 대형 구조체에서는 자체 중량에 의한 부하 하중이 크고, 접합된 부위가 있음으로써 구조체 크기에 한계가 생기지만, 일체화함으로써 두께를 얇게 하면서 보다 큰 구조체가 가능해진다. 단, 부속물 등이 접합이나 체결에 따라 부가되어 있는 것은 상관없다. 또한, 일체화되어 있음으로써 둘레 방향 전체 길이에 걸쳐 접합된 부위가 없는 부분이기 때문에, 중공이면서 매우 높은 강도, 강성이 발현되고, 신뢰성이 높은 구조체가 된다. 또한, 접합된 부위의 강도를 보증하기 위한 크라이테리아 (criteria, 품질 관리, 검사) 등이 불필요하기 때문에 매우 저비용의 구조체라고 할 수 있다. 또한, 여기에서 말하는 접합된 부위란 구조체 형성을 위한 접합이며, 단순히 액세서리 (예를 들면 도어 부착용 경첩 등)을 볼트 접합 등으로 부착하는 것은 포함하지 않는다. 또한, 금속이나 플라스틱 등으로 이루어지는 액세서리 접합용 지그 (핀이나 나사, 판이나 블록 등)을 삽입 성형하여 일체화해 두는 것도 바람직하다.
본체부 둘레 방향의 단면은 폐공간이 되는 중공 단면을 형성하고 있다. 그리고, 또한 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성되어 있는 폐공간 부분은, 상기 본체부의 단부 및(또는) 중앙부에 위치하는 것이 바람직하다.
후자는 복수의 성형체를 접착 및 국부 진공 성형에 의해 접합함으로써 소정의 중공 FRP 구조체를 구성하기 때문에, 개개의 성형체 성형이 용이해지고, 전체적으로 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 그 주요 구성부인 FRP 성형체는, 일체 성형된 둘레 방향 전체 길이에 걸쳐 연속된 구조인 중공 단면이 연결되고, 폐공간을 형성하는 부분을 갖고 있기 때문에 적어도 이 부분에는 접합된 부위가 존재하지 않고 실질적으로 일체 구조로 형성되어 있으며, 그 FRP 성형체 내부의 둘레 방향으로 배향되어 있는 강화 섬유의 대부분 (바람직하게는 80 체적%, 보다 바람직하게는 90 체적%)은 한 바퀴 이상에 걸쳐 절단되어 있지 않고, 고강도, 고강성으로 형성되며, FRP 성형체 전체로서의 강도, 강성도 높게 유지된다. 따라서, 복수의 성형체를 사용하여 구성한 중공 FRP 구조체에 대해서도 전체적으로 고강도, 고강성으로 유지된다.
또한, 폐공간을 형성하여 실질적으로 일체 구조로 형성된 부분이 상기 FRP 성형체의 단부 및(또는) 상기 FRP 성형체의 중앙부에 형성되어 있는 구성을 취할 수 있다.
또한, 상기 중공 FRP 구조체 전체로서는, 복수의 성형체 접합 구조를 취함으로써 각 성형체의 성형 및 마무리 가공의 용이성, 중공 FRP 구조체 조립 및 제품화를 위한 성형체들의 접합 및 내장 작업의 용이성이 확보되어 제조가 쉬워지고, 동시에 전체적으로 저비용으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 FRP 성형체에 적절하게 개구부를 형성해 둠으로써 다른 성형체와의 접합을 쉽게 할 수 있고, 동시에 중공 FRP 구조체 내부에서의 마무리 가공 및 내장 작업 등이 매우 손쉬워진다. 따라서,개구부는 단부에 있는 것이 바람직하다.
또한, 두가지 모두에 공통되게 말할 수 있는 것으로서, 둘레 방향 전체 길이에 걸쳐 접합된 부위가 없는 부분에는 FRP가 둘레 방향으로 직선적으로 연장되는 부분, 곡선적으로 연장되는 부분 중 어느 하나를 포함할 수도 있다. 물론, 중공 구조체의 내면이나 외면에 평면체, 곡면체, 또는 리브 등의 돌기를 가질 수도 있다.
또한, 실질적으로 일체 구조이기 때문에 접합 구조와 같이 재료의 사용량을 늘려 (두께를 두껍게 하여) 보강할 필요가 없고, 구조체를 지나치게 분할하여 보강부가 많아짐으로써, 복합 재료 본래의 경량이라는 특징이 상실된다는 문제도 없다.
이러한 효과가 확실히 발현되기 위해서는, 수송 기기용 구조체 또는 용기용 구조체 전체 길이의 20 % 이상이 일체 구조로 성형된 중공 FRP 구조체에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하며, 전체 길이의 30 % 이상이 보다 바람직하다. 물론, 이상적으로는, 수송 기기용 구조체 또는 용기용 구조체 전체 길이에 걸쳐 해당 중공 FRP 구조체에 의해 구성되어 있는 것이다.
상기 구조체 내면에는, 보다 높은 강도 및 강성을 유지하기 위하여 그 반경 방향으로 돌출한 볼록형 리브를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 볼록형 리브는 내부에 코어재가 존재하며, 그 주위가 강화 섬유를 포함하는 스킨층으로 포위된 프레임 구조를 하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 FRP 구조체 내지는 그 단면에 대하여 "반경 방향"이라는 단어는 원의 반경에 한정된 속성을 갖는 것은 아니다. 본 발명에서는 대략 반경 방향이란, 중공 단면의 무게 중심을 중심으로서외부를 향해 방사상으로 넓어지는 방향을 가리킨다.
상기 구조체는 본체부가 외측에 위치하는 상기 스킨층과 내측에 위치하는 코어재를 포함하는 외피체로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 코어재의 내측은 바람직하게는 섬유 강화 수지를 포함하는 스킨층이 적층된 외피체로 형성된다. 이 코어재는 또한 구조체의 반경 방향으로 연장되는 리브를 갖는 것, 발포체로 이루어지는 것, 그 표면에 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본체부를 구성하는 섬유 강화 수지에 사용되는 강화 섬유로서는, 탄소 섬유, 유리 섬유, SiC계 섬유, 알루미나 섬유, 붕소 섬유, 금속 섬유와 같은 무기 섬유 및 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, PBO (폴리벤조옥사졸) 섬유, 폴리아릴레이트 섬유 등의 유기 섬유 등, 공지된 강화 섬유를 들 수 있지만, 경량, 고강도, 고강성이라는 점에서 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도 인장 탄성율 200 GPa 이상의 탄소 섬유, 인장 강도 4 GPa 이상의 탄소 섬유가 바람직하다. 충돌 가능성이 있는 수송 기기에 있어서는 내충격 성능이 우수한, 신도가 1.5 % 이상의, 보다 바람직하게는 2.0 % 이상의 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유의 탄성율과 강도는 JIS-R7601에 의해 측정할 수 있으며, 신도는 강도를 탄성율로 나누어 구할 수 있다.
또한, 구조체가 비틀림을 받는 경우, 강화 섬유의 비틀림 탄성율은 5 내지 30 GPa의 범위 내인 것이 바람직하다. 섬유의 비틀림 탄성율은 일본 특개평 1-124629호 공보에 개시된 방법에 의해 측정할 수 있다.
또한, 중공 FRP 구조체의 열변형량을 작게 하여 개구부에서의 간극 발생을 억제하기 위해서, 강화 섬유의 열팽창 계수는 -O.1×1O-6내지 3O×1O-6/℃의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 일본 특공평 1-272867호 공보에 개시되어 있는 측정 방법으로 얻어지는 스트랜드의 보풀이 30 개/m 이하인 것이 신뢰성 높은 구조체를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 보풀이 이 이상이 되면, 후술하는 성형 중에 실이 끊길 가능성이 있기 때문이다.
유리 섬유도 절연성, 내충격성, 경제성이라는 점에서 바람직하다. 유기 섬유도 절연성을 부여하는 경우에는 바람직하다.
중공 FRP 구조체가 수송 기기인 경우에는, 옥외에 노출되는 경우가 많기 때문에 비나 자외선 영향, 낙뢰의 가능성이 있어 내환경성이 우수한 상기의 탄소 섬유와, 절연성이 우수한 유리 섬유 또는 유기 섬유를 병용한 이른바 하이브리드 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 하이브리드 형태로서는 다른 섬유들이 단사 수준에서 교락되어 있기 때문에 층 형태, 면 형태로 분포되어 있는 것까지 포함한다. 또한, 커버링사와 같이 스트랜드 형태로 분포되어 있는 것도 물론 포함된다.
중공 FRP 구조체가 용기, 탱크 내지는 저장고인 경우에는 내부에 곡물 등의 고체, 가솔린 등의 액체, 각종 가스 등의 기체를 저장하기 때문에, 수분 흡수가 적은 탄소 섬유 및(또는) 내가스 부식성이 높은 유리 섬유가 바람직하다.
강화 섬유의 형태는 한쪽 방향으로 가지런한 것, 직물, 매트 등을 단독 또는혼합하여 사용할 수 있지만, 연속 섬유의 형태인 것이 구조체 특성상 바람직하다. 특히, 구조체 길이 방향 전체에 걸쳐 연속된 강화 섬유를 갖는 것이 가장 바람직하다. 상기한 신도 2 % 이상의 섬유를 사용한 직물은 내충격성이 우수하기 때문에 바람직하다. 유리 직물은 이방성이 작고, 응력 집중을 완화시킬 수 있기 때문에 개구부나 구멍부, 슬릿부 등의 응력 집중 부분에 적합하다.
또한, 생산성을 향상시키기 위해서는 단사가 12,000개 내지 200,000개를 한다발로 한 이른바 면,마직물 강화 섬유 다발을 사용하는 것이 바람직하다.
강화 섬유의 체적 함유율은 35 % 내지 70 %의 범위 내인 것이 바람직하다. 이 범위보다 체적 함유율이 낮으면 구조체의 강도 등의 특성이 저하하는 경향이 있고, 반대로 너무 높으면 수지 함침 등에 문제가 생겨 비용 증대 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 상술한 탄소 섬유는 강화 섬유에서 차지하는 비율이 체적 함유율로 5 내지 100 %인 것이 바람직하다. 또한, 체적 함유율은 JIS-K7052 또는 JIS-K7075에 규정한 방법에 의해 측정할 수 있다.
FRP를 구성하는 매트릭스 수지로서는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 변성 에폭시 수지 등의 열경화성 수지 및 폴리아미드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, ABS 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리페닐렌술파이드 수지, 폴리-4-메틸펜텐-1 수지, 폴리프로필렌 수지 등의 열가소성 수지, 고무재 등을 사용할 수 있다. 이 중, 기계 물성을 향상시킨다는 관점에서는 보강 섬유와의 접착이 양호한 에폭시 수지나 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지가 바람직하다. 또한, 내충격성을 향상시킨다는 관점에서는 나일론등의 열가소성 수지, 에폭시 수지를 열가소성 수지나 고무로 변성한 변성 에폭시 수지가 바람직하다. 또한, 차량같은 불연성 및 난연성이 요구되는 용도에는 페놀 수지나 무기질의 난연제를 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지에 혼입한 것이 바람직하다.
본 발명의 중공 FRP 구조체는, 예를 들면 코어 외측에 상기한 보강 섬유를 포함하는 기재를 적층 또는 권취하는 등으로 형성하고, 그 후 수지를 기재에 주입, 경화시키는 레진·트랜스퍼·몰딩 (RTM)법에 의해 고성능, 저비용으로 제조할 수 있다. 기재 중에는 고분자 재료, 세라믹 재료, 또는 금속 재료로 이루어지는 경량 발포재, 벌집형 재료, 분체, 입자형 물질, 시트형 물질 등을 필요에 따라 강화 섬유 사이 및(또는) 한쪽 면에 삽입시켜 둘 수도 있다.
코어는 목질재, 플라스틱, 발포재, 저융점 합금, 수용성 중합체, 왁스, 유리, 석고, 고무, 세라믹, 종이, 점토, 얼음 등 다양한 재료로 구성할 수 있으며, 목적으로 하는 중공 FRP 구조체에 가까운 형상을 갖고 있고, 경화 또는 반경화 상태에 이르끼까지의 기재를 3차원적으로 유지하는 역할을 하는 것이며, 수지가 경화 또는 반경화한 후에는 제거하는 것이 가능하다. 단, 코어를 성형한 후에도 그대로 중공 FRP 구조체와 일체로 남길 수도 있다.
코어는 중공이거나 아니거나 성형은 가능하지만, 중공인 것이 가벼울 뿐만 아니라 진공 흡인 및 내부 가압으로 코어를 팽창시켜 강화 섬유를 직화시키거나 FRP의 섬유 함유율을 높여 강도를 향상시킬 수 있기 때문에 보다 바람직하다. 코어가 경량이면 성형시 이동시키는 등의 취급성이 우수하고, 노력을 줄일 수 있으며안전하다. 또한, 코어를 FRP 구조체에 잔류시킨 경우에도 내부 공간을 크게 확보할 수 있다. 또한, 코어의 재료 사용량도 적기 때문에 경제적으로도 바람직하다.
중공 FRP 구조체를 구성하는 기재와 수지는 상기한 강화 섬유와 수지를 포함하지만, 수지를 주입할 때에는 코어와 강화 섬유 기재를 백(bag) 필름으로 덮고, 백 안을 감압한 후 수지를 주입하는 이른바 진공 백 법을 사용할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 코어와 강화 섬유 기재 사이에 피복재를 개재하고, 후술하는 외형과 코어 사이를 감압한 후 수지를 주입하는 진공 성형법을 사용하는 것도 바람직하다. 이 경우, 상기 피복재는 신축재인 것이 바람직하다. 신축성을 가짐으로써 성형체의 내부 구조가 돌기를 갖는 등으로 복잡한 형상인 경우에도 코어와 기재 사이에 있어 돌기 부분을 현저히 변형시키지 않고 성형할 수 있기 때문이다. 상기 피복재는 코어와는 별도로 제조한 고무 등의 고분자 재료를 포함하는 신축재일 수도, 또는 분할 또는 일체 코어의 외면에 코팅 등으로 형성된 신축재일 수도 있다. 또한, 신축재는 외형과의 사이에서 진공을 확보하기 위해서 뿐만아니라, 코어에 형성된 리브 등의 돌기 부분의 코너부에서 발생하기 쉬운 코어 변형에 따른 미묘한 어긋남으로 기재와 코어 간극에 수지가 괴이는 것을 억제하거나, 또한 탈형을 쉽게 하거나, 금구 등의 삽입물의 변형 및 이동을 감소하는 작용을 갖게 할 수 있다. 성형체 형상에 변형을 주지 않기 위하여 피복재의 바람직한 두께는 0.1 내지 2 mm 정도이다. 또한, 신축재의 신도는 3 % 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 피복재를 수지의 유동 저항을 감소하고, 그 확산을 더욱 효율적으로 행하는 기능을 갖는 매체 (즉, 수지 확산 매체)로서 사용하여, 예를 들면 플라스틱으로 이루어지는 네트, 메쉬, 매트 등을 배치하면 수지의 확산 속도 향상 및 미세한 부분으로의 유동이 원활해져 성형성이 대폭 개선된다.
또한, 코어 표면에는 깊이가 몇 mm에서 몇 cm의 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 깊이가 1 내지 50 mm (보다 바람직하게는 3 mm 내지 1 cm)의 범위 내이고, 홈의 간격은 5 내지 900 mm (보다 바람직하게는 10 내지 100 mm)정도가 바람직하다. 또한, 홈 들은 서로 교차하거나, 평행히 형성되어 있을 수 있다. 이러한 홈은 수지 주입시의 수지가 흐르는 경로가 된다. 진공 흡인한 경우의 백 내 공기의 유로가 되기도 하며, 기재 중에서 공기가 제거되기 쉽고, 수지가 기재 중으로 구석구석까지 널리 퍼지는 (강화 섬유의 단사를 포위함) 점으로부터, 보이드(void)량이 적고, 기계적 특성이 우수한 신뢰성 높은 성형물을 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 중공 FRP 구조체에서의 보이드량은 체적율로 2 % 이하, 보다 바람직하 게는 1.5 % 이하이다. 보이드율은 비중으로부터 구할 수 있지만, 그 밖의 방법으로서 성형체의 임의 단면을 샌드 페이퍼 (# 1000번 이상의 미세한 것) 및 버프 연마 (연마분의 입경은 5 ㎛ 이하)로 섬유가 노출될 때까지 연마하고, 광학 현미경으로 500배로 확대한 보이드 면적으로부터 구할 수 있다. 이 때, 관찰하는 면적은 5O ㎟ 이상으로 함으로써 보다 정확한 보이드율을 측정할 수 있다.
이렇게 하여 성형된 중공 FRP 성형물에 있어서는 FRP 내면에 코어 홈에 상당하는 리브가 형성되기 때문에 강성이 높아지고, 보다 안정된 구조가 된다. 특히, 대면적의 면판 부분에서는 리브에 의해 뒤틀려지지 않게 되어 수송 기기용 구조체등에서 특히 바람직하다.
또한, 중공 FRP 구조체의 강성 향상과 관련하여 중공 FRP 구조체 내부에는, 예를 들면 상기 리브 형상의 내부착재를 설치하는 것이 바람직하다. 특히, 개구부가 3개 이상인 수송 기기용 구조체에 있어서는, 내부착재는 강성 향상 등에 매우 유효하다. 내부착재로서는 강화 섬유를 포함하는 중합체나 세라믹의 분무재, 겔 코팅, 페놀 등의 면판, 티탄 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등의 경금속판이나 봉 재료, 각종 폼재 및 이들 2종 이상의 재료를 조합한 것을 사용할 수 있다. 내부착재는 중공 FRP 구조체 내면 모두에 존재할 필요는 없으며, 개구부 주위, 넓은 곡면이나 평면부 중앙을 포함하는 부분 등, 국소적으로 설치될 수도 있다. 내부착재는 중공 FRP 구조체와는 별도로 성형된 FRP제 또는 금속제 등의 스티프너 (stiffener), 스파 (spar), 스트링거 (stringer) 등일 수 있으며, 중공 FRP 구조체와 일체 성형된 스티프너, 스파, 스트링거 등일 수도 있다. 또한, 스티프너, 스파, 스트링거란 도리 (girder), 바 (bar), 뼈대, 프레임, 보강재 등으로 불리운다.
내부착재의 단면 형상으로서는 둥근 단면, コ자형, ロ자형, 하트형, T자형, I자형, Z자형, S자형 등이 있으며, 중공인 コ자형 및 하트형이 강성 향상에 바람직하며, 또한 중공부에 폼재 등의 경량재를 삽입하면 더욱 바람직하다 (도8 참조). 도 8에 있어서는, 내부착재를 형성하기 위하여 코어 외면에 설치된 오목형 홈 (64)을 가지고 있으며, 이 오목형 홈은 내부착재 강성 향상을 위하여 복수의 오목형 홈인 것이 바람직하다. 또한, 상기 내부착재는 공동 상태이면 경량화되어 바람직하고, 냉난방용 유체를 순환시키거나, 연료 및 윤활유 등의 유로에 사용하거나, 배선통로 등의 용도로도 이용할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, FRP 제조의 내부착재에 있어서는 강성 향상을 위하여 한쪽 방향으로 배열되어 있는 보강 섬유를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경량재에 홈을 설치하여 수지 함침을 보다 효과적으로 행하는 것도 바람직한 실시 태양이다. 구체적인 경량재로서는 우레탄 폼, 폴리스티렌 폼, 폴리에틸렌 폼, 폴리프로필렌 폼, 페놀 폼, 우레아 폼, 폴리염화비닐 폼, 실리콘 폼, 에폭시 폼, 폴리이미드 폼, 폴리에스테르 폼, 멜라민 폼 등의 경량폼재나 목제의 발사 (balsa)재 등을 들 수 있으며, 겉보기 비중이 0.02 내지 0.9 정도인 것을 가르킨다. 그 중에서도, 폴리이미드 폼은 난연성이 엄격히 요구되는 수송 기기 구조체에 바람직하다. 또한, 발사재 등의 목질재도 전단 강성율이 높고, 전단 뒤틀림이 없기 때문에 바람직하다. 상기한 수지 유동을 위해 설치된 경량재 홈은 수지가 채워진 태양의 도 8의 홈 (81)을 겸비할 수도 있으며, 다를 수도 있다.
내부착재의 종류를 적절히 선택함으로써 단열성, 진동 감쇠성, 방음성, 내충격성 등의 구조체로서의 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 중공 FRP 구조체의 제조시에는 기재 외측에 2개 이상으로 분할된 외형 을 두어 압력을 가하는 것도 바람직하다. 외형은 직접 또는 백 필름, 고무 및 에어 쿠션 등의 완충층 등을 통하여 간접적으로 접할 수도 있다. 가장 바람직한 압력은 O.5 kg/㎠ 내지 2O kg/㎠의 범위 내이다. 외압이 작용함으로써 수지 중에 용해한 기체의 용해도가 향상되고, 결과로서 FRP 성형물의 보이드가 감소하여 구조체의 기계적 특성이 향상된다. 외형이 금속제 등의 고강성 재료이면 삽입력을 크게할 수 있다. 또한, 외형 내부를 정밀도 있게 마무리해 둠으로써 중공 FRP 구조체 표면을 보다 평활하게 마무리할 수 있다. 평활하게 마무리함으로써 종래 필요했던 표면의 기계 가공이 불필요해지고, 저비용으로 제조할 수 있다. 평활한 표면은 수송 기기에 있어서 공기 저항을 감소시켜 연비를 향상시킬 뿐아니라, 바람 가르는 소리 등의 소음, 이음을 감소시킨다. 또한, 비가 내리는 경우 등에도 물방울이 흘러내리는 잇점이 있다. 또한, 평활하기 때문에 도장을 실시하는 것이 용이하다.
외형을 사용하여 성형하는 경우, 감압을 위한 흡입구와 수지 주입구는 외형, 코어 중 어느 한측에 설치할 수 있다. 외형에 설치하면 작업성이 우수하고, 한편 코어에 설치하면 성형재 외면에 흔적을 남기지 않는다는 특징이 있기 때문에 적절히 선택할 수 있다. 또한, 형이나 지그의 구성을 고안함으로써 외형, 코어 이외의 부분에 설치하는 것이 가능한 경우도 있다.
또한, 외형의 재료로서는 내열성 및 고정밀도가 필요한 경우에는 금속 재료나 세라믹 재료, 경량성, 경제성이 필요한 경우에는 FRP, 목질재가 바람직하다.
또한, 외형의 분할수는 2분할 이상이지만, 코어가 돌기 부분을 갖는 등 복잡한 현상이 될수록 분할수를 늘려 외형 탈착을 쉽게 할 수 있다. 경제성과의 균형을 고려하면 분할수는 3 내지 8 정도가 가장 바람직하다.
또한, 외형을 가열하는 방법으로서는 외형 내에 발열체를 삽입하거나, 열 매체를 흐르게 하는 등의 직접 가열법, 외형의 외부 표면 근방에 적외선 히터 등의 발열체 및 가열 유체를 순환시키는 배관을 설치하여 간접적으로 가열하는 방법 등이 있다. 외형이 금속제인 경우에는 외형에 전기를 통하게 해 발열시킬 수도 있다. 직접 가열은 수지의 경화 시간을 단축할 수 있고, 성형 사이클이 짧아지기 때문에 경제적으로 바람직하다. 또한, 최고 도달 온도를 높일 수 있다는 효과도 있다. 간접 가열은 외형을 간편히 경량화할 필요가 있는 경우 유효하다. 외형의 두께가 2 내지 300 mm 정도의 범위 내이면 간접 가열에 적합하다.
또한, FRP 외면에 피복층이 일체로 형성되어 있는 구조로 할 수도 있다. 예를 들면, 보다 평활한 표면을 얻기 위해서는 외형 내측에 겔 코팅을 실시하고, 겔 코팅과 FRP를 일체 성형시키는 것도 바람직하다. 겔 코팅으로서는 에폭시 겔 코팅, 폴리스티렌 겔 코팅, 우레탄 겔 코팅 등의 공지된 모든 방법을 사용할 수 있지만, FRP와 동종의 수지, 또는 선팽창 계수에 가까운 재료가 보다 바람직하다. 온도차에 의해 생기는 열 응력이 박리를 발생시키는 경우가 있기 때문이다. 겔 코팅은 구조체가 아니기 때문에 두께는 O.1 내지 몇 mm의 범위 내인 것이 바람직하다. 이 범위 내에서 경량성을 손상하지 않고, 표면의 평활성을 유지할 수 있기 때문이다.
코어 외면에 기재를 배치할 때의 작업성을 향상시키거나, 외형과의 밀착성을 도모하기 위해서 코어 바깥쪽으로 넓혀지는 힘, 예를 들면 내압을 부여하는 것도 유효하다. 바람직한 압력은 0.5 내지 10 kg/㎠G의 범위 내이고, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 5 kg/㎠G의 범위 내이다. 이 때, 압축 공기 등의 기체에 의해 내압을 부여할 수도 있고, 필요에 따라 물 등의 비압축성 가압 매체를 사용할 수도 있다. 또한, 제조 공정 중에서 내압은 적당히 압력을 제어하기에도 유효하다. 예를 들면, 기재를 배치할 때에는 작업성을 우선하여 압력을 낮추고, 배치한 후 다시 고압으로 가압하여 코어를 팽창시켜 기재 강화 섬유의 느슨함을 제거하는 제어가 가능하다.
또한, 코어 재료에 따라서는 동일한 제어를 열에 의해 행할 수도 있다. 즉, 코어를 가열하여 열팽창시킴으로써 가압과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 코어가 자성체 또는 자석을 포함하는 경우, 자장을 제공하여 코어를 팽창 변형시킬 수도 있다. 비접촉으로 동시에 자장의 크기를 제어함으로써 쉽게 코어의 변형량을 조절할 수 있으며, 구조체의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 대표적인 자성체로서는 페라이트(ferrite), 퍼말로이(permalloy), 니켈 합금, 철 등의 금속 재료를 들 수 있으며, 그 중에서도 초 퍼말로이, 슈퍼말로이(supermalloy) 등의 몰리브덴, 망간, 크롬을 함유하는 강자성체, 망간-아연 페라이트, 니켈-아연 페라이트, 마그네슘-망간 페라이트 등의 강자성체가 코어를 변형시킬 때 큰 힘을 발생시킬 수 있어 바람직하다.
또한, 우산대같은 조립식 또는 신축식의 보강 리브를 삽입하여 강성을 향상시키고, 반경화 상태 기재의 고정 및 보강 섬유의 권취 조작을 쉽게 행할 수도 있다.
코어가 플라스틱 등의 기밀성 있는 재질 및 FRP를 포함하는 경우에는, 내압은 코어에 직접 부여할 수도 있지만, 목질재나 금속재 등을 포함하는 블록형 물질 및(또는) 판형물을 조합한 분할 코어의 경우에는 코어 내부에 풍선 형태의 것을 삽입하여 그것을 팽창시킬 수 있다.
또한, 외형을 기재에 직접 접촉시켜 사용하는 경우, 외형과 구조체가 되는FRP와의 이형성을 향상시키기 위하여 FRP와 외형 사이에 이형재를 삽입해 두는 것이 바람직하다. 이형재로서는 "테플론"제의 필름이나, "테플론"제 고무, 실리콘 고무 등이 있다. 필름의 경우, 코어의 외형은 목적으로 하는 중공 FRP 구조체와 거의 동형이 되지만, 실리콘 고무와 같이 반고체인 경우에는 코어는 반드시 목적으로 하는 구조체와 비슷할 필요는 없으며, 보다 저비용의 단순한 형상으로서 반고체에 목적하는 구조체 형상을 부여할 수 있다. 반고체형 물질은 변형량이 크기 때문에, 예를 들면 돌기가 있는 등의 다소 복잡한 형상이라도 구조체를 손상시키지 않고 제거할 수 있다. 또한, 반고체형 물질은 이형 처리를 행하여 재사용할 수도 있다.
코어 외면에 기재를 배치할 때, 기재의 강화 섬유가 중공 코어 주위의 두 바퀴 이상에 걸쳐 연장되어 있으면, 중공 코어로부터의 압력이 그 강화 섬유에만 집중해 구조체 전체에 압력이 균일하게 퍼지기 어렵다. 또한, 내부로의 가압에 의해 중공 코어를 반경 방향으로 팽창시킴과 동시에 강화 섬유도 조금 이동시켜 느슨함이 없는 상태로 하기 때문에, 두 바퀴 이상에 걸쳐 연장되어 있으면 그 이동이 저해되기도 한다. 그 결과, FRP 구조체가 원하는 형상, 치수로 성형되지 않거나, 기포 배출 및 수지 확산이 불충분해져 FRP 구조체의 특성이 충분히 발현되지 않는 경우가 있다. 따라서, 강화 섬유가 중공 코어 주위의 두 바퀴 이상, 즉 중공 FRP 구조체 내부 공간 주위의 두 바퀴 이상에 걸쳐 연속되게 연장되지 않도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 여기에서 두 바퀴 이상에 걸쳐 연속되게 연장되지 않도록 배치한다는 것은, FRP 중의 강화 섬유 80 체적% 이상 (보다 바람직하게는 90체적%, 더욱 바람직하게는 95 체적%)이 두 바퀴 이상에 걸쳐 연속되게 연장되지 않도록 배치한다는 것이며, 두 바퀴 이상에 걸쳐 연속되게 연장되는 강화 섬유를 하나라도 갖는 것을 배제한다는 것은 아니다.
또한, 중공 FRP 구조체는 그 둘레 방향 전체 길이에 걸쳐 일체 성형되어 있는 부분을 갖는 것이 바람직하다. 이 둘레 방향 전체 길이에 걸쳐 일체 성형되어 있는 부분은 동일 단면 내에 형성되지 않을 수도 있고, 예를 들면 둘레 방향에 지그재그로 또는 구부러지면서, 둘레 방향 전체 길이에 걸쳐 연장되어 있는 부분에 형성될 수도 있다.
기재를 배치하는 방법은 임의이지만, 본 발명의 중공 FRP 구조체는 입체 형상을 갖기 때문에 작업 중 기재의 위치가 어긋나거나, 탈락하는 것을 방지하기 위하여 기재 유지재를 사용하는 것이 바람직하다. 기재 유지재로서는 コ자형, C자형 등의 훅 타입, 접착제 또는 점착제 타입 등, 여러가지를 사용할 수 있다. 훅 타입의 경우, 그 재질은 금속, 수지, FRP 등을 사용할 수 있는데, 적당한 수지를 사용하면 FRP 구조체의 성형 공정에서 가열함으로써 용융시켜 FRP 구조체 특성에 악영향을 미치지 않도록 할 수도 있다. 또한, 금속제의 유지재를 사용하면, 유지재가 적절하게 사용되었는가의 검사, 또는 유지재가 성형 중에 위치가 어긋나지 않았는가의 판단을 초음파 및 X선, 금속 검지기 등에 의해 행할 수 있다. 물론, 금속 이외에 수지 등도 사용할 수 있으며, 그 경우 성형 후에 용출하지 않도록 정해 둘 수도 있다. 수지로서는 매트릭스가 되는 수지에 아세톤 등의 용제를 섞어 점도를 낮추고, 분무기로써 강화 섬유 기재에 분무함으로써 기재들을 임시 고정하거나, 상기기재를 성형형에 그 점착력으로 임시 고정할 수 있다.
또한, 기재의 유지 방법으로서 자력을 이용하는 방법도 생산 효율이 높고, 생산 현장의 환경상 바람직하다. 구체적으로는, 중공 코어의 내면 측에 설치한 금속 등의 자성체나 자석과 기재 외면에 배치한 금속이나 자석의 자력에 의해 기재와 코어를 고정하는 방법, 또는 중공 또는 중공이 아닌 코어 내부에 혼입 또는 삽입된 자성체 및(또는) 자석과 기재 외측에 배치한 자성체 및(또는) 자석 사이에 작용하는 자력에 의해 코어에 기재를 유지, 고정하는 방법이다. 자성체나 자석의 형상은 임의이지만, 벨트형으로 하면 비교적 넓은 범위에서 기재를 느슨하지 않게 고정할 수 있고, 스폿형으로 하면 부분적으로 견고히 고정할 수 있다. 프레임형으로 하면, 프레임형으로 고정할 수 있다.
코어는 성형 후에 제거할 수도 있고, 일부 또는 전부를 구조체 일부로서 남길 수도 있다. 코어가 중공임에 따라 제거하는 경우에도 내측에서 쉽게 벗겨 낼 수 있고, 또한 제거하지 않고 남기는 경우에도 구조체 내부 공간은 원하는 형상으로 유지된다. 또한, 코어를 박리하고 싶은 부분에 이형 처리를 행하거나, "테플론" 등의 이형 필름을 삽입할 수도 있다.
중공 코어의 외주면에 설치된 홈에 의해 기포 배제 및 수지 확산이 효율적으로 행해지고, 대형이며, 나아가 강도 및 강성이 우수한 구조체를 얻을 수 있다. 또한, 이 홈에 의해 성형 후의 중공 FRP 구조체에 강도 및 강성을 더욱 높이기 위한 리브를 부여할 수도 있다.
본 발명의 중공 FRP 구조체 성형용 코어는 각종 중공 구조체 제조 방법에 의해 제조할 수 있지만, 그 중에서도 이른바 블로우(blow) 성형에 의해 비교적 큰 치수나 꽤 복잡한 형상 및 원하는 두께에 대해서도 효율적으로 제조할 수 있다. 블로우 성형에 사용하는 외형에 리브형의 형상을 부여함으로써, 코어 외면의 홈도 쉽게 형성할 수 있다.
코어의 재질은 특히 한정되지 않지만, 블로우 성형에 적합한 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리페닐렌에테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 수지가 바람직하다. 그 중에서도, 유리 섬유를 함유하는 폴리프로필렌은 코어의 강성을 현저히 높일 수 있기 때문에 기재의 적층, 코어의 취급성이 용이하여 바람직하다. 이 경우, 적절한 유리 섬유의 양은 체적 함유율로 1 % 내지 30 %, 유리 섬유의 길이는 중량 평균으로 O.1 내지 1OO mm 정도이다. 또한, 외형을 사용하는 경우에는, 고무같은 신축성이 풍부한 재료가 바람직하다. 성형 후에 코어를 제거하는 경우에는, 적어도 표면이 실리콘 고무와 같은 이형성이 우수한 재료인 것도 바람직하다.
또한, 수지의 경화 온도와의 관계에서는, 코어의 내열성은 수지의 경화 온도 또는 예비 경화 온도보다 높은 것이 바람직하다. 그 중에서도 내열성이 수지의 경화 온도 또는 예비 경화 온도보다 5 ℃ 이상 높으면 코어가 수지 경화 중에 변형하거나 또는 예비 경화 온도로 변형하는 것을 억제할 수 있고, 구조체의 치수 정밀도를 확보할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 코어의 내열성은 JIS-K6760으로 측정되는 피컷 연화점으로 정의된다.
본 발명의 중공 FRP 구조체는 적어도 다음 (A) 내지 (D) 공정을 연속적으로행함으로써 제조할 수 있다:
(A) 단면이 비원형 단면 형상인 코어를 지지 가대(架臺) 상 등에 배치하는 코어 준비 공정,
(B) 상기 코어 표면에 일부 또는 전부가 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치하는 기재 배치 공정,
(C) 상기 기재의 상부를 백(bag)으로 덮고 이 백 내부를 대기압보다 감압시키는 감압 공정
(D) 상기 강화 섬유 내에 합성 수지를 주입하고 이 수지를 강화 섬유 기재의 면 방향으로 동일하게 확산시켜 기재 내에 함침시키는 합성 수지 함침 공정.
상기한 공정에 또한 전체를 50 내지 200 ℃의 온도 범위 내에서 경화시켜 일체 성형하는 공정을 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 중공 FRP 구조체는, 적어도 다음 (A) 내지 (E) 공정을 순차적으로 행함으로써 제조할 수 있다:
(A) 단면이 비원형 단면 형상인 코어를 지지 가대 상 등에 배치하는 코어 준비 공정,
(B) 상기 코어 외면에 일부 또는 전부가 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치하는 기재 배치 공정,
(C) 상기 강화 섬유를 배치한 기재 외주를 외형으로 덮는 외형 배치 공정,
(D) 상기 외형과 코어 사이를 감압하는 감압 공정,
(E) 상기 강화 섬유 내에 합성 수지를 주입하고 이 수지를 강화 섬유 기재의면 방향으로 동일하게 확산시켜 기재 내에 함침시키는 합성 수지 함침 공정.
이 경우, 코어 외면의 적어도 일부에 시트형의 피복재를 덮고, 그 위에 일부 또는 전부가 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치한 후, 그 외주로부터 외형으로 피복하고, 그 후 상기 외형과 코어 사이를 감압하여 상기 피복재를 외형 방향으로 팽창 또는 이동시킨 상태에서 합성 수지를 주입하고, 상기 수지를 강화 섬유 기재 중의 면 방향으로 확산시킴으로써 강화 섬유 기재 내에 수지를 함침시키는 것이 바람직하다.
상기한 제조 방법 모두 중공형의 코어를 사용하는 방법, 그리고 외면에 수지 통로 홈을 갖는 코어를 사용하고 이 홈으로부터 강화 섬유 기재 내에 합성 수지를 주입하는 방법이 바람직하다.
후자의 제조 방법에는 신축 가능한 재료로 이루어지는 코어를 사용하는 방법, 그리고 코어 내부를 유체로 가압하고 이 코어를 외형 방향으로 팽창시키는 방법 (이 때 코어의 내부 가압용 유체가 압축 공기이고, 그 가압력이 0.05 내지 1.0 MPa (0.5 내지 10 kgG/㎠)의 범위 내인 것이 바람직하며, 또한 O.1 내지 O.5 MPa가 보다 바람직하다)이 있다.
또한, 상기한 제조 방법 모두 기재 배치 공정 (B)에 있어서, 피복재에 수지가 확산할 수 있는 수지 확산 매체를 사용하는 방법, 또한 그것이 망상물인 방법이 바람직하다. 코어에는 플라스틱, 고무재, 수용성 중합체재, 목질재 중 어느 하나가 바람직하게 사용되며, 블로우 성형법에 의해 중공체로 성형된 것이 바람직하다. 또한, 기재 배치 공정 (B)에 있어서, 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치할 때에는 각 기재 사이 및(또는) 기재와 코어 사이에 기재를 유지하는 기재 유지재를 사용하는 것이 바람직하다. 구조체들은 국부 성형법에 의해 서로 접합하여 일체화하는 것이 바람직하다.
또한, 어떠한 제조 방법에 있어서도 일체 성형된 구조체로부터 코어를 제거하는 코어 제거 공정을 첨가하는 방법, 또는 일체 성형된 구조체 중에 코어를 구조체와 일체화시켜 잔류시키는 방법을 행할 수 있다.
복수개의 성형체로 구성되며, 그 중의 하나 이상의 성형체가 하나 이상의 개구부와, 내부에 공동부를 갖는 본체부를 구비한 단면이 비회전체 형상을 한 섬유 강화 수지 구조체를 제조할 때에는, 성형체들을 접합함에 있어서 성형체들의 접합 부분을 넘도록 강화 섬유를 배치하고, 접합 부분을 강화 섬유 상에서 국부적으로 백으로 피복한 후, 백 내부를 감압하여 수지를 주입하고 함침시킴으로써 성형체를 서로 접합시킬 수 있다.
본 발명의 중공 FRP 구조체 및 그의 제조 방법에 따르면, 종래의 필라멘트 와인딩법 등에 의한 회전체 형상의 구조체와 비교하여 형상의 자유도가 높고, 양단부 이외, 즉 3군데 이상의 개구부를 쉽게 설치할 수 있다. 수송 기기의 경우, 적어도 윈도우, 도어 작업구에 상당하는 3개 이상의 개구부가 있는 것이 바람직하다. 용기에 있어서도 입구, 출구, 작업 구멍 또는 예비 구멍 (비상 구멍이라고도 함)과 같은 3군데 이상의 개구부가 있는 것이 바람직하다. 통상의 용기의 경우, 출입구라는 2개의 개구부 만으로는 내부 청소나 검사가 불가능하여 불편하다. 또한, 용기에 있어서는 3개 이상의 개구부 중, 하나 이상의 개구부는 용기 중앙부에 설치하는 것이 작업상 바람직하다.
일체로 형성된 개구부는 성형물을 빼내는 등의 후가공을 행할 필요가 없기 때문에 재료를 절약할 수 있고, 가공 시간도 절약할 수 있기 때문에 매우 비용이 감소된다. 또한, 기계 가공하지 않기 때문에 상기한 단부 특유의 문제가 없고, 신뢰성이 우수하다. 또한, 개구부를 크게 할 필요가 있는 경우에는, 개구부 주위에 강화 섬유를 보다 많이 배치하고, 두께도 다른 부분보다 두껍게 해 두는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 코어로서 바람직한 재료로서는, 상술한 재료 중 목질재, 플라스틱재, 경량 발포재, 저융점 합금, 수용성 중합체, 유리, 석고 및 왁스를 들 수 있다.
이 중, 목질재는 가공이 쉽고 반복 사용에도 견디며 경량이고 내열성도 있어 바람직하다. FRP 성형 후에 빼낼 수 있도록 작은 막대형, 판형, 열쇠형, 블록형 등으로 가공한 목질재를 적목과 같이 조합하여 코어 외형이 목적하는 구조체와 동일한 형상이 되도록 하여 사용할 수 있다. 또한, 상기한 홈의 가공도 목질재의 경우 쉽게 행할 수 있다.
플라스틱재로서는 사출 성형 및 블로우 성형, 회전 성형, 진공 성형에 적합한 열가소성 수지가 가장 바람직하다. 목적으로 하는 FRP 구조체와 거의 동일한 형상으로, 또한 코어 외면에 미세한 홈을 저비용으로 형성할 수 있다. 그 중에서도 블로우 성형은 생산성이 높고, 저비용으로 코어를 성형할 수 있다. 또한, 두께가 얇은 코어가 되기 때문에 설령 코어를 제거하지 않아도 성형된 중공 FRP 구조체의 내부 공간을 크게 할 수 있다는 잇점이 있다. 구조체 크기에도 따르지만, 코어 두께가 0.5 내지 20 mm 정도의 범위 내이면 코어는 성형물에 잔류시켜도 상관없다. 또한, 얇은 코어는 투명성이 있어 FRP 수지의 함침 상태를 성형물 내부에서 코어를 제거하지 않고 체크할 수 있다. 또한, 제거는 벗겨내는 것 등에 의해 행할 수 있다. 수용성 중합체 (예를 들면, 수용성 나일론)를 사용한 경우에는 수 중에 침지하는 등으로 하여 코어를 제거할 수 있다.
또한, 2축 연신한 블로우 성형도 바람직하다. 연신 비율은 1:1 내지 1:3의 범위 내가 바람직하다.
회전 성형의 경우 바람직한 수지로서는, 고밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 가교 폴리에틸렌, PVC, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리카르보네이트, 아크릴 수지, 폴리부틸렌, 불소 수지, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 에폭시 수지 등이다. 그 중에서도, 분체 크기가 20 내지 100 메쉬의 범위 내의 것은 코어 두께가 균일하고, 동시에 내부 구조가 균질해져 가열시 및 가압시의 변형이 균일하고, 구조체의 정밀도가 향상되기 때문에 바람직하다. 또한, 10 메쉬 이하의 미분말 입자를 혼입시켜 놓으면, 입자의 이동이 윤활하여 분체 흐름을 부드럽게 하고 열 이동을 쉽게 하는 등의 효과를 갖기 때문에 균질 구조의 코어를 쉽게 얻을 수 있어 바람직하다. 또한, 상기한 중합체 중, 용융 지수가 2 내지 4의 중합체는 회전 성형에 특히 바람직하다.
폴리에틸렌은 내열성, 이형성이 필요한 경우 특히 바람직하다. 또한, 폴리에틸렌 중에서도 가교 폴리에틸렌은 내열성, 내응력 부식성이 매우 우수하기 때문에 바람직하다. 가교시키는 방법은 과산화물로 가교시키는 것이 내열성, 강성, 충격 특성 상 바람직하며, 그 중에서도 디큐밀퍼옥시드에 의해 가교도를 60 % 이상으로 하면 신도가 현저히 향상하여 코어의 내충격성이 높아지고, 제조 공정 중에 코어가 충격 손상되는 것을 억제할 수 있어 바람직하다. 코어에 내압을 부여하는 경우에는, 제조 공정 중에 예기치 않은 충격에 의해 발생한 손상에 의해 가압시 가스 누설 등이 발생할 가능성이 있기 때문이다.
회전 성형은 사출 성형 및 블로우 성형과 비교하여 저압 성형이며, 설비비가 적게 들어 경제성이 우수하다. 또한, 2축 이상의 회전 성형기를 사용함으로써 다른 형상의 코어를 동시 성형할 수 있다는 특징을 가지며, 다른 코어를 사용한 일체 구조체를 제조하는 경우 적합하다. 또한, 블로우 성형 등과 비교하여 대형 코어의 성형이 가능하며, 구조체가 대형이 될 수록 바람직하다. 또한, 잔류 응력이 없기 때문에 가열했을 때 코어 변형량이 안정되어 구조체에 높은 정밀도가 요구되는 경우 적합하다. 또한, 코어의 두께를 일정하게 하기 위해서, 회전 성형에서는 주축과 부축의 회전비를 0.8 내지 7 사이로 하는 것이 바람직하다. 또한, 주축의 회전 속도는 3 내지 4O rpm의 범위 내로 하면 균일한 두께의 코어를 얻을 수 있어 바람직하다. 또한, 코어의 잔류 열왜곡을 작게 하여 코어를 가열했을 때 변형을 균일하게 하고, 구조체 정밀도를 향상시키기 위해서는 회전 성형의 금형은 전기 주조 금형 또는 주물 금형으로 하는 것이 바람직하다. 금형의 재료는 전열성이 우수한 알루미늄 합금, 니켈, 탄소강, 스테인레스강이 바람직하다. 그 중에서도, 알루미늄과 니켈은 경량이고, 회전에 요하는 동력이 적어 바람직하다.
또한, 냉각 속도는 코어의 수축, 변형 왜곡 등의 치수 정밀도, 결정화도와 결정 치수 분포 등의 구조 불균일성에 직접 영향을 주기 때문에, 적절한 냉각 속도가 요구된다. 냉각이 느리면, 결정 성장에 의해 밀도가 증대하고 성형 수축이 증가한다. 냉각 공정에서 금형 내부에 가스압을 가함으로써 성형 왜곡을 감소할 수 있다. 또는, 내부를 불활성 가스 치환하면, 산화를 거의 완전히 방지할 수 있어 바람직하다.
회전 성형에 있어서도 블로우 성형과 마찬가지로 다층 구조, 이중벽 구조, 금속 삽입 구조, 섬유 강화 구조, 언더 컷 구조로 할 수 있다.
이어서, 경량 발포재란 우레탄 폼, 폴리스티렌 폼, 폴리에틸렌 폼, 폴리프로필렌 폼, 페놀 폼, 우레아 폼, 폴리염화비닐 폼, 실리콘 폼, 에폭시 폼, 폴리이미드 폼, 폴리에스테르 폼, 멜라민 폼 등의 경량 발포재를 말하며, 겉보기 비중이 0.02 내지 0.9 정도의 것을 가르킨다. 발포재를 덩어리형으로 주입함으로써 하이사이클로 코어를 성형할 수 있다. 또한, 상기 비중으로 함으로써 성형 중에 변형하는 경우도 없다. 폼재의 경우, 제거는 기계적으로 문질러 떨어뜨리거나, 또는 깍아내거나, 또는 풍압이나 수압으로 비산시켜 쉽게 제거할 수 있다. 수압의 경우, 7 내지 2O kg/㎠ 정도의 범위 내 압력이 FRP를 손상시킬 가능성이 적어 바람직하다. 또한, 경량 발포재에 있어서도 성형 후에 반드시 제거할 필요는 없으며, 구조체의 단열성이 필요한 부분, 방음성이 필요한 부분, 진동 흡수성이 필요한 부분, 내충격성이 필요한 부분에서는 오히려 코어를 남겨 두는 것이 바람직하다. (즉, 코어를 내부착재 상당 부재로서 남길 수 있음). 보다 바람직하게는 남기는 것을전제로서 목표로 하는 단열성, 방음성, 진동 특성, 충격 특성이 달성되도록 코어 발포재의 재료, 두께 등을 사전에 정해 두는 것이 바람직하다. 물론, 코어에 탄화 칼슘이나 실리카 입자 등의 충전재 및 섬유 등의 보강재를 첨가해 둘 수도 있다.
저융점 합금의 코어는 재사용할 수 있기 때문에 바람직하다. 비스무트, 납, 주석, 아연, 카드뮴 등을 주성분으로 하는 융점이 40 내지 200 ℃ 정도의 합금이며, 비중이 7 내지 11 정도의 것이다. FRP의 수지가 열경화성 수지인 경우, 코어에는 내열성이 필요하며, FRP의 경화 온도를 높인다는 관점에서 저융점 합금의 융점은 80 내지 200 ℃의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 작업의 안전면을 고려하면 가장 바람직한 것은 80 내지 140 ℃의 범위 내이다. 또한, 저융점 합금도 일부를 제거하지 않고, FRP와 일체화시켜 둠으로써 나사산이 세워지거나, 용접 및 납땜을 할 수 있다는 잇점이 있다. 특히 FRP의 두께가 얇은 경우, 나사나 리벳, 핀, 못 등을 이용할 수 없으며, FRP 이면에 금속재가 있기 때문에 이른바 금속 가공이 가능해진다. 또한, 중심에 금속 파이프를 배치하고, 그 주변에 상기 저융점 합금을 설치하여 중공 코어로 하는 것이 경량이고 실용적이다.
유리제 코어는 성형은 어렵지만, 투명하기 때문에 상기한 플라스틱 코어와 마찬가지로 FRP 성형 상태를 체크할 수 있어 바람직하다.
석고 코어는 비용이 적게 들며, 매우 높은 내열성이 있어 바람직하다.
왁스(납) 코어는 저융점 합금와 마찬가지로 가열하여 빼낼 수 있다. 천연 납은 환경에 친화적이다. 또한, 쉽게 형상을 변형, 수정할 수 있다.
그런데, 본 발명에 관한 중공 FRP 구조체는 개구부의 최대 폭보다 큰 내부최대 폭 (0.5 m 이상)을 갖는 중공 FRP 구조체로서, 구조체 형상이 비회전체 형상인 것, 또는 개구부가 적어도 3개 있는 것이며, 구체적으로는 예를 들어 다음과 같은 중공 구조체에 적용할 수 있다. 도 1 내지 도 6에 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 1은, 본 발명을 이해하기 쉽게 하기 위한 이미지 모델이며, 양단부에 개구부 (2), (3), 중앙부에 윈도우 또는 도어용 개구부 (4)를 갖는 일체 구조체이며, 수송 기기 (예를 들면, 소형 비행기, 자동차 등) 등에 적용 가능한 대형 중공 FRP 구조체 (1)을 나타낸다. 또한, 개구부 (2), (3)의 최대 폭으로부터 2배 이상을 이루는 내부 최대 폭을 가지며, 개구부도 양단부 이외에 2개 설치되어 있다. 또한, 내부에는, 도 8에 나타낸 바와 같은 내부에 코어재를 배치하는 리브를 구성하고 있으며, 그 이외 부분은 거의 스킨층이나 도 18과 같은 샌드위치층으로 구성되어 있다. 또한, 상기 구조체의 치수는 길이가 2 m 이상이고, 내부 최대 폭이 1 m 이상인 비교적 대형의 중공 구조체이다.
도 2는, 개구부 (12) 내지 (17) (단, 리어 윈도우 (16)은 도시하지 않음)을 갖는 자동차용 모노코크 바디 (monocoque body)를 구성하는 중공 FRP 구조체 (11)을 나타낸다. 종래의 모노코크 바디와 같은 상부 외피체와 플로어가 별도로 성형되고, 각각이 접속된 접합 구조와는 달리 플로어부까지 일체로 성형된 실질적으로 일체 구조를 이루는 중공 FRP 구조체 (11)이다.
도 3은, 적어도 전방부 개구부 (22), 전방부 윈도우용 개구부 (23), 도어용 개구부 (24), 측부 윈도우용 개구부 (25)를 갖는 대형 여객기용 등의 항공기 외피체를 구성하는 중공 FRP 구조체 (21)을 나타낸다. 이와 같이 10 m를 넘는 긴 중공 FRP 구조체를 성형하기 위한 코어는 일체로 성형하는 것이 어렵기 때문에 코어도 몇 m 단위로 성형하고, 각각을 접속하여 구성하고 있다.
도 4는, 적어도 전방부 개구부 (32), 전방부 윈도우용 개구부 (33), 도어용 개구부 (34), 측부 윈도우용 개구부 (35), 후방부 개구부 (36)을 갖는 고속 철도용 차량의 외피체를 구성하는 중공 FRP 구조체 (31)을 나타낸다.
도 5는, 적어도 2개의 개구부 (52), (53)을 갖는 용기체를 구성하는 중공 FRP 구조체 (51)을 나타낸다. 이러한 중공 FRP 구조체 (51)은 예를 들면, 연료 탱크나 각종 액체 용기, 각종 가스용 (고압) 용기 등에 적용할 수 있다.
도 6, 도 7은, 상기 도 1에 나타낸 중공 FRP 구조체 (1)을 예로 들어 제조 방법의 구체예를 나타낸다.
도 6에 나타낸 방법에 있어서는, 표면에 둘레 방향의 홈 (61)과 이 홈 (61)과 교차 부분에서 연결되고, 홈의 단면적이 이 홈 (61)보다 넓은 길이 방향의 최정상부 홈 (62)와 최저부 홈 (63)을, 또한 표면에는 도 8에 나타낸 바와 같은 단면 형상의 오목형 홈 (64)를, 그리고 주위보다 융기한 볼록부 (65)를 형성하고, 한쪽 단부에 개구부 (66)을 갖는 중공 코어 (60)을 형성하고 (A), 이어서 도 8(A)와 같이 코어 (83) 외주에 강화 섬유 기재 (82)를 기재 유지재에 의해 고정하여 프리 폼화한 것을 상기 코어 (60)의 오목형 홈 (64)에 배치한 후, 볼록부 (65)를 제외한 표면 전역에 강화 섬유 기재 (67)을 배치하고 (B), 전체를 연질의 백 (70)으로 피복하고, 최정상부의 홈 (62)에 연결되는 진공 흡인로 (69)를 통하여 상기 백 내부를 진공 흡인하면서 수지 (71)을 최저부 홈 (63)에 연결되는 수지 주입로 (68)을 통하여 주입하고 (C), 주입된 수지를 코어 (60)의 홈 (61), (62), (63)을 이용하여 강화 섬유 기재 (67) 표면에 확산시킴과 동시에 이 강화 섬유 기재 (67) 중에 함침시키고, 수지를 경화시켜 소정 형상의 중공 FRP 구조체 (1)을 성형한다.
상기 성형에서는 이른바 진공 백 법에 의해 중공 FRP 구조체 (1)을 성형했지만, 도 7에 나타낸 바와 같이 외형 (72), (73)을 사용하여 성형할 수도 있다.
외형을 사용하면 성형품의 외표면이 외형 마무리면에서 성형 완성되기 때문에 성형 품격을 올리거나 다양한 표면 형태 (예를 들면, 초평활 마무리면, 까칠까칠한 면, 문양이 들어간 면 등)로 마무리할 수 있다. 또한, 미리 성형면에 겔 코팅제를 도포해 둠으로써 성형 후 그대로 성형품 외표면에 겔 코팅층이 형성된다.
도 7에 나타낸 외형은 금속제 또는 FRP제, 경우에 따라서는 성형면을 수지 등으로 밀봉 처리한 목제로 만들어진 분할형이며, 도 7에서는 2분할 구성을 취하고 있지만, 필요에 따라서 더 분할할 수도 있다.
이 외형을 사용하는 방법은, 상기한 표면에 강화 섬유 기재 (67)을 배치한 코어 (B)를 외형 (72), (73) 중에 배치한 후, 강화 섬유 기재 (67)이 배치되어 있는 상기 코어 (60)과 상기 외형 (72), (73)의 간극 (캐비티)를 상기 진공 흡인로 (69)를 통하여 진공 흡인한다. 또한, 필수는 아니지만 그 후 및(또는) 동시에 코어 단부의 개구부 (66)으로부터 압축 공기(압공)을 상기 코어 (60) 안에 분입하고, 상기 코어 (60) 전체를 외형 방향으로 팽창시킨다. 이 경우, 코어가 팽창하기 쉽도록 상기 압공을 열풍으로 하거나, 상기 외형 (72), (73)을 가열하는 것이 바람직하다. 그 상태에서 상기 진공 백 법과 동일하게 수지 (71)을 수지 주입로 (69)를 통해 최저부 홈 (63)에 주입하고, 상기 홈 (61)을 이용하여 강화 섬유 기재 (67) 표면에 확산시킴과 동시에 이 강화 섬유 기재 (67) 중에 함침시켜 수지를 경화시킨다. 이 경우, 특히 외형 (72), (73)을 가열하여 코어 (60) 또는 섬유 강화 기재 (67)도 가열되면, 주입되어 기재 (67) 표면이나 기재 안을 흐르는 수지의 점도가 내려가 유입 속도나 함침성이 향상되기 때문에 보다 바람직하다.
또한, 코어 표면에 수지 통로용으로서 홈을 형성하지 않은 상기 볼록부 (65) 또는 오목부 코어 표면에는 수지 유동 저항이 낮은 메쉬형으로 이루어지는 수지 확산 매체를 배치해 두면 수지가 흐르기 쉬워 보다 바람직하다.
또한, 코어 표면의 둘레 방향으로 수지 통로용으로서 설치한 홈 (61)을 형성하지 않고, 코어 표면 및(또는) 외형 내표면에 예를 들어 망상물의 수지 확산 매체를 배치할 수도 있다.
또한, 후술하는 코어재와 FRP 스킨층으로 구성되는 FRP 샌드위치 성형체를 형성하는 경우에는, 수지 통로를 상기 코어재에 설치하기 때문에 이 코어재가 배치되는 부분의 코어 (60)에 홈 (61)을 형성하거나 수지 확산 매체를 배치할 필요는 없다.
또한, 상기한 바와 같이 코어 (60) 안에 압공을 분입하여 코어를 팽창시킴으로써 강화 섬유 기재 (67)을 압착함과 동시에, 보다 직선화시킬 수 있다. 따라서, FRP 성형체의 섬유 체적 함유율이 향상됨과 동시에 강도도 향상된다.
성형 후, 상기 코어 (60)은 FRP 성형체로부터 제거할 수도, 남길 수도 있지만, 제거하는 경우 가열하여 코어 (60)를 연화시킨 상태에서 빼내거나, 가열 연화하면서 더욱 코어 (60) 내를 감압하여 수축시켜 빼내면 비교적 쉽게 빼낼 수 있다.
그런데, 본 발명에 관한 또 다른 하나의 중공 단면을 갖는 FRP 구조체는 복수의 성형체 조립 접합체로 이루어지며, 그 중 하나 이상의 FRP 성형체 중 한군데 이상에서 단면에 중공 단면을 갖는 부분이 연속되고, 실질적으로 일체 성형된 폐공간 형성부로 형성된 것이며, 구체적으로는 예를 들어 이하와 같은 중공 구조체에 적용할 수 있다. 도 9 내지 도 15에 구체적인 실시예를 나타낸다.
도 9는, 양단부에 개구부 (92), (93), 중앙부에 윈도우나 도어용 개구부 (94)를 갖는 FRP 성형체 (95)와, 개구부 (94)에 설치되고 FRP 성형체 (95)와 접합된 성형체 (96)으로 이루어지며, 예를 들어 소형 또는 중형 항공기의 외피체나 (레이스용) 자동차 바디 등에 적합한 수송기기용 중공 FRP 구조체 (91)을 나타낸다. 또한, 상기 구조체 (91)은 개구부 (92), (93)의 최대 폭보다 1.2배 이상 큰 내부 최대 폭을 갖고 있다. FRP 성형체 (95)의 폐공간 형성부 (97)은 개구부 (92), (93)측에 형성되어 있기 때문에 양단부 형상이 중앙부보다 매끄럽고 고강성의 구조체이다.
도 10은, 양단부에 개구부 (101), (102), 상면측에 개구부 (101), (102)에 접속하는 개구부 (103), (104)를 갖는 FRP 성형체 (105)와, 상기 개구부 (103), (104)에 설치되고 FRP 성형체 (105)와 접합된 성형체 (106), (107)로 이루어지는, 예를 들면 자동차 바디 등에 적합한 수송 기기용 중공 FRP 구조체 (109)를 나타내며, 개구부 (101), (102)의 최대 폭보다 큰 내부 최대 폭을 갖고 있다. FRP 성형체 (105)의 폐공간 형성부 (108)은 중앙부에 형성되어 있고, 자동차에서는 운전석에 상당하는 위치이며, 목적하는 강도, 강성을 확보하기 쉬운 구조이다.
도 11은, 양단부 중 한쪽을 폐색부 (111), 또 한쪽을 개구부 (112)로 하며, 상면측에 개구부 (112)에 접속하는 개구부 (113)을 갖는 FRP 성형체 (114)와, 개구부 (113)에 설치되고 FRP 성형체 (114)와 접합된 성형체 (115)로 이루어지는, 예를 들면 선박이나 보우트 등의 바디에 적합한 수송 기기용 중공 FRP 구조체 (117)을 나타내며, 개구부 (112)의 폭보다 큰 내부 최대 폭을 갖는다. FRP 성형체 (114)의 폐공간 형성부 (116)은 폐색부 (111) 측에 형성되어 있다. 주행시, 유체의 큰 유동 부하를 받기 쉬운 전두부가 견고한 구조이다.
도 12는, 양단부에 개구부 (121), (122), 상면측과 하면측에 각각 개구부 (123), (124)를 갖는 FRP 성형체 (125)와, 개구부 (123), (124)에 설치되고 FRP 성형체 (125)와 접합된 성형체 (126), (127)로 이루어지는, 예를 들면 소형 또는 중형 비행기의 외피체나 고속 철도용 차량의 외피체 등, 긴 수송 기기용 중공 FRP 구조체 (120)을 나타내며, 개구부 (121), (122)의 최대 폭보다 큰 내부 최대 폭을 갖고 있다. FRP 성형체 (125)의 폐공간 형성부 (128), (129)는 개구부 (121), (122)의 양측에 형성되어 있으며, 전후 단부를 견고히 하여 천장이나 바닥을 별도 성형하여 조립 접합하는 구조이다.
또한, 상기 도 9 내지 도 12에 있어서, 전후 단부는 반드시 개구 구조일 필요는 없으며, 덮개 등에 의한 폐색 구조를 적절히 형성할 수도 있다.
도 13, 도 14 및 도 15는, 상기 도 9에 나타낸 것과 동일한 중공 FRP 구조체를 예로 들어 그 FRP 성형체 성형 방법의 구체예를 나타낸다.
도 13에 나타낸 방법에 있어서는, 표면에 홈 (132), 각 부에 개구부 (133), (134), (135)를 갖는 중공 코어 (131)을 형성하고 (A), 이 코어 (111)의 표면에 강화 섬유 기재 (136)을 배치하며 (B), 전체를 백 (137)로 피복하고, 진공 흡인로 (138)을 통하여 진공 흡인에 의해 수지 (139)를 주입로 (140)을 통하여 주입하고 (C), 주입된 수지를 코어 (131)의 홈 (132)를 이용하여 기재 (136)의 표면에 확산시킴과 동시에 기재 (136) 중에 함침시키고, 수지를 경화시켜 소정 형상의 중공 PRP 성형체를 성형한다.
또한, 도 14에 별도의 성형 방법을 폐공간 형성부에서의 성형 태양을 나타냄으로써 설명한다. 표면에 둘레 방향의 홈 (132)가 형성되어 있지 않은 중공 코어 (141)면 상에 수지 확산 매체 (142) (예를 들면, 망상체로 이루어지는 수지 확산 수단)을 설치하고, 그 위에서 이형 처리된 천 형태 시트 (143)을 통하여 강화 섬유 기재 (144)를 배치하고, 더욱 그 위에 전체를 백 기재 (145) (예를 들면, 시트형물로 이루어지는 백 기재)로 피복한 후, 상기 백 기재 (145)로 덮혀진 내부를 감압 라인 (146)으로부터 진공 흡인하여 진공 상태로 하고, 진공압 작용으로 강화 섬유 기재 (144)를 백 기재 (145)에 의해 조여 섬유 체적 함유율이 높여진 상태에서 수지 주입 라인 (147)로부터 수지를 주입하고, 이 수지를 강화 섬유 기재 (144)의 면방향으로 확산시킴과 동시에 강화 섬유 기재 (144) 내에 함침시킴으로써 성형할 수도 있다.
상술한 성형에서는 이른바 진공 백 법에 의해 중공 FRP 성형체를 성형했지만, 도 15에 나타낸 바와 같이 외형 (151), (152)를 사용하여 FRP 성형체를 성형할 수도 있다. 도 15에 나타낸 외형은 형 (151), (152)의 2분할 구성을 취하고 있지만, 필요에 따라 더 분할할 수도 있다. 단, 이와 같이 개구부를 갖는 성형체를 성형하기 위한 코어 (154)는, 외형 내에서 코어의 상기 개구부로부터 주입 수지가 코어 내면측에 유입되기 때문에, 상술한 도 7에서 설명한 바와 같이 성형면에 개구부가 전혀 없고 성형면이 연속된 코어이며, 이 성형체의 개구부에 맞닿는 곳은 다른 면보다 융기되어 있거나, 고정형재를 배치해 두어 그 부분에는 강화 섬유 기재 (153)을 배치하지 않은 형태로 외형에 삽입하게 된다. 그 후의 성형은 도 7에서 설명한 방법을 행하면 된다.
또한, FRP 성형체의 단면 구성은 각종 형태로 구성할 수 있는, 예를 들면 도 16에 나타낸 바와 같이 FRP층 (161)과 그 내면에 일체로 설치된 FRP제 리브 (162)로 이루어지는 구성과, 도 17에 나타낸 바와 같이 FRP 스킨층 (171)과 발포체 등으로 이루어지는 코어재 (172)의 일체 적층 구성으로 하며, 코어재 (172)의 단부에 FRP로 이루어지는 리브 (175)를 설치하여 FRP 스킨층 (171)을 보강한 구조로 할 수도 있다. 또한, 코어재 (172)의 표면에 설치한 수지 확산용 홈 (173)에 남는 수지 (174)를 리브로서 이용할 수도 있다. 또한, 도 18에 나타낸 바와 같이 코어재 (181)의 양면에 FRP 스킨층 (182), (183)을 설치하여 샌드위치 구조로 하고, 코어재 (181)의 단부에 FRP로 이루어지는 리브 (186)을 설치하여 샌드위치 구조를 보강한 구조로 할 수도 있다. 또한, 홈 (185) 내의 수지 (184)를 리브로서 이용할 수도 있다.
이하에 실시예를 들어 설명한다. 또한, 특히 한정되는 것은 아니지만, 실시예 1의 태양은 항공기, 특히 소형 항공기의 경우 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 실시예 2와 같이 특히 한정되는 것은 아니지만, 바닥부에 FRP로 샌드위치되거나 둘레 회전된 코어재를 바닥판 등으로서 배치한 태양은 자동차 등의 육상 운송 기기에 적합하게 사용할 수 있다.
<실시예 1>
FRP제 중공 모노코크 바디를 성형하기 위하여 내면에 볼록형의 리브 형상을 갖는 금속형을 사용하고, 회전 성형에 의해서 도 6(A)에 나타낸 바와 같은 폴리에틸렌테레프탈레이트제 중공 코어를 제작하였다. 상기 중공 코어의 전체 길이는 6.5 m, 전체 폭은 최대 1.4 m 내지 최소 0.7 m, 전체 높이는 최대 1.3 m 내지 최소 0.5 m이고, 외피 두께는 1 내지 3 mm로 하였다. 또한, 코어 표면에는 형에 설치된 리브 형상에 의해 폭 30 내지 50 mm, 깊이 40 내지 50 mm의 오목형 홈을 길이 방향으로, 또한 코어 전체 표면 (상기 오목형 홈 안은 제외)에는 폭 3 mm, 깊이 3 mm의 홈을 25 mm 피치로 둘레 방향으로 형성하였다.
이어서, 이 중공 코어 내부에 압력 O.2 kg/㎠G의 압공을 분입하여 강성을 높이고 변형되지 않게 한 후, 상기 금속형의 볼록형 리브 형상에 의해 길이 방향으로 설치된 오목형 홈 표면에 수지 유동용 망상 직포를 배치하고, 그 위에 상기 리브 형상과 동일 형상의 폴리우레탄제 폼 코어 (발포 배율=15배) 주위에 탄소 섬유 강화 직물을 배치한 상태의 것을 장착하고, 그 후 코어 외표면 전체에 평직형 PAN계 탄소 섬유 및 유리 섬유 기재를 주름이 생기지 않도록 각 단면 둘레 길이의 1.1 내지 1.5 둘레분 피복시켰다. 기재에는 코어 표면 형상을 확실히 따르도록 어느 정도의 장력을 부여하고, 또한 도 6(B)에 나타낸 바와 같이 코어 중앙 부근의 도어나 윈도우에 해당하는 몇군데의 볼록부에 상기 기재가 올라 앉지 않도록 적절히 절단한 것을 조합하여 반경화형 에폭시 수지를 베이스로 한 기재 유지재를 기재들 및 코어 표면에 분무하여 상기 2층의 기재를 코어에 고정하였다. 또한, PAN계 탄소 섬유로서는 인장 강도 4.9 GPa, 인장 탄성율 235 GPa, 필라멘트수 2,4000개의 것을 사용하였다.
이어서, 상기한 바와 같이 강화 섬유 기재를 배치한 수지제 코어를 도 7에 기재한 바와 같은 2분할 외형에 삽입 셋트하여 형을 폐쇄하였다. 이 때, 형끼리 또는 형과 코어 (양단부) 사이는 0-링 (기재하지 않음)과 보조적으로 페이스트형 밀봉제에 의해 밀봉한다. 또한, 외형의 분할 맞춤면의 꼭대기부 및 바닥부에 설치한 천공 가공 구멍에 "테플론"제 튜브를 통하여 코어 꼭대기부와 바닥부에 설치되어 있는 길이 방향의 홈에 연결시킨다. 그 중 꼭대기부에 연결되는 튜브 안을 진공 흡인하고, 외형 내면과 코어 외표면 사이의 캐비티 부분을 감압한다. 또한, 코어 단부에 설치한 개구부로부터 압력이 3 kg/㎠G인 압공을 봉입하여 상기 코어를 외형 방향으로 약 3 mm 팽창시킨 후, 그 상태에서 바닥부에 설치한 튜브로부터 약 50 ℃ 유지된 미경화 에폭시 수지를 주입하였다. 또한, 상기 진공 흡인 전보다 외형은 오븐 가열에 의해 70 ℃로 유지되어 있다.
수지를 주입하고, 기재로의 수지 함침이 종료한 후, 더욱 120 ℃로 승온하여 약 1.5시간 유지하고 수지를 완전 경화시켰다.
성형된 중공 FRP 구조체를 외형에서 꺼내고, 코어 내부를 감압하여 코어를 수축시킨 후 제거하고, FRP만으로 형성된 중공 일체 구조체로 하였다. 이 중공 FRP 구조체의 강화 섬유 체적 함유율은 57 % 내지 62 %였다.
제조된 FRP제 중공 일체 구조체는 설계대로 리브부 형상을 갖고, 소정의 강도, 강성, 경량을 갖는 것이었다. 또한, 외면은 평활하고, 연마 등의 2차 가공은 극히 일부를 제외하고 필요하지 않았다. 또한, 단면 관찰에 의해 구한 보이드량은 0.5 %였다.
<실시예 2>
도 2에 나타낸 바와 같은 전방부 윈도우 개구부 (12), 좌측 도어 개구부 (13), 우측 도어 개구부 (14), 본네트 덮개 개구부 (15), 후방부 윈도우 개구부 (16) (도시하지 않음), 및 트렁크 덮개 개구부 (17)을 갖는 자동차의 FRP제 중공 모노코크 바디 (11)을 성형하기 위한 중공 코어 (고밀도 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지제)를 상기 자동차 본네트 주위, 전후면 윈도우 개구부 주위, 좌우 도어 개구부 주위, 트렁크 덮개 개구부 주위 및 자동차 외곽을 구성하는 외주 위치에 (FRP제) 프레임을 형성하기 위해 설치된, 상기 프레임을 형성하는 위치에 일치하는 볼록 형상 부분을 갖는 금속형을 사용하여 블로우 성형에 의해 제작하였다. 상기 중공 코어의 전체 길이는 약 4.5 m, 전체 폭, 전체 길이 모두 약 1.7 m, 전체 높이는 최고 중앙부가 약 1.4 m이고, 그 이외는 약 0.7 m 이다. 외피 두께는 1.5 내지 2.5 mm로 하였다. 또한, 코어 표면에는 자동차 윈도우나 도어 등의 개구부에 닿는 곳에만 폭 5 mm, 깊이 3 mm의 홈을 25 mm 피치로 둘레 방향 (상하 방향)으로 형성하였다. 또한, 상기 중공 코어에는 전방 바닥부에 압공 봉입용 개구부 (직경 12 mm)를 갖는다.
이어서, 상기 금속형의 볼록 형상에 의해 형성된 중공 코어의 오목형 홈에 상기 오목형 홈 형상과 동일 형상의 폴리스티렌제 폼 코어 (발포 배율이 20배이고, 주위에 수지 유동용 홈을 형성함) 주위에 탄소 섬유 강화 직물 (도레이(주) 제조 트레카·T70OS)과 유리 섬유 촙드(chopped) 스트랜드 매트 (니토 보세끼(주) 제조 MC300)를 각 1층씩 배치한 상태로 고정하고, 그 후 자동차 바닥용으로서 코어 바닥부에 탄소 섬유 강화 직물 (도레이(주) 제조 트레카·T70OS) 2층(상면)과 유리 섬유 촙드 스트랜드 매트 (니토 보세끼(주) MC450) 2층 (하면)으로 폴리스티렌제 폼 코어 (발포 배율이 10배, 두께가 6 mm이고, 상면을 제외한 각 면에는 수지 유동용의 폭 1 mm, 깊이 2.5 mm의 작은 홈을 형성)를 샌드위치 시킴으로써 도 18에 나타낸 바와 같은 구조를 이루도록 배치하고, 그 이외의 외표면 전체에는 평직형의 유리 섬유 기재 (니토 보세끼 제품, 로빙 크로스·WR570과 촙드 스트랜드 매트 MC380을 각 1층씩 가짐)를 주름이 생기지 않도록 피복시켰다. 기재에는 코어의 표면 형상을 확실히 따르도록 어느 정도의 장력을 부여하고, 또한 전방에 위치하는 본네트나 중앙 부근의 도어나 윈도우 및 후방의 트렁크 덮개에 맞닿는 코어의 몇군데 볼록부에 상기 기재가 올라 앉지 않도록 적절히 절단한 것을 조합하여 반경화형 에폭시 수지를 베이스로 한 기재 유지재를 기재들 및 (윈도우나 도어 부분 이외의) 코어 표면에 피복되어 있는 수지 유동용 망상 직포/이형용 직포 상에 분무하여 고정하였다.
각 기재는 미리 바깥 부분을 정리하여 예비성형하여 두지만, 바닥 이외의 상측 부분은 전후 방향으로 다분할되어 있으며, 각각에 대한 둘레 방향의 길이는 한 바퀴 미만으로 구성되고, 바닥면에서 바닥용 기재와 오버 랩 (중첩값=약 50 mm 이상)시켜 연결한 형태로 되어 있다.
이어서, 상기한 바와 같이 강화 섬유 기재를 배치한 수지제 코어를 도 7에 기재한 바와 같은 2분할 외형에 투입하지만, 상기 외형 성형면에는 미리 이형제를 도포한 후, 마무리 도장용 겔 코팅이 도포되어 있다. 그 이후에는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 주입 및 경화, 또한 탈형하여 외표면이 겔 코팅으로 마무리된 상품성 높은 FRP 성형체를 얻었다. 이 경우 사용한 수지는 속경화형의 에폭시 수지 (2관능 에폭시 수지와 아민계 경화제)이고, 상기 강화 섬유 기재의 코어 표면으로의 상승으로부터 수지 주입 및 탈형까지 요한 시간은 약 10분이었다.
그 후, 상기 FRP 성형체를 100 ℃의 오븐에 투입하고, 약 0.7 시간 유지하여 상기 FRP 성형체의 매트릭스 수지를 완전 경화시키고, 더욱 코어 내부를 감압하여 코어를 수축시킨 후 제거하고, 윈도우 및 도어 등은 개구 상태로 된 FRP제 자동차용 중공 모노코크 바디를 완성하였다.
제조된 상기 FRP제 중공 모노코크 바디는 설계한 대로 실용화하기 충분한 강도, 강성, 경량을 갖는 것이었다. 중공 FRP 구조체의 강화 섬유 체적 함유율은 56 % 내지 63 %이고, 단면 관찰에 의해 구한 각 부위의 보이드량은 최대 0.8 %였다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 중공 FRP 구조체의 문제를 해결하고, 수송 기기 및 각종 형상의 용기 등으로서 적합하게 사용할 수 있는 일체 구조를 가지며, 경량, 고강도, 고강성이라는 FRP의 특성을 최대한 살릴 수 있는 비회전 구조체 형상의 중공 FRP 구조체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
<발명의 개시>
상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명의 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 태양 중 하나는,
(A) 하나 이상의 개구부와 이 개구부의 최대 폭보다 큰 최대 폭의 공동부를내부에 갖는 본체부를 구비한 중공 단면을 가진 섬유 강화 수지 구조체로서,
(B) 상기 본체부는 강화 섬유에 합성 수지가 함침된 섬유 강화 수지로 구성되어 있음과 동시에,
(C) 상기 본체부는 공동부의 내부 최대 폭 (F)가 0.5 m 이상이고, 동시에 상기 개구부의 최대 폭 (f)에 대한 공동부의 내부 최대 폭 (F)의 비 (F/f)가 1.1 내지 500의 범위 내인 비회전체 형상을 하고 있으며,
(D) 또한, 상기 본체부는 그 전체가 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체이다.
본 발명의 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 다른 태양은,
(A) 복수개의 성형체로 구성되고,
(B) 그 중 하나 이상의 성형체는 하나 이상의 개구부와 내부에 공동부를 갖는 본체부를 구비함과 동시에 그 단면이 비회전체 형상을 한 구조체로서,
(C) 상기 본체부는 강화 섬유에 합성 수지가 함침된 섬유 강화 수지로 구성되어 있음과 동시에,
(D) 상기 본체부는 그 한군데 이상이 폐공간을 형성하여 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성된 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체이다.
본 발명에 따르면, 예를 들어 비행기, 자동차 등의 각종 수송 기기나, 복잡한 형상을 갖는 비교적 대형 용기에 유용한 중공 FRP 구조체를 효율적으로 저렴하게 또한 쉽게 제조할 수 있다.

Claims (43)

  1. (A) 하나 이상의 개구부와 이 개구부의 최대 폭보다 큰 최대 폭의 공동부를 내부에 갖는 본체부를 구비한 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체로서,
    (B) 상기 본체부는 강화 섬유에 합성 수지가 함침된 섬유 강화 수지로 구성되어 있음과 동시에,
    (C) 상기 본체부는 공동부의 내부 최대 폭 (F)가 0.5 m 이상이고, 동시에 상기 개구부의 최대 폭 (f)에 대한 공동부의 내부 최대 폭 (F)의 비 (F/f)가 1.1 내지 500의 범위 내인 비회전체 형상을 하고 있으며,
    (D) 또한, 상기 본체부는 그 전체가 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 본체부 내주면에 그 반경 방향으로 돌출한 볼록형 리브(rib)를 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 볼록형 리브는 내부에 코어재가 존재함과 동시에, 코어재 주위가 강화 섬유를 포함하는 스킨층으로 포위되어 있는 프레임 구조를 하고 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체부의 섬유 강화 수지에는 실질적으로 둘레 방향의 두 바퀴 이상에 걸쳐 연속되게 연장되는 강화 섬유를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 본체부에 폐공간을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 둘레 방향의 단면을 형성하고 있음과 동시에 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성되어 있는 부분은, 상기 본체부의 단부 또는 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  7. (A) 복수개의 성형체로 구성되고,
    (B) 그 중 하나 이상의 성형체는 하나 이상의 개구부와 내부에 공동부를 갖는 본체부를 구비함과 동시에 그 단면이 비회전체 형상을 한 구조체로서,
    (C) 상기 본체부는 강화 섬유에 합성 수지가 함침된 섬유 강화 수지로 구성되어 있음과 동시에,
    (D) 상기 본체부는 그 한군데 이상이 둘레 방향의 단면에 있어서 폐공간을 형성하고, 실질적으로 접합된 부위를 갖지 않는 일체 구조로 형성된 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 개구부는 복수개의 성형체로 이루어지는 구조체의 단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 구조체는 공동부의 내부 최대 폭 (F)가 0.51 m 이상이고, 동시에 상기 개구부의 최대 폭 (f)에 대한 공동부의 내부 최대 폭 (F)의 비 (F/f)가 1.1 내지 500의 범위 내인 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 구조체의 공동부에 면한 내면에 그 반경 방향으로 돌출한 볼록형 리브를 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 볼록형 리브는 그 내부에 코어재가 존재하며, 그 주위가 강화 섬유를 포함하는 스킨층으로 포위된 프레임 구조를 하고 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조체는 본체부가 외측에 위치하는 상기 스킨층과 내측에 위치하는 코어재를 포함하는 외피체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 구조체는 또한 상기 코어재 내측에 섬유 강화 수지를 포함하는 스킨층이 적층된 외피체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 코어재는 구조체의 반경 방향으로 연장되는 리브를 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  15. 제3항 내지 제6항 및 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어재는 발포체를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  16. 제3항 내지 제6항 및 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어재 표면에 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체부 내면의 적어도 일부에 내부착재가 설치되어 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 내부착재는 복수의 오목형 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, 폴리아릴레이트 섬유 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유는 12,000 내지 200,000개 범위 내의 단사들을 한다발로 한 탄소 섬유 다발을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체부는 보이드(void)량이 체적율로 2 % 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합성 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 본체부 외면에 피복층이 일체로형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  24. 제23항에 있어서, 피복층이 겔 코팅층인 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 기재된 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체를 그 일부에 갖는 것을 특징으로 하는 수송 기기.
  26. 적어도 다음 (A) 내지 (D) 공정을 순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법:
    (A) 단면이 비원형 단면 형상인 코어를 가대(架臺) 상에 배치하는 코어 준비 공정,
    (B) 상기 코어 표면에 일부 또는 전부가 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치하는 기재 배치 공정,
    (C) 상기 기재의 상부를 백(bag)으로 덮고 이 백 내부를 대기압보다 감압시키는 감압 공정,
    (D) 상기 강화 섬유 내에 합성 수지를 주입하고, 이 수지를 강화 섬유 기재의 면 방향으로 동일하게 확산시켜 기재 내에 함침시키는 합성 수지 함침 공정.
  27. 제26항에 있어서, 또한 전체를 50 내지 200 ℃의 온도 범위 내에서 경화시켜일체 성형하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  28. 적어도 다음 (A) 내지 (E) 공정을 순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법:
    (A) 단면이 비원형 단면 형상인 코어를 지지 가대 상에 배치하는 코어 준비 공정,
    (B) 상기 코어 외면에 일부 또는 전부가 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치하는 기재 배치 공정,
    (C) 상기 강화 섬유를 배치한 기재 외주를 외형(外型)으로 덮는 외형 배치 공정,
    (D) 상기 외형과 코어 사이를 감압하는 감압 공정,
    (E) 상기 강화 섬유 내에 합성 수지를 주입하고, 이 수지를 강화 섬유 기재의 면 방향으로 동일하게 확산시켜 기재 내에 함침시키는 합성 수지 함침 공정.
  29. 제28항에 있어서, 코어 외면의 적어도 일부에 시트형의 피복재를 덮고, 그 위에 일부 또는 전부가 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치한 후, 그 외주로부터 외형으로 피복하고, 그 후 이 외형과 코어 사이를 감압하여 상기 피복재를 외형 방향으로 팽창 또는 이동시킨 상태에서 합성 수지를 주입하고, 이 수지를 강화 섬유 기재 중의 면 방향으로 확산시킴으로써 강화 섬유 기재 내에 수지를 함침시키는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 코어 배치 공정 (A)에서 중공 형 코어를 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  31. 제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 코어 배치 공정 (A)에서 신축성 재료를 포함하는 코어를 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  32. 제28항, 제29항 또는 제31항에 있어서, 상기 코어 배치 공정 (A)에서 코어의 내부를 유체로 가압하여, 상기 코어를 외형 방향으로 팽창시키는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 코어 준비 공정 (A)에서 코어의 내부 가압용 유체가 압축 공기이고, 그 가압력이 0.049 내지 O.98 MPa (0.5 내지 1O kg/㎠G)의 범위 내인 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  34. 제26항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어 준비 공정 (A)에서 외면에 수지 통로 홈을 갖는 코어를 사용하고, 상기 홈으로부터 강화 섬유 기재 내에 합성 수지를 주입하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  35. 제29항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재 배치 공정 (B)에서 상기 피복재로 수지가 확산할 수 있는 수지 확산 매체를 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 수지 확산 매체에 망상물을 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  37. 제26항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어에 플라스틱, 고무재, 수용성 중합체재, 목질재 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  38. 제26항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조체들을 국부 진공 성형법에 의해 서로 접합하여 일체화하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  39. 제26항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재 배치 공정 (B)에서 강화 섬유로 이루어지는 기재를 배치할 때, 각 기재 사이 및(또는) 기재와 코어 사이에 기재를 유지하는 기재 유지재를 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  40. 제26항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 블로우(blow) 성형법에 의해 중공체에 성형된 코어를 사용하는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  41. 제26항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 일체 성형된 구조체로부터 코어를 제거하는 코어 제거 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  42. 제26항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 일체 성형된 구조체 내에 코어를 구조체와 일체화시켜 잔류시키는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
  43. 복수개의 성형체로 구성되고, 그 중 하나 이상의 성형체가 하나 이상의 개구부와 내부에 공동부를 갖는 본체부를 구비한, 단면이 비회전체 형상을 한 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법으로서,
    상기 성형체들을 접합할 때, 성형체들의 접합 부분을 넘도록 강화 섬유를 배치하고, 접합 부분을 강화 섬유 상에서 국부적으로 백으로 덮고, 그 후 백 내를 감압하여 수지를 주입하고, 함침시킴으로써 성형체를 서로 접합시키는 것을 특징으로 하는 중공 단면을 갖는 복수개의 섬유 강화 수지 구조체의 제조 방법.
KR1020017004013A 1998-09-30 1999-09-30 중공 단면을 갖는 섬유 강화 수지 구조체 및 그의 제조 방법 KR20010075455A (ko)

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