KR20030090755A - 복합 적층판을 한번의 작업으로 적층 및 성형하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 종이층이 개재되어 있는 한 쌍의 금속 스킨으로부터 비평면형 부품을 한번의 작업으로 적층 및 성형하는 방법은 다이 표면 사이에 균일한 압력을 유지시킨다. 적층/성형 공정 이전에 종이층을 탈기할 수 있다.

Description

복합 적층판을 한번의 작업으로 적층 및 성형하는 방법{METHOD FOR LAMINATING AND FORMING A COMPOSITE LAMINATE IN A SINGLE OPERATION}

박강판은 패널을 형성하는 데 널리 이용된다. 강성 등과 같은 필요한 구조적 특성은 특정 용례에 따라 다르다. 높은 강성도의 값을 필요로 하는 경우, 강의 두께는 대개 증대된다. 그러나, 박판강의 두께가 증대되면, 패널이 무거워질뿐만 아니라 가격이 상승된다.

지금까지 무게의 증대 또는 재료 비용의 실질적인 증대 없이 패널의 구조적 특성을 개량하는 수많은 기법이 이용되었다. 예컨대, 소리 약화 및 진동 감쇄가 필요한 용례에서는 고체 고분자 코어를 구비하는 박판강의 복합체가 사용되었다.

본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 "STRUCTURAL PANEL WITH KRAFT PAPER CORE BETWEEN METAL SKINS"란 제목의 미국 특허 제5,985,457호에는, 종이로 이루어진 개재(介在)층에 의해 금속 스킨이 분리되어 있고 상기 층에 금속 스킨이 접합되어 있는 적층판 구조인 구조적 패널이 개시되어 있다. 여기에 기술된 적층판은 비강성이 높다.

본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 "IMPROVED STRUCTURAL PANEL AND METHOD OF MANUFACTURE"란 제목의 미국 특허 제6,171,705호에는, 강철과 종이의 적층판을 제조하는 다양한 기술이 기재되어 있다. 본 발명은 성형 물품을 제조하기 위해 복합 적층판을 동시에 적층 및 성형하는 방법에 대한 몇가지 개선책을 제공한다.

본 발명은 적층판(laminate) 구조의 패널에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 경량의 복합 적층판 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 방법에 의해 형성된 적층판 물품의 단면도.

도 2는 한번의 작업으로 적층 및 성형되는 층들이 적재되어 있는 다이 프레스를 보여주는 도면.

도 3은 도 2에 도시된 다이 프레스의 닫힌 상태를 보여주는 도면으로서, 정합하는 다이 표면 사이에 일정한 간극이 유지되고 있는 것을 보여주는 도면.

도 4는 적층/성형 작업이 끝난 후에 도 2 및 도 3의 다이 프레스를 보여주는 도면.

본 발명의 한 가지 양태는 종이층의 대향면에 대해 얇은 강판을 접합하는 동시에 이들 층을 바람직한 형상으로 성형하는 방법을 제공한다. 다시 말해서, 한번의 작업으로 복합 적층판을 제조하고 소정 형성으로 성형하는 것이다.

한 가지 실시예에서, 본 발명의 방법은 적층/성형 공정 동안에 내부에 있는 휘발성 화합물이 기화하지 않도록, 적층/성형 이전에 수지 함침 종이층을 탈기하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 방법은 적층/성형 작업 동안에 수형 및 암형 성형 다이의 정합면 사이에 정확한 예정된 간극을 유지하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

한 가지 양태에서, 적층판 제조에 이용되는 상기 층은 판금이고, 각 판금 스킨은 두께가 약 0.005 인치 이상이며, 이 판금 스킨의 사이에는 종이층이 개재되고 판금 스킨에 종이층이 접합된다. 종이층에 접착성 수지가 함침되어 코어층을 스킨에 직접 접합할 수도 있고, 및/또는 코어 물질과 스킨 사이에 접착제층이 배치될 수도 있다.

이제 도면 중에서 도 1을 참조하면, 적층 및 성형되는 부품(20)은 금속 스킨(22)과 섬유질 개재 코어(24)를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 상기 부품(20)은 함께 기능 유닛을 형성하는 3개의 별개의 층을 구비한다. 이 기능 유닛의 특성은 본원에 보다 완전히 기술되는 바와 같이 그 개개의 요소의 특성보다 우수하다. 본원에서 부품(20)에 관하여 사용되는 것을 비롯한 "부품"이란 용어는 비평면형 물품을 의미하며, 다시 말해서 평판 이외의 기하 구조를 갖는 것을 의미한다[즉, 도 3에서 적재물(32)(stack)은 편평하고; 부품(20)은 비평면형이다]. 예시를 목적으로, 부품(20)은 모자 모양의 단면으로 도시되어 있다.

한 가지 바람직한 구조에서, 스킨(22)은 아연 코팅강으로 형성되는 것이 가장 바람직하고, 각 층(22)의 두께는 약 0.005 인치 이상이며, 바람직하게는 약 0.007 인치 내지 약 0.030 인치이고, 더 바람직하게는 약 0.005 인치 내지 약 0.012 인치이다. 한 가지 실시예에서, 섬유질 개재층(24)은 두께가 약 0.01 인치이상인 것이 바람직하고, 약 0.01 인치 내지 약 0.05 인치인 것이 더 바람직하다. 따라서, 한 가지 실시예에서 부품(20)의 전체 두께는 대개 약 0.024 인치 내지 약 0.110 인치이다. (3차원 부품을 2차원으로 표현한) 도면 중에서 도 1과 관련한 내용에서 설명한 치수를 갖고 상기 바람직한 층 두께를 갖는 부품은, 유사한 치수와 강성을 갖는 단일 강판으로 제조된 동일 부품의 중량의 약 30 내지 60%에 해당하는 중량을 갖는다.

이제, 도 1에 도시된 개개의 층을 상세히 설명한다. 언급한 바와 같이, 금속 스킨(22)은 편평하고 양면에 평탄한 표면을 구비한다. 스킨(22)을 형성하는 데 이용될 수 있는 금속은 강철, 알루미늄, 스테인레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 부품(20)이 가장 저렴하게 사용되는 특정 환경에서 충분한 구조적 특성과 (필요하다면) 내식성을 제공하는 금속이 가장 바람직하다. 아연 코팅 박판강이 가장 바람직하다.

당업자라면 아는 바와 같이, 강철은 함유된 탄소 및 그 밖의 요소의 양에 기초하여 여러 등급으로 나뉘어 진다. 이러한 등급은 크게 저탄소강, 중탄소강 및 고탄소강으로 기술될 수 있다. 본원에서 사용하기에 바람직한 것으로는 저탄소강 및 저탄소강의 미세 합금화된 고강도강(HSLA)이 있다. 본 발명에서 사용하기에 가장 바람직한 금속 스킨으로는 냉간 압연강, 아연 도금강, 주석 코팅강 및 스테인레스강이 있다. 스킨(22)의 외측면은 아연 도금 표면으로 이루어지고 스킨의 내측면은 접착을 위해 베어 메탈로 되어 있는 단면 아연 도금 시트를 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 한 가지 실시예에서는, 서로 다른 아연 코팅, 즉 내측면에는 경(輕)아연 코팅이 마련되고 외측면에는 중(重)아연 코팅이 마련되는 것이 바람직하다. 한 가지 실시예에서, 아연 코팅강은 표면이 아연으로 최종 두께까지 냉간 압연된 것이다.

층(24)은 섬유질 재료이다. 임의의 이론에 한정되는 것을 바라지는 않지만, 층(24)의 섬유질 특성은 층간 분리에 대한 저항성을 비롯한 부품(20)의 바람직한 특징에 도움이 될 수 있다고 고려된다. 본원에서 "섬유질"이란 용어는 본 발명에 관한 범위를 한정하지 않는 범위 내에서 시트 제품으로 형성될 수 있는 천연 섬유 또는 합성 섬유의 거의 동질적인 집합체를 의미하도록 사용된다.

본원에서 층(24)으로 사용하기에 가장 바람직한 섬유질 재료, 즉 섬유질 시트 중에서 특유한 것으로 고려되는 재료는 종이이다. 당업자라면 아는 바와 같이, 종이는 실질적으로 펄프 및 물의 묽은 현탁액을 통하여 비교적 얇은 시트로 형성되는 매트 구조 또는 펠트 구조의 섬유질 재료이다. 실질적으로 셀룰로오스 섬유로 이루어진다. 제지용 펄프는 목재 또는 그 밖의 식물 재료를 기계적으로 분쇄함으로써, (아황산염, 크라프트 또는 소다를) 화학적으로 가공함으로써, 그리고 면, 아마포 및 삼의 헝겊, 폐기물, 짚 등을 화학적으로 처리함으로써 제조될 수 있다.

본 발명에서는, 크라프트 공정을 이용하여 형성되는 종이가 가장 바람직하다. 당업자라면 (황산염 펄프 제조법 또는 알칼리법으로 지칭되는) 크라프트 공정에 의하면 물리적 강도와 크기가 큰 종이가 형성된다는 것을 알 것이다. 한 가지 바람직한 종이로는 사우스캐롤라이나 챨스톤에 소재하는 Westvaco에서 포화 크라프트 종이로 시판하는 것이 있다.

또한, 당업자라면 아는 바와 같이, 종이의 제조 중에 종이의 셀룰로오스 섬유가 대개 어느 정도 "기계 방향"으로 정렬되도록 제어된다. 본 발명에서는 적층판에 있어서 종이의 방향은 적층판의 강성 및 강도에 영향을 미치는 인자인 것으로 고려된다. 적층판의 굽힘의 중립축에 평행한 선이 크라프트 종이의 기계 방향인 적층판이 가장 바람직하다. 본원에 유용한 다른 부류의 섬유질 재료로는, 예컨대 매우 미세한 섬유를 방적한 후 열과 압력에 의해 결합시킴으로써 형성되는 고밀도 폴리에틸렌 섬유 등과 같은 플라스틱 섬유 종이가 있다.

본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에서, 층(24)은 수지 함침 섬유질 재료로서 마련된다. 층(24)이 크라프트 종이인 경우, 이 종이를 수지에 담근 후 건조시킨다. 본원에서 사용하기에 가장 바람직한 것은 페놀 수지 함침 크라프트 종이이다. 일부 용례에서는, 폴리에스테르 수지를 함침한 것도 적합할 수 있다. 종이에 수지를 함침하는 방법은 당업자에게 잘 공지되어 있다. 실제로, 바람직한 수지 함침 종이는 액체 페놀 수지에 기판 종이 웹을 담금으로써 형성된다. 일반적으로, 포화 함침 종이의 층은 하나의 반(半)경화 함침 종이층을 형성하도록 함께 적층된다. 그 밖의 함침 방법으로는 종이에 수지를 코팅하는 것과 분사하는 것이 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 수지는 수지 함침층(24)의 약 15% 내지 약 45%를 구성하지만, 특정 용례에서는 수지 함유층(24)에 관하여 전술한 범위를 초과하는 것이 적합하거나 바람직할 수 있다.

대개의 경우, 종이층(24)을 함침하는 데 열경화성 수지를 이용하는 것이 바람직하지만, 일부 용례에서는 열가소성 수지가 이용될 수 있다. 언급한 바와 같이열경화성 수지의 경우에는, 부품(20)을 성형하기 이전에 수지를 B-단계로 경화시키는 것이 일반적이지만, 후술하는 바와 같이 적층/성형 작업 이전에 함침 종이를 완전히 경화시킬 수도 있다. 페놀 수지의 경우, 수지는 적층 이전에 B-단계로 경화된다. 그 후, 프레스를 사용하여 스킨(22)과 함침 종이 코어(24)를 함께 적층시킬 때, 완전히 경화된다. 일부 용례에서는 경화제, 충전재 등과 같은 복수 개의 표준 첨가제를 수지에 포함시키는 것이 적절할 수 있다.

섬유질 층(24)의 수지 함침 여부와는 무관하게, 스킨(22)을 종이층(24)에 접합시키기 위해 접착제층을 이용하는 것이 바람직하거나 필요할 수 있다. 특정 용례에서, 에폭시, 페놀, 이소시아네이트, 폴리우레탄 및 핫-멜트를 비롯한 여러 접착제가 적합할 수 있다. 이러한 목적에 특히 바람직한 접착제로는 Ashland Chemical에서 "Arofene 1166"으로 시판하는 니트릴 페놀이 있다. 접착제는 여러 방법에 의해 종이층(24)이나 금속 스킨(22)에 또는 이들 모두에 직접 도포될 수 있다. 접합 완전성 및 내식성을 개량하기 위해, 복합 산화물 또는 인산 아연 등과 같은 화성 피복으로 강철을 미리 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 적층/성형 단계 이전에 수지 함침 종이층(24)을 적어도 부분적으로 탈기하는 추가 단계가 적층/성형 공정에 추가되어 있다. 수지 함침 종이층(24)은 유기 용제 등과 같은 다양한 휘발성 성분을 함유하는 것으로 이해된다. 또한, 종이층(24)의 수분 함량은 일반적으로 주위 습도 등과 같은 여러 인자에 따라 바뀐다. 본 발명에서, 수지 함침 종이층(24)의 용제 함량과 수분 함량의 총합은 적층 이전에 수지 함침 종이층(24) 중량의 약 5% 미만으로, 더 바람직하게는 수지 함침 종이층(24) 중량의 약 3% 미만으로 감소된다. 이와 같은 수지 함침 종이층(24)의 탈기 단계는 본 발명의 적층/성형 작업에 사용될 수도 있고, 전술한 계류 중인 미국 특허 출원에 기술된 편평한 복합 패널의 적층에 사용될 수도 있는 것으로 이해된다.

따라서, 적층/성형을 위한 적재물(32)을 준비하기 전에, 종이층(24)을 약 200℉ 내지 250℉에서 약 1 내지 5분 동안 가열한다. 물론, 이러한 온도 및 시간은 종이층(24)의 두께, 포함된 용제의 타입 및 용제와 물의 존재량에 따라 바뀔 수 있다. 이를 위해 복사열 오븐을 사용할 수 있다. 이와 같은 방식으로 종이층(24)을 스킨(22)에 적층하기 바로 전에 "건조"시키는 것이 바람직하지만, 적층 시에 용제/수분 함량이 상기 바람직한 범위에 있는 한, 본 발명의 목적은 충족될 것이다.

이제 도면 중 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여, 동시 적층/성형 방법을 기술한다. 프레스(28)는 유압 등과 같은 통상적인 방식으로 서로를 향하여 이동하는 성형 다이(30)를 포함한다. 성형 다이(30)는 열과 압력을 모두 적층판에 인가하여 수지를 경화시키고 층들을 결합시킬 수 있도록 가열 요소 등을 포함한다. 보다 구체적으로 말하면, 도 2에서 금속/종이/금속 적재물(32)은 성형 공동(34)을 구비한 다이(30) 상에 배치된 것으로 도시되어 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 층(24)의 페놀 수지는 프레스 작업 이전에 B-단계로 경화되어 있으며, 가열된 성형 다이(30)는 프레스 공정 중에 페놀 수지의 경화를 완료시킨다. 또한, 일부 용례에서는 종이층(24)과 금속 스킨(22) 사이에 접착제를 배치하는 것이 바람직할 수도 있다.

이제 도면 중 도 3을 참조하면, 프레스(28)는 적재물에 압력을 가하기 위해닫힌다. 이 때, 온도와 압력은 스킨(22)과 층(24)의 두께, 함침층(24)에 사용된 수지의 타입 및 만약의 경우 층(24)과 금속 스킨(22) 사이에 사용되는 접착제의 타입에 따라 폭넓게 바뀐다. 상기 사용 온도는 페놀 수지를 완전히 경화시키고 만약의 경우 접착제층을 확실히 접합시키기에 충분한 온도인 것이 가장 바람직하다. 페놀 수지 함침 종이의 경우, 상기 온도는 25 내지 800 psi, 더 바람직하게는 300 내지 500 psi의 프레스에서 약 350 ℉ 내지 400 ℉인 것이 바람직하다. 확실하게 접합된 적층판을 성형하기 위해서는, 일반적으로 상기 바람직한 온도 및 압력와 함께 15 내지 60 초의 시간이 필요하다. 즉, 열과 압력은 대개 전술한 범위 내의 기간 동안 인가된다. 전술한 바와 같이 용제/수분의 함량을 감소시키면, 스킨(22)과 종이층(24)의 계면을 따라 포켓이 형성되는 것을 방지하는 데 도움이 되며, 만약 포켓 형성이 방지되지 않는다면, 포켓은 접합 공정을 방해할 것이다.

본 발명에서, 다이(30)의 다이 표면(36) 사이는 정확하고 균일한 치수로 유지된다. 금속 성형에서는 대개 다이 표면 사이의 모든 접촉 영역에서 균일한 압력을 인가하는 것을 필요로 하지 않지만, 본원에 기술된 복합 부품의 동시 적층/성형 작업에서는 이와 같이 균일한 압력을 유지하는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다.

도 3에 잘 도시된 바와 같이, 갭(38)에 대한 공차를 정확하게 유지함으로써, 다이 표면(36)과 금속 스킨(22)의 주 표면 사이의 모든 접촉 영역에서 실질적으로 동일한 압력이 인가된다. 따라서, 갭(38)은 임의의 두 지점에서 선택된 바람직한 값으로부터 약 2% 이상 차이가 있어서는 안된다. 예컨대, 갭(38)의 공칭 폭이 1mm이라면, 공차는 ±0.02 mm 이하이어야 한다. 압력의 경우에는, 부품(20)의 2개의 영역에서 서로 10% 이상 차이가 나서는 안된다.

이제 도면 중에서 도 4를 참조하면, 다이(30)를 분리할 때, 부품(20)은 바람직한 비평면형 형상으로 적층(층들이 결합됨) 및 성형되어 있다. 그 후, 부품(20)을 공동(34)으로부터 분리할 수 있다.

본원에서는 본 발명의 특정 실시예가 도시되고 기술되었지만, 특히 당업자는 본 명세서의 내용을 미루어 보아 다양하게 변형시킬 수 있으므로, 본 발명은 물론 상기 특정 실시예에 한정되지 않는것으로 이해된다. 따라서, 이러한 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 모든 변형예는 첨부된 청구범위에 의해 보호되는 것으로 고려된다.

Claims (22)

1. 복합 부품을 성형하는 방법으로서,

   각각의 두께가 약 0.005 인치 이상인 한 쌍의 판금 스킨을 제공하는 단계와;

   복합 적재물(stack)을 형성하기 위해, 상기 판금 스킨 사이에 수지로 함침된 종이층을 접촉하게 배치하는 단계와;

   상기 적재물과 접촉하게 되는 하나 이상의 비평면형 표면을 구비하는 다이 프레스에 상기 적재물을 배치하는 단계; 그리고

   상기 스킨과 상기 종이층을 접합시키는 동시에 동일한 작업에서 상기 적재물로부터 비평면형 부품을 성형하기 위해, 충분한 시간 동안 상기 다이 프레스를 이용하여 상기 적재물에 균일한 압력을 인가하는 단계

   를 포함하는 복합 부품 성형 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 종이층은 휘발성 용제와 수분을 함유하고, 상기 종이층에 있는 상기 휘발성 용제와 수분의 함량을 감소시키기 위하여, 상기 금속 스킨 사이에 종이층을 배치하기 전에 종이층을 가열하는 단계를 더 포함하는 것인 복합 부품 성형 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 균일한 압력은 상기 적재물의 표면을 따라 취한 임의의 두 지점에서 10% 이상 차이가 나지 않는 것인 복합 부품 성형 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 다이 프레스의 대향하는 다이 표면 사이에는 간극이 존재하고, 이 간극의 폭은 균일하며, 이 균일한 폭은 상기 간극을 따라 취한 임의의 두 지점에서 약 2% 이상 차이가 나지 않는 것인 복합 부품 성형 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 종이층에 있는 휘발성 화합물과 수분의 총합량은 종이층 중량의 약 5% 미만으로 감소되는 것인 복합 부품 성형 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 판금은 냉간 압연강, 아연 도금강, 주석 코팅강 및 스테인레스강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부품 성형 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 종이층은 상기 판금 스킨에 접착제에 의해 접합되는 것인 복합 부품 성형 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 스킨의 각 두께는 약 0.007 인치 내지 약 0.030 인치인 것인 복합 부품 성형 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 종이층의 두께는 약 0.01 인치 이상인 것인 복합 부품 성형 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 종이층의 두께는 약 0.01 인치 내지 약 0.05 인치인 것인 복합 부품 성형 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 종이층과 각 스킨 사이에 접착제층이 더 마련되는 것인 복합 부품 성형 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 판금 스킨은 표면이 아연으로 냉간 압연된 아연 코팅강인 것인 복합 부품 성형 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 판금 스킨은 저탄소강의 미세 합금화된 고강도강으로 형성되는 것인 복합 부품 성형 방법.
14. 제2항에 있어서, 상기 판금은 냉간 압연강, 아연 도금강, 주석 코팅강 및 스테인레스강으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합 부품 성형 방법.
15. 제2항에 있어서, 상기 종이층은 상기 판금 스킨에 접착제에 의해 접합되는 것인 복합 부품 성형 방법.
16. 제2항에 있어서, 상기 각 스킨의 두께는 약 0.005 인치 내지 약 0.030 인치인 것인 복합 부품 성형 방법.
17. 제2항에 있어서, 상기 종이층의 두께는 약 0.01 인치 이상인 것인 복합 부품 성형 방법.
18. 제2항에 있어서, 상기 종이층의 두께는 약 0.01 인치 내지 약 0.05 인치인 것인 복합 부품 성형 방법.
19. 제2항에 있어서, 상기 종이층과 각 스킨 사이에 접착제층이 더 마련되는 것인 복합 부품 성형 방법.
20. 제2항에 있어서, 상기 판금 스킨은 표면이 아연으로 냉간 압연된 아연 코팅강인 것인 복합 부품 성형 방법.
21. 제2항에 있어서, 상기 판금 스킨은 저탄소강의 미세 합금화된 고강도강으로 형성되는 것인 복합 부품 성형 방법.
22. 제2항에 있어서, 상기 종이층은 복층인 것인 복합 부품 성형 방법.