KR20090086451A - 경량 성형편 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경량 성형품 및 상응하는 제조 방법에 관한 것이다. 경량 성형품은 매트릭스 소재(15)와 적어도 하나의 충전재 소재(10)를 구비하는 경량 복합 소재(10, 15)로 이루어지는 코어 영역(1); 섬유 소재(5)의 적어도 하나의 층과 상기 매트릭스 소재(15)를 구비하는 적어도 하나의 표면 또는 근접-표면 커버 층 영역(2a, 2b)을 구비하며; 상기 커버 층 영역(2a, 2b)의 섬유 소재(5)의 층(또는 층들)은 상기 코어 영역(1)의 상기 매트릭스 소재(15) 안으로 통합된다.

Description

경량 성형편 및 그 제조 방법{LIGHTWEIGHT MOULDED PIECE AND CORRESPONDING PRODUCTION METHOD}
본 발명은 경량 성형품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
경량 소재들(lightweight materials) 및 성형품들(moulded parts)은 오늘날 자동차 공학(automotive engineering), 항공기 건조(aircraft construction) 및 조선술(shipbuilding)과 같은 그러한 여러 기술 분야에서, 그리고 일반적으로 여객기(transport)에서 사용된다. 이들은 종래의 건조 소재들(construction materials)과 비교하여 저밀도(low density)는 물론 이들의 고강성(high rigidity), 내구력(strength) 및 에너지 흡수 용량(energy absorption capacity)에 의해 구별되며, 고하중 건조 엘리먼트(highly loaded construction elements)의 경제적인 생산을 허용한다. 1.0 kg/dm3 이하의 밀도를 가지며, 그의 밀도가 대부분의 현재의 플라스틱 소재들의 밀도보다 아래에 놓여있는 경량 소재들은 특별한 관심이 되고 있다.
가벼운 벌집모양 코어를 갖는 샌드위치 구조와 같은 그러한 종래의 경량 성형품들은 일반적으로 곡선모양으로 생산될 수 없다. 일반적으로 종이 또는 금속(얇은 시이트)을 접음으로써 또는 파형 구조로서 제조되는 샌드위치 코어들을 사용할 때 하나의 곡면을 갖는 샌드위치 엘리먼트들을 제조하는 것이 단지 가능하다.
이것은 유리 기포 강화 플라스틱(syntactic foam)으로 만들어진 다공질 소재(cellular materials) 또는 다공질 복합 소재로 이루어질 수 있고, 또한 제조될 다수의 곡면들을 갖는 샌드위치 엘리먼트를 허용하는 코어들(cores)과 함께 수정될 수 있다. 종래의 다공질 소재에서, 전단 강도(shear strength)는 압축 강도와 비교하여 매우 낮다. 이것은 전단력에 일반적으로 노출되는 샌드위치 건조물(sandwich constructions)에 대한 단점이다.
다공질 복합 소재(예를 들면, 폴리아미드 매트릭스내의 광물 포말 미립자(mineral foam granules))에서, 압축 강도에 대한 전단 강도의 비는 전형적으로 0.6이다. 알루미늄 포말에 대한 대응 값은 예를 들면 단지 0.15이다. 이 점에 대해서는, Rausch G.등, Foaminal® - Eigenschaftsubersicht - Konstruktionsrichtlinien - 버전 1.8, Fraunhoferinstitut fur Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung, 2005 를 참조하기 바란다. 이런 이유 때문에, 코어 소재로서 다공질 복합 소재를 갖는 샌드위치 구조는 경량 건조물(lightweight construction)에서 사용하기 위한 큰 가능성을 가진다. 완전한 가능성은 사용중 코어와 커버 층 사이의 연결 층에서 종종 손상(디라미네이션(delamination))이 일어나기 때문에, 접착제로 접합되거나 또는 그 위에 라미네이트된 커버 층들을 사용할 때 테이퍼질 수 없다는 것이다. 도7은 접착제로 접합되거나(폴리우레탄 접착제) 또는 통합된 커버 층들을 갖는 샌드위치 비임(sandwich beams) 상에서 3-점 굴곡 테스트(three-point flexural tests)를 행한 결과를 보여준다. 코어는 아크릴 수지에 파묻힌 유리 포말 입자를 갖는 다공질 복합 소재로 이루어진다. 커버 층의 통합은 접착제로 접합된 커버 층을 갖는 샌드위치 비임과 비교하여 200% 까지 샌드위치 비임의 강도를 증대시킨다.
본 발명의 목적은 더욱 강하고 더욱 안정된 경량 성형품이 제조될 수 있는 개선된 경량 성형품과 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 청구항 1에서 상세히 설명된 경량 성형품과 청구항 11에서 상세히 설명된 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 샌드위치 제조 절차에서 접착 또는 라미네이션 공정을 제거하고, 따라서 경량 건조물에서 경량 코어 소재, 예를 들면 다공질 복합 소재 또는 다른 유리 기포 강화 플라스틱의 가능성을 완전히 사용하는 것을 가능하게 하고, 그리고 경제적인 생산을 성취하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 코어 생산 공정에 커버 층 생산을 통합함으로써 코어 및 하나 또는 그 이상의 표면 또는 근접-표면 커버 층을 접착제로 접합하거나 또는 라미테이트하는 공정을 제거하는 사상에 기초하고 있다.
본 발명은 하나 또는 그 이상의 통합된 보강 커버 층을 갖는 경량 복합 소재로 만들어진 코어로 이루어지는 샌드위치 엘리먼트를 제공한다. 샌드위치 엘리먼트는 폭이 좁거나(샌드위치 비임) 또는 넓을 수 있다(샌드위치 패널). 이들은 평평하거나 또는 구부러질 수 있다(한번 또는 여러 번). 더욱이, 통합된 보강 외부 층 및 임의로 또한 통합된 보강 내부 층을 갖는 경량 복합 소재로 만들어진 코어로 이루어지는, 개방 프로파일 횡단면 또는 폐쇄(단세포 또는 다세포) 중공 횡단면을 갖는 새로운 형태의 경량 복합 프로파일이 또한 가능해 진다.
본 문서에서, 경량 복합 소재는 일반적으로 매트릭스 소재와 적어도 하나의 가벼운 충전재 소재(filler material)를 구비하는 소재를 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명에 따른 샌드위치 엘리먼트의 코어용 가벼운 복합 소재 또는 본 발명에 따른 경량 복합 프로파일은, 예를 들면, EP 1 188 730 A2 와 EP 0 851 808 B1에 기술된 바와 같이, 광물 포말 미립자에 기초한 플라스틱 접착 또는 금속 접착 경량 복합 소재와 같은 그러한 다공질 복합 소재로 이루어질 수 있다. 광물 포말 미립자에 기초한 유리 기포 강화 플라스틱과 같은 그러한, 플라스틱 소재 또는 금속 매트릭스 또는 다른 유리 기포 강화 플라스틱에서 중공 구체(hollow spheres) 또는 중공 미소 구체(유리, 세라믹 또는 금속)로 이루어지는 금속 포말 미립자 또는 복합 소재에 기초한 다공질 경량 복합 소재가 또한 가능하다.
충전재 소재에 따라 선택된 단량체 또는 중합체 점성률 (예를 들면 < 0.1-5 Pa)을 갖는 폴리아미드, 아크릴산염 또는 다른 플라스틱 소재는 또한 양호하게는 매트릭스 소재로서 사용될 수 있다. 알루미늄 또는 아연 용해물(zinc melt)과 같은 그러한 가벼운 금속 용해물은 금속 매트릭스를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 부피에 의한 가벼운 포말 미립자 또는 중공 구체의 비율(중공 구체내의 중공 공간의 체적을 포함)은 총 샌드위치 체적의 60% 까지 될 수 있다. 포말 미립자 또는 중공 구체는 샌드위치 두께에 따라, 0.5 mm 와 16 mm 사이의 직경을 가질 수 있다. 전형적인 직경 부분(diameter fractions)(종래의 입자-크기 분포 곡선)은 (1-2 mm), (2-4 mm) 및 (4-6 mm)이다. 포말 미립자의 밀도는 통상적으로 0.1 kg/dm3 와 1.0 kg/dm3 사이에 있다. 중공 구체의 전형적인 밀도는 0.1 kg/dm3 내지 0.9 kg/dm3 이다.
단일 층 또는 다층 섬유 건조물의 섬유는 일정한 방향으로 또는 상이한 방향으로 배열될 수 있다. 섬유 소재(fibre material)가 코어 영역의 매트릭스 소재에 통합되는 커버 층 영역의 두께는 통상적으로 샌드위치 건조물의 두께의 전체적으로 2 % 와 12 % 사이에 있다.
경량 복합 프로파일의 형태로 된 본 발명에 따른 샌드위치 엘리먼트는 낮은 무게에서의 높은 휨 강성(high flexural rigidity)과 높은 강도에 의해 구별된다. 수직 비임(straight beams)과 평평한 플레이트와 같은 그러한 단순한 샌드위치 형상은 물론, 한번 또는 여러번 구부러지는 프레임과 구부러진 비임과 같은 그러한 복잡한 형상이 제조될 수 있다. 종래의 다공질 소재(순수한 금속 또는 플라스틱 소재 포말)로 만들어진 코어를 갖는 샌드위치 엘리먼트와 비교하여, 다공질 경량 복합 소재를 갖는 본 발명에 따른 샌드위치 엘리먼트는, 특수한 미립자, 구체 또는 중공 구체 건조물 때문에, 비교적 높은 전단 강도를 가진다. 커버 층들의 버클링(buckling) 또는 크람플링(crumpling)과 같은 그러한 불안정성의 문제들은 일체로된 구조물에 의해 예방되거나 또는 보다 높은 레벨의 힘으로 변환될 수 있다. 특정한 높은 압축과 전단 강성 및 강도는 압축 및 전단력에 노출될 때 커버 층들의 압축을 감소시킨다. 그러므로, 새로운 형태의 건조물은 힘을 국부적으로 적용하는 데 유리하다. 상기 새로운 경량 복합 프로파일에서, 코어 소재의 지지 효과에 의해 뒤틀림이 예방될 수 있고, 따라서 경량 건조물의 품질이 개선될 수 있다. 완전히 충전된 프로파일은 물론, 폐쇄 및 개방 횡단면을 갖는 중공 프로파일이 제조될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 샌드위치 엘리먼트 및 경량 복합 프로파일은 그의 다공질 (주로 밀폐식-구멍이 있는) 구조 때문에 유리한 에너지 흡수작용 및 소리 흡수작용을 가진다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 통합된 보강 층을 갖는 다공질 복합 소재로 만들어진 샌드위치 엘리먼트와 다공질 복합 소재 및 통합된 보강 커버 층으로 만들어진 지지 코어를 갖는 경량 복합 프로파일이 제조될 수 있다. 샌드위치 엘리먼트와 경량 복합 프로파일에 요구된 고체이고 팽창가능한 커버 층은 코어 제조 공정 내에서 일체로 제조된다.
신장/압축력과 전단력의 전달을 위한 커버 층의 그 다음의 연결(예를 들면 접착)은 요구되지 않는다. 힘을 적용하거나 또는 지지하기 위한 샌드위치 건조물에 필요한 코너 커버, 에지 보호수단, 부착수단 및 보강수단은 또한 기술된 바와 같이 제조 공정에 통합될 수 있다.
기술된 샌드위치 엘리먼트는 전단력 굴곡 로드(shear force flexural load)를 지지하는 경량 건조물에 편리하게 사용된다. 이들은 예를 들면 항공기, 버스, 보트, 배 또는 자동차에서의 바닥재 또는 화물칸 바닥재(cargo bay flooring)일 수 있다. 밴 또는 픽업 트럭에서, 적재 플랫폼(loading platforms)과 드라이빙 캡(driving cab) 후방 벽은 기술된 샌드위치 건조물과 함께 편리하게 형성될 수 있 다. 건조물의 분야에서, 기술된 샌드위치 엘리먼트는 이중 바닥(예를 들면 컴퓨터실의 상부 바닥)에 대해 또는 경량 칸막이 벽, 경량 커버 엘리먼트, 또는 도어 및 게이트로서 사용될 수 있다. 항공기 건조 또는 조선술에서, 칸막이(예를 들면, 압력 돔(pressure domes))는 기술된 건조물과 함께 샌드위치 엘리먼트의 형태로 제조될 수 있다. 자동차 공학에서, 기술된 샌드위치 건조물은 예를 들면 부트(boot)의 바닥으로서 또는 시트의 후방 열(back row)의 등받이를 위해 하부 구조(undercarriage)에서 사용될 수 있다. 뒷자석의 등받이는 분할될 수 있고(예를 들면, 3분의 1 내지 3분의 2), 이것은 특히 3-점 시트벨트가 중간 시트에 대해 사용되어야 한다면, 매우 높은 전단력 굴곡 로드를 야기한다. 다른 높은 전단력 로드는 부트로 부터 무거운 수화물의 한 부분이 뒷좌석의 등받이에 부딪힐 경우 충돌상태에서 일어난다. 이 경우에, 기술된 샌드위치 엘리먼트의 높은 에너지 흡수는 높은 굴곡 강성과 굴곡 강도와 마찬가지로 중요하다. 이러한 잇점은 또한 밴, 화물자동차, 또는 캐러밴(caravan)(충돌의 경우 화물로부터 승객을 보호함)의 후방 벽의 영역에서 샌드위치 엘리먼트를 사용할 경우에 적용된다.
기술된 샌드위치 엘리먼트는 스케이트보드, 스키 또는 스노우보드와 같은 그러한 레저 산업용 경량 성형품이, 특히 충격 하중에 관하여 (예를 들면 주거지역에서 스케이트보드를 타기 위한 노이즈 보호수단), 더욱 유리한 기계 및 방음 특성을 가지도록 제조되는 것을 가능하게 한다. 더 이상의 적용 분야는 가구 산업이다. 이 경우에, 샌드위치 엘리먼트는 (예를 들면 부엌과 작업장에서) 가볍고, 견고하고 강한 테이블 상판 또는 작업대 표면으로서 사용될 수 있다.
에지 밴드 또는 에지 보호수단 또는 코너 보호수단의 형태로 된 적어도 하나의 측면 커버 층 영역은 양호하게는 경량 성형품상에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 힘 적용 엘리먼트(코어 영역의 국부적인 보강재)는 양호하게는 경량 성형품상에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 구조적인 부품 부착수단(중앙 또는 코너 부착수단)은 양호하게는 경량 성형품상에 제공될 수 있다.
기술된 경량 복합 프로파일은 양호하게는 전단력 굴곡 하중 및/또는 압축 하중에 노출된 경량 건조물에서 사용될 수 있다. 이 경우에, 가벼운 지지 코어는 경량 구조물의 버클링(buckling)을 예방한다. 따라서, 경량 건조물의 더욱 높은 품질은 같은 무게의 얇은 벽으로 둘러싸인 단일구조물 또는 완전히 충전된 프로파일과 함께 성취될 수 있다. 기술된 경량 복합 프로파일은 승용차 또는 상용차의 수동적인 안전을 개선하기 위해 크래쉬 엘리먼트(crash elements) (예를 들면 승용차의 전방 영역에 또는 상용차의 전방 영역에 있는 클래쉬 박스(crash box))로서 사용될 수 있다.
청구항 1에서 상세히 기술된 경량 성형품과 청구항 14에서 상세히 기술된 제조 방법의 양호한 발전과 개선은 종속 청구항들에서 발견될 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예들은 첨부 도면에 도시되어 있고 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량 성형품의 도식적인 횡단면도이다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중공 프로파일(hollow profile)의 형태로 된 경량 성형품의 도식적인 횡단면도이다.
도3a 내지 도3d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 경량 성형품의 생산 방법을 예시하는 도식적인 사시도이다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 경량 성형품의 생산 방법에 대한 변형된 몰드를 예시하는 사시도이다.
도5a 내지 도5c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 경량 성형품의 생산 방법을 예시하는 도식적인 사시도이다.
도6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 경량 성형품의 생산 방법에 대한 몰드를 예시하는 사시도이다.
도7은 접착제로 접합되고 통합된 커버 시트(cover sheets)를 각각 갖는 샌드위치 비임상에 대한 3-점 굴곡 테스트의 결과를 도시하는 도면이다.
도면에서, 같은 참조 숫자들은 동일하거나 또는 기능적으로 동일한 구성요소들을 표시한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 경량 성형품의 도식적인 횡단면도이다.
도1에서, 참조 숫자 100은 매트릭스 소재(15)와 충전재 소재(10)를 구비하는 경량 합성 소재(10, 15)로 만들어진 경량 성형품을 표시한다. 본 실예에서, 충전재 소재(10)는 예를 들면 4mm 와 6mm 사이의 직경을 갖는 중공 구체 또는 포말 미립자로 이루어지고, 한편 매트릭스 소재는 경화된 폴리아미드계 플라스틱 소재이다. 도 면을 단순화하기 위해, 도1은 단순히 코어 영역(1)의 점선으로 둘러싸인 부분(AS)을 도시한다. 게다가, 경량 성형품(100)은 제1 상부 표면 커버 층 영역(2a)과 제2 하부 표면 커버 층 영역(2b)을 구비하며, 이들의 각각은 코어 영역의 매트릭스 소재(15)의 안으로 통합된 섬유 소재(5)를 구비한다. 이 경우에, 도1에서 점선은 코어 영역의 가상의 경계선을 나타내며 충전재 소재(10)가 이곳까지 연장한다. 충전재 소재(10)의 직경과 섬유 소재(5) 때문에, 어떠한 충전재 소재(10)도 커버 층 영역(2)에 존재하지 않고, 매트릭스 소재(15)만 코어 영역(1)으로부터 커버 층 영역(2)까지 모든 범위에서 일체로 연장한다.
단일의 표면 커버 층 영역(2a 또는 2b) 또는 더 이상의 부가적인 측면 커버 층 영역들이 또한 가능함을 물론이다.
도1의 샌드위치형 경량 성형품(100)은 이 실예에서 4변형 횡단면을 갖는 좁거나 또는 넓은, 평평하거나 또는 구부러진 엘리먼트(element)이다. 도3a 내지 도3d를 참조하여 아래에서 더 이상 설명되는 제조 공정에서 그의 특별한 형상이 제공된다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중공 프로파일의 형태로 된 경량 성형품의 도식적인 횡단면도이다.
도2에 따른 경량 성형품(200)은 중공프로파일, 즉 관형상의 구조의 형태로 이루어지며, 참조 부호 A는 외부를 나타내고 참조 부호 I는 튜브의 내부를 나타낸다. 이 실시예에서, 외부 전체의 섬유 보강 커버 층 영역(2a)은 외부(A)에 대한 경계선으로서 제공되고, 내부 섬유 보강 커버 층 영역(2b)은 내부(I)에 대한 경계선 으로서 제공된다. 코어 영역(1)은, 항목 AS'에서 도시된 바와 같이, 도1에서의 경량 성형품의 코어 영역에 대응한다.
단일 표면 커버 층 영역(2a 또는 2b) 또는 더 이상의 부가적인 단부 표면 커버 층 영역이 또한 가능함은 물론이다.
도3a 내지 도3d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 경량 성형품에 대한 제조 공정을 예시하는 도식적인 사시도이다.
도3a에서, 참조 부호 20은 중앙 리세스(22)와 정렬 핀(21)을 갖는 몰드 리드(mould lid)의 형태로 된 성형품을 나타낸다. 제1 공정 단계에서, 제1 커버 층 영역에 대한 섬유 소재(5)의 필수적인 층 또는 층들(예를 들면, 부직포 소재(non-woven materials), 밴드(bands), 니트 소재(knitted materials), 니트 직물(knitted fabrics), 탄소, 유리, 아라미드(aramid) 또는 금속 섬유들로 이루어진 접착 소재(bonded materials) 또는 직포 소재(woven materials), 또는 다른 섬유들)은 수평으로 위치된 성형품(20)에 적용되고, 섬유 소재(5)의 층 또는 층들은 리세스(22)위에서 팽팽하게 배치된다. 리세스(22)는 전형적으로 나중에 도입될 매트릭스 소재로 섬유 소재(5)의 층을 훌륭하게 커버하도록 0.1 내지 0.5 mm 의 일정한 깊이를 가진다.
도3b를 계속해서 참조하면, 섬유 소재(5)의 층 또는 층들은 화살표 F의 방향으로 팽팽하게 배치되며, 환상 구조로 된 스텐터링 프레임(stentering frame)(30)이, 중앙 관통 호울(32), 정렬 호울(31), 충전재 소재용 충전 구멍(33), 및 통합된 그레이팅(integrated grating)(36)을 가지며 커버 리드(cover lid)(도시되지 않음) 가 적용될 수 있는 매트릭스 소재용 게이트(35)와 함께 부착된다.
임의적으로, 하나 또는 그 이상의 블리더(bleeders)는 수평으로 배치된 성형품(20)과 섬유 소재(5)의 층 또는 층들 사이에 놓여 질 수 있다.
충전재 소재용 충전 구멍(33)은 또한 나중에 매트릭스 소재를 주입할 때 그 후에 추출 또는 탈기 구멍(de-airing opening)으로서 작용한다. 게이트(35) 안으로 통합된 그레이팅(36)은 나중에 추가될 충전재 소재(예를 들면, 미립자 또는 중공 구체)를 보유하도록 작용한다. 적용될 커버 리드(cover lid)는 충전재 소재가 추가되기 전 스텐터링 프레임의 관련된 측면을 완전히 밀봉한다. 충전 구멍(33)은 흡입 수단에 부착될 수 있다.
스텐터링 프레임(30)은 성형품(20)의 타일 정렬 핀(21)이 스텐터링 프레임(30)의 정렬 호울(31) 안으로 도입되어 두 부분들이 서로 가압되는 그러한 방식으로 부착된다. 성형품(20)상에 배치되어 그곳에 대해 가압되는 스텐터링 프레임(30)은 적당한 클램핑 연결(clamping connections)(도시되지 않음)(예를 들면, 클립, 클램프 또는 스크류)에 의해 그곳에 더욱 안전하게 연결될 수 있고, 따라서 섬유 소재(5)의 층의 편향이 장착 공정의 나머지 동안 유지된다.
상술한 성형품(20)과 동일한 몰드 리드(mould lid)의 형태로 더 이상의 성형품(40)상에 섬유 소재의 더 이상의 층을 임의로 적용하고 팽팽하게 배치한 후, 리세스와 함께 또는 리세스 없이 섬유 소재의 더 이상의 층 또는 더 이상의 층들의 사용에 따라 제공되는 제2 성형품(40)은 다른 측면으로부터 스텐터링 프레임(30)상에 배치되고, 그곳에 대해 가압되고, 그리고 클램프되며, 이것은 스텐터링 프레 임(30)에 대한 성형품(20)의 연결에 대해 유사하게 일어난다.
도3c에 도시된 바와 같이, 성형품들(20, 40)과 그 사이에 클램프된 스텐터링 프레임(30)으로 이루어지는 완성된 몰드의 조립 후, 충전재 소재는 상향으로 정렬된 충전 구멍(33)을 통해 완성된 몰드의 안으로 주입된다. 본 실예에서, 충전재 소재(10)는 중공 구체(예를 들면, 유리, 금속 또는 세라믹) 또는 포말 미립자로 이루어진다. 충전 공정은 예를 들면 기울이기 또는 흔들기에 의해 촉진될 수 있다. 완성된 몰드(20, 30, 40)가 완전히 충전되면, 더 이상의 그레이팅(38)(게이트(35)의 그레이팅과 유사함)이 충전 구멍(33) 안으로 삽입되고, 그 후 벌집모양 지지부재(support honeycomb)(39)가 충전 구멍(33) 안으로 삽입된다.
그레이팅(38)과 벌집모양 지지부재(39)는 침투중에 일어나는 부양력(lifting forces)을 보상하고, 및/또는 다이캐스팅 공정(diecasting process)에서 일어나는 압력을 보상하기 위해 제공된다. 다음의 공정 단계에서, 충전 구멍(33)은 진공 펌프(P)에 부착되거나 또는 통풍 리드(ventilation lid)로 커버된다.
그 후에, 액체 매트릭스 소재(15)는 그레이팅(36)을 통해 게이트(35)를 거쳐 (기포 형성을 피하기 위해) 아래로부터 도입된다. 매트릭스 소재(15)로 성형품(20, 30, 40)을 충전함으로써 충전재 소재(10)와 섬유 소재(5)의 층 또는 층들로 이루어지는 필름이, 예를 들면, 캐스팅 폴리아미드(casting polyamide) 또는 다성분 아크릴 수지(multi-component acrylic resin) 또는 다른 유기 시스템(organic system) 또는 금속 용해물(metal melt)인 매트릭스 소재로 침투될 수 있다.
매트릭스 소재(15)는 그 후에 중합되어 응고된다.
매트릭스 소재(15)가 완전히 응고된 후, 디몰딩(demoulding) 및 마무리 공정들(finishing processes)-선택적으로 돌출된 섬유 소재(5)를 성형하기 위해 커팅하거나 또는 연마하는 것-이 일어난다.
측면들에서 돌출하는 섬유 소재는 또한 몰딩 공정 이전에 적절한 트리밍(trimming) 또는 폴딩(folding)에 의해, 또는 스티칭 공정(stitching process)으로 예방될 수 있다.(포지티브 또는 소재 연결을 통해 고정하는 것이 또한 가능하다.) 섬유들의 돌출 문제는 또한 근접-네트-형상 샌드위치 패널(near-net-shape sandwich panel)을 갖는 에지 밴드(edge band)를 그 후에 적용함으로써 해결될 수 있다. 큰 샌드위치 패널들을 생산할 때, 측면들에서 돌출하는 섬유들이 또한 그것에 의해 제거되는 그러한 방식으로 더 작은 패널들이 그곳으로부터 절단될 수 있다.
샌드위치 엘리먼트들의 비용효율이 높은 생산을 위해, 상기 공정 단계들은 로봇 또는 유압 시스템을 사용하여 자동화될 수 있다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 경량 성형품의 제조 방법을 위한 변형된 몰드를 예시하는 사시도이다.
도4에 도시된 실시예에서, 정렬 호울(31')과 중앙 관통 호울(32')을 갖는 멀티-파트 스텐터링 프레임(multi-part stentering frame)(30')은 도3b의 싱글-파트 스텐터링 프레임(single-part stentering frame)(30) 대신에 사용된다. 멀티-파트 스텐터링 프레임(30')은 클램핑 연결(도시되지 않음)을 통해 상호 단단하게 연결되는 4개의 측면 부분들(30'a, 30'b, 30'c 및 30'd)을 포함한다.
도4에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 형태의 멀티-파트 스텐터링 프레임(30')은 섬유 소재(5)의 층들이 그 다음의 샌드위치 건조물의 측면 표면들 속으로 통합되는 것을 허용하고, 그의 층들은 예를 들면 샌드위치 건조물에 대한 에지 보호수단으로서 작용한다. 클램핑 연결은 또한 클립 또는 스크류를 사용하여 형성될 수 있다.
도5a 내지 도5c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 경량 성형품의 제조 방법을 예시하는 도식적인 사시도이다.
특히, 도5a 내지 도5c는 도3a 내지 도3d를 참조하여 상세히 설명된 방법의 특정한 예시적인 적용, 즉 스케이트보드 또는 스노우보드에 대한 성형품의 제조를 도시한다.
도5a를 참조하면, 스케이트보드의 나중의 샌드위치 두께에 대응하는 리세스(61)를 구비하는 하부 몰드 반쪽부분(60a)이 준비된다. 도3a 내지 도3d의 완전한 몰드와 유사하게, 하부 몰드 반쪽 부분(60a)은 게이트(62)와 충전 구멍(64)을 구비한다. 섬유 소재(5)의 제1 층은 리세스(61)내에 놓여진다. 섬유 소재(5)의 제1 층은 기계적으로 또는 접착제를 사용하여 팽팽하게 배치될 수 있다. 임의적으로, 섬유 소재의 층은 리세스(61)의 가장자리들 상에서 에지 밴드 또는 에지 보호수단으로서 적용될 수 있다.
도5b에서, 제2 몰드 반쪽부분(60b)이 준비되어 있고, 그 위에 스케이트보드의 상부 커버 층을 위한 섬유 소재(5)의 층이 준비되어 있고, 이 층은 클램핑 블록(63)을 사용하여 클램프될 수 있다. 임의적으로, 상부 몰드 반쪽부분(60b)은 또 한 섬유 건조물이 철저하게 매트릭스 소재에 의해 커버되도록 섬유 소재(5)의 층을 위한 함몰부분(depression)을 구비할 수 있다.
도5a 및 도5b의 두 개의 몰드 반쪽부분(60a, 60b)을 준비한 후, 상부 몰드 반쪽부분(60b)은 1800 를 통해 회전되고 하부 몰드 반쪽부분(60a)상에 정확하게 정렬되고 배치되어 예를 들면 나사결합에 의해 그곳에 단단하게 연결된다. 도5c에 도시된 바와 같이 완전한 몰드(60a, 60b)의 조립 후, 충전재 소재(10)는 충전 구멍(64)을 통해 추가될 수 있고, 그 후에 매트릭스 소재(15)는 도3a 내지 도3d와 관련하여 상세히 도시된 바와 같이, 게이트(62)를 거쳐 아래로부터 도입될 수 있다.
도6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 경량 성형품의 제조 방법을 위한 몰드를 예시하는 사시도이다.
도2에 따른 중공 프로파일의 형태로 된 경량 성형품의 제조 방법은 도6을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
첫째로, 섬유 소재(5)의 외부 층은 몰드 베이스 플레이트(mould base plate)(70a)에 부착된 몰드 반쪽부분들(70b, 70c)의 벽에 적용되고, 팽팽하게 배치되고, 그리고 고정된다. 몰드 반쪽부분들(70b, 70c)은 도6의 도면에서 부분적으로만 도시되며 실제로 주위의 모든 범위에서 연장하도록 몰드 베이스 플레이트상에 제공된다.
더욱이, 섬유 매트릭스(5)의 내부 층은 캐스팅 코어(casting core)(80)에 부착될 수 있고 캐스팅 코어는 몰드 베이스 플레이트(70a)상에 장착된다. 이러한 방 식으로, 중공 프로파일은 몰드 반쪽부분들(70b, 70c)과 캐스팅 코어 사이에서 만들어진다.
캐스팅 코어(80)가 장착된 후, 중공 프로파일은 충전재 소재(10), 예를 들면, 광물 포말(mineral foam) 또는 유리 포말(glass foam) 또는 금속 포말(metal foam) 미립자들로 충전되고, 이것은 흔들어 섞어줌으로써 촉진될 수 있다. 그 후에, 도6에 도시된 몰드(70a, 70b, 70c)의 상부 표면은 진공 흡입 수단과 함께 그레이팅(grating)(도시되지 않음), 임의의 천공된 중간 플레이트(perforated intermediate plate) 및 커버 리드(cover lid)(70d)로 밀봉된다. 몰드(70a, 70b, 70c, 70d)는 다음에 충전재 소재(10)와 섬유 소재(15)의 내부 및 외부 층이 침투되는 그러한 방식으로, 액체 매트릭스 소재, 예를 들면, 플라스틱 소재(단량체 또는 중합체) 또는 금속으로 아래로부터 충전된다. 공기는 개략적인 커버 리드(70d)의 구멍을 통해 그리고 그곳에 부착된 진공 펌프에 의해 배출되도록 허용된다. 이 경우에 통합된 그레이팅 및 임의의 천공된 중간 플레이트는 다이캐스팅 방법의 부양력 또는 압력을 방해하기 위해 충전재 소재(10)를 고정시키는 작용을 한다.
중합 및 응고 후, 코어의 추출을 포함하는 디몰딩(demoulding)과 마무리 공정(임의로 돌출한 섬유들을 트리밍하는 공정)이 일어난다.
캐스팅 고어(80)의 보다 간단한 추출을 위해(냉각중 캐스트 부분의 열 수축), 상기 코어는 임의로 쪼개어지도록 만들어질 수 있다. 파괴된 코어(lost cores)는 또한 사용될 수 있다. 파괴된 코어는 예를 들면 흔들어서 내보내 지거나, 용해되어서 내보내 지거나 또는 세척해서 내보내 질 수 있다.
도7은 접착제로 접합된 커버층들(I로 표시된 두 라인)과 통합된 커버 층들(II로 표시된 두 라인)을 갖는 샌드위치 비임(sandwich beams)상에서 3-점 굴곡 테스트를 한 것을 보여준다. 코어는 아크릴 수지 내에 파묻힌 유리 포말 미립자들(glass foam granules)을 갖는 다공질 복합 소재(cellular composite materials)로 이루어진다. 커버 층의 통합은 접착제로 접합된 커버 층들을 갖는 샌드위치 비임과 비교하여 200%까지 샌드위치 비임의 강도를 증대시킨다.
비록 본 발명이 양호한 실시예에 의해 상술되었지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니고 다양한 방법으로 변형될 수 있다.
비록 상술한 실시예에서 하나 또는 두 개의 커버 층 영역들이 도시되었지만, 본 발명에 따른 경량 성형품은 모든 원하는 수의 커버 층 영역들을 구비하거나 또는 단일의 커버 층 영역에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다.

Claims (25)

  1. 경량 성형품에 있어서,
    경량 복합 소재(10, 15)로 이루어지며 매트릭스 소재(15)와 적어도 하나의 충전재 소재(10)를 구비하는 코어 영역(1);
    섬유 소재(5)의 적어도 하나의 층과 상기 매트릭스 소재(15)를 구비하는 적어도 하나의 표면 또는 근접-표면 커버 층 영역(2a, 2b)을 구비하며;
    여기서 상기 커버 층 영역(2a, 2b)의 섬유 소재(5)의 층 또는 층들은 상기 코어 영역(1)의 상기 매트릭스 소재(15) 안으로 통합되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 소재(5)는 밴드 또는 부직포 소재 또는 직포 소재 또는 접착 소재 또는 니트 직물 또는 니트 소재를 구비하는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섬유 소재(5)는 다음의 직물 형태들: 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 금속 섬유들 중의 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경량 복합 소재(10, 15)는 충전재 소재(10)로서 광물 포말 또는 유리 포말 미립자들과 함께, 플라스틱 소재 매트릭스 소재에 의해 접합되거나 또는 금속 매트릭스 소재에 의해 접합된 다공질 복합 소재인 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경량 복합 소재(10, 15)는 충전재 소재(10)로서 유리 및/또는 세라믹 및/또는 금속으로 만들어진 중공 구체 또는 중공 미소 구체와 함께, 플라스틱 소재 매트릭스 소재에 의해 접합되거나 또는 금속 매트릭스 소재에 의해 접합된 다공질 복합 소재인 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경량 복합 소재(10, 15)는 금속 포말 미립자들에 기초한 다공질 복합 소재인 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경량 복합 소재(10, 15)는 유리 기포 강화 플라스틱(syntactic foam)에 기초한 다공질 복합 소재인 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    단세포 또는 다세포 밀폐 프로파일 또는 모두 개방된 프로파일을 구비하는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 외부 커버 층 영역(2a) 및/또는 제2 내부 커버 층 영역(2b)이 제공된 관형상 프로파일(tubular profile)을 구비하는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전재 소재(10)의 내부 중공 공간을 포함하여, 부피로 상기 충전재 소재(10)의 비율은 40%와 60% 사이인 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  11. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전재 소재(10)의 내부 중공 공간을 포함하여, 부피로 상기 충전재 소재의 비율은 30%와 50% 사이인 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전재 소재(10)는 상기 코어 영역(1)에만 존재하는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전재 소재(10)는 상기 코어 영역(1)에 그리고 또한 상기 커버 층 영역(2)에 존재하는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  14. 경량 성형품의 제조 방법에 있어서,
    제조될 상기 경량 성형품의 상기 외부 윤곽에 대응하는 중공 공간을 갖는 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d)를 준비하는 단계;
    제조될 상기 경량 성형품의 표면 또는 근접-표면 커버 층 영역(2a, 2b)에 대응하는 섬유 소재(5)의 적어도 하나의 층을, 상기 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d)의 상기 중공 공간에 적용하는 단계;
    충전재 소재(10)를 상기 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d)의 상기 중공 공간 속으로 흔들어서 넣는 단계;
    상기 섬유 소재(5)의 상기 층 또는 층들과 상기 충전재 소재(10)로 이루어지는 상기 충전부(fill)가 침투되는 그러한 방식으로 경화성 액체 매트릭스 소재(15)로 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d)의 중공 공간을 충전하는 단계;
    상기 매트릭스 소재(15)를 경화하고, 상기 커버 층 영역(2a, 2b)의 섬유 소재(5)의 상기 층 또는 층들이 상기 코어 영역(1)의 상기 매트릭스 소재(15)에 통합되고, 상기 경량 성형품의 형성을 안내하는 단계; 그리고
    상기 형성된 경량 성형품을 디몰딩(demoulding)하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d)는 다수의 부분들로 이루어지고 섬유 소재(5)의 적어도 한 층은 상기 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d)가 조립되기 전 적용되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d, 80)는 제1 및 제2 구멍(33, 35; 33', 35'; 62, 64)을 가지며, 그 중의 하나는 충전재 소재(10)로 중공 공간을 충전하기 위해 사용되고 다른 하나는 매트릭스 소재(15)로 중공 공간을 충전하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  17. 제14항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제조될 상기 경량 성형품의 상기 내부 윤곽에 대응하는 캐스팅 코어(80)는 상기 몰드(70a, 70b, 70c, 70d)의 중공 공간으로 도입되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    제조될 상기 경량 성형품의 더 이상의 표면 또는 근접-표면 커버 층 영역(2a, 2b)에 대응하는 섬유 소재(5)의 적어도 한 층은 캐스팅 코어(80)상에 적용되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  19. 제14항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 디몰딩 공정후, 마무리 공정은 돌출한 섬유 소재(5)를 트리밍 또는 그라인딩 하는 형태로 일어나는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  20. 제14항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서,
    중공 미소 구체(hollow microspheres)가 충전을 하기 전 상기 액체 매트릭스 소재(15)의 안으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    어떠한 육안으로 보이는 미립자(macroscopic granules) 또는 중공 구체도 사용되지 않는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  22. 제14항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 블리더(bleeders)가 상기 몰드(20, 30, 40; 60a, 60b; 70a, 70b, 70c, 70d, 80)와 섬유 소재(5)의 층 또는 층들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품의 제조 방법.
  23. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 측면 커버 층 영역은 에지 밴드(edge band) 또는 에지 보호수단(edge protection) 또는 코너 보호수단(corner protection)의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  24. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 힘 적용 엘리먼트(force application element)가 제공되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
  25. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 구조적인 부품 연결장치(structural component attachment)가 제공되는 것을 특징으로 하는 경량 성형품.
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