KR20110004357A - 다층의 가요성 평면 재료 - Google Patents

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트랜스-텍스틸 게엠베하
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Abstract

본 발명은 섬유 복합-반제품으로 이루어진 섬유 보강된 플라스틱 부품을 제조할 때에 매트릭스-공급 챔버를 제한하기 위한 다층의 가요성 평면 재료와 관련이 있으며, 이 다층의 가요성 평면 재료는 다중 기능성 적층물(40)로 이루어지며, 이 다중 기능성 적층물은 격판(41)(diaphragm), 이 격판 상에 적층된 섬유층(42) 그리고 이 섬유층(42) 상에 배치된 간격 유지 층(43)을 포함한다.

Description

다층의 가요성 평면 재료{MULTILAYER, FLEXIBLE PLANAR MATERIAL}
본 발명은 매트릭스 재료를 주입하기 위한 인젝션 공법을 이용하여 섬유 복합-반제품으로 이루어진 섬유 보강된 플라스틱 부품을 제조할 때에 매트릭스-공급 챔버를 제한하기 위한 다층의 가요성 평면 재료에 관련한 것으로, 이 경우 상기 평면 재료는 기체를 통과시킬 수 있으나 매트릭스를 통과시킬 수 없는 격판과, 기체를 통과시킬 수 없는 박막, 및 기체 투과율이 높은 간격 유지 층으로 이루어지며, 상기 간격 유지 층은 격판과 박막 사이에 배치되어 있고, 상기 박막은 격판과 박막 사이에서 저압이 발생할 때에 격판에 대한 간격을 유지한다.
섬유 보강된 플라스틱 부품을 제조하는 경우에는 우선 건조한 공지된 섬유 복합-반제품, 소위 예비 성형품이 사용되는데, 이 예비 성형품은 수지의 형태로 된 유동 가능하고 경화 가능한 매트릭스 재료로 침지된다. 이 경우 상기 건조한 섬유 복합-반제품은 직물로서, 다중축 구조물로서 또는 체인 보강된 단일 방향성 반제품으로서 존재할 수 있고, 특히 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 붕소 섬유 또는 하이브리드 재료로 이루어진다.
섬유 보강된 플라스틱 부품을 제조하기 위한 방법은 소위 수지 필름 용융(Resin Film Infusion; RFI)-방법으로서 공지되어 있다. 이 방법에서는 건조한 탄소 섬유 직물 또는 탄소 섬유 구조물이 경화 장치 내에 저장되고 규정된 양의 수지 필름이 외부로부터 채워진다. 그 다음에 이어서 탄소 섬유 및 수지로 이루어진 플라스틱 부품이 오토클레이브 또는 다른 압력 용기 내에서 소정의 압력 및 온도 하에서 경화된다. 그러나, 압력 용기를 사용하는 것 그리고 이를 위해서 반드시 필요한 복잡한 몰드(mould)는 매우 비싸다. 또한, 이와 같은 방법은 온도 및 압력 측면에서 처리하기가 어렵다. 또 사용되고 있는 오토클레이브도 또한 제조될 플라스틱 부품의 크기를 제한한다.
상기와 같은 단점들을 개선하기 위하여 독일 특허 제 100 13 409 C1호에 기술(記述)된 방법이 이미 개발되었으며, 상기 방법은 진공 지원 공정(Vacuum Assisted Process; VAP)으로 언급된다. 이 방법에서는 청구항 1의 전제부에 따른 다층의 가요성 평면 재료가 사용되며, 이 평면 재료에 의해서 반제품이 배치되어 있는 매트릭스-공급 챔버가 제한된다. 상기 방법에서 평면 재료는 상호 분리된, 상호 독립적으로 처리될 다수의 층, 다시 말해 기체를 투과시킬 수 있지만 매트릭스를 투과시킬 수 없는 격판과, 기체 투과율이 높은 간격 유지 층 및 기체를 투과시킬 수 없는 박막으로 이루어진다. 상기 층들은 차례로 개별적으로 유동 보조 층 위에 배치되며, 이 유동 보조 층은 반제품 상에 올려진다. 이때 박막과 격판 사이의 영역이 진공화되어 저압이 형성되면, 상기 격판을 통과한 후에는 내부에 놓인 매트릭스-공급 챔버 내에서도 압력이 상응하게 저하되며, 그로 인해 유동성 수지는 외부에 있는 수지 용기로부터 매트릭스-공급 챔버 안으로 흡인된다. 이 경우 격판에 대해 기체가 매트릭스-공급 챔버로부터 간격 유지 층 안으로, 다시 그곳으로부터 외부로 누출되는 것이 가능하나, 이와 동시에 수지를 매트릭스-공급 챔버 안에 유지시킴으로써, 결과적으로 수지가 반제품 안으로 침투할 수 있게 된다.
상기 VAP-방법이 오토클레이브가 사용되는 방법에 비해서 상당한 장점을 가지나, 상기 방법에는 평면 재료의 각각의 개별 층, 즉 격판, 간격 유지 층 그리고 기체 불투과성 박막이 차례로 매우 정확하게 그리고 응력 없이 반제품 위에 올려져야만 하는 소정의 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점은 상응하게 시간적 비용을 야기하며, 상기 방법이 상응하게 정확하게 실시되지 않는 경우에는 공정 안전에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 매트릭스 재료의 불균일한 적층을 이룰 수 있다.
본 발명의 과제는 VAP-방법을 가급적 간단하고, 신속하며, 경제적이고 정확한 방식으로 실시할 수 있는 서문에 언급된 유형의 다층의 가요성 평면 재료를 제조하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 의한 청구항 1의 특징을 갖는 다층의 가요성 평면 재료에 의해서 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시 예는 추가의 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명에 의한 평면 재료에서는 격판과, 이 격판 상에 적층된 섬유층 및 이 섬유층 상에 배치된 간격 유지 층이 함께 다중 기능성 적층물로 형성되고, 그로 인해 서로 단단히 결합되어있다. 이 경우 "다중 기능성 적층물"이라는 용어는 특수한 다수의 층으로 구성되는 동시에 다수의 기능들을 충족시키는, 즉 한 편으로는 격판의 기능을 그리고 다른 한 편으로는 간격 유지 층의 기능을 충족시키는 적층물을 의미하며, 이때 상기 격판은 한 편으로는 기체를 투과시키고 다른 한 편으로는 매트릭스 재료를 통과시키지 않으며, 상기 간격 유지 층은 격판과 박막 사이에서 저압이 형성될 때에 박막에 대한 간격을 유지시키며, 그 결과 격판과 박막 사이의 공간은 개방된 상태를 유지하게 된다.
개별 층들을 하나의 적층물로 단단히 결합시킴으로써 더 이상 상기 층들은 개별적으로 차례로 적층시킬 필요가 없다. 오히려 이와 같은 적층 과정은 단 하나의 작업 공정으로 이루어질 수 있다. 이 작업 공정은 평면 재료를 반제품 위에 배치하기 위한 작업 시간을 현저하게 단축한다. 또한, 평면 재료의 개별 층들이 순서대로 그리고 응력 없이 위·아래로 배치되지 않을 위험도 배제된다. 따라서 공정 안전 및 공정 정확성이 증가한다. 또한 제조 비용 및 재료 비용은 절감 할 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시 예에 따르면, 박막이 간격 유지 층과 단단히 결합됨으로써 결과적으로는 박막도 다중 기능 적층물의 부분이 된다. 이 경우에는 상기 다중 기능성 적층물이 이 다중 기능성 적층물의 이웃하는 층들을 포함한 매트릭스-공급 챔버를 외부로 기밀 방식으로 밀봉시키는 추가의 기능을 담당하게 되어, 결과적으로 박막에 의해 둘러싸인 상기 챔버는 효과적으로 진공 상태로 될 수 있다. 이와 같은 유형의 다중 기능성 적층물은 반제품 위에 평면 재료를 배치하기 위한 시간을 더욱 단축하고, 추가적으로 박막이 순서대로 그리고 응력 없이 간격 유지 층 위에 정확하게 배치되도록 보증해준다.
또한 바람직한 실시 예에 따르면, 간격 유지 층은 융기부의 형태로 형성된 다수의 개별 스페이서를 포함한다. 이 경우 스페이서는 목적한 바대로, 스페이서 사이를 통과하는 기체 흐름이 격판 또는 박막에 대하여 평행하게 최적화될 수 있게 설치될 수 있다. 또한, 기체 투과율이 높은 직물, 망사, 편물 및 다른 재료들을 간격 유지 층으로 사용하는 것도 대안적으로 가능하다.
본 발명을 도면을 참조하여 실시예를 들어 아래에 상세하게 설명한다.
도 1은 선행 기술에 따른 VAP-방법을 설명하기 위한 섬유 보강된 플라스틱 부품을 제조하기 위한 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 평면 재료의 제 1 실시 예의 개략도로서, 이 경우 개별 층은 단지 개관을 명확하게 할 목적으로 상호 이격된 상태로 도시되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 평면 재료의 제 2 실시 예의 개략도로서, 이 경우 개별 층들은 단지 개관을 명확하게 할 목적으로 상호 이격된 상태로 도시되어 있다.
우선 도 1의 장치를 참조해서는 선행 기술에 따른 VAP-기술이 상세하게 설명된다.
도 1에 도시된 장치는 제조될 부품 또는 건조된 섬유 복합의 반제품(1)을 보여주고 있으며, 상기 부품 또는 반제품은 예컨대 구조체(construction)(5)에 의해서 몰드(3) 상에 재치되어 있다. 이 경우 상기 부품 또는 반제품의 적층물은 탄소 섬유(CFK), 유리 섬유(GFK), 아라미드 섬유(AFK), 붕소 섬유(BFK) 또는 하이브리드 재료로 이루어진 플라스틱 부품일 수 있으며, 특히 보강되지 않거나 보강된 표면이 넓은 커버링 필드, 플라스틱 몰드를 제조할 목적으로 사용될 수 있거나 또는 손상된 FVW-부품들의 손상 부분을 수리할 목적으로 사용될 수 있다. 몰드(3)는 반제품(1) 또는 경우에 따라서는 구조체(5)를 수용하기에 적합한 형상을 갖고, 적합한 다양한 재료, 예컨대 나무, 강철, 시트, 유리 등으로 형성될 수 있다.
상기 반제품은 기체를 투과시킬 수 있으나 매트릭스-재료의 통과를 막는 반투과성 격판(7)으로 덮여 있다. 격판(7)은 둘레면(8) 외부에 있으나, 밀봉부(9)에 의해서 반제품(1)에 가급적 밀접하게 밀봉되어 있으며, 상기 밀봉부는 격판(7) 및 지지부(5) 혹은 몰드(3) 표면에 의해서 형성된 내부 챔버(25)를 밀봉하기 위해서 이용된다. 대안적으로 격판(7)은 전체 반제품 둘레에도 형성될 수 있다. 반제품(1)과 격판(7) 사이에서 상기 격판(7) 쪽을 향하고 있는 상기 반제품(1)의 전체 표면 위에는 해체용 직물(13)(선택 사항) 및 유동 보조물(15)이 배치될 수 있으며, 상기 해체용 직물 또는 유동 보조물은 반제품(1) 표면에 대하여 격판(7)의 간격을 유지시키는 기능을 한다. 유동 보조물(15)은 진공 상태에서 강하게 압축될 수 없고 예를 들어 금속, 플라스틱 또는 섬유 반제품과 같은 재료로 이루어진 일종의 녹 혹은 격자이거나 또는 강화 직물 혹은 망사 또는 편물일 수도 있다.
구조체(5), 섬유 복합의 반제품(1), 밀봉부(9) 및 해체용 직물(13)을 구비한 격판(7) 그리고 유동 보조물(15)로 이루어진 배열체는 기체를 투과시킬 수 없는 박박(19)으로 덮여 있다. 상기 박막이 몰드(3) 상에 있는 밀봉부(21)에 의해서 격판(7) 둘레에 밀봉됨으로써, 결과적으로 몰드(3)의 표면(23) 및 박막(19)의 내벽에 의해 형성된 챔버(27)는 주변에 대하여 밀봉되어 있다. 박막(19)과 격판(7) 사이에는 환기용 직물(32)의 형태로 된 간격 유지 층이 삽입되어 있으며, 상기 환기용 직물은 예컨대 유리 직물, 부직포 또는 그와 유사한 부품일 수 있다. 상기 환기용 직물(32)은 다른 무엇보다도 격판(7)을 통과해서 챔버(27)로부터 배출된 공기 및 가스를 격판 표면을 따라 유도하는 기능, 그리고 그와 동시에 상기 챔버가 진공 펌프(29) 및 내부 챔버(27) 안으로 삽입되는 상응하는 가스 라인(31)에 의해서 진공화되는 경우에는 격판(7)에 대하여 박막(19)의 간격을 유지시키는 기능을 한다.
매트릭스 재료를 반제품(1) 안으로 삽입하기 위하여 도면에 도시되지 않은 수지 저장 용기에 연결된 튜브 또는 공급라인(33)이 유동 보조물(15)까지 뻗는다. 따라서, 내부 챔버(25)는 매트릭스-공급 챔버가 된다.
상기 공지된 방법에서 섬유 보강된 플라스틱의 반제품(1)의 제조는 우선 건조된 섬유 복합-반제품이 구조적인 규정에 따라 위치 설정되어 반제품 개별 층으로 이루어진 적층 구조물이 형성됨으로써 이루어진다. 몰드(3)에는 분리제가 도포되어 있는데, 다시 말하자면 몰드(3)와 매트릭스-재료의 접합을 방지하기 위해서 그리고 반제품을 몰드 표면으로부터 재차 분리(몰드로부터의 분리)시킬 수 있기 위하여 몰드는 분리 수단 또는 분리용 박막 및 해체용 직물(이 부분들은 함께 반제품(1)의 하부면에 있는 구조체(5)를 형성한다)에 의해서 예비 처리되어 있다. 건조된 반제품(1)에는 바람직하게 해체용 직물(13)이 구비되어 있다. 추가로 유동 보조물(15)이 간단한 적층 방식에 의해서 상기 구조물 위에 형성된다. 상기 유동 보조물(15) 상에는 단지 공기만을 통과시킬 수 있고 액체는 통과시킬 수 없는 격판(7)이 올려져서 밀봉부(21)에 의해 밀봉된다. 그 다음 이어서 환기용 직물(32)이 격판(7) 위에 올려지고, 박막(19) 및 밀봉부(21)에 의해서 주변에 대하여 밀봉된다. 매트릭스 공급라인(33) 및 진공 펌프(29)는 상기 과정 동안 도 1에 따른 통상적인 관통부 및 밀봉부에 의해서 배치된다.
상술한 재료 및 공기 비투과성 박막(19)을 구비한 후에는 챔버(27)가 진공 펌프(29)에 의해서 진공화된다. 그와 동시에 매트릭스-재료를 내부 챔버(25) 안으로 삽입하기 위하여 매트릭스 재료-저장 용기가 시스템에 연결된다. 진공에 의해서 압력 강하부가 생성되고, 이 압력 강하부는 매트릭스-재료를 저장 용기로부터 진공화된 내부 챔버(25) 안으로 흡입한다. 이때 매트릭스-재료는 유동 보조물(15) 및 공급 라인(33)을 통해서 반제품 표면에 분배된다. 이 경우 기존의 공기는 내부 챔버(25)의 영구적인 배출 작용에 의해서 격판(7)을 통해 배출된다. 이때 매트릭스-재료의 침투 과정은 부품 표면으로부터 수직의 아래로 적층물 내부로 이루어진다. 완전한 흡수 작용이 종료되자마자, 동일한 진공 상태를 유지하면서 적합한 온도에 의하여 경화 과정이 실시된다. 이때 화학 공정에 의해서 생성되는 기포는 격판(7)을 통해 배출된다.
경화가 이루어진 후에는 적층된 부품이 몰드로부터 분리되며, 이 경우에는 모든 처리-보조재들이 수동으로 제거되고, 결국에는 부품도 몰드(3)로부터 제거된다.
상술한 실시 예들에서 드러나는 사실은, 도 1을 참조하여 기술된 공지된 방법에서는 격판(7), 간격 유지 층으로서의 작용을 하는 환기용 직물(32) 그리고 공기 불투과성 박막(19)이 개별적으로 그리고 차례로 반제품(1) 또는 유동 보조물(15) 위에 배치되어야 하는 것이며, 이와 같은 사실은 시간적인 비용을 요구하고, 공정 안전에 악영향을 미친다.
본 발명에 의한 평면 재료의 제 1 실시 예를 도 2에 의해 아래와 같이 기술한다.
평면 재료로는 다중 기능성 적층물(40)이 사용되며, 이 적층물은 도 1에 기술된 격판(7) 및 환기용 직물(32)의 기능을 담당한다. 상기 다중 기능성 적층물(40)은 격판(41), 섬유층(42) 및 간격 유지 층(43)으로 이루어진다.
격판(41)은 저온- 및 고온-VAP-기술에서 사용될 수 있는 반투과성, 마이크로 기공성, 소수성 폴리우레탄 격판 또는 특히 고온-VAP-방법에서 사용되는 반투과성, 마이크로 기공성, 소수성 ePTFE-격판이 사용된다. 다중 기능성 적층물(40)은 도 1의 구조에 상응하게, 격판(41)이 반제품(1) 쪽을 향하고 있는 상기 다중 기능성 적층물(40)의 측에 놓이도록 반제품(1) 위에 배치되거나 또는 경우에 따라서는 유동 보조물(15)(도 1) 위에 배치된다. 격판(41)은 한 편으로는 내부 챔버(25) 안으로 삽입된 매트릭스-재료(수지)를 투과시키지 않으나, 기체를 투과시킴으로써, 결과적으로는 내부 챔버(25)도 격판(41)을 통과하면서 진공화될 수 있고, 기체는 격판(41)을 통해 배출될 수 있다.
격판(41) 상에 적층된 섬유층(42)은 우선 격판(41)을 보강할 목적으로 이용된다. 섬유층(42)은 직물, 망사, 부직포 또는 편물 제품으로 이루어질 수 있다. 섬유층(42)을 위한 재료로서는 특히 폴리에스테르, 폴리아미드, 아라미드 또는 폴리프로필렌이 사용될 수 있다. 어떤 경우에도 섬유층(42)은 격판(41)의 기체 투과성에 영향을 받지 않도록 형성되었다. 격판(41)과 섬유층(42) 사이의 결합은 적층 공정에 의해서 이루어질 수 있으며, 이 적층 공정에서는 수분 가교성 PU-접착제 시스템 또는 통상적인 열 접착제가 사용된다. 이 경우 접착제는 격판(41)의 기체 투과성에 가급적 악영향이 미치지 않도록 하기 위하여 점 형태로도 도포될 수 있다.
간격 유지 층(43)은 환기용 직물(32)(도 1)의 과제를 담당하고, 박막(44)과 섬유층(42)(또는 격판(41)) 사이에 있는 챔버가 진공화되는 경우에는 상기 간격 유지 층(43) 상에 구비된 기체 불투과성 박막(44)이 섬유층(42)에 대하여 간격을 유지하도록 형성되었다. 간격 유지 층(43)은 도 2의 실시 예에서는 상호 분리된 개별 스페이서(45)로 이루어지며, 이 개별 스페이서는 상호 간격을 두고 섬유층(42) 상에 배치되어 있다. 간격 유지 층(43)의 높이는 170 ㎛ 내지 1,000 ㎛일 수 있다. 스페이서(45)는 챔버(27)가 진공화될 때(도 1)에 기체가 가급적 방해를 받지 않고 다중 기능성 적층물(40)의 주 평면에 대하여 평행하게 스페이서(45) 사이를 통과하여 흘러갈 수 있도록 배치되어 있다. 스페이서(45)는 예를 들어 거품 덩어리가 사용될 수 있다. 또한, 간격 유지 층(43)은 기체 투과율이 높은 섬유 직물, 망사 또는 편물로 이루어질 수도 있다. 간격 유지 층(43)은 섬유층(42)과 단단히 결합되어 있으며, 이 경우에는 재료에 따라서 통상적인 접착 기술이 적용될 수 있다.
따라서, 도 2에 도시된 다중 기능성 적층물(40)은 격판(41), 섬유층(42) 및 간격 유지 층(43)으로 된 단단한 복합체로 이루어진다. 본 실시 예에서는, 도 3에 도시된 공기 불투과성 박막(44)을 더 나중에 간격 유지 층(43) 상에 올려놓아야만 한다.
도 3에서는 본 발명에 따른 다중 기능성 적층물(40')의 제 2 실시 예를 볼 수 있으며, 본 실시 예는 기체 불투과성 박막(44)이 이미 다중 기능성 적층물(40')의 고정적인 구성 부분이라는 점에서만 도 2에 도시된 실시 예와 상이하다. 제 2 실시 예에서 박막(44)은 간격 유지 층(43) 또는 스페이서(45)의 상부 면에 단단히 고착되어 있고, 특히 접착되어 있으며, 그로 인해 제 4의 적층물 층을 형성한다. 다중 기능성 적층물(40')의 나머지 구조물, 즉 격판(41), 섬유층(42) 및 간격 유지 층(43)은 도 2의 구조물들과 동일하기 때문에, 결국 상기 구조물들과 관련해서는 도 2의 설명 부분이 참조된다.
다중 기능성 적층물(40')은 다중 기능성 적층물(40)에 비해 기체 불투과성 박막(44)을 추후에 별도로 수동으로 제공하는 과정도 생략된다는 장점을 제공해 주며, 이와 같은 장점에 의해서는 진공화될 챔버(27)의 외부 환경에 대한 밀봉 작용이 가속되고, 박막(44)은 간격 유지 층(43) 상에 최적의 상태로 놓이게 된다.

Claims (4)

  1. 매트릭스 재료를 주입하기 위한 인젝션 공법을 이용하여 섬유 복합의 반제품으로 이루어진 섬유 보강된 플라스틱 부품을 제조할 때에 매트릭스-공급 챔버를 제한하기 위한 다층의 가요성 평면 재료로서,
    상기 평면 재료는 기체를 통과시킬 수 있으나 매트릭스를 통과시킬 수 없는 격판(41)과, 기체를 통과시킬 수 없는 박막(44) 및 기체 투과율이 높은 간격 유지 층(43)으로 이루어지고, 상기 간격 유지 층(43)은 격판(41)과 박막(44) 사이에 배치되며, 상기 박막(44)은 격판(41)과 박막(44) 사이에서 저압이 발생할 때에 격판(41)에 대한 간격을 유지하도록 배치되고, 상기 격판(41) 상에 적층된 섬유층(42) 및 상기 섬유층(42) 상에 배치된 간격 유지 층(43)으로 다중 기능성 적층물(40, 40')을 형성함으로써 서로 견고히 결합되는 것을 특징으로 하는, 다층의 가요성 평면 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막(44)이 간격 유지 층(43)과 견고히 결합되어, 상기 박막(44)이 상기 다중 기능성 적층물(40')의 부분을 이룬 것을 특징으로 하는, 다층의 가요성 평면 재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 간격 유지 층(43)은 융기부의 형태로 형성된 다수 개의 개별 스페이서(45)로 된 것을 특징으로 하는, 다층의 가요성 평면 재료.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간격 유지 층(43)은 170 내지 1,000 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 가요성 평면 재료.
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