KR20110069840A - 고분자 복합재를 성형하기 위한 가열식 주형 - Google Patents

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KR20110069840A
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Abstract

고분자 복합재를 성형하기 위한 주형을 만드는 방법은 펼쳐질 수 있는 세라믹 재료(28) 내에 다수의 가열 소자(24)와 섬유 보강 중합체의 하나 이상의 층(30)을 매립하는 것을 포함한다. 세라믹 재료의 경화 온도는 중합체의 용융점보다 낮다. 세라믹 재료는 고체 세라믹 몸체를 만들어내기 위해 중합체의 용융점보다 작은 온도에서 경화되고, 그 다음에 세라믹 몸체는 중합체의 용융점보다 높은 온도로 가열되어 중합체가 섬유들과 함께 용융되어 주형을 강화한다. 이 주형은 고분자 복합재의 제조에 사용하기 적합하다. 이 주형을 사용하여 고분자 복합재를 성형하는 방법도 설명된다.

Description

고분자 복합재를 성형하기 위한 가열식 주형{A heated mould for moulding polymeric composites}
본 발명은 열가소성 및 열경화성 복합재와 같은, 고분자 복합재의 고온 성형에 적합한 주형에 관한 것이다. 이 주형은 터빈 블레이드와 같은, 복합 물품의 제조에 사용될 수 있다. 보다 큰 구조 요소 또는 제조 물품의 제조를 위한 공정은 예를 들어, 보다 작은 윈드 터빈 블레이드보다 제조하기가 더 어려운 것으로 일반적으로 고려되는 것으로 설명된다. 이러한 구성요소들의 예들에는 윈드 터빈 블레이드, 항공기 동체(fuselage)의 섹션들, 배 선체와 같은 해양 구조물, 및 대형 자동차와 수송 패널, 외피(enclosure) 또는 컨테이너가 포함된다.
복합재 및 플라스틱 재료는 다양한 성형 기술 및 장치들을 사용하여 제품들을 제조하는데 사용된다. 복합재와 플라스틱 재료를 제조하는 공정은 일반적으로 그 재료가 주형 표면의 형태를 취하게 되는 제품 재료에 열이 공급될 것을 요구한다. 가열은 화학적 경화 또는 중합반응을 활성화시키거나 또는 몇몇 다른 바람직한 화학적 또는 형태 변화를 재료에 일으킬 수도 있다.
가열은 예를 들어, 가압처리기(autoclave)와 압반 프레스(platen press)에 의해 제공될 수 있다. 이러한 방법들은 종종 제조되는 부분에 대해 필요한 온도 프로파일을 달성하기 위해 오랜 운전시간(cycle time)을 야기하므로 열 처리 사이클이 가공되는 재료에 대한 최적 사이클이 아니라 주형과 장비 제약에 의해 일반적으로 정해지게 된다. 가공되는 복합재 구성요소의 사이즈가 특정 한계를 초과할 때, 가압처리기와 프레스의 가격은 매우 고가가 될 수 있다.
예를 들어, 윈드 터빈 블레이드와 같은, 매우 큰 복합재 물품들의 제조는 다수의 기술적 문제점들을 포함한다. 이러한 문제점들은 블레이드의 길이에 의해 증폭된다.
또한, 당업계에 일반적으로 사용되는 복합재 주형들은 안전하게 조작하기 충분하게 강하지 않고 복합재 물품들의 제조에 사용되는 반복적인 고온 공정들을 견딜 수 없다. 금속 주형들은 상승된 온도에서 매우 큰 복합재 물품들의 제조에 부적합한데 왜냐하면 이들은 주형과 그 안에서 처리되는 복합재 재료들 간의 열팽창계수의 부정합으로 인해 사용될 수 없기 때문이다. 또한, 알려진 세라믹 주형은 일반적으로 조작을 견디기 충분하게 강하지 않다. 예를 들어, 대형 세라믹 주형은 예를 들어, 복합재를 처리하기 위한 진공 압력이 일단 한번 가해지면 붕괴되는 경향이 있다.
따라서, 대형 복합재 물품들 또는 그 부분들의 가공에 사용하기 위한 내부 가열되는 개선된 주형이 필요하다.
본 발명의 목적은 높은 강도를 갖고 효과적인 가열 장치를 갖는 대형 복합재 구성요소들의 가공에 적합한 주형을 제공하는 것이다.
최근에, 신재생 에너지 분야의 뚜렷한 연구개발이 이루어졌다. 특히, 많은 연구는 풍력 에너지와 그 생성을 위한 공정들에 집중되었다. 본 발명 내의 특별한 관심은 풍력에 사용하기 적합한 블레이드들이고, 일반적으로 이러한 타입의 블레이드는 터빈을 구동하기 위해 천연 풍력 에너지를 충분한 회전 에너지로 변환하는데 사용된다. 이러한 블레이드들은 천연 풍력 에너지를 잡아내기 위한 형상을 갖고 천연 풍력 에너지로부터 회전 운동을 생성한다. 회전 운동은 발전기를 구동하는데 사용되고, 이는 결국 전기를 생성한다. 블레이드들은 일반적으로 동적인 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 날개(foil)이다. 이러한 블레이드들은 윈드 터빈 블레이드들로도 종종 불린다.
윈드 터빈 블레이드들과 같은 복합재 물품들의 제조를 위한 공정들은 당업계에 공지되어 있다. 대형 윈드 터빈 블레이드들과 같은 대형 복합재 물품들은 일반적으로 3가지 목적들 중 하나로부터 만들어졌다: 수 적층(hand layup); 사전침투된 테이프와 건조한 섬유 및 코어 모재(preform)로의 몇몇 형태의 액체 수지 용입(infusion) 과정. 일반적으로, 터빈 블레이드는 2개의 오목한 외각(shell)들로 만들어지고 여기서 오목한 표면들은 2개의 장착된 반쪽들(fitted halves) 사이의 공동의 스파-박스(spar box) 또는 스파와 같은 구조적 지지부를 갖고 서로 마주한다. 블레이드들이 허브에 연결되는 곳에서, (일반적으로 루트 섹션(root section)으로 불리는) 섹션은 원통형 모노리스(monolithic) 복합재 합판(laminate)이고 일반적으로 개별적으로 제조된다. 그 다음에 전체 조립체가 추가 작업에서 접착제로 접합되고, 이 공정은 복잡하고 시간을 소모할 수 있다.
대형 복합재 구조물의 제조의 가장 기본적인 방법은 에폭시 및 폴리에스테르와 같은 경화되지 않은 열경화성 수지와 유리섬유를 수작업으로 짜맞추는(hand layup) 것이다. 이는 유리섬유와 수지의 교번하는 층들을 수작업으로 붙이는 것을 포함하고, 브러시들과 롤러들이 사용되어 공기 포켓들을 제거하고 수지가 보강물에 스며듦을 보장하도록 적층물(layup)에 약간의 압력을 수작업으로 가한다. 이 공정의 주요 장점은 복잡한 장비가 필요하지 않으므로 저렴하다는 것이다. 블레이드 공구는 가열되지 않거나 또는 가능하다면 경화 반응을 개시하기 위해 예를 들어, 80℃까지 가열될 수 있다. 수 적층 공정의 주요 단점은 지저분하고 합판 품질을 제어하기 어렵다는 것이다. 작업장에서 경화되지 않은 수지를 사용하는 것에 관해 중요한 건강 및 안전상 문제가 있다. 일반적으로, 대형 복합재 구조물에 대한 이러한 타입의 공정은 일반적으로 액체 수지 용입 공정들 또는 사전-침투된 테이프의 사용으로 대체된다.
사전-침투된 테이프의 사용은 수작업 적층법보다 훨씬 진보된 제조 공정이다. 윈드 터빈 블레이드들에서 테이프는 유리섬유-보강된 에폭시로 일반적으로 만들어지지만, 탄소섬유-보강된 에폭시도 특히 스파(spar)들에 사용될 수 있다. 테이프는 수작업으로 적층되거나, 또는 블레이드의 외각의 하나의 반쪽 섹션의 형상을 갖는 도구 상에 자동적으로 적층된다. 그 다음에 전체 적층부가 진공 백(bag)에 밀봉되고 공기가 진공화된다. 그 다음에 도구가 수지를 경화시키기 위해 통상적으로 100℃ 이상의 온도로 몇 시간 동안 가열되고, 이는 블레이드의 사이즈에 따라 4 내지 8시간일 수 있다. 동일한 작업이 별개의 도구에서 블레이드의 외각의 다른 반쪽 섹션에서 실시된다. 스파와 루트 섹션은 블레이드의 외각의 반쪽 섹션들과는 별개로, 제 3 및 제 4 도구들 상에서 각각 만들어진다.
모두 합쳐, 부분품 제조와 접착제 접합을 포함하는, 전체 공정이 그 개별적 부분들(예를 들어, 외각의 반쪽 섹션들, 스파 및 루트 섹션들)로부터 대형의(예를 들어, 40m 길이 이상) 윈드 터빈 블레이드를 완전히 제조하는데 24 내지 36시간이 걸릴 수 있다. 윈드 터빈 블레이드들에 대한 이러한 긴 제조 주기를 상당히 감소시키기 위해, 가장 유망한 기술은 몇몇 형태의 1회(one shot) 공정을 개발하는 것이고 여기서 전체 블레이드가 한 번의 작업으로 제조된다. 1회 공정을 사용하면 반쪽들과 스파(spar)들의 접착제 접합 및 조립이 불필요하다. 1회 공정은 접착제와 공극 충전재(gap filler)가 불필요하기 때문에 블레이드가 무게 감소되게 한다. 제조 사이클 시간도 다수의 제조 및 조립 단계들이 제거되므로 감소된다. 윈드 터빈 블레이드들의 1회 가공은 블레이드의 트레일링 에지(trailing edge)를 더 잘 선명하게 성형될 수 있게 하여, 더 공기역학적이게 하고 터빈들의 작동으로부터 훨씬 더 낮은 소음이 생기게 하여 또한 유익하다.
Siemens AG의 EP 1 310 351 B1호 및 상응하는 US 2003/0116262 A1호 (양수인 Bonus Energy A/S)는 액체 수지 용입 공정을 사용하여, 단일 성형품으로서 열경화성 복합재 윈드 터빈 블레이드를 제조하는 방법을 설명한다. 이 공정에서 샌드위치 구조물들을 만드는데 사용되는 코어 재료들과 함께 보강용 섬유 재료들이 닫힌 주형에 배치된다. 이후에 액체 수지가 진공의 적용을 통하여 섬유 재료들에 용입된다. EP 1 310 351호에 개시된 공정의 일 실시예에서, 열경화성 수지침투가공재(prepreg material)가 이러한 수지침투가공재가 제공하는 큰 섬유체적 비율의 장점을 취하기 위해 블레이드의 고 부하 지지(bearing) 섹션들에 배치된다. 블레이드의 대부분을 구성하는 나머지 건조 섬유질 재료들은 진공을 가하여 액체 수지에 용입된다. 가요성 외부 부분과 단단하거나 가공가능한 내부를 갖는 특수하게 구성된 주형 코어들이, 침투 및 경화 중에 주형에 남겨진 다음에, 이후에 제거된다. 코어들은 설명한 수지 침투 과정이 침투 중에 진공 압력의 감소를 필요로 하기 때문에 가공 중에 제 위치에 남겨져야 한다. 진공 압력이 가공 중에 복합재 적층체를 지지하는데 작용하는 유일한 외력이므로, 코어들은 재료의 자중으로 인해 조립체가 붕괴되는 것을 막기 위해 제 위치에 남겨져야 한다.
그러나, 1회로 대형 열경화성 복합재 윈드 터빈 블레이드를 액체 용입시키는 것은 간단한 공정이 아니다. EP 1 310 351 B1호 및 US 2003/0116262 A1호는 합판의 샌드위치 코어를 통해 많은 양(ton)의 수지를 분배하는데 사용되는 수지 공급 파이프들의 복잡한 시스템을 설명한다. 일정 섬유 체적 비율을 유지하는 것에 관한 문제점들이 블레이드의 두꺼운 섹션 고체 합판 영역들, 예를 들어, 스파-캡(cap)들과 허브 섹션들의 침투에서 발생한다. EP 1 310 351 B1호와 US 2003/0116262 A1호는 이러한 영역들에 열경화성 수지침투가공재를 미리-배치한 다음에, 수지 용입 공정에 의해 완전히 침투되는 방법들을 공개한다. 그러나, 구조물에 걸친 상술한 섬유 체적 비율의 달성은 윈드 터빈 블레이드와 같은 부하 지지 구조물의 디자인 요구조건들을 만족하는데 중요하고(critical), 이는 액체 수지 용입을 사용하여 달성하기 어려울 수 있다.
당업자는 복합재 물품들의 제조를 위한 알려진 공정들에 관련한 문제점들을 이해할 것이다. 특히, 건조 재료들의 적층을 사용하는 것에 관련한 공정들의 경우에, 가공 전에 도구(주형) 상에 적층부(lay-up)의 정확한 배치에 관련한 문제점들이 있다.
그러므로, 종래기술에도 불구하고, 예를 들어, 윈드 터빈 블레이드와 같은, 복합재 물품들의 제조를 위한 개선된 공정이 필요하다. 특히 윈드 터빈 블레이드와 같은, 요구되는 섬유질 체적 비율을 갖는, 완전히 침투되고 중합화된 복합재 물품이 이에 의해 신뢰성 있게 제조될 수 있는 개선된 1회 공정이 요구된다.
그러므로 본 발명의 목적은 복합재 물품들, 특히 윈드 터빈 블레이드들의 제조를 위한 개선된 공정을 제공하는 것이고, 이에 의해 복합재 구조물이 1회 공정으로 제조될 수 있다.
그러므로 일 측면에서, 본 발명은 중합체 복합재를 성형하기 위한 주형을 만드는 방법을 제공하며, 이 방법은 다수의 가열 요소들과 펼쳐질 수 있는 세라믹 재료 내에 섬유-보강된 중합체의 하나 이상의 층을 매립하고, 고체 세라믹 몸체를 만들어내기 위해 중합체의 용융점보다 낮은 온도에서 세라믹 재료를 경화시키고, 중합체의 용융점 이상의 온도에서 세라믹 몸체를 가열하는 것을 포함하고, 세라믹 재료의 경화 온도는 중합체의 용융점보다 작다.
본 명세서에서 설명하는 실시예는 세라믹 재료로 함침된 섬유-보강된 중합체의 층들 내에 매립된 전기 가열 요소들을 포함한다. 경화 온도는 60℃ 이상, 70℃ 이상, 80℃ 이상 또는 심지어 90℃ 이상일 수 있다. 이러한 경화 온도는 그 안에 고온 공기 유동이 생성되는 터널과 같은 기본적인 가열 방법으로 얻어질 수 있다.
매립 단계는:
(a) 펼쳐질 수 있는 세라믹 재료의 제 1 층을 주형 패턴으로 깔고(apply),
(b) 섬유-보강된 중합체의 층을 제 1 층에 깔고,
(c) 세라믹 재료의 제 2 층을 섬유-보강된 중합체에 깔고 이를 안으로 넣고,
(d) 선택적으로 (a) 내지 (c) 단계를 1회 이상 반복하고,
(e) 가열 요소들의 층을 세라믹 재료의 노출된 표면에 깔고,
(f) 가열 요소들의 층을 세라믹 재료의 다른 층으로 덮는 것을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "이를 안으로 넣는"은 세라믹 재료가 중합체 재료에 침투하고 대다수의 임의의 혼입된 공기가 제거되도록 섬유-보강된 중합체에 깔리는 세라믹 재료의 층에 압력을 가하는 것을 의미한다. 압력은 예를 들어, 롤러에 의해 가해질 수 있다. 다르게는, 압력은 예를 들어, 진공 백에 걸쳐 가해진 진공 압력에 의해, 또는 예를 들어, 진공 백에 걸쳐 양압(positive pressure)을 가하는 가압처리기에 의해 가해질 수 있다. 당업자는 압력을 가하는 임의의 다른 적합한 수단이 세라믹 반죽(paste)이 섬유-보강된 중합체에 침투함을 보장하도록 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
바람직하게는, 단계 (f)는 단계 (a) 내지 (c)를 1회 이상 반복하는 것을 포함한다.
적절하게는, 본 방법은 세라믹 재료를 건조시키기 충분한 시간 동안 25 내지 100℃ 범위의 온도로 주형을 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 이 단계는 습기 제거 단계를 포함하고 이에 의해 세라믹 재료가 건조된 후에 주형 패턴으로부터 제거된다. 이는 세라믹을 건조시키는데 필요한 시간 동안 가열 와이어들을 통해 낮은 레벨의 전력을 초기에 도입하여 실시된다. 습기 제거 단계를 실시하여 가열 와이어들의 임의의 전기 단락 가능성이 회피된다. 습기 제거 단계는 바람직하게는 중합체의 용융점 이상의 온도로 세라믹 몸체를 가열하기 전에 실시된다. 습기 제거는 유익하게는 주형의 가열 요소들에 전원을 켜 실시된다. 대형 가압처리기 또는 오븐의 사용이 이에 의해 회피될 수 있다.
섬유-보강된 중합체 층은 적절하게는 중합체의 섬유들과 함께 짜여진 탄소 섬유들을 포함한다. 섬유-보강된 중합체 층은 다르게는 중합체의 섬유들과 함께 짜여진, 유리, 금속 또는 현무암(basalt) 섬유들, 또는 이의 혼합물들을 포함할 수 있다.
다르게는, 섬유-보강된 중합체 층은 그 위에 중합체가 증착된 탄소, 유리, 금속 또는 현무암 섬유들을 포함할 수 있다. 중합체는 예를 들어, 분말, 입자 또는 펠릿(pellet)들과 같은 고체 형태일 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 실시예에서, 섬유-보강된 중합체 층은 섬유들과 함께 건성 탄소 섬유들의 묶음의 혼합된 직물(weave) 또는 폴리에테르에테르케톤 (PEEK)의 가닥(strand)으로 구성된다. PEEK는 높은 유리 전이 온도(Tg=143℃)와 용융 온도(343℃)를 가지므로 본 발명에 따라 사용하기에 특히 선호되며 이는 220℃까지의 사용 온도에서 우수한 기계적 특성을 제공하고, 220℃ 내지 300℃에서 중간의 기계적 특성을 제공한다. 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 중합체를 사용하는 특별한 장점은 일단 녹아서 보강용 섬유들과 세라믹 재료와 융합하면, 그 결과인 3-성분 복합재가 170℃ 내지 220℃의 성형 온도 범위에서 우수한 기계적 특성들을 갖고, 220℃ 내지 300℃에서 여전히 중간의 기계적 특성들을 갖는다는 것이다. PEEK의 추가는 세라믹 도구에 상당한 충격 및 균열 인성(toughness)을 추가하고, 이는 세라믹 도구를 유리 또는 탄소 섬유들로 단순히 보강하여 얻어지지 않는다.
주형의 기계적 특성들이 이러한 공정들에 의해 매우 개선되어 있으므로, 이러한 주형들은 그 사용 수명 중에 훨씬 간단한 가열 프로파일들을 수행할 수 있다.
중합체에는 다르게는 폴리에틸렌 설파이드(PPS), 폴리에테르이미드(PEI) 또는 폴리에테르케톤케톤(PEKK)이 포함될 수 있다.
폴리에테르이미드(PEI) 또는 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 중합체의 경우에, 일단 녹고 보강용 섬유들과 세라믹 재료 모두에 융합되면, 그 결과인 3-성분 복합재는 170℃ 내지 220℃의 성형 온도 범위에서 우수한 기계적 특성들을 갖고, 220℃ 내지 300℃에서 여전히 중간의 기계적 특성들을 갖는다. 폴리에틸렌 설파이드(PPS) 중합체의 경우, 3-성분 복합재의 기계적 특성들은 170℃ 내지 220℃의 성형 온도 범위에서 중간의 기계적 특성들을 갖지만 250℃ 이상의 온도에서 사용하기 적합하지 않다. PEKK 또는 PPS의 사용은, PEKK와 PPS가 최고의 인성 효과를 주어, 도구에 균열 및 충격 인성도 추가한다.
구조용 복합재를 형성하기 위해 보강용 섬유들을 중합체 섬유들과 융합하는 것은 중합체가 섬유 다발들에 침투하고 둘레에서 유동할 수 있도록 중합체의 용융 온도 이상으로 재료가 되는 것을 요구한다. PEEK의 경우에 이 온도는 360℃ 내지 390℃이다.
중합체 섬유들이 녹은 이후에, 주형 가열기들이 꺼지고 주형은 예를 들어, 실온으로 자연 냉각되게 한다. 이 냉각 공정 중에 중합체가 고체화되고 그 원래의 반결정질 형태의 구조로 되돌아간다. 주형들의 제조시 이 고온 요구조건은 통상적으로 주형 패턴들의 구성에 사용되는 재료들로는 만족될 수 없다. 이 문제를 극복하기 위해, 반죽 형태의 세라믹 재료가 주형의 구성 중에 탄소와 PEEK 섬유의 혼합된 층들 사이에 도입된다. 이 세라믹 재료, 본 실시예에서 세라믹 알칼리 알루미노실리케이트 또는 칼슘 메타실리케이트는 주형 패턴이 쉽게 견딜 수 있는 말하자면 60℃의 비교적 낮은 온도에서 경화될 수 있다. 이러한 저온에서 경화될 수 있는 세라믹 재료의 사용은 특히 유용한데 왜냐하면 이러한 온도들을 견딜 수 있는 덜 비싼 주형 패턴들이 사용될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 주형의 제조에 사용하기 위한 바람직한 세라믹 재료들은 "지오폴리머(Geopolymer)"로 불릴 수 있고 합성 알루미노실리케이트 재료의 분류에 속한다. 당업자는 다른 적절한 세라믹 재료들도 본 발명에 따른 주형의 제조에 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
세라믹 재료의 경화 및 그 결과인 고체화에 의해 제공되는 기능은 구조적 강도와 강성도가 섬유들과 중합체의 융합 전에 주형에 부여되는 것이다. 주형 내의 이 정도의 강성도는 그 완전성을 보존하고 안정성을 형성하면서 패턴으로부터 주형을 제거하기 쉽게 한다. 일단 주형이 패턴으로부터 제거되면 주형 온도를 중합체의 용융 온도 이상으로 하기 위해 일체(integral) 가열이 사용된다. 이렇게 될 때 중합체가 녹고 섬유 다발 안 및 주변으로 흐르고 이는 주형 구조물에 증가된 강도 및 강성도를 부여한다. 또한, 중합체는 예를 들어, 세라믹 모체(matrix)에서 유리 섬유들이 겪을 수 있는 것과 같은, 세라믹에 의한 부식으로부터 섬유들을 보호한다. 보강용 섬유들, 중합체 및 세라믹의 복합물로부터 이렇게 구성된 주형은 230℃까지 작동 온도를 갖고 높은 구조적 강도를 갖는다. 이러한 구조적 강도는 세라믹 재료 단독으로 달성가능한 것의 3.5배의 정도이다. 주형의 작동 온도는 섬유-보강된 중합체 층에 사용되는 중합체에 의존함이 이해될 것이다. 그러므로 주형의 작동 온도는 사용되는 중합체에 따라, 230℃ 이상일 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따라 중합체 복합재를 성형하기 위한 주형이 제공되고, 이 주형은 내부에 매립된 섬유-보강된 중합체의 하나 이상의 층을 갖는 세라믹 몸체와 다수의 가열 요소를 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때 용어들 "주형"과 "도구"는 상호교환 가능하게 사용되고 같은 의미를 갖는다. 본 명세서에서 설명하는 주형은 중합체 복합재의 고온 성형에 사용하기 적합하다. 이 주형은 윈드 터빈 블레이드 또는 그 섹션들, 항공기 동체 및 대형 자동차와 수송 패널, 선박 선체와 같은 해양 구조물, 외피 또는 컨테이너와 같은, 대형 복합재 물품들의 성형에 특히 적합하다.
따라서, 추가 특징에서, 본 발명은 복합재 물품의 제조를 위한 공정을 제공하고, 상기 공정은 하기의 단계들을 포함한다.
(i) 원하는 물품의 적층물을 구성하기 충분한 양의 섬유질 수지침투가공재의 하나 이상의 층을 도구 상에 제공하고;
(ii) 상기 재료에 열과 진공을 가하고;
(iii) 복합재 물품을 형성하기 충분한 시간 동안 상기 도구에 충분한 열과 진공을 유지하고; 상기 적층물이 단계 (ii) 전에 희생형 백(sacrificial bag)에 봉입되는 것을 특징으로 한다.
그 안에 매립된 섬유-보강된 중합체의 하나 이상의 층과 다수의 가열 요소들을 갖는 세라믹 몸체를 포함하는 본 명세서에서 설명하는 주형(도구)은, 복합재 물품의 제조를 위한 상술한 공정에 사용하기 적합하다. 설명하는 보강된 주형은 붕괴되지 않고 조작될 수 있기 때문에 본 명세서에서 설명하는 공정에 사용하기 특히 적합하다. 보강된 주형의 다른 장점은 희생형 백을 녹이는데 필요한 온도로 가열될 수 있다는 것이다.
그러므로, 본 발명은 복합재 물품의 제조를 위한 공정에서 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 주형의 사용하기 위해 또한 제공되고, 상기 공정은 하기의 단계들을 포함한다:
(i) 원하는 물품의 적층에 충분한 양의 섬유질 수지침투가공재의 하나 이상의 층을 도구(주형) 상에 제공하고;
(ii) 상기 재료에 열과 진공을 가하고;
(iii) 복합재 물품을 형성하기 충분한 시간 동안 상기 도구(주형)에 충분한 열과 진공을 유지하고; 상기 적층물이 단계(ii) 전에 희생형 백에 봉입되는 것을 특징으로 한다.
이 공정은 하기의 단계들을 추가로 포함할 수 있다.
(a) 수지침투가공재를 포함하는 하나 이상의 적층물들을 제공하고;
(b) 각각의 적층물을 희생형 백에 봉입하고 진공을 가하고;
(c) 희생형 백이 각각의 적층물의 수지침투가공재를 제 위치에 유지하고 열을 가할 때 녹도록, 단계 (ii) 전에 함께 적층물들을 배치한다.
희생형 백은 열을 가할 때 녹는다. 희생형 백은 복합재 물품의 기계적 특성들에 어떠한 악영향도 일으키지 않고 수지침투가공재의 수지와 혼합될 수 있다.
본 발명은 열경화성 또는 열가소성 수지침투가공재들로부터 복합재 물품들의 제조를 위한 1회 공정을 제공한다. 수지침투가공재를 사용하면 블레이드의 전체 구조물에 걸쳐 정확한 섬유 체적 비율이 얻어지게 한다. 이는 당업계에 알려진 1회 액체 성형 공정들에 대해 큰 장점이며, 여기서 큰 구조물 내의 국지적 섬유 체적 비율은 충전(filling) 및 굳힘(consolidation) 공정들 중에, 수지 온도 및 점도, 모재 구조, 온도 증가율, 최대 온도, 최대 온도 및 진공 압력에서의 시간과 같은 여러 중요 변수들의 제어에 의존한다.
당업자는 복합재 수지침투가공재를 처리할 때 건성 섬유질 재료의 적층을 제어하기 어려울 수 있음이 이해될 것이다. 본 발명에 따른 공정에 따라, 희생형 백을 사용하는 것은 이들이 처리될 때까지 주형(도구) 상에 재료들을 정확히 배치하는 수단을 제공한다. 희생형 백들의 사용은 수지침투가공재의 타입들과만 함께 사용될 수 있고 여기서 섬유와 수지 모두 적층되는 층들에 들어 있다.
희생형 백은 진공을 가하여 하나 이상의 층의 섬유질 수지침투가공재를 제 위치에 유지하는데 사용된다. 이에 의해 도구가 재료의 위치결정에 악영향을 주지 않고 조작될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때 용어 "희생형 백"은 열을 가할 때 녹는 봉지 또는 층을 의미하고자 한다. 희생형 백은 바람직하게는 불활성 플라스틱 재료로 만들어진다. 희생형 백은 바람직하게는 복합재 적층물의 성분들과 혼합된다. 희생형 백은 바람직하게는 복합재의 기계적 특성들에 악영향을 적게 또는 전혀 주지 않는다. 희생형 백은 복합재의 기계적 특성들을 훨씬 더 개선할 수 있다.
본 발명에 따라 사용되는 백들은 윈드 터빈 블레이드들 및/또는 그 부분들을 포함하는, 크고 작은 복합재 물품들 모두의 제조를 위한 공정들에 사용하기 적합하다. 백들은 적층하기 어려운 건성 수지침투가공재로부터 작은 윈드 터빈 블레이드 또는 자동차 구성요소들과 같은 보다 작고 복잡한 부분들의 가공을 쉽게 하도록 본 발명에 다른 공정에 따라 사용될 수도 있다.
희생형 백들은 복합재 수지침투가공재의 처리 온도보다 낮은 용융점을 갖는 임의의 적절한 플라스틱 재료를 포함할 수 있고, 여기서 재료가 녹고 수지침투가공재와 혼합될 때, 수지침투가공재의 기계적 특성들에 어떠한 악영향도 미치지 않거나, 또는 수지침투가공재의 기계적 특성들에 적거나 전혀 악영향을 미치지 않는다.
적절하게는, 희생형 백은 150℃ 이하의 용융 온도를 갖는 반-결정질 열가소성 중합체를 포함한다.
희생형 백은 다르게는 125℃ 이하의 유리-전이 온도를 갖는 비정질(amorphous) 열가소성 중합체를 포함할 수 있다.
희생형 백은 적절하게는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 재료, 및 이들의 공중합체들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다. 당업자는 희생형 백은 다른 적절한 중합체 재료들을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 백은 블레이드의 경도 또는 인성을 개선할 수 있는 적절한 재료를 포함할 수 있다.
도구는 170℃ 내지 400℃ 범위의 온도로 가열될 수 있다.
적절하게는 도구는 170℃ 내지 210℃ 범위의 온도로 가열될 수 있다.
적절하게는, 희생형 백은 수지침투가공재의 처리 온도보다 낮은 용융점을 갖는다.
본 발명에 따른 공정은 180℃ 또는 이 온도 이상에서 처리를 필요로 하는 복합재 수지침투가공재들과 사용하기에 특히 적합하다.
양호한 실시예에서, 본 발명은 윈드-터빈 블레이드와 같은, 복합재 물품의 제조를 위한 공정을 제공하고, 이 방법은 하기의 단계들을 포함한다.
(i) 물품의 제 1 및 제 2 부분을 형성하기 위한 도구를 제공하고;
(ii) 물품의 상기 제 1 부분의 원하는 적층부를 구성하기 위해 도구 상에 섬유질 수지침투가공재의 하나 이상의 층을 제공하고;
(iii) 상기 적층부 상에 희생형 백을 배치하고 도구에 상기 적층부를 밀봉하기 위해 진공을 가하고; 상기 물품의 제 2 부분의 원하는 적층부를 구성하기 위해 단계(ii) 및 단계(iii)를 반복하고;
(iv) 상기 물품의 제 2 부분의 적층부에 인접하게 물품의 상기 제 1 부분의 적층부를 배치하고;
(v) 상기 도구에 열 및 진공을 가하고;
(vi) 복합재 물품을 형성하기에 충분한 시간동안 상기 도구에 충분한 열 및 진공을 유지한다.
바람직하게는 도구는 그 안에 매립된 섬유-보강된 중합체의 하나 이상의 층과 다수의 가열 요소를 갖는 세라믹 몸체를 포함한다.
당업자는 본 발명에 따른 방법이 윈드 터빈 블레이드들 이외의 복합재 물품들의 제조를 위해 사용될 수도 있음이 이해될 것이다.
희생형 백들은 복합재 물품의 상이한 부분들의 적층을 돕는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 블레이드의 상 반쪽(top half)이 예를 들어, 희생형 백에 봉입된, 개방된 주형(도구) 상에 적층되고 진공이 이를 밀봉하도록 주형과 백 사이에 가해질 수 있게 한다. 주형의 이 반쪽은 적층부를 흐트리지 않고 회전되어 다른 반쪽의 상부에 배치될 수 있다. 희생형 백 덕분에, 블레이드는 1회 공정으로 생산될 수 있다. 희생형 백을 사용하는 것은 2개의 블레이드 반쪽들의 접합시 수지 전선(front)들의 형성을 막지 않는다. 이러한 1회 공정은 두 반쪽들 모두의 사이에 어떠한 코어도 제 위치에 남길 필요도 없다. 그러므로, 코어는 공정의 끝에서 제거될 필요가 없다. 이에 의해 공정의 비용이 크게 감소된다. 공정 중에 주형의 총 중량도 감소된다. 이러한 1회 공정은 어떠한 수지 용입도 요구하지 않는다. 주형의 총 중량은 용입 도구의 억제에 의해 또한 크게 감소된다. 주형 중량 감소 덕분에, 더 긴 블레이드들이 생산될 수 있다.
양호한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 (a) 수지침투가공재의 하나 이상의 층과 (b) 발포(foam) 재료의 하나 층을 제공하여, 상기 층들이 적층부를 형성하도록 번갈아 제공되고; 그리고 (c) 상기 적층부를 희생형 백으로 감싸고 진공을 가하여 하나 이상의 복합재 지지 수단을 마련하는 단계를 추가로 포함한다. 전체 복합재 지지 수단은 그 다음에 적층부를 방해하지 않고 하나의 부품으로 주형(도구)에 전달될 수 있다.
복합재 지지 수단은 스파(spar)를 적절히 포함한다. 이 공정은 도구 상의 물품의 제 1 부분의 적층부 상에 스파를 배치하고; 제 1 부분의 적층부와 스파 상에 희생형 백을 배치하고, 단계 (iv) 전에 진공을 가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
그러므로, 이 공정은 물품(예를 들어, 블레이드)의 제 1 부분이 진공 하에서 희생형 백에 봉입되고 제 위치에 스파들과 다른 구성요소들과 함께 적층될 수 있게 하고 이는 주형을 닫을 때 적층부와 구성요소들의 움직임을 방지한다.
이 공정은 단계 (iv) 전에 스파의 각각의 측면에 인접하게 진공 백을 배치하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 진공 백들은 처리 중에 물품을 지지하고 강도를 제공하 나일론 백들을 적절히 포함할 수 있다.
비-희생형 백 또는 진공 백이 사용되어 부품 적층부를 담고 있는 도구(주형)와 그 사이에 일정 체적을 생성한다. 이 체적으로부터 공기를 진공화하면 양호한 품질의 복합재 구조물을 생산하는데 필요한 처리 단계 중에 적층부에 1bar까지의 굳는 압력을 생성한다. 진공을 가하면 적층부가 처리 중에 도구 표면과 접촉을 유지함을 또한 보장하고 이렇게 하여 최종 부품이 도구의 형상에 일치함을 보장한다.
본 명세서에서 사용될 때 용어 "수지침투가공재(pre-preg)"는 예를 들어, 주형에 적층되기 전에, 제-자리(in-situ)의 중합반응가능한 열가소성 재료 또는 열경화성 또는 열가소성 중합반응가능하거나 또는 프리폴리머(prepolymer) 재료와 같은, 수지 재료로 미리-함침된 탄소 섬유, 유리 섬유, 화강암 섬유, 금속 섬유 또는 다른 섬유질 재료와 같은 섬유질 재료를 의미한다. 수지는 일반적으로 섬유들 사이의 제자리에 있다. 용어 '사전-증착된(pre-deposited)'은 그 위에 수지 재료가 예를 들어, 주형에 적층되기 전에, 증착되어 있는 섬유질 재료를 의미한다. 이 경우에 수지는 섬유들의 한 측면에만 또는 상부에 있을 수 있다. 용어 "사전-함침된 재료(pre-impregnated material)"는 사전-증착된 재료를 포함하는 것으로 다루어야 하고, 이러한 타입들의 재료들은 수지침투가공재로 불릴 수 있다.
희생형 백은 특히 열경화성 수지침투가공재와 함께 사용하기 적합하다. 사실, 희생형 백은 휘발성 유기 성분들을 주변환경으로부터 지켜준다. 열경화성 수지는 특수한 공기 여과를 필요로 하지 않고 섬유들 상에 분말, 펠릿 또는 입자 형태로 작업자에 의해 분배될 수 있다.
수지침투가공재는 임의의 적절한 열경화성 또는 열가소성 수지침투가공재를 포함할 수 있다. 그러므로, 양호한 실시예에서, 본 발명은 열경화성 또는 열가소성 수지침투가공재들로부터 윈드 터빈 블레이드들을 제조하기 위해 1회 공정을 사용하는 것을 제공한다. 열경화성 또는 열가소성 수지침투가공재들은 중합반응되거나 또는 프리폴리머 형태이다. 적절한 열가소성 재료들은 유럽 특허출원 제 06076443.8호에 설명된 것들이 포함된다.
적절한 열경화성 재료들에는 예를 들어, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 열경화성 폴리우레탄 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지 및 실리콘 수지가 포함된다.
본 발명에 따라 사용하기 적절한 수지 재료들에는 사이클릭 폴리(1,4-부틸렌 테레프탈레이트) (CBT), 고온 에폭시, 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)가 포함된다.
수지침투가공재는 사이클릭 폴리(1,4-부틸렌 테레프탈레이트) (CBT)와 유리 섬유 매트(mat); 에폭시와 유리 섬유 또는 탄소 섬유; 그리고 유리 섬유-보강된 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 수지침투가공재는 CBT와 유리 섬유 매트를 포함한다. 사이클릭 폴리(1,4-부틸렌 테레프탈레이트) (CBT)는 활성화된 매크로사이클릭 폴리에스터 저중합체이고, 이는 중합반응할 때 미국특허 제 6,369,157호를 포함하는 Cyclics Corporation에 의한 많은 특허들에 설명된 것과 같은 PBT 중합체를 형성한다. 1파트(one-part) CBT 시스템은 일반적으로 중합반응 촉매와 함께 CBT의 혼합물을 포함한다. 이는 바람직하게는 1파트 고체 형태로 있다. 이 1파트 시스템의 장점은 촉매의 추가를 위한 별개의 혼합 단계를 실시할 필요가 없다는 것이다.
다르게는, 수지침투가공재는 IQ Tec Germany GmbH에 의해 상표명 PreTec EP로 판매되는 것과 같은 반응열 경화성 열경화성 수지로 함침된 섬유-보강 시트를 포함하는 것이다. 이러한 수지침투가공재는 AKZO NOEL로부터 입수가능한 RESICOAT 수지와 Freilacke로부터 입수가능한 FREOPOX 수지와 같은 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 이러한 수지침투가공재는 본 명세서에 설명하는 보강된 주형이 이러한 수지침투가공재의 처리 온도 이상의 온도들로 가열될 수 있으므로 본 발명에 따라 사용하기 특히 적합하다. 이러한 수지침투가공재에 사용되는 수지들은 전형적으로 180℃ 이상의 온도에서 열을 가해 활성화되고, 이 주형이 이러한 수지침투가공재를 처리하기 위해 180℃ 이상의 온도에서 충분히 내구성이 있다는 것이 본 명세서에서 설명하는 주형(도구)의 장점이다. 종래의 열경화성 수지침투가공재를 사용하여 구성된 주형(도구)는 이러한 수지침투가공재를 처리하기 위한 열적 내구성을 갖지 않는다. 본 발명의 추가 장점은 이러한 반응열 경화성 열경화성 수지가 경화 중에 발열 반응을 보이지 않으므로, 예를 들어, 대형 윈드 터빈 블레이드의 스파 캡들에서 또는 허브-단부에서 발견되는 바와 같이, 두꺼운-섹션 복합재들의 급속 경화에 이들이 특히 적합하게 한다는 것이다. 이러한 열경화성 수지들은 가열될 때 매우 낮은 점성을 보이며, 이는 용입 공정을 필요로 하지 않는 매우 양호한 수지 분포를 보장한다. 또한, 이에 의해 수지 품질이 복합재의 섬유 체적 비율을 증가시키기 위해 정교하게 구성될 수 있다.
수지침투가공재는 준비되어 도구 상에 적층되거나 또는 다른 작업라인에서 준비될 수 있다. 적절하게는 수지침투가공재는 분말 증착 공정에 의해 준비되어 분말이 유리 또는 탄소 섬유 상에 퍼지고, 예를 들어, 분말을 섬유에 짜넣기 위해 가열되고 롤러들을 통과한다. 그 다음에 수지침투가공재는 도구 상에 배치되고 필요에 따라 물품의 각 부분에 대한 적층부들을 형성하게 사용될 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 공정에 의해 얻을 수 있는 복합재 물품을 추가로 제공한다.
본 발명에서 복합재 물품들에 적용될 때 용어 "대형" 또는 "보다 큰"은 종래기술의 부분들 또는 섹션들로 통상적으로 구성하는 사이즈인 물품들 또는 요소들에 대한 것이다. 예를 들어, 특정 사이즈 이상에서, 물품의 섹션들은 일반적으로 이후에 함께 결합하도록 별개로 구성되고 물품의 완전성은 섹션들 간의 각각의 결합부를 따라 일반적으로 타협된다. 일반적으로 복합재 재료들은 임의의 개개의 구성요소에 존재하지 않는 구조적 또는 기능적 특성들을 생성하게 조합되는 구성요소들로 구성된다. 많은 응용예들에서, 사용하기에 매력적인 재료로 하는 것은 복합재 재료의 강도이다. 이 강도를 타협하는 것은 복합재를 의도한 최종-용도에 대해 덜 적합하게 한다. 전형적으로 이러한 대형 또는 보다 큰 복합재 물품들은 5m 이상, 예를 들어, 15m 이상과 같은 10m 이상인 하나 이상의 치수(보통 길이)를 갖는다. 본 발명에서 이러한 대형 복합재 물품들은 어떠한 별개의 결합부없이 만들어질 수 있다. 본 발명에서 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 또는 85m 이상인 하나 이상의 치수(보통 길이)로 물품들을 생성할 수 있다.
본 발명은 보다 큰 구조 요소 또는 물체들에 특별한 관심이 있지만, 이에 한정되지 않고 보다 작은 물체들에 활용될 수 있다. 용어들 "구조 요소, 복합 물품 등"은 복합재 재료들로 구성되는 모든 물품들을 포함한다. 복합재 재료들로 만들어지는 물품들에는 건축 요소, 자동차 패널과 구조재와 같은 차량 요소, 선박 선체와 같은 해양 구조물, 날개와 제어면들과 같은 항공기 요소들이 포함된다. 이러한 모든 물품들은 본 발명의 공정들에 의해 및 본 발명의 복합재들을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 예를 들어 하기에 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주형의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 주형의 일부의 단면도이다.
도 3은 가열 테이프들의 배치를 예시하는 부분적으로 제조된 주형의 섹션의 도면이다.
도 4는 희생형 백에 봉입된 스파의 적층부의 도면이다.
도 5는 도구의 상부 및 하부 반쪽들에서 블레이드의 각각의 반쪽의 적층부를 보이는 도면이다.
도 6은 희생형 백에 봉입된 스파와 블레이드의 하나의 반쪽의 적층부의 도면이다.
도 7은 스파와 블레이드의 상부 및 하부 반쪽들과 함께 닫힌 도구의 단면도이다.
그러므로 본 발명은 중합체 복합재의 고온 성형에 적합한 보강된 주형(도구)과; 이 보강된 주형을 사용하여 복합재 물품을 제조하기 위한 공정 및 보강된 주형의 제조에 대한 공정을 제공한다.
도 1은 윈드 터빈 블레이드, 항공기 동체의 섹션들, 대형 자동차 및 수송 패널 또는 금속 주형과 가압처리기 또는 오븐 조합을 사용하여 성형하기 일반적으로 부적합한 다른 대형 구성요소와 같은, 비교적 대형인 복합재 및/또는 플라스틱 구성요소들을 성형하는데 사용하기 위한 주형(10)을 도시한다.
이러한 구성요소들은 일반적으로 적어도 2m 높이이거나, 또는 적어도 5㎡의 표면적을 갖는다. 주형(10)은 2개의 주형 섹션(14, 16)을 포함한다. 각각의 섹션(14, 16)은 섹션(14, 16)들이 서로에 대해 정확하고 단단히 위치하게 하기 위해 외주(peripheral) 플랜지(18)를 포함한다. 플랜지(18)들은 성형에 사용시 섹션(14, 16)들을 지지하기 위해 프레임(도시않음)을 고정하는 지점으로서 작용할 수도 있다. 각각의 섹션(14, 16)은 끝과 끝이 클램핑된 둘 이상의 쌍의 더 짧은 섹션(14, 16)들로부터 특히 긴 주형(10)이 형성될 수 있도록, 하나 또는 두 단부에 플랜지(20)를 포함할 수도 있다. 각각의 섹션(14, 16)은 그 안에 탄소 섬유-보강된 중합체의 층(30)이 매립된 세라믹 재료(28)의 몸체(도 2)이다.
주형(10)은 진공 하에서 고체화될 수 있는 재료들, 예를 들어, 열가소성 플라스틱과 열경화성 복합재들의 처리에 특히 적합하다. 도 1에서 주형(10)과, 특히 그 내부 가공면(22)은 예를 들어, 윈드 터빈 블레이드의 뿌리 부분 또는 항공기 동체의 섹션을 성형하는 경우에서와 같은 실질적으로 원통형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 가공면(22)은 성형될 물품의 형상에 따라 임의의 원하는 형상일 수 있다. 예를 들어, 주요 길이의 윈드 터빈 블레이드를 성형하는 경우에서와 같이, 도 3에 도시한 바와 같은 실질적으로 타원형 또는 익형 단면일 수 있다.
주형(10)의 비교적 큰 사이즈로 인해, 그 사이즈와 같은, 주형(10) 내에 형성되는 재료를 경화하기 위해 가압처리기 또는 오븐 등에서 이를 가열하는 것은 실용적이지 않으므로 이러한 가압처리기 또는 오븐의 비용과 복잡성은 대단하다. 그러므로, 주형(10)은 도 2 및 도 3의, 그 안에 매립된 가열 요소 또는 와이어(24)들의 배열에 의해 일체로 가열된다. 도 2는 주형(10)의 일부분의 단면도이고, 이 동일한 단면이 가공면(22)을 둘러싸고 형성하는 주형(10)의 모든 부분들, 및 바람직하게는 외주 플랜지(18)들과 (존재한다면) 단부 플랜지(20)들에도 적용되는 것으로 이해되어야 한다. 도 3은 부분적으로 제조된 상태(제조 공정은 하기에 주어짐)의 상부 섹션(14)을 도시한다. 가열 와이어(24)들은 바람직하게는 고온 가요성 금속 가열 요소와, 특히 예를 들어, 상표명 AMPTEK AWO 표준 절연된 가열 테이프로서 공급되는 바와 같은 가열 테이프를 포함한다.
가열 와이어(24)들은 주형(10)의 사용시, 가공면(22), 따라서 성형될 재료를 가열하기 위해 주형(10)의 가공면(22)에 인접하게 위치한다. 가열 와이어(24)들은 주형면(22) 및 재료를 원하는 구성요소를 생성하기 위해 바람직하게는 진공하에서 가공면(22)의 형상과 일치할 수 있도록 충분히 연한 상태가 되도록 가열한다. 가열 와이어(24)의 배열의 간격 및 배향은 가공면(22)에 걸친 원하는 열 분포를 달성하고, 특히 가공면(22)의 상이한 영역들이 상이한 온도들로 동시에 가열되도록 하기 위해 특히 중요하다. 이런 식으로 주형(10)이 가공면(22) 상의 특정 위치들에서 주형(10)에 의해 만들어지는 구성요소의 국지적 두께에 열 출력이 일치하게 할 수 있다.
주형(10)은 하기와 같이 제조된다.
단계 1: 적절한 반가공품(blank) 또는 패턴(34; 도 2와 도 3)이 성형될 구성요소의 형상으로 제조된다. 패턴(34) 또는 적어도 그 표면은 주형(10)을 형성하는데 사용되는 재료와 호환되는 재료이다. 패턴(34)은 예를 들어, 작업대(도시않음) 상에 지지된다.
단계 2: 패턴(34)의 상부 노출된 면이 먼저 주형 이형제(release agent; 도시않음)로 커버된 다음에 겔(gel) 코팅 층(26)으로 커버된다. 겔 코팅 층(26) 전에 도포된 주형 이형제는 일단 상부 섹션(14)이 적절히 경화되면, 상부 섹션(14)에 손상을 주지 않고 패턴(34)으로부터 분리될 수 있음을 보장한다(주형의 상부 섹션(14)이 먼저 제조된 후 하부 섹션(16)이 제조됨). 겔 코팅에 양호한 재료들에는 제곱 미터 조직당 30g과 같이, 적절한 경량의 유리 표면 조직과 함께 조합된, 세라믹 알칼리 알루미노실리케이트 또는 칼슘 메타실리케이트가 포함된다. 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 추가 세라믹 재료들이 있음이 이해될 것이다.
단계 3: 섬유-보강된 중합체 섬유의 층(30)이 그 다음에 세라믹 반죽 층(28a) 상에 놓인다. 섬유(30)는 중합체 PEEK의 가닥들 또는 섬유들과 건성 탄소 섬유들의 다발의 혼합된 직물(commingled weave)을 포함한다. 바람직한 재료는 Schappe Techniques SA로부터의 Carbon/PEEK TPFL™이다. 이 재료는 제곱 미터당 650g의 면적당 무게로, 혼합된 2D 편직물 60/40%(Vf 53%)의, 4-수자직(Satin-weave)이다. PEEK는 343℃의 온도에서 녹는다.
단계 4: 세라믹 반죽의 추가 층(28b)이 직물(30)에 롤러로 도포 및 가공되어 세라믹 반죽을 직물에 완전히 침투시키고 혼입된 공기를 제거한다. 마무리된 층 두께는 전형적으로 층당 1.5mm이다.
단계 5: 단계 3 내지 단계 5는 섬유층(30)들이 매립된 세라믹 반죽(28)의 두꺼운 층을 구성하도록 2번 반복된다.
단계 6: 가열 요소(24)들이 세라믹 반죽(28)의 노출된 면에 층으로서 적용된다. 가열 요소들은 미국 Amptek이 공급하는 타입의 소위 가열 테이프에 포함된 와이어일 수 있다. 예정된 길이의 테이프(24)가 미리 준비된다. 테이프가 롤로부터 잘리고, 단부들이 준비되고 저항이 확인된다. 이 길이들의 테이프(24)가 세라믹 반죽(28) 상에 정확히 놓이고 이들이 그 위치를 유지함을 보장하도록 반죽에 눌린다. 이 단계에서 주형 섹션의 상세한 스케치와 가열 테이프들의 배치가 준비된다.
단계 7: 단계 3 내지 단계 5는 섬유층(30)들이 매립된 일정 두께의 세라믹 반죽(28)을 추가로 구성하고, 구조물에 가열 테이프(24)들을 매립하기 위해 2번 더 반복된다. 총 두께는 10-20mm 범위이다.
단계 8: 이후에 주형 섹션이 밤새 60℃에서 경화되고 이 단계에서 이형된다(패턴(34)으로부터 제거됨). 이형 단계는 고온 공기 유동이 생성되는 터널에서 실시될 수 있다. 이 단계는 도구에 남아 있을 수 있는 어떠한 습기도 제거하는 것을 돕는 장점을 또한 갖는다. 100℃ 이상으로 추가로 가열하면 남아 있는 임의의 잔류 습기를 완전히 제거한다.
단계 9: 이형 후에, 가열 테이프(24)들의 모든 단부가 앞서 준비된 스케치에 따라 배치 및 라벨이 붙여진다. 각각의 가열 테이프의 저항(resistance)은 모든 종결(termination)들이 정확함을 보장하기 위해 점검된다. 그 다음에 가열 테이프들은 적절한 외부 제어 회로에 연결된다. 이 단계에서 주형 섹션이 매립된 가열 시스템을 사용하여 가열될 준비가 된다.
단계 10: 주형 섹션은 중합체 섬유들을 녹이고 탄소 섬유들과 중합체 간의 접합을 생성하기 위해 약 390℃까지 된다. 이 접합은 주형의 구조적 강도를 크게 증가시키고, 이는 세라믹을 단독으로 사용하여 달성가능한 것보다 전형적으로 3.5배이다.
이는 상부 섹션(14)의 제조를 완료한다. 패턴(34)은 이제 뒤집혀, 패턴의 이전의 바닥 측면이 최상단이고, 전체 공정이 하부 섹션(16)을 형성하기 위해 반복된다.
주형(10)은 이제 원하는 구성요소, 예를 들어, 12m 이상의 길이일 수 있는, 윈드 터빈 블레이드를 생산하는데 사용될 준비가 되어 있다. 이러한 치수들의 구성요소들은 이러한 윈드 터빈 블레이드들이 종래의 방식으로 제조되는 중합체 복합재의 처리 및 고체화를 돕기 위해, 가압처리기 또는 오븐 등에서 주형이 가열될 것을 요구하는, 종래의 성형 기술에 의해 제조하기 부적합하다.
가열 와이어(24)들은 바람직하게는 100℃ 내지 500℃의 가공면(22)에서의 온도를 생성하게 구성된다. 정확한 온도는 주형(10)에서 처리될 재료의 성질에 따른다. 예를 들어, 폴리프로필렌과 폴리아미드 6, 폴리아미드 12, 폴리아미드 11과 폴리부틸렌 테레프탈레이트와 같은 열가소성 모재 재료들은 180℃ 내지 240℃의 온도에서 처리될 수 있다. 폴리에스테르와 에폭시와 같은 열경화성 모재 재료들은 200℃ 이하에서 처리될 수 있다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 다른 열가소성 재료들은 250℃ 내지 300℃에서 처리될 수 있다. 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤과 폴리에테르케톤케톤과 같은 다른 열가소성 중합체들은 300℃ 내지 400℃에서 처리될 수 있다.
가열 수단(24)에 대한 전력 등급은 전형적으로 가공면(22)에서 5 ㎾/㎡ 내지 30 ㎾/㎡의 범위이지만, 물론 요구되는 특정한 생산율, 처리될 재료의 두께 또는 국지적 두께에 맞게 바뀔 수 있다. 전력량 밀도는 주형(10) 내에서 국지적으로 처리될 재료의 타입과 두께의 국지적 편차들에 맞도록 국지적으로 바뀔 수도 있다. 이는 그 열 출력이 성형되는 구성요소의 시방서에 정확히 맞도록 열출력을 원하는 대로 만들기 위해 개별적으로 바뀌거나 또는 예정된 그룹들로 바뀔 수 있는, 가열 와이어(24)들의 배열을 사용하는 주요 장점들 중 하나이다. 이를 위해, 각각의 개개의 가열 와이어(24) 또는 다르게는 가열 와이어(24)들의 그룹들이 지정된 전기 단자(도시않음)들을 구비하여 이러한 가공면(22)의 상이한 가열을 허용할 수 있다.
본 발명은 윈드 터빈 블레이드들과 같은 복합재 물품들의 제조를 위해 단일 경화 사이클(1회) 공정을 또한 제공한다. 본 명세서에서 설명하는 보강된 주형은 설명한 1회 공정에 특히 적합하다. 본 발명의 이 특징은 대형 윈드 터빈 블레이드의 제조에 관해 설명되었지만 본 발명은 윈드 터빈 블레이드들에 한정되지 않고 복합재로 구성된 다른 물품들도 만들 수 있음이 이해될 것이다.
하기의 예는 윈드 터빈 블레이드의 제조를 위해 본 발명의 일 측면에 따른 공정을 예시한다. 본 발명에 따른 보강된 주형은 복합재 물품을 만드는데 사용될 수 있다.
예
이 예에서, CBT 열가소성 윈드 터빈 블레이드가 CBT와 유리섬유 매트로부터 형성된 수지침투가공재를 사용하여, 본 발명의 공정에 따라 제조되었다. 당업자는 다양한 사이즈들의 블레이드들 또는 블레이드 섹션들이 본 발명에 따른 공정을 사용하여 제조될 수 있음을 이해할 것이다.
이 예에서, 수지침투가공재를 제조하는데 사용된 공정은 CBT 또는 에폭시 분말이 가열된 섬유 매트의 상부에 펼쳐지고 분말을 섬유에 짜넣기 위해 롤러를 통과한 분말 증착이었다. 적절한 수지 재료를 포함하는 상업적으로 입수가능한 수지침투가공재가 사용될 수도 있음이 이해될 것이다.
하기의 단계들이 블레이드의 제조에 포함된다:
ㆍ 재료 준비
ㆍ 도구 준비
ㆍ 적층부 지지
ㆍ 재료 적층
ㆍ 가열 사이클
재료 준비
설명한 실시예에서, 블레이드 섹션은 하기의 원재료로 구성된다:
Cyclics Corporation이 공급하는 CBT 160 분말
Ahlstrom Glassfibre가 공급하는, 1152 g/㎡의 면적당 무게를 갖는 0°/90°유리 섬유
Ahlstrom Glassfibre가 공급하는, 600 g/㎡의 면적당 무게를 갖는 +/-45°유리 섬유
110 ㎏/㎥의 밀도의, Fagerdala Hicore로부터의 PET 폼(foam)
표 1은 12.6m 블레이드에 사용되는 재료 적층부의 세부사항을 제공한다.
뿌리 단부(mm) 첨단부(mm) 재료
스킨 7 3.4 +/-45°유리
스파 캡 10.8 10 0°/90°유리
스파 3 3 +/-45°유리
발포 스파 10 10 PET
발포 스킨 15 10 PET
예로서 본 명세서에서 설명하는 실시예에서, 약 14 층의 +/-45°수지침투가공재가 블레이드 섹션의 뿌리 단부에서 스킨들을 준비하는데 필요하다. 약 7층의 수지침투가공재가 블레이드 섹션의 블레이드 섹션의 첨단부(tip end)를 향하는 것이 요구된다. 블레이드의 하부 반쪽에 대해 스킨들은 중첩하도록 각각의 측면에서 약 100mm 연장되었다. 스파 캡들은 뿌리 단부에서 7층의 수지침투가공재를 그리고 첨단부를 향해 10층이 요구된다. PET 폼은 웹(web)(스파)들과 스킨들 모두를 위해 절단되었다. 적층부들은 블레이드의 스킨들을 형성한다.
적층부 지지:
본 발명에 따른 공정은 블레이드 섹션이 1번에 처리될 수 있게 한다. 유리 섬유 CBT 수지 수지침투가공재와 폼을 포함하는 적층부가 준비되었다.
블레이드 적층부를 구성하는데 관련한 제 1 단계는 유리 섬유 CBT 수지침투가공재를 도구(주형)의 하부 반쪽에 배치하는 것이었다. 사용된 유리 섬유의 양은 적층부의 두께를 결정한다.
다음 단계는 스파(1)들의 준비에 대한 것이었다. 도 4에 도시한 바와 같이, 이들은 수지침투가공재(2)와 PET 폼(3)의 층들을 사용하여 구성되었다. 그 다음에 복합재 적층부가 희생형 백(4)에 둘러싸이고 진공이 가해졌다. 진공은 진공 라인(5)에 의해 가해졌다. 도 5는 도구(10)의 상부(14) 및 하부(16) 반쪽들에서 블레이드의 각각의 반쪽의 적층부(6, 7)를 도시하며, 희생형 백(4)은 각각의 적층부(6, 7)들 상에 적용되어 있다. 도 6을 참조하면, 그 다음에 스파(1)의 적층부가 도구(10)의 하부 반쪽의 수지침투가공재(6)의 상부에 배치되고 다른 희생형 백(9)이 스파(1)와 수지침투가공재(6) 상에 배치되었다. 백(9)은 주형(도구) 에지(35)에 대해 밀봉되고 진공이 가해졌다. 그 다음에 적층부의 모든 요소들은 진공에 의해 제 위치에 고정되었다.
동일한 절차가 도구의 상부 반쪽을 준비하기 위해 실행되었다.
도 7을 참조하면, 나일론 진공 백(11)이 도구를 닫기 전에 도구(10)의 하부 반쪽(16) 상의 스파(1)의 양 측면 상에 배치되었다. 그 다음에 도구(10)의 상부(14) 반쪽이 도구의 하부(16) 반쪽 상에서 회전되어 배치되었다. 나일론 진공 백(11)은 단부들에서 함께 접합되었고 도구(10)에 대해 밀봉되었다. 진공이 가해졌다. 이 시스템은 누설이 없음을 보장하기 위해 점검되었다. 그러면, 적층부가 처리될 준비가 되었다.
주형(도구)(10)이 닫히고 고온 나일론 진공 백(11)들이 내부에 배치되었을 때, 진공이 주형(10)과 진공 백 사이에 가해지고, 그 다음에 모든 구성요소 부분들이 처리를 위해 제 위치에 고정된다. 희생형 백들은 더 이상 필요하지 않고 온도가 증가함에 따라 녹아, 스파(1)들과 스킨(1)들과 같은 상이한 부분들이 하나의 부품으로 함께 용융하게 한다. 진공 백(들)을 사용하면 부품 적층부를 담는 백(들)과 도구(주형) 사이의 체적이 생성될 수 있게 한다. 이 체적으로부터 공기를 진공화하면 처리 단계 중에 적층부에 1bar 이하의 고체화 압력을 생성한다. 이 압력은 양호한 품질의 복합재 구조물을 생산하는데 필요하다. 진공을 가하면 적층부가 처리 중에 도구 표면과 접촉을 유지함을 보장하고 이렇게 하여 최종 부품이 도구의 형상과 일치함이 보장된다. 부가적으로 그리고 도 7을 참조하면, 스파(1)가 점유하는 공간이 2개의 진공 백(11)들 사이에서 진공 압력을 받는다. 이 진공 압력은 스파에 대한 고체화를 제공하는 작용을 한다.
가열 사이클:
도구 가열과 내부 공기 가열의 조합이 전체 적층부를 적절한 온도로 가열하는데 사용되었다. 바람직한 온도는 170℃ 내지 210℃의 범위이다. 적층부가 가열됨에 따라 희생형 백이 녹고 CBT에 포함되게 되어 스파(1)와 스킨(12)들 사이의 모든 장벽을 제거하여 상부 및 하부 스킨들이 함께 용융하게 한다. 재료가 완전히 중합반응되었을 때, 구조물은 구조적 완전성을 보장하기 위해 적절한 속도로 냉각되게 되었다.
본 발명을 참조하여 본 명세서에서 설명될 때 단어들 "포함하는(comprises/comprising)"과 단어들 "갖는(having/including)"은 언급한 특징부, 정수, 단계 또는 구성요소들의 존재를 명시하는데 사용되었지만 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단게, 구성요소들 또는 그 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정 또는 변경될 수 있다. 명확성을 위해 별개의 실시예들에 대해 설명된, 본 발명의 특정한 특징들은 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수도 있음이 이해될 것이다. 역으로, 간략함을 위해 단일 실시예에 관해 설명된, 본 발명의 다양한 특징들이 임의의 적절한 하위-조합으로 또는 별개로 제공될 수도 있다.
10: 주형 14, 16: 주형 섹션
18, 20: 플랜지 22: 가공면
24: 와이어 26: 층
28: 세라믹 재료 28a: 세라믹 반죽 층
30: 층 34: 패턴

Claims (17)

  1. 고분자 복합재 성형을 위한 주형 제조 방법으로서,
    그 경화 온도가 중합체의 용융점보다 작은, 펼쳐질 수 있는 세라믹 재료 내에 섬유-보강된 중합체의 하나 이상의 층과 다수의 가열 요소들을 매립하는 단계와, 고체 세라믹 몸체를 만들어 내기 위해 중합체의 용융점보다 낮은 온도에서 세라믹 재료를 경화시키는 단계와, 중합체의 용융점 이상의 온도에서 세라믹 몸체를 가열하는 단계를 포함하는 주형 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 매립 단계는:
    (a) 펼쳐질 수 있는 세라믹 재료의 제 1 층을 주형 패턴에 적용하는 단계,
    (b) 섬유-보강된 중합체의 층을 제 1 층에 적용하는 단계,
    (c) 세라믹 재료의 제 2 층을 섬유-보강된 중합체에 적용하고 이를 안으로 넣는 단계,
    (d) 선택적으로 단계 (a) 내지 단계 (c)를 1회 이상 반복하는 단계,
    (e) 세라믹 재료의 노출된 표면에 가열 요소들의 층을 적용하는 단계, 그리고
    (f) 세라믹 재료의 추가 층으로 가열 요소들의 층을 커버하는 단계를 포함하는 주형 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 (f)는 단계 (a) 내지 단계 (c)를 1회 이상 반복하는 단계를 포함하는 주형 제조 방법.
  4. 청구항 1, 2 또는 3에 있어서,
    상기 섬유-보강 중합체 층은, 중합체의 섬유들로 편직된, 탄소, 유리, 금속 또는 화강암 섬유들, 또는 이들의 혼합물들을 포함하는 주형 제조 방법.
  5. 청구항 1, 2 또는 3에 있어서,
    상기 섬유-보강 중합체 층은 중합체의 섬유들과 짜여진 탄소 섬유들을 포함하는 주형 제조 방법.
  6. 청구항 1, 2 또는 3에 있어서,
    상기 섬유-보강 중합체 층은 중합체가 증착된 탄소, 유리, 금속 또는 화강암 섬유들을 포함하는 주형 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    중합체는 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에틸렌 설파이드(PPS), 폴리에테르이미드(PEI)와 폴리에테르케톤케톤(PEKK)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 주형 제조 방법.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    세라믹 재료를 건조시키기 충분한 시간동안 25℃ 내지 100℃ 범위의 온도로 주형을 가열하는 단계를 더 포함하는 주형 제조 방법.
  9. 고분자 복합재를 성형하기 위한 주형으로서,
    다수의 가열 요소와 내부에 매립된 섬유-보강된 중합체의 적어도 하나의 층을 갖는 세라믹 몸체를 포함하는 고분자 복합재 성형용 주형.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 섬유-보강된 중합체 층은 중합체의 섬유들로 편직된 탄소 섬유들을 포함하는 고분자 복합재 성형용 주형.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 섬유-보강된 중합체 층은, 중합체의 섬유들과 짜여진, 탄소, 유리, 금속 또는 화강암 섬유들, 또는 그 혼합물들을 포함하는 고분자 복합재 성형용 주형.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 섬유-보강된 중합체 층은, 중합체가 그 위에 증착된, 탄소, 유리, 금속 또는 화강암 섬유들을 포함하는 고분자 복합재 성형용 주형.
  13. 청구항 9 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중합체는 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에틸렌 설파이드(PPS), 폴리에테르이미드(PEI)와 폴리에테르케톤케톤(PEKK)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 고분자 복합재 성형용 주형.
  14. 복합재 물품의 제조를 위한 공정에 청구항 9 내지 13 중 어느 한 항에 따른 주형을 사용하는 방법으로서,
    (i) 물품의 원하는 적층부를 구성하는데 충분한 양으로 섬유질 수지침투가공재의 하나 이상의 층을 도구(주형) 상에 제공하는 단계;
    (ii) 상기 재료에 열과 진공을 가하는 단계; 그리고
    (iii) 복합재 물품을 형성하기 충분한 시간동안 상기 도구(주형)에 충분한 열과 진공을 유지하는 단계; 를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 적층부는 단계 (ii) 전에 희생형 백으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 주형 사용 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 방법은:
    (a) 수지침투가공재를 포함하는 하나 이상의 적층부를 제공하는 단계;
    (b) 희생형 백에 각각의 적층부를 봉입하고 진공을 가하는 단계; 그리고
    (c) 희생형 백이 각각의 적층부의 수지침투가공재를 제 위치에 잡아주고 열을 가하면 녹도록, 단계 (ii) 전에 적층부들을 함께 배치하는 단계; 를 더 포함하는 주형 사용 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    수지침투가공재는 열경화성 또는 열가소성 수지침투가공재를 포함하는 주형 사용 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 수지침투가공재는 사이클릭 폴리(1,4-부틸렌 테레프탈레이트) (CBT)와 유리 섬유 매트; 에폭시와 유리 섬유 또는 탄소 섬유; 및 유리 섬유-보강된 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 주형 사용 방법.
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