KR20120036969A - 첨단 복합재료 제조 방법 - Google Patents

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KR20120036969A
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닐 데릭 브레이 그레이엄
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퀵스텝 테크놀로지즈 피티와이 리미티드
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Abstract

본 발명의 일 양태에서, 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법은 수지를 표면에 도포하고, 수지는 고화되어 수지층을 형성하고, 수지층과 대체로 평행한 x 방향을 따라 강화 수단을 제공하고, 수지층과 대체로 평행하고 x 방향과 소정의 각도를 이루는 y 방향을 따라 강화 수단을 제공하며, 그 다음 단계에서 x 방향 및 y 방향에 대체로 수직인 z 방향에 강화 수단을 제공한다. 본 발명의 다른 양태에서, 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법은 액화된 수지를 몰드의 몰드 표면에 도포하고, 수지는 고화되어 몰드 표면에 수지층을 형성하고; 수지층 위에 복합재료 적층체를 배치하고; 제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드 조립체와 마주보는 관계로 배치되며; 액화된 수지를 몰드와 마주하는 반대편의 표면에 추가적으로 도포하고, 반대편의 표면의 수지가 고화되어 반대편의 수지층을 형성하므로 복합재료 적층체는 상기 수지층들 사이에 배치될 수 있으며; 수지층들이 액화되고 복합재료 적층체는 압축되고, 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체를 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시킨다.

Description

첨단 복합재료 제조 방법{METHOD OF PRODUCING ADVANCED COMPOSITE COMPONENTS}
본 발명은 유리 섬유, 탄소 섬유, 케브라(Kevlar)(등록 상표), 에폭시 및 다른 수지 등의 복합재료로 형성된 패널 부품, 관형상 부품 및 첨단 복합재료 부품의 제조에 관한 것이다.
본 발명은 일반적인 주위 온도에서 고체 상태로 존재하는 수지들을 사용한다. 그러므로, 본 발명은 에폭시 폴리에스테르 및 아크릴과 같은 열경화성 수지를 사용할 수 있고 본 발명은 이러한 재료들을 사용하여 명세서에서 설명될 것이다. 그러나, 또한 본 발명은 열가소성 재료, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌과 같은 저온 열가소성 수지 및 PEEK(폴리에테르에테르케톤)과 같은 고온 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 따라서 본 명세서에서의 용어 "수지"는 이러한 범주의 재료를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원인의 국제출원번호 PCT/AU02/00078에는, 첨단 복합재료 부품을 제조하기 위한 다수의 상이한 방법 및 시스템이 기재되어 있다. 기재된 방법 중의 하나의 방법에서, 실온에서 고체인 매우 점성이 높은 수지는 가열을 통해서 액화되고 그 후에 몰드 표면에 도포된다. 도포된 후에 수지는 냉각되어 굳어지고, 이에 의해 몰드 표면에 고화된 수지층을 형성한다. 수지의 고화는, 상대적으로 낮은 온도에서 액체가 순환되고 몰드의 아래에 배치된 관형상 냉각 장치 또는 냉각 블래더(bladder)와 같은 수단을 사용하여 몰드 표면을 냉각시킴으로써 촉진될 수 있다. 수지를 도포하는 바람직한 방법은 분무시에 몰드 표면에 충돌하는 액화된 수지에 의해서 몰드 표면으로부터 공기가 흩어지게 하는 분무(spray) 장치를 사용하는 것이지만, 상기 본 출원인의 국제출원의 일부로서 설명된 바와 같이 수지가 고화되기 전에 수지의 균일한 분배를 보장하기 위하여 몰드에 용융 액상 형태의 수지를 도포하기 위해서 사용될 수 있는 다양한 방법을 고려할 수 있다. 수지층이 몰드 표면에 형성되어 고화되면, 최종적인 적층 복합재료를 형성하기 위하여, 그 다음에 직물 또는 조합하여 형성된 직물층 또는 예비 성형 직물 또는 붕대와 같은 다른 형태로 섬유 다발층(bundle layer) 및 적어도 하나의 수지 유동 속도 제어 필름이 고화된 수지층 위에 놓여질 수 있다. 유동 속도 제어 필름은 후속되는 경화(curing) 과정에서 섬유 다발층을 통한 수지의 유동 속도를 제어하기 위하여 수지층과 섬유 다발층 사이에, 또는 상이한 섬유 다발층들 사이에 놓여질 수 있다. 그 다음에 진공 필름이 최종적인 적층 복합재료 위에 놓여져서 몰드 섹션을 밀봉하므로 진공 필름 아래의 적층 복합재료로부터 공기가 제거되게 할 수 있다. 수지가 고화됨에 따라 복합재료 부품 및 직물내의 개방된 통로를 따라 빠져나온 공기가 배출되어 완전한 진공이 이루어질 수 있다. 후속 경화 공정에서, 수지 및 섬유 다발층에 열과 압력이 가해지며, 이에 의해 수지가 다시 액화되고 모든 공기가 복합재료 부품으로부터 제거되기 전에 수지 유동 경로가 막히지 않도록 제어된 방식으로 액화된 수지 안으로 섬유 다발층이 잠겨지도록 한다. 이와 같이 복합재료 부품의 제어된 젖음은 용융 수지의 열파(heatwave)의 전방에서 공기가 제거되는 것을 보장하는 방식으로 수지를 용융시키기 위하여 복합재료 부품을 가로질러 열파에 의한 일련의 열을 사용함으로써 촉진될 수 있다. 본 출원인의 특허에 기재된 것에 의해서 발생되는 바와 같은 높은 온도와 압력 및 진동이 몰드 및 적층 복합재료에 가해질 수 있고 적층 복합재료로부터 잔존하는 공기가 빠져나가도록 작용하므로, 제조되는 최종적인 첨단 복합재료 부품은 강도 및 인성이 높은 경량의 부품이다.
초기에 수지를 몰드 표면에 도포하는 것은 이하에 설명하는 바와 같은 다수의 장점이 있다.
a) 프리프레그, 수지 필름 함침(RFI : Resin Film Infusion) 또는 수지 이송 성형(RTM : Resin Transfer Moulding)과 같은 다른 제조 방법에서 발생하는 몰드 표면과 적층 복합재료 사이의 간극에 공기가 갇히는 것이 최소화 또는 제거된다.
b) 대다수의 경우에 수지 주입 지점으로부터 진공 흡입 지점까지 수 미터에 이르는 거리에 걸쳐서 복합재료 부품을 가로질러 수지를 이동시키는 것을 필요로 하는 수지 이송 성형 또는 함침 성형 등의 액체 제어 성형 기술과 대조적으로, 수지는 일반적으로 수 밀리미터의 적층 두께를 통하여 이동하기만 하면 된다.
c) 수지는 복합재료 부품에 걸쳐서 제어된 두께의 연속적인 층이기 때문에, 복합재료 부품의 크기와 상관없이 수지는 제어된 균일한 방식으로 복합재료 부품을 통하여 이동하여 적셔지게 할 수 있다. 이것은 대다수의 경우에 수지가 반응하기 시작하고 점성이 증가하며 굳어지기 시작하기 전에 복합재료 부품을 신속하게 적시기 위하여 다수의 수지 스트림(stream)이 사용되어야만 하는 액체 제어 성형 방법과 대조를 이루는 것이다. 복수의 수지 스트림은 일부 지점에서 서로 접촉하게 되며 스트림의 접촉 지점에서는 두 스트림 사이에 공기가 갇히게 될 가능성이 있어서 이들 지점에서 특성 저하 및 스트림 접촉의 라인을 따라 약화가 나타난다.
d) 필요한 표면에 대한 수지의 양호한 제어 및 더욱 균일하고 정밀한 분배를 촉진하며 섬유 다발을 통하여 용융 수지가 이동할 때 적층체(laminate)를 정확하게 적시고 채우며, 따라서 섬유 다발 내에 수지가 적셔지지 않은 건조한 지점의 발생 가능성을 최소화하고 복합재료 부품의 모든 섹션에서 정확한 수지 제어를 보장한다.
e) 몰드 및 적층 복합재료에 가해지는 온도의 세심한 제어 및 케브라 베일(veils)의 사용을 통하여, 적층 복합재료를 통한 수지 이송 속도는 더욱 정확하고 정밀하게 제어될 수 있다.
f) 수지의 용융 전에 완전 진공으로 공기를 빼내기 때문에 모든 공기가 복합재료 부품으로부터 빠져나거나 또는 제거될 수 있다. 따라서, 수지가 섬유 다발층을 통하여 점진적으로 이동하고 함침됨에 따라 공기는 자연적으로 적층 복합재료의 상부 표면으로 이동하므로 이 방법에 따라 제조된 최종 복합재료 부품에는 공기 방울이 거의 존재하지 않는다.
g) 수지는 주입 지점으로부터 배출 지점까지 긴 거리를 이동하지 않으므로 수지는 낮은 점성 또는 일관된 점성이어야 할 필요가 없다. 따라서, 이 제조 방법에 사용될 수 있는 수지는 일반적으로 구매 비용이 상대적으로 낮고 수지 이송 성형(RTM)과 같은 종래의 제조 방법에 사용되는 종류의 수지보다 긴 사슬 구조를 갖는 종류의 수지이다. 이러한 종류의 수지를 사용하여 제조된 복합재료 제품은 다른 종류의 수지들을 사용하여 제조된 복합재료 부품보다 높은 강도 및 인성을 갖게 된다.
h) 상이한 종류의 수지들이 몰드 표면에 분무될 수 있다. 상이한 수지들이 몰드 표면의 상이한 구역에 분무될 수 있다. 또한 상이한 수지층들이 몰드 표면에 중첩되거나 또는 혼합되는 방식으로 분무될 수 있다.
i) 색소 또는 분말을 함유한 수지가 가열된 상태로 존재하는 동안, 이러한 색소 또는 분말을 함유한 수지층들이 표면에 도포될 수 있다. 이 수지는 도장 또는 겔코트(gel coat) 표면과 동등한 표면을 만드는 반면에 복합재료 부품을 적시기 위하여 복합재료 부품내에 들어갈 때 무게를 증가시키거나 수지를 낭비하지 않으며 항공기 또는 차량에 바로 설치할 수 있는 최종적인 복합재료 부품을 만든다. 이러한 방식의 다른 장점은 복합재료 부품의 섹션, 구역 또는 가장자리들이 매립되게 형성될 수 있고 본 출원인의 국제출원번호 PCT/AU01/00224 기재된 방법하에서 다른 섹션에 혼합되도록 경화되지 않은 상태로 남겨지거나 부분적으로 경화될 수 있다.
그러므로, 본 출원인에 의한 방법에 따라 제조된 첨단 복합재료 부품은 종래의 복합재료 부품 제조 공정을 사용하여 제조된 것보다 우수한 재료 특성을 갖는다.
섬유 다발이 수지층 위에 놓여질 때, 각각의 다발 내의 섬유들은 대체로 수지층의 평면과 평행한 평면에 위치한다. 각각의 인접한 층에 대해 섬유 방향이 90도까지의 각도 범위로 변하면서 십자형으로 서로의 상부에 다른 섬유 다발층이 놓여질 수 있다(이 섬유 방향들은 x 방향 및 y 방향이라 함). 따라서 이 섬유들은 주로 x 방향 및 y 방향에서 최종 복합재료 부품을 강화시키게 된다. 그러나, 섬유 다발의 평면에 대하여 수직인 방향(z 방향이라 함)으로 강화를 또한 제공할 수 있도록 하는 것이 유리하다. 이것은 z 방향으로도 강화를 제공하므로 박리에 대한 현저하게 높은 저항성을 갖는 복합재료 부품을 제공할 것이다.
추가적인 강화, 일부의 경우에는 z 방향으로 추가적인 강화를 제공하기 위하여 수지 또는 섬유 다발에 섬유 침상체(spicules) 또는 나노 입자를 분산시키는 것이 공지되어 있지만, 섬유 침상체 또는 나노 입자가 적층체를 통하여 이동하기 때문에 섬유 침상체 또는 나노 입자의 정렬을 제어하는 것이 곤란하다. 실제로 적층체의 강화를 위한 나노 입자를 사용하는 것은 수지 필름 함침과 같은 공지된 고화 수지 필름의 층에 나노 입자를 추가하거나 살포하고 그 다음에 수지를 용융시켜서 나노 입자가 적층체 내로 들어가고 적층체를 통하여 유동하고 적층체의 층을 통하여 이동할 수 있도록 함으로써 적용되었다. 이것은 나노 입자를 적층체 내에 제공하고 나노 입자를 정렬시키는 점에서는 부분적으로 효과적이다. 그러나, 이것은 비용이 매우 많이 소요되고 복잡한 형상의 부품에 대해서는 달성하기 곤란하며, 수지 필름의 층들 사이에 갇힌 공기를 제거하기 매우 곤란한 것으로 밝혀졌기 때문에 하나 이상의 층의 고화 수지 필름이 몰드 표면에 도포될 때 그 유효성이 제한된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근의 연구 및 개발은 수지 함침과 더불어 나노 입자를 사용하고, 이에 의해 적층체를 통하여 이동하는 수지가 적층체를 통하여 나노 입자를 끌어당기고 공기를 제거하도록 하는 것에 집중되었다. 이러한 시도는 성공적인 것이 아니었는데, 왜냐하면 적층체가 나노 입자를 걸러내고 나노 입자를 덩어리 또는 층으로 남겨두며, 부품의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝까지 또는 두께 방향으로 한쪽 면에서 다른쪽 면까지 정렬 및 균일한 분포가 전혀 이루어지지 않기 때문이다. 출원인이 매사추세츠 기술 연구소인 국제출원번호 PCT/US2007/011914, PCT/US2007/011913 및 PCT/US2008/009996에는, z 방향으로 강화를 제공할 수 있는 정렬된 나노 구조를 이용하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이들 특허출원에 개시된 방법은 정렬된 나노 구조를 성장시키고 그 후에 마주하는 기판 사이의 인터페이스에 위치시키는 것을 요구한다. 따라서, 이러한 방법을 사용하는 것은 실제로 적용하기 곤란하다. 게다가, 이 방법은 적층체를 형성하기 위하여 사용된 고체 수지 필름층, 몰드 표면 및 수지층들로부터, 그리고 복합재료로부터 공기를 제거하는 것과 관련된 문제를 해결하지 못한다.
본 발명의 목적은 전술한 종래기술의 문제를 해결할 수 있는 복합재료 부품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명의 일 양태에 따르면 액화된 수지를 표면에 도포하고 수지는 고화되어 수지층을 형성하고, 수지층과 대체로 평행한 x 방향을 따라 강화 수단(reinforcement means)을 제공하고, 수지층과 대체로 평행하고 x 방향과 소정의 각도를 이루는 y 방향을 따라 강화 수단을 제공하며, x 방향 및 y 방향에 대체로 수직인 z 방향에 강화 수단을 제공하는 것을 포함하는 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법이 제공된다.
수지는 표면에 액화된 수지를 분무함으로써 표면에 도포될 수 있으며, 그 후에 수지는 표면상에서 고화된다. 표면은 수지층을 형성하기 위하여 수지의 고화를 촉진시키는 몰드 표면을 통한 냉각뿐만 아니라 냉각 공기에 의해 스스로 냉각되거나 또는 다른 수단에 의해서 냉각될 수 있다.
표면 자체는 견고한 몰드의 내부 캐비티(cavity)로 제공될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 표면은 카울 플레이트(caul plate)와 같은 다른 견고한 표면, 또는 진공 백 벽면과 같은 유연한 또는 탄성적으로 변형가능한 표면, 또는 수지를 유지하기 위한 가요성 캐리어 또는 개방된 직물 형태로 제공될 수 있다.
x 방향 및 y 방향의 강화 수단은 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 다른 유사한 재료의 섬유 다발층에 의해서 제공될 수 있다. 이들 섬유 다발층은 이하에 설명되는 바와 같은 최종 제조 공정 전에 수지층 위에 놓여 질 수 있다. 다른 바람직한 배열에서, 수지층은 예를 들어 적층체가 코어의 한쪽에 위치되는 것을 요구하는 허니콤 코어(honeycomb core)의 제조에서, 몰드에 미리 위치되어 있는 섬유 다발 위에 놓여질 수 있다. 이 예에서 수지는 몰드의 면에 도포되고 섬유층이 수지 위에 위치되며 그 다음에 코어가 섬유층 위치에 위치될 수 있고, 그 다음에 코어의 반대편의 몰드 표면에 수지층이 표면에 도포되고, 바람직하게는 분무되어 도포되고, 고화될 수 있다. 이 표면은 코어 상의 층을 적시는 재료를 제공하기 위하여 용융시에 배출되는 수지를 유지하는 진공 백(vacumm bag), 카울 플레이트 또는 다른 임의의 적합한 캐리어가 될 수 있다. 캐리어는 냉각 툴(chilled tool)에 지지될 수 있고 필요한 적층체 두께를 위해 요구되는 점, 구역 및 섹션으로 수지가 응고되는 것을 보장하기 위하여 냉각 툴에 분무될 수 있으며, 수지의 두께 및 캐리어의 형상은 코어, 발포 거품, 허니콤 등의 섹션에 씌워질 때 형성되는 것과 같은 부품의 내부층의 두께 및 형상에 상응한다.
z 방향의 강화 수단은 0.05 내지 1 mm의 짧은 길이의 강화 섬유 형태의 섬유 침상체를 여전히 젖은 상태인 수지층 위에 분배시키는 것에 의해 제공될 수 있다. 섬유 침상체를 제조하는 커터는 크기는 훨씬 작지만 종래의 유리섬유 쵸퍼 건(chopper gun)과 유사한 것이 될 수 있으며, 예를 들어 수지가 여전히 뜨거운 동안 수지층 위에 일련의 균일하게 분배되는 섬유 침상체를 살포하기 위하여 사용될 수 있다. 또는 대안으로 수지층이 도포되어 고화되고 그 후에 침상체가 안으로 들어가도록 수지의 가장 바깥쪽의 층을 다시 액화시키기 위하여 표면에 열선 총으로부터 고온의 공기가 보내진다. 열선 총 및 커터 건은 공정을 가까운 순서 및 서로 근접해서 진행하기 위하여 일체화될 수 있다. 침상체는 수지층의 표면에 대하여 각도를 이루는 방향에서 적어도 부분적으로 수지층에 들어가고, 이에 의해 수지층 위에 보풀이 덮힌 표면(fluffy surface)을 형성한다. 그 다음에 본 출원인의 방법을 사용하여 수지가 도포될 수 있고 침상체 및/또는 나노 입자를 적시고 둘러싸며 입자들의 덩어리 내에 갇힌 공기를 제거한다.
따라서, 적층체/프리팩이 제 위치에 위치되고, 공기가 제거되고, 수지가 용융되어 적층체 내로 유동하면, 침상체는 수지층의 상부 위에 놓인 섬유 다발의 섬유들 사이로 들어간다. 섬유 다발 내의 섬유들은 일반적으로 전술한 바와 같은 x 방향 및 y 방향으로 뻗어 있는 반면에, 침상체는 일반적으로 z 방향으로 뻗어 있다. 그러므로, 침상체는 최종적인 첨단 복합재료 부품에서 섬유 다발의 강화 섬유들을 함께 결속시키는 작용을 하여 z 방향에서의 강화를 제공함으로써 향상된 박리 저항성을 갖게 한다.
대안으로, z 방향의 강화 수단은 여전히 액체 상태로 있을 때 수지층의 표면에 또는 수지 내에 분포된 나노 입자의 형태가 될 수 있다. 이 나노 입자들은 나노 스케일의 치수를 가진 탄소 나노 튜브로부터 형성될 수 있다. 수지층을 진동시키고 이에 의해 수지층 위에 또는 수지층 내에 나노 입자를 더욱 균일하게 분배하고 분산시킬 뿐만 아니라 나노 입자의 덩어리를 분해하기 위하여, 진동 수단이 제공될 수 있다. 나노 튜브의 크기가 나노 스케일이기 때문에, 나노 튜브는 수지층이 다시 액화될 때 후속 제조 공정 동안에 섬유 다발의 섬유들 사이에서 그리고 수지를 통한 스트림에서 위로 이동할 수 있다. 이러한 나노 튜브는 또한 수지층 위에 배치된 임의의 수지 제어 베일 또는 섬유 다발 사이를 통과할 수 있으며, 이에 의해 스스로 z 방향을 따라 정렬한다. 따라서, 이 나노 튜브는 수지의 경화 후에 최종적인 복합재료 부품에서 z 방향의 강화를 제공하도록 작용한다. 그러나, 이동 거리가 커질수록 더욱더 방해되고, 차단되고, 걸러지고, 분산되며 나노 입자를 오정렬 시키게 된다. 그러므로, 매사추세츠 기술 연구소의 특허에 기재된 바와 따라 개시하는 입자 정렬의 유익함은 복합재료 부품을 적시기 위하여 나노 입자가 이동하여야만 하는 거리에 의해 반감된다.
바람직한 실시예에서, 상이한 크기의 나노 튜브가 사용될 수 있다. 그러므로, 나노 튜브의 이동은 하나 이상의 수지 유동 속도 제어 필름을 사용하여 제어될 수 있고, 이 필름들은 특정한 크기의 나노 튜브만을 통과하도록 허용한다. 따라서, 크기가 큰 나노 튜브는 통과할 수 없고 필름 뒤의 구역에 남겨진다. 이것은 최종적인 복합재료 부품에 걸쳐서 나노 튜브 분포의 더욱 정밀한 제어를 가능하게 한다.
부가적으로, 수지 제어 층은 또한 복합재료 부품에 나노 입자의 함량을 함유하거나 또는 함유하는데 기여할 수 있으며, 수지가 위로 이동 및/또는 수지 제어 층을 통하여 유동할 때, 수지는 제어 층에 함유된 나노 입자를 제어 층의 밖으로 그리고 인접한 적층체 층 안으로 이동시킬 수 있다. 이 방식에서 수지는 나노 입자 또는 섬유 침상체를 수지 제어 층으로부터 적층체 내로 분산시키기 위하여 사용될 수 있다.
바람직하게, 각각의 층이 상이한 물리적 특성을 갖는 하나 이상의 수지층이 도포될 수 있다. 이것은 상이한 종류이며 상이한 첨가제를 갖는 수지를, 이전에 도포되어 아래에 놓인 수지층 위에 순차적으로 도포하는 것에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 상이한 수지층이 순서에 따라 부착될 수 있다. 첫번째 부착되는 층은 자외선 저항성 및 색상을 위한 첨가제를 포함하는 것이거나, 또는 부착되는 층을 위한 높은 스크래치 저항성을 제공하는 수지가 될 수 있다. 다음에 부착되는 층은 강인화제(toughening agent) 첨가제를 포함할 수 있고, 다음 것은 경화 첨가제가 될 수 있고, 다음 것은 고온 첨가제가 될 수 있고, 예를 들어 마지막으로 부착되는 층은 난연성 화학 첨가제를 포함할 수 있다. 또한 수지층은 전기 전도성을 위해서 항공기에 사용하기 유리한 카본 블랙(carbon black)과 같은 낙뢰 방지 첨가제를 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 최종 복합재료 부품은 부품의 두께에 걸쳐서 및/또는 부품의 길이를 따라서 상이한 물리적 특성을 가질 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 첨단 복합재료 부품은 종래의 방법을 사용하여 제조된 복합재료 부품과 비교하여 층간 전단 강도 및 인성을 향상시킬 것이며, 따라서 적층체 강도를 향상시킬 것이다. 또한 복합재료 부품의 특정 구역에 대한 화학적, 전기적 및 기계적 특성 요건에 맞추어질 것이다.
본 출원인의 국제출원번호 PCT/AU02/00078에는, 적층된 복합재료를 압착하고 경화시키기 위해 사용되는 시스템은 압력 챔버들 사이에 몰드를 지지하기 위한 장치를 포함한다. 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 포함하고 있으며, 높은 온도 및 압력에서 유체가 각각의 압력 챔버를 통하여 순환된다. 이 시스템은 고체 수지층을 형성하기 위하여 액화된 수지가 몰드 표면에 도포되는 첨단 복합재료 부품 제조에 사용하기 위해 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 방법은 다른 표면들에 대해서 수지를 도포하는 것을 포함한다.
따라서 본 발명의 다른 양태에 따르면, 액화된 수지를 몰드의 몰드 표면에 도포하고, 수지는 고화되어 몰드 표면에 수지층을 형성하고; 수지층 위에 복합재료 적층체를 배치하고; 제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드 조립체와 마주보는 관계로 배치되며; 액화된 수지를 몰드와 마주하는 반대편의 표면에 추가적으로 도포하고, 반대편의 표면의 수지가 고화되어 반대편의 수지층을 형성하므로 복합재료 적층체는 상기 수지층들 사이에 배치될 수 있으며; 수지층들이 액화되고 복합재료 적층체는 압축되고, 진동될 수 있는 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체를 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시키는 것을 포함하는 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법이 제공된다.
액화된 수지가 상기 압력 챔버의 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽에 도포될 수 있다. 대안으로, 복합재료 적층체로부터 공기를 추출하고 복합재료 적층체를 통합하기 위하여 진공 백이 사용되는 경우, 수지는 복합재료 적층체와 마주하는 진공 백의 표면에 도포될 수 있다.
전술한 바와 같이, 수지를 도포하는 바람직한 방법은 표면들에 액화된 수지를 분무하는 것이다. 하나 이상의 수지층이 각각의 표면에 도포될 수 있으며, 그 결과로 얻어진 각각의 층은 상이한 재료 특성을 가질 수 있다.
게다가, 전술한 바와 같이 z 방향에서의 강화를 제공하기 위한 강화 수단이 또한 마주하는 수지층들에 제공될 수 있다.
상응하게, 만약 적층체가 양 방향으로부터 적셔지고, 몰드 표면 및 진공 백 캐리어 또는 카울 플레이트 표면에 부착된 것으로부터 수지가 나오게 되면, 몰드의 반대쪽에 도포되는 수지는 적층체 내에서 요구되는 수지의 최종 위치의 순서로 캐리어에 부착된다.
복합재료 적층체는 대향하는 섬유 다발층들 사이에 놓인 중앙 코어층에 의해 제공될 수 있다. 중앙 코어층에 함침되는 수지를 제어 또는 억제하기 위하여, 수지 유동 속도 제어 필름이 중앙 코어층과 섬유 다발층 사이에 제공될 수 있다. 이 방법에 따라 제조된 복합재료 부품은 양쪽에 섬유 강화층으로 피복된 중앙 코어를 갖게 될 것이다.
대안으로, 복합재료 적층체는, 원하는 형상으로 미리 형성된 섬유 다발층으로 만들어지고 최종 복합재료 부품 안에 넣어지는 부착 러그(lug)들과 같은 부품 및 다른 부품들을 포함하는 "프리팩(prepack)"으로 제공될 수 있다. 프리팩을 형성하는 섬유 다발층은 프리팩이 경화되기 전에 프리팩의 형상을 유지할 수 있도록 하는 사이징제(sizing material)와 함께 제공될 수 있다. 프리팩은 일부 단면이 다른 단면보다 10 mm 이상 두꺼운 것과 같이 단면 폭/두께에 큰 차이가 있을 수 있기 때문에, 몰드 표면 및 내부 표면에 단독으로 수지를 위치시키는 것에 의해 경화 과정 동안에 충분한 수지 함침을 항상 보장할 수 있는 것은 아니다. 게다가, 섬유 다발층의 z 방향에서의 충분한 강화를 제공하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 특징은 복합재료 적층체에 직접적으로, 및/또는 복합재료 적층체에 넣어지며 복합재료 적층체의 일부를 형성하는 캐리어에 직접적으로, 액화된 수지를 또한 도포하는 것이다. 따라서, 이것은 복합재료 적층체의 더욱 두꺼운 구역에 추가적으로 필요한 수지를 제공한다. 게다가, 만약 조립되어 질 때 프리팩에 용융된 액화 수지가 분무되면, 고화되었을 때 수지는 고온 용융 접착제처럼 작용하고, 몰드 내에 배치 및 취급하는 중에 복합재료 적층체의 많은 층들의 프리팩을 함께 유지하며, 둘러싸는 수지층들이 다시 액화할 때 경화 과정의 일부로서 도움을 준다. 당업자는 진공이 적용되기 전에 수지가 프리팩을 통한 공기 배출 경로를 폐쇄 또는 차단하지 않고, 적층체로부터 마지막까지 남아 있는 공기를 제거하기 위하여 복합재료 부품에 걸쳐서 열파가 이동하는 것을 보장하기 위하여, 제한된 양의 수지만이 이 시점에서 추가될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 복합재료 적층체에 분무되는 수지는 나노 입자 또는 침상체와 같은 강화 수단을 포함할 수 있다. 그러므로, 후속 경화 과정중에, 나노 입자는 z 방향에서의 필요한 강화를 제공하기 위하여 복합재료 적층체를 통하여 이동할 수 있다.
이 제조 방법은 복합재료 부품 안에 형성된 중앙 코어층 또는 부착 러그 및 다른 장치를 갖는 더욱 복잡한 복합재료 부품을 제조하기 위해서 특히 유용하다. 항공기 적용 분야에서, 경량이며 우수한 난연성으로 인하여 노멕스(Normax, 등록 상표) 허니콤 층이 항공기 패널 내의 중앙 코어를 형성하기 위하여 일반적으로 사용된다. 항공기 패널은 중앙 코어의 양쪽 표면에 구비된 섬유 강화 층들을 포함할 수 있다. 이러한 패널은 본 발명의 방법을 사용하여 용이하게 형성될 수 있는데, 복합재료 적층체는 코어의 양쪽 표면에 위치된 섬유 다발층을 갖고 있는 중앙의 노멕스 코어로 형성된다. 또한 중앙 코어층 안으로 수지의 진입을 제어 또는 방지하기 위해 수지 제어 베일이 중앙 코어층과 섬유 다발층 사이에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 섬유 다발에 함유된 공기는 고화되어 있던 수지가 용융될 때 수지 안으로 섬유 다발이 잠겨짐에 따라 배출된다. 공기의 배출은 수지층과 복합재료 적층체를 모두 수직 정렬로 배치하고 아래쪽부터 점진적으로 수지층을 액화시킴으로써 촉진될 수 있다. 이것은 최종 복합재료 부품 안에 남아 있는 공기 방울의 양을 최소화하도록 섬유 다발로부터 공기를 위쪽으로 그리고 밖으로 몰아내는 수지 파동을 일으킨다. 이것은 전술한 시스템을 사용하여 달성될 수 있는데, 이 시스템에서 수지층 또는 각각의 수지층은 수지층의 가장 낮은 부분부터 가장 높은 부분을 향하여 점진적으로 가열되므로 액체가 각각의 압력 챔버를 점진적으로 채우게 된다. 이것은 몰드 그리고 수지층 및 복합재료 적층체를 따라서 열파를 제공한다.
그러므로, 본 발명의 또 다른 양태에 따라 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법이 제공되는데, 이 방법은 몰드의 몰드 표면에 액화된 수지를 도포하고, 수지는 몰드에 수지층을 형성하도록 고화되며, 수지층 위에 복합재료 적층체를 배치하며;
제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드와 마주보는 관계로 배치되고 대체로 수직 방향으로 정렬되며;
수지층이 액화되고 복합재료 적층체는 압축되고, 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체를 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시켜는 것을 포함하며;
여기에서 수지층이 수지층의 아래쪽으로부터 위쪽으로 점진적으로 액화되도록 압력 챔버들은 상기 유체로 초기에 점진적으로 채워진다.
이 방법은 섬유 다발로부터 공기의 배출을 촉진한다.
또한 전술한 시스템을 사용하여 첨단 복합재료 부품의 제조를 고온 제조 영역과 저온 제조 영역으로 격리시키는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 목적을 위해 본 발명의 또 다른 양태에 따라 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법이 제공되는데, 이 방법은 액화된 수지를 몰드의 몰드 표면에 도포하고, 수지가 고화되어 몰드 표면에 수지층을 형성하며, 제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드 조립체와 마주보는 관계로 배치되며, 수지층이 액화되고 복합재료 적층체는 압축되고, 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체를 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시키는 것을 포함하며; 여기에서 제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버는 계속해서 고온에 유지되고, 몰드는 상기 압력 챔버로부터 분리되어 외부에서 냉각된다.
수지층과 복합재료 적층체를 지지하는 몰드가 제조 설비 내에 넣어져서 압축되고 가열될 때 몰드만을 가열 및 냉각하기 위해 사용되는 최소의 에너지를 필요로 하는 몰드만을 경화 사이클 동안 가열 및 냉각하고 각각의 경화 단계 사이에 제조 설비를 재가열하는 것이 필요하지 않도록, 제조 설비 내의 온도는 상대적으로 높은 온도에 유지될 수 있다. 그러므로, 경화 사이클은 압력 챔버와 별개로 분리되어 이루어지고, 압력 챔버의 배관은 고온으로 유지되며 몰드 만이 복합재료 부품과 함께 가열되고 냉각되며, 따라서 전체 제조 설비 및 경화된 복합재료 부품을 냉각시키기 위하여 제조 설비를 통하여 저온의 유체를 순환시킬 필요가 없도록, 몰드는 제조 설비로부터 추출되어 별도의 영역에서 냉각될 수 있다. 몰드는 예를 들어 로봇으로 고온의 압력 챔버로부터 제거될 수 있고, 냉각 유체가 순환되어 몰드의 제어된 냉각을 허용하는 냉각 블래더에 놓여질 수 있다. 이것은 불균일한 냉각에 기인한 높은 응력 수준 및 복합재료 부품의 경화된 수지 내에서 발생하는 미소 균열, 즉 잔금의 발생 가능성이 낮다는 추가적인 장점을 갖는다. 그러므로, 다음 몰드를 위해 제조 설비 압력 챔버를 재가열하는 것이 더이상 필요하지 않으며, 이에 의해 제조 공정에서 빠른 사이클 타임 및 낮은 에너지 소모에 기여한다. 이것은 냉각 사이클 동안 한곳에서 다른 곳으로 몰드의 이동에 의한 시간 절감을 촉진하도록, 냉각 영역으로서 몰드 캐리어를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 첫번째 제조 부품에 대해서는 몰드를 냉각시키는 것이 불필요하지만 연속적인 제조에서 몰드를 냉각시키는 것은 제조 공정의 필수적인 부분이 될 것이며, 만약 그렇지 않다면 몰드는 장기간 뜨거운 상태로 유지되어 몰드와 접촉된 수지를 고화시키는 능력이 중단되고 생산을 지체시킨다.
본 발명에 따른 첨단 복합재료 부품을 제조하기 위한 방법의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 다른 실시 형태가 가능하며, 따라서 첨부 도면에 도시된 것이 전술한 본 발명의 설명의 것들을 대체하는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 종래의 복합재료 부품 제조 방법을 사용하여 제조된 것보다 우수한 재료 특성을 갖는 복합재료 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 몰드 및 수지층의 부분적인 측면 단면도이다.
도 2는 복합재료 적층체를 형성하기 위하여 섬유 다발과 유동 제어 베일이 수지층 위에 배치되어 있는 도 1의 몰드의 부분적인 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 경화 과정 중에 나노 입자의 이동 방향을 도시하고 있는 도 2의 몰드 및 복합재료 적층체의 부분적인 측면 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 설비의 몰드, 복합재료 적층체 및 마주보는 압력 챔버 벽의 부분적인 측면 단면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 제조 과정의 단계들을 도시한 도면이다.
도 6은 수지가 냉각되어 고화될 때 각각의 층이 함께 부착되어 안정화 되도록 층들 사이에 가열된 수지가 분무된 상태로 조립되는 프리팩을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 몰드 표면(2)을 갖고 있는 몰드(1)의 단면이 도시되어 있다. 고화된 수지층(3)이 몰드 표면(2)에 도포되어 있다. 수지층(3)은 상이한 물리적 특성을 갖는 상이한 수지층(5, 7, 9, 11)들로 형성되어 있다. 예를 들어, 몰드 표면(2)에 바로 인접한 층(5)은 경화되었을 때 높은 스크래치 저항성을 나타낼 수 있는 수지의 층에 의해서 제공될 수 있다. 첫번째 층(5)에 인접한 다음 층(7)은 복합재료 부품에 대한 낙뢰 방지를 제공하도록 수지와 카본 블랙의 혼합물이 될 수 있다. 다음 층(9)은 최종 복합재료 부품의 강도를 증가시키는데 조력하는 강인화제를 포함할 수 있다. 마지막의 가장 바깥쪽의 층(11)은 난연성 첨가제를 포함할 수 있다. 또한, 복합재료 부품의 응용 분야에 따라 수지층들의 상이한 조합을 생각할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따라, 강화 섬유 침상체가 수지층에 적어도 부분적으로 박히도록 강화 섬유 침상체가 젖은 상태인 수지층(3)에 분무될 있다. 이것은 수지층(3)에 대해 털이 덮혀진 상부 표면을 제공하며, 이와 같이 털이 덮힌 상부 표면은 몰드 표면(2)으로부터 대체로 횡방향(z 방향이라 한다)으로 수지층(3)에서 위쪽으로 멀어지게 뻗은 섬유 침상체에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에 따라, 탄소 나노 튜브 형태의 나노 입자가 수지층(3) 내에 혼합될 수 있다. 몰드(1)를 진동시키고 이에 의해 나노 튜브의 더욱 균일한 분배 및 수지층(3) 안에서 나노 튜브 덩어리의 퍼짐을 촉진하기 위하여 진동 수단이 제공될 수 있다. 또한 나노 입자들이 수지층(3)의 최상부 표면(15) 위에 분배되도록 할 수 있다.
도 2는 다수의 상이한 섬유 다발층(17, 19)들이 수지층(3) 위에 놓여지는, 본 발명에 따른 방법에서의 다음 단계를 도시하고 있다. 섬유 다발층(17, 19)들은 각각의 섬유 다발층에서의 섬유들이 서로에 대하여 최대 90도가 되도록 십자형으로 놓여진다. 그러므로, 수지층에 가장 가까운 섬유 다발층(17)의 섬유들은 도 2에서 보았을 때 도면의 안으로 들어가는 방향으로 뻗어 있는 반면에, 다음 섬유 다발층(19)의 섬유들은 제1 섬유 다발(17)의 섬유들에 대해 최대 90도로 뻗어서 도 2에서 보았을 때 도면을 횡단한다. 다음 세개의 섬유 다발층(17, 19)에서 이러한 배열이 반복된다. 수지층(3)과 제1 섬유 다발층(17) 사이에 케브라 베일(21)이 배치될 수 있다. 또한, 제2 케브라 베일(21)이 몰드 표면(2)으로부터 떨어져 있는 두개의 최상부 섬유 다발층(17, 19) 사이에 배치될 수 있다. 몰드와 복합재료 적층체에 가해지는 열로 인하여 수지층(3)이 처음으로 액화될 때, 케브라 베일들은 경화 과정중에 섬유 다발층을 통한 수지의 유동 속도를 제어하도록 작용한다.
도 3은 경화 과정중의 복합재료 적층체(6)를 도시하고 있다. 진공 백(도시 생략)이 복합재료 적층체(6) 위에 놓여 있다. 열을 가하여 수지층(3)을 액화시키기 전에 섬유 다발(17, 19)에 존재하는 자유로운 경로를 이용하여 복합재료 적층체(6)로부터 공기를 전부 제거하기 위하여 완전 진공으로 뽑아낸다. 만약 공기가 제거되기 전에 복합재료 부품이 액화된 수지로 적셔지면, 액화된 수지는 제어되지 않은 방식으로 이동하게 되고 공기 경로를 차단하여 모든 공기가 제거되기 전에 전체 복합재료 적층체(6)의 공기 배출을 저지한다. 또한, 섬유 다발이 수지로 적셔지게 하는 온도로 섬유 다발을 가열할 필요가 있다. 따라서, 열 및 압력이 복합재료 적층체(6)에 가해질 때, 수지층(3)은 액화되기 시작하고 섬유 다발(17, 19)은 화살표(10)로 도시된 바와 같이 수지층에 의해서 적셔지고 잠기기 시작한다.
섬유 침상체들이 수지층(3)의 상부 표면에 박히게 되는 방법에서는, 섬유 다발들이 초기에 수지층(3) 위에 배치될 때 섬유 침상체가 섬유 다발들 안에 스스로 박히게 된다. 경화 과정 중에, 이들 침상체는 다양한 섬유 다발들을 함께 고정하도록 도와주며, 이에 의해 z 방향에서의 강화를 제공한다.
나노 입자들이 수지층(3)을 통하여 분배되는 방법에서, 복합재료 적층체에 열 및 압력이 가해질 때 나노 입자들은 액화된 수지와 함께 섬유 다발들을 통하여 유동하기 시작한다. 이것은 화살표(8)로 도시되어 있다. 케브라 베일(21)은 수지 및 나노 입자들의 이동 속도를 제어하도록 작용하며, 나노 입자들이 더 이상 이동하는 것을 방지하는 가장 바깥쪽의 베일에 도달하는 나노 입자들을 포획 및 유동을 제어하도록 작용한다. 또한 베일(21)은 나노 입자들을 필터링하는 작용을 할 수 있으며, 예를 들어, 스크래치 저항성, 낙뢰 방지, 강인성 및 난연성의 다양한 층에 집중되게 할 필요가 있는 나노 입자의 상이한 종류 및 크기가 요구되는 곳에서 개별적으로 전부 분리될 수 있다. 복합재료 부품이 완전히 경화될 때, 나노 입자들은 z 방향에서 복합재료 부품을 강화시키도록 작용 및/또는 요구되는 특성을 제공한다.
명세서에 참고로 통합되어 있는 출원인의 국제출원번호 PCT/AU02/00078에 기재된 제조 설비가 본 발명에 따라 준비된 복합재료 적층체를 경화시키기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 종래의 제조 방법 및 시스템이 본 발명에 따른 복합재료 적층체를 경화시키기 위하여 사용될 수 있다. 출원인의 제조 설비는 제조 과정 중에 높은 온도 및 압력의 액체가 통과하여 순환되는 압력 챔버들을 이용한다. 몰드(1)는 각각의 압력 챔버의 마주보는 압력 챔버 벽들 사이에 배치될 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 복합재료 부품의 제조에 이와 같은 제조 설비가 사용되는 것을 상세하게 도시하고 있다. 수지층(3)이 몰드(1)에 도포된다. 다음에 복합재료 적층체(6)가 몰드(1) 및 수지층(3)에 놓여질 수 있다. 그 다음에 진공 백(23)이 적층체(6) 위에 놓여지고, 적층체(6)의 초기 압착을 제공하고 적층체(6)에서 공기를 제거하기 위하여 진공 백(23) 아래로부터 공기를 뽑아낸다. 바람직한 배열에 따라, 제2 수지층(25)이 복합재료 적층체(6)와 마주하는 진공 백(23)의 표면에 미리 부착될 수 있다. 대안으로, 카울 플레이트 또는 캐리어가 사용되는 경우에, 제2 수지층(25)은 적층체(6)와 마주하는 카울 플레이트의 표면에 미리 부착될 수 있다. 도 4에서, 경화 과정의 시작 전에 복합재료 적층체(6)는 마주하는 수지층(3, 25)들 사이에 배치된다. 복합재료 적층체(6)는, 예를 들어 노멕스 허니콤 코어에 의해 제공되는 중앙 코어층(27)을 포함할 수 있다. 중앙 코어층(27)의 마주하는 측면에 섬유 다발층(17)이 제공되고, 중앙 코어층(27)과 각각의 섬유 다발층(17) 사이에 케브라 베일(21)이 제공된다.
제조 설비 내에서의 경화 과정 중에, 몰드(1)와 카울 플레이트 또는 진공 백(23)에 놓인 수지층이 액화되고 인접한 섬유 다발층(17)에 각각 함침된다. 케브라 베일(21)은 수지가 노멕스 코어(27) 안으로 함침되는 것을 최소화하거나 또는 방지하도록 작용한다. 최종적인 복합재료 부품은 섬유 강화층이 마주하는 양쪽 측면에 덮여 있는 중앙 코어(27)를 포함하는데, 이 경우에는 노멕스 허니콤 층을 포함한다. 이러한 패널은 특히 항공기용으로 적용할 수 있다.
우수한 복합재료 부품을 용이하게 제조하기 위하여, 몰드(1) 및 압력 챔버 벽(23)은 수직 방향으로 정렬될 수 있다. 제조 과정의 초기 단계 중에, 수지층(23, 25)들이 그 수지층의 최하부에서 최상부로 점진적으로 가열되도록 각각의 압력 챔버는 가열된 유체로 점진적으로 채워진다. 따라서, 수지층(3, 25)들은 아래쪽부터 위쪽으로 점진적으로 액화되어, 용융 수지의 파동이 섬유 다발층(17)을 통하여 그리고 복합재료 부품을 따라 위쪽으로 진행하게 된다. 이것은 섬유 다발층이 액화된 수지에 의해 점진적으로 함침될 때 공기가 섬유 다발층(17)으로부터 위쪽으로 빠져나가는 것을 보장한다. 이것은 최종 복합재료 부품의 섬유 강화층 내에 잔존하는 공기 방울을 최소화하도록 도와주어 향상된 물리적 특성을 갖게 한다. 수지층들을 가로질러서 그리고 복합재료 부품을 따라 저부에서 상부로 열파가 압력 챔버들을 점진적으로 채우는 것은, 단지 하나의 수지층 또는 다수의 수지층을 액화시킬 필요가 있는 경우에 모두 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 제조 공정에 포함된 다양한 단계들을 도시하고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이 몰드(1)는 처음에 트롤리(trolley)(27)에 놓여지고, 몰드의 몰드 표면(2)은 위쪽을 향하고 있다. 트롤리(27)는 수지층(3)의 냉각 및 고화를 촉진하기 위하여 몰드 표면(2)의 온도를 낮추는 냉각 수단을 포함한다. 냉각 수단은 몰드(1)의 아래에 배치된 공기 냉각 블라스트 또는 냉각 블래더의 형태, 또는 몰드 내에 혹은 트롤리 자체의 테이블 상부 내에 배치된 냉각 튜브의 형태가 될 수 있다.
트롤리(27)는, 분무 노즐(30)이 몰드 표면(2) 상에 액화된 수지를 분무하는 분무 영역 울타리(29)로 옮겨진다. 수지는 고화되어 몰드 표면(2)에 수지층(3)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 수지층(3) 자체는 상이한 물리적 특성을 갖도록 연속적인 수지 분무에 의해서 서로의 상부에 분무된 상이한 수지층으로 형성될 수 있다.
분무가 완료되고, 수지층(3)이 고화되고, 섬유 다발층의 조립체로 형성된 프리팩(31)이 사이징제 의해서 또는 섬유 다발층에 미리 분무된 수지의 고화된 방울에 의해서 함께 유지된 후에, 수지는 고화되고 이에 의해 섬유 다발을 함께 유지한다. 또한 나노 튜브들이 만곡된 최종 경화 복합재료 부품내의 필요한 곳인 프리팩(31) 안 또는 프리팩 위의 영역들에 분무되거나 또는 분배될 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 진공 백(33)이 프리팩(31) 및 몰드(1) 위에 놓여진다. 프리팩(31)으로부터 대부분의 공기를 추출할 뿐만 아니라 프리팩(31)의 예비적인 압착을 제공하기 위하여 진공 백(33) 아래로부터 공기가 제거된다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 프리팩(31) 및 진공 백(33)을 포함한 몰드 조립체(34)는 트롤리(27)에서 제거되어 제조 설비(35) 내에 위치된다. 이 제조 설비는 마주하는 상부 및 하부 압력 챔버(37, 39)들을 포함하고 있으며, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 압력 챔버 벽(23)들을 가지고 있다. 마주하는 압력 챔버 벽(23)들 사이에 몰드 조립체(34)가 배치될 수 있도록 압력 챔버(37, 39)들은 힌지(41)에 의해 연결되어 있다. 제조 설비(35)는 높은 작동 온도에 유지되므로 각각의 경화 사이클 중에 제조 설비를 재가열할 필요가 없다. 이러한 것은, 상이한 작동 온도 사이에서 순환시키는 것을 필요로 하여 사이클 타임을 느리게 하고 결과적으로 제조 시간이 오래 걸리며 에너지 소모가 많은 본 출원인의 국제출원번호 PCT/AU02/00078에 기재된 제조 설비의 작동과는 상이하다. 전술한 바와 같이 저부로부터 위쪽으로 수지층(3)을 점진적으로 액화시키는 열파의 이용을 촉진하고 이에 의해 잔류하는 공기의 제거를 촉진하도록 고온의 유체가 경사진 위치에 유지되는 압력 챔버들 안으로 점진적으로 도입된 다음에 몰드 및 적층체에 압착 압력을 제공하도록 압력 챔버(37, 39)들은 질소로 가압될 수 있다. 수직 또는 준 수직 상태에서의 이러한 작동 공정은 용융 수지에 대해서 작용하고 분무된 위치에 유지하는 HTF 유체의 컬럼 압력이 가해짐에 의해서 향상된다. 이와 같은 균형 밀도 효과는 본 출원인의 특허출원번호 2006265783에 설명되어 있으며, 균형 효과가 없는 상태에서 용융 수지는 몰드의 면으로 아래로 그리고 복합재료 부품의 저부로 아래로 흐르는 경향이 있다. 도 5f에 도시된 바와 같이 제조 설비(35) 내의 제 위치에 몰드 조립체(34)를 유지하기 위하여 압력 챔버 벽(23)들에 위치 고정 핀(locating pin)(43)들이 제공된다. 도 5g에 도시된 바와 같이, 그 다음에 경화 사이클을 위해 하부 압력 챔버 위에 상부 압력 챔버가 닫혀진다. 경화 사이클의 종료시에, 고온의 유체는 압력 챔버 바깥으로 펌핑되고 몰드(1)와 접촉되었던 블래더가 몰드로부터 후퇴되며, 따라서 압착 압력으로부터 해제된다. 일단 블래더가 후퇴되었다면, 압력 챔버(37, 39)들은 개방될 수 있고 복합재료 부품은 고온의 상태에서 로봇에 의해 제거될 수 있다. 제조 설비(35)로부터 냉각을 위해 트롤리에 놓여진다. 트롤리의 냉각 수단은 복합재료 부품에서의 잔금 발생을 최소화하는 복합재료 부품의 신속한 냉각을 촉진한다.
도 6은 프리팩(31)의 조립체를 더욱 상세하게 도시한다. 연속적인 섬유 다발층(49)이 개방 성형틀(open form)(50) 또는 마울레(maule)에 놓여진다. 액화된 수지가 수지 건(51)에 의해서 섬유층에 분무되는 동안 개방 성형틀(50) 상의 섬유층을 진공에 의해 유지한다. 수지 건은 혼합 헤드(52)를 통하여 고온의 수지를 분무하며, 수지 라인(53)과 경화제 라인(55)은 개별적으로 혼합 헤드(52)에 가열된 수지와 경화제를 공급한다. 추가적인 섬유 다발층(49)은 선행하여 분무된 수지층 위에 연속해서 놓여진다.
더욱 복잡한 형상 및 더욱 두꺼운 복합재료 부품을 성형할 때 중앙 코어층(27)은 프리팩(31)으로 대체될 수 있다. 또한 프리팩(31)은 나노 입자와 같은 강화 수단을 포함하는 액화 수지와 함께 미리 분무될 수 있다. 이러한 수지는 고화되었을 때 후속 경화 과정 중에 프리팩(31)을 함께 유지하는 작용을 한다. 또한, 프리팩(31)에서의 추가적인 수지는 액화되어 프리팩(31)의 함침을 다시 도와주는 동시에 전술한 바와 같이 z 방향에서 필요한 강화를 제공하도록 프리팩(31)의 내부에 충분한 나노 입자가 들어가는 것을 보장한다.
당업자에게 자명한 개량 및 변경은 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

Claims (12)

  1. 수지를 표면에 도포하고, 상기 수지는 고화되어 수지층을 형성하고,
    수지층과 대체로 평행한 x 방향을 따라 강화 수단을 제공하고,
    수지층과 대체로 평행하며 x 방향과 소정의 각도를 이루는 y 방향을 따라 강화 수단을 제공하고,
    x 방향 및 y 방향과 대체로 수직인 z 방향에 강화 수단을 제공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  2. 액화된 수지를 몰드의 몰드 표면에 도포하고, 상기 수지는 고화되어 몰드 표면에 수지층을 형성하고;
    수지층 위에 복합재료 적층체를 배치하고;
    제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드 조립체와 마주보는 관계로 배치되며;
    액화된 수지를 몰드와 마주하는 반대편의 표면에 추가로 도포하고, 반대편의 표면의 수지가 고화되어 반대편의 수지층을 형성하므로 복합재료 적층체는 상기 수지층들 사이에 배치될 수 있으며;
    수지층들이 액화되고 복합재료 적층체가 압축되고, 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체가 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  3. 액화된 수지를 몰드의 몰드 표면에 도포하고, 상기 수지는 고화되어 몰드에 수지층을 형성하고;
    수지층 위에 복합재료 적층체를 배치하며;
    제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드와 마주보는 관계로 배치되고 대체로 수직 방향으로 정렬되며;
    수지층이 액화되고 복합재료 적층체는 압축되고, 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체를 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시키는 것을 포함하며;
    수지층이 수지층의 아래쪽으로부터 위쪽으로 점진적으로 액화되도록 압력 챔버들은 상기 유체로 초기에 점진적으로 채워지는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    액화된 수지를 몰드와 마주하는 반대편의 표면에 도포하는 것을 더 포함하며, 반대편의 표면의 수지가 고화되어 반대편의 수지층을 형성하므로 복합재료 적층체는 상기 수지층들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  5. 액화된 수지를 몰드의 몰드 표면에 도포하고, 상기 수지는 고화되어 몰드 표면에 수지층을 형성하며, 제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에 몰드를 배치하고, 각각의 압력 챔버는 탄성적으로 변형가능한 챔버 벽을 가지고 있으며, 챔버 벽들은 그 사이에 배치된 몰드 조립체와 마주보는 관계로 배치되며, 수지층이 액화되고 복합재료 적층체는 압축되고, 수지로 함침되며, 경화되도록 높은 압력 및 온도의 유체를 각각의 압력 챔버를 통하여 순환시키는 것을 포함하며,
    제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버는 계속해서 고온에 유지되며, 몰드는 상기 압력 챔버로부터 분리되어 외부에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    경화된 복합재료 부품을 냉각시키기 위해서, 몰드는 압력 챔버 사이에서 제거되어 냉각 수단에 놓여지는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    수지는 표면에 분무되는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    강화 수단은 수지층 위에 분배되는 섬유 침상체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    강화 수단은 수지층을 통하여 분배되는 탄소 나노 튜브 형태의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    수지층을 통하여 나노 입자를 분배하기 위하여 표면 및 수지층을 진동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상이한 종류이며 상이한 첨가제를 갖는 수지가 표면 위에 또는 앞서 도포된 상기 수지층 위에 순차적으로 분무되는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상이한 수지층들은 기계적 특성의 요건을 맞추기 위하여 스크래치 저항층, 강인화제층, 낙뢰방지층 또는 난연층 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 부품 제조 방법.
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