KR20130091253A - 섬유 복합재 재질의 부품을 제조하는 방법, 프리폼, 및 부품 - Google Patents

섬유 복합재 재질의 부품을 제조하는 방법, 프리폼, 및 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유 복합재로부터 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 다수의 건조 섬유재료 서브층을 적층하여 스택(16)을 형성하고, 건조 스택(16)을 열가소성 필름(18)으로 기밀하게 덮으며, 필름(18) 내부에 스택(16)이 차지하는 내부공간(23)을 펌프로 흡입처리함으로써 서브층들을 고정시켜 수송시 안정적인 프리폼(12)을 형성하고, 프리폼(12)을 재성형(reshape)하며, 섬유 재료를 침윤시킴으로써 액체 열경화성 재료(20)를 상기 내부공간(23)에 유입하고, 침윤된 섬유 재료로 프리폼(12)을 경화시켜 최종 부품을 형성하되, 이때 필름(18)은 표면으로서 영구 부착된다. 본 발명은 또한 이러한 방식으로 제조되는 부품, 및 이에 상응되는 프리폼(12)에 관한 것이다. 본 제조 방법은 섬유 복합재의 통합형 표면 마무리 공정을 제공한다는 점에서 유리하다. 표면 특성은 부착된 열가소성 필름(18)에 의해 생성된다.

Description

섬유 복합재 재질의 부품을 제조하는 방법, 프리폼, 및 부품{METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT FROM A FIBRE COMPOSITE, PREFORM THEREFOR, AND COMPONENT}
본 발명은 섬유 복합재료 재질의 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 섬유 재료를 열경화성 수지로 포화시킨 후 경화시켜 최종 부품을 제공한다. 또한 본 발명은 이러한 섬유 재료 재질의 부품을 제조하는데 활용되는 프리폼에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이에 따라 제조되는 부품에 관한 것이다. 본 발명은 섬유 복합재료의 적용 범위를 광범위하게 하기 위한 주제와 매우 실질적으로 관련있다.
섬유 복합재료는 상당한 시간이 소요되며 비용이 많이 드는 공정에 의해 생산된다. 섬유 복합재료는 섬유 일부와 매트릭스(기질) 일부로 구성되며, 가공처리 도중에 생산된다. 이는 최종 형상에 가깝게 섬유로 만들어진 건조 프리폼을 제조하기 위해 매트릭스와 섬유를 가령 주입(infusion 또는 injection)시켜 배합하기 전에 행해지는 일반적인 예이다. 프리폼의 제조는 특히 편평한 반가공 섬유 제품 층들을 상호중첩시킴으로써 달성되며, 이러한 프리폼을 압력 및 열을 이용하여 최종 기하학적 구조에 유사한 형상으로 가압할 수 있다. 다음으로는, 이렇게 선조립된 부품과 함께 매트릭스를 경화시킨다.
사용가능한 매트릭스 재료는 복수의 성분으로 구성될 수 있는 열경화성 수지이다. 전형적인 예로는 에폭시, 비닐, 폴리에스테르 ? 페놀 수지계가 있다. 이들은 실온 또는 고온에서 일어나는 경화반응을 나타낸다.
본 방법의 단점은 사용되는 자원 및 공정 내 단계들 순서의 효율성에 있는데, 그 이유는 예비성형 단계, 사출금형에 이형제를 도포시키는 단계, 주입/침윤 공정을 수행하는 단계, 표면에서의 다음 하류 조작들, 및 금형을 세정시키는 단계가 각각 개별적으로 요구되고; 후술되는 공정과 같이 이들 단계는 자원 활용의 효율성을 높이기 위한 순서대로 연결되어야 하기 때문이다.
섬유 복합재 부품의 제조 공정은 지금까지 부품의 적용 범위를 한정하여 온 특징적 표면 구조를 제공한다. 여기서 섬유 구조는 두께 방향의 이방성으로 인해 표면 아래에서 눈에 보인다. 예를 들어 자동차 또는 비행기 산업, 일상 생활에 사용되는 제품 등에 요구되는 매끄러운 표면를 제조하기 위해서는 섬유 복합제 부품 상에 복잡하고 비용이 많이 드는 하류 조작들을 행해야 한다. 예를 들어, 섬유 복합재 부품의 표면에 반복적으로 래커 칠을 해야 한다. 대안으로는, 그 다음에 필름(막)을 섬유 복합재 부품에 도포시킬 수 있으며, 이를 위해서는 화학적으로 반응하여 필름을 형성하는 다양한 층들을 가령 스프레이 공정을 이용하여 도포시킬 수 있다. 필름을 도포하기 위한 또 다른 가능성은 열적 또는 기계적 딥드로우(deep-draw) 공정으로서, 2차원 필름을 가열 및/또는 신장시켜, 벽 두께가 감소된, 의도된 기하학적 구조를 제공한다.
섬유 복합재료로 달성가능한 상당한 중량 감소로 인해, 특히 자동차 산업 또한 고품질 표면을 제공하기 위해, 예를 들면, 중간층들의 통합, 상대적으로 고비용인 저수축율 수지의 이용, 또는 고품질 반가공 섬유 제품의 이용과 같은 고비용책들을 기꺼이 받아들이고 있다.
여기서, 섬유 복합재 제품에 고품질 표면을 제공하기 위한 비용은 부품 전체 비용의 50%를 넘게 차지할 수 있다.
제조 과정을 개선하고, 섬유 복합재 부품에 고품질 표면을 제공하기 위해, EP 1 724 098 A1은 원하는 섬유 형상에 부합되는 별도의 재료층을 예비성형하는 것으로 시작하여, 상기 예비성형된 재료층에 섬유 재료를 도포시키고, 수지를 사용하여 섬유 재료를 경화시킴으로써 최종 제품(완제품)을 형성하는 방법을 개시한다. 여기서 추가 재료층은 섬유 재료와 결합되어, 구체적으로는 원하는 표면을 한 면에 형성하게 된다. 상기 예비성형된 재료층은 어느 정도는 암금형(female mold)으로 역할한다. 부품 금형 자체는 재활용 가능하며, 이 경우 사용된 수지를 제거하기 위한 세정 작업은 요구되지 않는다. 추가 재료층을 위해, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PC(폴리카보네이트), PA(폴리아미드), PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트), PUR(폴리우레탄) 재질의 플라스틱 필름, 또는 기타 다른 아크릴 필름, 또는 상기 재료들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.
DE 103 09 811 A1에는 원하는 부품의 최종 형상에 따라 몰딩된 플라스틱 필름을 제조하기 위해 최종 제품의 표면 형태(topography)를 가진 금형을 사용하는 유사한 공정이 개시되어 있다. 최종 부품의 표면이 아닌 예비성형된 필름 측에 섬유-강화 플라스틱을 도포한다. 섬유-강화 플라스틱이 경화된 후 최종 부품을 분리한다.
고품질 표면을 가진 섬유 복합재료를 생산하기 위한 동일한 방법을 DE 10 2008 009 438 A1에서도 찾아볼 수 있다. 이러한 목적에 이용되는 방법은 재단(cut-to-size) 표면 필름을 연화점까지 가열하고, 제조하고자 하는 금형의 표면형태에 따라 상기 필름을 금형에서 몰딩한다. 섬유 부직포와 중합체 수지를 예비성형된 표면 필름의 내부면에 도포하고, 금형의 표면형태에 따라 몰딩한 후 경화시킨다. 경화 공정이 끝나면 최종 부품을 금형으로부터 분리한다.
상기 방법들의 단점은 다음 표면을 별도로 예비성형시키는 작업이 추가 조작으로서 필요하다는 것이다. 더욱이, 상기 제공된 방법들은 한 면에만 고품질 표면을 제공할 수 있다.
섬유 복합재료의 대안적 제조 방법과 관련하여, DE 20 2005 005 475 U1에는 샌드위치 상형구조의 프리폼을 활용하는 것에 대해 개시되어 있다. 여기서 프리폼은 코어 서브층 및 필름 서브층으로 이루어진 스택을 포함한다. 내부에는 미반응된 섬유-재료-수지 층이 선택적으로 보강 코어 상에 있다. 상기 구조는 또한 외부필름 층, 부직포층, 및 환경에 대한 밀봉용으로 내구적인 탄성 필름층을 구비한다. 이러한 프리폼은 필름처럼 거동하도록 의도된 것이므로, 필름용 딥-드로우 시스템을 통해 성형(shape)된 후, 경화된다.
한 가지 단점이라면, 샌드위치-구조의 프리폼의 기계적 안정성이 불충분하기 때문에 프리폼을 수송하기가 어렵다. 또 다른 가능성은 유입한 수지가 수송시 바람직하지 못하게 경화된다는 것이다.
DE 100 27 129 C1 또한 섬유 복합재료 재질의 부품을 제조하기 위한 프리폼을 개시한다. 여기서 프리폼은 또한 서브층의 형태로 가질 수 있으며 이미 3차원 형상을 가질 수 있는 섬유 재료로 구성된다. 탄성 플라스틱 물질로 구성된 피복(sheathing) 수단은 섬유 물질을 둘러싼다. 제공된 피복 수단은 예를 들어 튜브 또는 쿠션의 형상을 가진다. 피복 수단이 제공되었으므로 인서트 부분과 금형 사이에 이전에 사용되던 이형제는 생략될 수 있다. 피복 수단은 금형과 수지 사이의 접촉을 막는다. 최종 부품을 형성하기 위해, 수지를 특히 흡인법으로 피복 수단의 내부에 유입하고, 그 결과 섬유 재료가 포화된다.
탄성 피복 수단은 불리하게 바람직하지 않은 프리스트레싱을 야기시키며, 이는 부품의 성형을 방해할 수 있다. 비록 금형에 이형제가 요구되지는 않지만, 최종 부품으로부터 피복 수단을 분리하기 위해 복잡한 과정이 요구된다.
본 발명의 목적은 고품질 표면을 가지며, 섬유 복합재료 재질의 부품을 제조하기 위한 단순화된 방법을 제공하는 것이다. 다른 목적은 이러한 종류의 제조 방법을 위한 프리폼을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 제조하기 쉬운, 고품질 표면을 지닌 섬유 복합재 부품을 제공하는 것이다.
첫번 째 언급된 목적은 본 발명에서 섬유 복합재료 재질의 부품을 제조하는 방법을 통해 성취되며, 상기 방법에서는 다수의 건조 섬유재료 서브층을 적층하여 스택을 제공하고, 열가소성 필름을 사용하여 건조 스택을 기밀 피복(gastight sheating)하며, 필름 내부에 스택이 차지하는 내부공간을 펌프로 흡입처리함으로써 서브층들을 고정시켜 수송시 안정적인 프리폼을 제공하고, 액체 열경화성 수지를 상기 내부공간에 유입하여 섬유 재료를 포화시키며, 프리폼에 성형 공정을 수행하고, 포화된 섬유 재료로 프리폼을 경화시켜 시스템에 표면으로서의 필름이 견고하게 부착(bond)된 최종 부품을 제공한다.
여기서는 위에 제시한 순서대로 개별 제조 단계들을 진행하는 것이 극히 중요한 것은 아니다. 오히려, 순서를 합리적으로 변경하는 것도 가능하다. 특히, 프리폼에 수행되는 성형 공정은 섬유 물질이 포화되기 전에, 포화되는 도중에, 또는 포화된 후에 수행될 수 있다.
본 발명은 섬유 복합재 부품에 고품질 표면을 제공하는 통합적 공정 기법을 찾으려는 발상에서 출발하였다. 종전의 필요한 추가 공정 단계들은 자원 사용의 증가, 주기 시간 증가, 자본 및 공장의 추가적 제휴, 및 기존의 금속 솔류션과 관련하여 섬유 복합재 부품의 경쟁력 감소를 일으킨다. 통합적 공정 기법을 이용하여 이들 단점을 피할 수 있다.
종전과 같이 섬유 재료를, 예를 들면, 개별 섬유 서브층을 후속 바인더 재료로 포화 또는 고정함으로써 다루기가 더 쉬운 프리프레그로 알려진 형태로 만드는 대신에, 이제는 섬유 재료가 건조할 때 상기 재료를 상호중첩시킨다. 열가소성 필름을 사용하여 건조 스택을 피복처리한다. 그런 후에는 필름들 사이의 내부공간을 펌프로 흡입처리하거나, 진공처리한다.
이로써 프리폼은 먼지 및 수분과 같은 외부 영향으로부터 보호되며, 필름을 갖지 않는 프리폼과는 달리 비교적 높은 고유 강성도를 가지게 되므로, 예를 들어 자동 위치될 수 있다. 용접된 건조 프리폼은 노화에 내성을 가지므로, 비교적 장거리도 수송될 수 있다. 섬유 재료의 형상을 안정화시키거나 프리폼을 샌드위치 구조 형태로 선조립하는데 있어서 바인더 재료를 전혀 사용하지 않았기 때문에, 어떤 원하지 않는 경화현상에 대한 위험이 전혀 없다.
수송시 프리폼의 안정성은, 내부공간을 펌프로 흡입처리하고 이렇게 발생된 압력차를 이용하여 외부 열가소성 필름을 스택과 접촉시킴으로써 달성된다. 따라서 본 발명은 그 자체로는 개별 서브층을 고정시킬 필요가 없다. 이에 따라 바람직한 일 구현예에 의하면 건조 섬유 재료의 개별 서브층은 비고정(unsecured) 형태로 적층되어, 비고정형 건조 스택이 생성된다. 열가소성 필름을 사용하여 상기 스택을 기밀하게 피복한다. 내부공간을 펌프로 흡입처리한다.
유리한 일 구현예에서는 건조 섬유 재료의 서브층들을 적층하여 드레이프성(느슨하게 걸쳐지는) 스택을 생성한다. 여기서 개별 서브층들은 - 필요하다면 - 서로 국부적으로 또는 섹션별로 고정될 수 있지만, 그래도 건조 스택에 성형 공정을 수행하여, 고정 공정으로 인한 어떠한 주름이나 접힌 자국도 없는, 최종 부품의 바람직한 최종 기하학 구조를 생성할 수 있다. 다시 말해, 상기 고정 공정은 부품의 기하학 구조, 섬유 재료 내 섬유의 슬립 또는 전단과 관련된 드레이프성에 필요한 변위를 허용하기 위해 지속되어야 한다. 여기서 드레이프성은 고정 지점들의 위치에서 비롯된다. 고정 공정은 국부적 재봉, 국부적 접착제 부착, 국부적 니들링(needling) 또는 국부적 스테이플링, 또는 양면 접착물질로 된 국부적 중간 서브층을 포함시킴으로써 이루어질 수 있다. 국부적이라기 보다는 상당한 영역을 이용하는 고정 공정이 드레이프성을 제한시킨다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 접착제 부착 및 경화 조작을 통해 큰 영역이 이용되는 고정 공정은 섬유 재료의 섬유의 상호 슬립 또는 상호 전단을 방해한다.
이러한 범위 내에서 적합한 방식으로 국부적으로 고정된 드레이프성 건조 스택을, 여기서는 본질상 비고정형 스택으로서 지칭할 수도 있다. 이러한 종류의 스택은 건조하다는 점에서 특히 공지된 프리프레그와는 상이하다. 드레이프성 스택의 개별 서브층들이 선택적으로는 고정되었지만, 수지와의 포화로 인해 큰 면적에 걸쳐 서로 달라붙지는 않는다. 건조 스택 스스로 필요한 드레이프성을 지니고 있다. 수송시 안정성은 수지와의 포화를 통해 얻어지는 것이 아니라, 대신에 내부공간이 펌프로 흡입처리된 후의 건조 스택과 밀접하게 접촉하는 피복 필름을 통해 얻어진다.
프리폼이 수송시 안정적이기 때문에, 프레스 캐비티에 적층시키는 시간을 감소시킴으로써, 분산된 프레스 공정의 물류계획과 관련된 장점을 완전히 활용할 수 있다. 최종 성형 공정 바로 전에 또는 도중에 해당되는 시점까지, 액체 열경화성 수지를 필름들 사이의 내부공간에 유입하여 섬유 재료가 포화되도록 하는 시점을 지연시킬 수 있다. 이때 내부공간에서의 아기압은 섬유 재료를 바람직하게 일정하게 포화시키는데 유리하게 사용될 수 있다.
그러나 이러한 장점들 이외에, 본 발명은, 통합적 공정에서 고품질의 표면을 제공하기 위해, 수송시 안정적인 건조 프리폼을 형성하는 작업을 최종 단계에서 더 보완할 수 있다는 것을 또한 인정한다. 이를 위해, 섬유 재료 재질의 건조 스택을 열가소성 필름을 사용하여 피복처리하는데, 이때 열가소성 필름은, 유입된 열경화성 수지가 경화되는 동안에, 표면 형태로서 시스템에 견고하게 부착된다. 이 단계는, 프리폼에 안정화된 필름이 시스템에 견고하게 부착되는 방식으로 경화 공정을 어려움 없이 활용할 수 있다는 발견에 기초한다.
열가소성 필름을 사용하기 때문에, 선택적으로 나중에 표면으로서 역할하는 추가 재료층을 별도로 예비성형하는 종전 작업이 더 이상 필요하지 않다. 그 대신, 열가소성 필름을 종전의 제조 공정과 통합한다. 프리폼의 성형 공정에서, 열가소성 필름을 가령 열에 노출시킴으로써, 최종 부품의 원하는 표면형태로 만든다. 이는 예를 들어 금형 캐비티에서 복합재 부품을 성형하는 종전의 경우에서와 같이 임의의 추가 공정 단계 없이 달성된다.
경화 공정 후, 섬유 복합재료 재질의 부품은 주요 표면 특성들을 갖게 되는데 이들 특성은 필름에 따라 결정되며 소량의 하류 작업만 요구된다. 표면 특성이 필름에 따라 주로 결정되는 경우, 모듈성이 증가한다. 회사들이 제조 능력을 거의 가지고 있지 않거나 복수의 공급자가 있는 경우에 최종 제품에서 색상 차이 및 표면 차이가 있을 수 있지만, 이러한 상황은 한 중앙 필름 제조사를 해당 필름에 대한 공급자로서 활용하는 경우에 확실하게 방지된다. 표면 재료에 대한 공정 매개변수들은 구조를 생성하는 매개변수들로부터 구분되어 왔다. 필름은 특수 공정들에서 제조가능하므로, 상이한 특성들을 가진 다양한 재료들을 비교적 저비용으로 생산할 수 있다. 또한 복수의 이러한 재료들을 층 내에서 원하는 특성들과 조합하여 하나의 복합 필름을 생성하는 것이 가능하다.
본 발명은 필름 제조 방법을 적합하게 조절함으로써 원하는 표면 특성의 복합재료를 얻을 수 있게 하는 한편, 섬유 복합재 부품의 제조 방법에 복잡한 추가적 공정 단계들을 보완시킬 필요가 없다. 그 대신, 섬유 복합재 부품의 차후 표면을 수송시 안정적인 프리폼의 제조를 위한 일차적 예비공정에 동시에 활용하고, 그 결과 더 유리한 제조 방법을 만드는 것과 관련하여 추가 장점들을 제공하게 된다. 이때 외부 필름은 표면 형태로 부품에 견고하게 부착된다.
또한 프리폼의 성형 공정시 수지와 금형을 분리시키기 위한 이형제 사용을 생략할 수 있다. 이 효과는 이미 건조 섬유 스택을 피복하는 열가소성 필름 덕분에 달성된다.
프리폼의 성형 공정을 섬유 재료가 포화되기 전에 수행하는 경우, 필름의 성형 공정 온도를 열경화성 수지의 경화 온도와는 무관하게, 구체적으로 선택할 수 있다. 이렇게 함으로써 성형 공정시 열경화성 수지의 모든 가능한 문제성 경화현상을 방지하게 된다.
액체 열경화성 수지를 유입하기 위해 바람직하게는 압력차를 이용한다. 이는 예를 들면 필름 안의 내부공간에, 바인더 재료 형태로, 여전히 액체 상태인 열경화성 수지를 흡입시키는 방식으로 아기압을 프리폼에 적용하는 침윤법(infiltration)에 의해 달성될 수 있다. 그 결과 섬유 재료의 건조 스택이 일정하게 포화된다. 한편, 이러한 포화는, 그 자체가 가압하에 있는 액체 열경화성 수지를 필름 안의 내부공간에 유입시키는 주입 공정을 통해서도 얻을 수 있다. 이러한 가능성들 중 어느 경우에서든지, 유용한 유입 방법은 프리폼의 내부공간 내에 우세하게 퍼져 있는 아기압을 활용하는 것이다.
기밀 상태를 제공하는, 시스템 및 외부 필름 사이의 견고한 부착상태는 프리폼이 경화되는 동안 접착시킴으로써 달성된다. 상기 접착은 특히 기계적인 고정 작업으로 이루어지며, 이때 포화 공정시 액체 열경화성 수지는 필름 내의 기공들 및 함몰부들에 스며들어, 경화되어 고체 상태에서 언더컷(undercut)을 형성한다. 한편, 사용된 열경화성 수지 및 사용된 열가소성 필름에 따라, 제조 공정시, 자동접착으로 알려져 있는 작업을 수행할 수도 있으며, 이때 사용된 중합체들의 탄화수소 사슬들이 서로 접촉하거나 서로 침투하는 방식으로, 두 재료가 분자간력에 의해 결국 결합하게 된다. 최종 부품 내 특정 접착을 유사하게 야기시킬 수 있는 다른 현상들로는 정전기적 인력, 반 데르 발스 힘, 쌍극자 상호작용 등이 있다. 본 발명의 목적상, 이러한 접착 효과들 모두(일부는 분명하게 구별되지 않음)를 활용하여, 경화 공정시 필름이 분리되지 않도록 견고하게 부착시킬 수 있다. 따라서 본 발명은 경화 공정 후에 쉽게 서로로부터 분리될 수 있는 열가소성 필름과 열경화성 수지 사이의 재료 조편성은 제외한다. 이는 가령 액체상에서 어떠한 상호습윤 또는 상호침투도 발생할 수 없는 정도로, 극성 또는 화학적으로 상이한, 이를테면 플라스틱재들 경우에 해당된다. 이러한 재료 조편성은 예를 들어 쉽게 박리될 수 있는 필름 커버를 설계할 때 일반적이다.
유리한 일 구현예에서는, 시스템에 대한 필름의 밀착성 부착을 촉진하기 위해 접착 촉진제를 사용한다. 이러한 종류의 접착 촉진제는 예를 들어 열가소성 필름의 내부면의 일부가 될 수 있는데, 이때 접착 촉진제와 열가소성 필름은 특히 이 둘을 모두 포함하는 필름 복합재로서 미리 제조된 경우이다. 접착 촉진제는 예를 들어 가열되었을 때 액체상 형태로 열경화성 수지와 혼합되거나, 섬유 재료에 침투하는 것으로 선택된다. 따라서 경화 공정은, 상호결합(interlock) 덕분에 분리되지 않으며 견고하고 강한 부착상태를 생성하게 된다.
특히 유리한 일 구현예에 의하면, 열가소성 필름의 내부면에 접착 촉진제로서 도포되는 코팅은 제조 공정시 견고하고 강한 부착상태를 형성하는 코팅으로 이루어진다. 상기 코팅은 그 후에 필름에 도포될 수 있다. 그러나, 특히 바람직한 것은 필름의 외부면(차후 표면)과 필름의 내부면을 공유식 압출공정으로 제조하는 공압출법이다. 압출 공정은 열가소성 수지를 사용하며, 이때 열가소성 수지는 압출기의 압출 헤드에 용융된 후, 액체상으로 함께 가압되어, 둘 이상의 서브층을 갖는 바람직한 유형의 필름을 생성한다. 플라스틱(가소성 수지)은 가압 과정 직후에 경화된다. 플라스틱에 적합한 재료를 선택함으로써, 이들은 서로 화학적으로 또는 상호결합을 통해 견고하게 결합된다. 공압출은 이때 유리한 제조 공정이다.
사용되는 접착 촉진제는 바람직하게 EVA(에틸렌-비닐 아세테이트), PCB(폴리염화 바이페닐), APAO(비정질 폴리-알파-올레핀), TPE-U(우레탄계 열가소성 엘라스토머), TPE-E(열가소성 코폴리에스테르), TPE-A(열가소성 코폴리아미드), EVOH(에틸렌-비닐 알코올), 및 PE(폴리에틸렌), 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱을 포함한다.
바람직하게 사용되는 적합한 열가소성 필름은 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), PC(폴리카보네이트), SAN(스티렌-아크릴로니트릴), PVF(폴리비닐 플루오라이드), 및 PVC(폴리비닐 클로라이드), 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱이다. 예를 들어 부품을 실내 부문용으로 제조하는 경우에는 PE(폴리에틸렌) 또는 PA(폴리아세테이트)와 같은 유용한 플라스틱을 선택할 수도 있다.
바람직하게는 열가소성 필름과 공압출되는 접착 촉진제 덕분에, 가열을 통해, 시스템 및 해당 재료로 주조된 섬유 사이에 상호결합형 부착상태를 달성할 수 있다. 접착 촉진제는 액체상으로서 예를 들면 섬유층의 최상부를 적시며, 이로써 해당 재료로 주조된 섬유를 통해 기계적 마찰 결합이 생긴다. 따라서, 열가소성 필름은 표면으로서 섬유 복합재 부품에 견고하면서 분리되지 않게 부착된다.
물론, 열가소성 필름을 위해, 제조 공정시 접착을 통해 부품에 전술한 바와 같이 견고하게 부착되는 적합한 플라스틱을 선택하는 것도 가능하다. 그러나, 별도의 접착 촉진제를 제공하면 원하는 표면 특성으로부터 접착 기능이 제거될 수 있다. 이는, 열가소성 필름을 위해, 원하는 표면 특성에 대해 최적화된 재료를 독점적으로 사용하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 산 내성, 노화 내성, 또는 기타 착색성 등과 같은 표면 특성은 필름 복합재 중 최외층에 따로 할당될 수 있다.
최외층의 재료와는 상이한 추가 재료를 접착 촉진 목적으로 필름 복합재에 통합하는 경우, 표면 특성을 개선하기 위해 바람직하게는 하류 가열조절 공정에서 접착 촉진과 함께 추가 기능들이 제공될 수 있다.
주기 시간을 단축하고, 이에 따라 프레스 점유 시간을 줄이기 위해서는, 열경화성 수지 또는 열경화성 매트릭스의 경화도를 높이도록 제어된 온도에서 하류 단계를 예를 들어 RTM 공정에서 이용하는 것이 일반적이다. 이 경우, 수지 시스템은 금형 캐비티 내에서 부분적으로만 가교되며, 가열-조절 공정시에만 완전히 가교된다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서는, 하류 가열-조절 공정을 이용하여 표면 특성을 향상시킨다. 이를 위해, 필름에 사용된 개별 재료층이 전술한 가열-조절 온도에서 탄성율에 현저한 차이를 나타내는 상이한 열적 특성 프로파일을 가지도록 하는 방식으로, 예를 들면 접착 촉진제를 사용하여, 다중재료 구조로 만들어진 열가소성 필름을 설계한다.
필름 구조에서 탄성율의 차이 덕분에, 제어-온도 조건 하에서 일어나는 응력 감소가 허용되어 특정 효과를 가질 수 있게 된다. 여기서 중요한 개념은 자연 법칙인데, 이에 따르면 자연 세계에 있는 모든 물체는 자신의 에너지 준위를 낮추고자 한다는 것이다. 여기서 에너지의 한 형태는 재료 내에 도입되며, 완화시켜야 하는 응력이다. 이 수단을 통해 훨씬 더 매끄러운 필름 표면을 제조가능하다는 것이 밝혀졌다.
제어-온도 조건하의 기간 동안, 열경화성 수지 또는 열경화성 매트릭스의 후가교가 발생하여, 용적 수축으로 이어진다. 복합재료의 구조는 이방성이기 때문에, 섬유는 비균일하게 분포되는 수축 현상을 일으키고, 섬유 비율이 증가된 영역들은 표면 상에서 바람직하지 않게 나타난다. 수축이 더 많이 된 영역들(수지함량이 높은 영역들)에서는, 필름이 더 많이 변형되며, 이에 따라 특히 굴곡 응력 및/또는 인장 응력을 통해 응력이 증가한다.
필름의 "양(both)" 서브층은 상기 수축 과정에 의해 기계적으로 변형된다. 이에 따라, 필름 복합재의 기계적 응력 수준이 증가하고, 이 수준은 국부적으로 다양하며, 완화되어야 한다. 후속 열처리는 변형 영역들, 즉 섬유가 나타나거나 자국(indentation) 또는 표면 함몰이 있는 영역들에서의 이러한 응력 증가를 낮출 수 있으므로, 응력 수준의 감소와 함께 필름 표면은 더 매끄러워진다. 이는 내부쪽으로 배향된 필름 부분이 외부측 부분보다 더 부드럽기 때문에 발생한다. 따라서 필름의 내부측 부분은 수축된 열경화성 부분을 대체함으로써 보완한다. 또한, 대조적으로, 필름의 외부측 부분의 강성도는 높아지고, 따라서 이 부분에 있는 응력 비율은, 평활화(smoothing) 공정 덕분에 낮아진 인장 변형률 값의 결과로서 감소된다.
접착 촉진제, 즉, 내부쪽으로 배향된 (필름 복합제의) 필름 부분의 연화점은 필름의 외부 열가소성 부분의 연화점보다 낮은 것이 바람직하다. 바람직한 대로 후속 열처리가 접착-촉진제 필름의 연화점과 외부 열가소성 필름의 연화점 사이의 온도에서 수행되면, 접착 촉진제의 탄성율은 연화현상으로 인해 낮아진다. 외부 필름, 즉 외부측으로 배향된 필름 부분은 응력 수준의 감소와 함께 바람직한 평활화 공정으로 완화될 수 있다.
대안으로, 또는 접착 촉진제에 더하여, 부품으로의 견고한 부착을 위해 필름의 내부면에 바람직하게는 결무늬가 제공될 수도 있다. 필름의 결무늬 내부면은 부품의 경화시 기계적 상호결합을 통해 접착성을 제공한다. 경화 공정이 끝나면, 결의 함몰부, 홈(groove), 기공 등은 해당 재료에 침투된 열경화성 수지를 위한 언더컷을 형성함으로써, 시스템에 대해 견고하면서 분리되지 않는 부착상태를 보장한다.
사용된 열경화성 수지, 즉 일단 경화되면 더 이상 변형되지 않는 플라스틱은, 실온에서 경화되는 수지 시스템이거나, 아니면 열로 경화되는 수지 시스템이다. 특히, 수지재료 및 경화제로 만들어진 자가경화성 수지 시스템을 사용하는 것도 가능하다. 특히, 다음과 같은 수지를 매트릭스로서, 또는 열경화성 수지로서 사용할 수 있다: 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 수지, 아미노플라스틱, 또는 비닐, 페놀 또는 폴리우레탄 수지.
다른 유리한 구현예에서는, 특히 매끄러운 부품 표면을 제공하기 위해 필름을 소성 변형시키는 특수 처리를 프리폼에 수행한다. 이는 기계적, 화학적, 동수압(hydrodynamic) 효과, 또는 바람직하게 열적 효과에 노출시킴으로써 성취될 수 있다. 이들의 조합도 가능하다. 특히 동수압 효과를 활용한다는 것은, 성형 목적을 위해, 아직 편평한 프리폼 및 금형의 표면형태 사이에 놓인 가스 또는 유체를 추출하기 위해 흡입하는 것을 의미한다. 이 용어는 필름들 사이의 압력을 제어하고, 폐쇄된 캐비티 내의 압력을 제어한다는 것을 의미할 수도 있다.
필름은 화학적 처리에 의해 가요성을 나타낼 수도 있다. 이를 위해, 예를 들면 적합한 용제를 사용하여 필름을 팽창(swell)시키는 것이 가능하며, 이는 최종 형상이 생성되면 증발을 통해 사라짐으로써 재료를 단단하게 만든다.
바람직한 열처리로 열가소성 필름을 연화시키는 방식으로, 예를 들면 금형의 캐비티 내에서 원하는 부품의 표면형태에 가깝게 만든다. 열가소성 필름을 연화시켜 얻게되는 다른 선택적 결과는 부품에 대한 견고하면서 강한 부착이다. 이는 특히 접착 촉진제를 열가소성 호일의 내부면에 사용한 경우에 해당된다. 물론, 일원화된 방식으로 제조된 열가소성 필름이 연화 공정을 통해 부품과 상호결합 상태를 형성한 후 고체상으로 되돌아가는 것이 또한 가능하다. 여기서 또 다른 가능성은 사용된 바인더 시스템 또는 수지 시스템으로의 화학적 결합이다.
실온에서 경화되거나 자가경화되는 수지 시스템을 열경화성 수지로 사용하거나, 또는 필름의 가공처리 온도가 상기 수지 시스템에 적합하지 않는 경우에는, 프리폼을 피복하는 열가소성 필름에 성형 공정을 수행하여 차후 표면형태를 생성하도록 별도의 열처리가 선택적으로 요구된다. 이 과정은 고속 경화 저-온도 수지를 사용하는 경우에 특히 유리하다. 그런 후에는, 필름에 성형 공정을 수행하기 위해 프리폼의 외부면만 가열시키는 것이 선택적으로 필요하다. 열로 경화되는 열경화성 수지를 사용하는 경우에, 결과적으로는 유입된 열경화성 수지를 경화시키는 열처리와 동시에 열가소성 필름의 형상 조절을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
유리하게는, 열처리 동안에 열가소성 필름 재료가 액체상으로 되지 않도록 한다. 따라서, 비록 금형의 기하학 구조를 모방하는 과정에서 필름이 소성 상태로 되더라도, 상기 상태는 섬유 구조를 나타내기에는 충분하지 않다. 이러한 이유와, 본 공정 및 금형과 관련하여 이때 강구되는 예방책으로 인해, 결과적으로 매끄러운 부품 표면이 얻어진다.
본 발명의 특히 바람직한 일 구현예에서는, 필름 안의 내부공간으로 열경화성 수지를 유입하는 조작, 프리폼의 형성 공정, 및 경화 공정을 RTM 공정 중 스탬핑 단계에서 단시간 내에 통합(in combination) 수행한다. RTM 공정은, 열경화성 수지의 경화가 스탬핑 단계와 조합되어 수행되는, 수지 전달 몰딩 공정으로 알려져 있는 것이다. 이때 열가소성 필름을 통해 제공되는 피복 수단 덕분에, 열경화성 수지의 유입 조작, 및 경화 공정을 한 금형 내에서 단시간 내에 통합된 조작으로 수행할 수 있다. 이를 위해, 아직 건조한 프리폼을 피복처리하면서 예를 들면 금형의 캐비티 내에 삽입시킨다. 그런 후에는 금형을 닫고, 압력을 가한 결과, 피복된 프리폼은 원하는 부품 형상으로 전환된다. 이와 병행하여, 예를 들면 외부 아기압 또는 아기압을 통해, 액체 열경화성 수지를 상기 삽입 금형으로 유입한다. 여기서 열경화성 수지는 섬유 재료를 포화시킨다. 이어서, 예를 들면 조합된 재료들의 열처리를 위한 열이 인가되어 열경화성 수지가 경화되며, 이때 열가소성 필름 역시 연화됨으로써 부품 상에 견고하게 부착되고, 동시에 부품의 표면 기하학 구조를 취하게 된다.
RTM 공정은 제조 단계들의 통합으로 인해 비용 및 물류계획 면에서 상당한 이점을 가진다.
건조 스택을 실질적으로 시트 형태로 제조하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 섬유 재료를 원하는 기본 형상 또는 계획된 형상에 따라 재단할 수 있다. 이어서 원하는 3차원 표면형태에 해당되는 금형을 이용하여 시트 형태의 프리폼에 성형 공정을 수행함으로써 최종 부품을 생성한다. 특히, 시트 형태의 재료는 3차원 형상을 가진 시트형 부품용으로 유용하다. 이러한 유형의 형상은 예를 들면 자동차 산업에서의 눈으로 볼 수 있는 부품들, 이를테면 클래딩, 범퍼 등의 한 특징이다.
건조 섬유 스택을 피복하는 데에는 필름 튜브가 유리하게 사용되기도 한다. 필름 튜브로 스택을 피복한 후, 튜브의 단부들을 예를 들면 용접, 접착성 부착, 또는 기타 다른 방식으로 밀봉하여, 기밀상태로 만든다. 시트 형태를 가진 스택의 경우, 다른 바람직한 구현예에 따른 다른 가능성은 특히 2개의 필름 웹을 제공하는 것으로; 이들 웹은, 관통유동 공정에서, 편평한 스택의 두 측면과 접촉된 후 그 주변을 따라 용접되거나 접착제로 부착된다. 연속적 또는 반연속적 관통유동 공정으로서, 제조 기술면에 관해서는, 튜브 내부에 밀폐시키거나, 2개 이상의 필름 웹 사이로 삽입시키는 것을 설계할 수 있다.
사용되는 섬유로는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 열가소성 섬유, 및/또는 아라미드 섬유가 포함될 수 있다. 이에 따라 원하는 섬유 복합재 부품의 차후 특징적 성질들을 고려할 수 있다. 섬유 재료 자체는 서로 부착되어 섬유 직물(woven fiber fabric), 섬유 편물(knitted fiber fabric), 및/또는 섬유 부직물(nonwoven fiber fabric)을 생성하는 직물 유형의 것이 바람직하다. 또 다른 가능한 대안은 섬유지를 사용하는 것이다. 이러한 섬유지는 섬유 부직물과는 상이한 것으로, 섬유들은 예를 들면 니들링에 의해 불규칙한 방식으로 서로 결합되어 더 미세한 구조의 섬유 및 가압에 의한 내부 표면을 지닌다.
또 다른 구현예에 의하면, 성형 공정 및/또는 경화 공정 도중에, 돌출 재료를 열적기계적으로, 즉 열과 기계식 방법을 조합하여, 제거한다. 예를 들어, 이러한 제거 공정은 금형의 가장자리들을 가열함으로써 금형 내부에서 수행된다. 첫 번째로는, 용접 립으로부터 얻어지는 유형의 용접 공정을 돌출 필름 재료에 행한다. 두 번째로는, 필요하지 않는 돌출 필름 재료를 동시에 부품으로부터 제거한다.
종전까지 섬유 복합재료 재질의 부품은, 제조상의 이유로, 생산 단계에서 대형 치수로 만들어졌다. 경화 공정 후에, 돌출 가장자리들을 가령 연마, 밀링, 또는 절단시켜 기계적으로 제거하였다. 그러나, 본 방법에서 돌출 재료를 열적기계적으로 경화 공정 또는 성형 공정 도중에 제거하면, 재료 비용뿐만 아니라 생산 비용 역시 절감할 수 있게 된다. 필름 가장자리를 추가 용접함으로써, 전체 부품을 더 작은 크기로 제조할 수 있다. 돌출 재료량의 감소는 하류 기계적 조작들에 대한 비용을 상당히 절감시킨다.
본원에 제공된 방법의 또 다른 주요 이점은 섬유 복합재료 재질의 부품을 열가소성 필름에 의해 어려움 없이 다른 부품들과 열적으로 접합시킬 수 있다는 것이다. 특히, 용접 또는 솔더링을 통해 필름을 다른 부품과 접합시킬 수 있다. 용접 공정에서는, 2개의 부품을 연화점보다 높은 온도에서 국부적으로, 또는 한 영역에 걸쳐 가열시킨다. 이 공정 동안, 재료들이 서로에게 침투된다. 플라스틱이 접합되면, 경계 영역이 형성될 수 있으며, 여기서 중합체들은 확산 영역을 형성함으로써 결합한다. 그러므로 용접 공정은 상기 언급한 부품을, 생산 단계 후, 플라스틱 재질의 다른 부품과 접합시키는데 특히 적절하다. 솔더링 공정에서는, 단 하나의 부품을 연화점보다 높게 가열한다. 그런 후에, 다른 부품을 접합시키는 공정을 접착 및 물리적 또는 기계적 결합을 통해 수행한다. 그러므로 솔더링을 통해, 상기 언급한 부품을, 생산 단계 후, 예를 들면 금속 재질의 다른 부품에 접합시킬 수 있다. 전술한 바와 같이 생산되는 부품의 주요 장점은 따라서 어떤 접합 공정 없이도 다른 부품들과 접합될 수 있다는 것이다.
또한 본 발명은, 섬유 복합재료 재질의, 전술한 방법에 의해 제조된 부품을 통해, 본원의 도입부에서 언급한 목적을 달성한다. 이러한 유형의 부품은 열경화성 수지 재질의 매트릭스 내에 결합된 다수의 섬유 재료 서브층을 포함하고, 또한 시스템에 직접 결합된 열가소성 재질의 표면층을 포함한다.
여기서 표면층은 전술한 바와 같이 접착법에 의해 시스템에 부착시키는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 일 구현예에 의하면, 표면층은 접착 촉진제를 통해 시스템에 부착된다.
상기 부품의 기타 유리한 구현예들은 본 제조 방법과 관련된 구현예들에 대한 원리에 상응하는 원리를 바탕으로 할 수 있다. 이와 같이 이들은 부품으로 전환된 이점들을 제공한다.
또한 본 발명은, 특히 전술한 방법에서와 같이 다수의 부분 단계들을 따라 얻은, 섬유 복합재료 재질의 부품용 프리폼을 통해, 본원의 도입부에서 언급한 목적을 달성한다. 이러한 유형의 프리폼은 다수의 건조 섬유 재료 서브층으로 만들어진 스택을 포함하며, 이때 스택은 열가소성 필름으로 기밀하게 피복되고, 필름 내 스택이 차지하는 내부공간에는 아기압이 우세하므로 서브층들이 고정되어 수송시 안정적이다.
이러한 유형의 프리폼의 수송시 안정성은 열가소성 필름의 기계적 성질을 통해 얻어진다. 서브층은 우세한 아기압에 의해 가압된다. 피복 필름이 탄성이기 때문에, 어떠한 변형도 방지한다. 프리폼은 수송시 안정적이다. 피복 처리는 치수 안정적인 방식으로 서브층을 고정시킨다. 경화성 수지 내용물이 전혀 함유되어 있지 않으므로 프리폼은 또한 노화에 더 내성을 띤다. 비고정 방식으로 서브층들을 상호중첩시키는 것이 바람직하다. 유리한 일 구현예에 의하면, 서브층들을 적층하여 드레이프성 스택을 만든 후, 여기에서는 서브층들을 국부적으로 서로에 고정시킬 수 있다. 고정 위치 및 특성은 드래이프성이 지속적으로 유지되고, 부품의 차후 기하학 구조에 따르도록 선택한다.
유리한 일 구현예에 따르면, 건조 스택은 실질적으로 시트 형태이다. 시트 형태로 있는 이러한 유형의 스택을 필름 웹 사이에 기밀하게 삽입시키는 것이 바람직하다.
본 제조 방법을 위해 기술한 구현예들에 대한 원리에 상응하는 원리를 전환함으로써 기타 유리한 구현예들을 얻는다. 본원에서는 상응하는 원리를 이용함으로써 이점들이 전환될 수 있다.
도면을 참조로, 본 발명의 구현예들을 더 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 고품질 표면을 가진 섬유 복합재 부품을 제조하는 순서를 나타낸 도면이다.
도 2는 RTM 공정을 통해 고품질 표면을 가진 섬유 복합재 수품의 제조를 나타낸 도면이다.
도 1은 고품질 표면을 가지며 섬유 복합재로 만들어진 부품의 제조를 나타낸 도면이다. 시트 형태의 섬유 재료(예를 들어, 섬유 직물)를 대략 재단한 후, 복수의 이들 섬유 시트를 우선 1번 이미지에서와 같은 비고정 방식으로 서로의 상부에 적층시킨다. 이때 예를 들면 니들링을 통해 국부적으로 또는 섹션별로 고정 공정을 수행하는 것도 가능하되, 드레이프성을 유지시킨다.
비고정된, 또는 (국부적으로 고정되었기 때문에) 실질적으로는 비고정된, 건조 스택은 최종 기하학 구조에 대해 드레이프성을 나타낸다. 그런 후에는 열가소성 필름을 사용하여 3번 이미지에서와 같이 섬유 스택을 피복한다. 여기서 필름은 예를 들어 튜브 형태를 가지며, 스택과 약하게 접촉시키거나 필름 튜브 내에 스택을 삽입시킨다. 튜브의 단부들을 서로 용접시키거나 접착제로 부착시킴으로써, 기밀상태의 피막을 형성한다. 사용된 열가소성 필름은 예를 들어 공압출법에 의해 필름 복합체로 제조된다. 특히, 필름의 외부면에는 불투수성이며 내산성인 내노화성 플라스틱을 사용한다. 내부면에는 접착 촉진제를 도포한다.
다음으로는 필름 안의 기밀 내부공간을 6번 이미지에서와 같이 펌프로 흡입한다. 이 공정 동안, 비고정된, 또는 기껏해야 드레이프성을 유지하고자 국부적으로 고정된, 건조 섬유-재료 스택을 가압함으로써 치수적으로 안정화시킨다. 외부 필름은 스택을 피복하며, 또한 스택에 기계적 강도를 제공하고, 얼룩, 수분 등으로부터 스택을 보호한다. 그 결과로 얻어지는 6번 이미지에서와 같은 프리폼은 치수적으로 안정적이며 수송가능하다. 따라서 복합재료에 요구되는 섬유 스택을 금형에 의한 후속 성형과 분리하여 생성할 수 있다. 이에 따라 금형 내에서의 체류 시간이 단축되고, 이로써 제조 공정이 최적화되며 비용이 절감된다.
액체 열경화성 수지를 8번 이미지에서와 같이 프리폼에 유입하고, 가령 열에 노출하여 경화시킨다. 여기서 주입 공정은 상징적으로 표시되었는데, 즉 압력을 이용하여 열경화성 수지의 액체상을 내부공간에 주입하였다. 프리폼의 내부공간에 있는 아기압으로 인해, 섬유 재료는 열경화성 수지를 통해 균일하게 포화된다.
포화된 프리폼에 9번 이미지에서와 같이 성형 공정을 수행한다. 이를 위해, 예를 들면 프리폼을 금형의 캐비티에 삽입시킨다. 열가소성 필름에 의해 제공되는 피복과 함께, 프리폼에 가압 성형 고정을 수행하여 최종 부품을 생성한다. 여기서는 열을 동시에 도입하였으며, 그 결과 열가소성 필름은 캐비티의 외부 기하학 구조에 가깝게 되고, 열경화성 수지는 경화된다.
특히, 그리고 예를 들어, 경화 공정은 열가소성 필름을 섬유 재료에 마찰 결합시킨다. 필름의 내부면에 도포된 접착 촉진제는 온도 상승으로 인해 연화되어, 섬유 재료의 상부 섬유에 침투한다. 이러한 결합, 그리고 경화될 때 수지 시스템에 침투되는 섬유의 매립현상으로 인해 부품과 표면으로서의 열가소성 필름 사이에는 견고하면서 강하고 분리되지 않는 부착상태가 생성된다.
탈형 후에, 10번 이미지에서와 같이, 섬유 복합재료로 제조된 최종 부품을 얻는다. 상기 부품은 고품질 표면을 가진다. 이러한 표면 특성은 주로 열가소성 필름의 피복 덕분에 달성된다. 어떠한 추가 공정 단계를 통해서든 후처리할 필요가 없다. 부품은 바람직한 촉각 특성과, 바람직한 표면 구조와, 바람직한 물리적 및/또는 화학적 표면 특성을 가진다. 특히, 부품의 색상을 유리하게는 열가소성 필름을 통해 조절할 수도 있다.
도 2는 섬유 복합재료로 만들어진 부품을 제조하는 RTM 공정(수지 전달 몰딩 공정)으로 알려져 있는 공정에 대한 도면이다. 여기서는, 필름으로 피복되어 있으며 수송시 안정적인 건조 프리폼(12)을 스탬핑 프레스(14)의 두 부분 사이의 캐비티로 삽입시킨다. 그 후 스탬핑 프레스(14)를 냉각시키고, 프리폼(12)에 성형 공정을 수행하여, 원하는 부품의 표면상태를 생성한다. 이때 프리폼(12)은 아직 열경화성 수지를 통해 포화되지 않은 상태이다. 프리폼(12)으로부터, 내부의 건조 섬유 스택(16)과, 또한 외부측의 피복용 열가소성 필름(18)을 구분할 수 있다.
스탬핑 프레스(14)를 폐쇄한 후, 성형 공정을 이용하여, 액체 열경화성 수지(20)를 가압하에 프리폼(12)의 필름 안 내부공간에 유입한다. 이를 위해, 예를 들면 가압 공기(21)를 공급한다.
가압된 열경화성 수지(20)는 프리폼(12)에 있는 적절한 출입구(input aperture, 25)를 통해 프리폼의 내부공간에 유입되어, 건조 섬유 스택(16)을 서서히 균일하게 포화시킨다. 프리폼(12)의 다른 단부에서는, 과량의 열경화성 수지가 배출구(discharge aperture, 26)를 통해 수용기(27)로 배출된다.
프리폼(12)이 포화된 후, 스탬핑 프레스(14)의 캐비티를 가열하고, 유입한 열경화성 수지(20)를 경화시킨다. 그러나, 캐비티의 온도를 미리 사전제어할 수도 있다. 열가소성 필름(18)의 내부면은, 표면으로서 시스템에 부착되기 위해, 예를 들어 결무늬를 가진다. 필름(18)의 기공, 개공, 및 골(valley)에 침투한 열경화성 수지(20)는 경화된다. 따라서 열가소성 필름(18)으로 언더컷을 형성한다. 열가소성 필름(18)은 최종 부품에 견고하게 상호결합되어 부착된다.
그런 후, 최종 부품을 스탬핑 프레스(14)로부터 분리시킨다. 시스템에 견고한 강도로 부착된 열가소성 필름(18)을 통해, 섬유 복합재 부품의 바람직한 표면 특성이 정립된다.
1비고정식 적층
3열가소성 수지를 이용한 피복
6펌프로 내부공간을 흡입
8열경화성 수지를 통한 포화
9성형 공정 / 경화 공정
10피복된 부품의 분리
12프리폼
14스탬핑 프레스
16건조 섬유 스택
18열가소성 필름
20열경화성 수지
21가압 공기
23내부공간
25출입구
26배출구
27수용기

Claims (20)

  1. 섬유 복합재료 재질의 부품을 제조하는 방법이며, 상기 방법은
    - 다수의 건조 섬유재료 서브층을 적층하여 스택(16)을 제공하고,
    - 열가소성 필름(18)을 사용하여 건조 스택(16)을 기밀 피복하며,
    - 필름(18) 내부에 스택(16)이 차지하는 내부공간(23)을 펌프로 흡입처리함으로써 서브층들을 고정시켜 수송시 안정적인 프리폼(12)을 제공하고,
    - 프리폼(12)에 성형 공정을 수행하며,
    - 액체 열경화성 수지(20)를 상기 내부공간(23)에 유입하여 섬유 재료를 포화시키고,
    - 포화된 섬유 재료로 프리폼(12)을 경화시켜, 시스템에 표면으로서의 필름(18)이 견고하게 부착된 최종 부품을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 액체 열경화성 수지(20)를 압력차에 의해 유입시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 경화 공정시 필름(18)은 부품과 견고하면서 강한, 분리되지 않는 부착상태를 이루는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템에 대한 필름의 밀착성 부착을 촉진하기 위해 접착 촉진제를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 접착 촉진제로서 코팅을, 특히 공압출법에 의해, 필름(18)의 내부면에 도포시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 사용되는 접착 촉진제는 EVA(에틸렌-비닐 아세테이트), PCB(폴리염화 바이페닐), APAO(비정질 폴리-알파-올레핀), TPE-U(우레탄계 열가소성 엘라스토머), TPE-E(열가소성 코폴리에스테르), TPE-A(열가소성 코폴리아미드), EVOH(에틸렌-비닐 알코올), 및 PE(폴리에틸렌), 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 부품으로 견고히 부착되기 위해 필름(18)의 내부면에 결무늬를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 매끄러운 부품 표면을 생성하기 위해 프리폼(12)의 필름(18)을 가소성 변형, 특히는 열가소성 변형시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 스택(16)을 실질적으로 시트 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 열경화성 수지(20)의 유입, 성형 공정, 및 경화 공정을 RTM 공정 중 스탬핑 단계에서 단시간 내에 통합(in combination) 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 재료의 서브층에 섬유 직물(woven fiber fabric), 섬유 편물(knitted fiber fabric), 섬유지(fiber paper) 및/또는 섬유 부직물(nonwoven fiber fabric)이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 열가소성 섬유, 및/또는 아라미드 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 필름(18)은 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트), PC(폴리카보네이트), SAN(스티렌-아크릴로니트릴), ASA(아크로니트릴 스티렌 아크릴레이트), PVF(폴리비닐 플루오라이드), 및 PVC(폴리비닐 클로라이드), 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택된 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 변형 공정 동안 및/또는 경화 공정 동안에, 돌출 재료(projecting material)를 열적기계적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 가공처리 단계에서, 열가소성 필름(18)을 통해, 상기 부품을 다른 부품과 열 접합, 특히는 용접 또는 솔더링하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 섬유 복합재료 재질의, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 특히 제조되는 부품이며, 상기 부품은 열경화성 수지(20) 재질의 매트릭스 내에 결합된 다수의 섬유 재료 서브층, 및 시스템에 직접 부착된 열가소성 재질의 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품.
  17. 제16항에 있어서, 표면층이 접착법에 의해 시스템에 부착되는 것을 특징으로 하는 부품.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 표면층이 접착 촉진제를 통해 시스템에 부착되는 것을 특징으로 하는 부품.
  19. 특히 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 다수의 부분 단계들을 따라 얻은, 섬유 복합재료 재질의 부품용 프리폼(12)이며, 상기 프리폼은 다수의 건조 섬유 재료 서브층으로 만들어진 스택(16)을 포함하며, 상기 스택은 열가소성 필름(18)으로 기밀하게 피복되고, 필름 내 스택(16)이 차지하는 내부공간에는 아기압이 우세하므로 서브층들이 고정되어 수송시 안정적으로 되는 것을 특징으로 하는 프리폼(12).
  20. 제19항에 있어서, 건조 스택(16)은 실질적으로 시트 형태이며, 필름 웹 사이에 기밀하게 삽입되는 것을 특징으로 하는 프리폼(12).
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