KR20140050779A - 섬유 강화 복합재의 성형방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법은, 적어도 하나 이상의 섬유층으로 이루어지는 하부섬유층 및 상부섬유층의 사이에 수지의 흐름을 확보하는 플로메쉬(Flow Mesh: 흐름망)를 배치하는 적층단계와, 적층된 섬유층과 플로메쉬를 상부 및 하부 예비성형몰드에 안치하고, 가압, 가열하여 성형몰드와 대응되는 형상을 가지도록 성형하는 예비성형단계 및 예비성형된 섬유층과 플로메쉬를 성형몰드에 안치하고 진공 비닐로 밀폐한 후 진공에 의해 수지를 섬유층에 함침시켜 섬유강화 복합재를 성형하는 성형단계를 포함하는 특징으로 한다.
Description
본 발명은 섬유 강화 복합재의 성형 방법에 관한 것으로, 일반적으로 적층된 섬유층 위에 배치하던 흐름망(Flow Mesh)을 섬유층과 섬유층의 사이에 배치하여 성형 후 성형물의 조직이 되도록 하고, 예비 성형틀에서 가압 및 가열하여 플로우메쉬를 변형시켜, 성형틀과 섬유층 사이의 굴곡진 부분에 주로 발생하는 들뜸 현상을 미리 차단함으로써 수지 과다 주입으로 인한 기포 형성을 억제하고, 보다 강도가 높고 치수정밀성이 향상된 섬유 강화 복합재의 성형 방법에 관한 것이다.
섬유강화 복합재는 카본 섬유, 유리섬유, 케블라 등 강도 특성이 우수한 섬유와 이를 결합시키는 수지로 구성된 재료이다. 특히 카본 섬유의 경우 섬유의 물리적 특성이 기존 금속재료에 비해 경량, 고강도 특성을 보유하여 최근 항공기, 차량, 레저 산업 등에서 차세대 재료로 급격한 사용 경향을 보이고 있다. 이 복합재의 성형에 있어 중요한 요소는 섬유 조직 안에 수지를 함침하는 것인데 함침의 정도에 따라 최종 생산물의 품질이 좌우되게 된다. 섬유와 수지의 비율에 따라 강도특성의 차이를 보이는데, 일반적으로 섬유의 비율이 높을수록 고강도 특성을 보인다. 또한 수지 함침시 섬유조직안에 기포가 형성될 경우 강도 특성에 치명적 영향을 미치므로 모든 성형 방식의 경우 이들 기포를 어떻게 효율적으로 제거할 것인가가 주안점이 된다.
일반적으로, 섬유 강화 복합재는 두가지의 기본적인 재료의 형태로 제작된다. 즉 수지가 함침된 섬유형태의 프리프레그와, 건조 섬유층에 수지를 함침시켜 성형하는 형태가 있다. 그 중 프리프레그 공정은 재료의 저온 보관 분리공정 등 공정 특성 제어가 어렵고 기공없는 균일한 수지 함유량을 얻기 어렵다는 단점이 있다.
수지 함침에 의한 섬유 강화 복합재의 성형 방법은 금형 위 진공백 내에 섬유강화층, 이형필름 또는 이형천 등을 적층하고 진공백을 진공테이프로 밀봉하여 진공라인을 통해 진공을 작용시키고, 수지를 주입함으로써 성형된다. 그런데, 이러한 수지를 함침시켜 제작하는 섬유강화 복합재를 성형하는데 있어서, 섬유층 전체에 걸쳐 균일하게 함침시키지 못하는 어려운 문제점이 있다. 이에 따라, 불균일한 함침으로 인한 결함은 구조물에 치명적인 손상을 입히게 된다. 따라서, 수지를 공동없이 함침시키기 위해서는 성형물 전체 표면에 걸쳐 수지가 자유롭게 유동할 수 있도록 하여야 한다. 즉, 성형품의 모든 방향으로의 유동통로가 확보되어야 한다. 종래에는 진공백 내부에 플로우메쉬(flow mesh) 등을 추가로 적층하여 이러한 문제점을 해결해 왔다.
종래의 진공 수지함침 성형 방법(진공 RTM)은 성형대상물인 섬유를 비닐로 덮고 내부를 진공으로 하여 수지를 섬유층 안으로 함침시겨 목적물을 성형하는 방식을 말한다. 이 경우 수지흐름을 보조하는 물질이 없는 경우 진공 압착된 섬유조직안으로 수지 함침이 어려워지므로 수지흐름 보조망(메시)의 사용은 필수적이 된다. 도 5는 일반적인 적층 상태를 보여주고 있다. 최종 목적물인 섬유재와 몰드를 제외하고 나머지 자재들은 성형이 완료된 이후 제거 및 폐기하게 된다. 일반적인 적층 순서는 성형 몰드위에 섬유조직 - 이형천 - 흐름망 - 진공 비닐 순이며 수지 경화 이후 이형천, 흐름망, 진공비닐은 제거된다. 실제 성형의 경우에 있어 애로가 되는 작업은 경화 이후 불필요 물질의 제거 공정이다. 진공 비닐의 경우는 쉽게 제거되나 이형천 및 흐름망은 수지로 결합되어 있어 제거가 쉽지 않다. 또한 제거된 이형천 및 흐름망은 수지를 함유하고 있어 재활용이 불가능하며, 결국 산업폐기물 형태로 처리해야하며 이는 환경적 저해요인이 된다.
또한, 종래의 섬유 복합재 성형방법을 이용하면 성형몰드가 굴곡진 경우에 도 6에서 보는 바와 같이 섬유재의 탄성에 의해 성형몰드의 굴곡부에 섬유층이 정확히 밀착하지 못하고 들뜨는 공간이 형성되게 된다. 이 공간으로 수지가 주입되므로, 과도한 수지 주입으로 인한 기포가 발생하기 쉽고, 굴곡부에는 섬유층이 없이 수지로만 형성되는 부분이 생기므로 강도특성이 현저히 떨어지고, 제품의 치수정밀도가 낮아지는 문제점을 안고 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래 섬유층, 이형천, 플로메쉬를 차례로 적층하는 종래의 성형방법을 탈피하여 섬유층의 사이에 플로메쉬를 배치하고 수지를 플로메쉬와 섬유층에 함침하여 섬유층과 플로메쉬가 일체로 구조화 되도록 성형하여, 진공 수지 함침 성형 후 이형천과 플로메쉬 등의 부자재를 제거하는 공정을 없애도록 하는 섬유 강화 복합재 성형 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 섬유층의 사이에 배치된 플로메쉬를 예비성형몰드 내에서 가압 가열하여 미리 변형시킴으로써, 성형몰드의 굴곡진 부분에 섬유층이 정확하게 밀착되도록 하여 수지가 과다하게 함침되는 것을 방지하고 굴곡부의 강도특성을 향상시키며, 제품의 치수정밀도를 향상시키는 섬유 강화 복합재 성형 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법은, 적어도 하나 이상의 섬유층으로 이루어지는 하부섬유층 및 상부섬유층의 사이에 수지의 흐름을 확보하는 플로메쉬(Flow Mesh: 흐름망)를 배치하는 적층단계와, 적층된 섬유층과 플로메쉬를 상부 및 하부 예비성형몰드에 안치하고, 가압, 가열하여 성형몰드와 대응되는 형상을 가지도록 성형하는 예비성형단계 및 예비성형된 섬유층과 플로메쉬를 성형몰드에 안치하고 진공 비닐로 밀폐한 후 진공에 의해 수지를 섬유층에 함침시켜 섬유강화 복합재를 성형하는 성형단계를 포함하는 특징으로 한다.
이 경우, 섬유층의 사이에 배치되는 상기 플로메쉬는 예비성형단계에서 가압, 가열 시 예비성형몰드의 형상에 따라 변형된 후 냉각 시 변형된 형태를 유지하도록 열가소성수지재로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 예비성형단계는, 하부 예비성형몰드에 섬유층과 플로메쉬를 안치하고, 상부 예비성형몰드로 섬유층과 플로메쉬에 압력을 가하는 가압단계와, 플로메쉬에 열을 가해 예비성형몰드의 형상으로 변형되도록 하는 가열단계 및 변형되어 예비성형된 섬유층 및 플로메쉬의 형상이 변형된 형태로 유지되도록 냉각하여 분리하는 냉각 및 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형단계는, 성형몰드 위에 예비성형물을 안치하고 진공 비닐로 예비성형물을 외부로부터 밀폐하는 성형준비단계와, 밀폐된 진공 비닐 내부로 진공에 의해 수지를 주입하여 섬유층에 수지를 함침하는 진공성형단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 섬유층의 상부에 배치되어 섬유층에 수지를 공급하는 유로를 제공하던 플로메쉬를 섬유층의 사이에 배치하고 성형 후 성형물의 조직이 되도록 함으로써, 성형 후 플로메쉬와 이형필름 또는 이형천을 제거해야 되는 공정을 줄여 공정을 단순화하고 성형 후처리 시간을 단축하며, 환경저해요인인 폐기물의 생성을 줄이고 부자재비를 감소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 섬유층의 내부에 배치된 플로메쉬를 섬유층과 함께 가압 가열하여 예비성형함으로써, 예비성형없이 바로 성형몰드에서 진공함침성형 시 발생하는 기포의 발생과 굴곡부에 과도한 수지 함침으로 인한 치수 정밀도 저하 등으로 인한 불량의 발생을 현저히 줄일 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합재 성형방법의 절차도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합재 성형방법의 절차도.
도 3은 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법에 의해 성형되는 경우의 적층 순서를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법의 예비성형단계에서 예비성형을 설명하는 단면도.
도 5는 종래의 진공수지함침 성형방법에 의하는 경우의 적층 순서를 설명하는 단면도.
도 6은 종래의 성형방법에 의하는 경우에 굴곡부에서 섬유 강화 복합재와 성형몰드 간에 들뜨는 공간이 형성되는 것을 설명하는 단면도.
도 7은 일반적인 진공 수지함침 성형 방법을 사용하는 경우의 장치도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합재 성형방법의 절차도.
도 3은 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법에 의해 성형되는 경우의 적층 순서를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법의 예비성형단계에서 예비성형을 설명하는 단면도.
도 5는 종래의 진공수지함침 성형방법에 의하는 경우의 적층 순서를 설명하는 단면도.
도 6은 종래의 성형방법에 의하는 경우에 굴곡부에서 섬유 강화 복합재와 성형몰드 간에 들뜨는 공간이 형성되는 것을 설명하는 단면도.
도 7은 일반적인 진공 수지함침 성형 방법을 사용하는 경우의 장치도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 말하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 7를 참조하여 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재의 성형 방법에 관한 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 강화 복합재 성형방법의 절차도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법은, 적층단계(S10), 예비성형단계(S20) 및 성형단계(S30)를 포함하여 구성된다.
또한, 예비성형단계(S20)는 구체적으로 가압단계(S21), 가열단계(S22), 냉각 및 분리단계(S23)로 이루어질 수 있으며, 성형단계(S30)는 구체적으로 성형준비단계(S21)와 진공성형단계(S22)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법은, 적어도 하나 이상의 섬유층으로 이루어지는 하부섬유층 및 상부섬유층의 사이에 수지의 흐름을 확보하는 플로메쉬(Flow Mesh: 흐름망)를 배치하는 적층단계(S10)와, 적층된 섬유층(10)과 플로메쉬(20)를 상부 및 하부 예비성형몰드(110,120)에 안치하고, 가압, 가열하여 성형몰드(30)와 대응되는 형상을 가지도록 성형하는 예비성형단계(S20) 및 예비성형된 섬유층(10)과 플로메쉬(20)를 성형몰드(30)에 안치하고 진공 비닐(40)로 밀폐한 후 진공에 의해 수지를 섬유층(10)에 함침시켜 섬유강화 복합재를 성형하는 성형단계(S30)를 포함한다.
이 때, 섬유층(10)의 사이에 배치되는 상기 플로메쉬(20)는 예비성형단계(S20)에서 가압, 가열 시 예비성형몰드(110,120)의 형상에 따라 변형된 후 냉각 시 변형된 형태를 유지하도록 열가소성수지재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 예비성형단계(S20)는, 하부 예비성형몰드(120)에 섬유층(10)과 플로메쉬(20)를 안치하고, 상부 예비성형몰드(110)로 섬유층과 플로메쉬에 압력을 가하는 가압단계(S21)와, 플로메쉬에 열을 가해 예비성형몰드의 형상으로 변형되도록 하는 가열단계(S22) 및 변형되어 예비성형된 섬유층 및 플로메쉬의 형상이 변형된 형태로 유지되도록 냉각하여 분리하는 냉각 및 분리단계(S23)를 포함하고, 상기 성형단계(S30)는, 성형몰드(30) 위에 예비성형물(섬유층+플로메쉬)을 안치하고 진공 비닐로 예비성형물을 외부로부터 밀폐하는 성형준비단계(S31)와, 밀폐된 진공 비닐 내부로 진공에 의해 수지를 주입하여 섬유층에 수지를 함침하는 진공성형단계(S32)를 포함하는 것이 바람직하다.
이하 각 단계를 상세하게 설명한다.
1. 적층단계(S10)
수지를 섬유층에 함침하여 섬유 강화 복합재를 성형하기 위하여 섬유층(10)과, 섬유층에 수지의 유동 경로를 확보해 주는 플로메쉬(20)를 적층한다. 종래의 성형 방법에 의하는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 성형몰드 위에 섬유층(10a)을 적층하고 그 위에 이형천(50)을, 그 위에 플로메쉬(20a)를 적층한 후 진공비닐(40)을 덮는다. 그러나 종래의 성형 방법에 의하는 경우에는 진공에 의해 수지를 주입하여 섬유층에 수지를 함침시켜 성형을 마친 다음 이형천과 플로메쉬를 제거하는 공정이 필요하여 공정이 복잡할 뿐만 아니라 이형천과 플로메쉬가 수지에 의해 섬유층과 밀착하여 이를 분리해 내기가 쉽지 않다. 따라서 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 수지의 유동경로를 확보해 주는 플로메쉬(20)를 섬유층(10)과 섬유층(10)의 사이에 적층한다. 수지는 플로메쉬(20)를 따라 주입되어 상부와 하부에 적층된 섬유층(10)에 수지가 함침되고, 플로메쉬(10)는 성형물과 일체화된다. 이렇게 하면 이형천을 사용할 필요가 없어지게 되고, 플로메쉬를 제거하는 공정이 없어지게 되므로 공정의 단순화에 의한 생산 효율을 증대시킬 수 있다.
2. 예비성형단계(S20)
예비 성형단계는 섬유층에 수지를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 성형하기 전에 성형몰드의 형태에 대응되는 형태를 미리 갖추도록 성형하는 단계이다. 구체적인 단계는 아래와 같다.
2a) 가압단계(S21)
섬유층(10)-플로메쉬(20)-섬유층(10)의 순서로 적층된 적층물(섬유층+플로메쉬)을 예비성형몰드(110,120)에 안치한다. 예비성형몰드는 도 4에 도시된 바와 같이 상부 예비성형몰드(110)와 하부 예비성형몰드(120)로 구성될 수 있다. 하부 예비성형몰드(120)는 성형몰드와 동일한 성형면을 가지도록 제작된다. 하부 예비성형몰드(120)에 적층물을 안치한 다음 상부 예비성형몰드(110)를 하강시켜 적층물이 예비성형몰드의 형상에 따라 변형되도록 가압한다.
2b) 가열단계(S22)
가압되어 예비성형몰드의 형상에 따라 변형된 적층물에 가압을 해지하면 섬유층(10)과 플로메쉬(20)가 가진 탄성에 의해 일정 정도 모양이 복원되므로, 가열을 통해 플로메쉬에 영구적인 변형을 유도한다. 가열에 의한 변형을 유도하기 위하여 플로메쉬는 열가소성수지로 제작되는 것이 바람직하다. 열가소성수지의 특성 상 열 변형이 쉽고, 가열 변형 후 냉각하면 변형된 모양을 유지하기 때문이다.
열경화성 수지는 가열 시 경화현상이 발생하여 파손되기 쉬우므로 본 발명에 따른 성형방법에는 적합하지 않다.
플로메쉬(20)는 열 변형 후에 섬유층의 모양을 변형된 형태로 유지시키는 역할을 하므로, 소정의 두께를 가져야 한다. 제품의 특성이나 사용되는 플로메쉬의 재질에 따라 달라지겠지만 통상 0.5 mm 내외인 것이 바람직하다. 플로메쉬의 재질로는 일정 이상의 강도를 가지는 재질을 채택하는데. 예컨대 폴리프로필렌계열 또는 폴리에틸렌 계열의 재질을 채택할 수 있다. 섬유 강화 복합재의 두께를 얇게 성형하여야 하는 경우에는 강도가 보다 높은 재질의 열가소성수지를 채택하는 것이 바람직하다. 플로메쉬를 섬유층과 함께 가압 및 가열하므로 플로메쉬와 섬유층 사이에 일정정도의 점착이 이루어져 섬유층이 플로메쉬에 밀착된 형태로 함께 변형 상태를 유지할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 예비성형몰드 내에서 플로메쉬를 가열하기 위하여 상부 예비성형몰드(110)와 하부 예비성형몰드(120) 중 적어도 어느 하나에 발열부(121)가 구비될 수 있다. 발열부는 통상적으로 전기에 의해 열을 발생시키는 열선을 채택할 수 있으며, 열가소성 수지를 변형시키는 온도를 가열할 수 있는 다른 수단도 채택될 수 있다.
2c) 냉각 및 분리단계(S23)
가열하여 변형된 예비성형물을 가열된 상태로 분리하게 되면 복원되려는 섬유층의 탄성력을 플로메쉬가 저항하지 못하므로, 플로메쉬가 일정 이상의 강도를 가질때까지 일정 시간 냉각한 다음 예비성형몰드에서 예비성형물(섬유층과 플로메쉬)을 분리해 낸다.
3. 성형단계(S30)
성형단계는 예비성형된 섬유층과 플로메쉬를 성형몰드에 안치하고 수지를 함침시켜 섬유 강화 복합재를 성형하는 단계이다. 구체적인 과정은 아래와 같다.
3a) 성형준비단계(S31)
예비성형에 의해 성형몰드와 대응하는 형태로 열 변형된 예비성형물을 성형몰드에 안치한 다음, 진공 성형이 가능하도록 진공 비닐을 덮어 성형물을 밀폐시킨다. 예비성형물이 성형몰드에 밀착되도록 예비성형단계를 거쳤으므로 종래의 성형 방법에 의하는 경우처럼 섬유층을 성형몰드의 굴곡부에 밀착되도록 가압하는 과정이 필요없게 된다.
3b) 진공성형단계(S32)
진공성형을 위한 준비가 끝나면 진공펌프에 의해 수지를 진공백 내부로 주입시키며 주입된 수지는 플로메쉬를 통해 이동하여 섬유층에 함침된다. 진공성형단계와 진공성형을 위한 진공펌프, 수지 수용기 등의 성형을 위한 장치 구성은 종래의 진공 수지 함침 성형 방법과 동일하므로 자세한 내용을 생략한다. 수지가 섬유층 내부로 충분히 함침되어 성형이 완성되면 일정 시간 냉각시킨 다음 성형틀에서 성형물을 분리한다. 본 발명에 따른 성형 방법에 의할 경우 진공비닐을 성형물로부터 분리하는 과정은 필요하나, 종래와 같이 이형천과 플로메쉬를 성형물로부터 분리 제거하는 과정은 불필요하다.
4. 열처리단계(S40)
섬유 강화 복합재의 기본적인 성형이 끝나면 필요에 따라 열처리 단계를 거친다. 통상적으로는 성형된 복합재를 성형틀로부터 탈형하여 오븐에 넣어 일정온도로 일정시간 동안 가열하여 경화되도록 열처리 한다. 사용되는 수지의 종류, 제품 특성에 따른 수지의 경화 정도에 따라 적절한 시간과 온도로 열처리하고, 냉각하면 성형이 완성된다.
10, 10a : 섬유층
20, 20a : 플로메쉬(Flow Mesh : 흐름망)
30 : 성형몰드
40 : 진공비닐
50 : 이형천
110 : 상부예비성형몰드
120 : 하부예비성형몰드
121 : 발열부
20, 20a : 플로메쉬(Flow Mesh : 흐름망)
30 : 성형몰드
40 : 진공비닐
50 : 이형천
110 : 상부예비성형몰드
120 : 하부예비성형몰드
121 : 발열부
Claims (4)
- 진공 RTM 방법에 따른 섬유 강화 복합재 성형 방법에 있어서,
적어도 하나 이상의 섬유층으로 이루어지는 하부섬유층 및 상부섬유층의 사이에 수지의 흐름을 확보하는 플로메쉬(Flow Mesh: 흐름망)를 배치하는 적층단계(S10);
적층된 섬유층과 플로메쉬를 상부 및 하부 예비성형몰드에 안치하고, 가압, 가열하여 성형몰드와 대응되는 형상을 가지도록 성형하는 예비성형단계; 및
예비성형된 섬유층과 플로메쉬를 성형몰드에 안치하고 진공 비닐로 밀폐한 후 진공에 의해 수지를 섬유층에 함침시켜 섬유강화 복합재를 성형하는 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
섬유층의 사이에 배치되는 상기 플로메쉬는 예비성형단계에서 가압, 가열 시 예비성형몰드의 형상에 따라 변형된 후 냉각 시 변형된 형태를 유지하도록 열가소성수지재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 예비성형단계는, 하부 예비성형몰드에 섬유층과 플로메쉬를 안치하고, 상부 예비성형몰드로 섬유층과 플로메쉬에 압력을 가하는 가압단계와, 플로메쉬에 열을 가해 예비성형몰드의 형상으로 변형되도록 하는 가열단계 및 변형되어 예비성형된 섬유층 및 플로메쉬의 형상이 변형된 형태로 유지되도록 냉각하여 분리하는 냉각 및 분리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 성형단계는, 성형몰드 위에 예비성형물을 안치하고 진공 비닐로 예비성형물을 외부로부터 밀폐하는 성형준비단계와, 밀폐된 진공 비닐 내부로 진공에 의해 수지를 주입하여 섬유층에 수지를 함침하는 진공성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 복합재 성형 방법.
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