KR20150054066A

KR20150054066A - 열가소성복합재 제조방법

Info

Publication number: KR20150054066A
Application number: KR1020130135970A
Authority: KR
Inventors: 김준현
Original assignee: 삼우기업 주식회사
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-20
Also published as: KR101567949B1

Abstract

본 발명은 열가소성수지와 강화섬유가 결합된 열가소성소재(2)를 사용하여 부품이나 제품형태의 열가소성복합재(7)를 성형하는 제조방법에 관한 것으로, 종래의 오픈몰드형태의 제조방법에서 발생되는 예열된 열가소성소재(2)를 탈거 시 발생되는 소재(2)의 손상, 공정간 이동 시 상온에 노출된 소재(2)의 급격한 냉각, 가압 시 섬유배열의 변형과 압출(Squeeze-out)에 의한 소재(2)의 손실, 복잡한 제조공정 등의 단점을 보완하기 위하여 제품형상이 타각된 폐쇄형의 예열몰드(1)에 열가소성소재(2)를 투입한 후 예열 및 냉각성형을 실시함으로써 예열몰드(1) 내부에서 용융된 열가소성수지가 강화섬유 내부에 적절히 함침될 수 있도록 하여 우수한 성형성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

Description

열가소성복합재 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING THERMOPLASTIC COMPOSITE}

본 발명은 복합재 제조에 관한 것으로, 특히 열가소성수지와 강화섬유가 결합된 열가소성 소재를 사용하여 부품이나 제품형태의 열가소성복합재를 제조하는 방법의 개량에 관한 것이다.

일반적으로 열가소성소재는 유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등의 섬유사를 사용하여 섬유의 배열이 일방향으로 형성된 UD(Uni-Direction), 직물(Twill직, Plain직 등), 다축비굴곡섬유(Multi-axial Non-crimped Fabric) 등으로 제직된 강화섬유(Reinforcement)에 PP, PET, TPU, PMMA, PA6, PEEK 등이 파우더, 필름 등의 형태로 가공된 열가소성수지가 결합된 형태(Matrix form)로 구성되며, 부품이나 제품형태로 제조되어서 열가소성복합재가 된다.

열가소성복합재를 제조하는 하는 공지의 방법으로는 정압프레스(Static Press)를 활용하는 방식이다. 보다 구체적으로 설명하면, 열가소성복합재를 제조하는 방법의 일 예로는 평판몰드(Open몰드)에 열가소성소재를 예열함침과 냉각성형을 통해 평판시트(Sheet)로 제작하고, 그 시트를 다시 예열하여 수지를 용융시킨 다음 성형용 몰드로 이송하여 냉각성형을 거쳐 복합재 부품이나 제품을 제조한다.

하지만 이러한 종래의 방법은 복잡한 과정을 거쳐야 하며, 예열된 열가소성소재를 평판몰드에서 탈거 시 열가소성소재가 평판몰드에 융착되어 열가소성소재의 손상이 발생되는 점, 예열공정에서 냉간공정으로 열가소성소재를 이동 시 열가소성소재가 상온에 노출됨으로써 냉간공정의 가압 이전에 용융된 수지가 급속하게 냉각되어 함침성, 성형성 등이 나빠지는 단점이 있다.

특히, 섬유가 일방향으로 배열된 UD 또는 다축비굴곡섬유의 경우 Open몰드형태의 예열공정과 냉간공정에서 열가소성소재를 가압 성형 시 수지와 섬유가 섬유배열의 수직방향으로 압출(Squeeze-out)되어 열가소성소재의 손실이 크게 발생되며, 섬유배열이 변형되어 열가소성복합재 제품의 치수 안정성, 성형성, 기계적 물성이 저하되는 단점이 있다.

최근 해외 선진사에서 사용하고 있는 대표적인 열가소성복합재 제조방법으로는 여러 부분의 예열파트와 냉간파트로 구성된 설비에 연속적으로 열가소성소재를 공급하며 순차적으로 예열공정과 냉간공정을 실시하여 시트 상의 평판을 제조하는 방법이 있다.

이는 성형 시 열가소성소재 내부의 기공(Void)을 일방향으로 연속해서 제거함으로써 복합재의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나, 고가의 설비비와 복잡한 형상의 열가소성복합재 제품 성형을 위해서는 추가적인 예열설비와 냉간설비가 필요로 하여 제조단가의 상승이 불가피한 단점이 있다.

다른 제조방법으로는 단일 금형 내부에 히터와 냉각수를 사용하여 열가소성복합재를 성형하는 방법이 있다. 즉 몰드에 열가소성소재를 적층하고 유도가열(Induction Heating)방식으로 몰드 내부의 열가소성소재를 가열, 가압하며 열가소성소재를 예열하고 냉각수로 몰드를 신속하게 냉각, 가압하여 열가소성복합재 제품(7)을 제조하는 방법이다.

이러한 방법은 제조공정의 단순화로 인한 싸이클타임의 감소, 설비 설치면적 감소, 기계적 물성향상의 장점이 있으나, 몰드의 제작비용이 고가이며 열가소성복합재 제품의 형상 변경이 발생될 경우 몰드의 수정이 어려운한 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 열가소성소재를 사용하여 부품이나 제품형태의 열가소성복합재를 제조함에 있어 제조공정을 단순화시키고 투자비용을 최소화 하며 복잡한 형상의 성형도 가능하고, 성형몰드의 수정이 용이한 열가소성 복합재 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적에 따른 본 발명은, 2면이나 4면 폐쇄형으로서 내부에 열가소성복합재 제품형상이 타각된 예열몰드(1)에 열가소성소재(2)를 넣어 예열 함침시키고, 함침된 열가소성소재(2)가 포함된 예열몰드(1)를 통째로 냉간몰드(3)에 삽입 후 가압 및 냉각 성형하여서 부품 내지 제품형태의 열가소성 복합재(7)를 얻음을 특징으로 하는 열가소성 복합재 제조방법이다.

상기의 열가소성소재(2)는 유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유를 포함하는 섬유사를 사용하여서 UD(Uni-Direction), 직물(Twill직, Plain직 포함), 다축비굴곡섬유(Multi-axial Non-crimped Fabric)로 제직된 강화섬유와 파우더나 필름의 형태로 가공된 열가소성수지가 결합된 소재임을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 제조방법에 있어, 열가소성수지와 강화섬유가 결합된 열가소성소재(2)가 투입된 예열몰드(1)를 상기 열가소성수지를 녹일 수 있는 150℃ 이상의 온도로 예열함과 아울러 상기 예열몰드(1)를 예열프레스에서 40㎏f/㎠ 이상 내지 냉간몰드(3)의 가압력 미만의 압력으로 예열몰드(1) 내부의 열가소성소재(2)를 가압하여서 열가소성수지를 강화섬유에 함침시킴을 특징으로 한다.

한 본 발명의 제조방법에서, 열가소성소재(2)의 예열이 완료된 예열몰드(1)를 냉간프레스에서는 80㎏f/㎠ 이상의 압력으로 가압하여 열가소성소재(2)를 함침하되 함침상태에 의해 내부 기공이 제거되는 압력으로 함침 성형함을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에서는, 예열몰드(1)와 냉간몰드(3)의 상판 간과 하판 간에 각각 형성된 키홈(5)을 이용한 키(6) 결합으로 냉각몰드(3)의 상하판에 각각 결합된 예열몰드(1)의 상하판을 분리하여서 제품상태의 열가소성복합재(7)를 탈형시킴을 특징으로 한다.

본 발명은 열가소성복합재 형상이 타각된 폐쇄형태의 예열몰드에 열가소성소재를 투입하고 예열하고 그 예열몰드를 통째로 냉각성형을 실시함으로써 예열몰드 내부에서 열가소성복합재를 성형되도록 함으로써, 경제적 측면, 기술적 측면, 및 생산적 측면에서 아래와 같은 효과가 있다.

먼저 경제적 측면에서는, 현재 자동차부품의 양산에 사용되고 있는 종래의 정압프레스를 공용함으로써 초기 설비투자의 최소화할 수 있고, 금형의 신규 제조 시 필요에 따라 예열금형만 제작하면 되므로 제조단가의 상승을 억제할 수 있다.

기술적 측면에서는, 폐쇄형태의 금형을 적용함으로써 열가소성소재의 소손, 공정간 이동 시 열가소성소재의 냉각에 의한 성형성 저하, 가압 시 열가소성소재의 압출을 최소화 또는 방지하여 열가소성복합재 제품의 외관과 치수안정성을 확보하고, 가압 시 수지의 함침성과 열가소성복합재 제품의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

마지막으로 생산적 측면에서는, 고온의 예열금형을 냉각수로 급랭하여 냉각시간을 단축할 수 있고, 단일 예열프레스에서 여러 개의 동종 또는 이종의 금형을 동시에 예열하여 금형의 예열 대기시간을 단축함으로써 열가소성복합재 제품 제조의 싸이클 주기 단축을 통한 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열가소성복합재를 제조하는 제조 공정도,
도 2는 본 발명의 2면 또는 4면 폐쇄형 예열몰드의 조립상태 투시구성도,
도 3은 도 2는 본 발명의 2면 또는 4면 폐쇄형 예열몰드의 분해 사시 구성도,
도 4는 예열몰드를 통째로 투입할 수 있는 형태를 갖는 냉간몰드의 사시 구성도,
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따라 냉간몰드에 예열몰드를 통째로 삽입하여 가압 및 냉각성형하여서 부품 내지 제품형태의 열가소성 복합재를 얻는 과정을 보여주는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 제조되는 열가소성복합재는 강화섬유(유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등)와 수지(PP, PET, TPU, PMMA, PA6, PEEK 등)이 결합된 열가소성소재를 사용하여, 도 1과 같은 제조공정에 의거하여 제조된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열가소성복합재를 제조하는 제조 공정도로서, 예열몰드 예열과정(S1), 열가소성소재 투입 및 예열몰드 예열과정(S2), 예열몰드를 냉간몰드에 투입하는 과정(S3), 냉각성형을 통한 제품성형 과정(S4), 및 제품 탈형과정(S5)로 이루어진다.

본 발명에 따른 예열몰드(1)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상하판으로 구성하되 2면 또는 4면이 폐쇄된 형태로서 내부에는 제조하고자 하는 열가소성복합재 제품형상이 타각되어 있다. 그리고, 상판과 하판의 좌우단에는 이후 냉간몰드(3)의 상판 및 하판과의 키결합을 위해서 키홈(5)이 형성되어 있고, 상판의 상면부와 하판의 하면부에는 냉간몰드(3)의 내측 돌핀을 안내하는 안내홈이 형성된다.

본 발명에 적용되는 예열 및 냉간프레스는 평판 정압프레스이며, 예열몰드(1)를 위한 예열프레스는 직접 또는 간접가열방식으로 350℃ 이상의 가열이 가능하고 80㎏f/㎠ 이상의 가압도 가능하며, 냉간몰드(3)의 냉간프레스는 220㎏f/㎠ 이상의 가압이 가능한 설비로 구성한다.

본 발명에서는, 상판과 하판에 키홈(5)가 형성된 예열몰드(1)를 예열프레스에서 일정온도와 일정시간으로 예열한다(도 1의 S1과정).

본원 발명자가 경험하고 실험한 바로서, UD(Uni-Direction)섬유의 경우 강화섬유와 수지의 횡방향 압출을 최소화하기 위해서는 강화섬유의 배열방향과 평행하는 방향으로 폐쇄된 도 2의 (a) 및 도 3의 (a)와 같은 2면 폐쇄형태의 예열몰드(1)를 사용하는 것이 바람직하며, 강화섬유가 교차 적층된 다축비굴곡섬유의 경우에는 모든 방향으로 강화섬유와 수지의 압출되므로 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)와 같은 모든 면이 폐쇄된 4면 폐쇄형태의 예열몰드(1)를 사용하는 것이 바람직하다.

예열된 예열몰드(1)에 열가소성수지와 강화섬유가 결합된 열가소성소재(2)를 투입하고 다시 예열몰드(1)를 열간프레스에서 일정온도, 일정시간, 일정압력으로 가압 예열함으로써 예열몰드(1) 내부의 열가소성소재(2)상의 열가소성수지를 용융하여 강화섬유에 함침시킨다(도 1의 S2과정).

본 발명에서는 열가소성소재(2)가 투입된 예열몰드(1)를 150℃ 이상의 온도로 예열하여 열가소성수지를 강화섬유에 함침시키고, 열가소성소재(2)가 투입된 예열몰드(1)를 예열프레스에서 40㎏f/㎠ 이상의 압력으로 예열몰드(1) 내부의 열가소성소재(2)를 가압하되 차후 냉간몰드(3)가 가하는 가압력 미만의 압력으로 열가소성소재(2)를 가압한다.

예열프레스에서 가하는 40㎏f/㎠ 이상 내지 냉각몰드(3)의 가압력 미만의 압력범위는 해당 수지의 용융점에 도달하므로 인해 녹기 시작한 열가소성수지가 강화섬유에 함침이 잘 될 수 있는 가압력 범위임에 그 임계적 의미가 있다.

본 발명에서는 열가소성소재(2)의 예열이 완료된 예열몰드(1)를 통째로 냉간프레스에 장착된 냉간몰드(3)로 이송한다.

본 발명에 따른 냉간몰드(3)의 사시 구성은 도 4와 같다.

도 4에 도시된 본 발명의 냉간몰드(3)는 예열몰드(1)를 통째로 수용할 수 있는 형태를 갖는다.

냉간몰드(3)의 상판과 하판 사이에 예열몰드(1)를 통째로 맞춤 수용할 수 있는 수용공간부가 형성되며, 수용공간부의 좌우측 냉간몰드(3)의 상판과 하판 내측에는 예열몰드(1)의 키홈(5)과 맞춤되는 키홈(5)이 형성된다. 그리고 냉각몰드(3)의 상판과 하판 각 내부에는 냉각수가 순환가능케 냉각수라인(4)이 배열 형성된다.

본 발명에서는 예열이 완료된 예열몰드(1)를 통째로 냉각몰드(3)에 투입한다(도 1의 S3과정).

보다 구체적으로 설명하면, 예열이 완료된 예열몰드(1)를 상하판이 분리된 냉간몰드(3)의 하판 수용공간부에 안착시킨 다음(도 5 참조), 냉각몰드(3)의 상판을 덮는다. 그러면 도 6에 도시된 바와 같이 고온상태의 예열몰드(1)가 냉각몰드(3)에 투입된 상태가 되며, 이 때에는 예열몰드(1)와 냉각몰드(3)의 각 상하판의 키홈(5)이 맞춤 정렬된다.

맞춤 정렬된 키홈(5)은 탈형시 키(6)의 결합을 통해서 냉각몰드(3)의 상판에 키결합된 예열몰드(1)의 상판이 냉각몰드(3)의 하판에 키결합된 예열몰드(1)의 하판으로부터 탈형될 수 있는 역할을 한다.

예열이 완료된 예열몰드(1)를 통째로 냉각몰드(3)에 투입한 후 냉간프레스에서 예열몰드(1)를 일정시간, 일정압력으로 가압하여서 열가소성소재(2) 상의 용융된 열가소성수지를 섬유사이에 함침시킴과 동시에 냉간몰드(3) 내부에 냉각수라인(4)을 통해서 냉각수를 순환시킴으로써 고온상태의 예열몰드(1)가 상온으로 냉각되게 한다. 이렇게 하여 예열몰드(1)에 포함된 열가소성소재(2)의 신속한 냉각성형이 완료될 수 있다(도 1의 S4과정).

본 발명에 따라 냉각프레스에서는 열가소성소재(2)의 예열이 완료된 예열몰드(1)를 냉간프레스에서는 80㎏f/㎠ 이상의 압력으로 가압한다. 이는 용융되어서 강화섬유에 힘침상태에 있는 열가소성수지가 전체에 골고루 퍼지게 함과 동시에 80㎏f/㎠ 이상의 압력으로 짜줌에 따른 함침상태에서 소재 내부에서 기공이 제거되도록 하기 위함이다.

예열몰드(1) 내부에서 성형이 완료된 열가소성복합재 제품(7)의 탈형을 위해서, 본 발명에서는 도 7에서와 같이 예열몰드(1)와 냉간몰드(3)의 키홈(5)에 4개의 키(6)을 장착하여서 도 8과 같은 상태가 되게 하며, 그후 예열몰드(1)의 상판을 상승시킴으로써 도 9에 도시된 바와 같이 예열몰드(1)의 상판과 하판이 분리되게 하여서 부품이나 제품상태의 열가소성복합재(7)를 탈형할 수 있다(도 1의 S5과정).

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

(1) --- 예열몰드
(2) --- 열가소성소재
(3) --- 냉간몰드
(4) --- 냉각수라인
(5) --- 키홈
(6) --- 키
(7) --- 열가소성복합재

Claims

열가소성 복합재 제조방법에 있어서,
2면이나 4면 폐쇄형으로서 내부에 열가소성복합재 제품형상이 타각된 예열몰드(1)에 열가소성소재(2)를 넣어 예열 함침시키고, 함침된 열가소성소재(2)가 포함된 예열몰드(1)를 통째로 냉간몰드(3)에 삽입 후 가압 및 냉각 성형하여서 부품 내지 제품형태의 열가소성 복합재(7)를 얻음을 특징으로 하는 열가소성 복합재 제조방법.
제1항에 있어서, 열가소성소재(2)는 유리섬유, 현무암섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유를 포함하는 섬유사를 사용하여서 UD(Uni-Direction), 직물(Twill직, Plain직 포함), 다축비굴곡섬유(Multi-axial Non-crimped Fabric)로 제직된 강화섬유와 파우더나 필름의 형태로 가공된 열가소성수지가 결합된 소재임을 특징으로 하는 열가소성 복합재 제조방법.
제1항에 있어서, 열가소성수지와 강화섬유가 결합된 열가소성소재(2)가 투입된 예열몰드(1)를 상기 열가소성수지를 녹일 수 있는 150℃ 이상의 온도로 예열함과 아울러 상기 예열몰드(1)를 예열프레스에서 40㎏f/㎠ 이상 내지 냉간몰드(3)의 가압력 미만의 압력으로 예열몰드(1) 내부의 열가소성소재(2)를 가압하여서 열가소성수지를 강화섬유에 함침시킴을 특징으로 하는 열가소성 복합재 제조방법.
제1항에 있어서, 열가소성소재(2)의 예열이 완료된 예열몰드(1)를 냉간프레스에서는 80㎏f/㎠ 이상의 압력으로 가압하여 열가소성소재(2)를 함침하되 함침상태에 의해 내부 기공이 제거되는 압력으로 함침 성형함을 특징으로 하는 열가소성 복합재 제조방법.
제1항에 있어서, 예열몰드(1)와 냉간몰드(3)의 상판 간과 하판 간에 각각 형성된 키홈(5)을 이용한 키(6) 결합으로 냉각몰드(3)의 상하판에 각각 결합된 예열몰드(1)의 상하판을 분리하여서 제품상태의 열가소성복합재(7)를 탈형시킴을 특징으로 하는 열가소성 복합재 제조방법.