KR20150096484A - 형태성형된 프리폼을 형성하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 수지 주입 전에 건조 프리폼 재료를 형태성형하기 위한 방법이 기술된다. 형태성형되어야 하는 시작 재료는 건조한 섬유 재료의 프리폼 미가공품(예를 들어 플랫 시트)이다. 형태성형 공정은 3차원 형상을 가진 형태성형된 프리폼을 제작하기 위해 변형 속도와 진공 압력 조절에 좌우되는 진공 포밍 공정이다. 본 명세서에 기술된 형태성형 공정의 목적은 종래의 수동식 적층 공정을 대체하기 위해 자동화 공정이 가능하도록 하는 것이다.

Description

형태성형된 프리폼을 형성하기 위한 방법{METHOD FOR FORMING SHAPED PREFORM}

본 발명은 수지 주입 전에 건조 프리폼 재료의 형태성형에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법에 관한 것이다.

최근, 항공업계 및 자동차 업계와 같은 산업에서 섬유-보강 폴리머 복합 재료의 사용은 점점 더 빈번해지고 있다. 이러한 복합 재료는 열악한 환경에서 고강도 뿐만 아니라 내부식성 성질도 가진다. 또한, 이러한 재료의 경량 성질도 금속으로부터 제작된 비슷한 부품(part)들에 비해 특히 유리하다.

섬유-보강 폴리머 복합재는 통상 가령, 에폭시와 같은 경화성 매트릭스 수지로 함침된(impregnated) 섬유로 형성된 프리프레그(prepreg)로 제작되어 왔다. 프리프레그 내의 수지 함량(content)은 상대적으로 높은데, 보통 20 중량%-50 중량%이다. 프리프레그의 다수의 플라이(ply)는 적층(laying up)을 위해 크기가 절단될 수 있으며, 그 뒤, 조립되어 몰딩 공구 내에서 형태성형될 수 있다(shaped). 프리프레그가 몰딩 공구의 형태에 용이하게 맞춰질 수 없는 경우, 프리프레그를 몰딩 표면의 형태에 맞추도록 점차적으로 변형시키기 위하여 열이 프리프레그에 제공될 수 있다.

보다 최근에는, 수지 주입 공법, 가령, 수지 주입 몰딩(RTM), 액체 수지 주입(LRI), 진공-보조식 수지 주입 몰딩(VARTM), 가요성 공구를 이용한 수지 주입(RIFT), 진공-보조식 수지 주입(VARI), 수지 필름 주입(RFI), 조절된 주변 압력 수지 주입(CAPRI), VAP(진공-보조식 공정), 단일 라인 주입(SLI) 및 균일 압력 주입(CPI)을 포함하는 액체 몰딩 공정을 사용하여 섬유-보강 폴리머 복합재가 제작된다. 수지 주입 공정에서, 프리폼(preform)으로서, 건조 결합된 섬유들이 우선 몰드 내에 배열되고, 그 뒤, 액체 매트릭스 수지와 그 자리에(in-situ) 직접 주입 또는 투입된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "결합된(bindered)"은 결합제가 제공되었다는 것을 의미한다. 프리폼은 통상 적층 배열로 조립된 건조한 섬유 재료의 하나 또는 그 이상의 층(즉 플라이)들로 구성되는데, 이때, 수지 주입 전에 원하는 기하학적 형상(geometry)을 유지하기 위하여 보통 분말, 베일(veil) 또는 필름 결합제가 사용된다. 수지 주입 후에는, 수지-주입된 프리폼이 경화 사이클(curing cycle)에 따라 경화되어 최종 복합재 물품을 제공한다. 수지 주입 공정은 소형의 복잡한 형태의 부품들을 제작하기 위해서 뿐만 아니라 대형 항공기 부품, 가령, 날개(wing) 전체를 제작하도록 사용되기도 한다.

수지 주입 공정에서, 수지가 주입되어야 하는 프리폼의 제작은 필수적인 요소인데, 프리폼은 수지를 필요로 하는 구성 부품 중 핵심 부분이기 때문이다. 원하는 기하학적 형상을 가진 복합재 프리폼을 생성하기 위하여 과거에는 통상 수동식 적층(hand layup) 공정이 사용되어 왔다. 하지만, 이 방법은 부품-부품 간의 변형에 따라 위험성이 높고 시간이 많이 소요되는 공정으로 간주된다. 따라서, 추후 수지 주입을 위해 건조 섬유 프리폼의 제작에 있어서 개선할 필요성이 존재한다.

본 발명은 수지 주입 전에 건조 프리폼 재료의 형태성형에 관한 것이다. 형태성형되어야 하는 시작 재료는 건조 결합된 섬유 재료의 프리폼 미가공품(예를 들어 플랫 시트)이다. 형태성형 공정(shaping process)은 3차원 형상을 가진 형태성형된 프리폼을 제작하기 위해 변형 속도와 진공 압력 조절에 좌우되는 진공 포밍 공정(vacuum forming process)이다. 본 명세서에 기술된 형태성형 공정의 목적은 종래의 수동식 적층 공정을 대체하기 위해 매우 정밀하게 조절된 공정이 가능하도록 하는 것이다.

도 1a-1d는 한 실시예에 따른 플랫 프리폼을 형태성형하기 위한 진공 포밍 공정을 예시한다.
도 2a-2c는 중간 기계가공 단계로 형태성형된 프리폼을 제작하는 방법을 예시한다.
도 3은 한 실시예에 따른 프리폼을 형태성형하기 위해 몰드를 포함하는 공구 하우징을 도시한다.
도 4는 L-형태의 횡단면을 가진 프리폼을 형성하기 위한 셋-업을 예시한다.
도 5는 도 4에 예시된 셋-업을 구현함으로써 제작되었던 스트링거 섹션을 보여주는 형태성형된 프리폼을 도시한다.

형태성형 되어야 하는 프리폼 미가공품(preform blank)은 적층 배열상태로 조립된 복수의 섬유층(또는 파일)으로 구성된 플랫 시트(flat sheet)이다. 프리폼의 섬유층은 섬유층을 안정화시키고 나란하게 정렬된 상태를 유지하기 위해 결합제를 사용하여 결합시킴으로써 제자리에 고정된다(즉 "안정화된다"). 결합제를 사용함으로써, 보관, 이송 및 취급 동안 건조한 섬유 재료가 해지거나(fraying) 또는 서로 분리되는(pulling apart) 것이 방지될 수 있다. 게다가, 매트릭스 수지의 주입(injection) 또는 투입(infusion)은 압축 주입(pressurized injection)을 필요로 할 수 있는데, 이에 따라 섬유의 국부 이동(local displacement) 또는 프리폼이 안정화되지 않을 수도 있다. 따라서, 결합제는 이러한 압축 주입 동안 섬유를 제자리에 고정시킨다.

본 명세서에 사용되는 용어 "안정화(stabilization)" 또는 "안정화된(stabilized)"은 패브릭 또는 섬유층의 다수의 시트, 플라이(ply) 또는 층을 안정화시켜 이들이 해지거나, 헝클어지거나, 서로 분리되거나, 비틀리거나, 주름지게 하거나 혹은 그 외의 경우 섬유층 또는 패브릭의 무결성(integrity)을 감소시키지 않고도 변형되거나 형태성형될 수 있게 하는 것을 의미한다.

진공 포밍 공정( Vacuum Forming Process )

진공 포밍 공정은 공구 하우징 위에 위치되어야 하는 상부 막(upper diaphragm) 및 하부 막(lower diaphragm)을 포함하는 2중-막 셋-업(set-up)을 포함한다(도 1a 참조). 공구 챔버는 원하는 형태의 최종 구조를 나타내는 3-차원의 비-평면 표면을 가진 다수 또는 단일의 몰드(도시됨)를 포함한다. 또한, 공구 하우징은 진공 장치(예를 들어 진공 펌프)를 통해 진공원(vacuum source)에 연결된다. 막들은 가요성을 지니며, 탄성 또는 비-탄성 변형 시트의 재료, 가령, 고무, 실리콘, 나일론, 또는 100% 이상의 피로 연신율(failure elongation)을 가진 유사 재료일 수 있다. 초기 단계로서, 플랫 프리폼이 가요성의 시트들 사이에 배열된다. 지지된 주변(perimeter)을 통해 원하는 막 형태를 유지하기 위해 각각의 막이 프레임에 결부된다(attached).

프리폼이 있는 막들 사이에는 공구 하우징이 배열된다(도 1b). 막의 프레임들은 막들 사이에 밀봉 포켓을 형성하고 공구 하우징 및 하부 막에 의해 경계가 정해진 공기가 새지 않고 밀봉된 챔버를 생성할 수 있도록 하기 위해 기계적 클램핑 메커니즘을 통해 공구 하우징에 밀봉된다. 막들 사이의 밀봉 포켓은 밸브 연결부를 통해 적절한 진공 수단에 연결된다. 그 뒤, 막들 사이의 밀봉 공동(sealed cavity)는 공기를 제거하기 위해 부분적으로 비워진다(evacuated). 이 단계에서, 프리폼은 막들 사이에 단단히 고정된다.

플라이들 사이가 경화(consolidation)될 수 있으며 형태성형(shaping) 동안 섬유 재료가 바람직하지 못하게 변형되거나 주름이 지는 것이 방지되도록 하기 위하여, 막들 사이의 진공 압력이 프리폼 내에 섬유 플라이에 안정성을 구현하기 위해 제공된다. 게다가, 막들 사이의 진공의 레벨(level)은 적절한 프리폼 안정성을 유지하면서도 섬유 재료의 조절된 플라이간 전단(inter-ply shearing)을 구현하기 위하여 선택적으로 제공된다. 프리폼의 안정화는 올라간 온도에서 균일한 플라이 두께 및 우수한 섬유 정렬 상태를 유지하기 위해 중요하다. 적절한 진공 압력은 프리폼을 원하는 형태로 변형시키기 위해 기능(ability)와 프리폼의 안정성의 균형을 맞춘다(balance). 한 실시예에서, 막들 사이의 진공 압력은 1 기압 미만, 바람직하게는 800 mbar 미만, 예를 들어, 500 mbar에 설정된다.

본 명세서에 사용되는 것과 같이 용어 "진공 압력(vacuum pressure)"은 1 기압 미만(또는 1013 mbar 미만)의 진공 압력을 포함한다.

다음으로, 프리폼 내에 결합제를 연화할(softening) 수 있도록 하기 위해 가열 공정이 수행된다. 가열 공정은, 예를 들어, 오븐 내에 공구 하우징 및 막들의 조립체를 배열함으로써, 혹은 가열된 매트(mat) 또는 적외선 가열 램프의 어레이(array)를 사용함으로써 수행될 수 있다. 주변 온도(20℃-25℃)에서 고체 상태에 있는 프리폼 내의 결합제는 가열 시에 연화되고(soften) 섬유 플라이가 형성될 수 있게 한다. 형성 온도는 프리폼 내의 섬유 재료의 플라이들 간의 결합제의 점성(viscosity)으로 표시된다. 결합제의 점성은 섬유의 비틀림 및/또는 주름을 생성시키지 않고도 플라이들이 움직일 수 있도록 하기 위해 프리폼 내의 전단응력(shear stress)을 감소시키는데 최적화된다. 상기 목적에 적합한 결합제는 열경화성 수지 및 열가소성 수지의 혼합물(blend)을 함유하며, 프리폼 질량의 20% 미만, 바람직하게는 프리폼 질량의 10% 미만, 보다 바람직하게는 프리폼 질량의 2%-6% 범위에 있는 것으로 나타날 수 있다. 특정 실시예들에서, 결합제 조성물은 분말 형태로 전달될 수 있으며 상승된 온도에서 성공적으로 변형할 수 있기에 충분한 열가소성 함량(thermoplastic content)을 포함한다. 최소 변형 온도는 결합제가 용융 상태로 연화되어 섬유 프리폼 플라이들이 변형될 수 있게 하는 온도이다. 이 상태에서 바람직한 결합제 점성은 100,000,000 m·Pa 이하, 바람직하게는 10,000,000 m·Pa 이하, 보다 바람직하게는 3,000,000 m·Pa 이하일 수 있다. 일단 프리폼이 최적의 변형 온도에 도달하고 나면, 공구 하우징이 980 mbar 절대 압력 미만, 하지만, 공구 하우징 내의 진공 압력 미만, 보다 바람직하게는, 900 mbar 절대 압력 미만, 그리고, 이상적으로는 850 mbar 절대 압력 미만의 원하는 진공 레벨에 도달할 때까지, 상기 공구 하우징은 사전결정된 1 mbar/15 분 또는 그보다 빠른 속도로 비워지며(evacuated), 열은 전체 변형 시간에 걸쳐 유지된다. 공구 하우징이 비워질 때, 프리폼이 사이에 끼워진(sandwiched) 막들은 몰드를 향해 끌어 당겨지고(pulled) 몰드 표면의 형태와 일치된다(conformed).

공구 하우징의 원하는 진공 레벨에 도달했을 때, 막들 사이의 진공 압력은 프리폼의 완전한 수축(full compaction)을 보장하기 위해 공구 하우징 사이보다 더 낮은 진공 레벨로 줄어든다. 이에 따라, 운영자는 프리폼을 수축시켜 그에 따라 프리폼의 취급 및 침투(permeability) 특징을 맞출 수 있다(tailor). 이 시점에서, 프리폼이 냉각된다.

그 뒤, 형태성형된 프리폼은 결합제의 연화 온도(softening temperature) 이하로 냉각된다. 이 시점에서, 프리폼 내의 결합제는 재경화되고 프리폼은 새롭게 형성된 기하학적 형상(geometry)을 갖게 된다. 냉각된 온도에 도달했을 때 막들 사이의 진공은 대기로 빠져나감으로써 완화되고, 상부 막은 하부 막으로부터 들어 올려져서, 형태성형된 프리폼이 제거된다(도 1d). 그 뒤, 공기가 공구 하우징 내에 재유입되며, 진공 포밍 공정이 반복될 준비가 된다. 제거된 프리폼은 그 다음 수지 주입을 위해 원하는 형태를 유지할 것이다.

위에서 기술된 2중-막 배열은 내려간 수축 압력이 막들 사이에 설정될 수 있게 함으로써 섬유 프리폼의 변형에 있어서 도움을 주며, 그에 따라, 작은 마찰력으로 인해 인접한 플라이들의 서로에 대한 운동성(mobility)을 증가시킨다. 또한, 두 막들 사이의 줄어든 압력은 마찰 접촉력을 최소화시켜 상기 막들은 프리폼과 무관하게 늘어날 수 있다. 본 명세서에 기술된 진공 포밍 공정에서, 변형 후에 공구 하우징 내의 완전한 진공 레벨이 제공되고 나면 원하는 반경 형태로의 완전한 수축이 구현될 수 있다. 포밍 공정의 수축 레벨, 포밍 공정의 속도 및 결합제의 전단 거동(shear behavior)을 조절하기 위한 기능은 개선된 반경 기하학적 형상으로 간다.

위에서 기술된 진공 포밍 공정은 상부 및 하부 몰딩 부품들을 일치시킴으로써 복잡한 공구를 필요로 하지 않는다. 대신, 진공 포밍 공정은 진공 압력, 온도 및 변형 속도를 조절하는 데 좌우된다. 공구 하우징 내부 및 막들 사이의 진공 속도(vacuum rate)는 과도한 주름, 섬유 비틀림을 방지하고 반경 두께(radius thickness)를 조절하도록 최적화될 수 있다.

통상, 최종 부품 기하학적 형상을 구현하기 위해 구성 부품들의 경화후 기계가공(post-cure machining)이 수행된다. 이러한 공정을 위해 일반적으로 8-축 밀링 머신이 사용된다. 제작 공정의 상기 단계는 상기 단계로 인해 부품이 분해될(scrapped) 수 있기 때문에 높은 수준의 위험을 나타낸다. 상기 단계 동안에 손상이 야기되면, 부품이 분해될 수 있다. 더구나, 이러한 공정은 일반적으로 시간이 매우 많이 소용된다.

따라서, 형태성형된 프리폼의 제작은, 프리폼 미가공품의 제작한 후에, 하지만, 위에서 기술된 진공 포밍 공정을 통해 형태성형하기 전에, 기계가공 단계를 포함함으로써 추가로 최적화될 수 있다. 이에 따라, 경화후 기계가공이 수행되는 경우 복잡한 기계 내에 3차원 프리폼의 위치배열 및 난해한 프로그래밍 대신에 자동화 방식으로 효율적이고 용이한 기계가공이 수행될 수 있다. 이러한 기계가공 단계는 에지 품질 및 안정화를 위해 플랫 프리폼 미가공품을 원하는 수축 레벨로 사전-경화(pre-consolidation) 시킴으로써 구현될 수 있다.

도 2a-2c는 중간 기계가공 단계로 형태성형된 프리폼을 제작하기 위한 방법을 예시한다. 도 2a를 보면, 배열 시점에서 경화되거나 혹은 그 후의 수축 또는 경화되는 복수의 섬유층을 적층시킴으로써(laying up) 프리폼 재료(즉 프리폼 미가공품)의 커다란 플랫 시트가 제작된다. 그 뒤, 프리폼 시트는 기계가공에 의해 원하는 패턴으로 절단되는데, 도 2b를 참조하면 된다. 도 2c를 보면, 원하는 패턴으로 절단된 시트는 위에서 기술된 진공 포밍 공정을 통해 비-평면의 3차원 형상, 예를 들어, L-형태의 횡단면을 가진 구조물로 형태성형된다. 형태성형된 프리폼의 최종 기하학적 형상은 사용되는 몰드 형상에 좌우된다.

위에서 기술된 진공 포밍 공정으로 인해, 3차원 프리폼을 자동화 방식으로 효율적이면서 효과적으로 제작할 수 있게 되며, 그에 따라 부품을 더 많이 반복할 수 있게 되고 대형으로 제작할 수 있게 된다. 한 예로서, 상기 공정은 항공역학 경화 구조물, 가령, 날개 표면의 스트링거(stringer)의 L-형태의 곡선 섹션, C-형태 또는 U-형태의 날개 스파(spar)의 제작에 적합하다. 게다가, 이러한 진공 포밍 공정을 통해 신속한 변형이 가능한데, 예를 들어, 5 중량%의 결합제를 함유하는 탄소섬유 패브릭의 33개 플라이로 구성된 플랫 프리폼 미가공품을 L-형태 또는 U-형태의 구조물로 변형시키기 위해 5-15분의 사이클이 가능하다.

프리폼 재료( Preform Material )

본 발명의 프리폼은 복합재(composite)의 보강 구성요소를 구성하는 건조 섬유의 층 또는 건조 섬유의 조립체이며, 수지 주입 분야, 가령, RTM에 적합한 형태로 구성된다.

형태성형되어야 하는 플랫 프리폼 미가공품은 섬유 재료의 다수의 층 또는 플라이들로 구성되는데, 부직 매트, 직물, 편직물, 및 비-굴곡 패브릭(non-crimped fabric)을 포함할 수 있다. "매트(mat)"는 임의로 배열된 섬유, 가령, 잘게 썬 섬유 필라멘트(잘게 썬 스트랜드 매트를 제조하기 위한) 또는 소용돌이형 필라멘트(연속 스트랜드 매트를 제조하기 위한)로 구성된 부직 섬유 패브릭으로서, 형태를 유지하기 위해 결합제가 제공된다. 적절한 패브릭은 메시, 토우(tow), 테이프, 면포(scrim), 브레이드 등의 형태의 방향성 또는 비-방향성 정렬 섬유를 가진 패브릭을 포함한다. 패브릭 또는 섬유층 내의 섬유는 유기 또는 무기 섬유이거나 혹은 이들의 혼합물일 수 있다. 유기 섬유는 거칠거나 뻣뻣한 폴리머, 가령, 아라미드(케블라를 포함하는), 고-모듈러스 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비속산졸(PBO), 및 이들의 하이브리드 조합으로부터 선택된다. 무기 섬유는 탄소(그래파이트를 포함하는), 유리(E-유리 또는 S-유리 섬유를 포함하는), 수정, 알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드, 및 그 밖의 세라믹으로 구성된 섬유를 포함한다. 고-강도 복합재 구조물, 가령, 항공기의 주 부품을 제작하기 위하여, 프리폼 섬유는 인장강도 ≥ 3500 MPa (또는 ≥ 500 ksi)를 가지는 것이 바람직하다.

한 실시예에 따른 프리폼 미가공품을 형성하기 위하여, 결합제 조성물은 각각의 섬유층(예를 들어 패브릭 플라이)에 제공되고, 그 후, 원하는 두께로 적층시킴으로써 복수의 코팅 섬유층이 조립된다. 결합제는 섬유층을 적층하기 전에 또는 적층하는 동안 섬유층에 제공될 수 있다. 섬유층의 조립은 수동식 적층 공정 혹은 자동화 적층 공정, 가령, 자동화 테이프 배열(ATL) 및 자동화 섬유 배열(AFP) 또는 광범위한 우수한 또는 사전-준비된 형태의 플라이 또는 섬유를 증착하는 그 외의 다른 자동화 방법에 의해 수행될 수 있다. 그 뒤, 섬유층 스택(stack)이 열 및 압력을 제공함으로써 수축되거나 경화된다. 자동화 배열 공정이 사용될 때, 적층 동안 수축 단계가 수행된다. 수축 동안, 실온에서 단단한(solid) 결합제는 열이 가해질 때 연화되며 경화 압력이 제공됨에 따라 패브릭 플라이가 서로 결합될 수 있게 한다. 몇몇 결합제는 결합제가 냉각되는 동안 경화 압력이 유지되는 것을 필요로 한다.

결합제 시스템( Binder System )

프리폼 미가공품에서 섬유층을 결합하기 위한 결합제는 다양한 형태, 가령, 분말, 스프레이, 액체, 페이스트, 필름, 섬유, 및 부직 베일(veil)로 구성될 수 있다. 결합제 재료는 열가소성 폴리머, 열경화성 수지, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 특정 실시예들에서, 결합제는 열가소성 재료 혹은 열경화성 재료, 또는 열가소성 재료 및 열경화성 재료의 혼합물로부터 형성된 폴리머 섬유 형태로 구성될 수 있다. 그 외의 다른 실시예들에서, 결합제는 열가소성 섬유(즉 열가소성 재료로부터 형성된 섬유) 및 열경화성 섬유(즉 열경화성 재료로부터 형성된 섬유)의 혼합물이다. 이러한 폴리머 섬유는 프리폼의 섬유층들 사이에 삽입되어야 하는 임의-배열된 폴리머 섬유로 구성된 부직 베일으로서 프리폼 미가공품 내에 일체형으로 형성될 수도 있다.

한 예로서, 결합제 재료는 분말 형태의 에폭시 수지일 수도 있다. 또 다른 예로서, 결합제 재료는 분말 형태의 하나 또는 그 이상의 열경화성 수지 및 하나 또는 그 이상의 열가소성 폴리머의 혼합물일 수 있다. 또 다른 예로서, 결합제 재료는 열가소성 섬유로 구성된 부직 베일이다.

스프레이 형태로 제공되면, 결합제 재료는 용매, 가령, 디클로로메탄 내에 적절하게 용해될 수 있다. 용매가 사용될 때, 추후에 용매를 제거할 필요가 있다. 필름 형태에서, 결합제 수지 조성물은 (예를 들어 캐스팅에 의해) 박리지(release paper) 위에 증착되어 필름을 형성할 수 있는데, 그 뒤 프리폼의 섬유층으로 전달된다. 분말 형태에서, 결합제는 섬유층 위에 뿌려질 수도 있다(scattered). 결합제 재료로서 폴리머 섬유의 부직 베일이 사용될 때, 프리폼의 적층 동안 인접한 섬유층들 사이에 각각의 베일이 삽입된다.

바람직하게, 섬유 프리폼 내의 결합제 양은 프리폼의 총 중량에 따라 약 20 중량%와 똑같거나 그 미만, 바람직하게는 0.5 중량% - 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.5 중량% - 6 중량%이다.

바람직한 실시예에서, 결합제는 프리폼 제작 온도(예를 들어 적층 및 형태성형 동안의 온도)에서 작동될 수 있는 경화 또는 가교결합 제제, 또는 임의의 촉매가 없는(void of) 수지 조성물로서, 프리폼 제작 온도에서 고유적으로 열안정된다(thermally stable).

결합제 재료로서 적합한 열가소성 재료는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌, 폴리아로마틱스, 폴리에스테르아미드, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리(에스테르) 카보네이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트/부틸 아크릴레이트), 폴리설폰, 코폴리머 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 열가소성 폴리머를 포함한다.

한 실시예에서, 열가소성 재료는 다음과 같이 아릴설폰 단위를 가진 폴리아릴설폰 폴리머이다:

폴리아릴설폰 폴리머는 2,000-20,000 범위의 평균 분자량을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 폴리아릴설폰 폴리머는 반응성 단말기(reactive end group), 가령, 에폭사이드기 또는 경화제에 반응하는 아민 또는 하이드록실을 가질 수 있다. 적합한 폴리아릴설폰은 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르설폰(PEES), 및 이들의 코폴리머(PES-PEES)를 포함한다. 특히 적합한 폴리아릴설폰 폴리머는 말단 아민기를 가진 PES-PEES 코폴리머이다.

결합제 재료로서 적합한 열경화성 재료는 에폭시 수지, 비스말레이미드 수지, 포름알데히드-축합물 수지(포름알데히드-페놀 수지를 포함하는), 시아네이트 수지, 이소시아네이트 수지, 페놀 수지, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 에폭시 수지는 방향족 디아민, 방향족 모노일차 아민(aromatic monoprimary amine), 아미노페놀, 폴리히드릭 페놀, 폴리히드릭 알콜, 및 폴리카복실릭 액시드로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 화합물의 모노 또는 폴리-글리시딜 유도체(derivative)일 수 있다. 2-기능, 3-기능, 및 4-기능 에폭시를 포함하는 다기능 에폭시 수지가 특히 적합하다.

한 실시예에 따르면, 결합제는 하나 또는 그 이상의 다기능 에폭시 수지 및 반응성 단말기(들)가 있는 폴리아릴설폰 폴리머를 함유하는 수지 조성물이며, 대략 80℃-90℃의 연화점(softening point)을 가진다.

열가소성 폴리머 및 열경화성 수지(들)의 특정 조합이 혼합물의 융통성과 흐름 조절에 대해 시너지 효과를 가지도록 작동된다고 밝혀졌다. 열가소성 구성요소는 혼합물에 흐름 조절을 제공하여, 통상 낮은 점성의 열경화성 수지를 지배하여, 바람직하게는 결합제가 프리폼 내의 섬유 표면을 적시도록 사용된다. 또한, 열가소성 구성요소는 혼합물에 가요성을 제공하여 통상 깨지기 쉬운 열경화성 수지를 지배한다.

프리폼 내의 결합제는 액체 수지 주입 공법, 가령, RTM에 의해 프리폼 내에 주입되어야 하는 매우 다양한 매트릭스 수지와 함께 사용하기에 적합하다. 더욱이, 결합제는 프리폼 내에 주입되어야 하는 매트릭스 수지와 화학적으로 및 물리적으로 호환가능하도록 선택된다.

수지 주입 공정, 가령, RTM에 건조 프리폼(dry preform)이 사용될 때, 결합제가 섬유층의 표면에서 불침투성 필름(impermeable film)을 형성하지 않아서 수지 주입 사이클 동안 매트릭스 수지가 프리폼 재료의 두께를 통해 충분히 침투하는 것이 방지될 수 있는 것이 바람직하다.

하기 실시예는 본 명세서에서 기술된 진공 포밍 공정의 실시예에 따른 프리폼을 형태성형하는 방법을 예시하기 위해 제공된다. 이 실시예는 단지 예시의 목적으로 제공되는 것이며 하기 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예

33개의 탄소섬유 패브릭 플라이를 적층시켜(laying up) 플랫 프리폼 미가공품(600 x 200mm)을 형성하였다. 적층 전에, 분말 분산 방법을 사용하여 패브릭 플라이의 각 면 위에 분말 형태의 5 gsm의 수지 결합제를 증착시켰다(deposit). 상부에 분말이 뿌려진 패브릭 플라이를 적층시켜 열 및 압력을 사용하여 함께 가압시켰으며(pressed), 그때, 진공을 제공함으로써 대기 압력 하에서 플라이의 건조 스택(dry stack)을 수축시키고, 그 뒤, 실온으로 냉각시키기 전에 15분 동안 130℃로 가열시키고, 진공 경화시켜 제거하였다. 이것은 프리포밍 단계(preforming step)로 지칭된다.

이 결합제는 PES-PEES 코폴리머 및 다기능 에폭시 수지의 혼합물을 포함하며 약 90℃에서 연화점을 가진다.

상기 플랫 프리폼 미가공품을 위에서 기술된 프리포밍 공정에 따라 경화시켰다. 셋-업(set-up)은 몰딩 블록(molding block), 도 3 참조, 및 실리콘 고무로 제조된 2개의 가요성 시트(상부 및 하부 막)를 가진 공구 하우징을 포함한다. 상기 셋-업을 사용하여 L-형태의 횡단면을 가진 형태성형된 프리폼을 형성하였으며, 이는 도 4에 예시된다. 이러한 프리폼 형상은 항공기의 날개에 있는 스트링거 섹션(stringer section)을 제조하는 데 적합하다.

처음에, 사이에 끼워진 플랫 프리폼이 있는 막들을 공구 하우징 위에 배열시켰다. 막 프레임을 공구 하우징의 주변(perimeter)에 클램프 고정시켜, 공구 하우징과 하부 막 및 상부 막과 하부 막 사이에 밀봉된 포켓에 의해 경계가 결정된(bounded) 진공 타이트 밀봉부를 생성하였다.

그 다음에, 진공 압력이 500 mbar에 도달할 때까지 진공원을 제공하여 상부 막과 하부 막 사이로부터 공기를 제거하였다. 이 시점에서, 두 막에 의해 프리폼 미가공품을 단단하게 지지하였다.

그 뒤, 공구 셋-업(tool set-up)을 오븐 내에 배열시켜 5℃/분의 속도로 140℃까지 가열시켰다. 가열 동안, 공구 하우징을 주변 압력에 개방시켜 챔버 내에는 어떠한 공기 팽창도 없도록 하였다.

프리폼 온도가 140℃에 도달하고 나면, 공구 하우징의 속을 비웠다(evacuated). 공구 하우징 내의 진공 압력이 10 mbar 이하가 될 때까지 100 mbar/분의 속도로 공기를 제거하였다. 이 시간에서, 막들을 프리폼과 함께 몰드 표면을 향해 끌어당겨 최종적으로 몰드 표면과 일치시켰다(conformed). 전체 시간 동안 열을 유지시켰다.

공구 하우징 내가 완전하게 진공이 될 때(10 mbar 이하), 진공 압력이 10 mbar 이하에서 안정적이 될 때까지 막들 사이의 압력을 감소시켰다. 이 시점에서, 가열을 중단하고 프리폼이 냉각되게 하였다. 냉각 동안 공구 하우징 내의 진공을 10 mbar 이하로 유지시켰다.

프리폼을 40℃로 냉각시켰을 때, 주변으로 통기시킴으로써 막들 사이의 진공을 완화시키고, 상부 막을 들어올렸다. 그 후에, 형태성형된 프리폼을 공구 셋-업으로부터 제거하였다. 형태성형된 프리폼을 제거한 후에, 공구 하우징 내에 공기를 재유입시켰다.

결과적인 프리폼이 도 5에 도시된다. 이 프리폼은 프리폼의 길이에 걸쳐 8.5m의 곡률반경을 가진 L-형태의 곡선 섹션을 가진다.

플랫 프리폼 미가공품을 가열하기 시작한 후로부터 최종 형태가 구현될 때까지, 사전-경화된 플랫 프리폼의 형태성형 공정을 위한 사이클 시간은 15분이었다.

Claims (18)

1. 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
   (a) 플랫 섬유 프리폼을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 섬유 프리폼은 수지 결합제에 의해 서로 결합된 섬유 재료의 조립체를 포함하며;
   (b) 가요성의 상부 막과 가요성의 하부 막을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 막들은 엘라스토머 재료로 형성되고 가스에 대해 불침투성을 지니며;
   (c) 내부에 위치된 몰드가 있는 하우징을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 몰드는 비-평면 몰딩 표면을 가지며;
   (d) 막들 사이에 밀봉된 포켓을 생성시킴으로써 공기가 새지 않는 방식으로 상부 및 하부 막 사이에 섬유 프리폼을 고정시키는 단계를 포함하고;
   (e) 프리폼과 함께 막들을 하우징 위에 배열시켜 하우징과 하부 막에 의해 경계가 결정된 밀봉된 챔버를 형성시키는 단계를 포함하며, 하부 막은 몰딩 표면 위에 위치되고;
   (f) 막들 사이에서 공기를 제거시켜 하우징 내의 압력보다 더 작고 950 mbar 미만의 진공 압력을 구현하는 단계를 포함하며;
   (g) 섬유 프리폼을 수지 결합제의 연화점 이상의 온도로 가열시키는 단계를 포함하고;
   (h) 열을 유지하면서, 950 mbar 또는 그 이하의 진공 압력에 도달할 때까지, 1 mbar/15분 또는 그보다 빠른 속도로 공기를 제거시킴으로써 하우징과 하부 막 사이에서 밀봉 챔버 내에 진공을 생성시키는 단계를 포함하며, 이때, 사이에 프리폼이 있는 막들은 몰딩 표면을 향해 끌어 당겨지고 최종적으로 몰딩 표면에 일치되어, 형태성형된 프리폼이 형성되며;
   (i) 막들 사이의 진공 압력을 10 mbar 또는 그 이하로 줄이는 단계를 포함하고;
   (j) 형태성형된 프리폼을 수지 결합제의 연화 온도 이하의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하며;
   (k) 막들 사이로부터 진공을 완화시키는 단계를 포함하고;
   (l) 하우징과 하부 막 사이에 밀봉 챔버 내에서 진공을 유지하면서 냉각된 프리폼으로부터 상부 막을 제거하는 단계를 포함하며;
   (m) 하부 막으로부터 상기 냉각되고 형태성형된 프리폼을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 가열 단계 (g)는 수지 결합제의 점성이 1.0 x 10⁸ m·Pa 미만의 범위에 있을 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 섬유 프리폼 내의 수지 결합제의 총 양은 섬유 프리폼의 총 중량에 따라 0.5 중량% 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, (d) 단계 이전에 패턴에 따라 플랫 섬유 프리폼을 기계가공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 프리폼은 적층배열 방식으로 적층된 복수의 섬유층들을 포함하며, 수지 결합제는 각각의 섬유층의 하나 이상의 표면에 제공되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 섬유층들은 패브릭, 테이프 또는 토우 층들인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 결합제는 열가소성 구성요소 또는 열경화성 구성요소 또는 이 둘을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
8. 제7항에 있어서, 수지 결합제는 열가소성 구성요소와 열경화성 구성요소를 포함하고, 열가소성 구성요소는 폴리아릴설폰 폴리머를 포함하며 열경화성 구성요소는 하나 또는 그 이상의 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
9. 제8항에 있어서, 폴리아릴설폰 폴리머는 말단 아민기를 가진 폴리에테르에테르설폰(PEES)과 폴리에테르설폰(PES)의 코폴리머인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 결합제는 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌, 폴리아로마틱스, 폴리에스테르아미드, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 폴리아릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리(에스테르) 카보네이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트/부틸 아크릴레이트), 폴리설폰, 코폴리머 및 이들의 조합으로부터 선택된 열가소성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 결합제는 분말, 액체, 페이스트, 또는 필름 형태인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 결합제는 폴리머 섬유 형태로 구성되며, 열경화성 섬유와 열가소성 섬유의 혼합물이거나, 또는 열가소성 및 열경화성 폴리머의 혼합물로부터 형성된 섬유인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 결합제는 열가소성 및 열경화성 폴리머의 혼합물로부터 형성된 폴리머 섬유의 형태인 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
14. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 결합제는 임의로 배열된 폴리머 섬유로 구성된 부직 베일 형태로 구성되며, 열가소성 폴리머, 열경화성 폴리머, 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유 재료는 아라미드, 고-모듈러스 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비속산졸(PBO), 탄소, 유리, 수정, 알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드, 및 이들의 조합으로부터 선택된 재료의 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 프리폼을 형태성형하기 위한 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제작된 형태성형된 프리폼.
17. 복합재 부품을 제작하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    경화성 액체 수지로 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제작된 형태성형된 프리폼을 주입하는 단계; 및
    수지-주입된 프리폼을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 부품을 제작하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 경화성 액체 수지는 하나 이상의 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 부품을 제작하는 방법.

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