KR20170052617A - 보강 구조가 결합된 다중쉘 복합재료 부품의 제조 - Google Patents

보강 구조가 결합된 다중쉘 복합재료 부품의 제조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다음의 단계를 포함하는 다중쉘(multishell) 복합재료 부품의 제조 방법에 관한 것이다:
a) 하나 이상의 제1 부품 (1)을 사출 금형(injection mold)에 삽입하고 선택적으로 제1 부품 (1)은 성형 공정을 거치는 단계,
b) 하나 이상의 고정 요소(fixing element) (4)를 제1 부품 (1)의 하나 이상의 면 (5) 상에 주입하는 단계,
c) 하나 이상의 제2 부품 (2)을 사출 금형에 삽입하고 선택적으로 제2 부품 (2)은 성형 공정을 거치는 단계,
d) 제1 부품 (1)을 제2 부품 (2)에 고정 요소 (4)를 갖는 면 (5)을 통해 결합시키는 단계로서, 매트릭스 재료 (6)는 제2 부품 (2)을 통해 고정 요소 (4) 상에 및/또는 고정 요소 (4) 내에 주입되는 단계.

Description

일체형 보강 구조를 갖는 다중쉘 복합재료 부품의 제조 방법 및 이로부터 얻어진 다중쉘 복합재료 부품{METHOD FOR PRODUCING MULTI-SHELL COMPOSITE-MATERIAL COMPONENTS HAVING AN INTERGRATED REINFORCEMENT STRUCTURE AND MULTI-SHELL COMPOSITE-MATERIAL COMPONENTS OBTAINED THEREFROM}
본 발명은 다음의 단계를 포함하는 다중쉘(multishell) 복합재료 부품의 제조 방법에 관한 것이다:
a) 하나 이상의 제1 부품을 사출 금형(injection mold)에 삽입하고 선택적으로 제1 부품은 성형 공정을 거치는 단계,
b) 하나 이상의 고정 요소(fixing element)를 제1 부품의 하나 이상의 면 상에 주입하는 단계,
c) 하나 이상의 제2 부품을 사출 금형에 삽입하고 선택적으로 제2 부품은 성형 공정을 거치는 단계,
d) 제1 부품을 제2 부품에 고정 요소를 갖는 면을 통해 결합시키는 단계로서, 매트릭스 재료는 제2 부품을 통해 고정 요소 상에 및/또는 고정 요소 내에 주입되는 단계.
본 발명은 추가로 복합재료로 형성되고 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 다중쉘 부품에 관한 것이고, 또한 하나 이상의 제1 부품 및 하나 이상의 제2 부품으로 구성된 몰딩에 관한 것이고, 여기서 상기 제1 부품은, 하나 이상의 면 상에, 고정 요소를 갖고, 상기 제2 부품은 상기 고정 요소에 밀착하여 결합되어 있다.
섬유복합 플라스틱, 특히 연속섬유 보강 열가소성 물질의 중요성은 경량 구조 및 재활용의 가능성이 높기 때문에 크게 증가하고 있다. 특히 자동차 제조 분야에서, 열가소성 라미네이트에 의한 금속의 대체가 이루어지고 있으며, 이는 이들이 사출 성형 공정과 결합된 효율적인 가공 능력과 함께 우수한 기계적 특성을 갖기 때문이다.
최근 몇 년간 끊임없이 증가하는 많은 금속 부품은 저중량의 섬유 플라스틱 복합 부품으로 대체되었다. 자동차 산업은 특히 이러한 목적으로 효율적이고 저렴한 대량 생산이 가능한 공정을 요구한다. 종래의 금속 자동차 부품은 일반적으로 보강 리브 및 비드를 갖는 단일쉘(single-shell) 디자인이지만, 단일쉘 섬유 플라스틱 복합체 (FPC)는 항상 동일한 설치 공간 내에 사용될 수 없다. FPC의 성능 특성을 최대한 활용하기 위해, 2쉘(two-shell) 해결책이 사용된다. 샌드위치 공정이 이러한 2쉘 해결책의 예를 제공한다.
열가소성 공정을 위한 2쉘 해결책이 있지만, 이들은 최근 개발된 인몰드 성형 및 오버몰딩 (in-mold forming and overmolding; IFO)의 조합 공정과 결합될 수 없거나, 재료의 가능성을 충분히 사용할 수 없다. IFO 공정에서 예열된 열가소성 유기패널은 가압 성형되고 이후 열가소성 사출 성형 조성물로 오버몰딩된다. 리브 구조가 종종 여기에 도입되고, 2쉘 디자인의 경우, 이를 밀봉해야 한다.
현재 사용되는 해결책에서, 제2 유기패널이 상기 리브 상에 배치되고, 압축 공정이 사용되어 상기 유기패널의 가장자리를 결합시킨다. 그러나, 여기서 주입된 리브 및 중첩된 유기패널 사이에는 결합이 달성되지 않으며, 이로 인해 성능의 손실이 발생될 수 있다.
현재의 공정은 일반적으로 매우 복잡한데, 매끄러운 표면이 제조될 수 있도록 라미네이트에 역압을 가하는 가스가 주입되거나 접착제 결합 또는 접합(jointing)을 위한 후속 공정이 사용되기 때문이다.
또 다른 공지의 공정은 지금까지 접합부(join)에서 라미네이트를 재가열하는 추가적인 핫가스 노즐(hot-gas nozzle)에 의해서만 기능하였다.
문헌 DE 2008 013 506 A1은 하나 이상의 몰딩으로 형성된 복합 부품의 제조 방법을 기술하고, 상기 하나 이상의 몰딩은 금속 및/또는 플라스틱으로 형성되고, 사출 금형에서, 그 자체 및/또는 다른 몰딩에 대해 접합 공정 및 맞물림 결합(interlock-bonding) 또는 밀착 결합(coherent bonding) 공정을 거치고, 여기서 하나 이상의 몰딩은 사출 금형이 폐쇄되면 접합 공정을 거친다. 이를 위해, 예를 들어, 접착제가 접합 영역에서 사용된다.
DE 195 00 790 A1은 금속 접합 및 각각, 둘 이상의 개별적인 금속 시트 및 열가소성의 사출 성형을 사용하는 압착 공정(pressing process)의 조합을 갖는 플라스틱/금속 복합체 제품의 제조 방법을 개시한다. 여기서 제1 단계에서, 결합 될 개별적인 금속 시트는 사출 금형에 배치되며 접합 또는 압착 공정에 의해 밀착하여 서로 결합된다. 제2 단계에서, 열가소성 물질은 금속 시트의 천공(perforation)에 주입되어 시트를 서로 결합시키고 사출 금형의 캐비티의 나머지에 형성된 플라스틱 부품에 결합시킨다. 이 알려진 공정의 단점은 몰딩의 압착 및 플라스틱의 주입이 하나의 장치에서 일어났지만, 이들이 2개의 별도의 단계에서 일어난다는 것이다.
DE 10 2009 010 440 A1은 외부 쉘과 외부 쉘에 결합된 구조 부품으로 구성된 모듈을 기술한다. 여기서 장치는 적어도 일부 영역에서, 서로 멀리 떨어져 있는 구조 부품과 외부 쉘을 갖고, 적어도 일부 영역에서 구조 부품과 외부 쉘 사이에 마찰 결합이 있어 외부 쉘에 대해 구조 부품의 위치를 고정한다.
DE 195 04 726 A1은 비틀림에 강하고 삽입 장치 및 내부 보강 시스템을 갖는 2개의 부분으로 형성된 하중지지 능력을 갖는 큰 표면적 요소를 기술한다. 여기서 두 개의 부분은 삽입 장치와 적절한 결합 요소를 사용하여 서로 결합된다. 두 개의 부분 중 하나의 경우 특정 기능의 통합 (예를 들어, 제조 중 플라스틱 하위요소 상에 결합된 요소의 제조) 때문에, 서로 다른 조합의 재료를 결합하여 비틀림에 강하고 하중지지 능력을 갖는 큰 표면적 요소를 제공하는 것이 가능하다.
DE 10 2011 111 743 A1은 FPC 부품 및 그 제조 방법을 기술하며, 상기 부품은 열가소성 매트릭스와의 복합체에 하나 이상의 텍스타일 인서트를 갖고, 열가소성 물질로 만들어진 보강 리브를 재료 상에 주입한 것을 포함한다. FPC 부품의 열가소성 리브는 30% 이상의 체적비를 갖는 보강재로 형성된 단섬유를 포함한다.
DE 10 2013 011 316 A1은 외부 쉘인 쉘을 갖는 언더바디 클래딩(underbody cladding)을 기술한다. 외부 쉘에 결합된 내부 쉘이 있고 내부 쉘과 외부 쉘 사이에 적어도 중간에 매개 공간이 있다.
DE 10 2009 041 838 A1은 둘 이상의 적어도 부분적으로 시트형 요소 또는 플라스틱 부품의 하위영역 사이에, 플라스틱 기술에 의해 제조된, 결합 조인트를 제조하는 방법을 기술한다.
DE 42 42 059 C1은 플라즈마 중합을 통해 적용된 중간층에 의해 플라스틱 몰딩을 다른 플라스틱 부품에 열 결합시키는 방법을 기술한다. 이 공정은 중간층이 플라즈마 중합을 통해 적용되고 적어도 몰딩과 비교하여 저융점을 갖도록 하는 방식으로 제작되고, 여기서 중간층은 몰딩/호일/성형 폼과 유사하지만, 중간층에서 상이한 분자쇄 길이 또는 가교 구조가 플라즈마 조건의 적절한 균형을 통해 확립된다.
DE 10 2011 118 980 A1은 모듈 구조의 하우징 부품을 위한 외부 패널을 갖는 외부 모듈의 제조 방법을 개시한다. 이를 위해, 열가소성 FPC 내부 쉘은 내부 쉘의 형태에 따라 반가공 열가소성 연속섬유 제품의 크기에 맞춘 절단(cutting-to-size)과 몰딩, 및 보강 요소가 있는 인몰드 코팅을 통해 제공된다. 이어서, 외부 쉘의 형상에 따라 반가공 열가소성 연속 섬유 제품의 크기에 맞춘 절단 및 예비 성형을 수행한 다음, 열가소성 FPC 내부 쉘 및 외부 쉘의 형상에 대응하는 예비성형된 반가공 열가소성 연속 섬유 제품을 몰드 내로 삽입하고 몰드를 폐쇄한다. 이후, 예비성형된 반가공 열가소성 연속섬유 제품에 압력을 가하고 성형하여 FPC 외부 쉘을 얻고 FPC 내부 쉘과 FPC 외부 쉘을 결합시켜 미가공 외부 모듈을 얻는다.
선행 기술에 개시된 공정 중 어느 것도 대량 생산에 유용하고 밀착 결합된 보강 구조물을 갖는 다중셀 복합재료 부품을 제조할 수 있는 공정을 기술하지 않는다.
따라서 본 발명의 목적은 폐쇄쉘(closed-shell), 다중쉘 부품, 특히 양면에 결합된 보강 구조를 갖는 FPC 부품을 대량으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 목적은 여기서 상기 FPC 부품이 경제적으로 지속 가능한 조건하에서의 제조에 대해 수정될 수 있다는 점에서 특히 바람직하다.
상기 목적은 다음의 단계를 포함하는 다중쉘 복합재료 부품의 제조 방법을 통해 달성된다:
a) 하나 이상의 제1 부품을 사출 금형에 삽입하고 선택적으로 제1 부품은 성형 공정을 거치는 단계,
b) 하나 이상의 고정 요소를 제1 부품의 하나 이상의 면 상에 주입하는 단계,
c) 하나 이상의 제2 부품을 사출 금형에 삽입하고 선택적으로 제2 부품은 성형 공정을 거치는 단계,
d) 제1 부품을 제2 부품에 고정 요소를 갖는 면을 통해 결합시키는 단계로서, 매트릭스 재료는 제2 부품을 통해 고정 요소 상에 및/또는 고정 요소 내에 주입되는 단계.
본 발명의 방법은 접착제 결합을 갖지 않는 다중쉘, 특히 이중쉘의 복합재료 부품을 제공할 수 있다. 본 발명에서 제1 부품과 제2 부품의 결합에 접착제를 사용하지 않기 때문에, 제조된 다중쉘 복합재료 부품을 보다 효율적으로 재활용할 수 있다. 복합재료 부품의 재활용 공정은 보강 섬유 배열 및 열가소성 매트릭스의 분리를 요구하기 때문에, 접착제의 존재는 후속하는 재활용 공정에 불리하다. 따라서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 복합재료 부품은 덜 비싸고 보다 지속 가능한 방식으로 후속하는 재활용에 적용될 수 있다.
본 발명에서 표현 다중쉘, 특히 이중쉘의, 복합재료 부품은 (최종) 부품, 특히 복합 부품을 의미하고, 이는 폐쇄셀(closed-cell) 단면을 갖는다. 고형 복합 부품과 비교하여, 이러한 유형의 복합 부품의 장점은 복합 부품이 저중량인 경우 더 높은 비틀림 및/또는 굴곡 강성을 갖거나, 동일한 강성을 갖는다는 것이다.
하나 이상의 제1 부품을 제공한 후, 본 발명의 방법은 단계 a)에서, 사출 금형 내에 하나 이상의 제1 부품을 배치하고 선택적으로 상기 제1 부품은 성형 공정을 거친다. 이러한 목적을 위해 요구되는 사출 금형의 구조는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다. 단계 a)에서 가능한 성형 공정의 의미는 하나 이상의 제1 부품이 예를 들어 열성형될 수 있다는 것이다. 하나 이상의 제1 부품이 이미 원하는 형상을 가져, 단계 a)에서 성형 공정이 필요로 하지 않도록 하는 것이 마찬가지로 가능하다.
이에 후속하는 단계 b)에서, 하나 이상의 고정 요소는 상기 제1 부품의 하나 이상의 면 상에 주입된다. 이 면 상에 하나 이상의 추가의 고정 요소의 주입이 마찬가지로 일어날 수 있고, 상기 제1 부품이 둘 이상의 고정 요소를 가질 수 있다. 제1 부품 상의 고정 요소의 배열은 바람직하게는 대칭일 수 있다. 예를 들어, 원형 고정 요소 (예, 비드)가 포함되는 경우, 서로에 대한 이들의 배열은 예를 들어 선형일 수 있지만, 이러한 선형 배열 이외에 평행 변위(parallel displacement)를 갖는 배열일 수 있다. 예를 들어, 상기 고정 요소가 리브의 형태를 취하는 경우, 배열은 이러한 리브를 서로 평행하게 가질 수 있다. 그러나, 배열은 또한 십자의 형태로 리브를 가질 수 있다. 이는 바람직하게는 복합재료 부품에서 더 높은 굴곡 강성 값의 달성할 수 있게 한다.
다음의 단계 b)에서 고정 요소가 상기 제1 부품의 2개의 대향 면 상에 주입되는 것이 마찬가지로 가능하다.
단계 b)에 후속하는 단계 c)는 사출 금형 내에 하나 이상의 제2 부품을 배치하고 선택적으로 상기 제2 부품은 성형 공정을 거치는 단계에 관한 것이다. 단계 c)에서 가능한 성형 공정의 의미는 하나 이상의 제2 부품이 예를 들어 열성형될 수 있다는 것이다. 하나 이상의 제2 부품이 이미 원하는 형상을 가져, 성형 공정이 단계 c)에서 필요로 하지 않도록 하는 것이 마찬가지로 가능하다.
단계 c)에 후속하는 단계 d)는 상기 제1 부품을 상기 제2 부품에 고정 요소를 갖는 면을 통해 결합시키는 단계에 관한 것이고, 여기서 매트릭스 재료는 상기 고정 요소 상에 및/또는 상기 고정 요소 내에 상기 제2 부품을 통해 주입된다. 제2 부품을 통한 주입은 이 위치에서 재료가 적절한 장치 및/또는 재료, 특히 매트릭스 재료의 적절한 스트림으로부터 분리되고, 상기 매트릭스 재료가 상기 고정 요소 상에 및/또는 상기 고정 요소 내에 도입될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 매트릭스 재료는 상기 제2 부품을 통해 농축된 제트의 형태로 상승된 압력하에서 흐를 수 있고 상기 고정 요소 상에 및/또는 상기 고정 요소 내에 주입될 수 있다. 또한 제2 부품을 통해 금속 브로치(metal broach)를 통과시킨 후, 매트릭스 재료를 통과시키는 것이 가능하다. 따라서 하나 이상의 고정 요소의 캐비티에 매트릭스 재료를 위한 통로를 제공하는 홀이 예비형성된다. 이에 따라 상기 제2 부품이 국부적으로만 가열되어 매트릭스 재료의 흐름에 대해 국부적으로 부드럽게 되거나, 매트릭스 재료에 대한 상술한 홀이 이미 상기 제2 부품에 예비형성되고 상기 부품이 차가운 상태로 유지되는 것이 마찬가지로 가능하다.
본 발명의 단계 d)에서 상기 제1 부품 및 상기 제2 부품의 결합은 바람직하게는 다중쉘 구조를 제공한다. 특히, 상기 제1 부품이 상기 제1 부품의 대향 면 상에 둘 이상의 고정 요소를 갖는 경우 3부분 구조(three-part structure)를 달성하는 것이 가능하다. 3쉘 구조는 상기 제2 부품에 결합시킨 후 생성된다.
또한, 연속적인 단계 a), b), c) 및 d) 사이에 중간 단계를 포함시키거나 및/또는 단계 a) 전에 및/또는 단계 d) 후 추가의 단계를 수행하는 것이 가능하다.
제1 및/또는 제2 부품은 또한 반가공 제품 및/또는 반가공 시트로 설명될 수 있다.
제1 및/또는 제2 부품은 선택적으로 섬유보강된 폴리머로부터 제조되는 것이 특히 바람직하다. 여기서 폴리머는 열가소성 물질 또는 열경화성 물질일 수 있다. 특히, 상기 부품은 보강된 폴리머이다. 보강은 상기 폴리머 재료와 상이한 물질을 사용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 방법에서 고정 요소는 하나 이상의 캐비티를 갖는 것이 바람직하다. 상기 고정 요소는 둘 이상의 캐비티를 갖는 것이 바람직하다. 캐비티의 성질은 바람직하게는 단계 d)에서 결합 중 밀착 결합뿐만 아니라 맞물림 결합(interlocked bond) 또는 마찰 결합이 형성되도록 한다.
고정 요소는 보강 요소로서 작용하는 것이 특히 바람직하다.
고정 요소는 바람직하게는 본 발명의 단계 b)에서 중공-몸체 구조로 형성될 수 있다. 여기서 중공-몸체 구조는 예를 들어 중공 입방체, 블록, 원통 또는 원뿔대(truncated cone)의 형상을 가질 수 있다. 충진 물질은 이러한 중공-몸체 구조에 주입될 수 있고 여기서 내부 체적의 99% 이하가 상기 충진 물질로 충진된다. 캐비티는 이러한 불완전한 충진으로부터 발생하는 것이 바람직하다.
고정 요소 및/또는 충진 물질은 열가소성 폴리머 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 열가소성 물질이 이 목적에 적합하다. 통상적으로 사용되는 열가소성 물질의 예는 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리아크릴레이트, 폴리아세탈 및 비닐기를 포함하는 모노머의 폴리머가 있다.
일반적으로 사용되는 폴리올레핀의 예는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리-1-부텐, 폴리테트라플루오로에틸렌이 있다. 적절한 폴리아미드는 예를 들어 나일론-6, 나일론-11, 나일론-6/6, 나일론-6/10 및 나일론-6/12이 있다. 적절한 폴리에스테르는 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리카보네이트이 있다. 통상적으로 사용되는 폴리아크릴레이트의 예는 폴리(메트)아크릴 에스테르, 폴리메타크릴레이트 및 폴리아크릴로니트릴이 있다. 사용되는 폴리아세탈의 예는 폴리옥시메틸렌이 있다. 비닐기를 갖는 모노머 단위를 포함하는 적절한 폴리머의 예는 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리스티렌, 폴리비닐카바졸, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 알코올이 있다. 다른 적절한 열가소성 물질은 폴리에테르 술폰, 폴리에테르이미드, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴, 및 아크릴레이트-스티렌-아크릴로니트릴이 있다. 게다가 상기 언급된 폴리머의 혼합물, 또는 상기 언급된 호모폴리머를 형성하는 데 사용된 모노머 단위로 형성된 코폴리머를 사용하는 것이 또한 가능하다.
고정 요소를 위해 특히 바람직한 열가소성 물질은 폴리아미드이다.
본 발명의 단계 b)에서 단계 b)에서 사용되는 매트릭스 재료는 고정 요소의 주입에 사용되는 것이 바람직하다.
마찬가지로 가능한 고정 요소의 캐비티를 제조하는 방법에서, 적절한 형상을 갖는 마스크가, 특히 단계 b) 중 사용되고, 단계 b) 후에 제거될 수 있다.
본 발명의 방법에서 캐비티의 종횡비는 1:1 내지 1:100의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 캐비티의 종횡비는 1:2 내지 1:50의 범위 내에 있다.
종횡비는 고정 요소의 너비 대 높이의 비율이다.
본 발명의 방법에서 제1 부품 및 제2 부품의 결합 중, 매트릭스 재료가 고정 요소의 캐비티 내로 주입되는 것이 바람직하다. 주입되는 매트릭스 재료의 체적은 바람직하게는 캐비티 체적의 50 내지 300%이다. 주입되는 매트릭스 재료의 체적은 매우 특히 바람직하게는 캐비티 체적의 80 내지 250%이다. 주입되는 매트릭스 재료의 체적은 특히 캐비티 체적의 105 내지 125%이다.
주입되는 매트릭스 재료의 부피가 캐비티 체적의 100%를 초과하는 경우, 상기 매트릭스 재료는 상기 캐비티 밖으로 넘친다. 이러한 매트릭스 재료의 넘침은 바람직하게는 제1 및 제2 부품의 맞물림 결합 및 밀착 결합을 위한 기초로 작용할 수 있다.
넘친 매트릭스 재료는 매우 특히 바람직하게는 제1 부품 및 제2 부품의 가장자리 영역의 결합을 위해 단계 d)에서 사용될 수 있다.
본 발명의 방법에서 제1 부품 및/또는 제2 부품은 보강섬유 배열 및 열가소성 매트릭스를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제1 및/또는 제2 부품은 열가소성 매트릭스 내에 보강섬유 배열을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
상기 제1 및 제2 부품은 서로 상이한 보강섬유 배열을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 부품은 동일한 열가소성 매트릭스를 포함하는 것이 바람직하다.
탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 금속 섬유 또는 이들의 조합이 보강섬유 배열로서 사용될 수 있다. 사용되는 섬유 배열은 종종 배향된 섬유를 갖고 레이드 스크림(laid scrim), 직물, 네트, 편성물(knitted fabric), 편조물(braided fabric) 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 특히, 제1 및/또는 제2 부품은 섬유복합 플라스틱을 포함한다. 섬유보강 플라스틱 (섬유복합 플라스틱)으로 형성된 이러한 복합 부품은 기계적 강도가 매우 우수하고, 동시에 중량 절감에 대한 큰 가능성을 제공한다. 특히, 경량 구조에 점점 더 많이 사용되고 있다. 따라서, 제1 및/또는 제2 부품은 예를 들어 플라스틱 재료 (플라스틱 매트릭스)로 포화 또는 함침되거나 또는 플라스틱 재료 (플라스틱 매트릭스)로 둘러싸일 수 있는 보강 섬유를 사용하여 형성될 수 있다.
섬유복합 플라스틱 또는 섬유복합 플라스틱 부품의 제조는 DE 10 2008 052 000 A1에 예로서 개시되어 있다. 이 문헌에서, 사출 금형은 보강 부품으로서, 함침 물질로 코어 깊이까지 완전히 또는 부분적으로 함침된 다중필라멘트 섬유로 형성된 하나 이상의 비경화된 직물 인서트(unconsolidated textile insert)의 인몰드 코팅을 위한 매트릭스 재료와 함께 사용된다.
여기서 사용되는 섬유는 바람직하게는 개별적인 섬유, 로빙(roving) 또는 섬유 매트의 형태를 취할 수 있다.
사용되는 섬유가 장섬유, 로빙 또는 섬유 매트의 형태를 취할 경우, 상기 섬유는 통상적으로 금형 내에 배치되고, 이후 폴리머 재료에 의한 함침이 일어난다. 얻어지는 인서트는 하나 이상의 층의 구조를 가질 수 있다. 다층 구조의 경우, 각각의 개별적인 층의 섬유는 동일한 배향을 가질 수 있거나, 배열은 서로에 대해 -90° 내지 +90°의 각도로 개별적인 층의 섬유를 가질 수 있다.
그러나, 또 다른 가능한 대안은 금형 내에 섬유를 배치하고 이들 주위에 폴리머 조성물을 주조하는 것과 함께, 특히 배향된 장섬유가 사용되는 경우, 이들을 압출 다이를 통과시키고 압출 공정 중 플라스틱 조성물로 피복(sheath)하는 것이다.
단섬유가 사용되는 경우, 이들은 통상적으로 경화 공정 전에 폴리머 조성물과 혼합된다. 인서트는 예를 들어 압출, 사출 성형 또는 주조를 통해 제조될 수 있다. 인서트는 일반적으로 미배향된 형태의 짧은 유리 섬유를 포함한다. 인서트가 사출 성형 공정에 의해 제조되는 경우, 상기 섬유를 포함한 폴리머 조성물의 주입 노즐을 통한 몰드 내로의 가압(forcing)은 단섬유를 배향할 수 있다. 폴리머 조성물의 압출의 경우, 단섬유의 배향은 마찬가지로 압출 다이를 통한 재료의 가압으로부터 일어날 수 있다.
섬유와 함께 다른 적합한 보강제는 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 알려져 있고 강성을 증가시키거나 및/또는 강도를 증가시키도록 작용하는 임의의 바람직한 다른 충전제이다. 이들 중에서도 특히 바람직한 배향을 갖지 않는 임의의 바람직한 입자가 있다. 이 유형의 입자는 일반적으로 구형, 층상형 또는 원통형이다. 여기서 입자의 실제 형상은 이상적인 형상과 상이할 수 있다: 특히, 구형 입자는 실제로 예를 들어 물방울(droplet-like) 형상 또는 평평한 형상을 가질 수 있다.
섬유와 함께 사용되는 보강재의 예로는 흑연, 백묵(chalk), 활석 분말 및 나노크기 충진제가 있다.
당해 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 열가소성 물질이 열가소성 매트릭스에 적합하다. 보강될 수 있는 열가소성 물질이 특히 적합하다. 통상적으로 사용되는 열가소성 물질의 예는 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리아크릴레이트, 폴리아세탈 및 비닐기를 포함하는 모노머의 폴리머가 있다.
일반적으로 사용되는 폴리올레핀의 예는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리-1 부텐, 폴리테트라플루오로에틸렌이 있다. 적합한 폴리아미드는 예컨대 나일론-6, 나일론-11, 나일론-6/6, 나일론-6/10 및 나일론-6/12이 있다. 적합한 폴리 에스테르는 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리 카보네이트가 있다. 일반적으로 사용되는 폴리아크릴레이트의 예는 폴리(메트)아크릴에스테르, 폴리메타크릴레이트 및 폴리아크릴로니트릴이 있다. 사용되는 폴리아세탈의 예는 폴리옥시메틸렌이 있다. 비닐기를 갖는 모노머 단위를 포함하는 적합한 폴리머의 예는 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리스티렌, 폴리비닐카바졸, 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 알콜이다. 다른 적합한 열가소성 물질은 폴리에테르 술폰, 폴리에테르이미드, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴 및 아크릴레이트-스티렌-아크릴로니트릴이 있다. 또한, 상기 폴리머의 혼합물, 또는 상기 언급된 호모폴리머를 형성하는데 사용된 모노머 단위로 형성된 코폴리머를 사용할 수 있다.
열가소성 매트릭스를 위한 특히 바람직한 열가소성 물질은 폴리아미드이다.
사용되는 폴리머는 또한 다른 추가적인 물질을 포함할 수 있다. 이들은 예를 들어 통상의 가소제, 충격 개질제, 난연제, 및 폴리머에 통상적으로 첨가되는 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 다른 첨가제가 있다.
본 발명의 방법에서, 매트릭스의 재료는 열가소성 매트릭스의 재료인 것이 특히 바람직하다. 특히, 매트릭스의 재료는 제1 및 제2 부품의 열가소성 매트릭스의 재료이다. 따라서, 밀착, 맞물림 및/또는 마찰 결합의 특히 성공적인 형성을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명의 방법에서, 제1 부품과 제2 부품의 결합 중에, 재료가 고정 요소의 캐비티 내로 주입되는 것이 바람직하며, 캐비티의 표면은 적어도 어느 정도 용융된다. 이를 달성하기 위한 방법의 예에서, 매트릭스 재료는 고정 요소의 재료의 융점보다 높은 온도 및/또는 이와 동일한 온도로 가열된다.
본 발명의 방법에서, 제1 부품 및/또는 제2 부품에 적용되는 성형 공정은 각각의 경우 단일쉘 섬유플라스틱 복합체를 생성하는 것이 바람직하다. 성형 공정은 예열된 부품에 적합한 금형, 예를 들어 사출 금형을 사용할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 고정 요소는 리브, 볼록 영역, 비드, 홈, 필렛(fillet) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에서, 제1 부품 및/또는 제2 부품은 장섬유 보강 열가소성 물질, 연속섬유 보강 열가소성 물질 및/또는 단방향성 보강 테이프인 것이 특히 바람직하다. 여기서, 장섬유의 평균 섬유 길이는 2 ㎛ 내지 25 ㎛이다. 연속섬유는 일반적으로 부품의 전체 길이에 걸쳐 연장되거나, 및/또는 길이는 자유롭게 선택될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 제1 부품 및/또는 제2 부품은 유기패널 (organopanel) 인 것이 바람직하다. 용어 유기패널은 연속섬유 보강 반가공 열가소성 시트를 의미한다. 유기패널은 열에 노출되면 성형 공정에 적용될 수 있고 짧은 공정 사이클을 허용하며 게다가 성공적으로 용접될 수 있다. 유기패널이 사용될 경우, 금속 시트와 달리 부식으로부터의 보호가 항상 요구되지 않는다.
여기서 유기패널은 열가소성 매트릭스에 임베딩된(embedded), 정의된 배향의 섬유를 갖는 특정 섬유 배열로 구성될 수 있다: 섬유 배열, 특히 보강 섬유 배열은 직물, 레이드 스크림, 편성물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 제1 부품에 결합하기 전에, 제2 부품은 융점 또는 유리 전이 온도보다 최대 50℃ 낮은 온도에서 융점 또는 유리 전이 온도보다 최대 50℃ 높은 온도까지 이르는 것이 바람직하다. 융점 또는 유리 전이 온도는 바람직하게는 열가소성 매트릭스의 재료와 관련된다. 제1 부품에 결합되기 전에, 제2 부품은 공정에 의해 소비되는 에너지를 최소화하기 위해 국부적으로 예열되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 방법에서 제1 부품과 제2 부품의 결합 후 및/또는 결합 중, 제2 부품의 가장자리 영역이 제1 부품 상에 압착되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법에 의해 제조된 다중쉘 복합재료 부품을 제공한다. 2부분 복합재료 부품을 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 하나 이상의 제1 부품 및 하나의 제2 부품으로 구성된 몰딩을 제공하며, 여기서 제1 부품은 하나 이상의 면에 고정 요소를 갖고, 제2 부품은 고정 요소에 밀착하여 결합된다.
상술한 모든 실시예 및 바람직한 실시예는 본 명세서에서 이것이 가능하지 않다는 것이 명확하지 않는 한, 서로 자유롭게 결합될 수 있다.
표현 “포함하는”은 또한 바람직하게는 표현 “로 구성된”을 포함한다.
본 발명 및 선행 기술은 도면을 참조하여 아래에 예시될 것이다:
도 1은 인몰드 성형 및 오버몰딩의 조합 (CIFO) 공정 (선행 기술)에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 방법의 순서도이다.
도 3은 제1 및 제2 부품을 도시한다.
도 4는 캐비티를 갖는 고정 요소의 단면도이다.
도 4a는 캐비티를 갖는 고정 요소의 평면도이다.
도 5는 매트릭스 재료의 주입 절차 중 제1 및 제2 부품으로 구성된 이중쉘 복합재료 부품을 제조하는 단계를 도시한다.
도 5a는 매트릭스 물질의 주입 절차 후 제1 및 제2 부품으로 구성된 이중쉘 복합재료 부품을 제조하는 단계를 도시한다.
도 1은 CIFO 공정의 순서도이다. 이를 위해, 단계 S1에서 라미네이트 또는 테이프일 수 있는 사전제작된 반가공 제품이 선택적으로 클램핑 프레임(clamping frame)에 고정된다. 이후 오븐으로의 운반이 일어나, 반가공 제품을 갖는 클램핑 프레임이 가열될 수 있도록 한다. 이 오븐은 예를 들어 방사 IR 시스템일 수 있다. 이어서 사출 성형기의 금형 내에 재료를 삽입한다. 인몰드 성형 공정 단계 (S2)에서, 몰드는 폐쇄되고 반가공 제품은 성형 공정을 거친다. 성형 공정 후에, 오버몰딩 단계 (S3)에서 사출 성형 조성물을 사용하여 리브가 주입된다. 추가의 단계들 SX에서, 금형이 개방되고, 이후 선택적인 탈형 단계 및 선택적인 트리밍(trimming) 단계가 일어나 최종 부품을 얻는다.
도 2는 본 발명의 방법의 순서도이다. 이를 위해, 단계 S1'에서, 열가소성 매트릭스 및 보강섬유 배열로 제조된 사전제작된 반가공 시트 제품을 선택적으로 클램핑 장치 상에 고정시킨다. 이후, 반가공 시트 제품을 금형 내에서 가열하거나 금형 내로 재료를 삽입하는 것이 가능하다. 단계 S2'에서 금형이 폐쇄되고 반가공 제품이 성형 공정을 거친다. 따라서, 단계 S1' 및 S2'는 본 발명의 방법에서 제1 단계 a)에 대응한다. 이후, 단계 S3'에서 고정 요소가 적절히 주입된다. 고정 요소는 반가공 제품의 한쪽 면에만 또는 두 개의 대향 면에 주입된다. 따라서, 단계 S3'는 본 발명의 방법에서 단계 b)에 대응한다. 따라서, 고정 요소는 열가소성 매트릭스와 동일한 사출 성형 조성물의 형태로 주입된다. 이후, 단계 S4'에서 금형이 개방되고 다시 재료가 금형 내로 삽입되거나 또는 두 번째 반가공 시트 제품이 가열되고, 두 번째 반가공 시트 제품의 가열 또는 금형으로의 재료의 삽입이 이어진다. 단계 S4'는 본 발명의 방법에서 단계 c)에 대응한다. 금형이 폐쇄 된 후, 두 번째 반가공 제품은 선택적으로 단계 S4'에서 성형 공정을 거친다. 이어서, 단계 S5'에서, 사출 성형 조성물이 두 번째 반가공 제품을 통해 고정 요소의 캐비티 내로 주입된다. 그 결과 두 개의 반가공 제품이 밀착하여 결합된다. 단계 (SX')에서 금형이 개방되고 탈형된 후, 상기 제품은 다중쉘 부품 또는 최종 부품이다.
도 3은 제1 부품 (1) 및 제2 부품 (2)를 도시한다. 제1 부품 (1)에서 가장자리 영역 (12)와 고정 요소 (4) 및 캐비티 (7)를 볼 수 있다. 따라서, 제2 부품 (2)은 제1 부품 (1)에 적용된다. 도 3은 본 발명의 방법의 특정 부분을 예시하지만 사출 성형을 나타내지는 않는다. 제1 부품 (1)이 사출 금형 내에 배치되고 성형 공정을 거친 후에, 이는 가장자리 영역 (12)을 갖는 도 3에 도시된 형상을 갖는다. 본 발명의 방법의 단계 b)에서 주입된 고정 요소 (4)는 마찬가지로 예시된다. 도 3에는 총 4개의 고정 요소 (4)가 있고, 여기서 이들 각각의 쌍의 배열은 이들 사이에 매트릭스 재료가 순차적으로 주입되는 캐비티 (7)를 갖는다. 여기서 고정 요소 (4)의 배열은 제1 부품 (1)의 가장자리 영역 (12)의 상부 면과 평면을 이루도록 한다. 여기서 평면 부품 (2)의 형태로 도시된 제2 부품 (2)은 제1 부품 (1)의 가장자리 영역 (12) 뿐만 아니라 고정 요소 (4)의 영역과도 접촉한다. 도 3은 제1 부품 (1)을 제2 부품 (2)에 고정 요소 (4)를 갖는 면 (5)을 통해 결합시키 전의 상황을 도시한다. 제1 부품 (1) 및 제2 부품은 (2) 모두 보강섬유 배열 및 열가소성 매트릭스로 구성된다. 고정요소 (4)는 마찬가지로 열가소성 매트릭스로 구성된다.
도 4는 제1 부품 (1) 상에 캐비티 (7)를 갖는 고정 요소 (4)의 단면도이다. 도 4는 단계 b)에서와 같이 제1 부품 (1)의 하나 이상의 면 (5) 상에 하나 이상의 고정 요소 (4)를 주입한 후 제1 부품 (1)의 상황을 도시한다. 따라서, 캐비티 (7) 내에는 어떠한 매트릭스 물질도 존재하지 않는다. 캐비티 (7)를 형성하는 고정 요소 (4)는 직사각형의 형상을 갖는다.
도 4a는 고정 요소 (4)를 갖는 제1 부품 (1)의 평면도이다. 평면도에서, 고정 요소 (4)의 형상은 정사각형이다. 그러므로 전체적인 효과는 중공 입방체 형 몰딩이 고정 요소 (4)를 제공하지만, 제1 부품 (1)의 면 (5)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 입방체의 면이 존재하지 않고, 이에 따라 캐비티 (7)가 존재한다는 것이다. 제1 부품 (1)은 보강섬유 배열이 있는 열가소성 매트릭스로 구성된다. 고정 요소 (4)는 열가소성 매트릭스로 마찬가지로 구성된다.
도 5는 사출 공정 중, 제1 부품 (1)과 제2 부품 (2)으로 구성된 이중쉘 복합재료 부품의 제조 단계를 도시한다. 밀착 결합 절차는 도 5에서 볼 수 있다. 고정 요소 (4)의 캐비티 (7) 내로의 제2 부품 (2)을 통한 매트릭스 재료 (6)의 주입이 여기에 도시된다. 이를 위해, 본 발명의 방법의 단계 d)에서와 같이 매트릭스 재료 (6)가 제2 부품 (2)을 통해 주입되는 지점에서 부품 (2)이 국부적으로 가열된다. 또한 매트릭스 재료 (6)의 주입을 위한 통로를 허용하기 위해 제2 부품 (2)을 통해 금속 브로치를 통과시키는 것이 가능하다.
도 5a는 본 발명의 본 방법의 단계 d)가 수행된 후, 제1 부품 (1) 및 제2 부품 (2)로 구성된 이중쉘 복합재료 부품의 제조 단계를 도시한다. 부품 (1)과 부품 (2) 사이의 밀착 결합은 도 5a에서 볼 수 있다. 따라서, 도 5a는 본 발명의 방법의 단계 d) 이후의 단계에 해당한다. 매트릭스 재료 (6)는 제1 부품 (1) 및 제 2 부품 (2)의 열가소성 매트릭스의 재료와 동일하고 또한 고정 요소 (4)의 재료와 동일하다. 이에 따라 단계 d) 후, 밀착, 맞물림 및 마찰 결합이 생성되었다.
1 제1 부품
2 제2 부품
4 고정 요소
5 제1 부품의 면
6 매트릭스 재료
7 캐비티
12 가장자리 영역

Claims (15)

  1. 다음의 단계를 포함하는 다중쉘(multishell) 복합재료 부품의 제조 방법:
    a) 하나 이상의 제1 부품 (1)을 사출 금형(injection mold)에 삽입하고 선택적으로 제1 부품 (1)은 성형 공정을 거치는 단계,
    b) 하나 이상의 고정 요소(fixing element) (4)를 제1 부품 (1)의 하나 이상의 면 (5) 상에 주입하는 단계,
    c) 하나 이상의 제2 부품 (2)을 사출 금형에 삽입하고 선택적으로 제2 부품 (2)은 성형 공정을 거치는 단계,
    d) 제1 부품 (1)을 제2 부품 (2)에 고정 요소 (4)를 갖는 면 (5)을 통해 결합시키는 단계로서, 매트릭스 재료 (6)는 제2 부품 (2)을 통해 고정 요소 (4) 상에 및/또는 고정 요소 (4) 내에 주입되는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 고정 요소 (4)는 하나 이상의 캐비티(cavity) (7)를 갖는 것인 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 캐비티 (7)의 종횡비는 1:1 내지 1:100의 범위 내에 있는 것인 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 부품 (1) 및 제2 부품 (2)의 결합 중 매트릭스 재료 (6)가 고정 요소 (4)의 캐비티 (7) 내에 주입되는 것인 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1) 및/또는 제2 부품 (2)는 보강섬유 배열(reinforcing-fiber arrangement) 및 열가소성 매트릭스를 포함하는 것인 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 매트릭스 재료 (6)는 열가소성 매트릭스 재료와 동일한 것인 제조 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1) 및 제2 부품 (2)의 결합 시, 재료는 고정 요소 (4)의 캐비티 (7) 내로 주입되고, 캐비티 (7)의 표면은 적어도 어느 정도 용융되는 것인 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1) 및/또는 제2 부품 (2)이 거치는 성형 공정은 각각의 경우 단일쉘(single-shell) 섬유-플라스틱 복합체를 생성하는 것인 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 요소 (4)는 리브(rib), 볼록 영역, 비드, 홈, 필릿(fillet) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1) 및/또는 제2 부품 (2)은 장섬유 보강 열가소성 물질(long-fiber-reinforced thermoplastic), 연속섬유 보강 열가소성 물질(continuous-fiber-reinforced thermoplastic), 및/또는 단방향성 보강 테이프(unidirectional reinforced tape)인 것인 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1) 및/또는 제2 부품은 유기패널(orgnaopanel)인 것인 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1)에 결합하기 전에, 제2 부품 (2)은 융점 또는 유리 전이 온도보다 최대 50℃ 낮은 온도에서 융점 또는 유리 전이 온도보다 최대 50℃ 높은 온도까지 이르는 것인 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 부품 (1) 및 제2 부품 (2)의 결합 후 및/또는 결합 중, 제2 부품 (2)의 가장자리 영역 (12)이 제1 부품(1) 상에 압착되는 것인 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다중쉘 복합 재료 부품.
  15. 하나 이상의 제1 부품 (1) 및 하나의 제2 부품 (2)으로 구성된 몰딩(molding)으로서, 제1 부품 (1)은 하나 이상의 면 상에 고정 요소 (4)를 갖고, 제2 부품 (2)은 고정 요소 (4)에 밀착하여 결합되어 있는 것인 몰딩.
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