KR20180018815A - 3차원 성형물들에서의 또는 3차원 성형물들에 관한 개량들 - Google Patents

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KR20180018815A
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Abstract

본 발명은 몰딩 컴파운드 블랭크, 및 이를 압축 성형하기 위한 방법 및 결과적인 제품에 관한 것이다. 블랭크는 섬유 보강 재료 및 수지 재료를 포함하는 몰딩 컴파운드를 포함하고, 몰딩 컴파운드는 압축 성형하는 동안 압축 금형의 공동 내에 몰딩 컴파운드의 유동을 지향하기 위한 블랭크의 표면에 위치되는 유동 안내부(6, 7, 8)를 포함한다.

Description

3차원 성형물들에서의 또는 3차원 성형물들에 관한 개량들
본 발명은 3차원 성형물들에서의 또는 3차원 성형물들(mouldings)에 관한 개량 그리고 이들의 제조의 개량에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 2차원 블랭크들(blanks)로부터 3차원 성형물들의 제조에 관한 것이다. 용어 "블랭크"는 성형될 금형에 공급되고 전형적으로 미경화되거나 부분적으로 경화되지만 경화가능한 수지의 매트릭스 내에 함유된 섬유 재료(fibrous material)를 포함하는 2차원 성형가능한 재료를 설명하는 데 사용되며, 처음에, 수지가, 섬유 재료를 유동시키고 그리고 둘러싸기 위해 경화 이전에 용융되는 분말형 형태와 같은 미립자(particulate) 형태로 존재할 수 있거나, 매트릭스는 액체 수지일 수 있다. 특히, 블랭크는 경화가능한 섬유 보강 매트릭스와 같은 몰딩 컴파운드(moulding compound)로 제조된다.
몰딩 컴파운드들은 성형된 물품들의 제조에 사용되고, 압축 금형에서의 층들에 레이업될(laid up) 수 있으며, 압축 금형에서, 이들은 가열 및 압축되어, 수지들이 섬유 보강재를 봉입하기 위해 유동하고, 그리고 수지는, 금형으로부터의 제거 및 냉각 시에 견고한 균질 성형물이 획득되도록 또한 경화된다. 이러한 기술은 평면이거나 완만한 물결형 프로파일(undulating profile)을 가지는, 2차원 성형물들에 대해 만족스럽게 작용한다. 그러나, 예를 들어 자동차, 항공기, 풍력 에너지, 건설 및 스포츠 용품 산업들에 사용되는 몰딩 컴파운드들로 제조되는 컴포넌트들에서 빈번하게 요구되는, 립들(ribs) 및 스티프너들(stiffeners), 특히 표면으로부터 수직으로 연장하는 리브들 및 스티프너들와 같은 예리한 돌기부들(projections)을 갖는 성형물들을 제조하기 위해 2차원 블랭크들을 성공적으로 성형하는 것은 가능하지 않다.
리브(rib)와 같은 돌기(protrusion)의 위치에 추가의 스트립들 또는 몰딩 컴파운드의 피스들을 제공하는 것이 현재 관행이다. 이러한 기술은 추가의 제조 단계들을 요구하고 그리고 이에 따라 시간 소모가 크다. 이는 또한 스크랩 재료(scrap material)의 발생을 초래한다. 게다가, 이는 성형물의 표면, 그리고 특히 돌기의 표면에 결함들을 초래할 수 있다.
본 발명은 전술된 문제들을 제거하거나 적어도 완화시키고, 그리고/또는 일반적으로 개량예들을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따라, 첨부하는 청구항들 중 어느 한 항에서 규정되는 바와 같이, 블랭크, 프로세스, 성형물 및 컴포넌트가 제공된다.
따라서, 본 발명은 섬유 보강재 및 수지 재료를 포함하는 몰딩 컴파운드(moulding compound)를 포함하는 부품을 압축 금형(mould)에서 압축 성형하기 위한 블랭크를 제공하며, 여기서 몰딩 컴파운드는 압축 성형하는 동안 압축 금형의 공동 내에 몰딩 컴파운드의 유동을 지향하기 위한 블랭크의 표면에 위치되는 유동 안내부를 포함한다.
추가적인 일 실시예에서, 본 발명은 성형물(moulding)을 제조하기 위한 프로세스를 제공하며, 여기서 이 프로세스는 섬유 보강재 및 수지 재료를 포함하는 몰딩 컴파운드를 포함하는 블랭크를 제공하는 단계(여기서, 몰딩 컴파운드는 블랭크의 표면에 위치되는 안내부를 포함함) 및 압축 금형에 블랭크를 제공하는 단계 및 압축 하에서 블랭크를 성형하는 단계를 포함하며, 이에 의해 안내부는 압축 금형의 금형 공동 내에서 몰딩 컴파운드의 유동을 지향한다.
따라서, 본 발명은 경화가능한 재료의 2차원 블랭크들로부터의 3차원 성형물들의 제조를 위한 더 간단한 프로세스를 제공한다. 또한, 본 발명에서 제조된 성형물들은, 3차원 구조의 부분인 돌기부들을 포함하는 표면이 이들이 돌출하는 성형물의 평면 표면과 연속이기 때문에, 개선된 표면 마감(surface finish)을 가질 수 있다.
이에 따라, 추가적인 일 실시예에서, 본 발명은 적어도 2 개의 블랭크들의 스택(stack)으로부터 형성된 3차원 성형물을 제공하며, 여기서 3차원 성형물은 평면식 섹션을 포함하는 표면 및 표면으로부터 돌출하는 돌출부들(protuberances)을 포함하며, 표면은 경화된 프리프레그(prepreg)의 연속 층을 포함한다.
본 발명에서, 금형 공동은 성형 재료의 압축 성형을 위한 이용가능한 금형 내의 공간이다. 공동은 복잡한 3차원 형상을 가질 수 있으며, 그리고 용어 오목부들(recesses)은, 성형물 상의 리브들과 같은 돌출부들을 제조하기 위해 성형 프로세스 동안 몰딩 컴파운드가 유동할 수 있는 금형 벽들에서의 공간들을 설명하는 데 사용된다.
본 발명은 특히, 자동차, 항공우주(aerospace), 건설, 풍력 에너지 및 스포츠 용품 산업들에서 유용한 컴포넌트들에서 요구되는 바와 같이, 리브들 또는 다른 스티프너들과 같은 직립형, 전형적으로 수직 보강 또는 강화 섹션들이 제공되는 성형물들의 제조에서 특히 유용하다. 본 발명은 임의의 크기 및 형상의 성형물들에 적용가능하다.
본 발명은, 몰딩 컴파운드의 수지 매트릭스가 유동 및 경화하는 것을 유발시키기 위해 상승된 온도로 그리고 압력 하에서 성형될 수 있는 임의의 몰딩 컴파운드들로부터 3차원 성형물들의 제조에 적용가능하다. 수지 매트릭스는 폴리에스테르, 폴리우레탄 또는 에폭시 수지와 같은 임의의 경화가능한 수지일 수 있고, 그리고 성형 동안 섬유 주위에서 용융하고 그리고 유동하는 분말과 같은 미립자 재료일 수 있다. 대안적으로, 수지는 액체일 수 있으며, 그리고 액체 에폭시 수지들이 바람직하다.
섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드(aramid)와 같은 전통적으로 사용되는 보강 섬유들 중 임의의 섬유일 수 있다. 탄소 섬유가 바람직하며, 그리고 탄소 섬유가 무작위로 배향된 단섬유들을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 사용을 위해 바람직한 몰딩 컴파운드들은 무작위로 배향된 단섬유들을 함유하는 액체 또는 미립자 에폭시 수지 매트릭스, 이를테면 Hexcel로부터 이용가능한 Hex MC 재료들을 포함한다.
본 발명에서의 사용을 위해 이러한 바람직한 몰딩 컴파운드는 종종 "준등방성 절단된(quasi-isotropic chopped) 몰딩 컴파운드"로 지칭되며, 이는 미국 특허 출원 공보 2012/0223183에서 설명되는 바와 같이, 절단된 단방향 테이프의 무작위로 배향된 "칩들"로 구성된 매트(mat)로서 제공되는 몰딩 컴파운드를 의미한다. 칩들의 크기는 제조되는 특정 컴포넌트에 따라 변경될 수 있다. 전형적으로, 칩들은 폭이 약 0.8 cm, 길이가 5 cm 및 두께가 0.015 cm이다. 칩들은 탄소, 유리, 아라미드, 폴리에틸렌 또는 경화가능한 수지들의 보강 시에 일반적으로 사용되는 섬유 유형들 중 임의의 섬유 유형일 수 있는 단방향 섬유들을 포함한다. 탄소 섬유들이 바람직하다. 칩들은 매트에서 무작위로 배향되며, 그리고 이 칩들은 비교적으로 평탄하게 놓인다. 이는 매트에 이의 횡방향(transverse) 등방성 특성들을 제공한다.
칩들은 또한 에폭시, 페놀(phenolic), 비스말레이미드(bismaleimide) 및 사이어네이트들(cyanates)을 포함하는 경화가능한 몰딩 컴파운드에 일반적으로 사용되는 수지들 중 임의의 수지일 수 있는 수지 매트릭스를 포함한다. 에폭시 수지들이 바람직하다. 칩들의 수지 함량은 또한 제조되는 컴포넌트의 구조적 요건 또는 다른 요건들에 따라 변경될 수 있다. 35 내지 50 중량%의 수지 함량들을 갖는 칩들이 바람직하다.
준등방성 절단된 몰딩 컴파운드는 요망되는 폭의 단방향 프리프레그 테이프로 제조될 수 있다. 테이프는 요망되는 길이의 칩들로 절단되며, 그리고 칩들은 평탄하게 놓여지고 그리고 무작위로 배향된 칩들의 매트를 형성하도록 함께 가압된다(pressed). 칩들은 몰딩 컴파운드 수지의 존재로 인해 함께 접합된다. 바람직한 재료는 상업적으로 이용가능한 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드, 예를 들어 Hex Corporation의 상표명 HexMC®로 이용가능한 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드 재료이다. 상표명 HexPly®로 이용가능한 단방향 테이프들로 제조되는 다양한 HexMC® 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드는 이용가능하다. 유사한 재료들이 미국 특허 출원 공보 2014/0377556에 설명된다.
우리는 본 발명에서 활용되는 블랭크에 바람직한 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드와 같은 몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들에서 사용하는 것을 선호한다. 돌출부가 형성될 수 있는 위치에서 최상부층 또는 최하부층을 포함하는 몰딩 컴파운드의 적어도 부분이 제거되어, 돌출부를 형성하기 위해, 몰딩 컴파운드가 압축 성형 동안 유동하는 것을 유발시키는 안내부를 제공한다. 블랭크들은 전통적인 레이업(layup) 및 프리폼(preform) 제조 기술들을 사용하여 성형될 수 있다. 일반적으로, 충전(charge)은 부품 에지의 3.0 내지 12.3 mm(1/8 내지 1/2 인치) 이내로 또는 그 초과로 맞춰지도록 이루어진다. 레이업은 부품 에지들을 채우고 기하학적 피처들(features)을 제조하기 위해 유동할 것이고, 그리고 요망되는 돌출부들을 형성하기 위해 몰딩 컴파운드의 최상부층 또는 최하부층의 제거된 영역 내로 그리고 금형의 공동 내로 유동할 것이다.
바람직한 몰딩 컴파운드를 사용할 때, 성형 프로세스가 "낮은 유동" 프로세스인 것이 바람직하다. 낮은 유동 프로세스는 칩들의 배향의 최소 방해로 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드를 성형하는 것을 포함하며, 따라서 재료의 횡방향 등방성 특성을 보존한다. 이는 칩들 및 이들의 단방향 섬유들의 정렬을 재배향하지 않거나 이와 달리 과도하게 방해하지 않는 레벨로 성형 프로세스 동안 수지 및 섬유들의 유동을 유지함으로써 달성된다.
마무리된(finished) 부품들에 대해 수행된 시험들에서는, 스트립(strip)에서 직선화된 섬유들을 유지하는 낮은 유동 프로세스가 높은 유동 프로세싱(processing)을 능가하는 것으로 나타냈다. 이러한 성능 개선은 몰딩 컴파운드에서의 직선화된 섬유들의 보유(retention)로 인한 것으로 고려된다. 높은 유동 성형은 섬유들을 분리시킴으로써 칩들을 파괴할 수 있다. 섬유들은 구부러지고 그리고 주름져서(crimped), 보다 균일한 외관의 제품을 제조한다. 그러나, 구부러진 그리고 주름진 섬유들이, 칩들이 잘 규정된 상태로 유지되는 낮은 유동 프로세스를 사용하여 제조된 제품뿐만 아니라 수행되지 못하는 제품을 제조한다.
성형 프로세스가 등온 조건들에서 성형될 수 있는 것을 가능하게 하는 스테이징 프로세스를 활용하는 것이 바람직하다. 언스테이징된(un-staged) 대안들은 램핑된 프레스 사이클들(ramped press cycle) 또는 오토클레이브(autoclave) 성형으로 이용가능하다. 스테이징(staging)은 일반적으로 준등방성 절단된 프리프레그를 가요성 재료로부터 강성의 고체 상태(stiff solid state)로 변형시키는 오픈-에어 오븐(open-air oven) 프로세스이다. 160 ℃ 내지 180 ℃로 8 내지 20 분 동안의 스테이징이 바람직하다. 스테이징 시간들과 온도들은 블랭크의 두께, 요망되는 유동의 양, 요망되는 로딩 시간의 양 그리고 최종 경화 온도에 따른다. 일단 스테이징된다면, 재료가 냉각되는 것을 허용하고, 그리고 이후의 프로세싱을 위해 냉동고(freezer)에 보관될 수 있다.
최종 경화 시간은 등온 경화 온도의 함수이다. 대개는, 두께가 0.152 cm 증가할 때마다 5 분의 경화 시간이 추가되며, 이 때 최소 시간은 0.3 cm 부분을 경화시키기 위해 설정된다(예를 들어, 205 ℃에서 10분). 더 낮은 등온 경화 온도들이 부분 로딩을 용이하게 하는 데 또는 가압하기 전에 두꺼운 부분들에서의 충전 온도를 균일화하기 위해 더 많은 시간을 허용하는 데 사용될 수 있다. 스테이징이 요망되지 않는다면, 금형에 레이업하고 그리고 전통적인 램프(ramp)를 수행하고 그리고 부품 상에 경화 상태로 체류하는(dwell) 것이 가능하다. 그러나, 성형 프로세스 동안 수지의 유동을 제어하기 위해, 스테이징이 바람직하다.
바람직한 준등방성 절단된 에폭시 수지계 블랭크의 성형을 위한 예시적 프로세스 온도들은 180 ℃에서 10 분 동안 스테이징하며, 이어서 205 ℃에서 10 분 동안 경화시킨다. 부품이 180 ℃에서 2 시간 동안 사후 경화된다(post cured). Hexcel로부터의 M21 에폭시 수지를 사용하는 준등방성 절단된 프리프레그의 예시적 프로세싱 온도들은 160 ℃에서 20 분 동안 스테이징하며, 이어서 180 ℃에서 45 분 동안 경화시킨다. 부품은 또한 180 ℃에서 2 시간 동안 사후 경화된다.
블랭크는 보통 전단 에지들(0.03 cm 이하임)을 갖는 매칭되는 금속 금형들을 사용하여 750 내지 2000 psi 범위의 압력으로 성형된다. 등온 성형 온도는 80 ℃ 내지 205 ℃일 수 있고, 이 때 경화 시간들은 2 내지 45 분의 범위에 있다. 고압 성형은 전형적으로, 복잡한 형상들을 갖는 부품들을 제조하기에 유용하다.
본 발명은 알루미늄, 강, 티타늄 및 이들의 합금을 사용하여 전통적으로 제조되고 있는 자동차들, 항공우주 운송수단들(vehicles), 풍력 에너지 디바이스들 및 스포츠 용품들을 위한 광범위한 컴포넌트들의 제조에 적합하다. 예시적인 항공우주 부품들은 항공기 창 프레임들(frames), 날개 페어링(fairing) 지지부들, 플랜지(flange) 지지부들, 프레임 보강판들(gussets), 방향타 작동기 브라켓들(rudder actuator brackets), 전단 타이들(shear ties), 시트 받침대들(pedestals), 화물 플로어(floor) 플랜지 지지부들, 저장 용기 부속품들(fittings), 안테나(antenna) 지지부들, 토크 튜브 팬들(torque tube pans), 핸들 박스들(handle boxes), 사이드 가이드 부속품들, 날개 박스 커버들 및 인터코스탈들(intercostals)을 포함한다. 자동차 컴포넌트들은 레일들(rails), 필라들(pillars), 패널들(panels), 루프 바우들(roof bows) 등을 포함한다. 본 발명은 보강 또는 강화 리브들이 컴포넌트에서 일체로 성형되는 것을 가능하게 한다. 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드는 구부러진, 리벳팅된 또는 볼팅된(bolted) 조인트들이 수반되며 그리고 손상 허용공차(damage tolerance)가 요구사항인 컴포넌트들을 제조하기에 바람직한 재료이다. 복합(composite) 커넥터들의 개방 홀들이 커넥터의 성능 응답에서의 아주 작은 변화를 유발시키기 때문에, 볼트들 또는 리벳들과 함께 컴포넌트들을 함께 결합하기 위한 복합 커넥터들을 만들기 위해 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드를 사용하는 것은 바람직하다. 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드를 사용하여 제조된 컴포넌트에서 0.6 cm 홀의 존재가 부품의 강도에 대해 무시가능한 효과를 가진다는 것이 발견되었다. 이는 이러한 홀이 부품의 고장을 유발하는 종래의 몰딩 컴파운드와 상이하다. 또한, 준등방성 절단된 몰딩 컴파운드를 사용하여 제조된 컴포넌트들은, 부품이 부품의 평면에 로딩될 때 로딩 방향과 무관한 강도를 나타냈다.
본 발명에서 사용되는 몰딩 컴파운드 블랭크들에서 사용되는 수지들이 에폭시 수지들인 것이 바람직하며, 그리고, 우리는 빠른 경화 에폭시 수지들을 사용하는 것을 선호한다. 에폭시 수지의 경화는 발열 반응이며, 그리고 성형 재료들 및 금형 자체 양자 모두에 손상을 유발시킬 수 있는, 금형의 재료의 반응 폭주(reaction runaway) 및 과열을 회피하기 위해 주의를 기울여야 한다.
본 발명에서와 같이 몰딩 컴파운드의 블랭크들의 스택들을 경화시키기 위해 활용되는 경화 사이클들은 수지의 반응성 및 블랭크들에서 활용된 수지 및 섬유 보강재의 양을 고려하여 온도 및 시간의 균형을 맞춘다. 경제적인 관점으로부터, 사이클 시간은 가능한 한 짧고, 그리고 따라서 경화제들 및 촉진제들(accelerators)이 보통 에폭시 수지에 포함되는 것이 바람직하다. 수지의 경화를 시작하기 위해 열을 요구할뿐만 아니라, 경화 반응 자체는 높은 발열성일 수 있으며, 그리고 이는 특히 블랭크들의 크고 두꺼운 스택들의 경화를 위한 경화 사이클의 시간/온도를 고려할 필요가 있다. 이는 다량의 에폭시 수지를 요구하는 산업 적용들을 위한 성형물들의 제조시에 점점 더 많이 발생하며, 이는 결국, 수지 경화 반응의 발열로 인해 스택 내에서 과도한 온도들이 생성되는 것을 초래할 수 있다. 과도한 온도들이 금형을 손상시키거나 수지의 일부 분해를 유발시킬 수 있기 때문에, 과도한 온도들이 회피되어야 한다. 과도한 온도들은 또한, 경화 상태를 벗어나게 하는(run away) 것으로 이어지는 수지의 경화에 대한 제어의 손실을 유발시킬 수 있다.
과도한 온도들의 생성은, 풍력 터빈 구조들, 특히 블레이드들이 조립되는 풍력 터빈 스파들(spars) 및 쉘들의 제조에서와 같이, 중공업용 사용을 위한 섬유 보강된 적층부들(laminates)의 제조에서 더 우세해짐에 따라, 많은 블랭크들의 층들을 포함하는 두꺼운 섹션들이 경화되어야 할 때 더 큰 문제일 수 있다.
60 개 또는 그 초과의 층들과 같은 에폭시계 블랭크들의 두꺼운 스택은 몇 시간 동안 100 ℃ 초과의 경화 온도들을 요구할 수 있다. 그러나, 경화는 에폭시 수지의 그램(gram) 당 150 줄(joules) 또는 그 초과의 반응 엔탈피를 가질 수 있으며, 그리고 이러한 반응 엔탈피는 수지의 과열 및 분해를 회피하기 위해 100 ℃ 미만에서의 경화 사이클 동안의 체류 시간에 대한 필요를 유발시킨다. 게다가, 체류 시간 이후에, 수지의 경화를 완료하기 위해 스택을 100 ℃ 초과로(예를 들어, 125 ℃ 초과로) 추가적으로 가열할 필요가 있다. 이는 더 짧은 경화 사이클을 활용하기 위해 유익할 것이다. 또한, 생성된 고온들은 금형 또는 백(bag) 재료들에 손상을 유발시킬 수 있거나 금형들 또는 백들을 위한 특별하고 그리고 값비싼 재료들의 사용을 요구할 수 있다.
많은 블랭크들을 위한 다른 중요한 특성들은, 경화 이전에, 블랭크들이 쉽게 취급되고, 수송되고, 그리고 경화 준비가 된 금형에 레이업될 수 있다는 것이다. 또한, 블랭크들 내에서 또는 블랭크들 사이에서 포획된 에어 포켓들(air pockets)의 존재를 제거하거나 최소화하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 에어 포켓들이 경화된 구조에 불규칙부들(irregularities)이 될수 있기 때문이다. 블랭크들은 바람직하게는, 블랭크들이 낮은 레벨의 점착성(tack)으로 결합된 스택들에 레이업되는 것을 가능하게 하기에 충분한 강도를 가져서, 블랭크들은 용이하게 취급될 수 있고 그리고 먼지 및 다른 불순물을 픽업하지(pick up) 않을 것이다.
또한, 일단 경화된다면, 에폭시계 구조는 유리 전이 온도(glass transition temperature)(Tg)를 가질 수 있으며, 이 유리 전이 온도를 초과하면, 성형물은 금형으로부터 성형물이 제거될 수 있는 것을 가능하게 하기에는 충분히 자립가능하지(self-supporting) 않다. 이러한 상황에서, 성형물이 금형으로부터 제거될 수 있기 전에, 성형물이 금형을 Tg 미만으로 냉각되는 것을 허용할 필요가 있다. 따라서, 요망되는 레벨, 전형적으로 적어도 95%로의 경화 직후 또는 경화 시, 경화된 재료가 금형으로부터 제거되기에 충분히 강성인 것을 가능하게 하기 위해, 경화될 때의 수지가 높은 유리 전이 온도들(Tg)을 가지는 블랭크들로부터 판형 구조물들을 제조하는 요구가 존재한다. 따라서, Tg가 최대 온도이거나 그 온도 근처인 것이 바람직하다. Tg에서의 증가는 더 반응성인 수지를 사용함으로써 성취될 수 있다. 그러나, 수지의 반응성이 높을수록, 금형으로부터의 제거 전에 체류 시간 및 지연에 대한 필요를 증가시킬 수 있는 경화촉진제들(hardeners) 및 촉진제들의 존재시에 수지의 경화 동안 방출되는 열이 더 커진다.
수지들은 이들의 위상 각(Phase angle)에 의해 특징지어질 수 있다. 위상 각은 수지의 물리적 상태를 설명하는 데 사용된다. 수지가 유동하지 않을 것이고 그리고 고체 또는 반고체(semi solid)일 때, 위상 각이 낮고; 유동하는 능력이 증가함에 따라, 예를 들어 수지의 온도가 증가될 때 위상 각이 증가한다. 그러나, 보통 열 활성화되는(heat activated) 경화제(curative)를 함유하는 에폭시 수지 시스템들에서, 경화제의 작용으로 인한 에폭시 수지의 가교 작용은, 수지가 경화되는 것 그리고 상승된 온도에서 위상 각이 떨어지는 것을 유발할 것이다. 따라서, 위상 각은 수지의 형태 및 성형물이 금형으로부터 쉽게 제거되기에 충분히 단단할 온도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 성형 조건들은 바람직한 더 낮은 위상 각이 획득되는 온도를 감소시키는 것 그리고/또는 바람직한 낮은 위상 각에 도달하는데 요구되는 성형 시간을 감소시키는 것을 추구한다. 20° 미만, 바람직하게는 15° 미만, 더 바람직하게는 10° 미만의 위상 각이 도달될 때, 성형물은 금형으로부터 제거될 수 있다. 또한, 위상 각은, 수지가 금형 공동의 임의의 오목부들에 진입하기 위해 안내부들에 의해 결정된 방향으로 유동하도록 되어야 한다.
본 발명에 의해 제조된 성형물들에서 더 높은 Tg 및 낮은 위상 각에 대한 요구는 바람직하게는, 블랭크들의 취급능력을 위한 요건들과 그리고 성형 사이클을 위해 요구되는 시간을 최소화하는데 경제적 필요들과 균형을 이룬다. 블랭크들을 위한 성형 사이클은 4 단계들을 수반한다:
i) 금형에서의 블랭크들의 제공(레잉 업(laying up));
ii) 돌출부(들)를 생성하기 위해 금형의 오목부들 내로의 안내부들에 의해 결정된 바와 같은 열 및 압력 하에서의 몰딩 컴파운드의 유동;
iii) 경화 반응; 및
iv) 금형으로부터의 경화된 제품의 제거.
따라서, 우리는 금형에 용이하게 제공될 수 있고, 유동이 신속하게 유발될 수 있고, 특정 온도에서 신속하게 경화될 수 있는 블랭크들을 제공하고, 그리고 경화된 재료가 경화 온도에 근접한 온도에서 또는 경화 온도에서 디몰딩되는 것을 가능하게 하는 에폭시 수지 시스템을 사용하는 것을 선호한다.
우리는, 140 ℃ 이하의 Tg를 가지는 경화된 수지를 제공하기 위해, 150 초 이하로 150 ℃에서 95 %까지 경화될 수 있고, 그리고 4 분 이하로 120 ℃에서 95 %까지 경화될 수 있는 경화제를 함유하는 에폭시 수지 제제(formulation)를 사용하는 것을 선호한다. 경화된 에폭시 수지 제제는 바람직하게는 140 ℃ 미만의 온도에서 20° 미만의 위상 각을 가진다. 바람직하게는, 15° 미만, 더 바람직하게는 10° 미만이다. 위상 각은 1° 또는 2° 또는 3° 또는 4° 초과일 수 있다.
이러한 적용 내에서, 수지 제제의 경화 시간은 95 % 경화에 대해 요구되는 시간으로서 규정된다. 수지의 Tg는 (시험 방법 ASTM D7028)에 따른 시차 기계 분석(Differential Mechanical Analysis)에 따라 측정되며, 그리고 Tg는 저장 탄성률(storage modulus)의 강하의 시작이 존재하는 온도로 고려된다.
에폭시 수지 조성은 하나 또는 그 초과의 우레아(urea)계 경화제들을 포함할 수 있으며, 그리고 경화제의 에폭시 수지의 중량에 기초하여 4 내지 10 중량%, 더 바람직하게는 4 내지 6 중량%, 더 바람직하게는 4 내지 5 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 우레아계 재료들은 Alzchem의 상표인 상품명 DYHARD® 하에 이용가능한 재료들의 범위와 같은 2,6 및 2,4 톨루엔 비스 디메틸 우레아(2,6 및 2,4 TDI 우론(urone)으로 공지됨)의 이성질체들(isomers)이다. 조성물은 디시안디아미드와 같은 경화촉진제를 추가로 포함하며, 7 중량% 내지 10 중량%, 더 바람직하게는 8 중량% 내지 10 중량%, 가장 바람직하게는 8.5 중량% 내지 9.5 중량%의 경화촉진제를 사용하는 것이 바람직하다. 신속한 경화 시간은 경화제와 촉진제의 비율을 에폭시 제제에서의 반응기들(reactive groups)의 이용가능한 양과 일치시킴으로써 성취된다. 더 높은 Tg는 충분한 반응기들을 제공하기 위해 적어도 2 개의 작용기(functionality)를 가지는 수지의 사용에 의해 획득된다. 또한, 프리프레그의 취급능력은 마찬가지로, 섬유 보강재의 성질 및 양 그리고 에폭시 수지의 성질 및 양에 의해 결정된다.
본 발명에 사용되는 에폭시 수지는, 바람직하게는, 적어도 2 개의 작용기 및 150 내지 1500, 바람직하게는 200 내지 800, 더 바람직하게는 300 내지 600 그리고 가장 바람직하게는 200 내지 500의 평균 EEW(epoxy equivalent weight) 및/또는 이들의 조합들을 가지며, 수지는, 140 ℃ 이하의 Tg를 가지고 바람직하게는 140 ℃ 이하의 온도들에서 경화될 때 20°미만의 위상 각을 갖는 경화된 수지를 제공하기 위해, 150 초 이하 동안 150 ℃의 외부에서 적용된 온도에 의해 경화가능하다. 빠른 경화 및 높은 Tg는 에폭시 수지의 요망되는 반응성을 획득하기 위해 경화제와 경화촉진제의 비율을 선택함으로써 획득된다. 평균 EEW는 몰당 에폭시기들의 수로 나눈 수지의 평균 분자량으로서 규정된다.
전형적으로, 신속한 경화를 얻기 위해 사용되는 경화제 및 경화 촉진제의 양들은 우레아계 경화제의 4 내지 10 중량%, 더 바람직하게는 4 내지 6 중량%이다. 에폭시 수지의 중량에 기초하여 4.25 내지 4.75 중량%의 우레아계 경화제를 사용하는 것은, 디시안디아미드와 같은 경화촉진제의 6 내지 10 중량%에서, 더 바람직하게는 7 내지 10 중량%이 사용될 때, 특히 양호한 결과들이 획득되었으며, 그리고 특히 4.25 내지 4.75 중량%의 우레아계 경화제와 조합하여 8.5 내지 9.5 중량%의 디시안디아미드를 사용할 때, 특히 양호한 결과들이 획득되었다.
본 발명에서 사용되는 블랭크들은 전형적으로 이 블랭크들이 제조되고 그리고 이에 따라 블랭크들이 취급능력을 요구하는 상이한 위치에서 사용된다. 따라서, 블랭크들은 건식이거나, 가능한 한 건조하고 그리고 주위 온도에서 낮은 표면 점착성(tack)을 가지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 블랭크들의 제조시에 높은 점성 수지들을 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 또한 섬유 층의 함침이 느려, 공기가 빠져나가는 것 그리고 공극 형성을 최소화하는 것을 허용하는 이점을 가진다.
본 발명에 사용되는 성형 재료의 섬유 및 수지 부피%는, 수지 및 탄소 섬유의 각각의 밀도에 의해 중량%를 나눔으로써 섬유 및 수지의 중량%로부터 결정될 수 있다.
수지로 함침된 토우(tow) 또는 섬유 재료의 함침 %는 워터 픽업(water pick up) 시험에 의해 측정된다. 워터 픽업 시험은 다음과 같이 수행된다. 수지 함침된 보강재의 6 개의 스트립들은 100 (± 1-2) mm x 100 (± 1-2) mm의 크기로 절단된다. 임의의 배킹 시트(backing sheet) 재료가 제거된다. 샘플들은 0.001g에 가장 가깝게 칭량된다(weighed)(W1). 스트립들은 PTFE 배킹된 알루미늄 판들 사이에 위치되어, 15 mm의 프리프레그 스트립은 일 단부 상에서 PTFE 배킹된 판들의 조립체로부터 돌출하며 그리고 이에 의해 스트립들의 섬유 배향은 돌출 부분을 따라 연장한다. 클램프는 반대편 단부 상에 배치되며, 그리고 돌출 부분의 5 mm는 50 % ± 35 %의 상대 습도, 그리고 23 ℃의 주변 온도에서 23 ℃의 온도를 가지는 물에 침지된다. 5 분의 침지 후에 샘플은 물에서 제거되며, 그리고 임의의 외부 물이 블로팅 페이퍼(blotting paper)로 제거된다. 샘플은, 그 후, 다시 칭량된다(W2). WPU(percentage of water uptake)(%)는, 그 후, 6 개 샘플들의 측정된 중량들을 다음과 같이 평균화함으로써 계산된다: WPU(%)=((<W2>- <W1 >)/<W1 >)x100. WPU(%)는 DRI(Degree of Resin Impregnation)를 나타낸다.
전형적으로, 본 발명에서 사용되는 미경화 블랭크들을 위한 중량에 의한 수지 함량의 값들은, 블랭크의 15 내지 70 중량%, 블랭크의 18 내지 68 중량%, 블랭크의 20 내지 65 중량%, 블랭크의 25 내지 60 중량%, 블랭크의 25 내지 55 중량%, 블랭크의 25 내지 50 중량%, 블랭크의 25 내지 45 중량%, 블랭크의 25 내지 40 중량%, 블랭크의 25 내지 35 중량%, 블랭크의 25 내지 30 중량%, 블랭크의 30 내지 55 중량%, 블랭크의 35 내지 50 중량%의 범위에 그리고/또는 상기 범위들의 조합들에 있다.
전형적으로, 본 발명에서 사용되는 미경화 블랭크들을 위한 부피에 의한 수지 함량의 값들은 블랭크의 15 내지 70 부피%, 블랭크의 18 내지 68 부피%, 블랭크의 20 내지 65 부피%, 블랭크의 25 내지 60 부피%, 블랭크의 25 내지 55 부피%, 블랭크의 25 내지 50 부피%, 블랭크의 25 내지 45 부피%, 블랭크의 25 내지 40 부피%, 블랭크의 25 내지 35 부피%, 블랭크의 25 내지 30 부피%, 블랭크의 30 내지 55 부피%, 블랭크의 35 내지 50 부피%의 범위에 그리고/또는 상기 범위들의 조합들에 있다.
본 발명에서 사용되는 미경화된 블랭크들의 워터 픽업 값들은, 1 내지 90 %, 5 내지 85 %, 10 내지 80 %, 15 내지 75 %, 15 내지 70 %, 15 내지 60 %, 15 내지 50 %, 15 내지 40 %, 15 내지 35 %, 15 내지 30 %, 20 내지 30 %, 25 내지 30 %의 범위에 그리고/또는 상기 범위들의 조합들에 있을 수 있다.
본 발명의 블랭크들에서 매트릭스 수지 재료로 사용되는 에폭시 수지 제제는, 바람직하게는, 실온(20 ℃)에서 3 x 105 Pa 내지 1 x 108 Pa의 저장 탄성률(storage modulus)(G') 및 2 x 106 Pa 내지 1 x 108 Pa의 손실 탄성률(loss modulus)(G")을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는, 실온(20 ℃)에서 1 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더 바람직하게는 2 x 106 Pa 내지 4 x 106 Pa의 저장 탄성률(G')을 가진다. 바람직하게는, 수지 재료는, 실온(20 ℃)에서 5 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더 바람직하게는 7 x 106 Pa 내지 9 x 106 Pa의 손실 탄성률(G")을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는, 실온(20 ℃)에서 5 x 105 Pa.s 내지 1 x 107 Pa.s, 더 바람직하게는 7.5 x 105 Pa.s 내지 5 x 106 Pa.s의 복합 점성(complex viscosity)을 가진다. 바람직하게는, 수지 재료는, 실온에서 1 x 106 Pa.s 내지 2 x 106 Pa.s, 그리고 바람직하게는 80 ℃에서 5 내지 30 Pa.s, 더 바람직하게는 80 ℃에서 10 내지 25 Pa.s의 복합 점성을 가진다. 바람직하게는, 수지 재료는 에폭시 수지이다.
점탄성(viscoelastic) 재료들에서, 응력과 변형률은 각도 델타만큼 역위상(out of phase)일 것이다. 복합 점성을 만드는 개별적 기여도들은 G'(저장 탄성률) = G <*>x cos (델타); G"(손실 탄성률) = G <*>x sin(델타)로서 규정된다. 이러한 관계는 WO 2009/118536의 도 8에 도시된다.
G*는 복소 탄성률(complex modulus)입니다. G'는 재료가 얼마나 탄성적인지에 관한 것이고 그리고 그 강성을 규정한다. G"는 재료가 얼마나 점성이 있는지에 관한 것이고 그리고 재료의 댐핑 및 액체 회수불가능한 유동 응답(non recoverable flow response)을 규정한다.
순수 탄력성 고체(유리질(glassy) 또는 고무질(rubbery))에 대해, G"= 0이며, 그리고 위상 각 델타는 0°이며, 그리고 순수 점성 액체에 대해, G-0 및 위상 각 델타는 90°이다.
손실 탄성률(G")은 비가역적인 유동 거동을 나타내며, 그리고 높은 손실 탄성률(G")을 갖는 재료는 또한 초기 크리프형(creep-like) 유동을 방지하고 그리고 개방 공기 통로를 더 길게 유지하기 위해 요망가능하다. 따라서, 본 발명의 프리프레그들에 사용되는 수지는 실온(21 ℃)과 같은 전형적인 레이업(lay-up) 온도에 대응하는 온도에서 높은 저장 탄성률 및 높은 손실 탄성률, 및 그에 따라 높은 복소 탄성률을 가진다.
본 명세서에서, 본 발명의 블랭크들에서 사용된 수지의 점탄성 특성들, 즉 저장 탄성률, 손실 탄성률 및 복합 점성은 적용 온도(즉, 20 ℃의 레이업 온도)에서, 직경 25mm의 일회용 알루미늄 판들을 갖는 Bohlin VOR 진동 레오미터(Oscillating Rheometer)를 사용함으로써, 측정되었다. 측정들은 다음과 같은 설정들로 실행되었다: 1.59 Hz의 제어된 주파수 및 500 μm의 갭을 갖는 2 ℃/mm로 50 ℃로부터 150 ℃까지 온도를 증가시키는 진동 테스트.
본 발명의 성형 재료 또는 구조를 사용하는 구조 부재의 제조시에, 바람직하게, 수지는 20 ℃에서 2 x 106 Pa 내지 1 x 108 Pa, 더 바람직하게는 5 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 또한 더 바람직하게는 7 x 106 Pa 내지 9 x 106 Pa의 높은 손실 탄성률(G")을 가진다.
수지 재료는 바람직하게는, 20 ℃에서, 5 x 105 Pa.s 내지 1 x 107 Pa.s, 더 바람직하게는 7.5 x 105 Pa.s 내지 5 x 106 Pa.s, 또한 더 바람직하게는 1 x 106 Pa.s 내지 2 x 106 Pa.s의 높은 복합 점성을 가진다. 실질적으로 균일한(uniform) 기계적 특성들을 갖는 최종 부품들을 제조하기 위해, 구조 섬유들 및 에폭시 수지가 실질적으로 균질한(homogenous) 준등방성(quasi-isotropic) 성형 재료를 제공하도록 혼합되는 것이 중요하다. 이는, 섬유들을 둘러싸는 수지의 실질적으로 연속적인 매트릭스를 제공하기 위해 성형 재료 내의 구조 섬유들의 균일한 분포를 요구한다. 따라서, 섬유들에 대한 적용 동안 수지 내에서 기포들의 캡슐화를 최소화하는 것이 중요하다. 따라서, 높은 점성 수지들을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 블랭크들에서 매트릭스 수지 재료로서의 사용을 위한 바람직한 에폭시 수지 제제는, 바람직하게는, 실온(20 ℃)에서 3 x 105 Pa 내지 1 x 108 Pa의 저장 탄성률(G') 및 2 x 106 Pa 내지 1 x 108 Pa의 손실 탄성률(G")을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는 실온(20 ℃)에서 1 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더 바람직하게는 2 x 106 Pa 내지 4 x 106 Pa의 저장 탄성률(G')을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는 실온(20 ℃)에서 5 x 106 Pa 내지 1 x 107 Pa, 더 바람직하게는 7 x 106 Pa 내지 9 x 106 Pa의 손실 탄성률(G")을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는 실온(20 ℃)에서 5 × 105 Pa.s 내지 1 × 107 Pa.s, 더 바람직하게는 7.5 x 105 Pa 내지 5 x 106 Pa.s, 가장 바람직하게는 1 x 106 Pa.s 내지 2 x 106 Pa.s의 복합 점성을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는 80 ℃에서 5 내지 30 Pa.s, 더 바람직하게는 80 ℃에서 10 내지 25 Pa.s의 점성을 가진다.
바람직하게는, 수지 재료는 에폭시 수지이다.
본 발명의 기술들을 사용하여 실질적으로 균일한 기계적 특성들을 갖는 최종 부품들을 제조하기 위해, 강화 섬유들 및 에폭시 수지가 실질적으로 균질한 몰딩 컴파운드를 제공하도록 혼합되는 것이 중요하다. 이는 섬유들을 둘러싸는 수지의 실질적으로 연속적인 매트릭스를 제공하기 위해 몰딩 컴파운드 내의 보강 섬유들의 균일한 분포를 요구한다. 액체 수지가 활용되는 경우, 따라서, 섬유들에 대한 적용 동안 수지 내에 기포들의 캡슐화를 최소화하는 것이 중요하다. 따라서, 높은 점성 수지들을 사용하는 것이 바람직하다. 몰딩 컴파운드는 낮은 레벨의 공극들을 함유해야 하며, 그리고 이에 따라, 몰딩 컴파운드가 9 % 미만, 더 바람직하게는 6 % 미만, 가장 바람직하게는 3 % 미만의 워터 픽업 값을 가지는 것이 바람직하다. 워터 픽업 시험은 몰딩 컴파운드들의 방수 또는 함침의 정도를 결정한다. 이러한 목적을 위해, 금형 컴파운드의 시편은 처음에 15 mm 폭의 시편 스트립이 돌출하는 방식으로 두 개의 판들 사이에서 칭량되고(weighed) 그리고 클램핑된다. 이러한 배열은 5 분 동안 워터 배스(water bath)에서 섬유들의 방향으로 떠 있는다(suspended). 판들을 제거한 후, 시편이 다시 칭량된다. 중량의 차이는 함침의 정도에 대해 측정된 값으로서 사용된다. 픽업된 물의 양이 적을수록, 방수 또는 함침의 정도가 높아진다.
본 발명에 사용되는 블랭크들은, 돌출부들이 제공되는 섬유 보강된 적층부를 제조하도록 경화될 수 있고 재료들의 다른 층들에는 안내부가 제공될 수 있는 블랭크들의 스택을 제조하기 위해, 다른 복합 재료들(예컨대, 본 발명에 사용된 몰딩 컴파운드의 다른 블랭크 또는 다른 프리프레그)일 수 있는 재료의 다른 층들로 레이업될 수 있다. 다른 실시예들에서, 블랭크들은 강 및 알루미늄 호일과 같은 금속 호일들과 같은 다른 층들로 레이업될 수 있다.
몰딩 컴파운드는 전형적으로, 롤(roll)로서 제조되며, 그리고 이러한 재료들의 점착성(tacky) 특성을 고려하여, 배킹 시트(backing sheet)는, 일반적으로 사용 시점에서 롤이 펼쳐지는 것을 가능하게 하도록 제공된다.
본 발명에서 사용되는 적어도 2 개의 작용기의 에폭시 수지는 높은 반응성을 가진다. 수지의 EEW(epoxy equivalent weight)는 150 내지 1500, 바람직하게는 200 내지 500의 범위에 있으며, 그리고 수지 조성물은 촉진제 또는 경화제와 조합하여 에폭시 수지를 포함한다. 적합한 에폭시 수지들은 단일작용성(monofunctional), 2작용성(difunctional), 3작용성(trifunctional) 및/또는 4작용성(tetrafunctional) 에폭시 수지들로부터 선택된 2 또는 그 초과의 에폭시 수지들의 혼합물들(blends)을 포함할 수 있다.
적합한 2작용성 에폭시 수지들은, 예로써, 다음에 기초한 것들을 포함한다: 비스페놀 F의 디글리시딜에테르, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(선택적으로 브롬화됨(brominated)), 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락스, 페놀-알데리드(phenol-aldelyde) 첨가제들의 글리시딜 에테르들, 지방족 디올들의 글리시딜 에테르들, 디글리시딜 에테르, 디에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르, 방향족 에폭시 수지들, 지방족 폴리글리시딜 에테르들, 에폭시화(epoxidised) 올레핀들, 브롬화 수지들, 방향족 글리시딜 아민들, 헤테로사이클릭 글리시딜 이미딘들 및 아미드들, 글리시딜 에테르들, 플루오르화(fluorinated) 에폭시 수지들, 글리시딜 에스테르들 또는 이들의 임의의 조합.
2작용성 에폭시 수지들은 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르, 디글리시딜 디히드록시 나프탈렌 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택될 수 있다.
적합한 3작용성 에폭시 수지들은 예로써, 다음에 기초한 것들을 포함할 수 있다: 페놀 및 크레졸 에폭시 노볼락들, 페놀-알데히드(phenol-aldehyde) 첨가제들의 글리시딜 에테르들, 방향족 에폭시 수지들, 지방족 트리글리시딜 에테르들, 지방족 트리글리시딜 에테르들, 지방족 폴리글리시딜 아민들, 헤테로사이클릭 글리시딜 이미딘들 및 아미드들, 글리시딜 에테르들, 플루오르화 에폭시 수지들 또는 이들의 임의 조합물. 적합한 3작용성 에폭시 수지들은 상표들 MY0500 및 MY0510 (트리글리시딜 파라-아미노페놀) 및 MY0600 및 MY0610(트리글리시딜 메타-아미노페놀) 하에 Huntsman Advanced Materials(몽테(Monthey), 스위스)로부터 이용가능하다. 트리글리시딜 메타-아미노페놀은 또한, Sumitomo Chemical Co.(오사카, 일본)로부터 상표 ELM-120 하에서 이용가능하다.
적합한 4작용성 에폭시 수지들은 N,N,N',N'-테트라글리시딜-m-크실렌디아민(Mitsubishi Gas Chemical Company로부터 명칭 Tetrad-X으로 상업적으로 이용가능하고, CVC Chemicals로부터의 Erisys GA-240과 같음) 및 N,N,N',N'-테트라글리시딜메틸렌디아닐린(예를 들어, Huntsman Advanced Materials의 MY0720 및 MY0721)을 포함한다. 다른 적합한 다중작용성 에폭시 수지들은 (Dow Chemicals로부터, 미들랜드(Midland), MI)DEN438, (Dow Chemicals로부터) DEN439, (Huntsman Advanced Materials로부터) Araldite ECN 1273 및 (Huntsman Advanced Materials로부터) Araldite ECN 1299를 포함한다.
본 발명에 사용되는 몰딩 컴파운드에 사용되는 보강 섬유들은 합성 섬유 또는 천연 섬유, 또는 본 발명의 수지 조성과 조합되어 복합 생성물을 형성하는 임의의 다른 형태의 재료 또는 재료들의 조합일 수 있다. 보강 웹(reinforcement web)은 풀려진 섬유의 스풀들을 통해 또는 직물(textile)의 롤로부터 제공될 수 있다. 예시적 섬유들은 유리, 탄소, 그래파이트, 붕소, 세라믹 및 아라미드를 포함한다. 바람직한 섬유들은 탄소 및 유리 섬유들, 특히 탄소 섬유들이다.
하이브리드(hybrid) 또는 혼합 섬유 시스템들이 또한 예상될 수 있다. 균열이 있는(즉, 연신-파손된(stretch- broken)) 또는 선택적으로 불연속적인 섬유들의 사용은 본 발명에 따른 제품의 레이업을 용이하게 하고 그리고 형상이 정해지는 그 능력을 개선시키는 데 유리할 수 있다. 비록 단방향 섬유 정렬이 바람직하지만, 다른 형태들이 또한 사용될 수 있다. 전형적인 직물 형태들은 간단한 직물 천들, 니트 천들, 트윌(twill) 천들 및 새틴 위브들(satin weaves)을 포함한다. 부직포 또는 주름지지 않은 섬유 층들을 사용하는 것을 예상하는 것이 또한 가능하다. 섬유 보강재 내의 섬유들의 표면 질량은 일반적으로 80 내지 4000g/m2, 바람직하게는 100 내지 2500g/m2, 특히 바람직하게는 150 내지 2000g/m2이다. 토우 당 탄소 필라멘트들의 수는 3000 내지 320,000, 다시 바람직하게는 6,000 내지 160,000 그리고 가장 바람직하게는 12,000 내지 48,000으로 변경할 수 있다. 유리섬유 보강재들을 위해, 600 내지 2400 텍스(tex)의 섬유들이 특히 적응된다.
단방향 섬유 토우들의 예시적 층들은 Hexcel Corporation으로부터 이용가능한, HexTow® 탄소 섬유들로부터 제조된다. 단방향 섬유 토우들의 제조시의 사용에 적합한 HexTow® 탄소 섬유들은: 6,000 또는 12,000 필라멘트들 및 0.223 g/m 및 0.446 g/m의 중량을 각각 포함하는 토우들로서 이용가능한 IM7 탄소 섬유들; 12,000 필라멘트들 및 0.446 g/m 내지 0.324 g/m의 중량을 포함하는 토우로서 이용가능한 IM8 내지 IM10 탄소 섬유들; 및 12,000 개의 필라멘트들 및 0.800 g/m의 중량을 포함하는 토우들에서 이용가능한 AS7 탄소 섬유들, 토레이(Toray)로부터 이용가능한 약 25,000 개의 필라멘트들을 포함하는 것들 그리고 졸텍(Zoltek)로부터 이용가능한 약 50,000 개의 필라멘트들을 포함하는 것과 같은 필라멘트들을 포함하는 것과 같은 최대 80,000 또는 50,000 (50K) 개의 필라멘트들을 포함하는 토우들을 포함한다. 토우들은 전형적으로, 3 내지 7mm의 폭을 가지고, 그리고 토우들을 보유하고 이 토우들을 평행하게 그리고 단방향으로 유지하기 위해 코움들(combs)을 활용하는 장비에 대한 함침을 위해 이송된다.
본 발명에서 사용되는 블랭크들이 액체 수지들에 기초하는 몰딩 컴파운드에 기초하는 경우, 이 블랭크들은 섬유 재료를 에폭시 수지로 함침시킴으로써 발생될 수 있다. 함침의 속도(rate of impregnation)를 증가시키기 위해, 수지의 점성이 감소되도록, 프로세스는 바람직하게는 상승된 온도에서 실행된다. 그러나, 이는 수지의 조기 경화가 일어나기에 충분한 시간의 길이 동안 너무 뜨겁지 않아야 한다. 따라서, 함침 프로세스는 바람직하게는 40 ℃ 내지 80 ℃의 범위인 온도들에서 실행된다.
수지 조성물은, 경화가능한 수지 층을 발생하기 위해 롤러의 외부 표면 상에 펼쳐질 수 있고 그리고 페이퍼 또는 다른 배킹 재료 상에 코팅될 수 있다. 수지 조성물은, 그 후, 아마 패시지 스루 롤러들(passage through rollers)에 의해 함침을 위해 섬유 층과 접촉하게 될 수 있다. 수지는, 구조적 섬유 층과 접촉하게 되고 그리고 가열된 압밀(consolidation) 롤러들을 통해 이 시트들을 통과시킴으로써 함침을 유발시키는, 배킹 재료의 1 개 또는 2 개의 시트들 상에 존재할 수 있다. 대안적으로, 수지는 주위 온도에서 액체인 수지인 경우에 수지 배스에서 액체 형태로 유지될 수 있거나, 주위 온도에서 고체 또는 반고체인 수지인 경우에 용융될 수 있다. 액체 수지는 그 후, 페이퍼 또는 폴리에틸렌 필름과 같은 이형 층(release layer) 상에 수지 필름을 발생하기 위해 닥터 블레이드(doctor blade)를 활용하는 배킹(backing)에 적용될 수 있다. 구조 섬유 층은 그 후, 수지 내에 배치될 수 있으며, 그리고 선택적으로 제2 수지 층은 몰딩 컴파운드를 제조하기 위해 섬유 층의 최상부 상에 제공될 수 있다.
배킹 시트는, 수지의 함침 전 또는 후에 적용될 수 있다. 그러나, 배킹 시트가, 수지가 섬유 층을 함침하는 것을 유발시키는 데 요구되는 압력을 적용하기 위해 논-스틱(non-stick) 표면을 제공할 수 있기 때문에, 배킹 시트는 전형적으로 함침 전에 또는 함침 동안 적용된다.
일단 준비되면, 몰딩 컴파운드는 시간의 기간 동안 저장될 수 있도록 롤업될(rolled-up) 수 있다. 그 후, 몰딩 컴파운드는 언롤링되고(unrolled) 그리고 원하는 대로 블랭크들로 절단되고 그리고 금형에서 스택을 형성하기 위해 다른 블랭크들로 레이업될 수 있다. 안내부가 제공될 수 있고 그리고 돌출부들이 형성될 위치에서 스택의 최상부 또는 최하부 층 또는 층들의 적절한 부분은 바람직하게는 금형에서 배치 전에 제거될 수 있다.
안내부는 돌출부들을 제조하도록 몰딩 컴파운드의 유동을 위한 위치를 제공하기 위해 블랭크의 적어도 최상부 또는 최하부 표면으로부터 재료의 제거에 의해 블랭크의 표면에 형성될 수 있다. 이는 재료의 제거 위치가 돌출부들의 형성을 허용하는 금형 공동의 오목부들을 제공하는 금형 표면의 외형들(contours)과 일치하는 것을 보장하는 임의의 적합한 방식으로 달성될 수 있다. 블랭크들의 스택은 2 개 내지 수 개의 블랭크들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 스택은 최대 60 개의 블랭크들, 아마도 무려 80 개나 되는 블랭크들을 포함할 수 있다. 스택이 형성될 수 있으며, 그리고 그 후, 스택의 최상부 또는 최하부 표면에서 하나 또는 그 초과의 블랭크들로부터 재료가 제거되어, 수지를 지지하도록 제거되는 재료가 없이 스택에서 하부에 있는 충분한 수의 블랭크들이 존재하는 것을 항상 보장하는데, 왜냐하면 안내부들이 돌출부들을 형성하기 위해 수지가 금형 공동의 제거된 영역들 내로 그리고 오목부들 내로 유동하는 것을 유발하기 때문이다. 제거의 최적 정도는 제조될 컴포넌트, 스택에 있는 층들의 수, 및 성형 프로세스 동안 형성될 수 있는 돌출부 또는 돌출부들의 크기 및 형상에 의존할 것이다.
이것이 금형 내에 일단 생성된다면, 블랭크들의 스택은 외부에서 적용된 상승된 온도, 및 상승된 압력에 대한 노출에 의해 경화될 수 있어, 우선적으로 수지가 안내부들에 의해 결정된 바와 같이 연화하고 그리고 유동하는 것 그리고 경화부가 돌출부들이 제공되는 경화된 적층부를 제조하는 것을 유발한다.
블랭크들의 경화로 인한 발열은 스택 내의 온도들을 110 ℃ 초과로 취할 수 있지만, 우리는, 외부에서 적용된 온도가 70 ℃ 내지 110 ℃의 범위 내에 있는 경우, 130 내지 140 ℃의 Tg 및 140 ℃에서 20° 이하의 위상 각을 갖는 경화된 수지를 제공하기 위해, 150 내지 1500의 EEW의, 특히 200 내지 500의 EEW의 에폭시 수지를 기초한 블랭크들의 경화가 150초 미만 동안 약 150 ℃의 온도에서 달성될 수 있어서, 경화된 물품이 지나친 지연 없이 금형으로부터 제거될 수 있는 것을 발견하였다.
경화 프로세스는 5100 kPa 내지 13800 kPa 범위의 압력으로 실행될 수 있다. 경화 프로세스는 에폭시 수지 조성물을 원하는 정도로 경화시키는 데 충분한 시간 동안 70 ℃ 내지 110 ℃ 범위에서 하나 또는 그 초과의 외부에서 적용된 온도들을 활용하여 실행될 수 있다. 특히, 경화 사이클이 3 시간 미만의 지속 시간을 가지는 것이 바람직하다.
경화시, 블랭크는, 예를 들어 자동차, 해양 운송수단(marine vehicle) 또는 항공우주 구조물 또는 블레이드 또는 스파(spar)를 위한 쉘과 같은 풍력 터빈 구조물에서의 또는 스키들(skis)과 같은 스포츠 용품들에서의 사용에 대해 적합한, 보강 또는 강성 리브들과 같은 돌출부들이 제공되는 복합 적층물이 된다. 이러한 복합 적층물들은 80 부피% 내지 15 부피%, 바람직하게는 58 부피% 내지 65 부피%의 레벨로 구조적 섬유들을 포함할 수 있다.
본 발명은 첨부하는 도면들을 참조로 예시된다.
도 1은 블랭크들의 스택으로부터 돌출부들을 제공하기 위해 본 발명에서 사용하기 위한 금형(mold)을 도시한다.
도 2는 성형물 상에 리브들(ribs)의 제조를 위한 공동들을 도시하는 금형의 단면의 근접도(close up)이다.
도 3은 본 발명에 따른 안내부를 제공하기 위해 재료가 블랭크의 상부 층으로부터 제거되어 있는 블랭크들의 스택을 도시한다.
도 4는 도 1의 금형에서 도 3의 블랭크들의 스택을 압축 성형함으로써 획득된 성형물을 도시한다.
도 1은 본 발명에서 유용한 압축 금형의 절반부를 도시한다: 금형(미도시)의 다른 절반부를 갖는 위치를 위한 성형 표면(1) 및 로케이터 핀들(locator pins)(2)을 도시한다. 금형에는 압축 성형 동안 리브들이 제조될 수 있는 오목부들(recesses)(3, 4 및 5)이 제공된다. 도 2는 도 1에 도시된 금형의 표면의 근접도이다.
도 3은 안내부들(6, 7 및 8)이 블랭크의 표면에 형성되는 본 발명에 따른 블랭크를 도시한다. 안내부들은 금형의 표면에 형성되는 오목부들(3, 4 및 5)과 대응하도록 형성된다.
도 4는 안내부들(6, 7 및 8) 및 대응하는 오목부들(3, 4 및 5)의 포지션들에 형성되는 리브들(10, 11 및 12)이 제공되는 블랭크들(9)의 성형된 스택을 도시한다.

Claims (24)

  1. 블랭크(blank)로서,
    상기 블랭크는 섬유 보강 재료 및 수지 재료를 포함하는 몰딩 컴파운드(moulding compound)를 포함하는 부품을 압축 금형(mould)에서 압축 성형하고,
    상기 몰딩 컴파운드는 압축 성형하는 동안 상기 압축 금형의 공동(cavity) 내에 상기 몰딩 컴파운드의 유동을 지향하기 위해 상기 블랭크의 표면에 위치되는 유동 안내부(flow guide)를 포함하는,
    블랭크.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안내부는 상기 블랭크의 표면에서 오목부(recess), 바람직하게는 슬릿(slit) 또는 커트(cut)의 형태인 오목부를 포함하는,
    블랭크.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 금형 공동은 상기 공동의 벽에 하나 또는 그 초과의 오목부들을 포함하는,
    블랭크.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 절단된 단방향 섬유(chopped unidirectional fiber)를 포함하는,
    블랭크.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin)를 포함하는,
    블랭크.
  6. 성형물(moulding)을 제조하기 위한 프로세스(process)로서,
    상기 프로세스는 섬유 보강 재료 및 수지 재료를 포함하는 몰딩 컴파운드를 포함하는 적어도 하나의 블랭크를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 몰딩 컴파운드는 상기 블랭크의 표면에 위치되는 안내부를 포함하며,
    상기 프로세스는 압축 금형에 상기 블랭크를 제공하는 단계 및 상기 블랭크를 프로세싱하는 단계를 더 포함하며, 이에 의해 상기 안내부는 상기 압축 금형의 금형 공동 내에서 상기 몰딩 컴파운드의 유동을 지향하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 안내부는 상기 블랭크의 표면에 오목부를 포함하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 금형 공동은 상기 몰딩 컴파운드가 상기 안내부에 의해 안내되는 하나 또는 그 초과의 오목부들을 함유하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  9. 제6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2차원 블랭크로부터의 3차원 성형물들의 제조를 위해,
    적어도 2 개의 블랭크들의 스택을 제공하는 단계;
    돌기들(protrusions)이 성형 및 압축 동안 형성될 수 있는 위치에서 최상부 또는 최하부 블랭크의 적어도 부분을 제거하는 단계; 및 상기 제거된 부분이 안내부로서 작용하는 조건들 하에 상기 3차원 성형물의 형성을 위해 설계되는 금형에서 블랭크들의 스택을 성형하는 단계를 포함하고, 상기 제거된 부분이 안내부로서 작동하므로, 상기 몰딩 컴파운드가 최상부 또는 최하부 층에서 상기 제거된 영역 및 3차원 구조를 규정하는 금형의 섹션들(sections) 내로 유동하여 3차원 성형물을 제조하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  10. 제6 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블랭크의 수지는 폴리에스테르, 폴리우레탄 또는 에폭시 수지인,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 수지는 미립자(particulate) 재료인,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  12. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 수지는 액체인,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 수지는 액체 에폭시 수지인,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  14. 제9 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드인,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  15. 제9 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰딩 컴파운드는 액체, 또는 무작위로 배향된 단섬유들(randomly oriented short fibres)을 포함하는 미립자 에폭시 수지 매트릭스(matrix) 및/또는 절단된 단방향 섬유들(chopped unidirectional fibers)을 포함하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 몰딩 컴파운드는 무작위로 배향된 칩들(chips) 및/또는 절단된 단방향 테이프를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 칩들은 35 내지 50 중량%의 수지 함량을 가지는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  18. 제6 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 성형은 등온 조건들에서의 성형을 포함하는 단계식 프로세스(staged process)를 포함하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  19. 제6 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 성형은, 2 내지 45 분 동안 80℃ 내지 205℃ 범위의 온도에서 5100 kPa 내지 13800 kPa 범위의 압력으로 성형하는 단계를 포함하는,
    성형물을 제조하기 위한 프로세스.
  20. 몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들의 스택(stack)으로 형성되는 3차원 성형물로서,
    상기 3차원 성형물은 평면식 섹션을 포함하는 표면 및 상기 표면으로부터 돌출하는 돌출부들을 포함하며, 상기 표면은 경화된 프리프레그(prepreg)의 연속 층을 포함하는,
    몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들로 형성되는 3차원 성형물.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 돌출부들은 강화(stiffening) 또는 보강 리브들(reinforcing ribs)을 포함하는,
    몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들로 형성되는 3차원 성형물.
  22. 제20 항 또는 제21 항에 있어서,
    자동차(automobile) 컴포넌트를 포함하는,
    몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들로 형성되는 3차원 성형물.
  23. 제20 항 또는 제21 항에 있어서,
    항공우주(aerospace) 컴포넌트를 포함하는,
    몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들로 형성되는 3차원 성형물.
  24. 제20 항 또는 제21 항에 있어서,
    풍력 에너지(wind energy) 컴포넌트를 포함하는,
    몰딩 컴파운드의 적어도 2 개의 층들로 형성되는 3차원 성형물.
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