KR20190017778A - 예비적 직물 성형품을 주형 및 고화시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

예비적 직물 성형품을 주형 및 고화시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화/고화하기 위한 장치에 관한 것으로서,
a. 가열 또는 냉각 수단없이, 예비적 직물 성형품의 형상 및 조립체 계면을 재현하는 주형면을 포함하는 다이;
b. 상기 다이에 상기 예비적 성형품의 밀봉된 포장;
d. 상기 예비적 직물 성형품을 포함하는 상기 포장 내부에 진공을 가하는 수단;
d. 유도 가열 수단 및 상기 다이와 열 블록 사이의 열 전달과 정렬을 위하여 상기 다이 조립체 계면과 협력하는 수신 계면을 포함하는 열 블록;을 포함한다.

Description

예비적 직물 성형품을 주형 및 고화시키기 위한 장치 및 방법
본 발명은 예비적 직물 성형품을 주형 및 고화시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 열경화성 또는 열가소성 중합체로 예비-함침된 섬유질 층의 적층 구조로 제조된 예비적 성형품의 고화/경화 분야에 속한다.
종래 기술에서, 예비적 성형품을 구성하는 층(plies)은 수동으로 또는 제조될 부품의 형상을 재생하는 다이에서 레이업 머신(laying up machine)에 의해 적층(lay up)된다. 열경화성 또는 열가소성 중합체로 함침된 층을 위한 적층 기술은 종래 기술에서 공지되어 있으므로 추가적으로 설명하지 않는다. 적층 공정의 말미에, 이렇게 얻어진 적층 구조 및 다이는 블랭킷(blanket)으로 밀봉된 방식으로 포장된다. 예비적 직물 성형품을 포함하는 상기 블랭킷의 내부에 진공을 가하고, 예비적 성형폼, 다이 및 포장(bagging) 전체를 고화 또는 경화 온도까지 가압하에 가열하기 위해 오븐 또는 오토클레이브에 위치시킨다.
오토클레이브와 오븐은 모두 제조 작업장에서 종종 생산 설비의 단일 조각이고, 일관작업, 특히 열경화성 매트릭스가 있는 복합재의 경우에 병목 현상을 일으키며, 여기서 경화가 이루어지기 전에 수지의 개방 시간이 한정적이다. 또한, 공구(tooling) 및 예비적 성형품으로 구성된 전체의 온도를 경화/고화 온도까지 상승시키는 것은 이러한 수단을 사용하는 데 시간이 많이 걸린다.
따라서, 자체 가열 수단을 포함하는 몇몇 독립적인 공구가 개발되었다. 상기 장치는 전기 저항기, 오일 순환 도관 또는 인덕터 형태의 일체형 가열 수단을 포함한다. 그러나, 이러한 가열 수단을 공구에 통합하는 것은 기계 가공 측면에서 비용이 많이 든다.
문헌 국제출원 제2015/155369호에는 자동화 가열 및 상호 교환가능한 다이를 갖는 예비적 직물 성형품을 경화/고화하기 위한 장치가 기재되어 있다. 종래 기술의 상기 장치는 특히 큰 부품을 제조하는데 적합하지만, 표면이 약 1 ㎡ 또는 그 이하인 소형 부품을 위한 가열 및 냉각 수단을 통합하는 그 디자인에 있어서 여전히 복잡하다.
본 발명의 목적은 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화/고화시키는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 종래 기술의 단점을 개선하는 것을 목표로 하며, 따라서 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화/고화시키는 장치에 관한 것으로서,
a. 어떠한 가열 또는 냉각 수단없이, 예비적 직물 성형품 및 조립체(assembly) 계면의 형상을 재현하는 주형면(molding face)을 포함하는 다이;
b. 매트릭스 상에 예비적 성형품의 밀폐된 포장(bagging);
c. 상기 예비적 직물 성형품을 포함하는 상기 포장 내부에 진공을 가하는 수단;
d. 유도 가열 수단 및 상기 다이와 열 블록 사이의 열 전달과 정렬을 위하여 상기 다이 조립체 계면과 협력하는 수신 계면을 포함하는 열 블록;을 포함한다.
따라서, 가열 수단은 다이에 의해 운반되지 않으며, 이는 제조가 간단하다. 조립체 계면은 복수의 공구를 위한 동일한 열 블록을 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 동작가능한 조합으로 고려될 수 있는, 하기에 기재된 구체예 및 대안에서 바람직하게 구현된다.
바람직하게는, 열 블록은 냉각 수단을 포함한다. 열경화성 수지로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화시키는데 특히 적합한 일 구체예에 있어서, 본 발명에 따른 장치는,
e. 밀폐된 엔클로저(enclosure) 및 상기 엔클로저를 상기 다이에 고정하는 수단;
f. 밀봉된 엔클로저 내부의 압력을 상승시키는 수단;을 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 장치의 열적 유닛은
di. 상기 수신 계면 및 가열 계면을 포함하는 지지체;
dii 유도 가열 수단을 사용하여 가열된 축열기;
diii. 가열 계면을 통해 상기 축열기로부터 상기 지지체로 열을 전달하는 수단;을 포함한다.
이 구체예는 유도 가열의 장점으로부터 동시에 이익을 얻는 한편 열적 유닛의 가열 수단에 공급되는 전력을 제한하는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 상기 냉각 수단은 상기 지지체 내에 열-전달 유체를 순환시키기 위한 회로를 포함한다.
바람직하게는, 상기 냉각 수단은 상기 축열기 주위에 열-전달 유체를 순환시키기 위한 회로를 포함한다.
바람직하게는, 가열 계면은 구조 시트(conformation sheet)를 포함한다. 따라서, 상기 구조 시트는 가열 계면에서 완벽한 기계적 접촉을 제공하고 축열기와 지지체 사이의 접촉열저항을 감소시킨다.
유사하게, 매트릭스 조립체 계면은 구조 시트를 포함한다.
본 발명은 또한 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화 또는 고화하기 위한 방법에 관한 것이고, 임의의 그 구체예에서 본 발명에 따른 상기 장치를 구현하며, 상기 방법은
i. 상기 다이에 최초 적층된 예비 성형품을 포장(bagging)하는 단계;
ii. 상기 포장 내부에 진공을 가하는 단계;
iii. 상기 다이 및 상기 포장된 예비적 성형품을 열 블록으로 이송하는 단계;
iv. 상기 열 블록을 가열 및 냉각시킴으로써 예비적 성형품의 온도를 조절함에 의해 상기 예비적 성형품의 경화 및 고화의 열 사이클을 적용하는 단계;를 포함한다.
열경화성 중합체로 함침된 예비적 직물 성형품을 경화시키기에 적합한 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 방법은 단계 (ii)와 (iv) 사이에 밀봉된 엔클로저에 압력을 증가시키는 구성의 단계를 포함한다.
본 발명은 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화/고화시킨다.
도 1A는 냉각 단계를 나타내고 도 1B는 가열 단계를 나타낸다.
본 발명은 상기 장치의 모든 선택적인 특징들을 함께 가져오는 구체예에서 본 발명에 따른 장치의 단면도를 나타내는 도 1을 참조하여 그 바람직한 구체예로 하기에 기재되지만, 어떠한 방식으로도 이를 한정하는 것이 아니다. 도 1A는 냉각 단계를 나타내고 도 1B는 가열 단계를 나타낸다.
이 예시적인 구체예에서, 본 발명에 따른 장치는 예비적 직물 성형품 (100)이 적층지는 다이 (110)를 포함하며, 상기 예비적 성형품은 열경화성 또는 열가소성 중합체로 예비-함침된 섬유성 층의 적층 구조로 구성된다. 상기 예비적 성형품 (100)은 상기 다이 (110)와 상기 예비적 성형품 (100)을 포함하는 블랭킷 사이의 공간이 밀봉되도록 밀봉 수단 (121)을 사용하여 블랭킷 (120)에 의해 다이 (110)에 포장된다. 이 예시적 구체예에서, 상기 다이 (110)는 상기 공간으로 개방되는 도관 (111)을 포함하며, 상기 도관은 그 공간에 진공을 가하기 위해 진공 펌프 (도시되지 않음)에 연결된다. 상기 예비적 성형품을 감싸는 밀봉된 엔클로저 (130)는 적절한 조립체 수단 (132)에 의해 매트릭스에 고정된다. 상기 엔클로저는 상기 엔클로저 내의 압력을 증가시키기 위해 펌프에 연결된 도관 (132)을 포함한다. 따라서, 다이 (110), 포장 수단 및 밀봉된 엔클로저를 포함하는 이 상부 조립체는 예비적 직물 성형품의 고화/경화에 대응하는 압력 사이클을 구현할 수 있게 하는 독립적 조립체를 구성한다.
예비적 직물 성형품의 열 고화/경화 사이클은 열 블록에 상부 조립체를 위치시켜서 이루어지며, 이 구체예에서 상기 열 블록은,
- 높은 열 전도성을 갖는 재료, 예를 들면 알루미늄 합금으로 제조된 지지체 (140);
- 바람직하게는 자기장에 투명한 내화성 재료, 예를 들면 콘크리트 또는 세라믹으로 제조된 베이스 (150);
- 유도에 의해 가열되기에 적합한 재료로 제조된 축열기 (160);를 포함한다.
상기 베이스는 상기 베이스에 형성된 공동부(cavities) 내를 순환하는 하나 또는 그 이상의 인덕터 (151)를 포함하고, 특히 10 kHz와 100 kHz 범위의 고주파 전류 발생기에 연결된 유도 회로를 포함한다.
지지체 (140)는 상기 지지체를 냉각시킬 수 있는 열-전달 유체의 순환을 위한 채널 (141)을 포함한다. 다이는 표준 프로파일을 갖는 계면에 의해 상기 지지체 (140)에 연결되어, 동일한 형상 또는 상이한 형상에 대응하는 복수의 상부 조립체가 열 블록에 위치될 수 있다. 상기 지지체 (140)의 수용면에 상기 다이를 위치시키는 상기 다이 조립체 표면은 바람직하게는 구조 시트 (112)를 포함한다. 상기 구조 시트는 예를 들면 다이의 조립체 표면에서 납땜되고 높은 열 전도성을 나타내지만 가단성이 있는, 구리 또는 니켈과 같은 재료로 구성됨으로써 상기 구조 시트는 상기 다이의 조립체 표면과 상기 지지체 (140)의 수용면 사이에 형태에서 약간의 차이를 형성한다.
수용측의 반대쪽 측에서, 지지체는 축열기와 접촉하기 쉬운 가열면을 포함한다. 바람직하게는, 상기 가열면은 상기 가열면에 납땜되고 상기 축열기 (160)와 상기 지지체 (140)의 가열면 사이의 형태의 약간의 차이를 보상하기에 적합한 입체구조 시트 (142)를 포함한다. 도 1A에서, 가열이 없는 경우, 축열기 (160)는 가열면과 접촉하지 않는다. 그러나, 상기 축열기 (160)는 인덕터를 통한 유지 온도로서 공지된 온도에서 유지된다. 축열기 (160)와 가열면 사이의 접촉 저항은 높고, 축열기 (160)와 지지체 (140) 사이의 열 전달은 작다.
도 1B에서, 가열이 진행될 때, 축열기의 온도는 상승함으로써, 열적으로 팽창되어 지지체 (140)의 가열면과 접촉하게 된다. 접촉 저항이 떨어지고 축열기가 그 열을 지지체로 전달한다. 상기 축열기 (160)는 본 발명에 따른 장치에서 구조적 기능을 갖지 않는다.
따라서 그 조성은 유도 가열에 대한 반응 및 그 열을 지지체 (140)로 전달하는 그 능력을 최적화하도록 선택된다.
한 특정한 구체예, 세부사항 Z에 있어서, 상기 축열기는 셀룰라 구조를 가지며, 여기서 각 셀 (165)은 잠재 전이열을 갖는 상-변화 재료로 채워진다. 바람직하게는, 상기 상-변화 재료는 그 전이 온도가 축열기의 유지 온도에 근접하도록 선택된다. 예로서, 유지 온도가 약 200℃인 경우, 상-변화 재료는 예를 들면 폴리올과 같은 유기 재료이다. 유지 온도가 예를 들면 약 400℃ 이상으로 보다 높으면, 상-변화 재료는 예를 들면 염이다. 이들 예에서, 상-변화 재료는 잠재 전이열을 흡수함으로써 저온의 고체 상태로부터 고온의 액체 상태로 변화한다. 고온 상으로부터 저온 상으로 변함에 따라, 상-변화 재료는 고형화되고 상기 잠재 전이열을 되돌려 준다. 셀룰라 구조와 상-변화 재료의 조합은 가열 온도까지 급격히 가열하는 능력을 유지하면서 유지 온도에서 유지될 때 축열기 (160)의 겉보기 열관성을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
다이 및 따라서 예비적 성형품은 지지체의 채널 (141)에 열-전달 유체를 순환시킴으로써 냉각된다. 바람직하게는, 상기 베이스 (150)는 가열 단계 후에 상기 유지 온도까지의 냉각 속도를 높이고 상기 다이를 필요로 되는 온도로 유지시키기 위해 상기 축열기 (160) 주위에 열-전달 유체를 공급하기 위한 도관 (152)을 포함한다.

Claims (10)

  1. 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화하기 위한 장치에 있어서,
    a. 가열 또는 냉각 수단 없이, 상기 예비적 직물 성형품의 형상 및 조립체 계면(interface)을 재현하는 주형면(molding face)을 포함하는 다이;
    b. 상기 다이에 상기 예비적 성형품의 밀봉된 포장(bagging);
    c. 상기 예비적 직물 성형품을 포함하는 상기 포장 내부에 진공을 가하는 수단;
    d. 유도 가열 수단 및 상기 다이와 열 블록 사이의 열 전달과 정렬을 위하여 상기 다이 조립체 계면과 협력하는 수신 계면을 포함하는 열 블록;을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열 블록은 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    e. 밀봉된 엔클로저(enclosure) 및 상기 엔클로저를 상기 다이에 고정시키는 수단;
    f. 상기 밀봉된 엔클로저 내부의 압력을 높이는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 블록은,
    di. 상기 수신 계면 및 가열 계면을 포함하는 지지체;
    dii. 유도 가열 수단을 사용하여 가열된 축열기;
    diii. 상기 가열 계면을 통해 상기 축열기로부터 상기 지지체로 열을 전달하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 냉각 수단은 상기 지지체 내의 열-전달 유체를 순환시키기 위한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각 수단은 상기 축열기 주위에 열-전달 유체를 순환시키기 위한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 가열 계면은 구조 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이 조립체 계면은 구조 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구현하는 중합체로 예비-함침된 예비적 직물 성형품을 경화 또는 고화하는 방법에 있어서,
    i. 상기 다이에 미리 적층된 예비적 성형품을 포장하는 단계;
    ii. 상기 포장 내부에 진공을 가하는 단계;
    iii. 상기 다이 및 상기 포장된 상기 예비적 성형품을 상기 열 블록으로 이송하는 단계;
    iv. 상기 열 블록을 가열 및 냉각시킴으로써 상기 예비적 성형품의 온도를 조절함으로써 상기 예비적 성형품에 경화 및 고화의 열 사이클을 적용하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)와 (ⅳ) 사이에, 상기 밀봉된 엔클로저 내의 압력을 증가시키는 단계를 포함하는 청구항 3에 따른 장치를 구현하는 것을 특징으로 하는 예비적 직물 성형품을 경화 및 고화시키기 위한 방법.
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