KR20190029892A - 복합 소재의 성형방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 복합 소재의 성형방법은, 하형의 상면에 제1 프리 프레그를 배치하는 단계, 상기 제1 프리 프레그의 상면에 에어 포밍 부재를 배치하는 단계, 상기 에어 포밍 부재 위에 제2 프리 프레그를 배치하는 단계, 상형을 상기 하형에 합형시켜, 상기 제1, 2 프리 프레그 및 상기 에어 포밍 부재를 1차로 성형하는 단계, 및 상기 에어 포밍 부재 안으로 가스를 주입하여 이를 팽창시키고, 팽창되는 상기 에어 포밍 부재에 의해서 상기 제1, 2 프리 프레그를 상기 상형과 하형의 성형면을 따라 2차로 성형하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

복합 소재의 성형방법{FORMING METHOD OF COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 프리 프레그를 금형을 이용하여 1차로 성형하고, 이들 사이에 배치된 에어 포밍 부재를 이용하여 프리 프레그를 2차로 성형하는 복합 소재의 성형방법에 관한 것이다.
종래의 헤밍 장치는 다관절 아암으로 이루어진 로봇의 아암 선단에 장착되어 상기 로봇의 작동에 의해 지그 상의 이너 패널과 아우터 패널의 가장자리 부분을 따라 이동하면서, 아우터 패널의 플랜지(F) 부분을 이너 패널의 선단측으로 접어서 가압한다.
성형품 별로 로봇 제어반에 의해 설정된 작동을 이루는 다관절 로봇은 설정된 거동에 따라 상기 예비 헤밍 롤러를 이너 패널 및 아우터 패널의 가장자리를 따라 이동하면서 상기 아우터 패널의 플랜지(F) 부분을 약 45도 각도로 예비 헤밍 성형한다.
그리고, 예비 헤밍 성형이 완료된 상기 아우터 패널에는 다음 공정에서, 그 플랜지(F) 내측 부분에 실러(미도시)를 미리 도포한 후, 메인 헤밍 롤러(미도시)에 의해 메인 헤밍 성형을 진행하게 된다.
한편, 최근 들어서 차체의 고강도 경량화의 추세에 따라 차체 소재로 금속판재 또는 비철금속판재, 뿐만 아니라 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS, 이하, CFRP라 칭함)으로 이루어지는 복합판재를 적용하고 있다.
탄소섬유를 이용한 CFRP는 강도, 탄성률, 경량성, 안정성이 우수하기 때문에, 높은 성능이 요구되는 항공기 또는 자동차 분야에서는 주요한 재료 중 하나로 각광받고 있으며, 경제적인 조건만 해결되면 향후 사용이 더욱 확대될 것으로 기대된다.
이러한 CFRP에서 수지류는 경도가 우수한 반면, 인장강도가 약해 쉽게 끊어지고, 탄소섬유는 인장강도가 높지만 굽힘 반발력이 없기 때문에 이 둘을 결합하는 것이다.
한편, 차체의 이너패널과 아우터패널을 CFRP와 같은 복합소재로 만들고, 이를 본딩재로 접합하여 보닛과 같은 차체를 제작하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
또한, 하나의 금형을 이용하여 복합소재인 프리 프레그를 1차 성형하고, 에어포밍을 통해서 프리 프레그를 최종적으로 성형하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국 공개특허 10-2013-0057038호
본 발명의 목적은 하나의 금형유닛을 이용하여 프리 프레그를 1차로 성형하고, 에어 포밍 공법을 이용하여 상기 프리 프레그를 2차로 최종 성형하여, 제조공정을 축소하고, 제조원가를 줄일 수 있는 복합 소재의 성형방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결 수단으로써, 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재의 성형방법은, 하형의 상면에 제1 프리 프레그를 배치하는 단계, 상기 제1 프리 프레그의 상면에 에어 포밍 부재를 배치하는 단계, 상기 에어 포밍 부재 위에 제2 프리 프레그를 배치하는 단계, 상형을 상기 하형에 합형시켜, 상기 제1, 2 프리 프레그 및 상기 에어 포밍 부재를 1차로 성형하는 단계, 및 상기 에어 포밍 부재 안으로 가스를 주입하여 이를 팽창시키고, 팽창되는 상기 에어 포밍 부재에 의해서 상기 제1, 2 프리 프레그를 상기 상형과 하형의 성형면을 따라 2차로 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상형과 하형을 합형하는 과정에서, 상기 제1 프리 프레그와 상기 제2 프리 프레그의 가장자리는 상기 하형과 하형에 의해서 가압되어 서로 접합될 수 있다.
상기 에어 포밍 부재 안으로 가스를 주입하기 위한 에어 주입구가 상기 에어 포밍 부재의 일측에 연결될 수 있다.
상기 에어 주입구는, 상기 제1, 2 프리 프레그의 외부로 연장될 수 있다.
상기 에어 주입구는 상기 상형과 상기 하형의 외부로 연장되고, 에어 주입호스와 연결될 수 있다.
상기 제1, 2 프리 프레그는 섬유원단에 열경화성 에폭시를 도포하고, 이를 적층하여 만들어진 복합소재일 수 있다.
상기 섬유원단은 카본섬유, 유리섬유, 금속섬유, 또는 아라미드섬유를 포함할 수 있다.
상기 에어 포밍 부재는 내부로 가스를 주입할 수 있는 주머니형태를 가지며, 팽창 가능한 재질로 만들어질 수 있다.
상기 제1, 2 프리 프레그를 상기 상형과 하형의 성형면을 따라서 2차로 성형하는 과정에서, 상기 상형과 하형에 구성되는 히팅 카트리지를 이용하여 상기 제1, 2 프리 프레그를 가열할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 하나의 금형유닛을 이용하여 제1, 2 프리 프레그를 1차로 성형하면서, 제1, 2 프리 프레그의 가장자리를 접합시킴으로써 접합강도가 향상되고, 외관 품질도 향상될 수 있다.
또한, 에어 포밍 부재를 이용하여 1차로 성형된 제1, 2 프리 프레그를 최종적으로 성형함으로써, 하나의 금형유닛을 이용하여 제조공정을 단순화하고, 제조원가를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치에서 금형이 합형된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치에서 에어 포밍 부재로 에어가 주입된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치에 의해서 만들어진 완성품을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재의 성형방법을 보여주는 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 복합 소재를 성형하는 장치는 주요 구성요소들로써 하형(110), 에어 통로(150), 상형(100), 및 히팅 카트리지(160)를 포함한다.
그리고, 상기 상형(100)의 성형면과 상기 하형(110)의 성형면 사이로 제1 프리 프레그(120), 에어 포밍 부재(130), 및 제2 프리 프레그(125)가 순차적으로 배치된다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 하형(110)의 성형면 위로 상기 제1 프리 프레그(120)가 배치되고, 상기 제1 프리 프레그(120) 위에 상기 에어 포밍 부재(130)가 배치되며, 상기 에어 포밍 부재(130) 위에 상기 제2 프리 프레그(125)가 배치된다.
상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125) 사이에서 양측 가장자리는 서로 마주하게 배치되고, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)의 사이의 중심부에는 상기 에어 포밍 부재(130)가 개재된다.
아울러, 상기 에어 포밍 부재(130)의 일단에는 에어 주입구(140)가 외측으로 돌출되어 형성된다. 그리고, 상기 에어 주입구(140)를 통해서 주입된 공기에 의해서 상기 에어 포밍 부재(130)는 팽창되어, 상기 제1 프리 프레그와 제2 프리 프레그를 포밍할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치에서 금형이 합형된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 상태에서 상기 상형(100)이 하강하고, 상기 하형(110)과 합형되며, 상기 상형(100)의 성형면과 상기 하형(110)의 성형면 사이에 성형공간이 형성되고, 이 성형공간의 형태에 대응하여 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)가 1차로 성형된다.
상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)의 가장자리는 서로 접합되고, 상기 히팅 카트리지(160)는 상기 상형(100)과 하형(110)의 온도를 설정된 온도로 제어할 수 있다.
그리고, 작업자는 상형과 하형 사이의 틈(미도시)의 외부로 돌출되는 상기 에어 주입구(140)에 에어호스를 체결한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치에서 에어 포밍 부재로 에어가 주입된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 상형(100)과 하형(110)이 합형되어 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)를 1차성형하고, 이들의 가장자리가 접합된다.
상기 에어 주입구(140)와 에어 주입호스(200)가 체결된 상태에서, 상기 에어 주입호스(200)를 통해서 에어와 같은 가스를 상기 에어 포밍 부재(130) 안으로 주입한다.
그리고, 상기 에어 포밍 부재(130)가 풍선과 같이 팽창하고, 상기 에어 포밍 부재(130) 안에는 에어 챔버(300)가 형성된다.
상기 제1 프리 프레그(120)는 팽창하는 상기 에어 포밍 부재(130)에 의해서 상기 하형(110)의 성형면을 따라서 2차로 성형되고, 상기 제2 프리 프레그(125)는 팽창하는 상기 에어 포밍 부재(130)에 의해서 상기 상형(100)의 성형면을 따라서 2차로 성형된다.
상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)가 상기 에어 포밍 부재(130)에 의해서 확장되면서, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)와 성형면 사이에 형성된 에어는 상기 상형(100) 또는 상기 하형(110) 내부에 형성된 에어 통로(150)를 통해서 외부로 배출될 수 있다.
아울러, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)가 상기 에어 포밍 부재(130)에 의해서 확장된 상태에서, 상기 히팅 카트리지(160)가 온도를 설정수치로 상승시켜, 열경화성수지를 포함하는 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)를 효과적으로 경화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재를 성형하는 장치에 의해서 만들어진 완성품을 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 완성품(400)은 주요 구성요소들로써 제1, 2 프리 프레그(120, 125), 접합부(410), 에어 포밍 부재(130), 및 에어 챔버(300)를 포함할 수 있다.
상기 에어 포밍 부재(130)는 내부에 에어 챔버(300)를 형성하고, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)의 가장자리부가 접합부(410)를 통해서 접합되고, 상기 에어 포밍 부재(130)의 외부를 상기 제1 프리 프레그(120)와 제2 프리 프레그(125)가 감싸는 구조를 갖는다.
완성품(400)에서 상기 에어 포밍 부재(130) 및 상기 에어 챔버(300)는 쿠션역활을 수행하며, 차량의 보닛에 적용될 경우에, 충격흡수기능을 수행하고, 보행자와 충돌할 경우에, 보행자의 상해 정도를 효과적으로 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재의 성형방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 5를 참조하면, S500 단계에서 상기 하형(110)의 성형면 위에 상기 제1 프리 프레그(120)를 배치하고, S510 단계에서 상기 제1 프리 프레그(120)의 상부면 중심부에 상기 에어 포밍 부재(130)를 배치한다.
S520 단계에서 상기 에어 포밍 부재(130) 위에 상기 제2 프리 프레그(125)를 배치한다. 여기서, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)가 상기 에어 포밍 부재(130)를 상하로 커버하고, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)의 양측 가장자리를 서로 마주한다.
S530 단계에서 상기 상형(100)을 하강시켜, 상기 하형(110)에 합형시키고, S540에서 합형된 상기 상형(100)과 하형(110)에 의해서 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125) 및 상기 에어 포밍 부재(130)가 1차로 성형되고, 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)의 양측 가장자리가 서로 접합된다.
S550 단계에서 상기 에어 포밍 부재(130)의 일단에 연결된 상기 에어 주입구(140)를 통해서 상기 에어 포밍 부재(130) 안으로 가스(또는 에어)를 주입하고, 상기 에어 포밍 부재(130)를 팽창시킨다.
S560 단계에서 팽창하는 상기 에어 포밍 부재(130)에 의해서 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)가 2차로 성형된다. 즉, 상기 제1 프리 프레그(120)는 상기 하형(110)의 성형면을 따라서 최종 성형되고, 상기 제2 프리 프레그(125)는 상기 상형(100)의 성형면을 따라서 최종 성형되며, 상기 에어 포밍 부재(130)는 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)의 내면에 밀착되며, 상기 에어 포밍 부재(130) 안으로 에어 챔버(300)가 형성된다.
S570 단계에서, 상기 상형(100)이 상승하고, 상기 하형(110)과 분리된다. 그리고, S580 단계에서, 최종적으로 성형된 완성품(400)이 상기 하형(110)에서 취출된다.
본 발명의 실시예에서, S560 단계 또는 이후 단계에서, 상기 히팅 카트리지(160)가 작동되어 최종 성형된 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)에 열을 가해서, 열경화성 수지를 포함하는 상기 제1, 2 프리 프레그(120, 125)를 경화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 에어 포밍 부재는 가스포밍부재, 상기 에어 주입구는 가스주입구, 상기 에어 통로는 가스통로, 상기 에어 주입호스는 가스주입호스 등으로 변경될 수 있다. 즉, 상기 에어 포밍 부재는 에어에 의해서 팽창되거나, 별도의 가스류에 의해서 팽창될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 프리 프레그는 preimpregnated materials 의 약얼 결합재를 강화섬유에 미리 함침시킨 시트형태의 제품으로 복합재료 제품의 중간재료로 강화섬유에 열경화성 수지를 침투시켜 반 경화상태로 만든 것일 수 있다.
또한, 강화섬유로는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 또는 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합재로는 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 또는 열가소성수지 등이 사용될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 상형 110: 하형
120: 제1 프리 프레그 125: 제2 프리 프레그
130: 에어 포밍 부재 140: 에어 주입구
150: 에어 통로 160: 히팅 카트리지
200: 에어 주입호스 300: 에어 챔버
400: 완성품 410: 접합부

Claims (9)

  1. 하형의 상면에 제1 프리 프레그를 배치하는 단계;
    상기 제1 프리 프레그의 상면에 에어 포밍 부재를 배치하는 단계;
    상기 에어 포밍 부재 위에 제2 프리 프레그를 배치하는 단계;
    상형을 상기 하형에 합형시켜, 상기 제1, 2 프리 프레그 및 상기 에어 포밍 부재를 1차로 성형하는 단계; 및
    상기 에어 포밍 부재 안으로 가스를 주입하여 이를 팽창시키고, 팽창되는 상기 에어 포밍 부재에 의해서 상기 제1, 2 프리 프레그를 상기 상형과 하형의 성형면을 따라 2차로 성형하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상형과 하형을 합형하는 과정에서,
    상기 제1 프리 프레그와 상기 제2 프리 프레그의 가장자리는 상기 하형과 하형에 의해서 가압되어 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에어 포밍 부재 안으로 가스를 주입하기 위한 에어 주입구가 상기 에어 포밍 부재의 일측에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어 주입구는, 상기 제1, 2 프리 프레그의 외부로 연장된 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 에어 주입구는 상기 상형과 상기 하형의 외부로 연장되고, 에어 주입호스와 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2 프리 프레그는 섬유원단에 수지를 도포하고, 이를 적층하여 만들어진 복합소재인 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 섬유원단은 카본섬유, 유리섬유, 금속섬유, 또는 아라미드섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에어 포밍 부재는 내부로 가스를 주입할 수 있는 주머니형태를 가지며, 팽창 가능한 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2 프리 프레그를 상기 상형과 하형의 성형면을 따라서 2차로 성형하는 과정에서, 상기 상형과 하형에 구성되는 히팅 카트리지를 이용하여 상기 제1, 2 프리 프레그를 가열하는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 성형방법.
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