KR20190045926A - 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법 및 드레이핑 장치 - Google Patents

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KR20190045926A
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KR1020197009343A
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토비아스 퓌르스트
슈테펜 메르틴스
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디펜바허 게엠베하 마쉬넨- 운트 안라게바우
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Abstract

본 발명은 카운터 다이(14)와 드레이핑 펀치(15a, 15b, 15c)를 포함하는 드레이핑 장치(13)를 이용하여 3차원 프리폼(5)을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 높이(H)를 갖는 섬유 조직들의 스택(11)은 드레이핑 장치의 개방 위치에서 배치되어 최종 두께(D)로 압축된다. 상기 방법은, 제 1 드레이핑 펀치에 의한 드레이핑 동안 제 2 드레이핑 펀치가 카운터 다이에 대해 이격 간격(A)으로 이격되어 있는 가이드 위치에 포지셔닝되며, 그리고 가이드 위치에서 제 2 드레이핑 펀치는 스택에 대해 간극(S)을 보유하되, 간극(S)이 0보다 큰 조건(S > 0)에서 이격 간격(A) = 높이(H) + 간극(S)(A = H + S)이거나; 또는 가이드 위치에서 제 2 드레이핑 펀치는 압축률(K)만큼 스택을 압축하되, 압축률(K)이 0보다 크고 압축률(K) < 높이(H) - 최종 두께(D)인 조건(K > 0, 및 K < H - D)에서 이격 간격(A) = 최종 두께(D) + 압축률(K)(A = D + K)인 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 프리폼의 제조를 위한 방법 및 드레이핑 장치
본 발명은, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 섬유강화 성형 부품들(molded part)의 제조의 과정에서 3차원 프리폼들(preform)을 제조하기 위한 방법, 및 청구항 제 8 항의 전제부에 따른 3차원 프리폼을 제조하기 위한 드레이핑 장치(draping device)에 관한 것이다.
섬유 복합재 부품들이라고도 하는 섬유강화 플라스틱 부품들의 제조의 과정에서 특히 산업상 이용으로서 RTM 방법(Resin-Transfer-Moulding Method)이 통용되고 있는 처리 방식이다. 이용 가능한 플라스틱 부품에 이를 때까지의 전체 제조 공정은 연속해서 진행되는 여러 개별 공정으로 구성된다. 제 1 방법 단계에서, 실질적으로 이미 차후의 플라스틱 부품의 외부 형태를 갖는 최종 윤곽에 가까운 프리폼들/섬유 반제품들이 제조된다. 이런 프리폼 공정(프리폼의 제조)에서, 일반적으로 섬유 조직(fiber tissue) 또는 섬유 직물(fiber woven fabric)의 다수 층이 통상적인 방식으로 2차원 형태로 적층되거나, 또는 경우에 따라 접합되며(재봉, 용접, 접착), 그럼으로써 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택(stack)은 실질적으로 이미 필요한 외부 윤곽과, 부분적으로는 이미 특별한 층들 또는 층 두께들 또는 국소적 특징들을 갖는다(WO 2012/156524 A1호). 바람직하게는 결합제(binder)가 층들의 분리 평면들 내로 유입되며, 그런 다음 결합제는, 성형된 3차원 형태를 달성한 후에, 그리고 자신의 활성화 및 경화 후에, 층들 상호 간의 고정 및 상응하는 3D 윤곽을 달성한다(WO 2012/156523 A1호). 프리폼 공정을 위해, 조직 스택(tissue stack)은 성형 금형 내로 천이되며, 그리고 대부분 (상대적으로 낮은) 압력의 가압하에 차후의 성형 부품의 윤곽에 근접할 정도로 성형 금형을 폐쇄하는 것을 통해, 그리고 결합제의 활성화(가열 및 냉각)를 통해 경화되며, 그럼으로써 섬유 반제품은 최종 윤곽에 가까운 상태로 RTM 방법 자체의 실행을 위한 프레스의 금형 내로 삽입될 수 있다(WO 2010/103471 A2호). 각각의 필요에 따라서, 섬유 반제품은, 차후의 플라스틱 부품에 비해 섬유 반제품(프리폼)의 훨씬 더 정확한 윤곽을 달성하기 위해, 해당 패턴대로 재단되거나 기설정 위치들에서 해당 형태로 펀칭된다. 바람직하게는 RTM 방법을 위해 적합한 프레스의 금형 내로 섬유 반제품을 삽입한 후에, 금형 반부들(die half)은 폐쇄되고 필요한 수지가 금형의 캐비티 내로 주입되며, 수지는 섬유 반제품의 섬유 구조에 함침되어 섬유들을 내포하고 단단하게 수지 기질(resin matrix)에 결합된다. 수지의 경화 후에, 섬유강화 플라스틱 부품은 금형에서 분리될 수 있다.
RTM 방법 자체에 추가로, 이미 섬유 반제품의 제조도 플라스틱 부품의 제조 시 성공에 대한 기초가 되고 있다.
종래 기술에서는, 프리폼의 제조를 위한 다수의 가능성이 공지되어 있으며, 먼저 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 최대한 평면인 스택의 수동 또는 자동화 제조가 수행되며, 그에 이어서 상기 스택은 프레스 내에서 자신의 2D 형태로부터 3D 형태로 바뀐다.
또한, 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들로 이루어진 다층형 2차원 절단 블랭크(cut blank)의 3D 성형을 위해, 하기 방법 단계들도 공지되어 있다: 섬유 조직들 또는 섬유 직물들은 롤(roll)에서 권출되고 각각의 필요에 따라서 다수의 다양한 조직들 또는 직물들, 형태들 및 크기들로 포개져 적층되어 스택을 형성한다. 이 경우, 프리폼 및 플라스틱 성형 부품 각각의 패턴에 따라 외부 윤곽 및 경우에 따라 내부 윤곽을 가공하거나 재단해야 할 필요가 있다. 이 경우, 패턴은 프리폼 또는 최종 부품의 레이아웃으로부터 생성된다. 그런 다음, 바람직하게는, 완성되어 실질적으로 평면인 스택 또는 섬유 스택은 각각 드레이핑 장치에 의해 드레이핑되고 3차원 프리폼으로 성형된다(WO 2012/062824 A1호, WO 2012/062825 A1호, WO 2012/062828 A1호).
프리폼의 제조를 위한 또 다른 방법들은 예컨대 특허 문헌들 DE 10 2010 043 663 A1호, DE 10 2010 043 665 A1호 및 DE 10 2010 043 666 A1호에 알려져 있으며, 섬유 스택은 드레이핑 장치와 몰드 쉘(mold shell) 사이에 배치되거나, 또는 거기에 형성되고, 그에 이어서 드레이핑 다이(draping die)가 드레이핑 장치로부터 인출 이동되며, 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택이 상기 드레이핑 다이에 의해 몰드 쉘 상에 밀착되어 그곳에 고정될 때까지, 상기 스택을 적어도 부분적으로 몰드 쉘 내로 삽입한다. 그에 이어서, 기설정된 순서로, 추가 드레이핑 다이들은, 몰드 쉘에 의해 기설정된 3D 형태로 섬유 스택을 드레이핑하기 위해, 개별적으로 또는 함께 드레이핑 장치로부터 몰드 쉘의 방향으로 이동된다.
2D 또는 3D 부품 윤곽들로 유리섬유 또는 탄소섬유로 이루어진 반제품 층들을 드레이핑할 때, 성형 공정 동안 관리 및 제어 가능한 재료 가이드에 큰 초점이 맞춰진다. 이런 경우에는, 예컨대 특허 문헌 DE 10 2013 109 854 A1호에 기술된 것과 같은 순차적 드레이핑 공정이 실질적으로 기여한다. 이 경우, 상부 금형은 개별 세그먼트들(드레이핑 펀치들)로 분할되고 성형 금형의 폐쇄는 다단계로 수행된다. 순차적 드레이핑 공정은, 섬유 재료가 테두리 영역들에서부터 비드부(bead), 함몰부(depression), 압인부(impression) 등의 성형을 위해 계속 유동할 수 있음으로써 강화 섬유들의 정확한 윤곽의 성형이 달성될 수 있다는 장점을 갖는다. 이를 위해 개별 드레이핑 펀치들은 규정된 시간 순서로 인출 이동되며, 그리고 성형된 섬유 층들의 최대로 가능한 압축을 통해 결정되는 이격 간격을 제외하고 하부 금형 또는 카운터 다이와 함께 폐쇄된다.
상기 계속적인 유동을 더 적합하게 보조하기 위해, 특허 문헌 DE 10 2013 109 854 A1호에는, 추가로, 섬유 재료의 상이한 활주 특성들을 달성하기 위해, 프리폼으로 향해 있는 상기 드레이핑 펀치의 표면에 각각 상이한 표면 거칠기 또는 마찰계수를 갖도록 상기 드레이핑 펀치를 형성하는 것이 제안된다.
상기 방법에 의해, 고품질의 프리폼들이 제조된다. 그러나 어느 정도의 표면 거칠기가 적합한지의 결정은 대개 일련의 실험을 통해서만 가능하며, 이는 만족스런 결과가 달성될 때까지 각각의 드레이핑 펀치가 빈번하게 작동되거나 교체되어야만 한다는 단점이 있다. 이는 대개 큰 시간, 인적 및 재료 비용과 결부되며, 따라서 높은 비용을 야기한다.
본 발명의 과제는, 간단하면서도 비용 효율적인 방식으로, 고품질을 갖는 3차원 프리폼의 제조를 허용하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
해결책으로서, 제조 대상 프리폼의 형태를 반영하는 카운터 다이, 및 드레이핑 펀치들을 포함하는 드레이핑 장치를 이용하여 섬유강화 성형 부품들의 제조의 과정에서 3차원 프리폼을 제조하기 위한 방법에 있어서, 높이(H)를 갖는 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택은 드레이핑 장치의 개방 위치에서 카운터 다이 상에 배치되고 그에 이어서 드레이핑 펀치들에 의해 카운터 다이로 드레이핑되어 기설정된 최종 두께(D)로 압축되며, 적어도 하나의 제 1 드레이핑 펀치에 의한 드레이핑 동안 적어도 하나의 제 2 드레이핑 펀치는 개방 위치와는 다른 가이드 위치에서 카운터 다이에 대해 이격 간격(A)으로 이격되어 포지셔닝되고 파지되며, 그리고 가이드 위치에서 제 2 드레이핑 펀치는 적어도 부분적으로 스택에 대해 간극(S)을 보유하되, 이격 간격(A)에 대해 간극(S)이 0보다 크거나 같은 조건(S ≥ 0)에서 이격 간격(A) = 높이(H) + 간극(S)(A = H + S)이 적용되고; 및/또는 가이드 위치에서 제 2 드레이핑 펀치는 스택에 적어도 부분적으로 접촉하여 압축률(K)만큼 스택을 압축하되, 이격 간격(A)에 대해 압축률(K)이 0보다 크고 압축률(K) ≤ 높이(H) - 최종 두께(D)인 조건(K > 0, 및 K ≤ H - D)에서 이격 간격(A) = 최종 두께(D) + 압축률(K)(A = D + K)이 적용되는, 상기 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법이 제공된다.
다른 해결책으로서, 다수의 드레이핑 펀치, 및 제조 대상 프리폼의 형태를 반영하는 하나의 카운터 다이를 포함하여 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치에 있어서, 상기 드레이핑 펀치들은, 드레이핑 장치의 개방 위치에서 카운터 다이 상에 배치되는 높이(H)를 갖는 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택을 드레이핑 펀치들을 이용하여 카운터 다이 상으로 드레이핑하여 기설정된 최종 두께(D)로 압축하도록 카운터 다이와 상호작용하도록 설계되며, 드레이핑 펀치들은 액추에이터들에 의해 작동되고, 드레이핑 펀치들의 작동을 위한 액추에이터들을 제어하는 제어 장치가 제공되는, 상기 드레이핑 장치가 제공된다. 제어 장치는, 적어도 하나의 제 1 드레이핑 펀치에 의한 드레이핑 동안 적어도 하나의 제 2 드레이핑 펀치가 개방 위치와는 다른 가이드 위치에서 카운터 다이에 대해 이격 간격(A)으로 이격되어 포지셔닝되고 파지되도록 드레이핑 펀치들의 작동을 위한 액추에이터들의 제어를 실행하도록 설계되며, 그리고 가이드 위치에서 제 2 드레이핑 펀치는 적어도 부분적으로 스택에 대해 간극(S)을 보유하되, 이격 간격(A)에 대해 간극(S)이 0보다 크거나 같은 조건(S ≥ 0)에서 이격 간격(A) = 높이(H) + 간극(S)(A = H + S)이 적용되고; 및/또는 가이드 위치에서 제 2 드레이핑 펀치는 스택에 적어도 부분적으로 접촉하여 압축률(K)만큼 스택을 압축하되, 이격 간격(A)에 대해 압축률(K)이 0보다 크고 압축률(K) ≤ 높이(H) - 최종 두께(D)인 조건(K > 0, 및 K ≤ H - D)에서 이격 간격(A) = 최종 두께(D) + 압축률(K)(A = D + K)이 적용된다.
제공된 방법 및 제공된 드레이핑 장치에 의해, 상부 금형이 개별 세그먼트들 또는 드레이핑 펀치들로 분할되고 성형 금형의 폐쇄는 예컨대 부품 내부에서부터 부품 테두리까지처럼 다단계로 수행되는, 순차적 드레이핑 공정을 실현하는 것이 가능해진다. 이 경우, 하나의 드레이핑 펀치가 가이드 위치를 취하면, 드레이핑 펀치가 일종의 가이드로서 기능함으로써 접힘(folding) 또는 걸침(throwing-on)이 방지될 수 있다는 효과가 있다. 이와 동시에, 직접적으로 개별 드레이핑 펀치들을 통해 목표한 바대로 압축 내지 압축력 또는 홀딩다운 힘을 부여할 수 있으며, 따라서 스택의 섬유 재료의 계속적인 유동 거동에 직접적인 영향을 미칠 수 있고, 이는 예컨대 비드부, 함몰부, 압인부, 또는 이중 만곡형 반경, 모서리 블렌드(corner blend) 등처럼 피상적으로 복잡한 윤곽들의 성형을 위해, 테두리 영역들에서부터 섬유 재료의 제어되는 계속적인 유동을 가능하게 하며, 그럼으로써 정확한 윤곽의 성형이 달성될 수 있게 되고 성형을 통해 야기되는 재료 걸침(material throwing-on)은 방지되거나 적어도 감소되게 된다.
이격 간격(A)은 항상 드레이핑 장치의 하나의 드레이핑 펀치와 카운터 다이 사이의 이격 간격으로서 간주된다. 그에 따라 이격 간격은 드레이핑 다이 간격을 의미할 수 있으며, 카운터 다이와 드레이핑 펀치는 드레이핑 금형들을 형성한다. 높이(H)는, 드레이핑 장치 내에서 프리폼으로 가공되는 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택의 높이를 나타낸다. 스택은, 각각의 유형에 따라, 개별 영역들에서 개별 층들 또는 국소 강화재들의 개수에 따라서 상이한 높이들(H)을 가질 수 있다. 드레이핑 장치 자체 내에서는, 스택과 드레이핑 펀치들 사이에 간극(S)이 형성될 수 있다. 그러나 드레이핑 장치가 스택을 삽입하기 위한 개방 위치에 있는 경우에는 간극(S)이 형성되지 않는다. 실질적인 드레이핑 공정 전에 개별 드레이핑 펀치들이 취할 수 있는 사전 폐쇄 위치(pre-closing position)도, 드레이핑 공정 동안 비로소 형성되는 간극(S)의 의미에 속하지 않는다. 하나의 드레이핑 펀치가 스택에 접촉하여 이 스택에 압력을 인가한다면, 스택은 압축률(K)만큼 압축된다. 이 경우, 압축률(K)은 스택으로 인가되는 힘에 따라 결정된다. 그러나 스택은, 프리폼의 최종 두께(D)와도 일치하는 최종 두께(D)로만 압축될 수 있다. 그에 따라, 압축률(K)은 단지 스택의 높이(H)와 최종 두께(D) 사이에서 형성되는 두께 범위에서만 가변될 수 있게 된다. 상이한 높이들을 갖는 스택이 형성될 수 있는 것을 통해, 드레이핑 공정 동안에도 상이한 간극들(S) 및/또는 상이한 압축률들(K)도 형성될 수 있다. 예컨대 스택이 일측 드레이핑 펀치에 대해 간극(S)을 가질 수도 있는 반면에, 타측 드레이핑 펀치에 대해, 또는 전술한 드레이핑 펀치의 작용 영역에서 스택이 이미 다른 높이(H)를 갖는 경우에는, 동일한 펀치에 대해 이미 압축률(K)이 스택에 작용할 수 있다. 가이드 위치에서, 드레이핑 펀치는, 자신이 예컨대 드레이핑 장치의 개방 위치에서 스택을 삽입할 때 아치형으로 만곡되었다면, 스택을 평활화하는 기능도 할 수 있다. 그러나 스택 안쪽의 높이들(H)이 상이한 경우에도, 상대적으로 더 높은 높이(H)를 갖는 영역들은 가이드 위치에서 맨 먼저 한번 평활화되고 경우에 따라 약하게 압축될 수도 있다.
개방 위치는, 스택이 드레이핑 장치 내에서 카운터 다이 상에 안착되어 포지셔닝되는, 드레이핑 장치의 카운터 다이 및 드레이핑 펀치의 위치를 의미한다.
카운터 다이와 드레이핑 펀치들의 이격 간격(A)은, 가이드 위치에서 간극(S)이 1㎜ 미만, 0.8㎜ 미만, 0.6㎜ 미만, 0.4㎜ 미만, 특히 바람직하게는 0.2㎜ 미만이 되도록 치수 설계될 수 있다. 이런 방식으로, 적어도 하나의 제 2 드레이핑 펀치와 스택, 또는 이 스택의 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물에서 최상위 층 사이에 작은 간극이 형성됨으로써, 적어도 하나의 제 1 드레이핑 펀치가 폐쇄되어 그 해당 영역에서 스택을 성형하고 이를 기반으로 제 2 드레이핑 펀치의 영역에서 섬유 재료의 계속적인 유동이 이루어질 때, 제 2 드레이핑 펀치는 제 2 드레이핑 펀치의 영역에서 재료 걸침을 방지하는 가이드로서 사용될 수 있다. 이와 동시에, 제 2 드레이핑 펀치는, 형성된 작은 간극을 기반으로, 스택을 밀착하는 힘을 인가하지 않으며, 그럼으로써 섬유 재료는 자유로우면서도 방해받지 않으면서 계속적으로 유동할 수 있게 된다.
그 대안으로, 그리고 바람직하게는, 이격 간격(A)은, 가이드 위치에서 적어도 하나의 제 2 드레이핑 펀치가 스택을 부분적으로 압축하고 압축률(K)은 스택의 높이(H)와 최종 두께(D)의 차의 80% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 더 바람직하게는 30% 미만, 특히 바람직하게는 15% 미만이 되도록 치수 설계될 수 있다.
바람직하게는 가이드 위치에서, 제 2 드레이핑 펀치는, 특히 5 x 104Pa 미만, 더 바람직하게는 2 x 104Pa 미만, 특히 바람직하게는 1 x 104Pa 미만의 압력에 상응하는 압축률(K) 또는 홀딩다운 힘을 스택에 인가할 수 있다. 이런 방식으로, 제 2 드레이핑 펀치에 의해, 기설정 가능한, 특히 가변 및 설정 가능한 압축률 또는 홀딩다운 힘이 부여됨으로써, 스택의 섬유 재료의 계속적인 유동 거동에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 그리고 상기 섬유 재료를 의도한 대로 조절할 수 있다. 이 경우, 추가로 바람직하게는, 작은 압축률 또는 작은 홀딩다운 힘도 가능하며, 그럼으로써 섬유 재료의 계속적인 유동은 너무 심하게 방해받지 않거나, 또는 불가능하게 되지 않고, 및/또는 제 1 드레이핑 펀치에 의한 성형도 부정적으로 영향을 받지 않게 된다.
또한, 그에 추가로, 제 2 드레이핑 펀치는 먼저 적어도 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택의 부분들을 카운터 다이의 형태에 드레이핑할 수 있고 그에 이어서 다시 상승되어 가이드 위치로 이동될 수 있다. 이런 방식으로, 스택의 적어도 일부분, 또는 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들로 이루어져 상기 스택 내에 포함된 층들의 적어도 일부분이 카운터 다이에 밀착되고, 부분적으로 그리고 상기 카운터 다이 상의 윤곽과 유사하게 형성되는 것이 달성될 수 있다.
본 발명에 따라서, 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택의 드레이핑 후에 모든 드레이핑 펀치는 다시 상승될 수 있고 프리폼은 금형에서 분리될 수 있다.
또한, 추가로, 각각 개별적으로 또는 그룹으로도 함께 조정될 수 있는 다수의 제 1 드레이핑 펀치 및/또는 다수의 제 2 드레이핑 펀치가 제공될 수 있다. 이렇게, 바람직하게는 예컨대 공간상 분리된 복잡한 윤곽들의 상대적으로 더 많은 개수를 갖는 프리폼이 제조되어야 할 때 사용될 수 있는 다단계형 순차적 드레이핑이 실현될 수 있다.
바람직하게는, 개별 드레이핑 펀치들 또는 모든 드레이핑 펀치는 위치 제어 및/또는 위치 조절에 의해, 및/또는 압력 제어 및/또는 압력 조절에 의해 작동할 수 있다.
바람직하게는, 드레이핑 장치의 제어 장치는, 제 2 드레이핑 펀치가 우선 적어도 스택의 부분들을 드레이핑하고 그에 이어서 다시 상승되어 가이드 위치로 이동되고, 및/또는 모든 드레이핑 펀치에 의한 스택의 드레이핑 후에 드레이핑 펀치들이 다시 상승됨으로써 프리폼이 금형에서 분리될 수 있도록, 드레이핑 펀치들의 작동을 위한 액추에이터들의 제어를 계속하여 실행하도록 설계된다.
그 대안으로 또는 그와 조합되어, 드레이핑 장치의 제어 장치는, 드레이핑 펀치들 중 적어도 하나에 대해, 할당된 액추에이터가 상응하게 제어되면서 상기 적어도 하나의 드레이핑 펀치의 위치가 제어 및/또는 조절되고, 및/또는 상기 적어도 하나의 드레이핑 펀치에 의해 스택에 인가되는 압력이 제어 및/또는 조절되도록 설계된다.
또한, 제 1 드레이핑 펀치는 제 1 드레이핑 펀치들의 한 그룹의 드레이핑 펀치일 수 있으며, 제 1 드레이핑 펀치들의 상기 그룹의 드레이핑 펀치들은 개별적으로 및/또는 함께 작동될 수 있고, 및/또는 제 2 드레이핑 펀치는 제 2 드레이핑 펀치들의 한 그룹의 드레이핑 펀치일 수 있으며, 제 2 드레이핑 펀치들의 상기 그룹의 드레이핑 펀치들은 개별적으로 및/또는 함께 작동될 수 있다.
전술한 바와 같은 드레이핑 장치는 바람직하게는 전술한 바와 같은 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법을 실행하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 대상의 또 다른 바람직한 조치들 및 실시 예들은 종속 청구항들, 및 도면들을 포함한 하기 설명에 나타난다.
도 1은 종래 기술에 따른 3차원 프리폼들의 사전 제조와 함께 섬유강화 성형 부품들의 제조를 위한 산업 설비를 도시한 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 예시적인 방법의 단계들을 각각 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 방법의 단계들을 각각 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 방법의 단계들을 각 도시한 도면이다.
도 1에는, 최종적으로 상부 및 하부 금형(3)을 포함한 프레스(4)에서 RTM 방법을 이용하여 섬유강화 성형 부품(2)의 제조를 위해 사용되는 산업 설비(1)가 매우 개략적으로 나타난다. 이 경우, 섬유강화 성형 부품(2)은, 사전에 개략적으로 도시된 일부 단계에서 제조되어 3차원으로 최종 윤곽에 가깝게 예비 성형된 프리폼(5)으로 제조된다. 프리폼(5)을 위한 출발점으로서는 예컨대 섬유 조직, 섬유 직물 등으로 이루어진 층의 형태인 섬유 재료가 사용된다. 상기 섬유 재료는 예컨대 롤 제품으로서 예시된 롤(6)을 통해 공급될 수 있다. 그런 다음, 절단 장치(7)에서, 절단 유닛(8)에 의해, 롤 제품에서부터, 여기서는 분명하게 도시되어 있지 않은 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 단일 층, 또는 섬유 매트가 재단된다. 그에 이어서, 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 상기 층은 도 1의 도면에서 오직 만곡된 화살표들로만 예시되어 있는 적합한 이송 장치를 통해 예시된 결합제 도포 장치(9)로 공급되며, 이 결합제 도포 장치에서 결합제가 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 층 상으로 도포된다. 결합제 도포는 예컨대 분무, 롤러 코팅, 침지 등을 통해 수행될 수 있다. 또한, 결합제를 도포하기 위한 결합제 도포 장치(9)를 이용한 상기 절차의 대안으로, 상응하는 결합제와 섬유 재료를 사전 함침할 수도 있으며, 그럼으로써 상기 단계는 생략될 수 있다. 그러나 이는 통상의 기술자에게 일반적인 종래 기술에서부터 잘 알려져 있으며, 그런 까닭에 여기서는 그에 대해 상세히 설명되지 않는다.
결합제의 도포 후에, 또는 상기 단계가 생략되고 결합제가 이미 섬유 재료 내에 존재하는 경우, 그에 이어서 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 층은 적층 장치(10)에 도달하며, 이 적층 장치 내에서 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 개별 층들은 적층되어 여기서 예시되는 스택(11)을 형성한다. 또한, 이 경우, 구조적인 이유에서 타당하고 필요한 위치들에서 개별 층들의 클램프 고정, 재봉 또는 기타 결합도 제공될 수 있다. 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 층들은 절단 장치(7)에서의 절단 공정 후에 전형적으로 최종 윤곽에 가까운 형태를 갖는다. 그럼에도, 적층 장치(10) 내에서 섬유 조직 또는 섬유 직물로 이루어진 층들을 스택(11)으로 적층한 후에도, 바람직하거나 필요하다면, 추가 절단, 개구부들의 펀칭 등도 수행될 수 있다. 섬유 조직으로 이루어진 층들 외에도, 섬유 직물로 이루어진 층들, 또는 섬유 조직 및/또는 섬유 직물로 이루어진 다양한 층들의 조합물도 스택(11)으로 결합될 수 있다.
이렇게 스택(11)이 마련된 후에, 스택은, 여기서 도시된 실시예의 경우, 가열 장치(12) 내에 도달하며, 이 가열 장치 내에서 스택(11)은 여기에 예시된 것처럼 이송 수단을 통해 노(furnace), 또는 적외선 조사가 이루어지는 구간 등을 통해 안내된다. 따라서, 스택(11)은 예열되며, 전형적으로 열에 의해 활성화될 수 있는 결합제는 활성화되거나, 또는 스택(11)이 비록 여전히 높은 유연성을 가지지만, 그러나 스택(11) 내에서 처리되는 섬유 조직 및/또는 섬유 직물 층들은 냉각 동안 상호 간에 접착될 정도로 상기 결합제는 액화된다.
이제, 3차원으로 예비 성형된 프리폼(5)의 제조 시 핵심 기능은 다음 단계에 도시된 드레이핑 장치(13)에 주어된다. 이 경우, 드레이핑 장치(13)는, 수용부(17), 예컨대 수용 테이블 상에 배치되어 있으면서 3차원으로 예비 성형된 프리폼(5)의 차후 형태를 반영하는 카운터 다이(14)를 포함한다. 다시금 지지부(18) 쪽에서 지지되거나 또는 이 지지부에 의해 파지되는 액추에이터들(19)에 의해 카운터 다이(14)에 대해 이격 간격으로 이격되어 포지셔닝될 수 있는 드레이핑 및/또는 고정을 위한 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)을 통해, 스택(11)은 이제 카운터 다이(14)의 형태 내로 압입되며, 전형적으로 카운터 다이(14)의 금속 재료를 통해 냉각되되, 이 금속 재료는 열전도도가 매우 우수하고 스택(11)에서부터 열을 소산시킨다. 이로써, 결합제는 경화되며, 3차원으로 예비 성형된 프리폼(5)이 형성되되, 이 프리폼은 자신의 윤곽 형성과 관련하여 이미 최종 윤곽에 가깝게 성형되고 카운터 다이(14) 및 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)의 형태를 따른다. 이 경우, 섬유 재료를 단단히 파지하는 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)이 사용될 수 있고, 및/또는 특히 예컨대 카운터 다이(14)의 캐비티들 내로 섬유 재료를 이동시키기 위해 사용되는 펀치들이 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)로서 사용된다. 종래 기술에서 알려진 것처럼, 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)은, 카운터 다이(14)를 향한 방향으로 또는 카운터 다이(14)로부터 먼 방향으로 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)을 이동시키기에 적합한 액추에이터들(19)을 포함한다. 그에 따라, 액추에이터들(19) 및 드레이핑 기하구조의 정렬에 따라서, 드레이핑 동안, 카운터 다이(14)의 표면 내에 또는 카운터 다이(14)의 표면에 대해 평행하게 스택(11)의 상응하는 이동 성분도 달성된다.
이 경우, 프리폼(5)은, 경화된 결합제를 통해, 상기 프리폼이 자신의 형태를 잃지 않으면서 적어도 계속해서 이송되고 경우에 따라 임시 보관될 수 있을 정도로 형태 안정적이다. 그러나 프리폼은 여전히 자신의 최종적인 형태 및 경도에 도달하지 않았으며, 이들은 후속하는 RTM 공정에서 비로소 달성된다. 이렇게 드레이핑 장치(13) 내에서 예비 성형되어 이상적인 방식으로 드레이핑 장치 내에서 접착되어 경화된 스택(11)은, 앞에서 이미 기술한 것처럼, RTM 방법을 위한 프레스(4)로 공급될 수 있는 프리폼(5)을 형성한다.
한편, 이렇게, 특히 섬유 조직 및/또는 섬유 직물로 이루어진 층들의 스택(11)을 수축시키기 위해 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)에는 특별한 의미가 할당되는데, 그 이유는 카운터 다이(14)의 캐비티들 내로 스택(11)의 매우 균일한 수축 또는 압입이 수행되어야 하기 때문이다. 단지 이렇게 해야만, 스택(11)의 재료 내에서 접힘 또는 불필요한 응력들이 방지될 수 있다. 이는 RTM 방법에서 제조되는 성형 부품(2)의 우수한 품질을 위한 기본적인 전제조건이며, 그에 따라 그렇게 제조된 섬유강화 성형 부품들(2)의 우수한 품질도 달성된다.
이 경우, 제조 공정에서 성형 대상 부품 기하구조에 따라서, 예컨대 박판 성형에서도 공지된 것과 같은 압축률(K) 또는 홀딩다운 힘을 개별 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)을 통해 직접 부여하는 것이 바람직할 수 있다. 이런 방식으로, 예컨대 이중 만곡형 반경, 모서리 블렌드 등과 같은 피상적으로 복잡한 윤곽들의 성형을 통해 야기되는 것과 같은 재료 걸침이 효과적으로 방지되거나 감소될 수 있다.
이는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 도해의 예시에 따라서 더 상세하게 설명된다.
이 경우, 도 2a에는, 3개의 드레이핑 펀치(15a, 15b 및 15c)를 포함한 드레이핑 장치(13)가 도시되어 있다. 도 2a에는, 추가로, 카운터 다이(14)도 도시되어 있으며, 이 카운터 다이는 예컨대 수용 테이블 상에 배치되며 리세스(16)를 포함하고, 그럼으로써 카운터 다이(14)는 트러프 기하구조(trough geometry)를 갖게 된다. 도 2a에는, 성형의 제 1 공정 단계가 도시되어 있고, 스택(11)은 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 다수의 층으로 형성되어, 드레이핑 장치(13)의 개방 위치에서 카운터 다이(14) 상에 포지셔닝된다.
도 2b에 도시되어 있는 다음 공정 단계에서, 테두리 또는 측면에서 리세스(16)에 대해 오프셋 되어 배치되어 있는 드레이핑 펀치들(15a, 15c)은, 이 경우에 스택(11) 또는 그에 기인하는 프리폼(5)의 최종 두께(D)에 상응하는 이격 간격(A)으로 이동되고, 스택(11)의 섬유 층들은 상기 영역에서 카운터 다이(14)의 형상에 부합하게 성형된다. 이 경우, 드레이핑 펀치들(15a, 15c)은 각각 상응하는 압력 또는 상응하는 힘을 스택(11)으로 인가하며, 이 압력 또는 힘은 상응하는 위치들에서 카운터 다이(14) 상으로 스택(11)을 압착하고 그에 따라 스택을 내리누른다.
도 2c에 도시되어 있는 다음 공정 단계에서는, 카운터 다이(14)에 의해 정해진 기하구조의 형상에 부합하게 스택(11)을 성형하기 위해, 드레이핑 펀치(15b)가 폐쇄된다.
그러나 이런 경우, 드레이핑 펀치들(15b)이 제공된 최종 위치에 도달할 수 없을 정도로 드레이핑 펀치들(15a, 15c)에 의해 형성되는 홀딩다운 힘들이 커지고, 그 결과로 스택(11)이 윤곽이 정확하지 않게 리세스(16) 내로 드레이핑될 수 있으며, 그런 까닭에 도 2c에 도시된 것처럼 리세스(16)가 스택(11) 및 드레이핑 펀치(15b)에 의해 완전하게 채워지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 이렇게 획득된, 윤곽이 정확하지 않게 성형된 프리폼(5)은 통상적인 방식으로 추가 가공을 위해 적합하지 않게 되거나, 또는 심지어 경우에 따라 제공되는 수지 함침 금형들의 손상을 초래할 수 있다.
상기 문제점을 방지하기 위해, 하기에서 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명되는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 방법이 제안된다.
맨 먼저, 도 3a에 도시된 것처럼, 높이(H)를 갖는 스택(11)은 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 다수의 층으로 형성되어, 드레이핑 장치(13)의 개방 위치에서 드레이핑 장치(13)의 카운터 다이(14) 상에 포지셔닝된다.
추가 방법 단계에서, 도 3b에 도시된 것처럼, 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)이라고도 하는 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)은 인출 이동된다. 그러나 이런 경우, 도 2b와 달리, 인출 이동이 완전하게 수행되는 것이 아니라, 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)은 개방 위치와는 다른 가이드 위치에서 카운터 다이(14)로 접근 이동되며, 그럼으로써 스택(11)의 높이(H), 및 스택(11)과 드레이핑 펀치(15a, 15c) 사이에서 형성되는 간극(S)으로부터 구해지는 이격 간격(A)이 형성된다.
여기에 도시된 실시예에서, 이격 간격(A)은, 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)의 도 3b에 도시된 가이드 위치에서 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)과 높이(H)를 갖는 비압축된 스택(11) 사이에 간극(S)이 형성되도록 결정되고 기설정될 수 있다. 스택(11)에 대한 간극(S)의 형성은, 특히 스택(11)의 섬유 조직 및/또는 섬유 직물의 재료가 후속하는 드레이핑 동안 드레이핑 펀치(15b)에 의해 방해받지 않고 응력 없이 유동해야 하는 것이 바람직한 경우들에서, 예컨대 그와 같이 많은 성형이 수행되어야 하고 그에 따라 스택(11)의 섬유 재료의 강력한 계속적인 유동이 필요하지만, 그와 동시에 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)이 섬유 재료의 접힘 형성, 걸침 등이 발생하는 것을 방지해야 하는 일종의 가이드를 형성하는 것이 바람직한 경우에 바람직할 수 있다. 그러므로 이 경우 높이(H)를 갖는 비압축된 스택(11)과 드레이핑 펀치들(15a, 15c) 사이의 간극(S)은 2㎜ 미만, 바람직하게는 1.5㎜ 미만, 1.0㎜ 미만, 0.7㎜ 미만, 특히 바람직하게는 0.4㎜ 미만인 것이 바람직하다.
도 3c에 도시되어 있는 제 3 방법 단계에서, 드레이핑 펀치(15b)는 폐쇄되고, 이 드레이핑 펀치(15b)가 작용하는 국소 영역에서 스택(11)을 최종 두께(D)로 압축한다. 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)에 의해 인가되지 않는 홀딩다운 힘, 또는 스택(11)에 대한 간극(S)으로 인해, 스택(11)의 섬유 재료가 방해받지 않으면서 계속적으로 유동할 수 있고 그에 따라 부품 윤곽을 정확하게 성형하기 때문에, 드레이핑 펀치(15b)는 여기서 이제 완전하게 인출 이동될 수 있다.
도 3d에 도시되어 있는 제 4 방법 단계에서는, 앞서 가이드 위치로 이동된 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)도 완전하게 인출되어, 최종 두께(D)에 상응하는, 카운터 다이(14)와 드레이핑 펀치들(15a, 15c) 사이의 이격 간격(A)으로 이동되며, 그럼으로써 스택(11)은 상응하는 최종 두께(D)를 가지면서 의도되는 최종 윤곽에 가까운 형태로 형성되게 된다.
그에 이어서, 추가 방법 단계(미도시)에서, 드레이핑 펀치들(15a, 15b 및 15c)은 다시 인입 이동될 수 있고, 제 1 내지 제 4 방법 단계에 의해 성형되어 자신의 최종 두께(D)를 갖는 스택(11)의 형태인 프리폼(5)은 금형에서 분리될 수 있다. 프리폼(5)은 이제, 예컨대 도 1을 참조하여 설명한 RTM 방법과 같은 후속하는 공정 단계들에서의 추가 가공을 위해, 정확하게 성형된 프리폼(5) 또는 예비 성형품으로서 존재하게 된다.
자명한 사실로서, 최적의 이격 간격(A) 또는 최적의 간극(S)은 의도되는 사용 목적에 따라서 결정될 수 있으며, 특히 스택(11)의 섬유 조직 및/또는 섬유 직물의 사용되는 재료, 스택(11) 내에서 층들의 개수, 크기 및 형태, 및/또는 실행 대상 성형의 횟수, 유형 및/또는 범위에 따라서 결정될 수 있다.
또한, 스택(11)의 국소적 강화재들에 의해 상기 스택은 그 형태를 넘어서 국소적으로 상이한 높이들(H)을 가질 수 있다. 그러므로 가이드 위치에서 스택(11)과 드레이핑 펀치들(15a, 15c) 사이에 부분적으로 상이한 간극들(S)이 형성될 수 있다.
이 경우, 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)은 액추에이터들(19)에 의해 작동되어 이동될 수 있으며, 상기 액추에이터들은 제어 장치에 의해 제어된다. 이 경우, 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)의 이동은 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)의 위치 제어 또는 조절 하에 수행될 수 있다. 이 경우에, 이격 간격(A) 및 간극(S)은 각각 직접적으로 기설정될 수 있으며, 제어 장치는, 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)이 상기 방식으로 각각 기설정된 위치들로 향해 곧바로 이동하도록, 액추에이터들(19)을 제어한다.
또한, 액추에이터들(19)은 예컨대 상이한 압력들을 인가받을 수 있는 유압 실린더로서 구현될 수도 있다. 제어 장치는, 예컨대 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 가이드 위치로 이동시켜 간극(S)을 형성하기 위해, 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 위한 액추에이터(19)가 제 1 압력을 인가받게 할 수 있으며, 그리고 추가로 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 위한 액추에이터(19)는, 스택(11)이 카운터 다이(14)의 윤곽에 부합하게 그 최종 두께(D)로 드레이핑되는 최종 위치로 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 이동시키는 상대적으로 더 높은 제 2 압력을 인가받게도 할 수 있다. 이 경우, 이격 간격(A) 또는 간극(S)은 직접적으로 기설정되는 것이 아니라 또는 액추에이터들(19)의 제어를 위한 설정 변수들로서 사용되는 것이 아니라, 간접적으로 형성된다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 방법이 기술되었지만, 이는 제한하는 것이 아니며, 다수의 다양한 변형들이 가능하다.
예컨대 도 3b에 도시된 공정 단계에서, 드레이핑 펀치들(15a, 15c)은, 맨 먼저, 스택(11)이 카운터 다이(14)에 밀착될 수 있거나 또는 적어도 카운터 다이(14)의 윤곽과 유사하게 형성되도록 하기 위해, 스택(11)의 최종 두께(D)에 상응하는 이격 간격(A)까지 완전하게 폐쇄되며, 다시 말하면 도 2b에 상응하는 위치로 이동되며, 그리고 드레이핑 펀치들(15a, 15c)은, 드레이핑 펀치(15b)를 이용한 드레이핑 공정(도 3c 참조) 동안 활주(sliding)를 가능하게 하기 위해, 도 3b에 도시된 것처럼, 이격 간격(A) = 높이(H) + 간극(S)에 상응하는 가이드 위치까지 다시 개방되는 것도 가능하다.
또한, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 순수 순차적 드레이핑 공정에서 벗어나서, 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)로서의 드레이핑 펀치들(15a, 15c)과, 제 1 드레이핑 펀치(15b)로서의 드레이핑 펀치(15b)를 시간상 부분적으로 중첩되게 이동시키는 것도 가능하다. 예컨대 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)은 도 3b에 도시된 것과 같은 가이드 위치로 이동될 수 있는 한편, 그와 동시에 드레이핑 펀치(15b)는, 예컨대 마찬가지로 가이드 위치로 이동되는 것처럼, 부분적으로 폐쇄된다. 그런 다음, 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)은 가이드 위치에서 파지되는 한편, 드레이핑 펀치(15b)는 도 3c에 도시된 것처럼 이격 간격(A) = 최종 두께(D)가 될 때까지 계속하여 폐쇄된다. 이는, 특히 드레이핑 공정을 위한 사이클 시간이 줄어들 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 그와 달리, 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)을 동시에 가이드 위치로 이동시키는 것이 아니라, 연속해서, 또는 부분적으로 동시에, 부분적으로 연속해서 가이드 위치로 이동시키는 것도 가능하다. 또한, 상이한 드레이핑 펀치들(15a, 15c)을 위해 상이한 이격 간격들(A) 및/또는 상이한 간극들(S)을 기설정하는 가능성도 있다. 또한, 상기 변수들을 시간에 따라 가변적으로 형성할 수 있음으로써, 예컨대 공정을 계속하여 최적화하기 위해, 간극(S)의 시간에 따라 변하는 소정 프로파일이 기설정될 수 있게 하는 것도 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 하기에서 더 상세하게 설명된다.
우선, 도 4a에 도시된 것처럼, 그리고 도 3a와 동일하게, 높이(H)를 갖는 스택(11)은 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 다수의 층으로 형성되어 드레이핑 장치(13)의 개방 위치에서 드레이핑 장치(13)의 카운터 다이(14) 상에 포지셔닝된다.
도 3b의 실시형태와는 다른 다음 방법 단계에서, 도 4b에 도시된 것처럼, 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)이라고도 하는 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)은 가이드 위치로 인출 이동된다. 이 경우에, 가이드 위치로 드레이핑 펀치들(15a, 15c)의 인출 이동은 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택(11) 상으로까지도 수행되지만, 본 실시형태의 경우에는, 도 2b와 달리, 스택(11)은 그 최종 두께(D)로 압축되는 것이 아니라, 압축률(K)만큼 최종 두께(D)와는 다른, 카운터 다이(14) 및 드레이핑 펀치들(15a, 15c)로부터의 이격 간격(A)으로 압축되고, 그럼에도 이격 간격(A)은, 최대, 드레이핑 펀치들(15a, 15c)이 스택(11)에 간신히 접촉하거나 더 이상은 접촉하지 않는 스택(11)의 높이(H)와 동일하다.
여기에 도시된 실시예에서, 이격 간격(A)은, 도 4b에 도시된 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)의 가이드 위치에서 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)과 스택(11) 사이에 최종 두께(D)와 압축률(K)로 구성되는 이격 간격(A)이 형성되도록 결정되고 기설정될 수 있다.
이런 경우에, 카운터 다이(14) 및 드레이핑 펀치들(15a, 15c)에서부터의 이격 간격(A)은, 가이드 위치에서 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)이 스택(11) 상에 안착되어 이 스택을 부분적으로 압축함으로써 상응하는 압축률 또는 홀딩다운 힘이 설정되도록 결정되고 기설정될 수 있다. 달리 말하면, 압축률(K)의 선택에 따라서, 그에 상응하게 감소된 홀딩다운 힘이 기설정될 수 있고, 압축률(K)은 스택(11)의 최종 두께(D)에 도달할 때 최대이며, 그리고 압축률(K)이 더 작아짐에 따라, 드레이핑 펀치들(15a, 15c)이 스택(11)에 간신히 접촉하거나 더 이상 접촉하지 않고 높이(H)를 갖는 스택(11)이 형성된 상태로 유지되도록 이격 간격(A)이 치수 설계된다면, 영(0)의 압축률에 이를 때까지 상기 압축률은 감소된 홀딩다운 힘을 스택(11)에 인가한다.
도 4c에 도시되어 있는 제 3 방법 단계에서, 드레이핑 펀치(15b)는 폐쇄되고, 이 드레이핑 펀치(15b)가 작용하는 국소 영역에서 스택(11)을 최종 두께(D)로 압축한다. 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)에 의해 인가되는 압축률(K), 또는 이제 작은 홀딩다운 힘으로 인해, 스택(11)의 섬유 재료가 안내되고 압축률(K)에 상응하게 의도대로 계속 유동할 수 있으며 그에 따라 부품 윤곽을 정확하게 성형하기 때문에, 드레이핑 펀치(15b)는 여기서 이제 완전하게 인출 이동될 수 있다.
도 4d에 도시되어 있는 제 4 방법 단계에서, 앞서 가이드 위치로 이동된 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)도 완전하게 인출 이동되며, 그리고 최종 두께(D)에 상응하는, 카운터 다이(14)와 드레이핑 펀치들(15a, 15c) 사이의 이격 간격(A)으로 이동되며, 그럼으로써 스택(11)은 상응하는 최종 두께(D)를 가지면서 소정 최종 윤곽에 가까운 형태로 형성되게 된다.
그에 이어서, 추가 방법 단계(미도시)에서, 드레이핑 펀치들(15a, 15b 및 15c)은 다시 인입 이동될 수 있으며, 그리고 제 1 내지 제 4 방법 단계에 의해 성형되어 그 최종 두께(D)를 갖는 스택(11)의 형태인 프리폼(5)은 금형에서 분리될 수 있다. 프리폼(5)은, 이제, 예컨대 도 1을 참조하여 설명한 RTM 방법과 같은 후속하는 공정 단계들에서의 추가 가공을 위해, 정확하게 성형된 프리폼(5) 또는 예비 성형품으로서 존재하게 된다.
따라서 가이드 위치에서 드레이핑 펀치들(15a, 15c)에 의해 부분적으로 상이한 압축률(K)이 스택(11)으로 인가되는 것이 나타날 수 있다. 이와 무관하게, 실제 실험에서, 많은 경우에, 5 x 104Pa 미만, 더 바람직하게는 2 x 104Pa 미만, 특히 바람직하게는 1 x 104Pa 미만의 압력에 상응하는 압축률(K) 또는 홀딩다운 힘이 우수한 결과들을 달성하는 것으로 확인되었다. 이 경우에, 제 1 드레이핑 펀치(들)(15b)에 의해 카운터 다이(14)의 리세스(16) 등에서 스택(11)의 국소적 드레이핑 및 성형이 수행됨으로써 섬유 재료의 계속적인 유동이 제어될 수 있으며, 그리고 이와 동시에 홀딩다운 힘 또는 압축률(K)이 너무 크지 않아 도 2a 내지 도 2c의 실시 예를 참조하여 상술한 단점들이 발생하는 위험이 있다면, 스택(11) 내에서의 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 층들을 충분히 강하게 인장하고 파지하기 위해, 가이드 위치에서 내리누르거나 압축하기 위해 사용되는 드레이핑 펀치(들)(15a, 15c)에 의해, 충분히 큰 홀딩다운 힘이 상기 층들로 인가된다.
또한, 액추에이터들(19)은 예컨대 상이한 압력들을 인가받을 수 있는 유압 실린더로서 구현될 수도 있다. 제어 장치는, 예컨대 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 가이드 위치로 이동시키기 위해, 그리고 소정 압축률(K) 또는 홀딩다운 힘을 인가하기 위해, 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 위한 액추에이터(19)가 제 1 압력을 인가받게 할 수 있으며, 그리고 추가로 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 위한 액추에이터(19)는, 스택(11)이 카운터 다이(14)의 윤곽에 부합하게 그 최종 두께(D)로 드레이핑되는 최종 위치로 드레이핑 펀치(15a 또는 15c)를 이동시키는 상대적으로 더 높은 제 2 압력을 인가받게도 할 수 있다. 이 경우, 이격 간격(A) 또는 압축률(K)은 직접적으로 기설정되는 것이 아니라 또는 액추에이터들(19)의 제어를 위한 설정 변수들로서 사용되는 것이 아니라, 이격 간격(A) = 최종 두께(D) + 압축률(K)로의 부분적인 압축의 결과로서, 또는 이격 간격(A) = 스택(11) 내의 섬유 재료의 최종 두께(D)로의 완전한 압축의 결과로서 간접적으로 형성된다.
또한, 그와 달리, 드레이핑 펀치들(15a 및 15c)을 동시에 가이드 위치로 이동시키는 것이 아니라, 연속해서, 또는 부분적으로 동시에, 부분적으로 연속해서 가이드 위치로 이동시키는 것도 가능하다. 또한, 상이한 드레이핑 펀치들(15a, 15c)을 위해 상이한 압축률(K) 또는 상이한 홀딩다운 힘을 기설정하는 가능성도 있다. 또한, 상기 변수들을 시간에 따라 가변적으로 형성할 수 있음으로써, 예컨대 공정을 계속하여 최적화하기 위해, 압축률(K) 또는 홀딩다운 힘의 시간에 따라 변하는 소정 프로파일이 기설정될 수 있게 하는 것도 가능하다.
도 3a 내지 도 3d 또는 도 4a 내지 도 4d의 설명한 실시형태들에서는 순차적 드레이핑 공정이 실행되며, 드레이핑 장치(13)의 폐쇄는 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)로 다단계로 수행되며, 이 실시 예에서는 [드레이핑 펀치(15b)의 위치에 상응하는] 부품 내부에서부터 [드레이핑 펀치들(15a, 15c)의 위치들에 상응하는] 부품 테두리까지 수행된다. 이런 방식으로, 비드부, 함몰부, 압인부 등의 성형을 위해 테두리 영역들에서부터 스택(11)의 섬유 재료의 계속적인 유동이 보장될 수 있으며, 그리고 스택(11)의 정확한 윤곽의 성형이 달성될 수 있다. 이를 위해, 개별 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)은 규정된 시간 순서로 인출 이동되며, 스택(11) 또는 그에 기인하는 프리폼(5)의 최종 두께(D)를 통해 결정되는 이격 간격(A)을 제외하고 하부 금형 또는 카운터 다이(14)와 함께 폐쇄된다.
1: 산업 설비
2: 성형 부품
3: 금형
4: 프레스
5: 프리폼
6: 롤
7: 절단 장치
8: 절단 유닛
9: 결합제 도포 장치
10: 적층 장치
11: 스택
12: 가열 장치
13: 드레이핑 장치
14: 카운터 다이
15a, 15b, 15c: 드레이핑 펀치
16: 리세스
17: 수용부
18: 지지부
19: 액추에이터
A: 이격 간격
D: 최종 두께
H: 스택(11)의 높이
S: 간극
K: 압축률

Claims (15)

  1. 제조 대상 프리폼(5)의 형태를 반영하는 카운터 다이(14), 및 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)를 포함하는 드레이핑 장치(13)를 이용하여 섬유강화 성형 부품들(2)을 제조하는 과정에서 3차원 프리폼(5)을 제조하기 위한 방법으로서, 높이(H)를 갖는 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택(11)은 드레이핑 장치(13)의 개방 위치에서 카운터 다이(14) 상에 배치되고 그에 이어서 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)에 의해 카운터 다이(14)로 드레이핑되어 기설정된 최종 두께(D)로 압축되는, 상기 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법에 있어서,
    적어도 하나의 제 1 드레이핑 펀치(15b)에 의한 드레이핑 동안 적어도 하나의 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 개방 위치와는 다른 가이드 위치에서 카운터 다이(14)에 대해 이격 간격(A)으로 이격되어 포지셔닝되고 파지되며, 및
    상기 가이드 위치에서 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 적어도 부분적으로 상기 스택(11)에 대해 간극(S)을 보유하되, 상기 이격 간격(A)에 대해 간극(S)이 0보다 크거나 같은 조건(S ≥ 0)에서 이격 간격(A) = 높이(H) + 간극(S)(A = H + S)이 적용되고; 및/또는
    상기 가이드 위치에서 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 상기 스택(11)에 적어도 부분적으로 접촉하여 압축률(K)만큼 상기 스택을 압축하되, 상기 이격 간격(A)에 대해 압축률(K)이 0보다 크고 압축률(K) ≤ 높이(H) - 최종 두께(D)인 조건(K > 0, 및 K ≤ H - D)에서 이격 간격(A) = 최종 두께(D) + 압축률(K)(A = D + K)이 적용되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드 위치에서 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)와 상기 스택(11) 사이의 간극(S)은 바람직하게는 2㎜ 미만, 1.5㎜ 미만, 1.0㎜ 미만, 0.7㎜ 미만, 특히 바람직하게는 0.4㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가이드 위치에서 상기 압축률(K)은 상기 스택(11)의 높이(H)와 최종 두께(D)의 차의 80% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 더 바람직하게는 30% 미만, 특히 바람직하게는 15% 미만인 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드 위치에서 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는, 상기 스택(11) 상에서 5 x 104Pa 미만, 더 바람직하게는 2 x 104Pa 미만, 특히 바람직하게는 1 x 104Pa 미만의 압력에 상응하는 압축률(K)을 상기 스택(11)에 인가하는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 먼저 적어도 상기 스택(11)의 부분들을 상기 카운터 다이(14)의 형태에 드레이핑하고 그에 이어서 다시 상승되어 상기 가이드 위치로 이동되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스택(11)의 드레이핑 후에 모든 드레이핑 펀치(15a, 15b, 15b)는 다시 상승되고 상기 프리폼(5)은 금형에서 분리되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 드레이핑 펀치(15b)는 제 1 드레이핑 펀치들(15b)의 한 그룹의 드레이핑 펀치이며, 제 1 드레이핑 펀치들(15b)의 상기 그룹의 드레이핑 펀치들은 개별적으로 및/또는 함께 포지셔닝될 수 있고, 및/또는 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)의 한 그룹의 드레이핑 펀치이며, 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)의 상기 그룹의 드레이핑 펀치들은 개별적으로 및/또는 함께 포지셔닝될 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 방법.
  8. 다수의 드레이핑 펀치(15a, 15b, 15c), 및 제조 대상 프리폼(5)의 형태를 반영하는 하나의 카운터 다이(14)를 포함하는, 3차원 프리폼(5)의 제조를 위한 드레이핑 장치(13)로서, 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)은, 상기 드레이핑 장치(13)의 개방 위치에서 상기 카운터 다이(14) 상에 배치되는 높이(H)를 갖는 섬유 조직들 및/또는 섬유 직물들의 스택(11)을 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)을 이용하여 상기 카운터 다이(14) 상으로 드레이핑하여 기설정된 최종 두께(D)로 압축하도록 상기 카운터 다이(14)와 상호작용하도록 설계되며, 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)은 액추에이터들(19)에 의해 작동되고, 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)의 작동을 위한 상기 액추에이터들(19)을 제어하는 제어 장치가 제공되는, 상기 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치에 있어서,
    상기 제어 장치는, 적어도 하나의 제 1 드레이핑 펀치(15b)에 의한 드레이핑 동안 적어도 하나의 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)가 개방 위치와는 다른 가이드 위치에서 상기 카운터 다이(14)에 대해 이격 간격(A)으로 이격되어 포지셔닝되고 파지되도록 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)의 작동을 위한 상기 액추에이터들(19)의 제어를 실행하도록 설계되며; 및
    상기 가이드 위치에서 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 적어도 부분적으로 상기 스택(11)에 대해 간극(S)을 보유하되, 상기 이격 간격(A)에 대해 간극(S)이 0보다 크거나 같은 조건(S ≥ 0)에서 이격 간격(A) = 높이(H) + 간극(S)(A = H + S)이 적용되고; 및/또는
    상기 가이드 위치에서 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 상기 스택(11)에 적어도 부분적으로 접촉하여 압축률(K)만큼 상기 스택을 압축하되, 상기 이격 간격(A)에 대해 압축률(K)이 0보다 크고 압축률(K) ≤ 높이(H) - 최종 두께(D)인 조건(K > 0, 및 K ≤ H - D)에서 이격 간격(A) = 최종 두께(D) + 압축률(K)(A = D + K)이 적용되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 이격 간격(A)은, 상기 간극(S)이 바람직하게는 2㎜ 미만, 1.5㎜ 미만, 1.0㎜ 미만, 0.7㎜ 미만, 특히 바람직하게는 0.4㎜ 미만이 되도록 치수 설계되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 이격 간격(A)은, 상기 가이드 위치에서 상기 압축률(K)이 상기 스택(11)의 높이(H)와 최종 두께(D)의 차의 80% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 더 바람직하게는 30% 미만, 특히 바람직하게는 15% 미만이 되도록 치수 설계되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는, 상기 가이드 위치에서 5 x 104Pa 미만, 더 바람직하게는 2 x 104Pa 미만, 특히 바람직하게는 1 x 104Pa 미만의 압력에 상응하는 압축률(K)을 상기 스택(11)에 인가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)가 우선 상기 스택(11)의 부분들을 드레이핑하고 그에 이어서 다시 상승되어 가이드 위치로 이동되고, 및/또는 모든 드레이핑 펀치(15a, 15b, 15c)에 의한 상기 스택(11)의 드레이핑 후에 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15b)이 다시 상승됨으로써 상기 프리폼(5)이 금형에서 분리될 수 있도록, 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c)의 작동을 위한 상기 액추에이터들(19)의 제어를 계속하여 실행하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 드레이핑 펀치들(15a, 15b, 15c) 중 적어도 하나에 대해, 할당된 액추에이터(19)가 그에 상응하게 제어되면서 상기 적어도 하나의 드레이핑 펀치(15a, 15b, 15c)의 위치를 제어 및/또는 조절하고, 및/또는 상기 적어도 하나의 드레이핑 펀치(15a, 15b, 15c)에 의해 상기 스택(11)에 인가되는 압력을 제어 및/또는 조절하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 드레이핑 펀치(15b)는 제 1 드레이핑 펀치들(15b)의 한 그룹의 드레이핑 펀치이며, 제 1 드레이핑 펀치들(15b)의 상기 그룹의 드레이핑 펀치들은 개별적으로 및/또는 함께 작동될 수 있고, 및/또는 상기 제 2 드레이핑 펀치(15a, 15c)는 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)의 한 그룹의 드레이핑 펀치이며, 제 2 드레이핑 펀치들(15a, 15c)의 상기 그룹의 드레이핑 펀치들은 개별적으로 및/또는 함께 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 드레이핑 장치(13)는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 실행하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 3차원 프리폼의 제조를 위한 드레이핑 장치(13).
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