KR20190076449A - 사출물의 표면 품질이 개선된 고압수지 이송성형 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 품질이 우수한 섬유강화 플라스틱을 제조할 수 있는 고압수지 이송성형 방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 사출물의 표면 품질이 개선된 고압수지 이송성형 방법에 대한 것이다.
탄소섬유 플라스틱계 복합재인 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic)를 성형하는 공법 중 하나인 고압수지 이송성형(high pressure-resin transfer molding, HP-RTM) 방법은 크게 프리폼 제작, 프리폼 재단 및 수지 함침의 단계들을 포함한다.
구체적으로, 고압수지 이송성형 방법에서는 재단된 프리폼을 수지 함침 금형에 삽입하고, 금형의 상/하형, 즉 상금형 및 하금형을 닫은 후, 진공 조건에서 금형에 열경화성 수지 및 경화제를 주입하여, 금형 내 삽입된 프리폼에 수지를 함침시켜, 고온에서 경화시킨다. 이로써 가벼우면서도 강도가 강한 CFRP를 성형할 수 있는데, 이렇게 제조된 CFRP는 자동차 산업, 항공우주 산업 등 고강도 및 경량 소재가 요구되는 여러 산업에 이용된다. 그러므로 고압수지 이송성형 방법을 좀더 개량하여 우수한 제품을 제작하고, 효율을 높이려는 방법들이 연구되고 있다(한국공개특허 10-2014-0126691호, 한국공개특허 10-2016-0140605호 등).
본 발명자들은 고압수지 이송성형 방법을 이용하여 제조되는 사출물의 품질을 개량하는 방법을 연구하던 중 경화 공정 후 사출물이 냉각되는 조건을 조절 시 표면 품질이 우수한 사출물을 제조할 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 표면 품질이 우수한 사출물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
수지 함침 금형에 프리폼을 수용시키는 단계;
상기 수지 함침 금형에 수지를 주입하여 상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계;
상기 수지가 함침된 프리폼을 경화시켜 섬유강화플라스틱을 제조하는 단계;및
상기 섬유강화플라스틱을 저속 냉각시키는 단계를 포함하는,
고압수지 이송성형 방법을 제공한다.
본 발명의 방법으로 제조된 섬유강화플라스틱은 표면 조도값이 높고 표면이 매끄러운 특징을 갖는다.
도 1은 고압수지 이송성형 방법을 보여준다.
도 2는 본 발명의 고압수지 이송성형 방법의 한 구체예로, 열풍을 이용한 저속 냉각 공정을 포함하는 고압수지 이송성형 방법이다.
도 3은 본 발명의 고압수지 이송성형 방법의 한 구체예로, 항온 챔버를 이용한 저속 냉각 공정을 포함하는 고압수지 이송성형 방법이다.
도 2는 본 발명의 고압수지 이송성형 방법의 한 구체예로, 열풍을 이용한 저속 냉각 공정을 포함하는 고압수지 이송성형 방법이다.
도 3은 본 발명의 고압수지 이송성형 방법의 한 구체예로, 항온 챔버를 이용한 저속 냉각 공정을 포함하는 고압수지 이송성형 방법이다.
본 발명은
수지 함침 금형에 프리폼을 수용시키는 단계;
상기 수지 함침 금형에 수지를 주입하여 상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계;
상기 수지가 함침된 프리폼을 경화시켜 섬유강화플라스틱을 제조하는 단계;및
상기 섬유강화플라스틱을 저속 냉각시키는 단계를 포함하는,
고압수지 이송성형 방법에 대한 것이다.
또한 본 발명은 본 발명의 고압수지 이송성형 방법에 의하여 제조된 섬유강화플라스틱에 대한 것이다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
프리폼
수용 단계
본 발명의 고압수지 이송성형 방법은 수지 함침 금형, 바람직하게는 하금형(10)에 프리폼(100)을 수용시키는 단계를 포함한다. 상기 프리폼은 섬유 원단을 이용하여 제조한 프리폼이다. 그러므로 상기 프리폼은 표면이 매끄럽지 않으며 섬유의 3차원 형상이 프리폼 표면에서 인식된다. 상기 섬유 원단은 1겹(또는 층) 이상, 바람직하게는 2겹 이상으로 이루어질 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 프리폼은 섬유 원단을 직조하여 제조한 프리폼이다. 상기 프리폼은 매트 형상일 수 있다.
수지
함침
단계
본 발명의 고압수지 이송성형 방법은 상기 수지 함침 금형에 수지를 주입하여 상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계를 포함한다. 상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계는 프리폼의 표면이 수지에 의하여 덮일 정도로 수지가 함침되어 수행된다. 즉, 수지가 함침된 프리폼(200)은 그 표면이 수지에 의하여 덮이고, 프리폼 자체의 표면은 노출되지 않게 된다. 따라서 수지에 의하여 프리폼의 표면이 덮이므로, 프리폼의 섬유의 형상이 외부에서 인식되지 않게 된다.
상기 수지는 열경화성 수지로, 특히 속경화성 수지인 바, 몇 분 내에 열경화가 빠르게 일어나는 수지이다. 상기 수지는 에폭시 수지 또는 우레탄 수지일 수 있다.
섬유강화플라스틱 제조 단계
본 발명의 고압수지 이송성형 방법은 상기 수지가 함침된 프리폼을 경화시켜 섬유강화플라스틱을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 경화는 2분 내지 5분 동안 수행될 수 있다. 상기 경화는 80 내지 140 ℃에서 이루어질 수 있다. 경화가 완료되는 시점의 섬유강화플라스틱(300)은 금형과 동일하거나 비슷한 수준의 고온 상태로, 완전 경화되었을 수도 있고, 가경화 상태일 수도 있다.
저속 냉각 단계
본 발명의 고압수지 이송성형 방법은 상기 섬유강화플라스틱을 저속 냉각시키는 단계를 포함한다. 상기 저속 냉각은 냉각 개시 시점에서 30초가 경과한 때로부터 120초가 경과한 때까지 상기 섬유강화플라스틱의 표면이 평균 0.5 ℃/초 이하, 바람직하게는 평균 0.3 ℃/초 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 ℃/초의 냉각 속도로 냉각되는 것을 의미한다. 상기 냉각 개시 시점은 경화가 완료된 후 섬유강화플라스틱의 표면의 온도가 저하되는 시점을 가리키며, 탈형 시점, 즉, 상금형이 분리되는 시점일 수 있다. 상기 냉각 속도가 0.5 ℃/초를 초과하는 경우 냉각이 완료된 후 섬유강화플라스틱의 표면이 급격히 냉각되어 플라스틱의 표면의 품질이 저하되는 문제가 발생된다. 즉, 상기 냉각 속도가 0.5 ℃/초를 초과하는 경우 섬유강화 플라스틱의 표면조도가 너무 낮아져, 육안으로 보거나 직접 만졌을 때 섬유강화 플라스틱의 표면이 우툴두툴한 것을 소비자/사용자가 인식할 수 있게 된다.
상기 저속 냉각은 수지 함침 금형의 상금형을 분리하고 상기 섬유강화플라스틱에 경화 온도보다 30 내지 50 ℃ 높은 열풍을 처리하여 수행할 수 있다. 이때 상기 열풍은 금형의 끝 부분에서 불도록 처리할 수 있으며, 열풍이 부는 동안 열풍이 사출물(즉, 섬유강화 플라스틱)을 전체적으로 다 감쌀 수 있는 위치에서 열풍이 불도록 하는 것이 바람직하다. 상기 열풍은 120초 이하의 시간 동안 처리할 수 있다. 상기 열풍의 온도와 경화 온도의 차이가 30 ℃ 미만인 경우, 섬유강화 플라스틱의 표면의 냉각 속도가 너무 빨라져 표면 품질이 저하되며, 상기 온도 차이가 50 ℃를 초과하는 경우 비용 대비 품질 개선 효율이 떨어진다.
또한 상기 저속 냉각은 경화 온도보다 10 내지 50 ℃ 낮은 고온 챔버 또는 항온 챔버 내에서 상기 섬유강화플라스틱을 냉각시켜 수행할 수도 있다. 상기 고온 챔버 또는 항온 챔버의 온도와 경화 온도의 차이가 50 ℃를 초과하는 경우 섬유강화 플라스틱의 표면의 냉각 속도가 너무 빨라져 표면 품질이 저하되며, 상기 온도 차이가 10 ℃ 미만인 경우 비용 대비 품질 개선 효율이 떨어진다.
고압수지
이송성형
방법
본 발명의 고압수지 이송성형 방법으로 제조된 섬유강화 플라스틱은 표면 품질이 우수한 특성을 갖는다. 즉, 본 발명의 고압수지 이송성형 방법으로 제조된 섬유강화 플라스틱은 표면조도가 우수하며, 사람이 육안으로 보거나 손으로 접촉 시 표면이 매끄럽다고 인식된다. 그러므로 본 발명의 고압수지 이송성형 방법으로 제조된 섬유강화 플라스틱은 소비자/사용자에게 노출되는 제품에 사용하기에 적합하며, 매끄러운 마감을 하였다는 이미지를 주고, 제품의 만족감을 높여준다. 섬유강화 플라스틱의 표면조도가 불량인 경우, 섬유강화 플라스틱의 표면이 매끄럽지 않은 것이 육안으로 확인 가능하거나 손으로 접촉 시 인식할 수 있어 제품성이 떨어진다.
고압수지 이송성형 방법은 프리폼을 금형에 넣고 수지를 주입하여 경화시킨 후 탈형하여 수행한다. 예컨대, 섬유 원단 프리폼을 이용하는 경우, 섬유 원단 프리폼(100)을 하금형(10) 상에 삽입하고 (도 1A), 수지를 주입하여 수지에 함침된 프리폼을 만들고(200) 이를 경화한 후 (도 1B), 상금형(20)을 분리하여 제품을 탈형시켜 수행한다(도 1C). 그런데 이때 경화된 사출물, 즉 섬유강화 플라스틱(300)은 금형의 온도만큼 고온 상태인데, 탈형 공정을 거치면서 갑자기 공기 중으로 노출되면 급속히 냉각되게 된다. 이 경우 섬유강화 플라스틱 표면이 수축하면서 표면이 거칠어지는데, 이는 섬유를 덮고 있던 수지 부분이 수축하면서 섬유의 형상대로 플라스틱 표면이 울퉁불퉁해지기 때문으로 추측된다.
본 발명의 고압수지 이송성형 방법은 탈형된 섬유강화 플라스틱의 냉각 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 예컨대, 본 발명의 한 구체예에서는 섬유 원단 프리폼(100)을 하금형(10) 상에 삽입하고 (도 2A), 수지를 주입하여 수지에 함침된 프리폼을 만들고(200) 이를 경화한 후 (도 2B), 상금형(20)을 분리하면서 사출물, 즉 섬유강화 플라스틱(300)에 열풍 처리를 한다(도 2C). 이로써 섬유강화 플라스틱을 열풍을 받으면서 냉각되게 되어, 열풍 처리가 없을 때보다 감소된 냉각 속도를 갖고 냉각이 서서히 일어나게 된다. 이렇게 저속 냉각된 섬유강화 플라스틱은 표면이 매끄러운데, 이는 저속 냉각이 수지의 수축에 영향을 미쳤기 때문으로 생각된다.
본 발명의 고압수지 이송성형 방법의 또다른 구체예는 챔버를 이용하여 저속 냉각을 수행하는 것이다. 예컨대, 섬유 원단 프리폼(100)을 하금형(10) 상에 삽입하고 (도 3A), 수지를 주입하여 수지에 함침된 프리폼을 만들고(200) 이를 경화한 후 (도 3B), 항온 챔버(30) 내에서 상금형(20)을 분리한다(도 3C) 이로써, 사출물, 즉 섬유강화 플라스틱(300)은 항온 챔버(30) 내에서 냉각되어, 실온에서 냉각될 때보다 감소된 냉각 속도를 갖고 냉각이 서서히 일어나게 된다. 이렇게 저속 냉각된 섬유강화 플라스틱은 표면이 매끄럽다.
본 발명의 고압수지 이송성형 방법으로 제조된 섬유강화 플라스틱은 자동차 산업, 항공우주 산업 등에 사용될 수 있으며, 예컨대, 자동차 부품, 자동차 소재, 항공기 소재, 우주선 소재 등으로 사용될 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
<재료 및 방법>
탄소섬유 직물 원단은 고압수지 이송성형 시 일반적으로 사용되는 제품을 사용하였다.
<제조예 1> 프리폼의 제조
먼저, 프리폼 제작용 하금형에 탄소섬유 직물 원단을 수용한 후 프리폼 제작용 상금형으로 가압하여 완제품의 형상에 맞게 프리폼을 제작하였다. 구체적으로는 프리폼 제작용 하금형에 형성된 3차원 형상의 개구부에 탄소섬유 직물 원단을 수용하고, 프리폼 제작용 상금형을 가압하여 상기 3차원 형상과 동일한 형상의 프리폼을 제작하였다. 그리고 프리폼이 수용된 프리폼 제작용 하금형을 재단장치 하부 위치로 수평 이동시켜 완제품 형상에 맞도록 상기 프리폼의 테두리 부분을 재단하여 프리폼을 완성하였다.
<실시예 1>
상기 제조예 1에서 제조한 프리폼을 함침용 하금형 상에 배치하고, 함침용 상금형을 닫고, 수지를 주입하여 함침시켰다. 그리고 수지에 함침된 프리폼을 120 ℃에서 4분간 경화 반응시키고, 그 후 상금형을 분리하면서 170 ℃의 열풍을 사출물에 120초 동안 처리하면서 냉각시켜 섬유강화플라스틱을 제조하였다.
<실시예 2>
170 ℃의 열풍 대신 150 ℃의 열풍을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유강화플라스틱을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 제조예 1에서 제조한 프리폼을 함침용 하금형 상에 배치하고, 함침용 상금형을 닫고, 수지를 주입하여 함침시켰다. 그리고 수지에 함침된 프리폼을 100 ℃에서 4분간 경화 반응 시켰다. 경화 반응이 완료된 금형을 50 ℃의 항온 챔버에 넣었다. 그 후 상금형을 분리하여 사출물을 챔버 내 공기에 노출시켜 냉각하여 섬유강화플라스틱을 제조하였다.
<실시예 4>
금형을 50 ℃의 항온 챔버 대신 90 ℃의 항온 챔버을 사용한 것을 제외하고 실시예 3과 동일한 방법으로 섬유강화플라스틱을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 제조예 1에서 제조한 프리폼을 함침용 하금형 상에 배치하고, 함침용 상금형을 닫고, 수지를 주입하여 함침시켰다. 그리고 수지에 함침된 프리폼을 120 ℃에서 4분간 경화 반응시키고, 그 후 상금형을 분리하여 사출물을 실온에서 냉각시켜 섬유강화플라스틱을 제조하였다.
<비교예 2>
170 ℃의 열풍 대신 70 ℃의 열풍을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유강화플라스틱을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2의 섬유강화플라스틱에 대하여 사출물의 표면의 평균 냉각 속도를 측정하였다. 상기 평균 냉각 속도는 냉각 개시 시점에서 30초가 경과한 때로부터 120초가 경과한 때까지의 상기 섬유강화플라스틱의 표면의 평균 냉각 속도 (℃/초)로 나타내었다.
그 결과, 실시예 1 내지 4의 냉각 속도는 비교예 1 및 2보다 낮은 것으로 나타났다.
<실험예 2>
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에서 제조한 섬유강화플라스틱에 대하여 표면 조도를 측정하였다. 그 결과, 실시예 1 내지 4의 섬유강화플라스틱은 비교예 1 및 2의 섬유강화플라스틱보다 표면조도값이 우수한 것으로 확인되었다.
<실험예 3>
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2에서 제조한 섬유강화플라스틱에 대하여 패널들을 대상으로 표면 품질을 5점 척도법으로 평가하였다. 상기 평가는 섬유강화플라스틱의 표면을 30대 내지 50대 남녀가 육안으로 관찰하고, 또한 손으로 만짐으로써 표면 거칠기 정도를 평가하여 수행하였다(5점: 매우 매끄러움, 4점: 매끄러움, 3점: 보통, 2점; 거칠음, 1점: 매우 거칠음).
그 결과, 실시예 1 내지 4의 섬유강화플라스틱은 비교예 1 및 2의 섬유강화플라스틱보다 육안 관찰은 물론 접촉성 평가에서도 표면이 매끄러운 것으로 인식되는 것을 알 수 있었다. 본 발명의 섬유강화플라스틱은 소비자의 시선에 노출되는 자동차 내장재 등에 적용될 수 있는바, 이러한 육안 관찰 및 접촉성 평가 결과는 표면 품질이 우수한 것으로 인정되었다.
Claims (9)
- 수지 함침 금형에 프리폼을 수용시키는 단계;
상기 수지 함침 금형에 수지를 주입하여 상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계;
상기 수지가 함침된 프리폼을 경화시켜 섬유강화플라스틱을 제조하는 단계;및
상기 섬유강화플라스틱을 저속 냉각시키는 단계를 포함하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 저속 냉각은 냉각 개시 시점에서 30초가 경과한 때로부터 120초가 경과한 때까지 상기 섬유강화플라스틱의 표면이 평균 0.5 ℃/초 이하의 냉각 속도로 냉각되는 것을 의미하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 프리폼은 섬유 원단을 이용하여 제조한 프리폼인 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계는 프리폼의 표면이 수지에 의하여 덮일 정도로 수지가 함침되는 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 수지는 에폭시 수지 또는 우레탄 수지인 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 저속 냉각은 수지 함침 금형의 상금형을 분리하고 상기 섬유강화플라스틱에 경화 온도보다 30 내지 50 ℃ 높은 열풍을 처리하여 수행하는 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 저속 냉각은 경화 온도보다 10 내지 50 ℃ 낮은 챔버 내에서 상기 섬유강화플라스틱을 냉각시켜 수행하는 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
저속 냉각이 완료된 섬유강화플라스틱의 표면 조도는 저속 냉각 공정이 없는 고압수지 이송성 방법으로 제조된 섬유강화플라스틱의 표면 조도보다 우수한 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 프리폼의 경화는 2분 내지 5분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는,
고압수지 이송성형 방법.
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Citations (4)
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| KR101641719B1 (ko) * | 2015-07-16 | 2016-07-21 | 주식회사 와이제이엠게임즈 | 수지 이송 성형을 이용한 섬유강화플라스틱 성형 방법 및 성형 장치 |
| KR20160140605A (ko) * | 2014-03-28 | 2016-12-07 | 훈츠만 어드밴스트 머티리얼스 라이센싱 (스위처랜드) 게엠베하 | 섬유 강화된 에폭시 복합 물품의 제조 방법, 얻어진 복합 물품 및 그의 용도 |
-
2017
- 2017-12-22 KR KR1020170178255A patent/KR102200972B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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