KR20190138155A

KR20190138155A - 복합소재의 성형방법

Info

Publication number: KR20190138155A
Application number: KR1020180064350A
Authority: KR
Inventors: 김성구; 박상언
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2019-12-12
Also published as: KR102420046B1

Abstract

복합소재의 성형방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법은 서로 다른 물성의 프리프레그를 이용한 복합소재의 성형방법에 있어서, 서로 다른 물성을 갖는 제1, 제2 프리프레그의 각 일단부를 따라 형성된 각 접합부 사이에 접착제를 개재하여 상호 접합부가 겹쳐진 상태로, 상기 제1, 제2 프리프레그를 준비하는 소재준비단계, 각 접합부를 상호 접합한 상기 제1, 제2 프리프레그를 가열금형의 하형 상에 로딩하는 로딩단계, 상기 가열금형의 상형과 하형의 합형에 의해 상기 제1, 제2 프리프레그를 상기 각 접합부와 함께 성형하는 성형단계, 및 상기 상형 및 하형의 각 내부에 상기 제1, 제2 프리프레그에 대응하여 구간별로 온도를 다르게 제어하는 발열원에 의해 상기 제1, 제2 프리프레그를 다른 온도로 가열하는 가열단계를 포함한다.

Description

복합소재의 성형방법{FORMING METHOD OF COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 복합소재의 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 물성의 프리프레그를 성형함과 동시에, 접합할 수 있는 복합소재의 성형방법에 관한 것이다.

최근 플라스틱 복합재료를 이용하여 금속재료를 대체하기 위한 연구 개발이 꾸준히 진행되고 있다.

상기 금속재료는 내열특성이나 기계적 강도면에서 매우 우수한 소재이며, 자동차, 항공기, 건설 등 매우 많은 분야에서 사용되고 있다.

하지만 상기 금속재료는 비중이 높기 때문에 무겁다는 단점이 있다.

반면, 플라스틱은 비중이 낮기 때문에 같은 크기의 제품을 만들 경우, 금속재료에 비해 몇 배나 가벼운 제품을 제조할 수 있다는 장점이 있어 이를 금속재료의 대체재로서 활용하려는 노력이 계속되고 있다.

현재까지 알려진 플라스틱들은 금속에 버금가는 성능을 구현하는 것이 매우 어렵다.

따라서 상기 플라스틱과 다른 재료를 결합하여 복합재료의 형태를 구현함으로써 금속을 대체하는 시도가 지속되고 있다.

가장 많이 사용되는 복합재료로는 열경화성 플라스틱 복합재료를 들 수 있다.

상기 열경화성 플라스틱 복합재료는 탄소 섬유나 유리 섬유를 에폭시 수지 등의 열경화성 수지에 분산시킨 후, 이를 일부 경화시켜 프리프레그를 제조한 다음, 상기 프리프레그를 원하는 형태로 가공해서 열경화를 완결하여 제품으로 제조된다.

상기와 같은 열경화성 플라스틱 복합체의 장점은 한번 경화되면 내열특성 및 기계적 물성이 매우 뛰어나다는 것이다.

반면, 상기 열경화성 플라스틱 복합체는 쉬트(sheet) 형태의 프리프레그를 이용하여 제조하므로 제품의 형상에 한계가 있으며, 열경화 과정을 거치기 때문에 생산성이 떨어지고, 리사이클이 되지 않는다는 단점이 있다.

한편, 다른 고분자 복합재료의 형태는 열가소성 고분자 복합재료이다.

상기 열가소성 고분자 복합재료를 용융 가공성이 뛰어나므로 다양한 형태의 제품 가공이 가능하며, 재활용도 가능하다는 장점이 있다.

상기 열가소성 고분자 복합재료는 사출이나 압출 가공이 가능한 열가소성 고분자에 유리 섬유 또는 탄소 섬유로 된 단섬유를 혼합하여 복합화한다.

상기 열가소성 고분자 복합재료는 이미 분자량이 높은 고분자를 이용하므로 용융 점도가 높다.

따라서 상기 단섬유를 복합화할 경우, 용융 점도가 더욱 증가하게 되어 더욱 가공성이 떨어지므로 단섬유의 함량을 높일 수 없어 기계적 물성 보강에 한계가 있으며, 복합화된 단섬유들은 무질서하게 배향되어 있게 되므로 높은 강도를 요구하는 제품에는 사용할 수 없다는 단점이 있다.

상기와 같이 다른 물성의 열경화성 고분자 복합재료와 열가소성 고분자 복합재료를 차량에 있어서 요구되는 특성에 맞게 적절하게 적용할 수 있는 연구개발이 필요하다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 하나의 금형에서 서로 다른 물성의 프리프레그를 성형함과 동시에, 접합할 수 있는 복합소재의 성형방법을 제공하고자 한다.

즉, 본 발명의 실시 예는 원하는 부분의 특성에 맞게 소재를 선택하여 성형함과 동시에, 접합할 수 있는 복합소재의 성형방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 서로 다른 물성의 프리프레그를 이용한 복합소재의 성형방법에 있어서, 서로 다른 물성을 갖는 제1, 제2 프리프레그의 각 일단부를 따라 형성된 각 접합부 사이에 접착제를 개재하여 상호 접합부가 겹쳐진 상태로, 상기 제1, 제2 프리프레그를 준비하는 소재준비단계, 각 접합부를 상호 접합한 상기 제1, 제2 프리프레그를 가열금형의 하형 상에 로딩하는 로딩단계, 상기 가열금형의 상형과 하형의 합형에 의해 상기 제1, 제2 프리프레그를 상기 각 접합부와 함께 성형하는 성형단계, 및 상기 상형 및 하형의 각 내부에 상기 제1, 제2 프리프레그에 대응하여 구간별로 온도를 다르게 제어하는 발열원에 의해 상기 제1, 제2 프리프레그를 다른 온도로 가열하는 가열단계를 포함하는 복합소재의 성형방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 소재준비단계에서, 상기 제1 프리프레그는 열가소성 프리프레그로 이루어지고, 상기 제2 프리프레그는 열경화성 프리프레그로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 접합부는 상기 제1, 제2 프리프레그의 각 일단부가 단차진 단차면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 접착제는 경화제 및 접착주제가 필름타입의 2액형 접착제로 이루어지며, 상기 제1 프리프레그의 접합부에 경화제 필름이 부착되고, 상기 제2 프리프레그의 접합부에 접합주제 필름이 부착될 수 있다.

또한, 상기 가열금형은 상기 상형 및 하형의 각 성형면에는 상기 제1 프리프레그에 대응하여 제1 가열 및 냉각구간이 형성되고, 상기 제2 프리프레그에 대응하여 제2 가열구간이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 가열 및 냉각구간에 대응하는 상기 상형 및 하형의 내부에는 가열코일과 냉각채널이 구성되고, 상기 제2 가열구간에 대응하는 상기 상형 및 하형의 내부에는 가열코일이 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1 가열 및 냉각구간은 250℃ ~ 300? 사이의 온도로 금형이 가열된 후, 100?로 냉각되는 구간이며, 상기 제2 가열구간은 120℃ ~ 170? 사이의 온도로 금형이 가열되는 구간인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 가열단계는 상기 제1 프리프레그를 270?에서 2분간 가열한 후, 100?에서 1분간 냉각함과 동시에, 상기 제2 프리프레그를 150?에서 3분간 가열하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 가열단계에 이어, 서로 다른 물성의 프리프레그로 이루어진 성형품의 가장자리를 트림 성형하여 완성품으로 가공하는 트림단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 하나의 금형에서 서로 다른 물성의 프리프레그를 성형함과 동시에, 접합할 수 있다.

다시 말해, 본 발명의 실시 예는 원하는 부분의 특성에 맞게 소재를 선택하여 하나의 금형에서 성형함과 동시에, 상호 접합할 수 있어 공정수를 줄이고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법으로 제조된 완성품의 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.

또한, 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 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법을 나타낸 공정도이다.

먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법에 적용되는 제1 프리프레그(1)는 열가소성 프리프레그이고, 제2 프리프레그(2)는 열경화성 프리프레그인 것을 예로 들어 설명한다.

이때, 상기 프리프레그는 플라스틱 재료 중 하나이며, 섬유강화 복합재료 용의 중간기재로, 강화섬유에 메트릭스 수지를 예비 함침하여 반경화 상태로 성형한 재료이다.

상기한 프리프레그의 복합소재로 형성된 완성품은 타제품에 비해 강도, 강성도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량화 등의 다양한 특성을 개선할 수 있다.

예를 들어, 상기 복합재료는 FRP(Fiber Reinforced Plastic), CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), 및 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 중, 적어도 하나를 포함할 수 있다.

여기서 상기와 같은 복합재료에 열경화성 수지를 함침시킨 복합소재가 열경화성 프리프레그이며, 열가소성 수지를 함침시킨 복합소재가 열가소성 프리프레그이다.

상기 열경화성 수지는 내열성, 기계적 성질, 및 전기절연성이 좋으며, 그 종류로는 예를 들어, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스터 수지, 에폭시 수지 등이 있다.

또한, 상기 열가소성 수지는 가열하면 물러졌다가, 냉각하면 다시 굳어지는 성질에 의해 가열에 의하여 여러가지 형태로 모양을 바꿀 수 있는 유연성이 뛰어나며, 종류로는 예를 들어, 폴리에틸렌 수지, 나일론 수지, 폴리아세틸렌 수지, 염화비닐 수지, 아크릴 수지 등이 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법은 열가소성 프리프레그로 이루어진 제1 프리프레그(1)의 일단부와, 열경화성 프리프레그로 이루어진 제2 프리프레그(2)의 일단부에 각각 접합부를 형성한다.

상기 각 접합부는 상기 제1 프리프레그(1)의 상면을 기준으로 단차면(3a)을 형성하고, 상기 제2 프리프레그(2)의 일단부에 하면을 기준으로 단차면(3b)을 형성하여 이루어진다.

상기 제1 프리프레그(1)의 단차면(3a)과 제2 프리프레그(2)의 단차면(3b)을 상호 겹쳐지게 배치한 상태로, 접착제(10)를 개재하는 소재준비단계(S1)를 진행한다.

이때, 상기 접착제(10)는 경화제와 접착주제가 필름타입의 2액형 접착제로 이루어진다.

즉, 상기 제1 프리프레그(1)의 단차면(3a)에 경화제 필름(11)이 부착되고, 상기 제2 프리프레그(2)의 단차면(3b)에 접합주제 필름(13)이 부착된다.

상기 경화제 필름(11)과 접합주제 필름(13)이 상호 용융되어 접착제(10)가 되는 것이다.

또한, 상기 경화제 필름(11)와 접합주제 필름(13)의 접착위치는 변경하여도 무방하다.

다시 말해, 상기 소재준비단계(S1)에서는 상기 제1 프리프레그(1)의 단차면(3a)에 접합주제 필름(13)이 부착되고, 상기 제2 프리프레그(2)의 단차면(3b)에 경화제 필름(11)이 부착되는 것도 가능하다.

또한, 상기 소재준비단계(S1)에서는 상기 제1 프리프레그(1)의 단차면(3a)이 상부에 위치하고, 상기 제2 프리프레그(2)의 단차면(3b)이 상기 제1 프리프레그(1)의 단차면(3a)의 하부에 위치하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)의 위치는 변경하여 적용할 수 있다.

다음으로, 각 접합부를 상호 접합한 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)를 가열금형의 하형(21) 상에 로딩하는 로딩단계(S2)를 진행한다.

상기 가열금형은 상형(20)과 하형(21)으로 이루어진다.

이러한 가열금형의 상형(20)과 하형(21)의 각 성형면(23)에는 상기 제1 프리프레그(1)에 대응하여 제1 가열 및 냉각구간(30)이 형성된다.

상기 제1 가열 및 냉각구간(30)에 대응하는 상기 상형(20) 및 하형(21)의 내부에는 가열코일(25)과 냉각채널(27)이 구성된다.

여기서 상기 제1 가열 및 냉각구간(30)은 상기 가열코일(25)에 의해 250? ~ 300? 사이의 온도로 가열금형이 가열된 후, 냉각채널(27)에 의해 100?로 냉각되도록 구성된다.

또한, 상기 가열금형의 상형(20)과 하형(21)의 각 성형면(23)에는 상기 제2 프리프레그(2)에 대응하여 제2 가열구간(31)이 형성된다.

상기 제2 가열구간(31)에 대응하는 상기 상형(20) 및 하형(21)의 내부에는 가열코일(25)이 구성된다.

여기서 상기 제2 가열구간(31)은 상기 가열코일(25)에 의해 120? ~ 170? 사이의 온도로 가열금형이 가열되도록 구성된다.

상기 제1 가열 및 냉각구간(30)의 제1 가열구간과, 상기 제2 가열구간(31)은 자기장에 의해 발생하는 유도전류를 열원으로 이용한 인덕션 히터를 포함한다.

상기 제1 가열구간과 제2 가열구간(31)은 전자기유도 현상에 의해 상기 가열코일(25)에 소용돌이 전류가 발생함과 동시에, 줄열에 의해 가열되는 구조로 이루어져 순간적으로 빠른 승온이 가능하며, 상기 성형면(23)에 대면적으로 고른 온도의 설정이 가능하다.

또한, 상기 제1 가열 및 냉각구간에서의 냉각채널(27)은 파이프 형상의 냉각채널(27)을 배치하고, 상기 냉각채널(27)에 냉각수를 흘림으로써, 상기 가열금형의 온도를 하강시킨다.

이어서, 상기 가열금형의 상형(20)과 하형(21)의 합형에 의해 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)를 상기 각 접합부와 함께 성형하는 성형단계(S3)를 진행한다.

이때, 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)는 상기 가열금형의 가압에 의해 그 두께가 초기의 상태보다 줄어든다.

상기 성형단계(S3)와 동시에, 상기 상형(20) 및 하형(21)의 각 내부에 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)에 구간별로 온도를 다르게 하여 제어하는 발열원에 의해 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)를 다른 온도로 가열하는 가열단계(S3)를 진행한다.

이때, 상기 발열원은 상기 가열코일(25)과 냉각채널을 말하는 것으로, 열가소성 프리프레그로 이루어진 제1 프리프레그(1)와, 열경화성 프리프레그로 이루어진 제2 프리프레그(2)의 물성에 따라 가열 및 냉각을 할 수 있도록 구성된 것이다.

이러한 가열단계(S3)에서는 상기 제1 프리프레그(1)를 270℃에서 2분간 가열한 후, 100℃에서 1분간 냉각함과 동시에, 상기 제2 프리프레그(2)를 150℃에서 3분간 가열한다.

상기한 가열단계(S3)에 이어, 서로 다른 물성의 프리프레그로 이루어진 성형품의 가장자리를 트림 성형하여 완성품(40)으로 가공하는 트림단계(미도시)를 진행한다.

상기 트림단계는 일반적인 트림공정을 이용하는 것으로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이때, 상기 완성품(40)은 전체적인 두께가 3t로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법으로 제조된 완성품의 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 완성품(40)은 차량의 측면부에 장착되는 필러(Pillar)를 예로 들어 설명한다.

상기 필러의 하측에는 충돌 시, 강성을 유지할 수 있는 열가소성 프리프레그인 제1 프리프레그(1)로 형성된다.

또한, 상기 필러의 상측에는 충돌 시, 탑승자의 어깨부의 보호를 위해 충돌 유연함을 가지는 열경화성 프리프레그로인 제2 프리프레그(2)로 형성된다.

이때, 상기 제1 프리프레그(1)와 제2 프리프레그(2)의 중접되는 부분, 즉, 접합부에는 접착제(10)가 경화되어 접합강성을 향상시킨다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법은 하나의 금형에서 원하는 부분의 특성에 맞도록 다른 물성의 프리프레그를 이용하여 성형과 동시에, 상호 접합할 수 있는 장점이 있다.

이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 복합소재의 성형방법은 기존의 단품으로 제작하여 접합하는 기술에 비하여 공정수가 줄어들고, 생산성이 향상될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 제1 프리프레그
2: 제2 프리프레그
3: 단차면
10: 접착제
11: 경화제 필름
13: 접합주제 필름
20: 상형
21: 하형
23: 성형면
25: 가열코일
27: 냉각채널
30: 제1 가열 및 냉각구간
31: 제2 가열구간
40: 성형제품

Claims

서로 다른 물성의 프리프레그를 이용한 복합소재의 성형방법에 있어서,
서로 다른 물성을 갖는 제1, 제2 프리프레그의 각 일단부를 따라 형성된 각 접합부 사이에 접착제를 개재하여 상호 접합부가 겹쳐진 상태로, 상기 제1, 제2 프리프레그를 준비하는 소재준비단계;
각 접합부를 상호 접합한 상기 제1, 제2 프리프레그를 가열금형의 하형 상에 로딩하는 로딩단계;
상기 가열금형의 상형과 하형의 합형에 의해 상기 제1, 제2 프리프레그를 상기 각 접합부와 함께 성형하는 성형단계; 및
상기 상형 및 하형의 각 내부에 상기 제1, 제2 프리프레그에 대응하여 구간별로 온도를 다르게 제어하는 발열원에 의해 상기 제1, 제2 프리프레그를 다른 온도로 가열하는 가열단계;
를 포함하는 복합소재의 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 소재준비단계에서, 상기 제1 프리프레그는 열가소성 프리프레그로 이루어지고, 상기 제2 프리프레그는 열경화성 프리프레그로 이루어지는 복합소재의 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 접합부는
상기 제1, 제2 프리프레그의 각 일단부가 단차진 단차면으로 형성되는 복합소재의 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 접착제는
경화제 및 접착주제가 필름타입의 2액형 접착제로 이루어지며,
상기 제1 프리프레그의 접합부에 경화제 필름이 부착되고,
상기 제2 프리프레그의 접합부에 접합주제 필름이 부착되는 복합소재의 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 가열금형은
상기 상형 및 하형의 각 성형면에는 상기 제1 프리프레그에 대응하여 제1 가열 및 냉각구간이 형성되고, 상기 제2 프리프레그에 대응하여 제2 가열구간이 형성되는 복합소재의 성형방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 가열 및 냉각구간에 대응하는 상기 상형 및 하형의 내부에는 가열코일과 냉각채널이 구성되고,
상기 제2 가열구간에 대응하는 상기 상형 및 하형의 내부에는 가열코일이 구성되는 복합소재의 성형방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 가열 및 냉각구간은 250℃ ~ 300? 사이의 온도로 금형이 가열된 후, 100?로 냉각되는 구간이며,
상기 제2 가열구간은 120℃ ~ 170? 사이의 온도로 금형이 가열되는 구간인 것을 특징으로 하는 복합소재의 성형방법.
제7항에 있어서,
상기 가열단계는
상기 제1 프리프레그를 270℃에서 2분간 가열한 후, 100℃에서 1분간 냉각함과 동시에, 상기 제2 프리프레그를 150℃에서 3분간 가열하는 단계인 것을 특징으로 하는 복합소재의 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 가열단계에 이어, 서로 다른 물성의 프리프레그로 이루어진 성형품의 가장자리를 트림 성형하여 완성품으로 가공하는 트림단계를 더 포함하는 복합소재의 성형방법.