KR20200017184A

KR20200017184A - Vartm을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200017184A
Application number: KR1020180092476A
Authority: KR
Inventors: 송준희; 김한주
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-02-18
Also published as: KR102188243B1

Abstract

본 발명은 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 수지 함침 대상의 복합재료를 진공필름 백에 내재시키고, 진공필름 백의 양측부에 한 쌍의 지그를 기밀 유지 가능하게 장착시킨 상태에서 한쪽의 지그를 통해 진공필름 백 내부에 진공을 제공하는 동시에 다른 한쪽의 지그를 통하여 수지를 공급하여, 수지가 진공 흡입력에 의하여 복합재료에 용이하게 스며들도록 함으로써, 항상 진공필름 백의 내부를 진공 상태로 유지시킬 수 있고, 그에 따라 고분자 복합재료를 신속 정확하게 성형 제작할 수 있도록 한 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치 및 방법{Device and method for molding composite materials using VARTM}

본 발명은 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형방법 및 그 입출력 지그장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복합재료 제작을 위해 기밀 유지가 가능하게 밀봉시킨 상태에서 그 내부에 진공을 조성하고, 진공 흡입력에 의하여 수지가 강화재인 섬유에 용이하게 스며들도록 한 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.

고분자 복합재료는 최소한의 무게로 높은 강도를 얻을 수 있기 때문에 경량화가 가능하고, 제품 설계에 대한 유연성이 높고 부품의 개수를 줄임으로써 부품일체화를 통한 생산성 향상이 가능하며 치수 안정성도 좋으며, 또한 피로 수명이 길고 내식성 및 전기절연성에서도 뛰어난 장점이 있어, 항공 우주 분야, 수송기기 분야, 스포츠 레져 분야 등 전 산업 분야에 걸쳐 활용되고 있고, 그 응용 분야가 점점 확대되고 있다

특히, 최근에는 상기 복합소재 분야에는 기존의 고비용 저생산성 공정인 오토 클레이브(autoclave) 공정을 대체하기 위하여 VARTM(vacuum assisted resin transfer molding), SCRIMP(seaman composite resin infusion manufacture), RIFT(resin infusion under flexible tolling) 등의 수지충전 성형공정에 대한 연구가 폭넓게 진행되고 있고, 그 결과를 바탕으로 실부품에의 적용이 확산되고 있는 추세에 있다.

상기 수지충전 성형공정 기법은 여러 부품을 결합한 일체형 구조물 제작을 가능하게 하며, 또한 섬유복합재료는 금속 소재에 비하여 비강도 특성이 우수하여 항공기 중량을 획기적으로 감소시킬 수 있으므로 기존의 금속소재에 의한 기계 가공을 최소화할 수 있는 장점을 제공한다.

상기 복합재료란, 두 가지 이상의 소재 혹은 조직으로 되어 있는 것으로 각각의 소재에 대한 특성보다는 종합적으로 우수한 기계적 특성을 나타내는 재료를 말하는 바, 이러한 복합재료는 보강재(주로섬유상)의 종류와 배열방향에 따라 기계적 특성이 좌우되는 이방성(anisotropy)을 가지고 있어 금속재료와 같은 등방성 재료에 비해 설계가 다양하고, 적절한 섬유배향 및 적층에 따라 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있고, 또한 복합재료는 부품의 무게 감소 효과 이외에 긴 피로수명, 우수한 진동 감쇄 특성, 전기 특성, 환경 특성등 기타 여러 면에서 장점을 가지고 있다.

특히, 상기 복합재료 중 하나인 섬유강화 복합재료가 VARTM(vacuum assisted resin transfer molding) 공법을 이용하여 보강재와 기지재가 결합된 형태로 성형 제작되고 있는데, 특히 고품질 분야에서 보강재로서 탄소섬유와 아라미드섬유 등을 사용하고, 기지재로서 열경화성 수지의 하나인 에폭시 수지를 사용한 섬유강화 복합재료가 성형 제작되고 있다.

여기서, 상기 VARTM 공법을 이용한 종래의 복합재료 성형 장치 및 방법을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1 및 도 2는 종래의 고분자 복합재료 진공 성형 장치 및 방법을 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 'Z' 방향에서 바라본 요부 확대도이다.

먼저, 일면 몰드(20, one-sided mold) 상에 복합재료를 구성하는 보강재(10) 로서 드라이 섬유 또는 프리폼을 올려 놓는다.

이어서, 상기 보강재(10) 위에 수지가 보강재 전체에 걸쳐 균일하고 원활하게 퍼지면서 공급되도록 한 유로망(flow media) 형태의 유동보조재(11) 및 이형필름(12)을 깔아준 다음, 최종적으로 보강재(10)에 대한 기밀 유지를 위하여 진공필름(13)을 일면 몰드(20) 위에 덮어준다.

좀 더 상세하게는, 상기 진공필름(13)의 사방 테두리 단부와 일면 몰드(20) 간을 실링테이프(14)로 부착하여, 진공필름(13)의 내부가 기밀 유지 가능한 상태로 만들어준다.

다음으로, 상기 진공필름(13)의 일측부에 진공펌프(15)와 연결된 진공제공호스(16)를 진공필름(13) 내부로 삽입시키고, 상기 진공필름(13)의 타측부에 수지가 저장된 수지공급탱크(17)와 연결된 수지공급호스(18)를 진공필름(13)의 내부로 삽입시킨다.

이때, 상기 진공제공호스(16)의 외경부와 진공필름(13) 사이, 그리고 상기 수지공급호스(18)의 외경부와 진공필름(13) 사이에도 공기가 진공필름(13) 내로 스며들지 않도록 실링테이프(14)를 부착하여 밀봉시킨다.

이러한 상태에서 상기 진공펌프(15)를 구동시키면 진공필름(13) 내의 공기가 흡입되어 진공 상태가 되고, 연이어 수지공급탱크(17)로부터의 수지를 수지공급호스(18)로 주입하면, 진공필름(15) 내에 작용하는 진공압(부압)에 의하여 수지가 드라이 섬유 또는 프리폼 등과 같은 보강재(10)에 스며들게 된다.

이와 같이, 상기 수지가 보강재(10)에 스며들며 결합된 고분자 복합재료가 성형되며, 성형된 고분자 복합재료를 오븐에서 경화시키는 공정을 통하여 최종적인 고분자 복합재료가 완성된다.

그러나, 상기한 종래의 고분자 복합재료 성형 장치 및 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 진공필름의 내부가 진공 상태를 유지하지 못하게 되는 문제점이 있다.

즉, 첨부한 도 3을 참조하면 진공제공호스(16)에 부착된 실링테이프(14)가 접착력이 떨어지거나, 특히 진공필름(13)과 실링테이프(14) 간의 틈새가 조금이라도 존재하는 경우 진공필름(13) 내에 공기가 침투하여, 결국 진공필름 내의 진공 상태가 유지되지 못하여 고분자 복합재료에 대한 진공 성형 자체가 불가능해지거나 진공 성형 품질이 크게 저하되는 문제점이 있다.

둘째, 매 성형 공정시 마다 고가의 실링테이프를 사용함에 따라, 실링테이프 소모량 증대 및 그에 따른 비용 상승의 원인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 수지 함침 대상의 복합재료를 비닐봉지 형상의 진공필름 백에 내재시키고, 진공필름 백의 양측부에 한 쌍의 지그를 기밀 유지 가능하게 장착시킨 상태에서 한쪽의 지그를 통해 진공필름 백 내부에 진공을 제공하는 동시에 다른 한쪽의 지그를 통하여 수지를 공급하여, 수지가 진공 흡입력에 의하여 복합재료에 용이하게 스며들도록 함으로써, 항상 진공필름 백의 내부를 진공 상태로 유지시킬 수 있고, 그에 따라 고분자 복합재료를 신속 정확하게 성형 제작할 수 있도록 한 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 수지 함침 대상의 보강재가 내재되는 진공필름 백; 상기 진공필름 백의 일측부에 기밀 유지 가능하게 장착되는 진공제공용 지그; 상기 진공필름 백의 타측부에 기밀 유지 가능하게 장착되는 수지공급용 지그; 상기 진공필름 백의 내부에 진공을 제공하도록 일측단은 상기 진공제공용 지그에 결합되고 타측단은 진공펌프에 연결되는 진공제공호스; 및 상기 진공제공호스로부터 공급되는 진공 흡입력에 의하여 상기 보강재에 함침을 위한 수지가 공급되도록 일측단은 상기 수지공급용 지그에 결합되고 타측단은 수지공급탱크 측에 연결되는 수지공급호스; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치를 제공한다.

상기 진공필름 백은 상부 진공필름과 하부 진공필름의 사방 테두리가 상호 접합되어 내부가 밀폐된 구조로 구비되되, 상부 진공필름의 일측부 및 타측부에는 각각 진공제공용 지그와 수지공급용 지그를 체결하기 위한 체결홀이 형성된 구조로 구비된 것임을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상부 진공필름과 하부 진공필름은 수지 함침 대상의 보강재가 내재되고, 진공제공용 지그와 수지공급용 지그가 결합된 상태에서 그 사방 테두리가 열융착 방식으로 접합되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그는: 하부에 상기 진공필름 백의 내재되는 받침블럭이 형성되고, 상부에는 진공필름 백의 상부 진공필름을 관통하여 외부로 돌출되는 체결블럭이 일체로 형성되며, 중앙에는 유체통과홀이 관통 형성된 고정지그; 상기 받침블럭 위에 안착되어 상부 진공필름의 내면에 밀착되는 실링부재; 상기 상부 진공필름의 외부로 돌출된 체결블럭에 체결되며 실링부재와 상부 진공필름을 사이에 두고 밀착되는 가동지그; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정지그의 체결블럭 둘레면에는 숫나사가 형성되고, 상기 가동지그의 내경부에는 암나사가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정지그의 체결블럭 위에는 호스 압입 체결을 위하여 유체통과홀과 일치하는 중공의 호스 체결단이 일체로 더 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정지그의 받침블럭 저면에는 수지를 사방으로 퍼지도록 안내하는 서로 교차되는 복수의 수지 안내홈이 형성되고, 이 수지 안내홈을 포함하는 받침블럭의 저면에 걸쳐 수지와의 계면 분리를 위한 테프론 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가동지그의 상부면에는 가동지그를 회전시키기 위하여 직각으로 절삭된 2개 이상의 단차부가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: 상호 접합 가능한 상부 진공필름과 하부 진공필름으로 이루어진 진공필름 백 구비 단계; 상기 진공필름 백의 내부에 진공을 제공하기 위한 진공제공용 지그와, 수지를 공급하기 위한 수지공급용 지그를 구비하는 단계; 상기 진공필름 백의 일측부에 진공제공용 지그를 기밀 유지 가능하게 체결하는 동시에 상기 진공필름 백의 타측부에 수지공급용 지그를 기밀 유지 가능하게 체결하는 단계; 상기 진공필름 백의 내부에 수지 함침 대상의 보강재를 내재시킨 후, 상부 진공필름과 하부 진공필름의 사방을 상호 접합시켜 진공필름 백의 내부를 기밀 유지 가능하게 밀봉시키는 단계; 상기 진공필름 백의 내부에 진공을 제공하기 위하여 상기 진공제공용 지그에 진공제공호스를 결합하는 동시에 상기 보강재에 함침을 위한 수지를 공급하기 위하여 상기 수지공급용 지그에 수지공급호스를 결합하는 단계; 상기 진공제공호스 및 진공제공용 지그를 통하여 진공필름 백의 내부에 진공을 제공하는 단계; 및 상기 수지공급호스 및 수지공급용 지그를 통하여 상기 진공필름 백에 내재된 보강재에 수지를 공급하는 단계; 를 포함하고, 상기 진공필름 백의 내부에 제공되는 진공 흡입력에 의하여 상기 보강재에 수지가 점진적으로 함침되어, 보강재와 수지가 결합된 복합재료가 성형되도록 한 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 방법을 제공한다.

상기 진공필름 백의 내부를 기밀 유지 가능하게 밀봉시키는 단계에서, 상기 상부 진공필름과 하부 진공필름의 그 사방 테두리는 수지 함침 대상의 보강재가 진공필름 백 내에 내재되고, 진공제공용 지그와 수지공급용 지그가 결합된 후에 열융착 방식으로 접합되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그는: 하부에 상기 진공필름 백의 내재되는 받침블럭이 형성되고, 상부에는 진공필름 백의 상부 진공필름을 관통하여 외부로 돌출되는 체결블럭이 일체로 형성되며, 중앙에는 유체통과홀이 관통 형성된 고정지그; 상기 받침블럭 위에 안착되어 상부 진공필름의 내면에 밀착되는 실링부재; 상기 상부 진공필름의 외부로 돌출된 체결블럭에 체결되며 실링부재와 상부 진공필름을 사이에 두고 밀착되는 가동지그; 를 포함하는 구성으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그를 구비하는 단계에서, 상기 고정지그의 체결블럭 둘레면에는 숫나사가 형성되고, 상기 가동지그의 내경부에는 암나사가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그를 구비하는 단계에서, 상기 고정지그의 체결블럭 위에는 호스 압입 체결을 위하여 유체통과홀과 일치하는 중공의 호스 체결단이 일체로 더 형성되고, 상기 고정지그의 받침블럭 저면에는 수지와의 계면 분리를 위하여 테프론 코팅층이 더 형성되며, 상기 가동지그의 상부면에는 가동지그를 회전시키기 위하여 직각으로 절삭된 2개 이상의 단차부가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보강재와 수지가 결합된 복합재료가 성형된 후, 복합재료의 경화 공정이 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 복합재료의 경화 공정은 오븐 내에서 진행하되, 60~80℃에서 120분 동안 경화 공정이 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 수지 함침 대상의 복합재료를 내재시키는 진공필름 백과, 진공필름 백의 양측부에 장착되는 동일 구조의 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그를 이용하여 진공필름 백 내부에 진공을 제공하는 동시에 수지를 공급하여, 수지가 진공 흡입력에 의하여 복합재료에 일정하고 고르게 스며들도록 함으로써, 고분자 복합재료를 신속 정확하게 성형 제작할 수 있다.

둘째, 기존에 진공필름 내로 에어가 침투하던 문제점과 달리, 진공필름 백의 내부를 항상 진공 상태로 유지시킬 수 있고, 동일 구조로 구비되는 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그를 이용하여 진공 및 수지 공급이 원활하게 이루어질 수 있으므로, 불량품 없이 고분자 복합재료를 신속 정확하게 성형 제작할 수 있다.

셋째, 기존에 매 성형 공정시 마다 고가의 실링테이프를 사용함에 따라, 실링테이프 소모량 증대 및 그에 따른 비용 상승의 원인이 되는 문제점을 해소할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 고분자 복합재료 진공 성형 장치 및 방법을 도시한 단면도 및 평면도,
도 3은 도 1의 'Z' 방향에서 바라본 요부 확대도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 고분자 복합재료 진공 성형 장치의 구성 중 지그를 도시한 분리 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 고분자 복합재료 진공 성형 장치를 도시한 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 고분자 복합재료 진공 성형 방법 중 경화 공정을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명에 따른 진공 성형 장치의 구성 중 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그에 대한 구조를 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 고분자 복합재료 진공 성형 장치의 구성 중 지그를 도시한 분리 사시도이고, 도 6은 지그를 포함하는 본 발명의 고분자 복합재료 진공 성형 장치를 도시한 단면도로서, 각 도면에서 도면부호 200은 진공제공용 지그를 지시하고, 도면부호 300은 수지공급용 지그를 지시한다.

상기 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)는 진공필름 백(100)의 일측부 및 타측부에 기밀 유지 가능하게 장착되는 것으로서, 서로 동일한 구조 및 구성으로 구비된다.

이를 위해, 상기 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그(200,300)는 고정지그(210)와, 실링부재(220)와, 가동지그(230) 등 서로 분리 가능하게 조립되는 총 3개의 피스(piece)로 구성된다.

상기 고정지그(210)는 하부에 상기 진공필름 백(100)의 내재되는 받침블럭(212)이 형성되고, 상부에는 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)을 관통하여 외부로 돌출되는 체결블럭(214)이 일체로 형성된 구조로 구비되고, 받침블럭(212) 및 체결블럭(214)의 중앙에는 유체통과홀(216)이 관통 형성된다.

또한, 상기 고정지그(210)의 체결블럭(214) 위에는 호스 압입 체결을 위하여 유체통과홀(216)과 일치하는 중공의 호스 체결단(218)이 일체로 더 형성된다.

더욱이, 상기 고정지그(210)의 받침블럭(212) 저면에는 수지를 사방으로 퍼지도록 안내하는 서로 교차되는 복수의 수지 안내홈(217), 예를 들어 십자형상의 수지 안내홈(217)이 형성된다.

바람직하게는, 상기 수지 안내홈(217)을 포함하는 받침블럭(212)의 저면에 걸쳐 추후에 수지와의 계면 분리를 위한 테프론 코팅층(213)이 형성된다.

이때, 상기 고정지그(212)의 받침블럭(212)은 원판 형태로 형성되어 진공필름 백(100)의 내부에 내재되고, 받침블럭(212) 위에 일체로 형성되는 체결블럭(214)은 받침블럭(212)보다 작은 직경의 원통 형태로 구비되어 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)을 통과하여 외부로 돌출되며, 체결블럭(214) 위에 일체로 형성되는 호스 체결단(218)은 체결블럭(214)의 유체통과홀(216)과 일치하는 수준의 직경을 갖는 원통 형태로 구비된다.

상기 실링부재(220)는 원형 링 형태로 구비되어, 상기 받침블럭(212)이 진공필름 백(100)의 내부에 내재될 때, 받침블럭(212) 상에 그 저면이 안착되는 동시에 그 상면이 상부 진공필름(102)의 내면에 밀착된다.

상기 가동지그(230)는 상기 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)의 외부로 돌출된 체결블럭(214)에 체결되며, 체결시 가압력으로 상부 진공필름(102)을 사이에 두고 실링부재(220)를 가압하게 된다.

이때, 상기 고정지그(210)의 체결블럭(214)에 대한 가동지그(230)의 체결을 위하여, 상기 체결블럭(214)의 둘레면에는 숫나사(215)가 형성되고, 상기 가동지그(230)의 내경부에는 암나사(232)가 형성된다.

더욱이, 상기 가동지그(230)의 상부면에는 작업자가 가동지그(230)를 잡고 용이하게 회전시키기 위하여 직각으로 절삭된 2개 이상의 단차부(234)가 더 형성된다.

한편, 상기 진공필름 백(100)은 동일 면적을 갖는 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)의 사방 테두리가 상호 접합되어 내부가 밀폐된 구조로 구비된다.

바람직하게는, 상기 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)의 일측부 및 타측부에는 각각 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)를 체결하기 위한 체결홀(106) 즉, 상기 고정지그(210)의 체결블럭(214)이 외부로 돌출되도록 삽입 관통되는 체결홀(106)이 형성된다.

이때, 상기 진공필름 백(100)을 구성하는 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)의 사방 테두리가 열융착 방식 등에 의하여 상호 접합되어 진공필름 백(100)의 내부가 밀폐된 상태가 되도록 하되, 그 접합 전에 진공필름 백(100) 내에 수지 함침 대상의 보강재(10)를 내재시키고, 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)를 결합시킨 상태에서 그 사방 테두리가 열융착 방식으로 접합되도록 한다.

여기서, 상기와 같이 구비되는 진공필름 백(100), 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)를 이용하여 고분자 복합재료를 진공 성형하는 과정을 첨부한 도 6을 참조로 살펴보기로 한다.

먼저, 상기 진공필름 백(100)을 일면 몰드(20) 상에 올려 놓은 상태에서, 그 내부에 진공 성형 대상품인 수지 함침 대상의 보강재(10, 예를 들어 드라이 섬유 또는 프리폼)를 내재시킨다.

즉, 상기 진공필름 백(100)은 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)으로 구성되는 바, 그 사방 테두리를 상호 접합하지 않은 상태에서 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104) 사이에 수지 함침 대상의 보강재(10, 예를 들어 드라이 섬유 또는 프리폼)를 내재시킨다.

이어서, 상기 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)의 일측부 및 타측부에 형성된 체결홀(106)에 각각 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)를 체결한다.

이를 위해, 먼저 상기 고정지그(210)를 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104) 사이로 넣어서, 고정지그(210)의 받침블럭(212)은 내재시키는 동시에 체결블럭(214) 및 호스 체결단(218)을 체결홀(106)을 통해 상부 진공필름(102)의 외부로 돌출시킨다.

이때, 상기 체결블럭(214) 및 호스 체결단(218)을 외부로 돌출시키기 전에 받침블럭(212) 위에 실링부재(220)를 안착시키고, 연이어 상기 가동지그(230)를 받침블럭(212)에 체결 고정시킨다.

좀 더 상세하게는, 상기 가동지그(230)의 단차부(234)를 잡고 회전시키는 동작에 의하여 가동지그(230)의 내경에 형성된 암나사(232)가 체결블럭(214)의 숫나사(215)에 체결됨으로써, 고정지그(210)에 대한 가동지그(230)의 결합이 완료되고, 가동지그(230)의 체결 가압력에 의하여 실링부재(220)가 가압되어 기밀 유지가 이루어지게 된다.

이와 같이, 상기 진공필름 백(100) 내에 수지 함침 대상의 보강재(10)를 내재시키고, 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)를 결합시킨 상태에서 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)의 사방 테두리를 열융착 방식 등에 의하여 접합시킴으로써, 진공필름 백(100)의 내부가 완전하게 기밀 유지되는 밀폐 상태가 된다.

다음으로, 상기 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)의 호스 체결단(218)에 각각 진공제공호스(16)과 수지공급호스(18)를 연결한다.

이때, 상기 진공제공호스(16)는 상기 진공필름 백(100)의 내부에 진공을 제공하도록 진공공급장치인 진공펌프(15)와 연결되고, 상기 수지공급호스(18)는 보강재(10)에 함침을 위한 수지를 공급하도록 수지공급탱크(17)와 연결된다.

이어서, 상기 진공제공호스(16) 및 진공제공용 지그(200)를 통하여 진공필름 백(100)의 내부에 진공을 제공하여 진공필름 백(100)의 내부를 부압으로 만들어주고, 연이어 상기 수지공급호스(18) 및 수지공급용 지그(300)를 통하여 상기 진공필름 백(100)에 수지를 공급하는 바, 수지가 진공 흡입력에 의하여 상기 보강재(10)에 점진적으로 함침된다.

이때, 상기 고정지그(210)의 받침블럭(212) 저면에 형성된 수지 안내홈(217)을 통하여 수지가 진공필름 백(100) 내의 사방으로 용이하게 퍼지면서 상기 보강재(10)에 점진적으로 함침된다.

이에, 상기 수지가 보강재(10)의 전체 면적에 걸쳐 함침되면 복합재료의 진공 성형이 완료된다.

다음으로, 상기 보강재(10)와 수지가 결합된 복합재료가 성형 완료되면, 복합재료를 진공필름 백(100)에 그대로 내재시킨 상태 또는 진공필름 백(100)으로부터 취출한 상태에서 복합재료의 경화 공정을 진행한다.

이를 위해, 상기 복합재료를 오븐에 넣고, 첨부한 도 7의 그래프에서 보듯이 오븐온도 60 ~ 80℃에서 30분 동안 경화 공정을 진행하는 것이 바람직하고, 고분자 특성상 갑자기 완전 경화 온도까지 올리면 경화가 급속히 진행되어 복합재료 내부에 열응력(잠재에너지)에 의한 내부응력이 존재하게 되므로 내부응력을 최소화하기 위해 경화공정을 80℃에서 30분 동안 실시하는 1차 경화 공정과, 120℃에서 120분 동안 실시하는 2차 경화 공정으로 나누어 실시하여도 무방하다.

한편, 상기 진공필름 백(100)의 내부에 존재하게 되는 받침블럭(212)의 저면에는 테프론 코팅층(213)이 형성되어 있기 때문에 수지와의 계면 분리가 원활하게 되고, 그에 따라 받침블럭(212)을 포함하는 각 지그를 용이하게 재활용할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 수지 함침 대상의 복합재료를 내재시키는 진공필름 백과, 진공필름 백의 양측부에 장착되는 동일 구조의 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그를 이용하여 진공필름 백 내부에 진공을 제공하는 동시에 수지를 공급하여, 수지가 진공 흡입력에 의하여 복합재료에 일정하고 고르게 스며들도록 함으로써, 고분자 복합재료를 신속 정확하게 성형 제작할 수 있다.

한편, 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 이러한 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)에는 금속표면의 부식현상을 방지하기 위하여 부식방지도포층이 도포될 수 있다. 이 부식방지도포층의 도포 재료는 메트캅토트리아졸 20중량%, 페트롤륨술포네이트 15중량%, 머캅토벤조티아졸 10중량%, 하프늄 15중량%, 유화몰리브덴(MoS2) 10중량%, 산화알루미늄 30중량%로 구성되며, 코팅두께는 8㎛로 형성할 수 있다.

메트캅토트리아졸, 페트롤륨술포네이트 및 머캅토벤조티아졸은 부식 방지 및 변색 방지 등의 역할을 한다.

하프늄은 내부식성이 있는 전이 금속원소로서 뛰어난 방수성, 내식성 등을 갖도록 역할을 한다.

유화몰리브덴은 코팅피막의 표면에 습동성과 윤활성 등을 부여하는 역할을 한다.

산화알루미늄은 내화도 및 화학적 안정성 등을 목적으로 첨가된다.

상기 구성 성분의 비율 및 코팅 두께를 상기와 같이 수치한정한 이유는, 본 발명자가 수차례 시험결과를 통해 분석한 결과, 상기 비율에서 최적의 부식방지 효과를 나타내었다.

또한, 진공제공호스(16) 및 수지공급호스(18)에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 효과적으로 달성할 수 있도록 오염 방지도포용 조성물로 이루어진 오염방지도포층이 도포될 수 있다.

상기 오염 방지 도포용 조성물은 알킬레이트 폴리글루코사이드 및 아미노알킬 슬로베타인이 1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있고, 알킬레이트 폴리글루코사이드와 아미노알킬 슬로베타인의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~10 중량%이다.

상기 알킬레이트 폴리글루코사이드 및 아미노알킬 슬로베타인는 몰비로서 1:0.01 ~ 1:2가 바람직한 바, 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 기재의 도포성이 저하되거나 도포후 표면의 수분흡착이 증가하여 도포막이 제거되는 문제점이 있다.

상기 알킬레이트 폴리글루코사이드 및 아미노알킬 슬로베타인는 전제 조성물 수용액중 1 ~ 10 중량%가 바람직한 바, 1 중량% 미만이면 기재의 도포성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 도포막 두께의 증가로 인한 결정석출이 발생하기 쉽다.

한편, 본 오염 방지 도포용 조성물을 진공제공호스(16) 및 수지공급호스(18)에 도포하는 방법으로는 스프레이법에 의해 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기재 상의 최종 도포막 두께는 500 ~ 2000Å이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1000 ~ 2000Å이다. 상기 도포막의 두께가 500Å 미만이면 고온 열처리의 경우에 열화되는 문제점이 있고, 2000Å을 초과하면 도포 표면의 결정석출이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

또한, 본 오염 방지 도포용 조성물은 알킬레이트 폴리글루코사이드 0.1 몰 및 아미노알킬 슬로베타인 0.05몰을 증류수 1000 ㎖에 첨가한 다음 교반하여 제조될 수 있다.

그리고, 실링부재(220)는 고무 재질로 이루어질 수 있으며, 이러한 실링부재(220)의 원료 함량비는 고무 60중량%, 카아본블랙 33~36중량%, 산화방지제 2~5중량%, 촉진제인 유황 1~3중량%를 혼합한다.

카본블랙은 내마모성을 증대시키는 것이므로 이를 첨가하되, 함유량이 33중량% 미만이면, 탄성과 내마모성이 줄어들며, 36중량%가 초과 되면 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 33~36중량%를 혼합한다.

산화방지제는 3C (N-PHENYL-N'-ISOPROPYL- P-PHENYLENEDIAMINE) 또는 RD(POLYMERIZED 2,2,4-TRIMETHYL-1,2- DIHYDROQUINOLINE)을 선택하여 2~5중량%를 첨가하는 것으로, 2중량% 미만이면, 제품이 산화가 되기 쉽고, 너무 많이 첨가하여 5중량%를 초과하면, 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 또한 산화방지제의 가격이 비싸기 때문에 2~5중량%가 적정하다.

촉진제인 유황은 1~3중량%를 혼합한다. 1 중량% 미만은 성형시 가열공정에서 가황작용 효과가 미미하므로, 1 중량% 이상을 첨가한다. 3중량%를 초과하면, 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 1 ~ 3중량%가 적정하다.

따라서 본 발명은 여러 방향에 탄성을 갖는 합성고무로 보강되므로 실링부재(220)의 탄성, 인성 및 강성이 증대되므로 내구성이 향상되며, 이에 따라 실링부재(220)의 수명이 증대된다.

10 : 보강재
11 : 유동보조재
12 : 이형필름
13 : 진공필름
14 : 실링테이프
15 : 진공펌프
16 : 진공제공호스
17 : 수지공급탱크
18 : 수지공급호스
20 : 일면 몰드
100 : 진공필름 백
102 : 상부 진공필름
104 : 하부 진공필름
106 : 체결홀
200 : 진공제공용 지그
210 : 고정지그
212 : 받침블럭
213 : 테프론 코팅층
214 : 체결블럭
215 : 숫나사
216 : 유체통과홀
217 : 수지 안내홈
218 : 호스 체결단
220 : 실링부재
230 : 가동지그
232 : 암나사
234 : 단차부
300 : 수지공급용 지그

Claims

수지 함침 대상의 보강재(10)가 내재되는 진공필름 백(100);
상기 진공필름 백(100)의 일측부에 기밀 유지 가능하게 장착되는 진공제공용 지그(200);
상기 진공필름 백의 타측부에 기밀 유지 가능하게 장착되는 수지공급용 지그(300);
상기 진공필름 백(100)의 내부에 진공을 제공하도록 일측단은 상기 진공제공용 지그(200)에 결합되고 타측단은 진공펌프(15)에 연결되는 진공제공호스(16); 및
상기 진공제공호스(16)로부터 공급되는 진공 흡입력에 의하여 상기 보강재(10)에 함침을 위한 수지가 공급되도록 일측단은 상기 수지공급용 지그(300)에 결합되고, 타측단은 수지공급탱크(17) 측과 연결되는 수지공급호스(18);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 진공필름 백(100)은 사방 테두리가 상호 접합되어 밀폐된 내부공간을 형성하기 위한 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)으로 구성되고, 상부 진공필름(102)의 일측부 및 타측부에는 각각 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)를 체결하기 위한 체결홀(106)이 형성되고;
상기 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)은 수지 함침 대상의 보강재(10)가 내재되고, 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)가 결합된 상태에서 그 사방 테두리가 열융착 방식으로 접합되는 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 진공제공용 지그 및 수지공급용 지그(200,300)는:
하부에 상기 진공필름 백(100)의 내재되는 받침블럭(212)이 형성되고, 상부에는 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)을 관통하여 외부로 돌출되는 체결블럭(214)이 일체로 형성되며, 중앙에는 유체통과홀(216)이 관통 형성된 고정지그(210);
상기 받침블럭(212) 위에 안착되어 상부 진공필름(102)의 내면에 밀착되는 실링부재(220);
상기 상부 진공필름(102)의 외부로 돌출된 체결블럭(214)에 체결되며 실링부재(220)와 상부 진공필름(102)을 사이에 두고 밀착되는 가동지그(230);
로 구성되는 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 고정지그(210)의 체결블럭(214) 둘레면에는 숫나사(215)가 형성되고, 상기 가동지그(230)의 내경부에는 암나사(232)가 형성되고;
상기 고정지그(210)의 체결블럭(214) 위에는 호스 압입 체결을 위하여 유체통과홀(216)과 일치하는 중공의 호스 체결단(218)이 일체로 더 형성된 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 고정지그(210)의 받침블럭(212) 저면에는 수지를 사방으로 퍼지도록 안내하는 서로 교차되는 복수의 수지 안내홈(217)이 형성되고, 수지 안내홈(217)을 포함하는 받침블럭(212)의 저면에 걸쳐 수지와의 계면 분리를 위한 테프론 코팅층(213)이 형성된 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 가동지그(230)의 상부면에는 가동지그(230)를 회전시키기 위하여 직각으로 절삭된 2개 이상의 단차부(234)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 장치.
상호 접합 가능한 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)으로 이루어진 진공필름 백(100) 구비 단계;
상기 진공필름 백(100)의 내부에 진공을 제공하기 위한 진공제공용 지그(200)와, 수지를 공급하기 위한 수지공급용 지그(300)를 구비하는 단계;
상기 진공필름 백(100)의 일측부에 진공제공용 지그(200)를 기밀 유지 가능하게 체결하는 동시에 상기 진공필름 백(100)의 타측부에 수지공급용 지그(300)를 기밀 유지 가능하게 체결하는 단계;
상기 진공필름 백(100)의 내부에 수지 함침 대상의 보강재(10)를 내재시킨 후, 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)의 사방을 상호 접합시켜 진공필름 백(100)의 내부를 기밀 유지 가능하게 밀봉시키는 단계;
상기 진공필름 백(100)의 내부에 진공을 제공하기 위하여 상기 진공제공용 지그(200)에 진공제공호스(16)를 결합하는 동시에 상기 보강재(100에 함침을 위한 수지를 공급하기 위하여 상기 수지공급용 지그(300)에 수지공급호스(18)를 결합하는 단계;
상기 진공제공호스(16) 및 진공제공용 지그(200)를 통하여 진공필름 백(100)의 내부에 진공을 제공하는 단계; 및
상기 수지공급호스(18) 및 수지공급용 지그(300)를 통하여 상기 진공필름 백(100)에 내재된 보강재(10)에 수지를 공급하는 단계;
를 포함하고,
상기 진공필름 백(100)의 내부에 제공되는 진공 흡입력에 의하여 상기 보강재(10)에 수지가 점진적으로 함침되어, 보강재(10)와 수지가 결합된 복합재료가 성형되도록 한 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 진공필름 백(100)의 내부를 기밀 유지 가능하게 밀봉시키는 단계에서,
상기 상부 진공필름(102)과 하부 진공필름(104)의 그 사방 테두리는 수지 함침 대상의 보강재(10)가 진공필름 백(100) 내에 내재되고, 진공제공용 지그(200)와 수지공급용 지그(300)가 결합된 후에 열융착 방식으로 접합되는 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)를 구비하는 단계에서, 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)는:
하부에 상기 진공필름 백(100)의 내재되는 받침블럭(212)이 형성되고, 상부에는 진공필름 백(100)의 상부 진공필름(102)을 관통하여 외부로 돌출되는 체결블럭(214)이 일체로 형성되며, 중앙에는 유체통과홀(216)이 관통 형성된 고정지그(210);
상기 받침블럭(212) 위에 안착되어 상부 진공필름(102)의 내면에 밀착되는 실링부재(220);
상기 상부 진공필름(102)의 외부로 돌출된 체결블럭(214)에 체결되어 상기 실링부재(220)와 상부 진공필름(102)을 사이에 두고 밀착되는 가동지그(230)를 포함하는 구성으로 구비되고;
상기 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)를 구비하는 단계에서, 상기 고정지그(210)의 체결블럭(214) 둘레면에는 숫나사(215)가 형성되고, 상기 가동지그(230)의 내경부에는 암나사(232)가 형성되며;
상기 진공제공용 지그(200) 및 수지공급용 지그(300)를 구비하는 단계에서, 상기 고정지그(210)의 체결블럭(214) 위에는 호스 압입 체결을 위하여 유체통과홀(216)과 일치하는 중공의 호스 체결단(218)이 일체로 더 형성되고,
상기 고정지그(210)의 받침블럭(212) 저면에는 수지와의 계면 분리를 위하여 테프론 코팅층(213)이 더 형성되며,
상기 가동지그(230)의 상부면에는 가동지그(230)를 회전시키기 위하여 직각으로 절삭된 2개 이상의 단차부(234)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 보강재(10)와 수지가 결합된 복합재료가 성형된 후, 복합재료의 경화 공정이 더 진행되고;
상기 복합재료의 경화 공정은 오븐 내에서 진행하되, 60~80℃에서 120분 동안 진행하는 경화 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 VARTM을 이용한 복합재료의 신속 간편 성형 방법.