KR20200031506A - 프리폼 부형 방법 및 복합재 성형 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 수바루
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Abstract

본 발명은 복합재용의 드라이 프리폼의 부형후에 있어서 섬유의 배향을 보다 양호한 배향으로 할 수 있도록 하는 것을 과제로 한다.
실시형태에 따른 프리폼 부형 방법은, 시트형 섬유를 적층함으로써 복수의 섬유층을 갖는 섬유의 적층체를 제작하는 단계와, 적층후 또는 적층중에 시트형 섬유를 절곡함으로써 적어도 한쪽이 곡면인 제1 면과 제2 면을 연결한 형상을 갖는 프리폼을 제작하는 단계를 포함하며, 복수의 섬유층 중의 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해, 각각 절곡후에 있어서 목적으로 하는 길이 방향이 되도록, 절곡전에 있어서 섬유의 길이 방향이 상이한 방향으로 결정된 제1 시트형 섬유 및 제2 시트형 섬유로서, 절곡후에 있어서 제1 면을 형성하는 제1 시트형 섬유 및 절곡후에 있어서 제2 면을 형성하는 제2 시트형 섬유를 배치하는 것이다.

Description

프리폼 부형 방법 및 복합재 성형 방법{PREFORM FORMING METHOD AND COMPOSITE SHAPING METHOD}
본 발명의 실시형태는, 프리폼 부형 방법 및 복합재 성형 방법에 관한 것이다.
종래, 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP : Glass fiber reinforced plastics)이나 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastics) 등의 수지를 섬유로 강화한 복합재의 성형 방법의 하나로서 RTM(Resin Transfer Molding)법이 알려져 있다.
RTM법은, 시트형 섬유를 적층한 후에 열경화성 수지를 함침시켜 가열 경화하는 복합재의 성형 방법이다. RTM법 중, 진공 배기를 행하여 섬유에 수지를 함침시키는 방법은, VaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding)법이라고 불리며, 금형을 이용하여 수지를 함침시키는 방법은 매치드 다이(matched-die) RTM법이라고 불린다.
RTM법으로 복합재를 성형하는 경우에는, 수지의 함침에 앞서 드라이 프리폼이 제작된다(예컨대 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 특허문헌 3 참조). 드라이 프리폼은 시트형 섬유의 적층체를, 성형후의 복합재의 형상에 맞춰 부형한 것이다. 드라이 프리폼의 제작에 이용되는 테이프형의 섬유 기재는 드라이 테이프재라고 불린다. 드라이 테이프재를 이용하여 드라이 프리폼을 제작하는 수법으로는, 평면형의 적층 지그 상에 드라이 테이프재를 적층한 후, 드라이 테이프재의 적층체를 금형에 배치하여 가열하면서 프레스함으로써 제품 형상으로 부형하는 수법을 들 수 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2010-150685호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2004-276393호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2006-069166호 공보
그러나, 드라이 테이프재의 적층체를 프레스하면, 부형후의 형상에 따라서 섬유의 배향이 만곡되어, 섬유를 설계상 최적의 배향에 맞추는 것이 어려워지는 경우가 있다.
따라서, 본 발명은, 복합재용의 드라이 프리폼의 부형후에 있어서 섬유의 배향을 보다 양호한 배향으로 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법은, 시트형 섬유를 적층함으로써 복수의 섬유층을 갖는 섬유의 적층체를 제작하는 단계와, 적층후 또는 적층중에 상기 시트형 섬유를 절곡함으로써 적어도 한쪽이 곡면인 제1 면과 제2 면을 연결한 형상을 갖는 프리폼을 제작하는 단계를 가지며, 상기 복수의 섬유층 중의 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해, 각각 절곡후에 있어서 목적으로 하는 길이 방향이 되도록, 절곡전에 있어서 섬유의 길이 방향이 상이한 방향으로 결정된 제1 시트형 섬유 및 제2 시트형 섬유로서, 절곡후에 있어서 상기 제1 면을 형성하는 상기 제1 시트형 섬유 및 절곡후에 있어서 상기 제2 면을 형성하는 상기 제2 시트형 섬유를 배치하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 복합재 성형 방법은, 전술한 프리폼 부형 방법으로 제작된 상기 프리폼에 수지를 함침시켜 경화함으로써 복합재를 제작하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법에 의해 제작하는 것이 가능한 프리폼의 형상예를 나타내는 사시도.
도 2a 및 도 2b는 종래의 프리폼 부형 방법으로 도 1에 나타내는 프리폼을 제작하는 경우에 생기는 문제점을 설명하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법을 설명하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 섬유의 배향각을 45도로 하는 경우의 섬유의 배치예를 나타내는 도면.
도 5는 열가소성 바인더로서 열가소성 수지의 미립자를 섬유에 부착시킨 시트형 섬유의 구조를 나타내는 사시도.
도 6은 열가소성 바인더로서 열가소성의 부직포를 섬유에 부착시킨 드라이 테이프재의 구조를 나타내는 사시도.
도 7은 도 1에 나타내는 부형틀을 이용하여 시트형 섬유의 적층체의 배깅을 수반하여 프리폼을 제작하는 예를 나타내는 부형틀의 횡단면도.
도 8은 도 1에 나타내는 부형틀과 상부틀 사이에 섬유의 적층체를 끼워 넣음으로써 프리폼을 제작하는 예를 나타내는 부형틀 및 상부틀의 횡단면도.
도 9는 VaRTM법에 의해 복합재를 성형하는 방법을 설명하는 도면.
도 10은 매치드 다이 RTM법에 의해 복합재를 성형하는 방법을 설명하는 도면.
도 11은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법에 의해 제작하는 것이 가능한 프리폼의 별도의 형상예를 나타내는 사시도.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법을 설명하는 도면.
본 발명의 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법 및 복합재 성형 방법에 관해 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법에 의해 제작하는 것이 가능한 프리폼의 형상예를 나타내는 사시도이다.
도 1에 예시된 바와 같이 곡면을 포함하는 복수의 부형면를 갖는 강체의 부형틀(1)을 이용하여, 절곡된 형상을 갖는 판형의 프리폼(2)을 부형할 수 있다. 프리폼(2)은, 수지를 섬유로 강화한 CFRP나 GFRP 등의 섬유 강화 플라스틱(FRP : fiber reinforced plastics)의 소재이다. FRP는 복합재라고도 불린다.
또한, 미경화의 수지를 함침시키기 전의 부형후의 복수의 시트형 섬유의 적층체는, 수지를 함침시킨 후의 부형후의 복수의 시트형 섬유의 적층체와 구별하기 위해 드라이 프리폼이라고 불린다. 또한, 드라이 프리폼을 제작하기 위한 소재로서 테이프형의 섬유가 드라이 테이프재라는 명칭으로 시판되고 있다.
도 1에 나타내는 예에서는, 부형틀(1)의 형상이, 평판(1A) 상에 볼록부(1B)를 형성한 형상으로 되어 있고, 볼록부(1B)의 형상은, 횡단면이 직사각형인 도우넛 형상을 반경 방향으로 절단한 형상으로 되어 있다. 그리고, 부형틀(1)의 볼록부(1B)의 상면측에서의 평면이 제1 부형면(3)을, 볼록부(1B)의 내측의 측면측에서의 오목한 곡면이 제2 부형면(4)을, 볼록부(1B)의 외측의 측면측에서의 볼록한 곡면이 제3 부형면(5)을, 각각 형성하고 있다.
이 때문에, 부형틀(1)을 이용하면, 평면형의 웨브(6)의 동일한 면에 만곡된 내측의 플랜지(7)와, 만곡된 외측의 플랜지(8)를 형성한 형상을 갖는 프리폼(2)을 제작할 수 있다. 보다 구체적으로는, 산모양으로 접은 쪽에서 볼 때 볼록한 곡면(9) 및 산모양으로 접은 쪽에서 볼 때 오목한 곡면(10)을 평면(11)과 연결한 표면 형상을 갖는 판형이며 장척 구조를 갖는 프리폼(2)을 제작할 수 있다.
물론, 웨브(6)와 내측의 플랜지(7) 및 외측의 플랜지(8)의 연결 부분에 R 면취나 C 면취 등의 면취가 형성되도록 부형틀(1)의 볼록부(1B)에서의 에지에 R 면취나 C 면취 등의 면취를 하도록 해도 좋다.
도 1에 예시되는 평판 형상을 갖는 웨브(6)와 만곡된 판형의 플랜지(7, 8)를 연결한 형상과 같이, 적어도 한쪽이 곡면인 제1 면과 제2 면을 연결한 형상을 갖는 프리폼(2)을 제작하는 경우에는, 수지를 함침시키기 전의 시트형 섬유를 적층함으로써 복수의 섬유층을 갖는 섬유의 적층체를 제작하는 단계와, 적층후 또는 적층중에 시트형 섬유를 절곡함으로써 적어도 한쪽이 곡면인 제1 면과 제2 면을 연결한 형상을 갖는 프리폼(2)을 제작하는 단계를 갖는 프리폼 부형 방법으로 제작할 수 있다.
또한, 시트형 섬유의 절곡을 포함하는 부형 단계에서는, 절곡후에 곡면을 형성하는 시트형 섬유를 펼치면서 절곡하도록 해도 좋다. 구체예로서, 만곡된 판형의 플랜지(7, 8)를 형성하는 시트형 섬유에 관해서는, 조금씩 펼치면서 부형시키도록 해도 좋다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 프리폼 부형 방법으로 도 1에 나타내는 프리폼(2)을 제작하는 경우에 생기는 문제점을 설명하는 도면이다.
도 2a에 나타낸 바와 같이 섬유의 배향각이 일정한 평평한 시트형 섬유(20)를 적층하고, 도 2b에 나타낸 바와 같이 절곡할 수 있다. 이 경우, 평평한 웨브(6)를 형성하는 부분(20A)에서는 섬유의 배향각이 변화하지 않지만, 만곡된 플랜지(7, 8)를 형성하는 부분(B)에서는 섬유가 만곡되어 섬유의 배향각이 변화한다. 그 결과, 부형후의 섬유의 배향각이 목적으로 하는 배향각이 되지 않고, 복합재의 강도 및 강성의 저하로 이어진다.
따라서, 시트형 섬유의 절곡전의 섬유의 배향을, 절곡후의 섬유의 배향이 이상적인 배향이 되도록 결정할 수 있다. 이 경우, 서로 섬유의 배향이 상이한 복수의 시트형 섬유를 조합함으로써 공통의 섬유층이 형성되게 된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a에 나타낸 바와 같이 프리폼(2)을 구성하는 복수의 섬유층 중의 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해, 절곡후에 있어서 평평한 웨브(6) 등의 제1 면을 형성하는 평탄한 제1 시트형 섬유(21) 및 절곡후에 있어서 만곡된 플랜지(7, 8) 등의 제2 면을 형성하는 평탄한 제2 시트형 섬유(22)를 배치할 수 있다. 단, 제1 시트형 섬유(21) 및 제2 시트형 섬유(22)의 절곡전의 섬유의 길이 방향은, 각각 절곡후에 있어서 목적으로 하는 길이 방향이 되도록 서로 다른 방향으로 결정된다.
예컨대, 도 1에 나타내는 바와 같은 평판 형상을 갖는 웨브(6)와 만곡된 판형의 플랜지(7, 8)를 연결한 형상을 갖는 프리폼(2)을 부형하는 경우라면, 도 3b에 나타낸 바와 같이 제1 시트형 섬유(21)로 평판 형상을 갖는 웨브(6)를 형성하는 한편, 각 플랜지(7, 8)의 길이 방향으로 나열하여 인접 배치된 복수의 제2 시트형 섬유(22)로 만곡된 각 플랜지(7, 8)를 형성할 수 있다.
그리고, 도 3b에 나타낸 바와 같이 절곡후에 있어서 만곡된 플랜지(7, 8)를 형성하는 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 대표하는 방향, 즉 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 배향이, 평판 형상을 갖는 웨브(6)를 형성하는 제1 시트형 섬유(21)의 배향에 근접하도록, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 절곡전의 평탄한 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 각각 직선적으로 또한 서로 다른 방향이 되도록 결정할 수 있다.
즉, 섬유 하나하나의 길이 방향은 랜덤 방향으로 되어 있지만, 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향인 섬유의 배향을, 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22)와, 제1 시트형 섬유(21) 사이에서 가능한 한 근접하게 할 수 있다. 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 법선 방향과, 제1 시트형 섬유(21)의 법선 방향은 상이하기 때문에, 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22)와, 제1 시트형 섬유(21) 사이에서 섬유의 배향을 근접하게 하는 것은, 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 대표하는 방향을, 제1 시트형 섬유(21)의 길이 방향을 대표하는 방향에 공간적으로 대응하는 방향으로 하는 것에 상당한다. 섬유의 배향이 일정한 경우에는, 배향각으로서 섬유의 배향을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로는, 평판 형상을 갖는 웨브(6)를 형성하는 제1 시트형 섬유(21)는, 절곡하더라도 섬유의 배향각이 변화하지 않기 때문에, 절곡전의 평탄한 상태에서 일정하게 할 수 있다. 한편, 만곡된 각 플랜지(7, 8)를 형성하는 제2 시트형 섬유(22)는, 절곡후에 있어서 섬유의 배향각이 변화한다. 따라서, 절곡후에 있어서 목적으로 하는 섬유의 배향각이 얻어지도록 절곡전의 섬유의 배향각을 결정하는 것이 바람직하다.
도 3a 및 도 3b에 예시된 바와 같이 웨브(6)를 형성하는 제1 시트형 섬유(21)의 배향각이 0도(L0)인 경우에는, 절곡후에 있어서 만곡된 플랜지(7, 8)를 형성하는 섬유의 길이 방향이 평탄한 웨브(6)와 평행해지도록, 절곡전의 섬유의 길이 방향을 결정하는 것이 적절해진다. 그러나, 절곡전의 평탄한 시트형 섬유의 이상적인 길이 방향은 곡선이 되어, 시트형 섬유의 제조 비용의 증가로 이어진다.
따라서, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 만곡된 각 플랜지(7, 8)를 형성하기 위해, 각각 섬유의 길이 방향이 직선적으로 결정된 복수의 제2 시트형 섬유(22)를 배치할 수 있다. 그리고, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 절곡전의 평탄한 복수의 제2 시트형 섬유(22)를, 섬유의 배향각을 서서히 변화시키면서 배치함으로써, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 대표하는 방향을, 평판 형상을 갖는 웨브(6)와 평행해지도록 할 수 있다.
즉, 섬유의 길이 방향이 직선적인 복수의 제2 시트형 섬유(22)를 인접 배치함으로써 섬유의 길이 방향의 곡선 근사를 행할 수 있다. 이것에 의해, 도 3b에 예시된 바와 같이, 강도상 적절한 배향각을 갖는 섬유로 구성된 프리폼(2)을 제작하는 것이 가능해진다.
전형적인 프리폼(2) 및 복합재를 구성하는 복수의 섬유층 사이에서는, 섬유의 배향각이 변화한다. 바꾸어 말하면, 섬유의 배향각이 서로 다른 복수의 시트형 섬유를 적층함으로써, 섬유의 배향각이 서로 다른 복수의 섬유층을 갖는 프리폼(2)이 제작된다. 섬유의 배향각은 표준화되어 있고, 배향각이 0도, ±45도 및 90도인 시트형 섬유가 적층용으로 많이 사용된다.
도 3a 및 도 3b는 웨브(6)를 구성하는 섬유의 배향각이 0도인 경우의 예를 나타내고 있다. 이 때문에, 섬유의 배향각이 동일 또는 상이한 시트형 섬유가 두께 방향으로 적층되게 된다. 배향각이 90도인 시트형 섬유는 절곡하여 곡면을 형성하더라도 섬유의 길이 방향이 거의 변화하지 않는다. 따라서, 반드시 도 3a 및 도 3b에 예시된 바와 같이 만곡된 각 플랜지(7, 8)와 평판 형상을 갖는 웨브(6)를 형성하기 위해 하나의 섬유층을 제1 시트형 섬유(21)와 복수의 제2 시트형 섬유(22)로 분할할 필요가 없다. 즉, 섬유의 배향각이 90도인 섬유층은 1장의 시트형 섬유로 구성할 수 있다.
이것에 대하여 배향각이 45도인 시트형 섬유를 절곡하여 곡면을 형성하면, 섬유의 길이 방향이 곡선형이 된다. 이 때문에, 절곡후의 섬유의 길이 방향이 가능한 한 직선에 근접하도록, 복수의 시트형 섬유를 인접 배치하는 것이 바람직하다. 이것은 배향각이 45도인 섬유에 한정되지 않고, 다른 배향각을 갖는 섬유에서도 배향각에 따라서 발생할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 섬유의 배향각을 45도로 하는 경우의 섬유의 배치예를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이 웨브(6)를 구성하는 섬유의 배향각이 45도(L45)인 경우에는, 만곡된 각 플랜지(7, 8)를 구성하는 섬유의 배향각이 가능한 한 45도에 근접하도록, 절곡전의 섬유의 배향각이 직선적인 복수의 제2 시트형 섬유(22)를, 서로 섬유의 배향각을 바꿔 배치할 수 있다. 웨브(6)를 구성하는 섬유의 배향각이 45도인 경우에는, 도 4a에 나타낸 바와 같이 평면형으로 전개한 상태의 각 플랜지(7, 8)의 높이 방향으로, 섬유의 배향각이 단계적으로 변화하는 복수의 제2 시트형 섬유(22)를 나열하여 인접 배치하는 것이 적절해진다.
보다 구체적으로는, 절곡후에 있어서 각 플랜지(7, 8)를 형성하는 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향이 곡선적으로 되고, 또한 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 대표하는 방향이 서로 동일해지도록, 절곡전에 있어서 각각 섬유의 길이 방향이 직선적으로 결정된 복수의 제2 시트형 섬유(22)를 나열하여 배치하는 것이 적절해진다. 또한, 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향은 곡선적으로 되기 때문에, 예컨대 섬유의 양끝을 통과하는 직선이나 섬유의 중점에서의 접선의 방향이 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22) 사이에서 동일해지도록, 절곡전의 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 각각 결정할 수 있다. 즉, 절곡후의 복수의 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 대표하는 방향을, 섬유의 양끝을 통과하는 직선이나 섬유의 중점에서의 접선의 방향으로 할 수 있다.
도 3a 및 도 4a에 예시된 바와 같은 각 섬유층을 형성하기 위한 시트형 섬유를 적층 방향으로 적층할 때에는, 바인더로 임시 고정하면서 적층하는 것이 시트형 섬유의 어긋남 방지로 이어진다. 특히, 배향각이 상이한 시트형 섬유를 적층하여 복수의 섬유층을 형성하는 경우에는, 도 3a 및 도 4a를 참조하여 설명한 바와 같이, 동일한 섬유층을 형성하기 위해 인접 배치되는 복수의 시트형 섬유 사이에서의 경계 위치가, 배향각이 상이한 섬유층 사이에서 상이하다.
이 때문에, 동일한 섬유층을 형성하기 위해 복수의 시트형 섬유를 인접 배치하더라도, 바인더로 적층 방향으로 인접하는 시트형 섬유에 임시 고정함으로써 섬유의 위치 어긋남이나 절곡에 불필요한 섬유의 과잉 미끄러짐을 방지할 수 있다. 특히, 전술한 바와 같이 배향각이 90도인 섬유층은 1장의 시트형 섬유로 구성할 수 있기 때문에, 다른 섬유층이 복수의 시트형 섬유로 분할되어 있더라도, 배향각이 90도인 섬유층에 임시 고정함으로써, 섬유의 위치 어긋남이나 과잉 미끄러짐을 방지할 수 있다.
바인더로는, 열가소성 바인더 및 열경화성 바인더를 들 수 있다. 시트형, 네트형, 부직포형 또는 분말형의 열가소성 바인더를 부착시킨 시트형 섬유나 분말형 또는 액형의 열경화성 바인더를 부착시킨 시트형 섬유가 제품화되어 있다.
도 5는 열가소성 바인더로서 열가소성 수지의 미립자를 섬유에 부착시킨 시트형 섬유의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이 시트형으로 묶은 섬유 다발(30)에 열가소성 바인더로서 열가소성 수지의 미립자(31)를 도포한 시트형 섬유(32)가 제품화되어 있다.
도 6은 열가소성 바인더로서 열가소성의 부직포를 섬유에 부착시킨 드라이 테이프재의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이 시트형으로 묶은 섬유 다발(30)에 열가소성 바인더로서 열가소성의 부직포(33)를 중첩한 시트형 섬유(34)도 제품화되어 있다.
이 때문에, 도 5 및 도 6에 예시된 바와 같은 원하는 바인더를 부착시킨 시트형 섬유를 임시 고정하면서 적층할 수 있다. 물론, 임시 고정하지 않은 경우에는, 바인더가 부착되어 있지 않은 시트형 섬유를 적층해도 좋다.
또한, 바인더의 스폿 용착을 행하기 위한 가열 장치가 부착된 섬유의 자동 적층 장치가 제품화되어 있다. 이 때문에, 바인더로 임시 고정하면서 시트형 섬유를 평판형의 적층 지그 상에 적층한 후에, 도 1에 예시된 바와 같은 부형틀(1)에 시트형 섬유의 적층체를 배치하여 절곡함으로써 프리폼(2)을 제작하면, 임시 고정을 수반하는 섬유의 적층을 용이하게 자동화하는 것이 가능해진다. 또한, 섬유의 임시 고정 및 적층을 자동으로 행할지 작업자가 수작업으로 행할지에 상관없이, 섬유의 적층후에 섬유의 절곡을 행하도록 하면, 섬유의 절곡 횟수가 절곡선마다 1회가 되기 때문에, 작업량의 저감으로도 이어진다.
도 7은, 도 1에 나타내는 부형틀(1)을 이용하여 시트형 섬유의 적층체의 배깅을 수반하여 프리폼(2)을 제작하는 예를 나타내는 부형틀(1)의 횡단면도이다.
섬유의 적층체(40)의 배깅을 행하는 경우에는, 도 7에 나타낸 바와 같이 부형틀(1)의 볼록부(1B) 위에 적층된 섬유의 적층체(40)를 배깅 필름(41)으로 덮고, 배깅 필름(41)의 가장자리를 실란트(42)로 부형틀(1)의 평판(1A)에 접착함으로써, 섬유의 적층체(40)를 밀폐할 수 있다.
다음으로, 배깅 필름(41)으로 밀폐된 영역을 진공 장치(43)로 감압할 수 있다. 또한, 진공 장치(43)는 진공 호스로 배깅 필름(41)과 연결해도 좋고, 부형틀(1)과 연결해도 좋다. 진공 장치(43)에 의한 진공 배기를 행하면, 섬유의 적층체(40)에는, 대기압과, 배깅 필름(41)으로 밀폐된 영역 내에서의 압력의 차압을 부하할 수 있다. 즉, 섬유의 적층체(40)를 배깅 필름(41)으로 배깅함으로써, 섬유의 적층체(40)를 가압할 수 있다. 이것에 의해, 부형된 프리폼(2)을 취득할 수 있다.
또한, 열가소성의 바인더가 부착된 섬유의 적층체(40)를 이용하여 프리폼(2)의 부형을 행하는 경우에는, 섬유의 적층체(40)를 바인더가 용융되는 온도까지 가열하는 것이 필요하다. 따라서, 예컨대, 가열 장치(44)를 부형틀(1)에 내장하여, 열가소성의 바인더를 용융하도록 해도 좋다. 물론, 배깅된 섬유의 적층체(40)를 부형틀(1)과 함께 오븐 등의 독립된 가열 장치(44)에 반입하도록 해도 좋다.
도 8은 도 1에 나타내는 부형틀(1)과 상부틀(50) 사이에 섬유의 적층체(40)를 끼워 넣음으로써 프리폼(2)을 제작하는 예를 나타내는 부형틀(1) 및 상부틀(50)의 횡단면도이다.
도 8에 나타낸 바와 같이 부형후의 프리폼(2)의 형상에 피트하는 오목부를 형성한 상부틀(50)과, 하부틀로서 기능하는 부형틀(1) 사이에 섬유의 적층체(40)를 끼워 넣고 가압할 수 있다. 이것에 의해, 부형된 프리폼(2)을 취득할 수 있다.
부형틀(1)과 상부틀(50) 사이에 섬유의 적층체(40)를 끼워 넣는 경우에도, 열가소성의 바인더를 이용하여 프리폼(2)의 부형을 행하는 경우에는, 섬유의 적층체(40)를 바인더가 용융되는 온도까지 가열하는 것이 필요하다. 따라서, 예컨대 가열 장치(44)를 부형틀(1) 및 상부틀(50)의 적어도 한쪽에 내장하여, 열가소성의 바인더를 용융하도록 해도 좋다. 물론, 섬유의 적층체(40)를 부형틀(1) 및 상부틀(50)과 함께 오븐 등의 독립된 가열 장치(44)에 반입하도록 해도 좋다.
전술한 프리폼 부형 방법으로 프리폼(2)이 제작되면, 프리폼(2)에 수지를 함침시켜 경화함으로써 복합재를 제작할 수 있다.
도 9는 VaRTM법에 의해 복합재를 성형하는 방법을 설명하는 도면이고, 도 10은 매치드 다이 RTM법에 의해 복합재를 성형하는 방법을 설명하는 도면이다.
VaRTM법으로 복합재를 성형하는 경우에는, 도 9에 나타낸 바와 같이 복합재의 성형용 하부틀(60)의 위에 프리폼(2)이 배치된다. 하부틀(60)은, 도 1에 예시되는 부형틀(1)과 공통으로 해도 좋고, 복합재 성형 전용의 별도의 틀로 해도 좋다. 하부틀(60)과 부형틀(1)을 공통으로 하는 경우에는, 다른 장치나 설비에 관해서도 공통으로 할 수 있다.
그리고, 하부틀(60)에 배치된 프리폼(2)이 배깅 필름(61)으로 덮이고, 배깅 필름(61)의 가장자리가 실란트(62)로 하부틀(60)에 접착된다. 그리고, 배깅 필름(61)으로 밀폐된 영역이 진공 장치(63)에 의해 감압된다. 즉, 진공 장치(63)에 의한 진공 배기에 의해 프리폼(2)이 배깅된다.
한편, 매치드 다이 RTM법으로 복합재를 성형하는 경우에는, 도 10에 나타낸 바와 같이 복합재의 성형용의 하부틀(60)과 상부틀(64) 사이에 형성되는 공간에 프리폼(2)이 배치된다. 그리고, 하부틀(60)과 상부틀(64) 사이에 형성되는 공간의 진공 배기가 진공 장치(63)에 의해 행해진다.
진공 배기가 완료하면, 도 9에 나타낸 바와 같이 배깅 필름(61)을 이용하여 배깅하는 경우 또는 도 10에 나타낸 바와 같이 상부틀(64)을 이용하는 경우 모두, 수지 주입 장치(65)로부터 수지가 주입된다. 즉, 배깅 필름(61)으로 덮인 영역 또는 하부틀(60)과 상부틀(64) 사이의 영역에 수지 주입 장치(65)로부터 수지가 주입된다. 이것에 의해, 프리폼(2)에 수지를 함침시킬 수 있다.
또한, 필요에 따라서 수지에 유동성이 얻어지도록 수지 주입 장치(65)에서 수지가 가열된다. 또한, 수지가 가열된 상태로 주입되는 경우에는, 수지의 온도가 저하되지 않도록, 하부틀(60)에 가열 장치를 내장하여 수지를 가열하도록 해도 좋다. 하부틀(60)에 가열 장치를 내장하는 경우에는, 예컨대 가열 증기, 열풍, 또는 열수 등의 가열 유체를 흘리는 배관을 하부틀(60)에 내장할 수 있다. 또는, 전기식의 히터를 하부틀(60)에 내장해도 좋다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같이 상부틀(64)을 이용하는 경우에는 상부틀(64)에 가열 장치를 내장해도 좋다.
다음으로, 프리폼(2)에 함침시킨 수지의 가열 경화가 행해진다. 구체적으로는, 도 9 또는 도 10에 나타낸 바와 같이 가열 장치(66)에 의해 수지가 경화하는 온도까지 가열된다. 가열 장치(66)는, 전술한 바와 같이 하부틀(60)이나 상부틀(64)에 내장되는 가열 장치와 공통으로 해도 좋고, 오븐 등의 별도의 가열 장치로 해도 좋다. 수지를 경화 온도까지 가열하면, 수지가 경화하여, 성형후의 복합재를 제작할 수 있다. 즉, 도 1에 예시된 바와 같은 웨브(6)와 플랜지(7, 8)를 갖는 복합재를 성형할 수 있다.
또한, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한 예는, 복합재를 구성하는 매트릭스 수지가 열경화성 수지인 경우의 예이지만, 매트릭스 수지를 열가소성 수지로 해도 좋다. 매트릭스 수지가 열가소성 수지인 경우에는, 열가소성 수지를 매트릭스 수지로 하는 복합재의 공지의 제법으로 복합재를 제작할 수 있다.
또한, 복합재의 조성에 한정되지 않고, 형상에 관해서도 전술한 예에 한정되지 않고 원하는 형상을 갖는 프리폼(2) 및 복합재를 제작 대상으로 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법에 의해 제작하는 것이 가능한 프리폼의 별도의 형상예를 나타내는 사시도이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 평면형의 웨브(6)의 한쪽 면에 만곡된 내측의 플랜지(7)를 형성하는 한편, 다른쪽 면에 만곡된 외측의 플랜지(8)를 형성한 형상을 갖는 프리폼(2)을 제작할 수도 있다. 바꾸어 말하면, 횡단면이 대략 Z자의 틀인 만곡된 장척 구조를 갖는 프리폼(2)을 제작할 수도 있다. 이러한 형상을 갖는 프리폼(2)도, 산모양으로 접은 쪽에서 볼 때 볼록한 곡면(9) 및 산모양으로 접은 쪽에서 볼 때 오목한 곡면(10)을 평면(11)과 연결한 표면 형상을 갖는다.
이 경우, 강체의 부형틀(1)의 볼록부(1B)에는, 웨브(6)를 부형하기 위한 평면을 형성하는 제1 부형면(3)과, 내측의 플랜지(7) 및 외측의 플랜지(8)를 각각 부형하기 위한 볼록한 곡면을 형성하는 제2 부형면(4) 및 제3 부형면(5)을 형성할 수 있다. 또한, 시트형 섬유를 볼록부(1B)의 위에 절곡하면서 배치할 수 있도록, 제1 부형면(3), 제2 부형면(4) 및 제3 부형면(5)의 각 법선 방향을, 수직 방향 및 수평 방향에 대하여 기울일 수 있다.
이상과 같은 프리폼 부형 방법 및 복합재 성형 방법은, 절곡되어 곡면을 형성하는 시트형 섬유의 절곡전의 배향각을, 절곡후에 있어서 이상적인 배향각이 되도록 결정하도록 한 것이다.
(효과)
이 때문에, 프리폼 부형 방법 및 복합재 성형 방법에 의하면, 도 1이나 도 11에 예시된 바와 같은 만곡된 플랜지(7, 8)를 갖는 복잡한 3차원 형상을 갖는 프리폼(2) 및 복합재라 하더라도, 섬유의 배향각을 보다 적절한 배향각으로 할 수 있다. 그 결과, 복합재의 강도 및 강성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
(제2 실시형태)
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 프리폼 부형 방법을 설명하는 도면이다.
도 12a 및 도 12b에 도시된 제2 실시형태에서는, 곡면을 형성하는 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 곡선으로 함으로써 1장의 제2 시트형 섬유(22)로 하나의 섬유층에 포함되는 각 곡면을 형성하도록 한 점이 제1 실시형태와 상이하다. 제2 실시형태에서의 다른 특징에 관해서는 제1 실시형태에서의 특징과 실질적으로 다르지 않기 때문에 제1 시트형 섬유(21) 및 제2 시트형 섬유(22)의 배치예와 절곡후의 형상만 도시하고, 동일한 구성요소에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 12a에 나타낸 바와 같이 절곡후에 곡면을 형성하는 제2 시트형 섬유(22)의 절곡전의 길이 방향을, 절곡후에 있어서 이상적인 길이 방향이 되도록 곡선으로 할 수 있다. 구체예로서, 도 12b에 나타낸 바와 같이 섬유의 배향각이 0도인 제1 시트형 섬유(21)로 평판 형상을 갖는 웨브(6)를 형성하는 한편, 제2 시트형 섬유(22)로 각각 만곡된 플랜지(7, 8)를 형성하는 경우라면, 절곡후에 있어서 만곡된 플랜지(7, 8)를 각각 형성하는 제2 시트형 섬유(22)의 길이 방향을 대표하는 방향이, 평판 형상을 갖는 웨브(6)와 평행해지도록, 도 12a에 나타낸 바와 같이 곡선적으로 섬유의 길이 방향이 결정된 제2 시트형 섬유(22)를 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해 배치할 수 있다.
물론, 섬유의 배향각이 45도 등과 같이 섬유의 배향각이 다른 배향각인 경우에도, 절곡전의 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이 곡선으로 되어 있는 제2 시트형 섬유(22)를 배치함으로써, 제2 시트형 섬유(22)의 절곡후의 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향을, 보다 적절한 방향으로 할 수 있다.
이러한 제2 실시형태에 의하면, 프리폼(2) 및 복합재를 구성하는 하나의 섬유층에 포함되는 하나의 곡면을 1장의 제2 시트형 섬유(22)로 형성할 수 있다. 이 때문에, 제2 시트형 섬유(22)의 적층 작업을 비약적으로 저감할 수 있다.
(다른 실시형태)
이상, 특정한 실시형태에 관해 기재했지만, 기재된 실시형태는 일례에 불과하며 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 여기에 기재된 신규 방법 및 장치는, 여러가지 다른 양식으로 구현화할 수 있다. 또한, 여기에 기재된 방법 및 장치의 양식에 있어서, 발명의 요지로부터 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 생략, 치환 및 변경을 행할 수 있다. 첨부된 청구범위 및 그 균등물은, 발명의 범위 및 요지에 포함되어 있는 것으로서, 그와 같은 여러가지 양식 및 변형예를 포함하고 있다.
1 : 부형틀 1A : 평판
1B : 볼록부 2 : 프리폼
3, 4, 5 : 부형면 6 : 웨브
7, 8 : 플랜지 9, 10 : 곡면
11 : 평면 20 : 시트형 섬유
20A, 20B : 시트형 섬유의 부분 21 : 제1 시트형 섬유
22 : 제2 시트형 섬유 30 : 섬유 다발
31 : 미립자 32 : 드라이 테이프재
33 : 부직포 34 : 드라이 테이프재
40 : 섬유의 적층체 41 : 배깅 필름
42 : 실란트 43 : 진공 장치
44 : 가열 장치 50 : 상부틀
60 : 하부틀 61 : 배깅 필름
62 : 실란트 63 : 진공 장치
64 : 상부틀 65 : 수지 주입 장치
66 : 가열 장치

Claims (11)

  1. 시트형 섬유를 적층함으로써 복수의 섬유층을 갖는 섬유의 적층체를 제작하는 단계와,
    적층후 또는 적층중에 상기 시트형 섬유를 절곡함으로써 적어도 한쪽이 곡면인 제1 면과 제2 면을 연결한 형상을 갖는 프리폼을 제작하는 단계
    를 포함하며,
    상기 복수의 섬유층 중의 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해, 각각 절곡후에 있어서 목적으로 하는 길이 방향이 되도록, 절곡전에 있어서 섬유의 길이 방향이 상이한 방향으로 결정된 제1 시트형 섬유 및 제2 시트형 섬유로서, 절곡후에 있어서 상기 제1 면을 형성하는 상기 제1 시트형 섬유 및 절곡후에 있어서 상기 제2 면을 형성하는 상기 제2 시트형 섬유를 배치하는 것인 프리폼 부형 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프리폼으로서 평판 형상을 갖는 웨브와 만곡된 판형의 플랜지를 연결한 형상을 갖는 프리폼을 제작하는 것인 프리폼 부형 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 시트형 섬유로 상기 웨브를 형성하는 한편, 상기 제2 시트형 섬유로 상기 플랜지를 형성하고, 절곡후에 있어서 상기 플랜지를 형성하는 상기 제2 시트형 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이 상기 웨브와 평행해지도록 곡선적으로 섬유의 길이 방향이 결정된 상기 제2 시트형 섬유를 상기 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해 배치하는 것인 프리폼 부형 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 시트형 섬유로 상기 웨브를 형성하는 한편, 복수의 상기 제2 시트형 섬유로 상기 플랜지를 형성하고, 절곡후에 있어서 상기 플랜지를 형성하는 상기 복수의 제2 시트형 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이, 상기 웨브를 형성하는 상기 제1 시트형 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향에 공간적으로 대응하는 방향이 되도록, 각각 섬유의 길이 방향이 직선적으로 결정된 상기 복수의 제2 시트형 섬유로서, 섬유의 길이 방향이 서로 다른 방향이 되도록 결정된 상기 복수의 제2 시트형 섬유를 상기 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해 배치하는 것인 프리폼 부형 방법.
  5. 제4항에 있어서, 절곡후에 있어서 상기 플랜지를 형성하는 상기 복수의 제2 시트형 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이 상기 웨브와 평행해지도록, 각각 섬유의 길이 방향이 직선적으로 결정된 상기 복수의 제2 시트형 섬유로서, 상기 플랜지의 길이 방향으로 나란히 배치되는 상기 복수의 제2 시트형 섬유를 상기 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해 배치하는 것인 프리폼 부형 방법.
  6. 제4항에 있어서, 절곡후에 있어서 상기 플랜지를 형성하는 상기 복수의 제2 시트형 섬유의 길이 방향이 곡선적으로 되고, 상기 복수의 제2 시트형 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이 서로 동일해지도록, 각각 섬유의 길이 방향이 직선적으로 결정된 상기 복수의 제2 시트형 섬유로서, 상기 플랜지의 높이 방향으로 나란히 배치되는 상기 복수의 제2 시트형 섬유를 상기 적어도 하나의 섬유층을 형성하기 위해 배치하는 것인 프리폼 부형 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이 상이한 시트형 섬유를 적층함으로써 섬유의 길이 방향을 대표하는 방향이 상이한 복수의 섬유층을 갖는 섬유의 적층체를 제작하는 것인 프리폼 부형 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트형 섬유를 바인더로 임시로 고정하면서 적층함으로써 상기 섬유의 적층체를 제작하는 것인 프리폼 부형 방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트형 섬유를 적층한 후에 상기 시트형 섬유를 절곡함으로써 상기 프리폼을 제작하는 것인 프리폼 부형 방법.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 절곡후에 상기 곡면을 형성하는 상기 시트형 섬유를 펼치면서 절곡하는 것인 프리폼 부형 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 프리폼 부형 방법으로 제작된 상기 프리폼에 수지를 함침시켜 경화함으로써 복합재를 제작하는 복합재 성형 방법.
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