KR20220092399A - 탄소섬유복합재 부품의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

탄소섬유복합재 부품의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품 제조장치는 탄소섬유복합재 프리프레그가 적층되고, 탄소섬유복합재 부품에 대응되는 형상으로 이루어진 코어금형; 상기 코어금형의 하부에 위치하여 상기 코어금형이 적층되고, 상기 코어금형을 가열 및/또는 냉각시키는 베이스금형; 및 상기 코어금형에 적층된 탄소섬유복합재 프리프레그을 가압하기 위해 상기 코어금형의 베이스금형과 마주보는 방향의 반대 방향에서 상기 코어금형에 대향되도록 위치하는 가압금형;을 포함한다.

Description

탄소섬유복합재 부품의 제조방법 및 제조장치{Manufacturing Machine and Method for Carbon Fiber Composite Material Component}
본 발명은 탄소섬유복합재 부품의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
탄소섬유복합재는 종래의 항공기용 날개와 같은 대형 구조용 부품(end-to-end가 큰 부품)뿐만 아니라 자동차의 코스메틱(cosmetic)부품으로 다양하게 활용되고 있다.
탄소섬유복합재를 이용한 부품을 대량으로 생산하기 위해, 오토클레이브(Autoclave) 공법이나 Prepreg Compression Molding(PCM)과 High Pressure Resin Transfer Molding(HP-RTM) 이 이용되고 있다.
이중 종래의 오토클레이브 공법(등록특허 제 1990414호)은 도 1에 도시한 바와 같이, 탄소섬유-에폭시 프리프레그를 준비하는 단계와, 탄소섬유-에폭시 프리프레그를 다수 겹 적층하는 단계와, 예열해 놓은 금형에 안치하여 성형하는 단계와, 탈형하여 가공하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 성형하는 단계는 오토 클레이브에서 고온 및 고압으로 성형하는 단계이다.
보다 구체적으로 오토클레이브 공법은 제품면을 성형하는 금형에 프리프레그를 적층한 후, 브리더를 비롯하여 진공 배깅(bagging) 작업을 시행하여 오토클래이브 장비(예를 들면 챔버) 안을 진공으로 만든 후 에어를 통해 가압하고, 경화온도까지 가열하여 프리프레그를 경화시킨다.
그러나 종래의 오토클레이브 공법에서는 공기를 이용한 대류를 이용하여 금형과 프리프레그를 가열하기 때문에 가열과 냉각속도가 느리다.
특히 부품의 부피가 큰 경우, 대류를 이용한 종래의 가열 방식은 부품 내에서도 온도 편차가 커져서 균일한 가열이 어렵다는 문제가 있다.
나아가 대류를 이용한 종래의 가열 방식은 부품의 크기에 상관없이 금형과 부품 사이의 온도 편차가 발생할 수 밖에 없다. 왜냐하면 금형은 통상적으로 열전도도가 높은 금속을 이용하는 반면 프리프레그의 주요 성분인 섬유와 레진은 연전도가 금속보다 현저히 낮기 때문이다.
결국 종래의 대류를 이용한 오토클레이브 공법은 상기의 온도 편차로 인해 승온속도를 높일 수 없는 근본적인 문제를 가진다.
따라서 오토클레이브 공법은 금형 제작 비용은 저렴하다는 장점에도 불구하고 승온속도의 한계로 인해 성형기간이 오래 소요되는 문제점을 지니고 있다.
한편 오토클레이브 공법은 오토클레이브 장비에 성형재료를 최대한으로 채워서 성형해야 생산성이 확보된다.
왜냐하면 오토클레이브는 일종의 고온과 고압을 이용하는 용기이고 나아가 진공 배깅 공정을 포함하므로 오토클레이브를 이용하는 공정의 시간이 길기 때문이다.
그러나 핸드 레이업의 특성상 작업자 별 부품 별 핸드 레이업(hand lay-up) 공정을 수행하는 시간이 차이가 날 수 밖에 없다. 그 결과 부품 별로 대기 시간에 발생하게 되고, 이는 오토 클레이브 공정에 소요되는 시간(리드타임, lead time)을 증가시키게 되는 문제로 이어진다.
한편, Prepreg Compression Molding(PCM)과 High Pressure Resin Transfer Molding(HP-RTM)은 탄소섬유복합재의 대량생산을 구현하기 위한 방법이다.
그러나 상기 PCM이나 HP-RTM 공정들도 생산성을 향상시키기 위해 핸드 레이업 공정이 자동화 되어야 한다.
또한, 상기 PCM이나 HP-RTM 공정들은 그 명칭에서도 알 수 있듯이 고압을 이용한다.
따라서 상기 PCM이나 HP-RTM 공정들은 내구성 확보와 많은 유틸리티를 포함하기 때문에 금형 제작에 있어 많은 비용이 소요된다.
다시 말하면, Prepreg Compression Molding(PCM)과 High Pressure Resin Transfer Molding(HP-RTM)은 실재적인 장비투자비용 이외에 부품 별로 제조를 위해 일반적으로 프리포밍 금형과 성형 금형이 필요하고, 상기 금형의 제작에 소요되는 비용이 고가이기 때문에 생산비용이 크게 증가되는 문제점을 지니고 있다.
한편, 탄소섬유복합재는 자동차 시장의 경우 주로 고성능의 코스메틱 부품에 적용되므로, 연 10,000대 이하의 다품종 소량생산 방식이 요구된다.
결국, Prepreg Compression Molding(PCM)과 High Pressure Resin Transfer Molding(HP-RTM)의 제조 공정은 고가의 비용이 요구되고, 종래의 오토클레이브 공법은 초기 생산비용이 증가될 뿐만 아니라 공정시간이 많이 소요되고 온도편차에 따른 제품신뢰성이 저하되므로, 상기의 종래의 제조 방법들은 자동차의 코스케틱 부품과 다품종 소량생산에는 부적합한 문제점을 가진다.
본 발명의 목적은 전술한 오토클레이브 공정과 자동화 공정의 단점을 보완함과 동시에 생산성 및 제품 신뢰성이 향상된 탄소섬유복합재 부품 제조방법 및 그의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다품종 소량생산에 적합한 탄소섬유복합재 부품 제조방법 및 그의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 승온속도를 빠르게 구현하여, 소량 다품종을 생산하고 소형 부품을 개별로 성형할 수 있는 탄소섬유복합재 부품 제조방법 및 그의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품 제조장치는 탄소섬유복합재 프리프레그가 적층되고, 탄소섬유복합재 부품에 대응되는 형상으로 이루어진 코어금형; 상기 코어금형의 하부에 위치하여 상기 코어금형이 적층되고, 상기 코어금형을 가열시키는 베이스금형; 및 상기 코어금형에 적층된 탄소섬유복합재 프리프레그을 가압하기 위해 상기 코어금형의 베이스금형과 마주보는 방향의 반대 방향에서 상기 코어금형에 대향되도록 위치하는 가압금형;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유복합재 부품 제조장치에 있어서, 상기 베이스금형은 냉각금형을 더 포함하고, 상기 냉각금형은 냉각유닛을 포함할 수 있다.
상기 가열유닛은 복수 개로 이루어지고, 각각의 가열유닛은 각각 별도의 온도로 가열온도를 조절할 수 있다.
상기 가열유닛은 가열유체유동부를 포함할 수 있다.
상기 코어금형에는 상기 탄소섬유복합재 프리프레그가 안착되는 탄소섬유복합재 안착홈이 위치할 수 있다.
상기 가열금형에는 상기 코어금형이 적재되는 코어금형 안착부가 위치하고, 상기 코어금형 안착부는 상기 코어금형에 대응되는 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 냉각유닛은 냉각유체유동부를 포함할 수 있다.
상기 냉각금형에는 상기 코어금형이 적재되는 코어금형 안착부가 형성되고, 상기 코어금형 안착부는 상기 코어금형에 대응되는 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 코어금형에 대향된 상기 가압금형의 일면에는 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압하기 위한 탄성변형부가 결합될 수 있다.
상기 가압금형에는 상기 탄성변형부에 에어를 공급하기 위한 에어유동홀이 위치하고, 상기 가압금형의 외부에는 상기 에어유동홀에 공기를 공급하기 위한 에어공급부가 위치할 수 있다.
상기 에어유동홀은 상기 가압금형의 중앙부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품 제조방법은 탄소섬유복합재 프리프레그를 부품의 형상에 대응되도록 재단하는 재단단계; 부품 형상으로 재단된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 금형에 적층하는 적층단계; 및 적층된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 가열 및 가압하여 탄소섬유복합재 부품으로 경화시키는 경화단계를 포함하고, 상기 경화단계에서 탄소섬유복합재 프리프레그는 가열금형에 의한 열전도를 통해 가열될 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유복합재 부품 제조방법에 있어서, 상기 경화단계는 상기 가열 및 가압하는 단계 이후에 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 적층단계는 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 제품 형상의 코어금형에 적층하고, 상기 경화단계는 상기 코어금형을 가열금형에 적층시켜 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 가열시킬 수 있다.
상기 냉각단계는 탄소섬유복합재 프리프레그가 적층된 코어금형을 가열금형으로부터 탈착시킨 후 냉각금형에 장착시켜 상기 코어금형을 냉각시킬 수 있다.
상기 경화단계에서 상기 가열금형에 의해 가열된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그는 에어 공급에 의해 팽창되는 탄성변경부에 의해 가압될 수 있다.
상기 냉각단계에서 상기 냉각금형에 의해 가열된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그는 에어 공급에 의해 팽창되는 탄성변경부에 의해 가압될 수 있다.
본 발명에 의하면 생산성 및 제품 신뢰성이 향상되고, 다품종 소량생산에 적합한 탄소섬유복합재 부품 제조방법 및 그의 제조장치를 얻을 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래기술에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조방법을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유복합재의 제조방법을 구현하기 위한 일실시예에 따른 제조장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시한 탄소섬유복합재 부품의 제조장치의 개략적인 사용상태도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유복합재 부품의 제조방법을 구현하기 위한 일실시예에 따른 제조장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품 제조장치(1000)는 코어금형(1100), 베이스금형(1200a, 1200b) 및 가압금형(1300)을 포함한다.
비한정적이고 구체적인 예로써 상기 베이스금형(1200a, 1200b)은 상기 제조장치(1000)의 최하부에 위치할 수 있다.
상기 베이스금형(1200a, 1200b)의 상부에는 상기 코어금형(100)이 위치할 수 있고, 상기 코어금형(100)의 상부에는 상기 가압금형(1300)이 위치할 수 있다.
이 때, 가압금형과 코어금형 그리고 베이스금형의 고정은 일반적으로 사용되는 기계적 고정방법으로 가능하며 성형 압력에 따라 고정 방법은 결정될 수 있다.
보다 구체적으로, 코어금형(1100)에는 탄소섬유복합재 프리프레그(C)가 적재되고, 상기 코어금형(1100)은 베이스금형(1200a, 1200b)에 삽입된다. 이 때, 상기 프리프레그는 상기 코어금형(1100)에 핸드 레이업(hand lay-up)공법으로 적재될 수 있다.
상기 코어금형(1100)은 탄소섬유복합재 부품과 대응되는 형상으로 이루어진다. 이를 위해 코어금형(1100)에는 탄소섬유복합재 안착홈(1110)이 형성될 수 있다.
코어금형(1100)은 알루미늄, CFRP(carbon fiber reinforced plastic, 탄소섬유복합재 또는 탄소섬유강화 플라스틱), 또는 스테인레스 스틸로 이루어질 수 있다.
본 발명의 제조장치(100)에서는, 종래의 오토클레이브 장치에서 사용하는 공기의 대류에 의한 열전달을 이용하지 않고, 베이스금형/코어금형/탄소섬유복합재 프리프레그의 물리적 접촉에 의한 열 전도를 이용한다.
따라서 알루미늄 또는 CFRP와 같은 소재가 코어금형에 적용되면, 상기 소재가 가지는 높은 열전달계수로 인해 탄소섬유복합재 프리프레그의 가열 및 냉각 속도가 빨라지는 효과를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 상기 제조장치(1000)는 가압공정의 압력이 3bar 내지 7bar로 구현될 수 있고, 성형공정에서의 하중은 베이스금형으로 전달될 수 있다.
본 발명의 상기 제조장치(1000)에서의 코어금형(1100)에는 낮은 수준의 기계적 특성이 요구되므로, 본 발명의 코어금형(1100)은 종래의 코어금형 보다 얇은 두께로 형성될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 제조장치(1000)에서의 코어금형(1100)은 종래의 오토클레이브 장치에서는 사용하기 어려운 스테인레스 스틸과 같이 비교적 열전달계수가 작고, 열용량이 큰 재료도 이용될 수 있다.
만일 코어금형(1100)이 스테인레스 스틸로 이루어지면, 알루미늄 또는 탄소섬유복합재와 비교하여 코어금형(1100)의 내구성이 증대되어 그 결과 금형 당 제작 가능 부품 수도 증가하게 되는 효과를 가질 수 있다.
반면 비록 본 발명의 코어금형(1100)이 스테인레스 스틸로 이루어져서 다른 알루미늄이나 CFRP보다 열전달계수가 낮고 열용량이 크다 하더라도, 본 발명의 코어금형(1100)이 종래의 코어금형보다 더 얇은 두께를 가질 수 있으므로 결과적으로 스테인레스 스틸로 이루어진 코어금형(1100)은 다른 재질의 코어금형과 유사한 열전도 특성을 확보할 수 있다.
베이스금형(1200a, 1200b)은 코어금형(1100)의 하부에 위치하며 코어금형(1100)과의 직접적인 접촉을 통한 전도 방식을 이용하여 코어금형(1100)과 코어금형(1100)에 적층된 프리프레그를 가열 또는 냉각하기 위한 금형이다.
본 발명의 제조장치(1000)에서는 상기 베이스금형(1200a, 1200b)은 가열금형(1200a) 또는 냉각금형(1200b)으로 서로 다른 기능을 수행하도록 별도로 구현될 수 있다.
이 때 가열금형(1200a)은 가열을 위한 가열유체유동부(1210a)를 포함한 가열유닛을 포함할 수 있다.
반면 냉각금형(1200b)은 냉각을 위한 냉각유체유동부(1210a)를 포함한 냉각유닛을 포함할 수 있다.
비한정적이고 구체적인 예로써, 상기 가열유체유동부(1210a)와 냉각유체유동부(1210a)는 상기 코어금형(1100)의 형상에 맞추어 각각 상기 가열금형(1200a)과 냉각금형(1200b)의 내부에 위치할 수 있다.
구체적으로 가열유체유동부(1210a)와 냉각유체유동부(1210a)는 상기 코어금형(1100)과 상기 베이스금형(1200a, 1200b)의 서로 맞닿는 표면을 기준으로 상기 코어금형(1100)과 일정한 거리로 이격되도록 상기 베이스금형(1200a, 1200b)에 위치할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다만 가열유체유동부(1210a)와 냉각유체유동부(1210a)가 상기와 같이 코어금형(1100)과 일정한 간격을 유지하는 경우, 코어금형(1100)과 프리프레그를 균일하게 가열할 수 있는 효과가 있다.
또한, 가열금형(1200a)과 냉각금형(1200b)에는 각각 코어금형(1100)이 적재되는 코어금형 안착부(1220a, 1220b)가 각각 위치할 수 있다.
이 때 코어금형 안착부(1220a, 1220b)는 코어금형(1100)에 대응되는 형상으로 이루어질 수 있다.
이 경우 가열유체유동부(1210a)와 냉각유체유동부(1210b)는 각각 상기 코어금형 안착부(1220a, 1220b)에 인접하도록 가열금형(1200a)과 냉각금형(1200b)의 내부에 위치할 수 있다.
이를 위한 가열유닛과 냉각유닛은 각각 전기에 의한 가열봉과 냉각봉 또는 가열 유체유동부과 냉각 유체유동부 등으로 다양하게 구현될 수 있다.
또한 상기 가열금형(1200a)과 냉각금형(1200b) 및/또는 상기 코어금형(1100) 사이의 접촉 열저항을 개선하고 원활한 열전도를 위해 thermal grease와 같은 중간 열전달 매개체를 이용할 수도 있다.
한편, 가열금형(1200a)과 냉각금형(1200b)은 복수 개가 구비될 수 있다.
이 경우, 가열유닛은 복수 개로 이루어지고 각각의 가열유닛은 가열온도를 각각의 가열유닛마다 별도의 온도로 조절할 수 있다.
가압금형(1300)은 코어금형(1100)에 적재된 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압하기 위한 것이다.
이를 위해, 가압금형(1300)은 상기 코어금형(1100)의 상부에서(다시 말하면 베이스금형(1200a, 1200b)과 반대편에서) 코어금형(1100)에 대향되도록 위치된다.
코어금형(1100)와 대향하는 가압금형(1300)의 일면에는 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압하기 위한 탄성변형부(1400)가 위치할 수 있다.
다시 말하면, 상기 탄성변형부(1400)는 상기 가압금형(1300)과 상기 코어금형(110)의 사이에 위치할 수 있다.
상기 탄성변형부(1400)는 상기 가압금형(1300)과 상기 코어금형(110)의 사이에 위치하여, 상기 가압금형(1300)을 통과하여 공급된 에어를 코어금형(1100) 내에 위치하는 탄소섬유복합재 프리프레그에 전달하는 기능을 수행한다.
상기 탄성변형부(1400)는 멤브레인 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 가압금형(1300)에는 상기 탄성변형부(1400)에 에어를 공급하기 위한 에어유동홀(1310)이 위치하고, 상기 에어유동홀(1310)에 공기를 공급하기 위한 에어공급부(미도시)가 상기 가압금형(1300)의 외부에 더 포함될 수 있다.
상기 에어유동홀(1310)과 상기 에어공급부는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 사용되는 결합 방식을 통해 상호 결합될 수 있다.
상기 에어유동홀(1310)은 상기 프리프레그에 균일한 압력을 제공하기 위해 코어금형(1100)의 중앙부에 형성될 수 있다.
다만, 부품 생산을 위해 멀티 캐비티를 사용할 경우 각 캐비티에 별도의 에어유동홀(1310)이 위치할 수도 있다.
한편 탄성변형부(1400)를 이용하여 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압할 경우, 강성이 큰 가압금형(1300)만을 이용하여 프리프레그를 가압하는 경우보다 가압효율을 증가시킬 수 있다.
나아가 다양한 부품을 형성하는 경우, 탄성변형부(1400)의 채용은 보다 정밀한 가압 및 균일한 압력제어를 가능하게 된다.
탄성변형부(1400)는 통상 높은(예를 들면 600% 이상) 연신율과 가열금형의 가열온도 보다 높은 열에도 견딜 수 있는 내열성을 가지는 것이 요구된다.
이를 위해 비한정적이고 구체적인 예로써 실리콘 또는 고분자필름이 탄성변형부(1400)로 사용될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 베이스금형(1200a)은 냉각금형을 포함하지 않을 수도 있다.
일반적인 탄소섬유복합재용 프리프레그는 가열 경화 후 냉각과정이 필요하다.
이와는 달리 스냅 경화 프리프레그와 하이 Tg(glass transition temperature) 제품의 경우, 냉각과정이 생략되고 로봇 등으로 탄소섬유복합재용 프리프레그를 탈형시킬 수도 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시한 탄소섬유복합재 부품의 제조장치의 개략적인 사용 상태도이다.
도시한 바와 같이, 도 3a는 코어금형(1100)에는 탄소섬유복합재 프리프레그(C)가 적재되고 다시 코어금형(1100)은 가열금형(1200a)에 적재된 상태를 도시한 것이다.
이때 가열금형(1200a)은 가열유체유동부(1210a)에 고온의 가열유체가 유동되어 가열된 상태이다.
코어금형(1100)은 가열금형(1200a)과 접촉되고 대류가 아닌 전도에 의해 열전달되어 가열되고, 코어금형(1100)에 적재된 탄소섬유복합재(C)는 코어금형(100)에 의해 전도 방식으로 열전달되어 접촉가열된다.
코어금형(1100)과 가열금형(1200a) 사이의 접촉 열저항을 줄이기 위해 중간 열전달 매개체(미도시)가 구비될 수 있다.
도 3b는 탄소섬유복합재(C)의 가압공정을 도시한 것으로서, 코어금형(1100)에 대향된 가압금형(1300)은 코어금형(1100)의 적재된 탄소섬유복합재(C)를 가압한다.
구체적으로 가열금형(1200a)에 대향되는 가압금형(1300)의 일면에 결합된 탄성변형부(1400)에 에어가 공급되는 경우, 화살표로 도시한 바와 같이 탄성변형부(1400)는 팽창되고 입체적으로 형상의 코어금형(1100)의 적재된 탄소섬유복합재(C)를 가압한다.
도 3c는 가열 및 가압된 탄소섬유복합재가 적재된 코어금형(1100)이 후속 냉각공정을 위해 냉각금형(1200b)에 적재된 상태를 도시한 것이다.
상기 가압 및 가열공정에 의해 원하는 형상으로 가공된 탄소섬유복합재는 가열금형(1200a)으로부터의 코어금형(1100)의 탈착에 의해 가열금형(1200a)으로부터 분리될 수 있다.
상기 가열금형(1200a)으로부터 분리된 코어금형(1100)과 상기 코어금형(1100)에 적재된 탄소섬유복합재는 후속 냉각공정을 위해 냉각금형(1200b)에 적재된다.
이때, 냉각금형(1200b)은 냉각유체유동부(1210b)에 저온의 냉각유체가 유동되어 저온으로 유지된 상태이다.
코어금형(1100)은 냉각금형(1200b)과 접촉됨으로써 열전달되어 냉각되고, 코어금형(1100)에 적재된 탄소섬유복합재(C)는 냉각된다.
또한, 탄소섬유복합재(C)가 냉각되는 동안 발생할 수 있는 수축은 냉각공정 동안에도 탄성변형부(1400)에 에어를 공급하여 탄소섬유복합재(C)를 가압함으로써 방지될 수 있다.
결국 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조장치에서는, 상기 탄소섬유복합재가 적재된 코어금형(1100)을 가열금형(1200a)과 냉각금형(1200b)으로 이송 및 적재함으로써, 탄소섬유복합재의 가열과 냉각이 간단하게 이루어질 수 있다.
그리고 코어금형(1100) 내의 탄소섬유복합재의 가열 및 냉각은 가열금형(1200a)및 냉각금형(1200b)과 코어금형(1100) 그리고 탄소섬유복합재 사이의 전도에 의해 수행될 수 있다.
본 발명 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조장치가 상기한 바와 같이 구성됨에 따라, 종래의 오토클레이브 장치와 비교하여, 진공 Bagging 공정이 삭제되어 제조 시간이 단축될 수 있다.
또한, 가열금형과 냉각금형을 별도로 구현함에 따라 빠른 시간 내에 탄소섬유복합재를 가열 및 냉각시킬 수 있어서 생산성이 향상되고, 탄성변형부를 이용한 가압공정을 통해 코어금형, 가열금형 및 냉각금형의 수명이 증가된다.
특히 본 발명 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조장치는, 전도 방식을 이용한 열전달 방식을 사용함으로써, 가열과 냉각에 소요되는 공정시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다.
나아가 가열공정과 냉각공정이 전체 제조장치(1100)를 개조하거나 이동시키지 않고 단순히 코어금형(1100)만의 이송 및 탈부착을 통해 수행됨으로써 공정시간과 비용이 크게 줄어들게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도시한 바와 같이, 탄소섬유복합재 부품의 제조방법(S1000)은 재단단계(S1100), 적층단계(S1200) 및 경화단계(S1300)를 포함한다.
보다 구체적으로, 재단단계(S1100)는 탄소섬유복합재 프리프레그를 부품의 형상에 대응되도록 재단하는 단계이다.
적층단계(S1200)는 부품 형상으로 재단된 탄소섬유복합재 프리프레그를 금형에 적층하는 단계이다.
이때, 탄소섬유복합재 프리프레그는 높은 열전도도를 가지는 코어금형에 핸드 레이업(hand lay-up) 방식으로 적층되거나 자동화 공정을 통해 자동적으로 적층될 수 있다.
코어금형은 탄소섬유복합재 부품과 대응되는 형상으로 이루어진다.
경화단계(S1300)는 적층된 탄소섬유복합재 프리프레그를 가열 및 가압(S1310)하고, 냉각(S1320)하여 탄소섬유복합재 부품으로 경화시키는 단계이다.
이를 위해, 탄소섬유복합재 프리프레그가 적층된 코어금형을 고온의 가열금형에 삽입(또는 부착)시켜서 상기 가열금형으로부터 코어금형 및 탄소섬유복합재 프리프레그가 직접적으로 접촉하게 함으로써 전도를 통해 탄소섬유복합재 프리프레그를 가열시킨다.
이 때, 가열금형의 온도범위는 자동자 부품용으로 적용되기 위해 120°C 내지 160°C의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 코어금형에 적층되고 가열된 탄소섬유복합재 프리프레그는 가압되어 부품형상으로 만들어진다.
이때, 에어 공급에 의해 팽창되는 탄성변형부를 통해 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압함으로써 탄소섬유복합재 프리프레그는 부품형상으로 형성될 수 있다.
이 경우, 프레스 가압에 의한 큰 압력으로 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압하지 않고 균일한 압력으로 압력 증가 속도를 제어하여 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압함에 따라, 탄소섬유복합재 프리프레그의 수지 유동에 따라 발생하는 외관상의 결함이 최소화되고 제품의 신뢰성이 향상된다.
다음으로 고온의 가열금형으로부터 코어금형을 탈착시킨 후 저온의 냉각금형에 코어금형을 적층시키고 냉각시킴으로써, 탄소섬유복합재 프리프레그는 냉각된다.
냉각과정은 경화된 제품의 온도를 유리화 온도보다 낮추어 탈형하여 제품의 변형을 최소화 하기 위한 과정이다.
가열금형 및 냉각금형은 열용량이 크지 않도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 경화단계에서 냉각공정이 생략될 수도 있다.
구체적으로 사용되는 프리프레그의 유리화 온도가 높을 경우, 냉각과정은 생략될 수 있다.
보다 구체적으로, 일반적인 탄소섬유복합재용 프리프레그에서는 가열 경화 후 냉각이 필요하나, 스냅 경화 프리프레그와 하이 Tg 제품에서는 냉각과정이 생략되고 로봇 등으로 탄소섬유복합재용 프리프레그가 탈형될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유복합재 부품의 제조방법(S1000)은 상기한 바와 같이 이루어짐에 따라, 탄소섬유복합재 프리프레그는 가열금형에 의해 직접적으로 열전도되어 생산성 및 제품신뢰성이 향상된다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1000: 탄소섬유복합재 부품 제조장치
1100: 코어금형
1110: 탄소섬유복합재 안착홈
1200a: 가열금형
1200b: 냉각금형
1200: 적층단계
1210a: 가열유체유동부
1210b: 냉각유체유동부
1300: 가압금형
1310: 에어유동홀
1400: 탄성변형부
1220a, 1220b: 코어금형 안착부

Claims (18)

  1. 탄소섬유복합재 프리프레그가 적층되고, 탄소섬유복합재 부품에 대응되는 형상으로 이루어진 코어금형;
    상기 코어금형의 하부에 위치하여 상기 코어금형이 적층되고, 상기 코어금형을 가열시키는 베이스금형; 및
    상기 코어금형에 적층된 탄소섬유복합재 프리프레그을 가압하기 위해 상기 코어금형의 베이스금형과 마주보는 방향의 반대 방향에서 상기 코어금형에 대향되도록 위치하는 가압금형;을 포함하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스금형은 가열금형을 포함하고,
    상기 가열금형은 가열유닛을 포함하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열유닛은 복수 개로 이루어지고, 각각의 가열유닛은 각각 별도의 온도로 가열온도를 조절하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가열유닛은 가열유체유동부를 포함하는
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어금형에는 상기 탄소섬유복합재 프리프레그가 안착되는 탄소섬유복합재 안착홈이 위치하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열금형에는 상기 코어금형이 적재되는 코어금형 안착부가 위치하고,
    상기 코어금형 안착부는 상기 코어금형에 대응되는 형상으로 이루어진,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.

  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스금형은 냉각금형을 포함하고,
    상기 냉각금형은 냉각유닛을 포함하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각유닛은 냉각유체유동부를 포함하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각금형에는 상기 코어금형이 적재되는 코어금형 안착부가 형성되고,
    상기 코어금형 안착부는 상기 코어금형에 대응되는 형상으로 이루어진,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  10. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 코어금형에 대향된 상기 가압금형의 일면에는 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 가압하기 위한 탄성변형부가 위치하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가압금형에는 상기 탄성변형부에 에어를 공급하기 위한 에어유동홀이 위치하고, 상기 가압금형의 외부에 상기 에어유동홀에 공기를 공급하기 위한 에어공급부가 위치하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에어유동홀은 상기 가압금형의 중앙부에 위치하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조장치.
  13. 탄소섬유복합재 프리프레그를 부품의 형상에 대응되도록 재단하는 재단단계;
    부품 형상으로 재단된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 금형에 적층하는 적층단계; 및
    적층된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 가열 및 가압하여 탄소섬유복합재 부품으로 경화시키는 경화단계를 포함하고,
    상기 경화단계에서 탄소섬유복합재 프리프레그는 가열금형에 의한 열전도를 통해 가열되는,
    탄소섬유복합재 부품 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 경화단계는 상기 가열 및 가압하는 단계 이후에 냉각하는 단계를 추가로 포함하는,
    탄소섬유복합재 부품 제조방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 적층단계는 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 제품 형상의 코어금형에 적층하고,
    상기 경화단계는 상기 코어금형을 가열금형에 적층시켜 상기 탄소섬유복합재 프리프레그를 가열시키는,
    탄소섬유복합재 부품 제조방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 냉각단계는 탄소섬유복합재 프리프레그가 적층된 코어금형을 가열금형으로부터 탈착시킨 후 냉각금형에 장착시켜 상기 코어금형을 냉각시키는,
    탄소섬유복합재 부품 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 경화단계에서 상기 가열금형에 의해 가열된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그는 에어 공급에 의해 팽창되는 탄성변경부에 의해 가압되는,
    탄소섬유복합재 부품 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 냉각단계에서 상기 냉각금형에 의해 가열된 상기 탄소섬유복합재 프리프레그는 에어 공급에 의해 팽창되는 탄성변경부에 의해 가압되는,
    탄소섬유복합재 부품 제조방법.
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