KR20230093935A - 열경화성 복합재 부품 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열경화성 복합재 부품 성형 방법은 상형과 하형을 마련하되, 하형의 성형면에 설정 패턴의 홈을 가공해서 마련하는 단계; 열경화성 프리프레그를 적층해서 형분리된 상형과 하형 사이에 배치하는 단계; 및 설정 온도로 가열된 상형과 하형을 형합시켜 적층 상태의 열경화성 프리프레그를 압축하여 성형한 후, 설정 시간 동안 유지해서 경화시킴에 따라 최종 부품으로 완성하는 단계;를 포함한다.

Description

열경화성 복합재 부품 성형 방법{Method of forming thermosetting composite parts}

본 발명은 자동차 등과 같은 수송기계에 적용될 수 있는 열경화성 복합재 부품을 성형하는 기술에 관한 것이다.

자동차의 경량화는 연비향상기술 중 가장 주목을 받고 있는 것으로, 부품삭감 및 구조개선, 소재의 경량화 등 다양한 부문에서 연구, 개발이 진행되고 있다. 특히, 자동차 소재의 경량화는 엔진효율을 높여 차량의 성능향상을 극대화시키고, 이로 인해 연비향상을 도모할 수 있으므로, 환경오염방지와 연료절감에 가장 적합하고 효과적인 방법이다.

최근 자동차 경량화 소재로 주목 받고 있는 복합재는 사용 수지에 따라 열경화성(Thermoset) 복합재와 열가소성(Thermoplastic) 복합재로 구분될 수 있는데, 소재 특성상 중간재 및 최종 부품에 따라 성형 방법이 달라진다. 자동차 충돌부재 파트 경우에는 복합재 부품의 기계적 물성이 높은 열경화성 복합재를 이용하여 부품 제작을 많이 한다.

한편, 열경화성 프리프레그(prepreg)를 이용하여 압축 성형하는 PCM(Prepreg Compression Molding) 공법은 가열된 상,하형으로 열경화성 프리프레그를 압축하여 성형한 후 일정 시간 동안 유지해서 경화시킴에 따라 최종 부품을 완성하게 된다.

하지만, 일정 시간 동안 유지할 때, 열경화성 프리프레그에 함침된 레진(resin)이 상,하형에 의한 압축으로 유동이 발생하면서 부품 끝으로 밀려나오면서 섬유 배열을 흩트린다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 성형시 상,하형 전체에 균일한 압력이 분포되어야 하는데, 고도의 기술이 필요하므로 쉽지 않은 문제이다.

본 발명의 과제는 열경화성 복합재 부품의 강성을 높일 수 있게 하는 열경화성 복합재 부품 성형 방법을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 열경화성 복합재 부품 성형 방법은 상형과 하형을 마련하되, 하형의 성형면에 설정 패턴의 홈을 가공해서 마련하는 단계; 열경화성 프리프레그를 적층해서 형분리된 상형과 하형 사이에 배치하는 단계; 및 설정 온도로 가열된 상형과 하형을 형합시켜 적층 상태의 열경화성 프리프레그를 압축하여 성형한 후, 설정 시간 동안 유지해서 경화시킴에 따라 최종 부품으로 완성하는 단계;를 포함한다.

여기서, 하형을 마련하는 단계는, 하형의 성형면에 격자 패턴의 홈을 가공하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 열경화성 프리프레그를 가열 압축해서 성형한 후 일정 시간 동안 유지해서 경화시키는 과정에서 레진 손실을 최소화하면서 부품의 강성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열경화성 복합재 부품 성형 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 하형의 성형면에 형성된 홈의 일 예를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 하형의 일부 측단면도이다.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열경화성 복합재 부품 성형 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 하형의 성형면에 형성된 홈의 일 예를 나타낸 평면도이다. 도 3은 도 2에 있어서, 하형의 일부 측단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 열경화성 복합재 부품을 성형하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상형(10)과 하형(20)을 마련한다. 상형(10)은 하부에 성형면을 갖는다. 상형(10)의 성형면은 부품(2)의 상면 형상과 반대되는 형상으로 이루어진다. 하형(20)은 상부에 성형면을 갖는다. 하형(20)의 성형면은 부품(2)의 하면 형상과 반대되는 형상으로 이루어진다.

상형(10)과 하형(20)은 형합 또는 형분리된다. 상형(10)은 하형(20)에 대해 승강 동작할 수 있다. 이 경우, 상형(10)은 유압식 또는 기계식 프레스장치에 의해 승강 동작할 수 있다.

상형(10)과 하형(20)은 형분리된 상태에서 열경화성 프리프레그(1)를 공급받고 성형 완료된 부품(2)을 취출시킬 수 있게 한다. 상형(10)과 하형(20)은 형합되면, 열경화성 프리프레그(1)를 압축해서 부품(2) 형상으로 성형할 수 있게 한다.

상형(10)과 하형(20)은 각각 가열 유닛(30)을 장착하여 가열 유닛(30)에 의해 가열될 수 있다. 가열 유닛(30)은 복수의 히터 카트리지들로 구성되어 상,하형(10, 20)에 내장될 수 있다.

가열 유닛(30)들은 상,하형(10, 20)을 가열함에 따라 열경화성 프리프레그(1)를 가열할 수 있게 한다. 가열 유닛(30)들은 열경화성 프리프레그(2)의 열경화 온도 및 시간 조건에 맞게 상,하형(10, 20)을 설정 시간 동안 설정 온도로 유지해서 가열하도록 제어된다.

하형(20)의 성형면에 설정 패턴의 홈(21)을 가공해서 마련한다. 열경화성 프리프레그(1)를 가열 압축해서 성형한 후 일정 시간 동안 유지해서 경화시키는 과정에서, 하형(20)의 홈(21)은 열경화성 프리프레그(1)의 레진이 침투하여 경화되게 함으로써 레진 손실을 최소화할 수 있게 한다. 또한, 하형(20)의 홈(21)은 성형 완료된 부품(2)의 표면에 돌출 형상의 리브(2a)가 만들어지게 함으로써, 부품(2)의 강성을 높일 수 있게 한다.

일 예로, 하형(20)의 성형면에 격자 패턴의 홈(21)을 가공할 수 있다. 격자 패턴의 홈(21)은 가로 방향 홈(21a)들과 세로 방향 홈(21b)들이 교차하는 형태를 갖는다. 가로 방향 홈(21a)들과 세로 방향 홈(21b)들은 각각 균일한 깊이와 폭을 가짐으로써, 종단면이 사각형으로 이루어질 수 있다. 가로 방향 홈(21a)들과 세로 방향 홈(21b)의 저면은 오목한 곡면 형태로 이루어질 수도 있다.

가로 방향 홈(21a)들은 일정 피치를 갖고, 세로 방향 홈(21b)들도 일정 피치를 가질 수 있다. 가로 방향 홈(21a)들의 피치는 세로 방향 홈(21b)들의 피치와 동일하거나 다르게 설정될 수 있다.

홈(21)의 깊이와 폭이 작아질수록 열경화성 프리프레그(1) 성형시 레진 손실을 최소화하고 부품(2)의 강성을 높일 수 있게 하는 효과가 떨어질 수 있다. 홈(21)의 깊이와 폭이 커질수록 성형 부품(2)을 주변 부품과 결합할 때 성형 부품(2) 표면의 리브(2a)로 인해 주변 부품과의 간섭이 커져 적용에 제약을 줄 수 있다. 따라서, 홈(21)의 깊이(D)가 2~3mm로 설정되고, 홈(21)의 폭(W)이 2~3mm로 설정될 수 있다.

다른 예로, 도시하고 있지 않지만, 하형(20)의 성형면에 동일한 크기의 홈들을 등간격으로 모두 이격시켜 배열하는 패턴으로 가공할 수도 있다. 홈의 횡단면은 원형, 다각형 등으로 이루어질 수 있다. 이 밖에도, 하형(20)의 성형면에 다양한 형태의 홈들을 가공해서 전술한 기능을 수행할 수 있음은 물론이다.

그 다음, 열경화성 프리프레그(1)를 적층해서 형분리된 상형(10)과 하형(20) 사이에 배치한다. 여기서, 열경화성 프리프레그(1)는 에폭시, 불포화폴리에스터, 비닐에스터, 페놀, 폴리이미드 등과 같은 열경화성 고분자 레진(resin)을 기지재로 하고, 유리 섬유, 탄소 섬유 등의 보강섬유로 강화시킨 구성으로 이루어질 수 있다.

일 예로, 열경화성 프리프레그(1)는 150℃로 5분 동안 가열되는 조건이면 열경화될 수 있게 구성될 수 있다. 추가적으로, 열경화성 프리프레그(1)를 20~30℃로 예열한 후 상형(10)과 하형(20) 사이에 공급할 수 있다.

그 다음, 설정 온도로 가열된 상형(10)과 하형(20)을 형합시켜 적층 상태의 열경화성 프리프레그(1)를 압축하여 성형한 후 설정 시간 동안 유지해서 경화시킴에 따라 최종 부품(2)으로 완성한다.

구체적으로, 상형(10)과 하형(20)을 형분리한 상태로 열경화성 프리프레그(1)의 열경화 온도 조건에 맞게 가열 유닛(30)들에 의해 설정 온도로 가열한다. 설정 온도로 가열된 상형(10)과 하형(20) 사이에 열경화성 프리프레그(1)를 공급한다. 이후, 상,하형(10, 20)을 설정 온도로 계속 유지시킨 상태로, 상형(10)과 하형(20)을 형합시켜 열경화성 프리프레그(1)를 압축하여 성형한다.

이후, 상,하형(10, 20)을 형합한 상태로 설정 온도로 설정 시간 동안 유지해서, ,하형(10, 20) 내의 성형된 열경화성 프리프레그(1)를 경화시킴에 따라 최종 부품(2)으로 완성한다. 상,하형(10, 20)의 설정 온도는 열경화성 프리프레그(1)를 150℃로 가열할 수 있게 설정되고, 상,하형(10, 20)의 형합 유지 시간은 5분으로 설정될 수 있다.

상,하형(10, 20)을 형합한 상태로 설정 온도로 설정 시간 동안 유지하는 과정에서, 열경화성 프리프레그(1)의 레진은 하형(20)의 성형면에 가공된 홈(21)으로 유동하여 침투한 후 경화됨으로써, 부품(2)의 표면에 홈(21)의 형상과 상응하게 돌출된 형상의 리브(2a)가 만들어질 수 있다. 이후, 상,하형(10, 20)을 형분리시켜 최종 부품(2)을 취출한다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 열경화성 프리프레그(1)를 가열 압축해서 성형한 후 일정 시간 동안 유지해서 경화시키는 과정에서, 열경화성 프리프레그(1)의 레진은 부품(2) 끝으로 밀려나오지 않고 하형(20)의 홈(21)으로 침투하므로, 섬유 배열을 흩트리지 않으면서 레진 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 성형 완료된 부품(2)의 표면에 하형(20)의 홈(2)에 의해 돌출 형상의 리브(2a)가 만들어지므로, 부품(2)의 강성을 높일 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1..열경화성 프리프레그 2..부품
2a..리브 10..상형
20..하형 21..홈
30..가열 유닛

Claims (2)

1. 상형과 하형을 마련하되, 하형의 성형면에 설정 패턴의 홈을 가공해서 마련하는 단계;
   열경화성 프리프레그를 적층해서 형분리된 상형과 하형 사이에 배치하는 단계; 및
   설정 온도로 가열된 상형과 하형을 형합시켜 적층 상태의 열경화성 프리프레그를 압축하여 성형한 후, 설정 시간 동안 유지해서 경화시킴에 따라 최종 부품으로 완성하는 단계;
   를 포함하는 열경화성 복합재 부품 성형 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 하형을 마련하는 단계는,
   하형의 성형면에 격자 패턴의 홈을 가공하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열경화성 복합재 부품 성형 방법.

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