KR20240003220A - 기공도가 낮은 복합 소재 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 소재 제조방법에 관한 것으로서, (a) 적층판 상에 복합 소재를 적층하는 단계; (b) 상기 적층판을 하형 금형에 장착한 다음, 상기 하형 금형의 상면으로부터 상기 복합 소재 두께의 1.1 내지 1.7배가 되는 높이에 상형 금형을 위치시키는 단계; (c) 상기 (b) 상태를 소정 시간 유지(dwell)하는 단계; (d) 상기 상형 금형과 하형 금형을 형합하여 경화시키는 단계; 및 (e) 완성된 복합 소재를 상기 적층판으로부터 탈거하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

기공도가 낮은 복합 소재 제조방법{Manufacturing method of composite material with low porosity}
본 발명은 복합 소재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합 소재를 적층하고 성형하는 과정에서 보이드(void)를 효과적으로 제거하여 기공도가 낮은 복합 소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소섬유 복합 소재 등의 복합 소재는 특유의 강성과 경량소재의 특징으로 인해 항공, 우주, 자동차 등 다양한 산업에 활발히 사용되고 있다. 탄소섬유 복합 소재는 일반적으로 소재가 미리 함침된 중간재인 프리프레크(Prepreg), 열가소성 시트를 사용하여 성형하거나, 드라이 패브릭(Dry fabric)에 수지를 함침시켜서 성형할 수 있다. 프리프레그를 활용할 경우에는 대부분 수작업에 의해서 소재를 적층하고, 오토클레이브에 넣어서 경화를 하는 방식으로 성형을 위해 하루 정도 시간이 소요된다.
이처럼 느린 오토클레이브의 성형 속도를 개선하기 위해 다양한 공정 개발이 이루어지고 있는데, 그 중 하나가 프레스를 활용한 프리프레그 압축 성형(PCM, Prepreg Compression Molding) 공법이다. 그러나, 프리프레그 압축 성형 공법으로 빠르게 성형할 경우 소재 내부에 보이드(void)가 발생할 수 있는 가능성이 커지고, 복합 소재의 물성저하를 일으키는 문제점이 있었다.
이러한 기존의 문제점을 해결하기 위해서 보이드를 최소화하기 위한 방법들이 시도되었으나, 두꺼운 부품을 성형할 경우 소재 중심부까지 열 전달이 원활히 이루어지지 않고, 열 전달 이후 압력을 가할 때 보이드가 원활히 제거되지 않는 등 많은 문제점들이 있었다.
한국특허출원번호 제10-2021-0143824
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 복합 소재의 중간재를 적층하고 성형하는 과정에서 보이드(void)를 효과적으로 제거할 수 있게 하는 복합 소재 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 복합 소재 제조방법은, (a) 적층판 상에 복합 소재를 적층하는 단계; (b) 상기 적층판을 하형 금형에 장착한 다음, 상기 하형 금형의 상면으로부터 상기 복합 소재 두께의 1.1 내지 1.7배가 되는 높이에 상형 금형을 위치시키는 단계; (c) 상기 (b) 상태를 소정 시간 유지(dwell)하는 단계; (d) 상기 상형 금형과 하형 금형을 형합하여 경화시키는 단계; 및 (e) 완성된 복합 소재를 상기 적층판으로부터 탈거하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에 의하면, (c) 단계에서, 유지(dwell) 시간은 복합 소재 두께 1mm 당 2 내지 3분일 수 있다.
일 실시예에 의하면, (d) 단계는, 상형 금형을 0.1 내지 0.5mm/s 속도로 이동시켜 프레스 성형하는 단계일 수 있다.
일 실시예에 의하면, (d) 단계는, 금형 내부가 진공인 상태에서 수행될 수 있다.
일 실시예에 의하면, (b) 단계 이전에, 복합소재가 적층된 적층판을 예열 금형에 장착하거나, 오븐에 투입하여 상기 복합 소재를 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, (b) 단계에서, 상기 복합 소재는, 하면의 적어도 일부분은 상기 적층판과 직접적으로 접촉되고, 상면은 공기와 접촉될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 적층판은, 상기 하형 금형의 열을 상기 복합 소재에 전달할 수 있도록 열전도성 재질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 복합 소재는, 다수의 프리프레그를 적층한 프리프레그 적층체일 수 있다.
일 실시예에 의하면, (e) 단계에서, 보이드(void)가 제거된 복합 소재가 제조될 수 있다.
일 실시예에 의하면, (d) 단계 이후, (e) 단계 이전에, 상기 하형 금형으로부터 상기 적층판을 분리한 후, 상기 적층판을 냉각 금형에 장착하여 상기 복합 소재를 냉각하는 단계;를 더 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 적층판에 복합 소재를 적층할 때 복잡한 형상을 자동화하여 생산속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복합 소재에 유지(dwell) 시간을 줌으로써 두꺼운 소재의 경우에도 중심부까지 열이 전달되어 균일한 조건에서 성형할 수 있다. 또한, 프레스 성형 시 소재 사이에 남아 있는 기공을 제거함으로써 기공도가 낮은 고품질의 복합재를 제조할 수 있는 효과가 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재 제조방법을 설명하는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재 적층체를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재 제조 방법은, 적층판(40) 상에 복합 소재(1)를 적층하는 단계(S10), 적층판(40)을 예열 금형에 장착하거나 오븐에 투업하여 복합 소재(1)를 예열하는 단계(S20), 적층판(40)을 하형 금형(M2)에 장착하는 단계(S30), 하형 금형(M2)의 상면으로부터 복합 소재(1) 두께의 1.1 내지 1.7배가 되는 높이(T)에 상형 금형(M1)을 위치시키고, 소정 시간 유지(dwell)하는 단계(S40), 상형 금형(M1)과 하형 금형(M2)을 형합하여 경화시키는 단계(S50) 및 완성된 복합 소재(1)를 적층판(40)으로부터 탈거하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재(1)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 적층된 다수의 프리프레그(11)일 수 있다. 본 실시예에서 프리프레그(11)는 탄소섬유를 포함하는 프리프레그이다. 프리프레그(11)를 적층할 때, 적층판(40) 위에 바로 적층할 수도 있고, 평판에서 적층 후 형상이 있는 적층판(40)에 올려 놓고 진공압으로 예비 성형하여 형상을 성형할 수도 있다. 예컨대, 적층판(40)은, 일정한 두께로 평평하거나 절곡된 박판 형태일 수 있다. 적층판(40)은, 복합 소재(1)의 형상이 유지될 수 있도록 복합 소재(1)를 지지하고, 후술할 하형 금형(M2)의 열을 복합 소재(1)에 전달할 수 있도록 열전도성 재질로 이루어질 수 있다.
필요에 따라, S20 단계를 수행할 수 있다. 복합 소재(1)가 적층된 적층판(40)을 예열 금형에 장착하거나 또는 오븐에 투입하여 복합 소재(1)를 예열할 수 있다. 오븐에서 예열할 경우 별도의 예열 금형을 제작하지 않아도 되어 생산 비용을 절감할 수 있다.
다음으로, 예열된 적층판(40)을 경화하기 위해 경화 금형에 장착한다(S30).
상기 경화 금형은, 탄소섬유 복합 소재 등의 복합 소재(1)를 성형할 수 있도록 상형 캐비티 공간(C1)이 형성되는 상형 금형(M1)과, 상형 캐비티 공간(C1)과 대응되는 하형 캐비티 공간(C2)이 형성되고, 상형 금형(M1)과 형합되어 복합 소재(1)를 성형하는 하형 금형(M2)으로 구성된다. 상부 금형(M1)과 하부 금형(M2)의 내부에는 열매체 라인이나 냉매체 라인 등 열교환 라인이 형성될 수 있다. 또한, 상형 금형(M1)과 하형 금형(M2) 사이 또는 상형 금형(M1)과 적층판(40) 사이에 설치되는 실링 부재(S)를 더 포함할 수 있다. 그러나, 이러한, 경화 금형의 형상 및 구조는 도면에 반드시 국한되지 않는 것으로서, 제조될 제품의 형상에 따라서 매우 다양한 형상, 재질, 종류 등의 금형들이 모두 적용될 수 있다.
적층판(40)은 하형 금형(M2)에 형성된 수용부(B)에 인서트 수용되고, 복합 소재(1)와 함께 상기 금형들(M1, M2) 사이에 삽입되어 복합 소재(1)와 함께 가압 및 가열될 수 있는 것으로서, 금형으로부터 이탈되어 복합 소재(1)를 운반하는 운반용 트레이의 역할도 할 수 있다.
경화 금형에 소재를 장착한 후 프레스 공정을 수행하기 전에, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 복합 소재(1)의 중심부까지 열을 전달하기 위해 일정 높이에서 일정 시간 유지(dwell)하는 단계를 수행한다(S40).
본 발명의 실시예에 따른 S40 단계를 수행함에 있어서, 하형 금형(M2)의 상면으로부터 복합 소재(1) 두께의 1.1 내지 1.7배가 되는 높이(T)에 상형 금형(M1)을 위치시킨다. 이로써, 복합 소재(1)의 하면의 적어도 일부분은 적층판(40)과 직접적으로 접촉하고, 상면은 공기와 접촉하게 된다. 이 때, 복합 소재(1)의 두께는 경화 후 예상되는 두께를 의미한다. 높이(T)가 너무 높으면 복합 소재(1)와 상형 금형(M1)의 거리가 멀어서 소재 윗면에 열 전달이 어렵고, 높이(T)가 너무 낮으면 소재를 가압하게 되어 바람직하지 않다.
상기 높이(T)에서 유지(dwell) 시간은 소재의 두께, 금형의 온도, 수지의 경화 속도를 고려하여 결정할 수 있다. 예컨대, 복합 소재(1) 두께 1mm 당 최대 3분을 넘지 않도록 하되, 바람직하게는 2분 내지 3분 동안 유지할 수 있다. 유지(dwell) 시간이 너무 짧을 경우 소재 내부까지 열 전달이 어렵고, 시간이 너무 길 경우 수지의 점도가 높아져 딱딱해지기 때문에 기포가 빠져나오기 어렵다. 이처럼, 소재를 가압하기 전 일정 시간 유지(dwell)함으로써 두꺼운 소재의 경우에도 중심부까지 열 전달이 이루어지고, 이후 균일한 조건에서 성형이 가능하며, 열전도 시간이 적게 소요되어 복합 소재(1)의 성형 시간이 단축될 수 있다.
이어서, 상형 금형(M1)과 하형 금형(M2)을 형합하여 복합 소재(1)를 경화시키는 단계(S50)를 수행한다. 복합 소재(1) 내부에 남아있는 기포를 제거하기 위해, 상형 금형(M1)을 서서히 이동시켜 가압할 수 있다. 가압 속도가 너무 빠르면 기포 제거가 어렵고 복합 소재(1)가 변형될 가능성이 있다. 바람직하게는, 0.1 내지 0.5mm/s 속도로 가압함으로써 기공도가 낮은 고품질의 복합재를 얻을 수 있다.
필요에 따라서, 경화 후 금형으로부터 분리된 적층판(40)을 냉각 금형에 장착하여 복합 소재(1)를 냉각할 수 있다. 마지막으로, 적층판(40)을 상기 경화 금형 또는 상기 냉각 금형으로부터 분리할 수 있고, 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 완성된 복합 소재(1)를 적층판(40)으로부터 탈거할 수 있다(S60).
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복합 소재 제조방법은, 복합 소재에 유지(dwell) 시간을 줌으로써 두꺼운 소재의 경우에도 중심부까지 열이 전달되어 균일한 조건에서 성형할 수 있다. 또한, 프레스 성형 시 아주 낮은 속도로 가압함으로써 소재 사이에 남아 있는 기공을 제거함으로써 기공도가 낮은 고품질의 복합재를 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 복합 소재
11: 프리프레그
M1: 상형 금형
M2: 하형 금형
C1: 상형 캐비티 공간
C2: 하형 캐비티 공간
40: 적층판
B: 수용부
S: 실링 부재

Claims (10)

  1. (a) 적층판 상에 복합 소재를 적층하는 단계;
    (b) 상기 적층판을 하형 금형에 장착한 다음, 상기 하형 금형의 상면으로부터 상기 복합 소재 두께의 1.1 내지 1.7배가 되는 높이에 상형 금형을 위치시키는 단계;
    (c) 상기 (b) 상태를 소정 시간 유지(dwell)하는 단계;
    (d) 상기 상형 금형과 하형 금형을 형합하여 경화시키는 단계; 및
    (e) 완성된 복합 소재를 상기 적층판으로부터 탈거하는 단계;를 포함하는,
    복합 소재 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (c) 단계에서,
    유지(dwell) 시간은 복합 소재 두께 1mm 당 2 내지 3분인,
    복합 소재 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    (d) 단계는,
    상형 금형을 0.1 내지 0.5mm/s 속도로 이동시켜 프레스 성형하는 단계인,
    복합 소재 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    (d) 단계는,
    금형 내부가 진공인 상태에서 수행되는,
    복합 소재 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    (b) 단계 이전에,
    복합소재가 적층된 적층판을 예열 금형에 장착하거나, 오븐에 투입하여 상기 복합 소재를 예열하는 단계를 더 포함하는,
    복합 소재 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    (b) 단계에서,
    상기 복합 소재는,
    하면의 적어도 일부분은 상기 적층판과 직접적으로 접촉되고, 상면은 공기와 접촉되는,
    복합 소재 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층판은, 상기 하형 금형의 열을 상기 복합 소재에 전달할 수 있도록 열전도성 재질로 이루어지는,
    복합 소재 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 소재는, 다수의 프리프레그를 적층한 프리프레그 적층체인,
    복합 소재 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    (e) 단계에서,
    보이드(void)가 제거된 복합 소재가 제조되는,
    복합 소재 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    (d) 단계 이후, (e) 단계 이전에,
    상기 하형 금형으로부터 상기 적층판을 분리한 후, 상기 적층판을 냉각 금형에 장착하여 상기 복합 소재를 냉각하는 단계;를 더 수행하는,
    복합 소재 제조방법.
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