KR20240036610A - 성형 공구, 그 제조 방법 및 상기 공구에서의 복합 부품의 제조 방법 - Google Patents

성형 공구, 그 제조 방법 및 상기 공구에서의 복합 부품의 제조 방법 Download PDF

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KR20240036610A
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케네스 프로그너
라스무스 키얼스크란드
리프 시에싱
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코레본 에이비
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Abstract

유도 가열을 이용한 복합 부품 제조용 성형 공구가 개시된다. 성형 공구(1)는 복합 부품으로 변환될 재료와 접촉하도록 구성된 접촉면과, 외부면(12)을 갖는 몰드(10)를 갖는다. 상기 몰드(10)은 몰드(10)의 외부면(12)에 사행형 패턴으로 배열된 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)로서, 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)에 흐르는 교류 전류에 의해 발생되는 자기장이 몰드(10)의 적어도 일부에 전류를 유도하여 가열되도록 하는 적어도 하나의 메인 코일(21, 22), 및 유도 가열될 몰드의 적어도 하나의 영역을 한정하도록 구성된 몰드(10)의 외부면(12) 상에 배열된 적어도 하나의 둘레 코일(23, 24)에 의해 유도 가열되도록 구성된다. 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 몰드(10)로부터 전기적으로 절연되고 적어도 하나의 처리 수단과 작동가능하게 연통하는 리츠 와이어를 포함한다.

Description

성형 공구, 그 제조 방법 및 상기 공구에서의 복합 부품의 제조 방법
본 발명은 유도 가열을 이용한 복합 부품을 제조하는 성형 공구, 상기 성형 공구를 제조하는 방법 및 상기 공구로 복합 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
지난 수년 동안, 예를 들어 자동차 및 항공우주 산업에서 경량 재료의 사용에 대한 관심이 증가하고 있으며, 여기서 주요 목표는 수송 동안 탄소 배출물을 감소시키는 것이다. 예를 들어, 차량 또는 항공기 구성요소가 섬유 복합재로 제조되는 것이 점점 더 보편화되고 있다.
자동차 도어 또는 항공기 구성요소와 같은 부품을 생산할 때, 제어된 가열을 갖고 부품의 관련 영역 전체에 걸쳐 균일한 열 분포를 보장하는 것이 중요하다. 모든 상이한 단점들을 갖는 종래 기술에서의 복합재 제조를 위한 성형 공구의 몇 가지의 예들이 존재한다. 예를 들어, 이들은 큰 열 질량이 가열 및 냉각되는 것을 겪게 되고, 이는 긴 사이클 시간 및 높은 에너지 소비를 의미한다. 또 다른 일반적인 문제는 불균일한 가열이며, 이는 부품 성능 및 수율에 영향을 미친다. 큰 물리적 공간 요건 및 높은 자본적 투자는 기존의 해결책뿐만 아니라 크기 또는 온도의 제한을 갖는 다른 일반적인 과제이다.
일반적인 열원은 오븐이고, 가열된 오토클레이브, 열 카트리지, 저항 와이어, IR-램프는 모두 장단점을 가지고 있다. 환경적 관점은 고온 오일 및 높은 가압 증기 기술과 같은 특정 에너지 공급원을 갖는 다른 중요한 과제이다.
전술한 열원을 전형적으로 사용하고 전술한 단점을 겪는 복합 생산 공정의 예는 수지 이송 성형 및 압축 성형이고, 이는 2개의 몰드 절반부를 함께 유지하기 위해 일부 유형의 프레스 내에서 일반적으로 사용된다. 다른 예는 진공 주입, 진공 배깅(vacuum bagging) 및 오토클레이브 처리(autoclave processing)이며, 여기서 몰드 절반부들 중 하나는 보통 가요성 멤브레인 또는 백으로 대체되거나, 또는 몰드 절반부들은 몰드의 내부와 외부 사이의 압력차에 의해 함께 푸시된다.
따라서, 짧은 사이클 시간을 허용하고, 에너지 효율적이고, 높은 품질 및 수율에 도달하여 비용 효율적인 대량 생산을 가능하게 하는 복합 부품을 제조하기 위한 개선된 성형 공구에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술과 관련된 문제를 해결하거나 적어도 완화시키는 것이다. 이러한 목적은 첨부된 독립 청구항에 기재된 기술에 의해 달성되고; 바람직한 실시예는 관련된 종속 청구항에서 정의된다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 유도 가열을 이용하여 복합 부품을 제조하기 위한 성형 공구가 제공된다. 상기 성형 공구는 복합 부품으로 변환될 재료와 접촉하도록 구성된 접촉면과, 외부면을 갖는 몰드를 구비한다. 상기 몰드는, 상기 몰드의 외부면에 걸쳐 사행형 패턴(meander-like pattern)으로 배열된 적어도 하나의 메인 코일로서, 상기 적어도 하나의 메인 코일을 통해 흐르는 교류 전류는 상기 사행형 패턴을 따르는 상기 몰드의 외부면에 걸쳐 교대로 반대방향으로 그 주요 범위로 지향되고, 상기 전류에 의해 생성된 자기장은 가열될 상기 몰드의 적어도 일부에서 전류를 유도하도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 메인 코일, 및 상기 몰드의 외부면 상에 배열되고 유도 가열될 상기 몰드의 적어도 하나의 영역을 한정하도록 구성된 적어도 하나의 주변 코일에 의해 유도 가열되도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 메인 코일 및 상기 적어도 하나의 주변 코일은 상기 몰드로부터 전기적으로 절연되고 적어도 하나의 처리 수단과 작동가능하게 연통하는 리츠 와이어(litz wires)를 포함한다.
자기장은 바람직하게 적어도 하나의 메인 코일 및 적어도 하나의 주변 코일 모두를 통해 흐르는 전류에 의해 생성되고, 가열될 몰드의 적어도 일부에서 전류를 유도하도록 구성된다.
일 실시예에서, 교류 전류는 몰드의 외부면에 걸쳐 교대로 반대 방향으로 지향된 적어도 85%이 되는 적어도 하나의 메인 코일을 통해 흐른다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 메인 코일을 통해 흐르는 교류 전류는 몰드의 외부면에 걸쳐 실질적으로 교대로 반대 방향으로 지향된다. 일 실시예에서, 용어 "주요 범위(major extent)"는 큰 범위로 보일 것이다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 메인 코일 및 적어도 하나의 주변 코일은 접착제 요소에 의해 몰드에 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 메인 코일 및 적어도 하나의 주변 코일은 별도의 백킹 구조체를 통해 몰드의 외부면에 부착될 수 있다. 백킹 구조체는 몰드로부터 오프셋될 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 코일은 고주파 전류의 소스에 연결될 수 있고, 코일들은 동일하거나 상이한 소스들에 의해 공급될 수 있다. 바람직하게, 상기 고주파 전류 소스는 주파수 변환기이다.
일 실시예에서, 상기 몰드는 쉘 공구 또는 솔리드 공구일 수 있다. 양자의 유형은 통상적으로 섬유 복합 처리에서 사용된다. 몰드는 사실상 임의의 형상을 가질 수 있고, 임의 개수의 캐비티를 포함할 수 있다. 쉘 공구는 바람직하게 큰 부품의 생산에 사용되거나 깊은 캐비티가 요구되는 경우에 그 낮은 중량으로 인해 사용된다.
상기 성형 공구의 적어도 일부는 유도 가열될 수 있도록 전기 전도성일 수 있다. 상기 몰드는 탄소섬유 복합 재료 또는 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 적어도 부분적으로 제조된다.
인바(Invar)로부터 제조된 성형 공구를 갖는 이점은 낮은 열팽창 계수 및 긴 공구 수명을 갖는다는 것이다.
또한, 니켈로 제조된 성형 공구를 갖는 이점은, 첨가제 방법을 사용하여 접촉면 상에 양호한 표면 품질 및 긴 서비스 수명을 갖는 경량 쉘 공구로 제조될 수 있다는 것이다.
또한, 알루미늄 및 강철로 제조된 성형 공구를 갖는 이점은 많은 공급자들, 비교적 낮은 비용 및 긴 서비스 수명이 존재한다는 것이다.
또한, 탄소섬유 복합재로부터 제조된 성형 공구를 갖는 이점은, 첨가제 방법을 이용하여 크고 복잡한 기하학적 구조를 포함하여, 비교적 비용 효율적이고 낮은 열팽창 계수를 갖는 경량 쉘 공구로 제조될 수 있다는 것이다.
일 실시예에서, 상기 성형 공구는 적어도 하나의 메인 코일 및/또는 적어도 하나의 주변 코일을 따라 사전결정된 영역에 배열된 적어도 연자성 요소 및/또는 적어도 전기 전도성 요소를 포함한다. 코일을 따라 연자성 요소 및 전기 전도성 요소를 배열하는 이점은, 더욱 균일한 또는 원하는 열 분포가 성취될 수 있고, 고온에 민감한 구성요소 또는 영역이 차폐될 수 있어, 바람직하지 않은 가열을 방지 또는 감소시킨다는 것이다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 성형 공구를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 접촉면 및 외부면을 갖고 유도 가열되도록 구성된 몰드를 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 적어도 하나의 메인 코일 및 적어도 하나의 주변 코일을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 몰드의 외부면 상에 사행형 패턴으로 상기 적어도 하나의 메인 코일을 배열하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 메인 코일을 통해 흐르는 교류 전류는 상기 사행형 패턴을 따르는 상기 몰드의 외부면에 걸쳐 교대로 반대방향으로 그 주요 범위로 지향되고, 상기 전류에 의해 생성된 자기장은 가열될 상기 몰드의 적어도 일부에서 전류를 유도하도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 메인 코일을 배열하는 단계를 더 포함한다. 더욱이, 상기 방법은 상기 몰드의 외부면 상에 상기 적어도 하나의 주변 코일을 배열하여, 유도 가열될 상기 몰드의 적어도 하나의 영역을 한정하는 단계를 포함한다. 상기 적어도 하나의 메인 코일 및 상기 적어도 하나의 주변 코일은 상기 몰드로부터 전기적으로 절연되고 적어도 하나의 처리 수단과 작동가능하게 연통하는 리츠 와이어를 포함한다.
일 실시예에서, 성형 공구를 제조하는 방법은 접착제 요소를 통해 또는 백킹 구조체를 통해 상기 몰드의 외부면에 적어도 하나의 메인 코일 및 적어도 하나의 주변 코일을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 성형 공구를 제조하는 방법은 적어도 하나의 메인 코일 및/또는 적어도 하나의 주변 코일을 따라 사전결정된 영역에 적어도 하나의 연자성 요소 및/또는 적어도 하나의 전기 전도성 요소를 배열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전술한 바에 따라 성형 공구를 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 몰드의 접촉면 상에 섬유 및 플라스틱 재료를 배치하는 단계, 상기 몰드를 폐쇄하는 단계, 및 처리될 재료 상에 압밀 압력(consolidation pressure)을 인가하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 사전결정된 시간-온도 프로파일에 따라 재료를 함유하는 상기 몰드를 유도 가열하여 재료를 압밀 및/또는 경화시켜 복합 부품을 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 처리될 재료에 압밀 압력을 인가하는 단계 전에, 상기 방법은 재료 상에 진공 압력을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 성형 공구 및/또는 생성된 부품의 적어도 일부를 냉각하는 단계와, 상기 부품을 상기 성형 공구로부터 탈형(demoulding)시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 복합 부품을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 전술한 바에 따라 성형 공구를 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 몰드의 접촉면 상에 처리될 섬유 재료를 배치하는 단계, 상기 몰드를 폐쇄하는 단계, 진공 압력을 인가하는 단계 및 섬유 재료에 플라스틱 재료를 주입하는 단계를 포함하고, 이에 의해 플라스틱 재료는 처리될 재료의 일부를 형성한다. 상기 방법은 또한 사전결정된 시간-온도 프로파일에 따라 섬유 및 플라스틱 재료를 함유하는 몰드를 유도 가열하여 복합 부품을 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 몰드 상의 플라스틱 재료 또는 수지를 유도 가열 및 압력 인가 또는 주입하는 단계는 동시에 발생한다.
또 다른 실시예에서, 상기 방법은 성형 공구 및/또는 생성된 부품의 적어도 일부를 냉각하는 단계와, 상기 부품을 상기 성형 공구로부터 탈형시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
예로서, 본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 처리 수단과 관련된 성형 공구의 개략적인 블록도이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 성형 공구 및 재료의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 성형 공구의 몰드에 부착된 코일 조립체의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 성형 공구의 몰드에 차례로 부착되는 백킹 구조체에 부착된 코일 조립체의 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 성형 공구의 제조 방법을 도시하는 개략적인 블록도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 복합 부품의 제조 방법을 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 5b는 다른 실시예에 따른 복합 부품의 제조 방법을 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 5c는 일 실시예에 따른 성형 공구에서 복합 부품을 제조하는 방법의 일부의 개략도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 하나의 메인 코일 및 하나의 주변 코일을 갖는 성형 공구의 외부면의 사시도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 하나의 메인 코일 및 하나의 주변 코일을 갖는 성형 공구의 외부면의 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 2개의 메인 코일 및 1개의 주변 코일을 갖는 성형 공구의 외부면의 사시도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 2개의 메인 코일 및 1개의 주변 코일을 갖는 성형 공구의 외부면의 사시도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 2개의 메인 코일 및 2개의 주변 코일을 갖는 성형 공구의 외부면의 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 2개의 메인 코일 및 2개의 주변 코일을 갖는 성형 공구의 외부면의 사시도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 코일 배열의 개략도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 코일 배열의 개략도이다.
도 14는 추가 실시예에 따른 코일 배열의 개략도이다.
성형 공구는 종종 상이한 형상의 복합 부품을 생산하는데 사용된다. 생산되는 전형적인 부품은 자동차 부품, 드론 또는 항공기 부품뿐만 아니라 풍력 에너지 부품이며, 예를 들어, 바디 패널 및 구조적 구성요소, 예컨대 자동차 도어, 항공기 및 풍차 날개 등이 있다. 본원에 개시된 본 발명의 개념 내에 적용가능한 공구는 단일 또는 다수의 캐비티를 갖는 쉘 공구 및 솔리드 공구이다. 본 발명의 개념은 주로 복합 물품의 제조를 위한 유도 가열 공구에 관한 것이다.
이제, 본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 본 명세서에 기재된 실시예들에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다; 오히려, 이들 실시예는 본 개시내용이 철저하고 완전하도록 제공되며, 본 발명의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 것이다. 첨부 도면에 도시된 특정 실시예의 상세한 설명에서 사용되는 용어는 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 성형 공구(1)는 몰드(10) 및 코일 조립체(20)를 구비한다. 성형 공구(1)는 코일 조립체(20)의 동작을 제어하고 통전시키는 적어도 하나의 처리 수단(30) 및 그에 의해 성형 공구(1)를 가열하고 복합 부품(A)의 제조를 이루는 유도 가열 공정과 작동가능하게 연통된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 몰드(10)는, 단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 접촉면(11) 및 외부면(12)을 갖는 바디를 갖는다. 접촉면(11)은 성형 공정 동안 복합 부품(A)으로 변환될 재료(110)와 대면하도록 구성된 몰드(10)의 내부 영역이다. 몰드(10)는 또한 제조될 부품(A)의 원하는 형상으로 치수화 및 형상화되는 캐비티를 갖는 바디로서 보일 수 있다. 이는 재료(110)를 수용하도록 구성된 몰드(10)의 접촉면(11)이다. 예를 들어, 성형 공구(1)의 몰드(10)에서 생성될 부품(A)은 자동차 도어 또는 임의의 다른 복합 부품이다. 몰드(10)가 하나보다 많은 캐비티를 포함할 수 있고, 이에 의해 단일 생산 사이클에서 몇 가지의 구성요소를 제조할 수 있으며, 이는 복합 부품(A)으로 변환될 재료(110)로 여전히 지칭된다.
이하, 접촉면(11)은 몰드의 전면(front side)이라 칭하고, 외부면(12)은 몰드(10)의 후면(back side)이라 칭한다. 후면(12)은 코일 조립체(20)가 부착될 몰드의 일부이다. 따라서, 성형 공구(1)의 가열은 몰드(10)의 후면(12) 상에 배열된 코일 조립체(20)에 의해 유도된다. 선택적으로, 코일 조립체(20)는 후면(12)의 부근에 위치된 백킹 구조체(13)를 통해 후면에 부착된다. 이는 도 3과 관련하여 더 상세히 설명될 것이다.
전형적으로, 몰드(10), 및 그에 따른 성형 공구(1)는 탄소섬유 복합 재료 또는 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 적어도 부분적으로 제조된다. 상기 재료는 바람직하게 유도 가열될 수 있도록 상당한 전기 전도성을 갖는 재료이며, 예를 들어 1 지멘스/미터(Siemens/meter)보다 크다.
몰드(10)가 탄소섬유 복합재로 이루어지는 경우, 몰드(10)는 탄소섬유 보강 플라스틱(CFRP)일 수 있다. 섬유 보강재는 또한 탄소 및 유리 섬유, 현무암 섬유 등과 같은 다른 유형의 기술적 섬유의 하이브리드일 수 있다. 섬유는 연속 또는 쵸핑(chopped)된, 단방향 플라이(unidirectional plies) 또는 다축 레이업(multi-axis layup) 또는 랜덤하게 배향된 섬유(random oriented fiber)일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 섬유는 직조된다. 상이한 유형의 섬유 및 레이업은 강성, 열 팽창 계수(CTE), 전기 및 열 특성과 같은 그 특정 이점을 갖고, 바람직하게 피치 탄소 섬유 또는 높은 열 전도성 폴리아크릴 니트릴 탄소 섬유와 같은 높은 열 전도성을 갖는 탄소 섬유가 균일한 온도 생성을 단순화하는데 사용된다. 유사한 선택이 매트릭스 재료에 적용되며, 여기서 용이하고 낮은 온도 처리가 유리하며, 고온 저항 및 높은 유리 전이 온도이다. 또한, 낮은 CTE 및 긴 내구성 또는 서비스 수명은 중요한 특성이다. 매트릭스의 예로는 에폭시, 비스말레이미드, 폴리이미드, 벤조옥사진, 페놀릭 및 또한 실리콘, 및 폴리에테르코톤(PEEK), 폴리페닐렌-설파이드(PPS) 등과 같은 열가소성 또는 반결정체를 들 수 있다.
몰드(10)가 적어도 부분적으로 금속으로 제조되면, 이는 전형적으로 강철, 알루미늄, 또는 인바와 같은 합금일 수 있다. 또한, 니켈 또는 코팅된 강철이 통상적이지만, 임의의 금속이 특정 용례에 따라 작용하여 유익할 수 있다. 금속 또는 탄소섬유 복합 재료를 사용하는 목적은 성형 공구(1), 보다 중요하게 그 몰드(10)가 유도 가열될 수 있어야 한다는 것이다. 기본적으로, 성형 공구(l)는 서셉터(susceptor)이며, 이는 전자기 에너지를 흡수하여 이를 열로 변환하는 능력을 갖는다는 것을 의미한다. 이 경우에, 성형 공구(1)는 코일 조립체(20)를 통해 유도 가열된다. 성형 공정 동안, 전형적으로 섬유 및 폴리머 재료의 혼합물인 처리될 재료(110)는 유도 가열된 성형 공구(1)에 의해 가열되도록 구성된다. 처리될 재료(110)는 또한 성형 공정에서 나중에 수지가 주입되는 섬유 재료일 수 있다. 전체적으로, 성형 공정 동안에 주입될 수지 또는 플라스틱 재료는 처리될 재료(110)의 일부인 것으로 간주된다.
일부 경우에, 처리될 재료(110) 및 몰드(10)는 유사한 재료일 수 있고, 또한 유도로부터 직접 열을 흡수할 수 있다. 처리될 재료(110)는 아래에서 더 상세히 논의될 것이다. 몰드(10)는 부품의 측면 중 하나에 대한 요건이 다른 것보다 낮을 때 비용을 감소시키고 보다 간단한 성형 공구(1)을 제공할 수 있다. 대안적으로, 이는 2개의 독립적인 성형 공구(1), 즉 공구 절반부로서, 또는 코일(21-24) 중 적어도 하나가 함께 연결되는 하나의 성형 공구(1)로서, 공정 및 요건에 따라 양면일 수 있고, 그럼에도 기계적으로 2개의 개별적인 몰드(10)일 수 있다.
몰드(10)에서 처리될 재료(110)는 주로 접촉 표면(11)과의 접촉에 기인하여 가열될 것이지만, 탄소섬유를 함유하는 경우 유도 가열로부터 직접적으로 특정 양의 에너지를 흡수할 수도 있다. 재료(110)는 전형적으로 섬유 재료 및 중합체 재료의 혼합에 기초한 복합 재료이다. 비제한적인 예로서, 재료는 다수의 섬유 층, 예컨대 열경화성 또는 열가소성 매트릭스에 매립된 유리 또는 탄소섬유의 10개의 층을 포함할 수 있다. 재료는 섬유의 직조 웹, 또는 예를 들어 쵸핑된 섬유로 제조되거나, 조직화되거나 랜덤하게 배향될 수 있다. 선택적으로, 웹은 부직포이다. 매트릭스는 예를 들어 에폭시, 폴리에스테르(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC)일 수 있거나, 폴리페닐렌설파이드(PPS) 또는 폴리에터케톤(PEEK) 등과 같은 반결정질 열가소성 재료일 수 있다. 또한, 섬유는 아마 섬유, 아라미드, 초고분자량 폴리에틸렌 등과 같은 임의의 다른 기술적 직물일 수 있다. 비-제한적인 예로서, 유리 섬유는 폴리카보네이트 기반 매트릭스에서 보강재로서 사용될 수 있다. 복합 재료는 또한 하이브리드 섬유 보강재, 예를 들어 유리 섬유 및 탄소 섬유에 의해 제조될 수 있다.
부품(A)은 압력 하에서 처리될 재료(110)를 가열함으로써 성형 공구(1)에서 생성된다. 달리 말하면, 재료(110)가 유도 가열 성형 공구(1)에 의해 가열될 때, 부품(A)이 생성되고, 이는 공정이 시작될 때 매트릭스 재료가 이미 존재하거나, 또는 주입 공정을 사용하여 공정 동안 첨가되기 때문이다. 바람직하게, 재료(110)는 공극, 핀 구멍 또는 불충분한 습윤의 위험을 감소시키기 위해 진공 압력 하에서 처리된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 성형 공구(1)는 코일 조립체(20)를 포함한다. 코일 조립체(20)는 바람직하게 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 둘레 코일(23, 24)을 포함한다. 하기에서, 메인 코일 및 주변 코일은 개별적으로 설명될 것이다.
일 실시예에서, 성형 공구(1)는 몰드(10)의 후면(12) 상에 배열된 하나 이상의 메인 코일(21, 22)과 함께 배열된다. 메인 코일(21, 22)은 몰드(10)와 전기적으로 절연되며, 전류가 흐를 때 몰드(10)를 유도 가열하도록 구성된다. 바람직하게, 메인 코일은 높은 주파수에서 그 가요성 및 낮은 손실로 인해 리츠(litz) 와이어로 제조된다. 시스템의 양호한 효율을 보장하기 위해, 치수 및 응용에 따라 하나 또는 여러 개의 와이어가 병렬로 있을 수 있다.
또한, 메인 코일(들)(21, 22)은 몰드(10)의 원하는 가열된 영역의 주요 영역, 적어도 50%, 즉 재료(110)가 배치되는 주요 영역의 주요 영역을 가열하는 적어도 하나의 코일로서 추가로 정의된다. 이는 또한 몰드의 가장 큰 부분을 커버하는 코일(들)로서 설명될 수 있다. 몰드(10)의 기하학적 구조에 따라, 메인 코일(들)(21, 22) 및 주변 코일(들)(23, 24)에 의해 커버되는 영역의 분포는 변할 것이다. 전형적으로, 몰드가 클수록, 메인 코일(들)에 의해 커버되는 단편적인 영역(fractional area)이 더 커진다.
성형 공정 동안 균일한 열 분포를 달성하기 위해, 메인 코일(21, 22)은 몰드(10)의 후면(12) 상의 사행형 패턴으로 주요 범위로 배열된다. 사행형 패턴(meander-like pattern)은 쿡킹 그리드 또는 그릴 패턴, 서펜타인 패턴 또는 사인파 패턴으로 볼 수 있다. 어느 방식이든, 사행형 패턴의 주요 목표는 각각의 메인 코일(21, 22)을 통해 흐르는 전류가 그 길이를 따라 그리고 몰드(10)의 후면(12) 전체에 걸쳐 국부적으로 교대로 반대 방향으로 지향된다는 것이다. 이는 도 6 내지 도 14에 도시된 작은 화살표로부터 명백하다. 전류의 반대 방향의 목적은 몰드(10)의 균일한 가열을 달성하기 위해 코일 주위에 생성된 국부 자기장을 보상하거나 확산시키는 것이다.
사행형 패턴을 설명하는 다른 방법은 몰드(10)가 적어도 하나의 메인 코일에 의해 유도 가열되도록 구성된다는 점을 통해 이루어진다. 각각의 메인 코일(21, 22)은 몰드(10)의 후면(12) 상에 사행형 패턴으로 배열되어, 각각의 메인 코일(21, 22)을 통해 흐르는 교류 전류가 사행형 패턴을 따르는 몰드(10)의 후면(12)에 걸쳐 교대로 반대 방향으로 지향된다. 그러면, 전류에 의해 생성된 자기장은 가열될 몰드(10)의 적어도 일부에서 전류를 유도하도록 구성된다.
달리 말하면, 몰드의 후면(12) 상에 배열된 각각의 메인 코일(21, 22)은 그 길이를 따라 적어도 한번 접히거나 구부러진다. 각각의 메인 코일(21, 22)은 그 길이를 따라 여러 번 구부러질 수 있다. 또한, 각각의 코일은 굴곡부들 사이에서 직선, 곡선 또는 형상화될 수 있다. 각각의 굴곡부의 하류에서, 전류는 동일한 굴곡부의 상류를 가졌던 방향에 대해 방향을 변경한다.
사행형 패턴을 설명하는 다른 방법은 각각의 라인이 그 단부에서 인접한 라인과 함께 결합되는 평행 라인을 통해 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로, 메인 코일(21, 22)의 라인을 따라 일 방향으로 흐르는 전류는 동일한 메인 코일(21, 22)의 인접한 라인에 흐르는 동일한 전류에 대해 반대 방향으로 지향된다.
메인 코일(21, 22)의 사행형 패턴이 어떻게 설명되는지에 관계없이, 그 목적은 사용 동안 각각의 메인 코일(21, 22)의 특정 부분을 따라 생성된 자기장이 여전히 있음을 보장하는 것이다. 몰드(10) 전체에 걸쳐 균일한 가열을 제공하기 위해 동일한 메인 코일(21, 22)의 평행한 부분을 따라 생성된 자기장에 의해 상쇄된다.
몰드(10)의 형상은 제조될 부품(A)의 기하학적 형상을 나타내며, 이는 로트를 변화시킬 수 있고 복잡한 형상을 가질 수 있다. 몰드(10)의 형상이 성형되는 부품의 기하학적 구조에 의존할 수 있기 때문에, 균일한 가열을 달성하기 위해 메인 코일(21, 22)을 형상화하는데 몇 가지의 어려움이 있을 수 있다. 그러나, 몰드(10)의 후면(12)이 사행형 패턴으로 주요 범위로 배열된 메인 코일(들)에 의해 커버되는 것이 유리하다. "커버된(covered)"이라는 용어는 메인 코일(들)이 몰드(10)의 전체 후면(12)을 명시적으로 커버하는 방식으로 해석되지 않아야 한다. 실제로, 대부분의 경우, 몰드(10)의 후면(12)의 주요 부분은 코일들에 의해 명시적으로 커버되지 않는다. 대신에, 인접한 턴들 또는 와이어들 사이에 공간이 존재한다. 이러한 개념은 또한 코일(들)의 턴들 또는 와이어들 사이에 공간이 있는 도 6 내지 도 11로부터 이해될 수 있다. 이에 따라, '커버된'에 의해, 몰드(10)의 후면(12)은 코일(들)에 의해 실질적으로 유도 가열되는 영역을 갖는다는 것을 의미한다. 더욱이, 주요 범위는 적어도 85%로서 보일 수 있다. 실제적인 이유로 또는 몰드(10)의 국부적인 두께 변화로 인해, 몰드의 작은 부분 또는 일부(<15%) 상에 국부적으로 유익하고, 2개의 인접한 턴들로부터의 자기장이 협력하고 열 발생을 증폭시키는 방식으로 메인 코일들을 성형한다. 이러한 개념은 아래의 도 7과 관련하여 예시 및 설명된다.
메인 코일(21, 22) 이외에, 코일 조립체(20)는 하나 이상의 주변 코일(23, 24)을 가질 수 있다. 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 또한 몰드(10)로부터 전기적으로 절연된다. 메인 코일(21, 22)과 마찬가지로, 각각의 주변 코일(23, 24)은 몰드(10)의 후면(12) 상에 배열된다. 각각의 주변 코일(23, 24)의 목적은 유도 가열될 몰드(10)의 적어도 하나의 영역을 제한하는 것이다. 달리 말하면, 주변 코일(23, 24)은 가열될 주변부, 또는 몰드(10)의 윤곽을 마킹하도록 배열될 수 있다. 각각의 주변 코일(23, 24)은 또한 유도 가열을 받지 않는 몰드(10) 상의 아일랜드와 같은 영역을 윤곽 형성할 수 있다. 예를 들어, 일부 성형 공구(1)는 가열되지 않는 영역을 가질 수 있다. 자동차 도어 내로의 몰딩 재료의 경우에, 윈도우의 몰딩 재료에 대응하는 부분은 몰드(10)에 의해 가열되기를 원하지 않을 수 있다. 동일한 것이 예를 들어 다중-캐비티 몰드에 적용될 수 있다. 그러한 특정 경우에, 제1 주변 코일(23)은 몰드(10)의 후면(12)에서 메인 코일(21, 22)을 둘러싸도록 배열될 수 있고, 제2 주변 코일(24)은 자동차 도어의 윈도우에 대응하는 몰드(10)의 후면(12) 상의 다른 위치에 배열될 수 있다. 이는 아래에서 더 논의될 도 10 내지 도 11에 도시된 실시예에서 예시된다.
각각의 주변 코일(23, 24)의 다른 목적은, 예를 들어 열 손실, 열 전도, 대류 또는 방사, 또는 처리될 재료 또는 몰드의 두께의 변화와 같은 몰드 내의 시간 또는 온도 의존 특성에 의해 야기되는 온도 구배를 제어하는 것이다. 이들 구배는 메인 코일(21, 22)이 몰드(10)의 후면(12) 상에서 끝나는 에지 부분에 나타날 수 있다.
더 상세히 후술되는 바와 같이, 2개 이상의 주변 코일은 서로 인접하게 배열될 수 있다. 이는 온도 구배를 제어하고 그리고/또는 주변 영역 상에 충분한 전력이 공급되도록 하는 방법을 제공하기 때문에 유익하다. 2개 이상의 메인 코일이 또한 서로 인접하게 배열될 수 있다.
언급된 바와 같이, 코일 조립체(20)는 몰드(10)의 후면(12)에 부착된다(도 2에 도시됨). 이를 위해, 체결 수단(미도시)이 필요할 수 있다. 체결 수단은 예를 들어 볼트, 후크 또는 스테이플의 형태일 수 있다. 코일 조립체(20)는 또한 접착제에 의해 몰드(10)의 후면(12)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 주로 리츠 와이어로 이루어진 코일 조립체(20)는 몰드(10)의 후면(12) 상에 직접 접착될 수 있다. 다른 실시예에서, 코일 조립체(20)는 전술된 방식 중 임의의 방식으로 또는 프레스, 진공 등을 포함하는 기계적 클램핑에 의해 몰드(10)에 차례로 부착되는 백킹 구조체(13)(도 3에 도시됨)에 접착되거나 기계적으로 끼워맞춤될 수 있다. 백킹 구조체(13)는 몰드(10)로부터 오프셋될 수 있다. 또한, 백킹 구조체(13)는 몰드(10)와 전기적으로 절연된 외부 구조체일 수 있다. 백킹 구조의 조립체는 적용에 따라 다르다.
성형 공구(1)의 유도 가열을 더욱 개선하기 위해, 연자성 요소 및 전기 전도성 요소(미도시)가 코일 조립체(20)를 따라 사전결정된 영역에 배치될 수 있다. 연자성 요소는 전형적으로 작은 히스테리시스 손실을 갖는 자기 재료로 제조된다. 연자성 요소는 재료 내의 유도 전류를 회피하는 방식으로 생성된다. 연자성 재료의 전형적인 예는 때때로 분말 코어, 또는 연질 페라이트로 지칭되는 연자성 복합재이다. 전기 전도성 요소는 통상적으로 구리 또는 알루미늄과 같은 매우 전기 전도성 재료로 제조된다. 연자성 및 전기 전도성 요소들은 원하는 가열 패턴을 달성하고, 자기 플럭스 밀도를 농축하고, 유도 가열 시스템의 효율을 개선하고, 표유 자기장(stray magnetic fields)을 감소시키고, 높은 주파수 전자기장을 차폐하는데 사용되어 원하지 않는 영역 또는 재료가 유도에 의해 가열되는 것을 방지한다.
적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)과 작동가능하게 연통하는 적어도 하나의 처리 수단(30)이 제공된다. 코일 조립체(20)의 코일(21, 22, 23, 24)은 하나의 동일한 처리 수단에 또는 상이한 처리 수단에 결합될 수 있다. 처리 수단(30)은 코일 조립체(20)에서 고주파 전류를 발생시키도록 구성된다. 바람직하게, 처리 수단(30)은 주파수 변환기이다. 적어도 하나의 처리 수단(30)은 코일(21, 22, 23, 24)에 교류 전압 및 전류를 생성하도록 구성되어, 성형 공구(1)의 몰드(10)를 유도 가열시켜 부품(A)을 생성할 수 있도록 한다. 일부 실시예에서, 하나의 처리 수단(30)이 단독으로 다수의 코일을 제어할 수 있다. 다른 실시예에서, 여러 개의 처리 수단(30)이 성형 공구(1)의 가열을 제어하는데 사용될 수 있다.
바람직하게, 처리 수단(30)은 일부 유형의 마이크로컨트롤러 또는 중앙 처리 장치, 메모리 등에 관하여 소정의 지능, 및 그래픽 디스플레이, 버튼, 노브 또는 그 유사물의 관점에서의 휴먼 머신 인터페이스로서, 또는 PC 또는 PLC와 같은 감시 시스템(surveillance system)으로부터 제어될 통신 인터페이스로서 시스템을 동작시키기 위한 적어도 하나의 유형의 인터페이스(미도시)를 포함한다.
도 2는 코일 조립체(20)가 성형 공구(1)의 몰드(10)에 부착되는 실시예를 도시한다. 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 구비하는 코일 조립체(20)의 부착은 도 2에서 점선으로 도시되어 있다. 코일(21, 22, 23, 24)은 전술한 바와 같이 체결 수단을 통해 또는 접착제를 통해 부착될 수 있다. 체결 수단은 예를 들어 볼트, 후크, 스테이플 또는 프레스 핏과 같은 기계적 로킹의 형태일 수 있다. 예를 들어 주로 리츠 와이어로 이루어진 코일 조립체(20)는 몰드(10)의 후면(12) 상에 직접 접착될 수 있다.
도 3은 코일 조립체(20)의 코일(21, 22, 23, 24)이 몰드(10)의 후면(12)에 차례로 부착되는 백킹 구조체(13)에 먼저 부착되는 다른 실시예를 도시한다. 전술된 바와 같이, 백킹 구조체(13)는 몰드(10)로부터 오프셋될 수 있다. 또한, 백킹 구조체(13)는 몰드(10)로부터 전기적으로 절연되는 외부 구조체일 수 있다. 도 3에서, 백킹 구조체(13)는 그 단부에서 몰드(10)에 부착된다.
이하, 도 4를 참조하여 성형 공구(1)의 제조 방법을 설명한다.
제1 단계에서, 접촉면(11) 및 외부면 또는 후면(12)을 갖는 유도성으로 가열되도록 구성된 몰드(10)를 제공한다(205). 다음 단계에서, 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 몰드(10) 상에 제공한다(210, 215). 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)을 도 6 내지 11에 도시된 실시예 중 어느 것에 따라 몰드(10)의 외부면(12) 상에 사행형 패턴으로 배열(220)하여, 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 각각을 통해 흐르는 교류 전류가 사행형 패턴을 따르는 몰드(10)의 외부면(12)에 걸쳐 교대로 반대 방향으로 지향된다. 이러한 전류에 의해 생성된 자기장은 가열될 몰드(10)의 적어도 일부 또는 부분 내에 전류를 유도하도록 구성된다. 선택적으로, 일부 메인 코일은 서로 인접하게 그리고 실질적으로 평행하게 배열되어, 몰드의 외부면에 걸쳐 동일한 사행형 패턴을 따른다.
상기 방법은 유도 가열될 몰드(10)의 적어도 하나의 영역을 한정하도록 몰드(10)의 외부면(12) 상에 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 배열하는 단계(225)를 더 포함한다. 선택적으로, 일부 주변 코일은 서로 인접하게 그리고 실질적으로 평행하게 배열되어, 몰드의 외부면에 걸쳐 동일한 패턴을 따른다. 몰드의 '적어도 하나의 영역'은 몰드의 적어도 일부를 의미한다. 이는 또한 가열될 '몰드의 적어도 일부"로서 공식화될 수 있다. 일부 경우에, 전체 몰드를 가열하지 않는 것이 바람직하다. 그 후, 몰드의 일부 영역/부분/일부는 주변 코일에 의해 한정된다. 동일한 개념은 가열될 몰드의 영역/부분/일부에 적용된다. 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)의 배열은 이들 영역을 한정할 수 있다. 몰드가 가열될 때, 몰드의 에지 또는 가열된 영역은 전형적으로 몰드의 나머지보다 대류, 전도 및 복사 냉각에 의해 상이하게 영향을 받는다. 따라서, 이러한 영역에서 독립적으로 온도를 제어함으로써 이를 보상할 수 있는 것이 유리하다.
특히, 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(21, 22)은 리츠 와이어를 포함한다. 또한, 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(21, 22)은 몰드(10)로부터 전기적으로 절연되고, 적어도 하나의 처리 수단(30)과 작동가능하게 연통한다. 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 접착제 요소를 통해 또는 백킹 구조체(13)를 통해 몰드(10)의 외부면 또는 후면(12)에 부착한다(230, 235).
상기 방법은 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및/또는 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 따라 사전결정된 영역에 적어도 하나의 연자성 요소(soft magnetic element)를 배열하는 단계(240)를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및/또는 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 따라 사전결정된 영역에 적어도 하나의 전기 전도성 요소(electrically conductive element)를 배열하는 단계(245)를 더 포함할 수 있다.
성형 공구(1)를 이용하여 복합 물품 또는 부품(A)의 제조 방법이 도 5a에 도시되어 있다. 도 5a와 관련하여 설명된 방법에서, 몰드 내에 배치되는 처리될 재료는 섬유 및 플라스틱 재료의 혼합물이다. 다른 방법은 도 5b에 도시되어 있으며, 여기서 몰드에 배치된 재료는 성형 공정 동안 플라스틱 재료로 주입되는 섬유 재료이며, 따라서 플라스틱 재료는 처리될 재료(110)의 일부를 형성한다. 도 5c는 이러한 방법들의 일부의 개략도를 제공한다.
도 5a 내지 5c에 도시된 방법에서, 처리될 재료(110)는 탄소, 유리, 아라미드, 초고분자량 폴리에틸렌, 아마 또는 현무암 섬유와 같은 테크니컬 파이퍼로 구성될 수 있거나, 또는 섬유 및 플라스틱 재료의 혼합물일 수 있다. 재료(110)는 프리프레그(prepreg), 시트/벌크 성형 화합물(SMC/BMC), 혼합된 얀, 중간 재료 또는 별개의 섬유 및 플라스틱일 수 있으며, 여기서 플라스틱은 예를 들어 시트 또는 분말의 형태일 수 있다. 플라스틱 구성요소는 열가소성 또는 열경화성일 수 있고, 섬유 구성요소는 섬유 토우, 다축 재료, 위브 또는 랜덤 배향 섬유일 수 있다. 재료(110)의 레이업, 층 수, 방향, 크기 및 형상은 분야에 잘 알려져 있는 공정 및 응용에 따라 로트를 변화시킬 수 있다. 재료(110)는 순차적으로, 예컨대 겹겹이(layer by layer) 몰드 내에 놓일 수 있거나 또는 몰드 내에 놓이기 전에 사전 형성될 수 있다. 재료(110)는, 섬유와 더불어, 부품(A)의 최종 적용에서 조립 목적을 위해 전형적인 다수의 복합 부품 또는 금속 인서트에 공통인 발포 코어, 허니콤 구조 등과 같은 코어/거리/샌드위치 재료를 포함한다. 재료(110)는 심지어 섬유 복합재 및 금속 둘 모두를 포함하는 다중-재료 부품(A)으로 변환될 수 있다.
도 5a에 도시된 방법은 본원의 교시에 따라 코일 조립체(20)에 의해 유도 가열되도록 구성된 몰드(10)를 갖는 성형 공구(1)를 제공하는 단계(305)를 포함한다. 선택적으로, 이형제(release agent)가 이러한 단계에서 성형 공구(1)에 첨가되어 몰드(10)로부터 생성된 부품(A)의 분리를 용이하게 한다. 상기 방법은 몰드(10)의 접촉면(11) 상에 처리될 재료(110)를 배치하는 단계(310)를 더 포함한다. 바람직하게, 재료(110)는 접촉면(11)과 유사한 형상을 갖는 프리-폼(pre-form)의 형태인 섬유 및 플라스틱 재료이므로, 몰드에 투입하기 용이하다.
이 경우, 플라스틱이 이미 몰드에 있는 경우, 즉 몰드에 배치된 섬유 재료에 포함된 매트릭스 물질로서, 상기 방법은 몰드(10)를 폐쇄하는 단계(312) 및 처리될 재료(110) 상에 압밀 압력을 인가하는 단계(315)를 더 포함한다. 몰드(10)는 예를 들어 다른 성형 공구(1) 절반부에 의해 또는 가요성 멤브레인 또는 백에 의해 폐쇄될 수 있다.
처리될 재료(110) 상에 압밀 압력을 인가하는 단계(315) 전에, 상기 방법은 재료(110) 상에 진공 또는 거의 진공 압력을 인가하는 단계(314)를 더 포함할 수 있다. 소정의 공정은 재료 상의 감소된 압력, 즉 진공 압력의 도움을 받아 포획된 공기를 제거하고, 이에 의해 제조 공정 동안 섬유 상의 매트릭스의 습윤을 강화하고, 이에 의해 생성된 부분(A)의 건조-스폿 또는 공극의 위험을 감소시킨다.
압밀 압력은, 예를 들어 재료(110)의 상부에 진공 배깅 유닛을 배열하고 진공 배깅을 수행함으로써 적용될 수 있다. 압밀 압력(consolidation pressure)은 또한 프레스에 의해, 오토클레이브에 의해, 또는 몰드 내부에 거의 진공 압력이 있는 경우 대기압을 통해 인가될 수 있다. 후자의 경우에, 재료(110) 상에 압밀 압력을 인가하는 단계(315)는 종종 성형 공구(1) 내의 진공을 끌어들임을 의미한다. 일부 경우에, 진공 압력은 압밀 압력과 동일하다.
도 5a와 관련하여 설명되는 방법은 재료(110)를 함유하는 몰드(10)를 유도 가열하는 단계(320)를 더 포함한다. 가열은 재료(110)를 압밀 및/또는 경화하기 위해 사전결정된 시간-온도 프로파일에 따라 수행되어 복합 부품(A)을 생성할 수 있다. 몰드(10)는 전술한 바와 같이 처리 수단(30)과 작동가능하게 연통하는 코일 조립체(20)에 의해 가열된다. 성형 공구(1) 또는 그 몰드(10)는 압력을 인가하는 단계(315) 이전에, 도중 및/또는 이후에 가열될 수 있다.
몰드(10) 및 처리될 재료(110)는 사전결정된 시간 주기 동안 성형 공구(1) 내의 이러한 위치에 유지되어, 전형적으로, 재료 전체에 걸쳐 충분한 온도 및 섬유 복합 재료로부터 적절한 압밀/습윤을 보장한다. 열경화성의 경우, 수지 또는 플라스틱 재료는 탈형 전에 충분히 경화되어야 하는 반면, 열가소성의 경우, 그 부분은 냉각된 후에 고체가 된다. 이에 따라, 결국, 경화된 또는 압밀된 재료(110)가 제공되어 복합 부품(A)을 형성한다. 이는 도 5c에 개략적으로 도시된다. 예를 들어 종종 압축 몰딩(compression molding), 스탬프 포밍(stamp forming), 오토클레이브 처리(autoclave processing), 아웃오브 오토클레이브 처리(out of autoclave processing), 진공 배깅(vacuum bagging) 등으로 지칭되는 방법에 대한 일부 적용가능한 공정이 존재한다.
이제 도 5b를 참조하면, 몰드 내에 매트릭스 재료가 배치되지 않는 경우, 즉 재료(110)가 초기에 섬유로만 구성되는 경우, 아마도 전술한 바와 같은 코어/거리/샌드위치 재료 또는 금속 삽입물 등과 조합되어 기재된다. 상기 방법은 성형 공구(1)을 제공하는 단계(305) 이후, 몰드 내에 섬유 재료(110)를 배치하는 단계를 포함한다. 그 후에, 몰드는 전형적으로 다른 몰드 절반부, 가요성 멤브레인 또는 백으로 폐쇄된다(312). 폐쇄된 몰드는, 전술된 경우에서와 같이, 밀봉된 또는 반-밀봉된 몰드 조립체를 함께 제공하는 복수의 몰드 절반부, 백 또는 멤브레인, 또는 조합으로 구성될 수 있다. 이 경우, 몰드(10)의 접촉면(11) 상에 배치된 재료(110)는 또한 섬유 재료의 레이업 또는 프리-폼으로 지칭될 수 있다.
도 5b와 관련된 방법은 재료(110) 상에 감소된 압력, 바람직하게 진공 또는 거의 진공 압력을 인가하는 단계(314)를 더 포함한다. 가스의 배출은 단일 또는 복수의 개구에 적용될 수 있고, 이러한 단계에만 또는 전체 제조 공정 동안에 수행될 수 있다.
상기 방법은 몰드(10) 내의 재료(110)에 매트릭스 재료, 바람직하게 임의 유형의 저점도 수지를 주입하는 단계(316)를 더 포함한다. 이 경우, 수지는 플라스틱 재료로도 지칭될 수 있다. 이는 소위 진공 주입(vacuum infusion)을 사용하여 수행될 수 있으며, 여기서 구동력은 몰드의 진공 압력과 주변 압력 사이의 압력차이다. 주입은 또한 종종 수지 이송 몰딩(RTM), 고압 수지 이송 몰딩(HPRTM), 진공 보조 수지 이송 몰딩(VARTM) 등으로 지칭되는 수백 바아 이하의 더 높은 압력을 사용하여 행해질 수 있다. 도 5a와 관련하여 논의된 것과 유사하게, 상기 방법은 재료(110)를 함유하는 몰드(10)를 유도 가열하는 단계(320)를 더 포함한다.
복합 부품(A)을 제조하기 위해 설명된 방법들 모두에서, 가열 단계(320) 및 압력 인가 단계 또는 몰드(10) 내의 재료(100) 내에 수지, 즉 플라스틱 재료를 주입하는 단계는 동시에 발생할 수 있다. 가열은 사전결정된 시간-온도 프로파일에 따라 수행되어 복합 부품(A)을 제조할 수 있다. 몰드(10)는 전술한 바와 같이 처리 수단(30)과 작동가능하게 연통하는 코일 조립체(20)에 의해 가열된다. 성형 공구(1) 또는 그 몰드(10)는 도 5b와 관련하여 설명된 방법의 경우에 매트릭스 재료를 주입하기 전에, 도중 및/또는 후에 가열될 수 있다.
가온된 공구는 일반적으로 수지의 점도를 감소시키는데 유리하지만, 전형적으로 수지를 경화시키기 위한 화학 반응을 시작하고, 그에 따라 상이한 관점은 재료의 적용 및 선택에 따라 적용된다. 바람직한 경우에, 수지에 의한 섬유의 적절한 습윤은 건식-스폿 또는 공극 없이 얻어진다. 이러한 방법에서, 전형적인 매트릭스는 열경화성 수지이고, 매트릭스가 경화될 것을 요구한다. 신규한 플라스틱이 연속적으로 개발되고 있으며, 상기 방법은 또한 하이브리드 열경화성/열가소성 매트릭스 및 또한 저점도 열가소성 매트릭스와 함께 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b와 관련하여 설명된 양자의 방법뿐만 아니라 상기한 도 5c는 성형 공구(1) 및/또는 그 내에 형성된 생성된 부품(A)의 적어도 일부를 능동 또는 수동 냉각하는 단계(325)를 더 포함할 수 있다. 마지막으로, 상기 설명된 방법은 성형 공구(1)로부터 부품(A)을 탈형하는 단계(330)를 더 포함한다. 특정 응용에서, 부품(A)은 공정 온도에서 탈형화될 수 있으며, 이는 사이클 시간 관점에서 유리하다. 반대로, 감소된 탈형 온도는 종종 부품 품질 관점에서 유익하다.
도 5a 및 도 5b와 관련하여 전술된 방법들의 일부가 도 5c에 도시되어 있다. 처리될 재료(110), 즉 전술한 바와 같은 성형 공정 동안, 섬유 재료 및 중합체 재료의 혼합물, 또는 수지, 또는 플라스틱 재료로 주입되는 섬유 재료를 성형 공구(1) 내에 배열한다(310). 섬유 재료는 예를 들어 탄소섬유 또는 아마 섬유 재료일 수 있다. 바람직하게, 혼합물은 프리-폼의 형상, 또는 웹의 피스이다. 대안적으로, 성형 공구(1)는 재료의 웹이 단계적으로 성형 공구(1) 내로 공급되는 스트림-라이닝된(stream-lined) 시스템에 배열된다. 가열 전에, 재료(110)는 점선으로 도시되어 있다. 재료는 성형 공구(1)의 주변 코일을 넘어 연장될 수 있거나, 적어도 하나의 주변 코일에서만 정지할 수 있거나, 또는 적용에 따라 가열된 구역의 내부에만 위치될 수 있다. 성형 공구(1)가 처리 수단에 의해 구동되는 코일 조립체에 의해 유도 가열(320)될 때, 섬유 및 중합체 재료의 혼합물, 즉 처리될 재료(110)는 성형 공구(1)의 형상에 대응하는 형상을 갖는 부품(A)을 형성하도록 압밀 또는 경화된다. 경화 또는 압밀된 후에, 처리될 재료는 실선으로 도시된다. 일단 공정 온도 프로파일이 완료되면, 성형 공구를 냉각(325)하고, 부품(A)을 성형 공구로부터 제거되거나 탈형(330)한다. 부품(A)의 형상은 몰드의 접촉면에 대응한다.
예시적인 실시예들의 결합은 도 6 내지 도 11과 관련하여 설명될 것이다. 이들 도면들에서, 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 몰드(10)의 후면(12)을 가로질러 상이한 방식들로 배열된다. 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)은 그 자체로 앞뒤로 만곡되는 구불구불한 도로와 유사한 방식으로 접힌다. 이러한 코일 배열이 도시되어 있는 도 12를 또한 참조한다.
도 6에서, 성형 공구(1)의 몰드(10)의 후면(12)이 도시된다. 주변 코일(23)은 후면(12)에 부착되고, 상이한 관점을 통해 설명된 바와 같은 의미 내에서 사행형 패턴으로 배열된 하나의 메인 코일(21)을 둘러싼다. 코일(21, 23)을 따라 분포된 화살표는 성형 공구(1)가 유도 가열을 받을 때의 전류의 방향을 나타낸다. 코일(21, 23)은 통상적으로 리츠 와이어이다.
대안적인 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 도 6에 도시된 바와 유사하게, 성형 공구(1)의 몰드(10)의 후면(12)이 도시되어 있다. 주변 코일(23)은 후방 측면(12)에 부착되고, 사행형 패턴으로 배열된 하나의 메인 코일(21)을 둘러싼다. 도 7의 중앙 부분에는, 몰드(10)의 영역이 도시되어 있으며, 이는 예를 들어 가열될 몰드의 국부적인 함몰부, 홈 또는 릿지에 대응한다. 알 수 있는 바와 같이, 메인 코일(21)은 도면의 이러한 영역 주위에서 불연속적이다. 이는 메인 코일(21)을 따라 'x'와 'o' 사이에서 파선으로 도시되어 있다. 'x'는 도면 내로의 전류 흐름의 방향을 나타내고, 'o'는 도면에서 나오는 전류의 방향을 나타낸다. 따라서, 도 7에서, 메인 코일(21)은 도면에서 2번 "점프 인 및 아웃(jumps in and out)"한다.
도 7의 국부적인 함몰부에 대응하는 몰드(10)의 영역에서, 메인 코일(21)은, 메인 코일(21)이 몰드(10)의 후면(12)으로부터 외향으로 돌출되는 제1 'o'까지 연속적이다. 그 다음, 메인 코일(21)은 제1 'x'에서 국부적인 함몰부 내에서 몰드(10)의 후면(12) 상에 다시 배열된다. 메인 코일(21)은 제1 'x'에서 함몰부의 후면(12)에 부착되고, 함몰부, 홈 또는 릿지를 따라 메인 코일(21)이 몰드(10)의 후면(12)으로부터 외향으로 다시 한번 돌출하는 것을 나타내는 제2 'o'까지 연장된다. 국부적인 함몰부 외부의 몰드(10)의 측면 상에 위치된 제2 'x'는 메인 코일(21)이 몰드(10)의 후면(12) 상으로 다시 오게 된다는 것을 나타낸다.
일 실시예에서, 메인 코일 내의 전류는 코일의 이웃하는 또는 인접한 턴과 동일한 방향으로 흐른다. 이는 메인 코일(21)의 배열의 불연속성으로 인해 코일의 사행형 배열에도 불구하고 전류가 국부적으로 동일한 방향으로 흐르는 국부적인 함몰부 주위에서 화살표로 도 7에 나타나 있다. 전류가 이웃하는 또는 코일의 인접한 턴과 동일한 방향으로 흐를 때, 전류 및 전자기장이 증폭된다.
도 8을 참조하면, 성형 공구(1)의 몰드(10)의 후면(12)이 도시되어 있다. 주변 코일(23)은 후면(12)에 부착되고, 상이한 관점을 통해 설정된 바와 같은 의미 내에서 사행형 패턴으로 배열된 2개의 메인 코일(21)을 둘러싼다. 상이한 코일(21, 22)을 따라 분포된 화살표는 성형 공구(1)가 유도 가열을 받을 때의 전류의 방향을 나타낸다. 코일(21, 22, 23)은 통상적으로 리츠 와이어이다.
도 9는 다른 실시예를 도시한다. 이러한 예에서, 제2 메인 코일(22)이 도면의 하부에서 불연속적이라는 점을 제외하고는, 도 8의 실시예에서와 동일한 특징이 존재한다. 이는 도 8에서 동일한 통로에서 연속인 'x'와 'o' 사이의 파선에 의해 예시된다. 'x'는 도면 내로의 전류 흐름의 방향을 나타내고, 'o'는 도면에서 나오는 전류의 방향을 나타낸다. 따라서, 도 9에서, 제2 메인 코일(22)은 한 지점에서 도면의 "점프 아웃"된다. 이는 표면을 커버하면서 몰드의 형상이 코일 내의 턴들 사이의 사전결정된 거리를 사용할 가능성을 제한하는 경우에 유리할 수 있다.
도 10은 도 8의 것과 유사하지만, 추가적인 제2 주변 코일(24) 및 유도 가열되지 않아야 하는 성형 공구(1)의 중앙에 위치된 부분을 갖는 몰드(10)의 일 실시예를 예시한다. 중앙에 위치한 부분은 아일랜드(island)라고도 불릴 수 있다.
제1 주변 코일(23)이 메인 코일(21, 22) 주위에 2회 권취되는 것을 제외하고, 도 10에서와 동일한 특징을 나타내는 또 다른 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 선택적으로, 제1 주변 코일(23)이 메인 코일(21, 22) 둘레에 2회 권취되는 대신에, 메인 코일(미도시) 둘레에 서로 독립적으로 그리고 실질적으로 평행하게 권취되는 2개의 독립적인 주변 코일이 존재하여, 몰드(10)의 후면(12)을 따라 주변 코일(23)의 동일한 경로를 따를 수 있다. 이웃하는 주변 코일과 평행하게 배열된, 메인 코일 둘레에 권취된 하나 초과의 추가적인 주변 코일이 또한 존재할 수 있다. 달리 말하면, 도 11에 도시된 제2 주변 코일(24)은 또한 그 길이를 따라 여러 번 감긴 하나의 주변 코일로서 또는 이웃하는 주변 코일과 평행하게 배열된 2개 이상의 주변 코일로서 도면의 중앙에 위치된 부분에서 소위 아일랜드 주위에 한 번 초과로 권취될 수 있다.
따라서, 가열될 몰드의 일부를 한정하는 각각의 주변 코일은 가열되거나 격리될 영역 주위에서 2회 이상 권취될 수 있거나, 또는 하나 초과의 주변 코일은 이웃하는 코일과 평행하게 배열될 수 있다. 특히, 격리될 영역은 유도 가열을 받지 않도록 구성된 영역으로 볼 수 있다.
도 12를 참조하면, 코일(21)은 그 자체로 전후로 만곡되는 구불구불한 도로와 유사한 방식으로 접힌다. 메인 코일 또는 주변 코일일 수 있는 코일은 사행형 패턴으로 배열된다. 이전에 설명된 모든 다른 실시예들과 유사하게, 코일(21)은 몰드의 외부면 상에 배열되어, 코일(21)을 통해 흐르는 교류 전류가 사행형 패턴을 따르는 몰드의 외부면에 걸쳐 교대로 반대 방향으로 그 주요 범위로 지향된다.
몰드의 외부면에 걸쳐 사행형 패턴으로 접힌 코일의 다른 예가 도 13에 도시되어 있으며, 여기서 2개의 코일(21, 23)은 동일한 패턴을 따르며, 서로 오프셋되어 있다.
도 14는 몰드의 외부면 상에 배열될 코일(21)의 사행형 패턴의 또 다른 예를 예시한다. 코일(21)은 사행형 패턴으로 배열된다. 또한, 여기서, 코일(21)을 통해 흐르는 교류 전류는 몰드의 외부면에 걸쳐 교대로 반대 방향으로 그 주요 범위로 지향되어, 사행형 패턴을 따른다.
선택적으로, 본원에 개시된 모든 실시예에 대해, 하나 이상의 추가적인 메인 코일 및/또는 주변 코일이 그 경로를 따라 각각 동일한 종류의 인접한 코일과 실질적으로 평행하게 권취될 수 있다. 이는 예를 들어 도 13에 도시되어 있으며, 여기서 점선의 사행 라인은 인접 코일과 평행하게 배열된 추가 코일을 나타낸다. 임의의 메인 코일 또는 주변 코일에 대해, 이들 메인 코일은 동일하거나 상이한 주파수를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 동작할 수 있다. 이들이 동일한 주파수 상에서 동시에 동작하면, 전류는 0 내지 360도 사이의 위상 시프트를 가질 수 있고, 상이한 위상 시프트, 예를 들어 0 내지 180도 사이에서 교대할 수 있어, 원하는 가열 패턴을 달성하는 목표를 갖는다. 이러한 유형의 배열은 온도 구배를 제어하거나 및/또는 가열되거나 가열되지 않도록 몰드의 관련 영역에 충분한 전력이 인가되게 하는데 유리하다. 전류는 하나 또는 여러 처리 수단에 의해 생성될 수 있다. 2개 이상의 코일이 그 경로를 따라 평행하게 배열되는 원리는, 그 경로 또는 길이를 따라 여러 번 권취된 하나의 코일을 가짐으로써 대체될 수 있다. 이는 메인 코일을 둘러싸는 그 경로를 따라 2회 권취된 주변 코일(23)을 갖는 도 11에 예시된다. 그 경로 또는 길이를 따라 여러 번 권취된 단일 코일의 또 다른 예가 도 12 및 도 14에 개략적으로 도시되어 있으며, 이 경우 사행형 패턴은 쿡킹 그리드 또는 그릴 패턴과 유사하다.

Claims (15)

  1. 유도 가열을 이용하여 복합 부품을 제조하기 위한 성형 공구(molding tool)에 있어서,
    복합 부품(A)으로 변환될 재료(100)와 접촉하도록 구성된 접촉면(11)과, 외부면(12)을 갖는 몰드(10);
    상기 몰드(10)의 외부면(12) 상에 사행형 패턴(meander-like pattern)으로 배열된 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)로서, 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)을 통해 흐르는 교류 전류는 상기 사행형 패턴을 따르는 상기 몰드(10)의 외부면(12)에 걸쳐 교대로 반대방향으로 그 주요 범위로 지향되고, 상기 전류에 의해 생성된 자기장은 가열될 상기 몰드(10)의 적어도 일부에서 전류를 유도하도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22); 및
    상기 몰드(10)의 외부면(12) 상에 배열되고 유도 가열될 상기 몰드의 적어도 하나의 영역을 한정하도록 구성된 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)
    을 포함하고
    상기 몰드(10)는 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)에 의해 유도 가열되도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 상기 몰드(10)로부터 전기적으로 절연되고 적어도 하나의 처리 수단(30)과 작동가능하게 연통하는 리츠 와이어(litz wires)를 포함하는,
    성형 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 접착 요소를 통해 상기 몰드의 외부면(12)에 부착되는,
    성형 공구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 백킹 구조체(13)를 통해 상기 몰드(10)의 외부면(12)에 부착되는,
    성형 공구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 백킹 구조체(13)는 상기 몰드로부터 오프셋되는,
    성형 공구.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형 공구(1)는 쉘 공구(shell tool) 또는 솔리드 공구(solid tool)인,
    성형 공구.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰드(10)는 탄소섬유 복합 재료 또는 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 적어도 부분적으로 제조되는,
    성형 공구.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및/또는 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 따라 사전결정된 영역에 배열된 적어도 연자성 요소 및/또는 적어도 전기 전도성 요소를 더 포함하는,
    성형 공구.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 성형 공구를 제조하는 방법에 있어서,
    접촉면(11) 및 외부면(12)을 갖고 유도 가열되도록 구성된 몰드(10)를 제공하는 단계(205);
    적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 제공하는 단계(210, 215);
    상기 몰드(10)의 외부면(12) 상에 사행형 패턴으로 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)을 배열하는 단계(220)로서, 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)을 통해 흐르는 교류 전류는 상기 사행형 패턴을 따르는 상기 몰드(10)의 외부면(12)에 걸쳐 교대로 반대방향으로 그 주요 범위로 지향되고, 상기 전류에 의해 생성된 자기장은 가열될 상기 몰드(10)의 적어도 일부에서 전류를 유도하도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22)을 배열하는 단계(220); 및
    상기 몰드(10)의 외부면(12) 상에 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 배열하여, 유도 가열될 상기 몰드(10)의 적어도 하나의 영역을 한정하는 단계(225)
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)은 상기 몰드(10)로부터 전기적으로 절연되고 적어도 하나의 처리 수단(30)과 작동가능하게 연통하는 리츠 와이어를 포함하는,
    성형 공구의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    접착제 요소를 통해 또는 백킹 구조체(13)를 통해 상기 몰드(10)의 외부면(12)에 상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 22) 및 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 부착하는 단계(230, 235)를 더 포함하는,
    성형 공구의 제조 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메인 코일(21, 220 및/또는 상기 적어도 하나의 주변 코일(23, 24)을 따라 사전결정된 영역에 적어도 하나의 연자성 요소 및/또는 적어도 하나의 전기 전도성 요소를 배열하는 단계(240, 245)를 더 포함하는,
    성형 공구의 제조 방법.
  11. 복합 부품(composite part)을 제조하는 방법에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 성형 공구(1)를 제공하는 단계(305);
    상기 몰드(10)의 접촉면(11) 상에 섬유 및 플라스틱 재료(110)를 배치하는 단계(310);
    상기 몰드(10)를 폐쇄하는 단계(312);
    처리될 재료(110) 상에 압밀 압력(consolidation pressure)을 인가하는 단계(315); 및
    사전결정된 시간-온도 프로파일에 따라 재료(110)를 함유하는 상기 몰드(10)를 유도 가열하여 재료(110)를 압밀 및/또는 경화시켜 복합 부품(A)을 생성하는 단계(320)
    를 포함하는,
    복합 재료의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    처리될 재료(110) 상에 압밀 압력을 인가하는 단계(315) 전에, 상기 방법은 재료(110) 상에 진공 압력을 인가하는 단계(314)를 더 포함하는,
    복합 재료의 제조 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 성형 공구(1) 및/또는 생성된 부품(A)의 적어도 일부를 냉각하는 단계(325); 및
    상기 성형 공구(1)로부터 상기 부품(A)을 탈형하는 단계(330)
    를 더 포함하는,
    복합 재료의 제조 방법.
  14. 복합 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 성형 공구(1)를 제공하는 단계(305);
    상기 몰드(10)의 접촉면(11) 상에 처리될 섬유 재료(110)를 배치하는 단계(310);
    상기 몰드(10)를 폐쇄하는 단계(312);
    진공 압력을 인가하고(314), 상기 섬유 재료에 플라스틱 재료를 주입(316)함으로써, 상기 플라스틱 재료는 처리될 재료(110)의 일부를 형성하는 단계;
    사전결정된 시간-온도 프로파일에 따라 섬유 및 플라스틱 재료(110)를 함유하는 몰드(10)를 유도 가열하여 복합 부품(A)을 생성하는 단계(320)
    를 포함하는,
    복합 재료의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 성형 공구(1) 및/또는 생성된 부품(A)의 적어도 일부를 냉각하는 단계(325); 및
    상기 성형 공구(1)로부터 상기 부품(A)을 탈형하는 단계(330)
    를 더 포함하는,
    복합 재료의 제조 방법.
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