KR20240057568A - 발열 기능을 갖는 복합재 몰드 - Google Patents

발열 기능을 갖는 복합재 몰드 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 발열 기능을 갖는 복합재 몰드는, 대상체와 대응하는 소정의 모양을 갖도록 형성된 제 1 복합재 층; 상기 제 1 복합재 층의 상부에 적층된 발열체 층; 및 상기 발열체 층의 상부에 적층된 제 2 복합재 층을 포함한다.

Description

발열 기능을 갖는 복합재 몰드{COMPOSITE MOLD WITH EXOTHERMIC FUNCTION}
본 발명은 발열 기능을 갖는 복합재 몰드에 관한 것이다.
종래의 기술에 따르면, 복합소재를 이용하여 제작되는 철도 차량 내장재 부품 또는 기타 대형 성형품의 경우, 최종 제품에 해당하는 목형(master mold)을 먼저 마련하고, 목형을 이용하여 복합재로 이루어진 몰드(금형)를 제작한 후, 제작된 몰드를 기반으로 성형품을 제작하는 공정으로 진행된다.
복합재로 제작되는 몰드, 즉 복합재 몰드를 이용하여 성형품을 제작하는 방법은 성형 공법에 따라 다양하게 적용되는데, 공통적으로는 몰드 위에 적층된 직물을 진공 상태로 유지하면서 열 챔버 내에서 고온의 열 성형을 통해 수지를 경화시키는 방법으로 진행한다. 즉, 제작하고자 하는 복합재 몰드가 완전히 실장될 수 있는 크기의 열 챔버가 필수적으로 요구되며 몰드를 열 챔버 내로 이동시키고 성형 완료 후 탈형을 위해 다시 이동시켜야 하는 점 등 공정수 증가로 인해 제품 성형비의 주요 상승 요인이 된다. 이에 본 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위해, 발열 기능이 부가된 복합재 몰드를 제안한다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 성형품을 제작하는 몰드에 대하여 자체 발열 기능을 부가하여, 성형품 제작을 위해 필수적으로 요구되는 열처리 장치와 같은 별도의 시설을 최소화함으로써 대형 성형품 제작에 소요되는 비용을 절감하기 위한 것이다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면에 따른 발열 기능을 갖는 복합재 몰드는, 대상체와 대응하는 소정의 모양을 갖도록 형성된 제 1 복합재 층; 상기 제 1 복합재 층의 상부에 적층된 발열체 층; 및 상기 발열체 층의 상부에 적층된 제 2 복합재 층을 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면에 따른 발열 기능을 갖는 복합재 몰드의 제조 방법은, 대상체와 대응하는 소정의 모양을 갖도록 제 1 복합재 층을 형성하는 단계; 상기 제 1 복합재 층의 상부에 발열체 층을 적층하는 단계; 및 상기 발열체 층의 상부에 제 2 복합재 층을 형성하는 단계를 포함한다.
전술한 본 발명의 구성에 따라, 복합재 몰드에 발열체 층을 삽입하여 자체 발열 기능을 추가함으로써, 제품 성형과정에 필수적으로 요구되는 열 경화를 위한, 열 챔버와 같은 별도의 대형 전용 설비를 사용하지 않을 수 있다. 이를 통해, 제품 성형과정(몰드 운반, 장착 및 탈형 등)에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 몰드를 도시한 도면이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시에 따른 복합재 모들에 사용되는 복합재 층의 상세 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 몰드에서 복수의 발열체 층을 적층하는 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 몰드에 고방열 수지를 적용한 실험 데이터를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 복합재 몰드를 제작하는 과정을 도시한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 몰드를 도시한 도면이다.
몰드의 형상은 성형품의 형상에 따라 변경될 수 있는 것으로, 아래 도면은 설명의 편의를 위해 돔 형상의 성형품을 제작하기 위한 복합재 몰드를 도시한다.
도시된 바와 같이, 복합재 몰드(100)는 제 1 복합재층(110), 발열체 층(120), 제 2 복합재층(130) 및 제어 장치(150)를 포함한다.
제 1 복합재층(110)과 제 2 복합재층(130) 사이에 발열체 층(120)이 위치하고, 제어 장치(150)에 의해 발열체 층(120)에 전원이 공급되어, 발열기능을 수행한다.
각 복합재층(110, 130)은 유리섬유 적층체를 사용할 수 있다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시에 따른 복합재 모들에 사용되는 복합재 층의 상세 구성을 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유리섬유 적층체로 이루어진 복합재 층(110)은 중앙에 배치된 중앙 얀클로스층(111)과 중앙 얀클로스층(111)의 양면에 각각 적층되는 제1 로빙클로스층(114) 및 제2 로빙클로스층(115)을 포함 할 수 있다. 그리고, 유리섬유 적층체로 이루어진 복합재 층(110)의 표면을 형성하도록, 제1 로빙클로스층(114) 및 제2 로빙클로스층(115)의 일면에 각각 적층되는 제1 얀클로스층(112) 및 제2 얀클로스층(113)을 포함 할 수 있다.
복합재층(110)은 중앙 얀크로스층(111)이 하나의 얀클로스로 구성되고, 제1 로빙클로스층(114)및 제2 로빙클로스층(115)이 각각 세 개의 로빙클로스로 구성되며, 제1 얀클로스층(112) 및 제2 얀클로스층(113)이 각각 하나의 얀클로스로 구성될 수 있다.
도 3과 같은 유리섬유 적층체로 이루어진 복합재 층(110’)도 고려할 수 있다. 복합재 층(110’)는 중앙에 배치된 중앙 얀클로스층(111’)과 중앙 얀클로스층(111’)의 양면에 각각 적층되는 제1 로빙클로스층(114’) 및 제2 로빙클로스 층(115’)을 포함 할 수 있다. 그리고, 복합재 층(110)의 표면을 형성하도록, 제1 로빙클로스층(114’) 및 제2 로빙클로스층(115’)의 일면에 각각 적층되는 제1 얀클로스층(112’) 및 제2 얀클로스층(113’)을 포함 할 수 있다.
도 3의 복합재 층(110’)은 도 2의 복합재 층(110)과는 달리, 중앙 얀크로스층(111’)이 두 개의 얀클로스로 구성되고, 제1 로빙클로스층(114’) 및 제2 로빙클로스층(115’)이 각각 두 개의 로빙클로스로 구성되며, 제1 얀클로스층(112’) 및 제2 얀클로스층(113’)이 각각 두 개의 얀클로스로 구성된다.
이처럼, 복합재 층(110)를 구성하는 얀클로스 및 로빙클로스의 적층 개수 및 순서를 자유롭게 조절함으로써, 복합재의 두께, 강도, 강성을 자유롭게 조절 할 수 있다. 그리고, 이와 같은 복합재 층(110)에 페놀 수지 또는 기타 수지를 함침시키고 경화시킬 수 있다.
발열체 층(120)은 제어장치(150)로부터 전력을 공급받아 스스로 열을 발산하는 것으로, 발열체 층(120)은 탄소 원자 결정 구조를 이루어 길게 늘어선 분자 사슬로 이루어진 탄소 섬유를 포함하는 면상 발열체 또는 면상 발열 필름일 수 있다. 탄소 섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고, 해충에 대한 저항성이 크기 때문에 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.
발열체 층(120)의 일측에는 전원 공급을 위한 전극 소재가 결합될 수 있다. 이때, 전극 소재로는 일반적인 금속 전극보다는, 금속 코팅된 섬유인 MCF(Metal coated fiber)를 전극 소재로 활용하여 기존 섬유와 기계적 강도 저하 없이 일체 성형이 가능하도록 한다.
일반적으로 사용하는 구리(copper) 테이프 형태의 전극을 복합재 내부에 삽입하여 성형할 경우 이종 물질 삽입에 의한 복합재 기계적 강도 저하가 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 복합재 몰드는 성형품 제작을 위해 다회(수십회) 성형을 진행하며 탈형 시 몰드에 큰 힘이 작용하여 복합재 몰드의 기계적 강도가 저하되는 문제를 해결하기 위해, MCF(Metal coated fiber)를 전극 소재로 활용하여 기존 섬유와 기계적 강도 저하 없이 일체 성형이 가능하도록 한다.
제어 장치(150)는 발열체 층(120)에 대해 전원을 공급하여, 설정된 온도의 열을 설정된 시간 동안 발산하도록 한다. 이를 위해, 제어 장치(150)에는 사용자가 온도 조건 또는 시간 조건 등을 입력할 수 있는 사용자 인터페이스 장치(조작 버튼 또는 디스플레이 등)이 결합될 수 있다. 또는, 제어 장치(150)에 유선 또는 무선 통신 모듈이 결합되어, 외부의 컴퓨팅 장치나 휴대용 단말을 통해 발열체 층(120)의 구동을 위한 온도 또는 시간 조건 등을 설정할 수 있도록 한다. 또한, 복합재 몰드(100)의 일측에는 온도 측정을 위한 온도 센서가 결합될 수 있으며, 제어 장치(150)는 복합재 몰드(100)에 결합된 온도 센서에서 측정한 온도 값에 기초하여, 설정된 온도가 지속적으로 유지되도록 발열체 층(120)에 인가되는 전원을 조절한다. 예를 들어, 외부 환경에 의해 온도가 낮아지고 있는 경우, 제어 장치(150)는 발열체 층(120)을 통해 발열이 상승하도록 발열체 층(120)에 공급되는 전류 또는 전압을 증가시키는 형태로 제어할 수 있다.
한편, 성형에 요구되는 온도 조건을 만족시키기 위해 삽입된 발열체의 발열량이 부족할 경우에 대비하여 여러 층의 발열체를 동시에 적용하여 충분한 발열량을 확보하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 몰드에서 복수의 발열체 층을 적층하는 구성을 도시한 것이다.
복수의 발열체를 적층하는 경우, 적층에 따라 두께방향 접촉 저항이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
(a)에 도시된 바와 같이, 복수의 발열체 층이 수직으로 적층되고, 제 1 전극(122)과 제 2 전극(124)을 통해 각각 전원이 인가되는 경우를 고려한다. 이때, 제 1 전극(122)과 제 2전극(124)은 앞서 살펴본 바와 같이, MCF(Metal coated fiber)로 이루어질 수 있다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이, 하나의 발열체 층이 내측 접철 또는 외측 접철을 반복하여 복수회 접철되는 경우를 고려할 수 있다.
이때, (a)와 (b)의 경우 모두 복수의 발열체가 적층됨에 따라 접촉 저항이 증가할 수 있고, 이를 해소하기 위해, (c)에 도시된 바와 같이, 각 발열체의 접촉부 위에, 전도성 코팅액(silver, nickel, carbon 등)을 도포하여 층간 전기전도도를 향상 시키도록 한다.
한편, 복합재 몰드의 형상이 복잡할 경우 몰드의 전체 면적에 걸쳐 발열체를 삽입하기 어려울 수 있다. 통상적으로, 복합재 몰드가 유리섬유로 제작되는 점을 고려할 때 유리섬유의 낮은 열전도율은 발열체가 미 삽입된 지점에서의 발열성능의 불균일을 초래할 수 있다.
이를 해소하기 위해, 전기전도성은 매우 낮지만, 열전도성은 높은 소재(예. AlN ? Aluminum Nitride, BN ? Boron Nitride 등)를 복합재 수지에 분산하여 고방열 수지화(또는 프리프레그로 제작)를 통해 발열체에서 생성되는 열이 복합재 전체로 고르게 전도될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 온도 평균화 효과에 의해 낮아진 온도는 제어 장치(150)를 통한 전압 상승으로 극복 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 몰드에 고방열 수지를 적용한 실험 데이터를 도시한 것이다.
(a)와 같이, 발열체가 100%인 경우가 가장 바람직하겠으나, 형상의 복잡하여 (b)와 같이, 불가피하게 발열체가 일부만 삽입되는 경우가 발생할 수 있다. 이때, (c)와 같이, 복합재 제작에 사용되는 수지를 고방열 수지로 적용할 경우 발열체가 일부만 삽입되어도 복합재 전체에 열이 고르게 전달될 수 있다. 즉, 발열체 층은 평면상으로 서로 이격된 복수의 발열체로 분리될 수 있고, 복수의 발열체 사이의 공간에 고방열 수지를 도포 또는 함침시켜, 복합재 전체에 열이 고르게 전달되도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 복합재 몰드를 제작하는 과정을 도시한 순서도이다.
먼저, 몰드를 위한 제 1 복합재 층을 적층한다(S110). 이때, 마스터 몰드의 상부에 제 1 복합재 층을 적층하는 것이 일반적이겠으나, 성형품에 따라서는 마스터 몰드가 없이도 제 1 복합재 층을 적층할 수 있다.
다음으로, 제 1 복합재 층의 상부에 발열체 층을 적층한다(S120).
발열체 층의 적층시에, 전극으로서 MCF를 사용하거나, 발열체 층 사이에 전도성 코팅액을 도포하거나, 기존 수지를 대체하여 고방열 수지를 사용하는 등의 추가 조치를 수행할 수 있다.
다음으로, 발열체 층의 상부에 제 2 복합재 층을 적층한다(S130).
이때, 제 1 복합재 층과 제 2 복합재 층으로는 앞서 설명한 유리섬유 적층체가 사용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 복합재 몰드
110: 제 1 복합재 층
120: 발열체 층
130: 제 2 복합재 층

Claims (9)

  1. 발열 기능을 갖는 복합재 몰드에 있어서,
    대상체와 대응하는 소정의 모양을 갖도록 형성된 제 1 복합재 층;
    상기 제 1 복합재 층의 상부에 적층된 발열체 층; 및
    상기 발열체 층의 상부에 적층된 제 2 복합재 층을 포함하는, 복합재 몰드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체 층에 전원을 공급하는 제어 장치를 더 포함하는 복합재 몰드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체 층에 전원을 인가하는 전극은 금속 코팅된 전도성 섬유인 것인, 복합재 몰드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체 층은 복수의 발열체가 적층 또는 접철된 것이고, 발열체들간의 접촉부위에 전도성 코팅액이 도포된 것인, 복합재 몰드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체 층은 평면상으로 서로 이격된 복수의 발열체를 포함하고, 복수의 발열체 사이의 공간에 고방열 수지가 도포 또는 함침된 것인, 복합재 몰드.
  6. 발열 기능을 갖는 복합재 몰드의 제조 방법에 있어서,
    대상체와 대응하는 소정의 모양을 갖도록 제 1 복합재 층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 복합재 층의 상부에 발열체 층을 적층하는 단계; 및
    상기 발열체 층의 상부에 제 2 복합재 층을 형성하는 단계를 포함하는 복합재 몰드의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 발열체 층에 전원을 인가하는 전극은 금속 코팅된 전도성 섬유인 것인, 복합재 몰드의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 발열체 층을 적층하는 단계는,
    복수의 발열체가 적층 또는 접철된 발열체들간의 접촉부위에 전도성 코팅액을 도포하는 단계를 포함하는 것인, 복합재 몰드의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 발열체 층을 적층하는 단계는
    평면상으로 서로 이격된 복수의 발열체 사이의 공간에 고방열 수지를 도포 또는 함침하는 단계를 포함하는 것인, 복합재 몰드의 제조 방법.
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