KR950007550B1 - 샌드위치 구조물로 부터 일정한 형상의 부품을 제작하는 방법(A Method of making a shaped article from a sandwich construction) - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

샌드위치 구조물로 부터 일정한 형상의 부품을 제작하는 방법 (A Method of m aking a shaped article from a sandwich construction)
본 발명은 하나 또는 그 이상의 일체로된 다층 박팍으로 부터 일정한 형상의 부품을 만드는 방법에 관한 것이다. 특히 항공기, 전동차 및 기차와 같은 운송수단을 경량이고 높은 견고성, 충격저항성 및 강도를 갖는 물질로 만들기 위한 연구가 오랫동안 계속되어 왔다. 함성섬유층을 가진 전체적 또는 부분적으로 공동의 코어로 구성되어 있는 샌드위치 구조물이 그러한 목적을 위해 이미 제안되어졌다.
그러한 샌드위치 구조물은 기계적 특성 및 무게에 대하여 단단한 물질(massive materials)과 비교할때, 명백한 잇점을 갖는다.
상업적으로 판매되는 제품은 예를들면, 그것의 표면에 얇은 섬유층을 가진 벌집구조(Honeycomb structure)로 되어 있는 제품이다.
기계적인 특성을 견주어 볼때, 종래 기술의 샌드위치 구조물이 확실한 잇점을 갖고 있다 할지라도, 실제적으로 이러한 구조물의 형상을 만드는 것은 어려운 것으로 알려져있다.
특히, 형상을 다양화 하거나 또는 일정한 형태로 만드는 것이 대단히 어려운 이러한 상황에서, 요구되거나 또는 원하는 모양대로 만들기가 대단히 어렵고 시간이 많이 소비되어 만들수 없다는 문제가 발생한다.
이러한 것은 샌드위치 물질을 사용하는 캐나다 특히 제 1,184,106호에서 제언되었으며, 샌드위치 물질은 B-스테이지(B-stage)상태에 있는 에폭사이드 및 경화제 혼합물을 침투시킨 섬유구조로 구성된 층을 그것의 두표면에 가진 포말물질 코어로 되어 있다.
이러한 물질은 주형을 사용하여 일정한 형상으로 만들어 지거나, 또는 압력을 가하고 경화시켜 원하는 형태를 갖는 제품을 얻을 수 있다.
이러한 형태의 물질을 사용하면, 일단 변형이 발생하면 돌이킬 수 없다는 문제가 발생한다. 결과적으로, 나중에 표준 패널, 또는 다른 부품을 특정한 형태, 요구조건 또는 상황에 적응시키는 것이 불가능하다.
본 발명의 중요한 목적은 하나 또는 그 이상의 일체로된 다층 박판으로 부터 일정한 형상의 부품을 만드는 방법에 있어서, 상기한 바와같은 결점을 갖지 않는 방법을 제공하는데 있다.
그러므로, 본 발명은 적어도 하나의 일체로된 다층 박판으로부터 일정한 형상으 부품을 만드는 방법에 의하여 특정 지워지며, 그 방법은
-실질적으로 평평한 열가소성 합성 포함박판의 적어도 한면에 섬유매트에 의해 강화된 열가소성 합성물질을 제공하여, 상기 섬유매크, 열가소성 합성물질 및 합성포말박판을 상응된 온도 및 증가된 압력의 영향하에서 일체로 하고,
-박판으로 강화된 일체로된 결과적인 섬유를 전체적 또는 국부적으로 가열하므로서 변형성을 제공하여,
-가열된 박판을 원하는 구조 및 형상대로 만들어
-냉각에 의하여 부품을 경화시키는 단계로 구성되어 있다.
본 발명의 다른 구체적인 실시예는 열가소성 합성물질을 침투시킨 적어도 하나의 섬유매트를 가진 열가소성 포말 박판에 의하여 형성된 적어도 하나의 일체로된 다층 박판으로 되어 있는 샌드위치 구조물로 부터 일정한 형상의 부품을 만드는 방법으로 구성되어 있으며, 그 방법은
-박판으로 강화된 결과적인 일체로된 섬유를 전체적 또는 국부적으로 가열하여 변형성을 제공하여
-가열된 박판을 원하는 구조 및 형상대로 만들어
-냉각에 의하여 부품을 경화시키는 단계로 구성되어 있다.
놀랍게도, 상기한 바와같은 방법에 의하여 정의된 본 발명은 종래이 결점을 갖고 있지 않은 것으로 밝혀졌다. 적당한 물질의 선택은 우수한 기계적인 특성을 갖고 있으며, 무게가 대단히 가벼운 제품을 만들수 있도록 해준다.
본 발명에 따른 제품은 열경화성 합성물질을 기초로한 종래의 물질과는 달리 화학적으로 안정하다는 중요한 잇점을 갖는다.
이것은 이러한 제품이 시간의 경과로 인하여 생기는 변화에 민감하지 않게되므로 기계적인 특성이 시간의 경과에 따라 저하되지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 방법을 사용하여 얻어진 샌드위치 구조물은, 예를들면 기준으로 부터 멀어진 특정한 상황에 적응시키기 위한 목적뿐만 아니라, 기계적인 취약성의 발생없이 부착 장소를 제공하기 위한 목적으로 본 발명에 따른 변형 작업을 반복하여 제작한 후에 더욱 일정한 형상으로 만들 수 있다.
본 발명에 따라 얻어진 제품에 있어서, 합성물질로 강화된 부가적인 섬유층은 실제적으로 전체적으로 그것과 일체로 형성되는 표면상에 수단을 연결하는 일없이 제공되어질 수 있어 일체로된 국부 보강이 예를들면, 부착지점 둘레에 얻어질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 ＂구조 및 형상＂이란 용어는 박판 모양의 물리적인 변화 뿐만 아니라, 즉시 모양의 변화를 일으키지 않는 국부보강, 예를들면 특정한 요구조건을 만족하도록 박판을 개조하는 것과 같은 것에 관계될 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 따르면 작업은 열가소성 합성물질로 강화된 섬유층을 한면에 구비한 열가소성 합성포말로 구성된 박판에 행할수 있다.
간단한 주형으로 이른바 이러한 반쪽 샌드위치를 원하는 최종 모양대로 만들수 있다. 다양한 부속물을 사용하여 동일한 주형으로 대칭형태의 반쪽 적층 플라스틱(mir ror-inverted half-laminate)를 제작하여 열가소성 합성포말의 코팅되지 않은 부분을 통하여 따로따로 형성된 두개의 박판을 하게 접착시킬 수 있다.
원한다면 선택적으로 열가소성 합성물질, 예를들면 탄소섬유를 함유하고 있는 합성 박막의 섬유코어를 이러한 두개의 박판 사이에 끼워 넣을 수 있다. 또한 필요하다면, 접착은 아교 또는 접착 테이프 수단에 의하여 실행될 수 있다.
이러한 최종 접착단계와 동일한 주형에서 실행될수 있다. 그러한 방법은 요구되는 장비를 대단히 줄일 수 있다는 것이 명백하다. 게다가, 종래의 방법과 비교할때 성형하는데 요구되는 시간이 대단히 단축된다.
본 발명에 따른 방법은 열경화성 물질을 용도 전체에 걸쳐 명백한 잇점을 제공한다. 첫째, 본 발명에 따라 얻어진 제품은 미세한 금(hair cracks)이 생기는 위험이 낮아지는 결과로 인하여 유연성이 커진다.
특히, 시간이 결과한 후에 큰 부하가 가해지면 강화 섬유의 신장(elongation)의 결과로 인하여 열경화성 물질에 미세한 금이 발생하여 수분 및 먼지가 섬유 또는 코어의 내부로 뚫고 들어갈 수 있다. 게다가, 양질의 물질은 어느정도 완성된 제품인 샌드위치 박판이 공업척도(industrial scale)상에서 만들어질 수 있어 최종제품이 제품을 제작하는 작업자의 숙련도에 대한 의존도가 적어지기 때문에 적절하게 재생산 될수 있다.
이것은 못쓰게 되는 것이 적어진다는 것을 의미한다. 게다가 형성된 모양을 경화시키는데도 비용 및 복잡한 장비가 요구되지 않는다.
본 발명의 중요한 잇점은 어느정도 완성된 제품과 최종제품 모두가 화학적으로 안정하다는 것 즉, 시간의 지남에 따른 변화에 민감하지 않다는 것이다. 여기에 반하여, 열경화성 물질은 제품이 오래되면 지속적으로 반응한다는 결점을 갖고 있다. 이러한 문제는 최종제품에서 뿐만 아니라, B-스테이지 상태에 있는 에폭시/경화제 혼합물인 어느정도 완성된 제품에서도 발생한다. 생산과 이러한 어느정도 완성된 열경화성 제품의 보관에는 대단히 각별한 주의가 필요한데, 그 이유는 약간의 시간이 경과하여 이미 경화반응이 어느정도 까지 진행되면, 어느 정도 완성된 제품을 더이상 유용할 수 없기 때문이다.
본 발명의 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 두개의 박판 사이에 모서리 연결부 (edge connections)를 만드는 것이 대단히 쉽다. 사실, 연결되어야 할 박판은 열을 가하는 것에 의하여 용이하게 함께 접착된다. 부분적으로 겹쳐진 상태에서 열을 가하므로서 길이방향으로 박판들이 중첩되어 함께 압착될때, 적당한 온도, 압력 및 성형의 선택은 연결부의 두께를 느낄수 없도록 하는데, 이는 박판 그자체의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가진 연결부를 접속부(joint)에서 합상포망를 용융시키므로서 얻어질수 있다.
본 발명에 사용되는 물질은 이미드 포말에 대해 폴리에테르이미드 또는 폴리메타크릴이미드같이 특히, 결고성, 강도 및 온도 저항의 관점에서 매우 잘알려진 역가소성 합성포말이 바람직하다.
박판을 함께 접착하는데 사용하기 위해 표면층에 사용되는 열가소성 합성물질을 일반적으로 폴리에테르이미드, 또는 폴리탄산에스테르이다. 그러나, 원하는 온도 및 화학적 저항에 따라 다른 합성 물질이 사용될 수 있다.
선택적으로 열가소성 합성물질에 결합된 강화섬유(fiber reinforcement)는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 그와 유사한 것으로 되어 있다. 이러한 섬유는 일정한 임의의 한방향, 또는 두방향이나 그 이상의 임의의 일정한 방향으로 향하게 할 수 있다. 특히, 긴 섬유를 가진 직물을 사용하여 가급적이면 섬유를 일정한 두방향으로 향하게 하는 것이 바람직하다. 가급적이면, 이러한 섬유는 박판의 길이와 일치하는 길이를 가진 것이 바람직한데, 그 이유는 이러한 것이 최적의 기적인 특성을 제공할 수 있기 때문이다.
또한, 가공방법으로 인하여, 끝없이 긴 섬유에 필적하는 특성을 가진 다소 짧은 섬유를 혼성하여 사용하는 것도 가능하다.
특히, 직물 형태인 강화섬유를 사용할때, 본 발명에 따른 방법을 사용한 일정한 형상의 부품의 중요한 잇점은 박판이 우수한 화염저지 특성(flame retardant properti es)을 갖는다는 것이다.
본 발명에 따른 방법은 여러개의 분리된 단계에서 수행되어 질수 있다. 첫번째 단계는 열가소성 합성 포말 박판상의 섬유매트에 의하여 강화된 열가소성 합성물질을 제공하는 것으로 이루어져 있다. 가급적이면, 미리 포화된(pre-impregnated)섬유매트는 제작하는 동안에 포화된 상태에 있는 섬유매트로 부터 개시되는 것이바람직하다. 또한, 섬유매트 및 그것으로 부터 분리된 합성물질로 부터 개시될 수도 있다. 사용된 박판은 본 발명의 방법을 가장 용이하게 실행할 수 있도록 평면으로 되어 있다.
미리 포화된 섬유매트를 합성푸말에 접착하는 것은 여러가지 방법으로 실행할수 있지만, 상승된 온도 및 증가된 압력은 항상 사용된다.
그러나, 최적의 접착상태를 얻기 위하여 열가소성 합성 물질을 형태에 따라, 부가적인 단계가 과하여질수도 있다. 예를들면, 폴리에테르아미드 또는 폴리탄산에스테르를 침투시킨 삼유매트와 결합한 메타 크릴이미드 합성포말을 사용하는 경우, 부가적인 비-섬유박막은 가급적이면 합성포말에 있는 약간 얕은 홈과 결합하여, 합성물질로 강화된 섬유와 포말 사이에 삽입되는 것이 바람직하다. 열과 압력을 적용하므로서, 최적의 상태로 합성섬유 박막(fibrous synthetic film)을 포말에 접착시킬 수 있다.
그러나, 또한 포말상에 단지 얕은 홈만을 구비시키거나 또는 단지 부가적인 박막을 사용하는 것도 가능하다. 또한 접착되기 이전에 하나 또는 두개의 표면을 함께 접착시키는 연화제를 사용하여 결합시키는 것도 이러한 다양성중의 한 형태이다. 가급적이면, 그러한 연화제는 필요에 따라 박막에 사용되는 일정한 양의 합성물질을 용해하여 사용하는 하성 물질을 위한 솔벤트로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 것에 관련하여 디클로로메탄등이 사용되어질 수 있다는 것도 생각할 수 있다. 박막으로 강화된 섬유 합성물질과 같은 화학적인 합성물을 가진 합성포말을 고어를 사용하는 경우에는 접착을 촉진시키기 위하여 일반적으로 특별한 단계를 사용할 필요가 없다. 소량의 연화제를 작용시킨다는 것도 참으로 유리한 점이 될 수 있으나, 일반적으로 다른 단계는 필요가 없다. 여러가지 작업에 사용되는 온도는 사용된 물질에 전체적으로 의존한다.
이러한 것에 관련하여, 예를들면 일반적으로 사용될 열가소성 합성물질을 가열하므로서 변형성을 제공하기 위해 필요한 가열작업을 하는 동안에 상기에서 언급한 80 내지 350℃영역의 제한되는 온도 상태가 유지되는 것을 충분히 관찰하면서, 반드시 포말이 용융되는 것을 원치 않는다면, 사용된 섬유와 포말이 모두 실질적으로 용융되지 않도록 하는 것도 중요하다. 가열은 예를들면, 열복사 또는 뜨거운 공기의 수단과 같은 종래의 수단의 의하여 실시할 수 있다.
특별한 상황에서 유도가열이 적용될 수 있다. 성형후에, 일정한 형상으로된 부품은 가장 낮은 연화점에서 연화되는 합성물질을 연화점 이하로 냉각된다. 선택적으로 가열, 성형 및 냉각이 반복된 후 부품은 일반적으로 상온 또는 부품의 서비스 온도로 냉각된다.
상기한 바와 같은 방법으로, 박막이 제공되어 강화된 섬유의 한면 또는 두면에 합성포말 박판을 구성한 어느 정도 완성된 제품을 얻을 수 있다. 이러한 어느정도 완성된 제품은 본 발명에 따른 방법으로 직접 어떠한 형상으로 만들수 있고, 또한 이러한 어느정도 완성된 제품을 보관하는 것도 가능하며, 오랜 보관후에도 그것을 일정한 형상으로 만들수 있다. 이러한 것에 관련하여, 또한 게다가 본 발명은 상기한 것과 같은 방법으로 전단계에서 만들어진 어느정도 완성된 제품을 가공하는 것에 관한 것이기도 한다. 그러므로, 본 발명의 두번째 및 아래의 단계는 항상 하나의 성형단계에서 최종형태를 얻을 필요가 없는 상기 어느정도 완성된 제품의 가열 및 성형으로 이루어져 있다.
특히, 대단히 복잡한 형태의 부품을 만드는데 있어서 이러한 것은 성형작업이 비용절감 효과를 얻도록 여러개의 단계로 나누어질 수 있도록 하면서, 동시에 최종제품이 명세서를 만족하여 더 커다란 범위까지 확장될수 있다는 것을 의미한다. 더 상세히 말하자면, 필요하다면 후에 작은 편차를 교정할 수 있다는 것이다.
이러한 것에 관련하여, 커다란 일련의 동일한 제품들이 미흡함이 없이 나중에 특정한 상태에 적합하도록 되어 있는 개객의 견본보다 다소 용이하게 생산될 수 있다. 이러한 것에 관련하여, 약간 다른 모양 또는 여러개의 부가적인 벽감(recesses)을 가지게 되는 100개의 패널로 부터 예를들면, 하나 또는 두개의 항공기벽 패널이 만들어질 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 이러한 최종적인 다른 박판은 표준박판으로 부터 용이하게 성형될 수 있다.
본 발명의 몇개의 실시예에 의하여 설명되어질 것이나, 그것에 의하여 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다.
[실시예 1]
샌드위치 구조물은 두께 4.8mm의 폴리메카크릴이미드 포말과 표면에 얕은 홈을 만들어 폴리에테르이미드를 침투시키고, 그것의 양쪽면에 열과 압력수단에 의하여 폴리에테르이미드를 침투시킨 아라미드직물을 적용시킨 두개의 아라미드 섬유 외부층으로 구성되어 있다. 박막의 표면은 5% 중량부의 폴리에테르 이미드를 용해시킨 메틸렌 염화물 수단에 의하여 연화되었다. 전체 구조물의 두께는 5.0mm이고, 무게는 654g /㎡이었다. 장력 특성에 있어서, 장력강도(tensile strength)는 429MOa, E계수는 19 GPa, 절단시의 신장도는 2.3%이었다. 압축검사에서, 압축강도는 35.5Mpa, E계수는 5 .5GPa, 이었다. 굴곡 강도는 33×104N㎟/㎝(ASTM C 393-62)이었다.
결과적인 적층 플라스틱(laminate)이 열복사 수단에 의하여 300℃의 온도(합성물질로 강화된 섬유의 표면에서 측정되었음)로 가열된 후에 샌드위치 구조물은 원하는 형태로 정련 되었다. 상온으로 냉각된 후에, 일정한 형태를 가지고 있고 시간의 경과에 따라 기계적인 특성의 실질적인 변경을 나타내지 않는 부품을 얻었다. 이러한 결과적인 제품은 가열수단에 의하여 변형될수 있게 만들 수 있다.
[실시예 2]
샌드위치 구조물이 실시예 1의 아라미드 직물 대신에 유리섬유를 사용하여 만들어졌다는 것을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 것과 같은 방법으로 실시하였다. 그러한 샌드위치 구조물로 형성된 부품의 기계적인 특성은 아래와 같다.
무게 754g/㎡
상층의 E계수 23,000N/㎟
장력강도 1,070N/㎟
굴곡강도 360,000N/㎟/Cm
[실시예 3]
아라미드 직물 대신 탄소섬유 망상조직을 사용하여 실시예 1이 반복되었다. 그 결과는 아래와 같다.
무게 1082g/㎡
상층의 E계수 274,000N/㎟
장력강도 1,000N/㎟
굴곡강도 870,000N/㎟/Cm

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 일체로된 다층 박판으로 부터 일정한 형상의 부품을 만드는 방법에 있어서, 그 방법은 -실질적으로 평평한 열가소성 합성포말 박판의 적어도 한면에 섬유매트에 의해 강화된 열가소성 합성물질을 제공하여, 상기 섬유매트, 열가소성 합성물질 및 합성 포말박판을 상승된 온도 및 증가된 압력하에서 일체로 하고, -박판으로 강화된 일체로된 결과적인 섬유를 전체적 또는 국부적으로 가열 하므로서 변형성을 제공하여 -가열된 박판을 원하는 구조와 원하는 형상대로 만들어 -냉각에 의하여 부품을 경화시키는 단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 한면에 섬유매트를 구비한 분리되어 형성된 두개의 각 박판의 코팅되지 않은 면을 함께 접착하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 열가소성 합성물질의 섬유코어를 선택적으로 사용하여 접착을 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서, 가열, 성형 및/또는 냉각 단계가 적어도 한번 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 열가소성 합성 물질을 침투시킨 적어도 하나의 섬유매트를 가진 열가소성 포말 박판에 의해 형성된 적어도 하나의 일체로된 다층 박판으로 구성되어 있는 샌드위치 구조물로 부터 일정한 형상의 부품을 만드는 방법에 있어서, 그 방법은 -박판으로 강화된 일체로된 결과적인 섬유를 전체적 또는 국부적으로 가열하므로서 변형성을 제공하여 -가열된 박판을 원하는 구조 및 형상대로 만들어 -냉각에 의하여 부품을 경화시키는 단계로 되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 가열 및 성형을 한후에 한면에 섬유매트를 구비한 두개의 각 박판의 코팅되지 않는 면을 함께 접착하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 열가소성 합성물질의 섬유코어를 선택적으로 사용하여 접착을 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항 내지 제7항에 있어서, 가열, 성형 및/또는 냉각 단계가 적어도 한번 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
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