KR102021188B1 - 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 및 이의 제조방법 - Google Patents

섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 및 이의 제조방법에 관한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체는 열경화성 수지에 함침된 적층체;를 포함하고, 상기 적층체는, 제1 프리폼 부재; 및 상기 제1 프리폼 부재 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재;를 포함하며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 이용하여 형성되는 것이며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재의 단부에는 중공부가 형성되며, 상기 중공부에는 발포 플라스틱이 충전된다.

Description

섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 및 이의 제조방법 {COMPOSITE MOLDED ARTICLE USING FIBER REINFORCED PLASTICS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 경량성 및 기계적 강도가 우수하며, 복잡한 형상의 구현이 가능한, 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 루프 용접시, 점용접 대신 레이저 블레이징을 적용하여 용접하는 사례가 증가하고 있다. 상기 레이저 블레이징 용접을 적용시, 매끈한 연결면을 구현하고 루프 몰딩을 제거할 수 있으며, 구조물의 강성을 향상시킬 수 있다. 이러한 레이저 블레이징 용접을 적용하는 자동차 루프는 언더컷 형상 등 복잡한 형태의 형상이 요구될 수 있다.
한편, 섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastic)은, 금속 대비 높은 비강도 및 비강성을 가지며, 내식성 및 경량성이 우수하여 최근 루프 등 자동차 부품 용도로 주목받고 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 일본 공개특허공보 제2015-160524호(2015.09.07. 공개, 발명의 명칭: 자동차 차체구조)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 경량성 및 기계적 강도가 우수한 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 복잡한 형상의 구현이 가능한, 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체는 열경화성 수지에 함침된 적층체;를 포함하고, 상기 적층체는, 제1 프리폼 부재; 및 상기 제1 프리폼 부재 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재;를 포함하며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 이용하여 형성되는 것이며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재의 단부에는 중공부가 형성되며, 상기 중공부에는 발포 플라스틱이 충전된다.
한 구체예에서 상기 열경화성 수지는 밀도가 1.1~1.3g/㎤인 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 발포 플라스틱은 밀도가 1.0g/㎤ 이하이며, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 및 N-페닐렌-말레이미드(PMI) 중 하나 이상의 수지를 발포하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합 성형체는 상기 중공부의 단부를 따라 돌출부가 더 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법은 상부 금형 및 하부 금형 사이에 적층체를 배치하는 단계; 및 상기 상부 금형 및 하부 금형을 형폐하고 열경화성 수지를 주입하여, 상기 적층체를 열경화성 수지에 함침하는 단계;를 포함하며, 상기 적층체는 제1 프리폼 부재; 및 상기 제1 프리폼 부재 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재;를 포함하며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상을 포함하여 형성되는 것이며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재의 단부에는 중공부가 형성되고, 상기 중공부에는 발포 플라스틱이 충전된다.
한 구체예에서 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는, 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 복수 개 적층한 적층 시트를 제조하고; 상기 적층 시트를 가열하고; 그리고 상기 적층 시트를 가압 및 프리포밍하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 발포 플라스틱은 밀도가 1.0g/㎤ 이하이며, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 및 N-페닐렌-말레이미드(PMI) 중 하나 이상의 수지를 발포하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 열경화성 수지는 밀도가 1.1~1.3g/㎤인 에폭시 수지를 포함하며, 상기 형폐된 상부 금형 및 하부 금형 내부에 90℃ 이상의 온도 및 35 bar 이상의 압력으로 주입될 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체를 적용시, 경량성 및 기계적 강도가 우수하며, 기존 프레스 몰딩으로 성형이 불가한 언더컷(undercut) 구조를 대체할 수 있어 보다 복잡한 형상의 구현이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 복합 성형체의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체를 이용하여 형성된 차체 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체 제조방법을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체 제조방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
본 명세서에서 “상부”와 “하부”는 편의상 도면을 기준으로 한 것으로, 보는 시각에 따라 “상부”가 “하부”로, “하부”가 “상부”로 변경될 수 있다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체
본 발명의 하나의 관점은 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체의 단면을 도시한 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 복합 성형체(200)는 열경화성 수지에 함침된 적층체;를 포함하고, 상기 적층체는, 제1 프리폼 부재(10); 및 제1 프리폼 부재(10) 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재(20);를 포함하며, 제1 프리폼 부재(20) 및 제2 프리폼 부재(10)는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 이용하여 형성되는 것이며, 제1 프리폼 부재(20) 및 제2 프리폼 부재(10)의 단부에는 중공부가 형성되며, 상기 중공부에는 발포 플라스틱(30)이 충전된다.
한 구체예에서 상기 섬유 부재는 탄소 섬유 및 유리 섬유 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 PAN(폴리아크릴니트릴)계 탄소 섬유 및 핏치계 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다. 상기 섬유 부재를 적용시 상기 복합 성형체의 비틀림 강성 및 굽힘 강성이 우수할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소 섬유의 밀도는 1.6~1.9g/㎤일 수 있다.
한 구체예에서 상기 섬유 직물은 섬유는 평직(plain weave), 능직(twill weave), 주자직(satin weave) 또는 비크립핑 직물(NCF) 형태일 수 있다. 한 구체예에서 상기 비크립핑 직물은, 원사를 한 층 또는 복수 개의 층으로 배열하여, 스티칭(stitching) 공정을 통해 직물로 제조하는 것으로, 배열된 원사를 고정하고 직물의 크림프(crimp)가 발생하지 않도록 한 것이다. 상기 비크립핑 직물은 일 방향(unidirection, UD) 또는 2축 방향(2-axial) 등의 배열을 가질 수 있다.
한 구체예에서 상기 섬유 매트는, 배향을 갖지 않는 연속 섬유를 사용하여 제조한 것일 수 있다.
한 구체예에서 상기 열경화성 수지는 밀도가 1.1~1.3g/㎤인 에폭시 수지를 포함할 수 있다. 상기 밀도에서 본 발명의 복합 성형체의 기계적 강도 및 경량성이 우수하면서, 생산성이 우수할 수 있다.
상기 발포 플라스틱은 밀도가 1.0g/㎤ 이하일 수 있다. 상기 조건에서 경량성이 우수할 수 있다. 예를 들면, 0.03~0.25g/㎤ 일 수 있다. 한 구체예에서, 상기 발포 플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 및 N-페닐렌-말레이미드(PMI) 중 하나 이상의 수지를 발포하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 발포 플라스틱에 형성된 기공은, 폐쇄형 셀 형태일 수 있다. 상기 조건에서 후술할 열경화성 수지가, 기공 내부에 충전되지 않아 경량성이 우수할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 복합 성형체의 단면을 도시한 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 복합 성형체(300)에는, 제1 프리폼 부재(21) 및 제2 프리폼 부재(11) 단부에 중공부가 형성되어 발포 플라스틱(31)이 충전되고, 복합 성형체(300)의 구조에 따라, 상기 중공부의 단부를 따라서 돌출부(13)가 더 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체를 이용하여 형성된 차체 구조를 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 3과 같이, 차량용 사이드 부재(S)의 일면에 아크릴계 접착제를 도포한 다음, 상기 접착제와 복합 성형체(300)의 단부를 접착하여, 차체 구조를 형성할 수 있다. 이때, 상기 돌출부는 상기 접착제로 형성된 접착층(a)이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체를 적용시, 상기 도 3과 같이, 기존 프레스 몰딩으로 성형이 불가하였던 언더컷(undercut) 구조를 대체할 수 있어 보다 복잡한 제품 형상의 구현이 가능할 수 있다. 또한, 경량성 및 기계적 강도가 모두 우수하며, 특히 차량용 루프로 사용하기 적합할 수 있다.
섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법을 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합 성형체 제조방법을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 4 및 도 5를 참조하면, 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체의 제조방법은 (S10) 적층체 배치단계; 및 (S20) 열경화성 수지 주입 단계;를 포함한다. 좀 더 구체적으로 (S10) 상부 금형 및 하부 금형 사이에 적층체를 배치하는 단계; 및 (S20) 상기 상부 금형 및 하부 금형을 형폐하고 열경화성 수지를 주입하여, 상기 적층체를 열경화성 수지에 함침하는 단계;를 포함한다.
(S10) 적층체 배치단계
상기 단계는 상부 금형(101) 및 하부 금형(102) 사이에 적층체를 배치하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 적층체는 제1 프리폼 부재; 및 상기 제1 프리폼 부재 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재;를 포함하며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상을 포함하여 형성되는 것이며, 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재의 단부에는 중공부가 형성되고, 상기 중공부에는 발포 플라스틱이 충전된다.
한 구체예에서 상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는, 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 복수 개 적층한 적층 시트를 제조하고; 상기 적층 시트를 가열하고; 그리고 상기 적층 시트를 가압 및 프리포밍하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 섬유 부재는 탄소 섬유 및 유리 섬유 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 PAN(폴리아크릴니트릴)계 탄소 섬유 및 핏치계 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다. 상기 섬유 부재를 적용시 상기 복합 성형체의 비틀림 강성 및 굽힘 강성이 우수할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소 섬유의 밀도는 1.6~1.9g/㎤일 수 있다.
한 구체예에서 상기 섬유 직물은 섬유는 평직(plain weave), 능직(twill weave), 주자직(satin weave) 또는 비크립핑 직물(NCF) 형태일 수 있다. 한 구체예에서 상기 비크립핑 직물은, 원사를 한 층 또는 복수 개의 층으로 배열하여, 스티칭(stitching) 공정을 통해 직물로 제조하는 것으로, 배열된 원사를 고정하고 직물의 크림프(crimp)가 발생하지 않도록 한 것이다. 상기 비크립핑 직물은 일 방향(unidirection, UD) 또는 2축 방향(2-axial) 등의 배열을 가질 수 있다. 상기 섬유 직물은 0°, 45° 또는 90° 등의 배향을 가질 수 있다.
한 구체예에서 상기 섬유 매트는, 배향을 갖지 않는 연속 섬유로 이루어진 것일 수 있다.
상기 도 5를 참조하면, 하부 금형(102)에 제1 프리폼 부재(20)를 배치하고, 제1 프리폼 부재(20)의 상부에 발포 플라스틱(30)을 배치한 다음, 제1 프리폼 부재(20)의 상부에 제2 프리폼 부재(10)를 배치할 수 있다. 상기 발포 플라스틱을 적용시, 상기 복합 성형체의 경량성을 확보할 수 있으며, 복잡한 형상의 제품 제조가 가능할 수 있다.
한 구체예에서 상기 발포 플라스틱은 전술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다. 상기 발포 플라스틱은, 상기 형성된 중공부와 동일한 형태로 절삭 가공하여 제1 프리폼 부재의 상부에 배치할 수 있다.
(S20) 열경화성 수지 주입 단계
상기 단계는 상부 금형(101) 및 하부 금형(102)을 형폐하고 열경화성 수지를 주입하여, 상기 적층체를 열경화성 수지에 함침하는 단계이다.
상기 열경화성 수지는 밀도가 1.1~1.3g/㎤인 에폭시 수지를 포함하며, 상기 형폐된 상부 금형 및 하부 금형 내부에 90℃ 이상의 온도 및 35 bar 이상의 압력으로 주입될 수 있다. 상기 조건으로 금형 내부에 주입시, 상기 적층체가 용이하게 함침되어, 성형체의 외관과 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면, 상기 열경화성 수지는 90~180℃의 온도 및 35~65 bar의 압력으로 주입될 수 있다. 이때, 상기 적층체 중 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 상기 열경화성 수지에 함침되며, 상기 발포 플라스틱의 내부는 상기 열경화성 수지에 함침되지 않아, 경량성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예
복합 성형체 제조
섬유 부재(탄소 섬유 직물)를 복수 층으로 적층하여 적층시트를 제조한 다음, 상기 적층 시트를 가열하고, 가압 및 프리포밍하여 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재를 각각 제조하였다.
하기 도 5와 같이, 하부 금형(102) 상부에 제1 프리폼 부재를 배치하고, 제1 프리폼 부재 단부에 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 발포하여 제조된, 밀도가 0.2g/㎤인 폐쇄형 셀 형태의 발포 플라스틱(30)을 배치하고, 제1 프리폼 부재 상부에 제2 프리폼 부재를 배치한 적층체를 배치하였다. 그 다음에, 하부 금형(102)의 상부에 상부 금형(101)을 배치한 다음, 이를 형폐하고 100℃의 열경화성 수지(밀도가 1.2g/㎤인 에폭시 수지)를 40bar의 압력으로 내부에 주입하여, 상기 적층체를 열경화성 수지에 함침하고, 경화하여 복합 성형체를 제조하였다.
복합 성형체 제조를 이용한 차체 구조 형성
상기 도 3과 같이 상기 실시예의 복합 성형체를 이용하여 차체 구조를 형성하였다. 차량용 사이드 부재(S)의 일면에 아크릴계 접착제를 도포한 다음, 접착제와 상기 실시예 복합 성형체(300)의 단부를 접착하여 접착층(a)을 형성하였다. 또한, 접착층(a)의 외부 노출을 방지하기 위해 복합 성형체(300)의 단부를 따라 형성된 돌출부(13)와 사이드 부재(S)를 밀착하였다.
상기 도 3과 같이, 본 발명에 따라 제조된 복합 성형체는 기계적 물성과 경량성이 우수하고, 기존 프레스 몰딩으로는 성형이 불가하였던, 언더컷(undercut) 구조를 대체할 수 있어, 상기 복합 성형체를 이용하여 기존 레이저 블레이징으로 용접되는 차체 구조의 호환이 가능함을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10, 11: 제2 프리폼 부재 13: 돌출부
20, 21: 제1 프리폼 부재 30,31: 발포 플라스틱
101: 상부 금형 102: 하부 금형
200, 300: 복합 성형체 a: 접착층
S: 차량용 사이드 부재

Claims (8)

  1. 열경화성 수지에 함침된 적층체;를 포함하고
    상기 적층체는, 제1 프리폼 부재; 및 상기 제1 프리폼 부재 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재;를 포함하며,
    상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 이용하여 형성되는 것이며,
    상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재의 단부에는 중공부가 형성되며, 상기 중공부에는 발포 플라스틱이 충전되는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체이며,
    상기 복합 성형체는, 상기 중공부의 단부를 따라 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 밀도가 1.1~1.3g/㎤인 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발포 플라스틱은 밀도가 1.0g/㎤ 이하이며,
    폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 및 N-페닐렌-말레이미드(PMI) 중 하나 이상의 수지를 발포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체.
  4. 삭제
  5. 상부 금형 및 하부 금형 사이에 적층체를 배치하는 단계; 및
    상기 상부 금형 및 하부 금형을 형폐하고 열경화성 수지를 주입하여, 상기 적층체를 열경화성 수지에 함침하는 단계;를 포함하며,
    상기 적층체는 제1 프리폼 부재; 및 상기 제1 프리폼 부재 상부에 적층되는 제2 프리폼 부재;를 포함하며,
    상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는 각각 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상을 포함하여 형성되는 것이며,
    상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재의 단부에는 중공부가 형성되고, 상기 중공부에는 발포 플라스틱이 충전되는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 제조방법이며,
    상기 제조된 복합 성형체는, 상기 중공부의 단부를 따라 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 프리폼 부재 및 제2 프리폼 부재는, 섬유 직물 및 섬유 매트 중 하나 이상의 섬유 부재를 복수 개 적층한 적층 시트를 제조하고;
    상기 적층 시트를 가열하고; 그리고
    상기 적층 시트를 가압 및 프리포밍하는 단계;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 발포 플라스틱은 밀도가 1.0g/㎤ 이하이며,
    폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 및 N-페닐렌-말레이미드(PMI) 중 하나 이상의 수지를 발포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 밀도가 1.1~1.3g/㎤인 에폭시 수지를 포함하며,
    상기 형폐된 상부 금형 및 하부 금형 내부에 90~180℃의 온도 및 35~65 bar의 압력으로 주입되는 것을 특징으로 하는 섬유 강화 플라스틱을 이용한 복합 성형체 제조방법.
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