KR20080031949A - 유체 밀도 및 압력을 사용하는 복합재료 구성요소 제조방법 - Google Patents

Abstract

상대적으로 경질의 몰드부(3), 탄성적으로 변형이 가능한 몰드부(5), 유체(12)의 압력 및/또는 밀도에 의해 상기 탄성적으로 변형이 가능한 몰드부에 유체 압력을 가하는 유체 압력 수단, 및 상기 몰드부들이 결합되어 몰드부들 사이에 형성되는 몰드 챔버(8)에 수지(23)를 공급하는 수지 공급 수단(17)을 포함하는 몰드 어셈블리(1)를 포함하는 복합재료 구성요소를 제조하는 제조 시스템.

유체 압력, 유체 밀도, 복합재료 구성요소, 섬유 강화 재료, 선체

Description

유체 밀도 및 압력을 사용하는 복합재료 구성요소 제조 방법{COMPOSITE COMPONENT PRODUCTION USING FLUID DENSITY AND PRESSURE}

본 발명은 섬유 강화 복합 재료로 제조되는 복합재료 구성요소에 관한 것이고, 특히 유체 밀도 및 압력, 그리고 바람직하게는 유체 온도를 사용하는 복합재료 구성요소의 제조에 관한 것이다. 선체 제조와 관련하여 본 발명을 기재할 것이다. 그러나, 본 발명이 그러한 응용 분야에 한정되는 것이 아니고, 다른 응용 분야에도 활용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

섬유 강화 복합재료의 상대 강도와 경량성 때문에, 현재는 섬유 강화 복합재료를 사용하여 대형 선체를 제작하는 것이 통상적이다. 선체를 적층하는 데에 통상적으로 사용되는 방법은 스프레이 적층법(spray lay-up)과 수적층법(hand lay-up)을 포함한다. 상기 스프레이 적층법은 몰드의 표면에 도포되는 접착 수지(catalysed resin)와 잘게 잘려진 강화 섬유로 이루어진 스프레이를 사용한다. 수적층법에서는, 짜인 형태, 뜬 형태, 바느질된 형태 또는 접합된 직물 형태의 섬유를 몰드 표면에 올려놓고 나서, 롤러와 브러시를 사용하여 적층된 섬유 내부로 수지를 침투시킨다. 양 방식에서 수지는 표준 대기 상태에서 경화된다.

전술한 두 방식에서 수지가 대기에 노출됨에 따라, 상당량의 휘발성 물질들, 특히 스틸렌 가스가 수지로부터 방출되어 공중에 떠 있는 휘발성 물질의 농도는 건강에 해로울 정도로 매우 높을 수 있다. 이와 같은 방출을 제어하기 위해 정부의 보건 기관이 입법을 추진함에 따라 선박 건조자들은 그러한 방출을 최소화하는 다른 방식을 필요로 한다.

그러한 방식의 하나로 공지되어 있는 것이, 전술한 수적층법을 사용하여 부착한 복합재료 레이 업(lay-up) 위에 릴리스 필름(release film), 브래더 필름(breather film)과 마지막으로 진공 백 필름이 위치하는 진공 백 적층법(vacuum bagging)이다. 그 다음에 진공 백 필름이 그 가장자리를 따라 밀봉되고, 그런 후에 진공 펌프를 사용하여 상기 필름 아래쪽에서 공기를 배출시킨다. 상기 진공 백 적층법은 복합재료 층을 더욱 강화시키고, 섬유가 좀 더 습윤(wetting)되도록 하고, 경화 중에 방출되는 휘발성 물질의 양을 감소시키는 데에 도움이 된다.

상기 진공 백 적층법의 좀 더 개량된 방식에서는, 진공 백 필름이 건조한 복합재료 레이 업 위에 적층되고, 진공 백 필름 하부의 공기가 진공 펌프에 의해 배출되면서, 접착 수지가 주입 방식을 사용하여 레이 업 내에 주입된다. 짜여진 비구조적 섬유 또는 수지 분산 튜브가 복합재료 위에 덮여져서 수지가 상기 레이 업을 통해 진공 백 스킨 아래로 분산되는 것을 조장할 수 있다. 상기 방식과 같은 예가 미국 특허공보 제4,902,215호 및 미국 특허공보 제5,052,906호에 개시되어 있다.

이러한 진공 백 기반 방법들은 공기 중의 휘발성 물질을 감소하는 데에는 도움이 되지만, 필름을 도포하는 데에 매우 주의해야 하고 진공 백 필름을 통해 공기가 누설되어서는 안 되기 때문에 시간이 많이 소요된다. 공기 누설을 방지하는 데 에 부주의하거나 수지가 충분하게 혼합되지 않는 경우에는, 수지의 주입이 불완전하게 되어 레이 업의 일부 영역이 수지로 습윤되지 않게 된다. 결과적으로 수지로 습윤되지 않은 건조한 영역은 선체로 사용할 수 없게 된다. 또한, 상기 방법에서 사용하는 릴리스 필름, 브래더 필름과 진공 백 필름은 한 번 사용한 후에는 폐기해야 하기 때문에 비용이 매우 높다. 수지 분산 라인과 같은 기타의 수지 분산 구성요소들도 또한 폐기될 필요가 있다.

상기의 모든 방법들은 하나의 선체 생산 또는 소량 생산에만 적합할 뿐, 선체의 대량 생산에는 적합하지 않다. 항공 산업 또는 자동차 산업에서 고정밀 복합재료 구성요소들 제조용으로 사용되고 있는 다른 복합재료 제조 방법이 수지 이송 성형법(RTM: resin transfer moulding)이다. 상기 제조 방법은 고형체의 암몰드 다이와 수몰드 다이를 사용하여야 하는데, 상기 암몰드 다이와 수몰드 다이가 결합하여 몰드 캐비티를 형성한다. 강화 섬유 및 기타 재료가 조심스럽게 몰드 캐비티 내에 깔려지고 수지가 고압으로 캐비티 내로 분사된다.

RTM법으로 선체를 제조하는 데에는 많은 문제점들이 있다.

a) 치수 공차가 작은 고가의 정합 수몰드 다이와 암몰드 다이를 제작할 필요가 있다.

b) 접착 수지의 경화 중의 발열 반응은 복합재료 레이 업 내의 온도를 실질적으로 증가시킨다. 정합 몰드 다이들이 사용될 때에는 그러한 온도 상승을 제어하기가 곤란할 수 있다.

c) RTM에서는 통상적으로 섬유 강화 라미네이트 예비 성형체를 사용하는데, 상기 예비 성형체는 그 내부를 관통하여 수지의 주입을 용이하게 하는 중앙 발포체 코어를 갖추고 있다. 만약 강화 라미네이트가 몰드 캐비티에 정확하게 놓여지지 않으면, 강화 라미네이트가 장애물로 작용할 수 있으며 캐비티를 통하는 수지 유동을 방해하여 수지에 의해 습윤되지 않거나 불량스럽게 습윤된 영역이 남게 된다. 따라서 강화 섬유를 까는 데에 매우 주의해야 되며, 이로 인해 제조 시간이 길어지게 된다.

d) 선박의 칸막이와 웨브 강화부 같은 직립 부품은 선체가 경화된 후에 선체에 고정되어야 한다. 이로 인해 총 제조 시간이 늘어날 뿐만 아니라, 선체와 칸막이의 접합 라인을 따라 재료 물성이 불연속적으로 되기 때문에, 선체와 칸막이의 접합부는 본질적으로 선체 내에서 약한 부위가 된다.

미국 특허공보 제5,971,742호에는 고형의 몰드 다이를 몰드 표면을 형성하는 얇고, 준-경질 유리섬유 막을 지지하는 강성 하우징으로 대체하는 장치가 개시되어 있다. 상기 하우징과 막은 함께 비압축성 열전도성 유체로 채워지는 유체 챔버를 형성한다. 온도 제어 코일이 각 유체 챔버 내에 연장되어서 챔버 내 유체의 온도를 제어한다. 상기 장치는 상기 첫 번째 문제점을 완화시키기는 하지만, 경화되는 수지에 의해 발생하는 고온으로 인해 여전히 각 제조 단계 후에 제조 플랜트를 위한 냉각기(cooling period)를 둘 필요가 있다. 또한, 변형이 최소로 되는 준-강성 몰드 벽의 사용은 여전히 대향하는 몰드 벽들 사이에서 섬유 예비 성형체가 트랩되어 수지가 유동할 수 없게 되는 점 접촉으로 될 가능성이 남게 된다. 섬유 예비 성형체의 직립부 내에 수지를 이송하는 데에 어렵다는 문제점과 직립 부품들을 일체로 제조하고자 하는 노력과 관련된 실제의 문제점들은 여전히 남아 있다.

본 명세서 내에서 논의된 문헌들, 시스템들, 활동들 또는 지식은 본 발명의 문맥을 설명하는 데에 포함된다. 선행 기술 기초의 일부 또는 당업계에서의 통상적인 지식을 구성하는 어떠한 자료들 또는 어떠한 국가 또는 청구 범위의 우선일 전의 자료로 인정하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 RTM 제조 방법을 포함하여 선행 제조 방법들의 문제점들 중 적어도 하나를 방지하는 복합재료 구성요소 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 사항을 염두에 두고, 본 발명의 일 교시에 따르면, 상대적으로 강성인 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 갖춘 몰드 어셈블리를 사용하여 복합재료 구성요소를 제조하는 방법으로서, 상기 제조 방법은,

경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부 사이에 형성되는 몰드 챔버 내에 섬유 강화 재료를 위치시킨 상태에서 상기 경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 함께 결합하는 단계와,

유체의 밀도 및/또는 유체의 압력에 의한 유체 압력을 적어도 상기 탄성적 가변형 몰드부에 가하는 단계와,

상기 몰드 챔버 내로 수지를 공급하여 상기 몰드부들 사이에 위치하는 강화 재료를 습윤시키는 수지 공급 단계를 포함하는 복합재료 구성요소 제조 방법을 제공한다.

상대적으로 강성인 몰드부는 암몰드 캐비티를 갖추고 있는 암몰드부(female mould section)일 수 있다. 탄성적 가변형 몰드부는 수몰드면(male mould face)일 수 있다. 그러나 탄성적 가변형 몰드부가 암몰드부이고 상대적으로 강성인 몰드부가 수몰드면인 경우도 고려될 수 있다.

탄성적 가변형 몰드부는 섬유 강화 재료들의 시트 상의 중첩되는 층을 사용하여 제공되는 섬유 강화 재료의 두께 변화에 쉽게 정합될 수 있다. 이는 RTM 공법에서 섬유 강화 재료의 두께가 두꺼워서 정합되는 다이들이 서로 조립될 때에 유지의 유동을 방해하는 핀치 존(pinch zone)이 생기는 문제점을 방지한다.

상대적으로 강성인 몰드부는 암몰드 캐비티를 갖추고 있는 암몰드부일 수 있고, 탄성적 가변형 몰드부는 수몰드면을 갖추고 있는 수몰드부일 수 있으며, 상기 방법은,

암몰드 캐비티 내에 섬유 강화 재료를 까는 단계;

수몰드부는 수몰드면을 제공하는 외부 표면과 유체를 수용하는 내부 체적부를 구비하고 있으며, 경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 함께 연결하여 암몰드 캐비티와 수몰드면 사이에 형성되는 몰드 챔버 내에 섬유 강화 재료가 위치되도록 하는 경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 연결하는 단계;

유체에 의해 수몰드부의 내부 표면에 유체 칼럼 압력이 가해져서 수몰드면이 일반적으로 몰드 챔버 내에 위치하는 강화 재료의 형상에 정합되도록 적어도 수몰드부의 내부 체적부를 유체로 충진하는 단계;

상기 몰드 챔버 내로 수지를 공급하여 상기 몰드부들 사이에 위치하는 강화 재료를 습윤시키는 수지 공급 단계를 포함한다.

본 명세서에서 "섬유 강화 재료"란 용어는 예비 절단된 섬유 재료로 구성된 건조한 강화 섬유 번들과 이들 재료를 짜서 만든 층 또는 발포체(foam) 또는 기타 코어(core)와 수지로 사전에 미리 습윤 되지 않은 강화 섬유 직물이 통합된 라미네이트(laminate)를 지칭하는 것으로 사용된다.

내부 체적부 내의 유체는 수몰드부의 내부 체적부의 내부 표면에 유체 칼럼 압력을 가한다. 수몰드부가 탄성적 가변형 재료로 제작됨에 따라, 수몰드부에 가해지는 유체 칼럼 압력은 수몰드 면이 기초가 되는 암몰드 캐비티 위에 깔려 있는 섬유 강화 재료의 형태에 정합되게 변형되도록 한다. 또한 유체에 의해 가해지는 유체 칼럼 압력은 몰드 챔버에 공급된 수지에 의해 가해지는 유체 칼럼 압력과 서로 영향을 미치게 된다. 특히, 유체 칼럼 압력은 몰드 챔버 내의 수지의 칼럼 압력과 자연스럽게 평형을 이루어 상호 가해지는 압력들의 균형이 이루어진다. 이는 수지가 몰드 챔버 내에 균일하게 분산되도록 하고, 또한 섬유 강화 재료가 완전하게 습윤되도록 한다.

내부 체적부를 채우는 데에 사용되는 유체의 밀도는 상기 몰드 챔버에 공급되는 수지의 유체 밀도에 근접하도록 선택될 수 있다. 이것은 암몰드 캐비티와 수몰드 면 사이의 몰드 챔버 내에 주입된 수지와 블래더(bladder) 내의 액체 사이에 "균형잡힌 밀도"(balanced density) 효과의 결과로써 수지가 분산되도록 한다. 균형잡힌 밀도의 원리는 본 출원인의 국제특허공개공보 제PCT/AU02/00078호에 개시되어 있는데, 상기 문헌의 상세 내용은 본 명세서에 참고문헌으로 통합되어 있다. 탄성성 가변형 막의 양쪽 측면의 유체 압력들이 균형을 찾아감에 따라 상기 균형잡힌 밀도 효과가 발생하여 몰드 캐비티가 어떤 각도로 기울어져 있는 상태에서도 수지가 고르게 분산될 수 있게 된다.

일반적으로 수지의 밀도는 일반적으로 내부 체적부를 채우는 데에 사용되는 물보다 크다는 것을 명심해야 한다. 그러나 수지와 물의 밀도는 물을 예열함으로써 수지를 가열하여 수지의 밀도를 낮추도록 조절될 수도 있다. 또한 이러한 목적을 위해 수지가 예열될 수도 있다. 내부 체적부에는 물보다도 밀도가 큰 유체를 사용할 수도 있다. 글리콜(glycol)과 같이 고 온도 용량 유체(high temperature capacity fluid)가 선택적으로 사용될 수 있다. 수몰드부의 양쪽 면에 균형 압력이 가해지도록 하는 또 다른 방법은 수몰드부 위의 유체의 높이를 증가시킴으로써 수몰드부의 내부 표면 위의 유체 칼럼 압력을 증가시키는 것이다.

수몰드부가 탄성적 가변형 재료, 바람직하게는 일부 점 강화 재료를 사용함으로써, 유체와 수지 사이의 상호 작용에 의해 수몰드 면의 형태가 변형되어 수지를 복합재료 내로 밀어 넣고, 수지를 레이 업을 통해 모서리부 및 기타 분산이 어려운 영역까지 분산되는 데 도움이 될 수 있다. 균형잡힌 밀도와 함께 수몰드 면에 탄성적 가변형 재료 및/또는 압력 플러스 진공의 사용은 좀 더 복잡한 구조물이 제작될 수 있도록 한다. 이것은 칸막이와 세로보(stringer)를 구비하는 선체 외피 및 상기 선체와 일체로 통합 성형되는 기타의 어떠한 웨브의 생산을 포함한다. 또한, 수지의 분산이 종래의 RTM 방식에서 요구하는 유동 통로에 대한 엄격한 공차에 의해 제한되지 않기 때문에, 강화 섬유 재료를 까는 데에 정밀도가 덜 요구된다.

수지는 순수하게 유체와 수지의 압력의 상호 작용에 의해 분산될 수 있지만, 수지의 복합재료 내의 주입은 몰드 챔버 내에 진공을 형성시킴으로써 더 촉진될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 방법은 몰드 챔버를 진공으로 하면서 상기 몰드 챔버에 수지를 공급하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 진공은 복합재료 내에 포획된 공기 제거를 조장할 뿐만 아니라, 수지의 몰드 챔버 내로의 주입을 조장하여 복합재료가 수지로 습윤되도록 한다.

유체 및 수지 압력은 각각 별개로 변화되거나 소정의 관계를 이루면서 상호간에 상대적으로 변화될 수도 있다. 예를 들어, 수지의 압력이 초기에는 높아서 상대적으로 수지의 체적이 큰 몰드 챔버를 범람할 수 있다. 상기 수지 체적은 섬유 복합재료로부터 탄성적 가변형 몰드부가 바깥쪽으로의 움직임에 의해 수용될 수 있다. 그 다음에 유체 압력이 순차적으로 증가하여 수지를 분산시키고 탄성적 가변형 몰드부가 압박되어 복합 섬유 재료 쪽으로 복원됨에 따라 여분의 수지를 배출한다. 이는 섬유 강화 재료의 좀 더 신속한 습윤이 되도록 한다. 또한 수지 압력 및/또는 유체 압력이 펄스 형태로 되어 수지의 분산을 촉진시키는 것을 고려할 수도 있다.

수지의 점도가 높은 경우, 몰드 어셈블리와 몰드 챔버가 가열될 수 있다. 수지의 가열은 수지가 몰드 챔버를 통해 분산되는 동안에 수지의 점도를 감소시키는 데에 도움이 되기 때문에, 몰드 어셈블리와 몰드 챔버의 가열은 섬유 강화 재료의 습윤을 촉진시킨다.

상기 방법은 몰드 어셈블리의 양쪽에 유체 압력을 균형되게 가하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 이것에 의한 장점 중의 하나는 제조되는 복합재료 구성요소를 가로질러 압력을 더욱 균일하게 함으로써 최종 구성요소 전체를 통해 균일한 재료 특성을 얻을 수 있도록 한다. 상기의 균형 압력이 가해지는 제조 시스템에 대해서는 다음에 설명될 것이다.

본 발명의 또 다른 교시에 의하면,

상대적으로 강성인 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 포함하는 몰드 어셈블리와, 유체 밀도 및/또는 유체 압력에 의해 상기 탄성적 가변형 몰드부에 유체 압력을 가하는 유체 압력 수단과, 상기 몰드부들이 결합되어 몰드부들 사이에 획정되는 몰드 챔버에 수지를 공급하는 수지 공급 수단을 포함하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템을 제공한다.

상기의 상대적으로 강성인 몰드부는 암몰드 캐비티를 구비하는 암몰드부이거나 수몰드면을 구비하는 수몰드부일 수 있다. 상기 탄성적 가변형 몰드부는 상기 수몰드부 또는 상기 암몰드부 중 어느 하나에 대해 대응하는 몰드부일 수 있다.

상기 수지 공급 수단에는 상기 몰드 챔버와 유체 연통되는 적어도 하나의 수지 공급 라인이 제공될 수 있다. 상기 수지 공급 라인은 수몰드 면 또는 암몰드 캐비티의 개구와 연통하거나, 암몰드부와 수몰드부의 외부 주변부 사이에 형성되어 있는 개구로 들어갈 수 있다.

진공이 사용되는 경우에, 상기 몰드 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 진공 라인이 사용되어 몰드 챔버의 공기를 배출할 수 있다. 이를 위해, 상기 몰드 챔버를 적어도 실질적으로 기밀 밀봉하는 밀봉 수단이 상기 암몰드부와 상기 수몰드부 사이에 설치될 수 있다. 상기 진공 라인은 수몰드 면 또는 암몰드 캐비티의 개구와 연통하거나, 암몰드부와 수몰드부의 외부 주변부 사이에 형성되어 있는 개구로 들어갈 수 있다.

상기 수몰드부는 적어도 실질적으로 고무 또는 기타 유사한 탄성적이고 가변형의 재료로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수몰드부는 재료로 제조되고 및 또는 대안적으로는 복합재료 구성요소가 완전히 경화된 후에 복합재료 구성요소로부터 용이하게 분리되는 수몰드 면의 표면을 구비할 수 있다. 이것은 몰드 챔버 내에 어떠한 릴리스 필름 유동막, 브레더 등을 사용할 필요가 없도록 한다.

섬유 강화 재료에 인접하는 수몰드 면의 표면에는 그 표면을 따라 연장되어 있는 일련의 채널들이 형성될 수 있다. 바람직하게는, 이들 채널들은 상기 수몰드 면의 전 표면을 가로지르는 메시 패턴으로 연장될 수 있다. 이들 채널들은 수지와 공기가 통하는 통로를 제공함으로써 섬유 복합재료를 통한 공기의 배출과 수지의 분산을 촉진시킨다. 수몰드 면의 양쪽에 가해지는 유체 압력이 충분히 높은 때에는 상기 채널들이 편평해질 수 있도록, 수몰드 면은 충분하게 변형될 수 있다. 이는 섬유 복합재료 내부로 수지가 주입되는 것을 촉진한다.

본 발명에 따른 추가의 교시에 따르면,

암몰드 캐비티를 갖추고 있는 상대적으로 강성인 암몰드부;

암몰드 캐비티의 주변과, 내부에 수지가 공급될 수 있는 링 챔버와, 상기 링 챔버에 수지를 공급하는 수지 공급 수단을 포함하는 링 부를 둘러싸고 있는 주변부;

탄성적 가변형 재료로 구성되며, 외부 수몰드 면과 액체를 수용하는 내부 체적부를 갖추고 있는 수몰드부;

상기 수몰드부와 암몰드부가 연결될 때에 상기 암몰드 캐비티와 수몰드 면 사이에 형성되는 몰드 챔버;

상기 몰드 챔버 내에 진공을 형성하는 진공 형성 수단을 포함하는 몰드 어셈블리를 포함하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템을 제공한다.

상기 링 챔버는 상기 수몰드부를 둘러싸고 지지하는 상대적으로 강성인 주변의 링 플랜지에 의해 획정될 수 있으며, 상기 링 플랜지는 상기 암몰드 캐비티를 둘러싸고 있는 주변부와 체결된다. 상기 링 플랜지와 상기 링 부 사이에는 예를 들어 탄성 밀봉 리브(들)인 밀봉 수단이 제공되어 링 챔버에 적어도 실질적으로 기밀 밀봉을 형성할 수 있다.

상기 링 챔버 내의 수지 풀(pool)은 두 가지 기능을 행한다. 먼저, 상기 몰드 챔버 내의 강화 재료를 습윤하는 수지의 공급원이 된다. 또한 몰드 캐비티 주위를 액상 밀봉하여 몰드 챔버 내에 진공이 형성될 수 있도록 한다.

강화 재료의 적어도 하나의 주변부는 링 챔버의 영역 내로 연장되어 있을 수 있고, 연장된 부분은 모세관 작용을 통해 강화 재료의 나머지 부분 내로 수지가 스며들게 하는 심지로 기능한다.

일련의 수지 공급 라인들이 링 챔버를 따라 분산되어 있는 지점에서 수지를 링 챔버에 공급할 수 있다. 선택적으로는, 링 챔버를 따라 간격을 두고 배치되어 상기 링 챔버 내부로 수지를 배출할 수 있는 일련의 배출 라인을 구비하는 하나의 수지 공급 라인이 링 챔버와 평행하게 연장될 수 있다.

상기 진공 형성 수단(vacuum supply means)은 진공 펌프와 적어도 하나의 진공 라인을 포함할 수 있다. 제1 상기 진공 라인은 몰드 챔버와 연통될 수 있다. 제1 진공 라인은 수몰드부 내에 형성되어 있는 개구에 연결되어 몰드 챔버 내에 진공을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 제2 진공 라인이 링 챔버와 연통하여, 링 챔버에 진공을 형성한다. 밸브가 상기 제1 및 제2 진공 라인들에 의해 형성된 진공을 제어할 수 있다. 밸브가 제1 위치에 있을 때, 링 챔버 내에 축적된 수지를 가로질러서 압력 차이가 거의 없도록 상기 2개의 진공 라인들에 의해 진공이 형성될 수 있다. 이것은 링 챔버로부터 몰드 챔버로의 수지의 운송을 제한한다. 밸브가 제2 위치에 있을 때, 상기 제1 진공 라인이 폐색/밀폐되어 링 챔버 내에 진공이 깨져 대기에 개방시켜서 제2 진공 라인에 의해서만 진공이 형성되도록 한다. 이로 인해 링 챔버 내에 유지되어 있는 수지를 가로질러 압력 차이가 급격하게 증가함으로써 수지의 "파동"(wave)을 발생시켜서 몰드 챔버로 밀려 들어가게 한다. 링 챔버의 수지가 거의 소진된 때에 상기 제1 진공 라인을 다시 개방시킴으로써 상기 링 챔버에 다시 진공이 형성된다. 이는 더 많은 수지가 링 챔버에 공급되도록 한다. 이에 의해 상기 장치는 몰드 챔버로 들어가는 수지에 주기적인 파동이 형성되도록 한다.

또한 고압 가스의 펄스가 또는 선택적으로 가압 가스 공급장치로부터 링 챔버 내부에 주기적으로 공급될 수 있다. 이러한 고압 펄스의 효과는 링 챔버 내의 수지를 "파동"을 갖춘 수지로 몰드 챔버 내부로 강압하여 몰드 챔버내로 운송하게한다. 상기 수지 파동은 복합재료 내로 수지를 좀 더 신속하고, 좀 더 효율적으로 운송 및 주입시킴으로써 복합재료 전체가 완전하게 습윤되도록 한다. 링 챔버 내의 수지 레벨이, 수지 밀봉이 깨진 것을 지나친 저점(low point)에 있는 지와, 더 이상 수지가 공급될 필요가 없는 고점(high point)에 있는 지를 체크하기 위해 상기 링 챔버의 하부 및 상부에 수지 센서가 각각 설치될 수 있다. 수지가 저점에 있을 때에는 링 챔버에의 압력 차 및/또는 추가의 고압 가스 공급이 중단되고, 추가의 수지가 전달되어 상기 링 챔버 내에 재공급하게 된다.

표면 장착 외부 기계적 진동기 같은 진동 수단이 상기 몰드 어셈블리를 진동시키는 데에 또한 사용되어 복합재료가 완전하게 습윤되도록 할 수 있다.

본 출원인의 미국특허공보 제6,149,844호에는 균형잡힌 압력을 사용하여 복합재료 구성요소를 제조하는 장치를 개시하고 있다. 상기 장치에는 대향하는 2개의 압력 챔버가 있는데, 하나의 챔버는 유동의 경질 몰드(floating rigid mould)를 지지하고, 다른 챔버는 탄성적 가변형 몰드 면을 구비하고 있다. 몰드 위에는 복합재료 레이-업이 깔릴 수 있고, 그 다음에 진공 백이 상기 레이-업 위에 위치하고 공기를 배출하여 레이-업을 압축시키고 레이-업으로부터 공기의 대부분을 취출한다. 압력 챔버들이 서로 결합되어 탄성적 가변형 몰드 면이 복합재료 레이-업 위에 있는 진공 백 위에 위치하게 된다. 고압 및 고온의 유체가 각 압력 챔버를 순환함으로써 상기 복합재료 레이-업에 균형 압력과 균일한 온도가 가해진다. 이것은 제조되는 복합재료 구성요소가 RTM법을 포함하는 종래의 방법에 비해 고품질의 제품을 제조하도록 한다.

균형잡힌 압력은 본 발명에 대해서도 사용될 수 있다. 이를 위해, 암몰드부는 유동 장치 내에서 제1 하우징 위에 지지되어 제1 압력 챔버를 구성할 수 있으며, 반면에 수몰드부는 제2 하우징 위에 지지되어 제2 압력 챔버를 구성할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 복합재료 섬유 재료에서 공기를 배출시키기 위해 별도의 진공 백을 사용할 필요가 없고, 수몰드/스킨 부는 복합재료 섬유 재료와 직접 접촉한다. 유체 순환 수단은 제조 공정 중에 각 압력 챔버를 통해 고압의 유체를 순환시킬 수 있다. 양쪽 챔버 내의 유체 압력은 실질적으로 동일하여 균형잡힌 압력의 추가의 이점을 제공할 수 있다.

경화 온도가 높은 수지가 사용되거나 수지의 전반적인 점도를 낮추고 유체의 밀도를 낮추기 위해 수지를 가열할 필요가 있는 경우에는 각 압력 챔버를 통해 고온의 수지가 순환되는 것도 고려될 수 있다. 순차적으로 각 압력 챔버를 통해 저온에서 유체를 순환시킴으로써 수지가 경화될 때에 구성요소의 냉각을 촉진시킬 수도 있다.

본 발명에는 현재 선체 제조에 사용되는 선행기술인 RTM 제조 방법에 비해 특별한 장점이 있다. 첫 번째, 고가이면서 중량인 몰드 다이를 제조할 필요가 없다. 실제로, 암몰드부는 어떠한 실질적인 압력 또는 중량을 지지할 필요가 없기 때문에, 상대적으로 저렴한 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 수몰드부의 블래더 구성은 고무, 예를 들어 천연 라텍스 고무와 같이 탄성적으로 변형이 가능한 재료를 사용하여 간단하게 제조될 수 있다. 상대적으로 간단하게 제작할 수 있는 것 외에도, 수몰드부의 중량은 경질 몰드 다이를 사용하는 것에 비해 매우 작다.

또한, 균형 압력 및 진공은 강화 섬유 재료 내부에 수지를 고르게 분산시키는 데에 매우 효과적인 수단이다. 이러한 효율성 때문에, 몰드 챔버는 더욱 복잡한 형상이 될 수 있으며, 예를 들어 선체의 칸막이를 구성하는 부품을 포함할 수도 있다. 또한, 연결 러그(lug) 같은 개별 구성요소도 최종 복합재료 구성요소 내에 위치되어 일체로 제조될 수 있다. 이는 선체가 하나의 통합된 단위로 제조됨으로써 선체 전체를 통해 잠재적으로 약한 부위가 없이 전반적으로 균일한 물성이 되게 된다. 또한, 선체의 다양한 구성요소들이 동시에 제조되기 때문에, 제조 시간이 상당히 단축된다. 또한, 특수한 고유동성 수지와 고품질의 섬유 재료가 요구되는 종래의 RTM 방법에 비해, 본 발명은 다양한 종류의 수지와 섬유 재료를 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합재료 구성요소를 제조하는 제조 시스템의 제1 바람직한 실시예를 보여주는 개략적인 단면도.

도 2는 도 1의 제조 시스템의 개략적인 측면 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 제조 시스템의 제2 바람직한 실시예의 개략적인 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 제조 시스템의 제3 바람직한 실시예의 개략적인 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 제조 시스템의 제4 바람직한 실시예의 개략적인 단면도.

도 5a는 도 5의 A 부분의 상세도.

도 6은 본 발명에 따른 제조 시스템의 제5 바람직한 실시예의 개략적인 단면 도.

도 7은 본 발명에 따른 제6 바람직한 실시예의 개략적인 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 제7 바람직한 실시예의 개략적인 단면도.

도 9a 및 도 9b는 도 8에 도시한 본 발명의 실시예에서 완성된 구성요소로부터 수몰드부의 분리를 개략적으로 보여주는 도면.

도 10은 본 발명에 따른 수지 웨이브를 나타내는 상세 개략도.

도 11은 본 발명에 따라 형성된 강화 직립재를 보여주는 상세 개략도.

도 12는 본 발명에 따른 수몰드부의 일 실시예를 보여주는 상세 개략도.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 보여주는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세하게 기술한다. 기타 다른 구성도 가능하기 때문에, 첨부된 도면에 대한 개시가 전술한 본 발명의 일반성을 대체하는 것으로 이해되어서는 안된다.

먼저, 설명을 명료하게 하기 위해 다른 바람직한 실시예들에서 서로 대응하는 부재들에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다는 것을 알려둔다.

도 1을 참조하면, 도 1은 제조 시스템의 기본 구성으로서, 암몰드부(3)(female mould section)와 수몰드부(5)(male mould section)를 갖추고 있는 몰드 어셈블리(1)를 보여주고 있다. 암몰드부(3)는 암몰드 캐비티(7)를 포함하고 있으며, 상대적으로 강성(rigid) 재료로 제작된다. 암몰드부(3)는 몰드 지지 장치(4) 위에 자기 자리를 견고하게 유지한다. 수몰드부(5)는 고무와 같이 탄성적으로 변형가능한 재료로 형성되고, 수몰드부(5)의 수몰드면을 형성하는 외부 표면(9) 을 포함하고 있다. 수몰드부(5)는 제조 공정 중에 액체(13)를 수용하는 내부 체적부(11)(inner volume)을 추가로 포함하고 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 초기에 섬유 강화 재료(15)가 암몰드 캐비티(7) 내에 놓여진다. 그런 다음에 수몰드부(5)가 암몰드부(3) 위에 놓여지고, 수몰드부(5)의 내부 체적부(11)가 유체(12)로 채워진다. 상기 유체(12)는 편리하게는 물일 수 있으나, 글리콜(glycol)과 같이 고 밀도 또는 고 온도 용량(temperature capacity)의 다른 유체도 사용될 수 있다. 그 다음에, 수지 공급 라인(19)과 수지 탱크(21)를 포함하는 수지 공급 수단(17)이 접착 액상 수지 및/또는 혼합된 액상 수지를 수지 공급 라인(19)을 통해 수몰드면(9)의 최저점에 형성되어 있는 개구(25)로 공급한다. 암몰드면(7)과 수몰드면(9) 사이의 좁은 체적부로 형성되는 몰드 챔버(8)로 수지(23)가 공급된다. 수지(23)가 수지 탱크(21)로부터 몰드 챔버(8)까지 펌프될 수 있거나, 수지 탱크(21)가 내부 체적부(11) 내의 유체(13)의 수위보다 높게 유지되어 수지(23)가 몰드 챔버(8) 내로 유동되게 할 수도 있다. 개구(25)에서 몰드 챔버(8) 내의 압력은 수몰드부(5)의 최저 지점보다 높은 위치의 유체 칼럼 높이의 함수이다.

개구(25)를 통해 들어오는 수지(23)는, 그 지점에서의 압력 차와 섬유를 따라 수지 "위킹"(wicking)을 갖추고 있는 섬유 강화 재료(15)에 대한 수지의 모세관 인력 때문에 섬유 재료(15)들 사이로 스며들게 된다. 수지(23)가 몰드 챔버(8) 내로 계속해서 유동하고 퍼져서 섬유 번들(15)의 측면과 상부로 이동함에 따라, 수몰드부(5) 위에 가해지는 유체 칼럼 압력은 점진적으로 감소하여 유체 수면(13) 근처 에서 최소에 이르게 된다. 수지(23)가 몰드 내에서 높게 이동할수록 수지(23)의 진행 속도를 늦출 수 있기 때문에 유체(12)의 밀도가 수지(23)의 밀도보다 높은 것이 바람직하며, 또는 수몰드부(5) 전체에 걸쳐 충분한 유체 칼럼 압력이 가해져서 수지(23)가 섬유 번들(15) 전체에 분산되도록 유체 수면(13)이 몰드부(3, 5) 위로 충분히 높게 위치할 수 있다. 또한 수지(23)와 유체(12) 중 어느 하나를 예열하여 그 점도를 낮춤으로써 수지(23)의 밀도를 낮추어서 40℃에서 긴 작업 공정 기간에 걸쳐 제품에 더욱 용이하게 주입되게 할 수 있다. 선택된 수지는 대략 60 내지 80℃의 고온에서만 경화되도록 촉매 반응되거나(catalysed) 및/또는 혼합될 수 있다. 이에 따라 제품을 경화시키기 위해, 유체 온도는 80℃까지 급격하게 상승될 수 있다.

내부 체적부(11)에 채워진 유체(13)에 의해 가해지는 압력이 몰드 챔버(8) 내의 액상의 접착 수지(23)와 상호 작용하여 힘의 균형이 맞추어짐에 따라 공급된 수지(23)는 섬유 복합재료 또는 섬유 번들(15) 전체에 걸쳐 그 안쪽으로 분산 및 주입되게 된다. 이는 수지(23)가 복합재료 번들(15) 전체에 고르게 분산되도록 하는 데에 도움이 된다.

암몰드부와 수몰드부(5)를 포함하여 구성되는 몰드 어셈블리(1)는 제조 공정 전과 제조 공정 중에도 가열될 수 있다. 몰드 어셈블리의 가열은 수지의 점도를 낮춤으로써 섬유 강화 재료(15)의 습윤을 용이하게 하기 위해서 가열될 필요가 있는 고점성 수지(23)를 사용할 수 있도록 한다.

유체 칼럼 압력이 수지(23) 위에 가해질 수 있고, 또한 수몰드 면이 암몰드 캐비티(7) 내에 지지되어 있는 섬유 번들(15)에 정합될 수 있도록 하기 위해, 수몰드부(5)는 가변성(deformable)이어야 한다. 도 2를 참조하면, 수몰드부(5)의 변형능(deformability)과 함께 내부 체적부(11) 내에 채워진 유체(12)에 의해 가해지는 힘은 좀 더 복잡한 형상의 구성요소를 제조할 수 있도록 한다. 도 2는 추가로 포함하고 있는 직립부(16)에 깔려 있는 섬유 복합재료(15)를 나타내고 있다. 이들 직립부 부분들은 결국에는 선체의 나머지 부분과 일체로 제조되어 최종 완성된 선체를 강화시키기 위해 필요로 하는 직립부를 형성한다. 수몰드부(5)는 이들 직립부들이 선체의 나머지 부분과 일체로 구성되도록 하는 채널(18)들을 포함하는 형태일 수 있다. 채널(18)의 외부 표면에 가해지는 유체 칼럼 압력으로 인해 직립부(16) 주위 형태에 따르는 채널(18)을 통해 수지(23)가 압박된다.

복합재료(15) 전체에 수지(23)의 주입을 용이하게 하기 위해, 섬유 강화 재료(15)로부터 공기를 방출시켜 몰드 챔버(8) 내에 진공을 형성시켜 수지(23)를 몰드 챔버(8) 내로 끌어당길 수 있다. 도 3은 도 1에 도시한 제조 시스템과 유사하지만, 진공 형성 수단(27)을 추가로 포함하는 제조 시스템을 보여주고 있다. 수몰드부(5)는 수몰드부(5)의 탄성적 가변형 부위를 둘러싸서 지지하는 상대적으로 강성의 링 플랜지(29)를 추가로 포함하고 있다. 밀봉 수단, 예를 들어 탄성 밀봉 리브(31)가 링 플랜지(29)와 암몰드 캐비티(7)를 둘러싸고 있는 암몰드부의 주변부(33) 사이에 형성되어 있다. 이것은 몰드 챔버(8) 내에 진공이 형성되도록 한다. 진공 형성 수단은 몰드 챔버(8)와 연결되어 있는 진공 라인(37)과 진공 펌프(35)를 포함한다. 도 3에는 수몰드부의 링 플랜지(29)와 암몰드부(3)의 주변부(33) 사이에 형성되어 있는 개구(미도시)와 통하는 연결 수단으로 진공 라인(37)이 도시되어 있다. 진공 라인(37)은 선택적으로 수몰드부(5) 또는 암몰드부(3)에 형성되어서 몰드 챔버(8)와 유체가 서로 유동할 수 있는 개구에 연결될 수 있음을 이해해야 한다.

도 4는 진공 라인(37)이 수몰드부(5)의 최저부에 위치하고 있는 개구(23)에 연결되어 있다는 점에서 도 3에 도시한 실시예와는 상이한 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 링 챔버(39)는 암몰드 캐비티(7) 주위에 형성되어 있는 주변 견부(33)와 수몰드부(5)를 지지하는 상부 벽(36) 사이에 형성되어 있는 공간에 의해 획정된다. 상부 벽(36)은 유체 수면(13)이 몰드부(3, 5) 위로 충분한 높이에 위치하여 섬유 번들(15)에 높은 유체 칼럼 압력이 가해지도록 암몰드부(3) 위쪽으로 연장되어 있다. 수지(23)의 일정 부피가 링 챔버 내에 유지되도록 수지 라인(19) 또는 링 챔버(39)는 수지 탱크(21)로부터 링 챔버(39)에 수지(23)를 링 내에 공급한다. 상기 수지(23)는 몰드 챔버(8) 주위의 링 밀봉부로 기능하여 몰드 챔버(8) 내에 진공이 형성되도록 한다. 형성된 진공은 수지(23)를 몰드 챔버(8) 내로 끌어들여 섬유 번들(15)을 습윤시키고, 링 챔버(39)에는 수지 공급 라인(19)으로부터 수지(23)가 보충된다. 또한, 섬유 번들(15)의 주변부의 일부는 링 챔버(39) 내에 수용되어서 섬유 번들(15) 내로 수지(23)를 운송하는 심지(wick) 역할을 한다. 몰드 챔버(8)에 가해지는 유체 칼럼 압력은 수지(23)가 섬유 번들(15) 전체에 고르게 분산되도록 한다.

도 5 및 도 5a는 수지(23)가 링 챔버(39)를 통해 몰드 챔버(8)로 공급될 수 있다는 점에서 도 4에 도시하는 것과 유사한 본 발명의 또 다른 실시예를 보여주고 있다. 그러나 상기 링 챔버(39)는 수몰드부(5)의 링 플랜지(29)와 암몰드부(3)의 주변부(33) 사이에 형성되어 있는 공간으로 획정된다. 상기 주변부(33)는 측면 벽(33b)과 상부 벽(33a)을 포함한다. 수지 공급 라인(19)은 주변부 측면 벽(33b)을 관통해 연장되어서 링 챔버(39)와 연통되어 있다. 하부 수지 센서(41a) 및 상부 수지 센서(41b)가 또한 측면 벽(33b) 내에 위치하고 있다. 본 실시예에서, 제1 진공 라인(37a)과 제2 진공 라인(37b)들이 수몰드부(5) 내에 형성되어 있는 개구(25)와 링 챔버(39)에 각각 연통되어 있다. 제조 공정 중에, 수지(23)가 적어도 링 챔버(39)의 실질적인 부분을 채운다. 진공 형성 라인(37a)이 링 챔버(39)를 적당하게 비우기 위해 수몰드부(5)의 링 플랜지(29)와 주변부의 상부 벽(33a) 사이에는 밀봉부(31)가 형성된다. 상기 밀봉부(31)는 보통은 수지(23)의 레벨 위쪽에 위치하여 수지(23)에 의한 오염이 방지된다. 진공 펌프(35)는 제1 밸브(36a)를 통해 진공 라인(37a)과 진공 라인(37b)에 각각 연결되어 있으며, 제2 진공 라인(37b)은 직접적으로 몰드 챔버(8)에 진공을 형성시킬 수 있다. 상기 밸브(36a)는 진공 펌프(35)가 2개의 진공 라인들 모두에 동시에 연결되도록 하거나 그 중 하나의 진공라인에만 연결되도록 한다. 진공 라인(37a)과 진공 라인(37b) 양방이 진공 펌프(35)에 연결된 때에는, 링 챔버(39)와 몰드 챔버(8) 사이에 압력 차가 최소로 된다. 따라서, 링 챔버(39) 내에 유지되어 있는 수지(23)는 링 챔버 내에 잔류하려는 경향이 있게 되어 링 챔버 내에 축적된다. 링 챔버(39)와 연통되어 있는 제1 진공 라인(37a)이 폐쇄되어 대기와 통해 있고, 제2 진공 라인(37b)은 여전히 진공 펌프(35)에 연결되어 있으면 링 챔버(39) 내에 진공이 방출된다. 그 결과로 수지 링을 가로질러 상대 적으로 급격한 압력 차이가 증가하여, 링 챔버(39)와 몰드 챔버(8) 사이에는 링 챔버(39)로부터 몰드 챔버(8)를 통해 이동하는 수지 파동(46)(도 10에 도시)이 형성된다. 상기 수지 파동이 몰드 챔버(8)를 통해 진행함에 따라 수지 파동은 수몰드부(5) 내에 일시적인 팽창부를 형성시키고 파동(46)의 선단부에서 수지면을 밀어서 수지(23)의 선단 가장자리부가 섬유 번들(15) 내로 운송되어 습윤되도록 한다. 상기 수지 파동은 수지(23)가 섬유 번들(15) 내로 진행하는 속도를 촉진시킨다.

또한 링 챔버(39) 내로 고압가스의 주기적인 펄스를 가해 수지(23)가 몰드 챔버(8) 내로 밀어지는 것을 보조함으로써 링 챔버(39)로부터 몰드 챔버(8)로의 수지의 운송을 추가적으로 보조하는 것이 바람직하다. 압력 탱크(40)는 제2 밸브(36b)를 통해 제1 수지(37a)에 연결되어 있다. 제2 밸브(36b)가 압력 탱크(40)를 진공 라인(37a)에 연결하기 전에 제1 밸브(36a)가 먼저 진공 펌프(35)로부터 나온 진공 라인과 분리된다. 이것이 압력 탱크(40)로부터 나온 고압가스를 사용하여 링 챔버(39)에 압력 펄스가 가해지도록 한다. 이러한 고압가스 펄스는 링 챔버(39) 내의 수지(23) 레벨이 수지 센서(41a)의 아래로 떨어질 때까지 계속 가해진다. 고압가스 공급이 중단되는 때에, 링 챔버는 수지가 제2 수지 센서(41b)에 도달할 때가지 수지(23)가 재충전된다. 고압가스의 사용은 또한 수지(23)가 수지 파동(46)을 통해 몰드 챔버(8)로 운송되는 것을 돕는다. 이는 수지(23)에 의해 완전하게 습윤되는 복합재료(15)에서의 속도를 증가시켜 수지(23)의 운송을 추가로 촉진시킨다.

도 6은 진공 형성 수단(27)이 진공 라인(37)을 통해 수몰드부(5) 내의 개구(25)에만 연결되어 있는 도 5 및 도 5a에 도시한 실시예의 변형 실시예를 보여주 고 있다. 링 챔버(39) 내의 수지(23)는 몰드 챔버(8)에 밀봉부를 형성시킬 수 있을 정도의 충분한 레벨을 유지하여 몰드 챔버(8) 내부가 진공이 유지될 수 있도록 한다.

도 7은 도 5 및 도 5a에 도시한 실시예와 유사한 본 발명의 추가의 실시예를 보여주고 있다. 그 차이점은 제1 압력 챔버(51)가 암몰드부(3)의 아래쪽에 형성되어 있으며, 암몰드부(3)가 챔버 내의 유체에 의해 지지되어 있고, 제1 외부 하우징(47)에 대해 유동 관계(floating relationship)의 탄성 플랜지(46)를 통해 압력 챔버 벽(47)을 밀봉하고 있다는 것이다. 또한, 수몰드부(5)는 제2 외부 하우징(49)에 의해 지지되어 수몰드부(5) 위쪽에 제2 압력 챔버(52)를 형성한다. 수몰드부(5)를 지지하는 링 플랜지(29)는 탄성 플랜지(46a)를 통해 제2 하우징(49)에 연결되어 있다. 따라서 암몰드부(3)와 수몰드부(5) 양방은 모두 밀봉되고, 그들의 외부 하우징(47, 49)에 대해 상대적으로 유동 상태에서 지지된다. 제1 압력 챔버(51)와 제2 압력 챔버(52) 양쪽 모두를 통해 고압의 액체가 순환될 수 있다. 각 압력 챔버(51, 52) 내의 유체 압력은 암몰드부(3)의 주변부(33)와 수몰드부(5)의 링 플랜지(29)를 서로 결합시켜 밀봉 수단(31)의 작동을 촉진시킨다. 반대 방향의 유체 압력을 가해서 암몰드부(3)와 수몰드부(5) 사이에 위치하는 복합재료(15)의 전체에 걸쳐서 균형 압력이 형성되도록 할 수 있다. 이것은 섬유 번들(15) 전체에 더욱 균일한 압력을 형성하여 섬유 번들(15)들로의 공기 제거와 압축이 개선되도록 한다. 경화 온도가 높은 수지를 사용하는 경우에는 압력 챔버(51, 52)를 통해 고온의 유체를 순환시켜 경화에 필요한 온도를 제공할 수도 있다. 고온은 또한 사용되는 수지의 점도 를 상대적으로 상승시킨다. 수지의 가열은 수지의 점도를 감소시켜 섬유 번들을 통한 수지의 주입을 용이하게 한다.

몰드 어셈블리를 진동시킴으로써 복합재료(15) 내부로의 수지의 주입이 또한 촉진될 수 있다. 상기 목적을 위해 몰드의 일부분에 회전식 진동기(53)가 부착될 수 있다. 상기 진동기(53)는 예를 들어 암몰드부(3)에 부착될 수 있다.

도 8에 도시한 실시예에서는 또한 압력 챔버(51, 52)를 사용하고 있는데, 도 7의 실시예와 주요한 차이점은 수지 라인(19)이 수몰드부(5)의 최저부에 있는 개구(25)에 수지를 공급한다는 것이다. 단일 진공 라인(37)이 링 챔버(39)에 연결되어 있다. 상기 장치에서, 수지는 개구(25)로부터 몰드 챔버(8)를 통해 링 챔버(39)로 운송된다. 링 챔버(39)에 도달한 수지 중 잉여의 수지는 오버플로우 라인(54)을 통해 수지 오버플로우 탱크(55)에 포획될 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 도 8의 실시예를 보여주며, 압력 챔버 장치를 사용할 때의 장점을 설명하고 있다. 수몰드부(5)가 복합재료 구성요소(56)와 직접 접촉해 있기 때문에 수몰드부(5)를 최종 경화된 복합재료 구성요소(56)로부터 분리시키기가 어려울 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있는 박리 공정으로 설명하고 있는 바와 같이 압력 챔버로부터 유체를 펌핑하여 수몰드부가 구성요소(56)로부터 간단하게 박리될 수 있다.

전술한 바와 같이, 도 10은 화살표 방향으로 이동하는 수지 파동(46)과 수지 파동(46)의 선단부에서 진행하는 수지면(45)의 움직임을 도시하고 있다.

도 11은 도 2에 도시한 형태의 직립부(16)를 좀 더 상세하게 도시하고 있다. 직립부는 강화 섬유(16b) 층에 의해 둘러싸여 있는 원추 형상의 발포체(16a)(cone of foam)을 포함한다. 강화 막대 또는 강화 재료(16c)가 직립부의 상부 가장자리 위에 강화재로서 부착될 수 있는데, 상기 막대(16c)는 또한 강화 섬유(16b)로 싸여 있을 수도 있다. 채널(18) 주위에 유체(12)의 압력이 가해지기 때문에 수몰드면(9) 내의 채널(18)은 직립부(16) 주위에 합치된다. 공기는 효과적으로 유체 레벨(13) 이하의 "수중"(underwater)에 있기 때문에, 채널(18)과 직립부 재료(16) 내에 포착된 공기는 공기 방울로서 위쪽으로 뜨려는 경향이 있게 된다. 따라서 수직 채널(18) 내로 수지를 주입하고 채널(18)을 통해 나오는 공기를 배출하는 것을 돕기 위해 추가의 진공 라인(37c)이 제공될 수 있다. 일단 채널이 수지로 채워지면, 추가의 수지 라인(19)이 추가의 수지를 채널 아래쪽으로 공급하여 섬유 번들(15)의 나머지 부분에 채워지도록 한다. 도 12에 도시한 바와 같이 수몰드부(5)의 외부 표면(9) 내에 일련의 채널들(6)을 형성함으로써 섬유 복합재료(15)로부터의 공기의 배출과 섬유 복합재료에의 수지의 분산이 촉진될 수 있다. 이들 채널들(6)은 외부 표면(9)의 적어도 주요 부분을 가로지르는 메시 형태로 형성될 수 있다. 상기 채널들(6)은 배출되는 공기와 분산되는 수지가 통과할 수 있는 통로를 제공한다. 수몰드부에 가해지는 유체 압력이 증가되면 전체 외부 표면(9)이 섬유 복합재료(15)와 접하는 것과 같이 채널들(6)이 평평하게 된다. 섬유 복합재료(15)와 채널(6) 내에 유지되어 있는 잉여의 수지는 과잉 수지로 몰드 챔버 바깥으로 배출된다.

Claims (34)

1. 상대적으로 강성인 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 갖춘 몰드 어셈블리를 사용하여 복합재료 구성요소를 제조하는 방법으로서,

   상기 경질 몰드부와 상기 탄성적 가변형 몰드부 사이에 형성되는 몰드 챔버 내에 섬유 강화 재료를 위치시킨 상태에서 상기 경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 함께 결합하는 단계와,

   유체의 밀도 및/또는 유체의 압력에 의한 유체 압력을 적어도 상기 탄성적 가변형 몰드부에 가하는 단계와,

   상기 몰드 챔버 내로 수지를 공급하여 상기 몰드부들 사이에 위치하는 강화 재료를 습윤시키는 수지 공급 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상대적으로 강성인 몰드부는 암몰드 캐비티를 갖추고 있는 암몰드부이고, 탄성적 가변형 몰드부는 수몰드면을 갖추고 있는 수몰드부인 것을 특징으로 하며, 상기 방법은,

   암몰드 캐비티 내에 섬유 강화 재료를 까는 단계와,

   수몰드부는 수몰드면을 제공하는 외부 표면과 유체를 수용하는 내부 체적부를 구비하고 있으며, 경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 함께 연결하여 암몰드 캐비티와 수몰드면 사이에 획정되는 몰드 챔버 내에 섬유 강화 재료가 위치되도록 경질 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 결합하는 단계와,

   유체에 의해 수몰드부의 내부 표면에 유체 칼럼 압력이 가해져서 수몰드면이 일반적으로 몰드 챔버 내에 위치하는 강화 재료의 형상에 정합되도록 적어도 수몰드부의 내부 체적부를 유체로 충진하는 단계와,

   상기 몰드 챔버 내로 수지를 공급하여 상기 몰드부들 사이에 위치하는 강화 재료를 습윤시키는 수지 공급 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   내부 체적부를 충진하기 위해 사용되는 유체의 유체 밀도는 상기 몰드 챔버에 공급되는 수지의 유체 밀도에 근접하도록 선택되는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,

   유체를 가열하여 수지의 밀도를 낮추기 위해 유체를 예열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   수지의 밀도를 낮추기 위해 수지를 예열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
6. 제2항에 있어서,

   수몰드부 위로 유체의 높이를 증가시켜서 수몰드부의 내부 표면에 걸쳐 가해지는 유체 칼럼 압력을 증가시키는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   몰드 챔버를 진공으로 하면서 상기 몰드 챔버에 수지를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   몰드 어셈블리의 양쪽에 유체 압력을 균형되게 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   수지가 공급되는 지점의 압력을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재료 구성요소 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,

    추가적으로 유체 압력을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 복합재 료 구성요소 제조 방법.
11. 상대적으로 강성인 몰드부와 탄성적 가변형 몰드부를 포함하는 몰드 어셈블리와, 유체 밀도 및/또는 유체 압력에 의해 상기 탄성적 가변형 몰드부에 유체 압력을 가하는 유체 압력 수단과, 상기 몰드부들이 연결되어 몰드부들 사이에 획정되는 몰드 챔버에 수지를 공급하는 수지 공급 수단을 포함하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
12. 제11항에 있어서,

    상기 상대적으로 강성인 몰드부는 암몰드 캐비티를 구비하는 암몰드부이고 상기 탄성적 가변형 몰드부는 수몰드 면을 구비하는 수몰드부인 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
13. 제12항에 있어서,

    상기 수지 공급 수단에는 상기 몰드 챔버와 유체 연통되는 적어도 하나의 수지 공급 라인이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
14. 제13항에 있어서,

    상기 수지 공급 라인은 수몰드 면 또는 암몰드 캐비티의 개구와 연통하거나, 암몰드부와 수몰드부의 외부 주변부 사이에 형성되어 있는 개구로 들어가는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 몰드 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 진공 라인과, 상기 암몰드부와 상기 수몰드부 사이에 설치되어서 상기 몰드 챔버를 적어도 실질적으로 기밀 밀봉하는 밀봉 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
16. 제15항에 있어서,

    상기 진공 라인은 수몰드 면 또는 암몰드 캐비티의 개구와 연통하거나, 암몰드부와 수몰드부의 외부 주변부 사이에 형성되어 있는 개구로 들어가는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 수몰드부는 적어도 실질적으로 고무 또는 기타의 탄성적 가변형 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 수몰드부는 재료로 제조되고 및 또는 대안적으로는 복합재료 구성요소 가 완전히 경화된 후에 복합재료 구성요소로부터 용이하게 분리되는 수몰드 면의 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
19. 암몰드 캐비티를 갖추고 있는 상대적으로 강성인 암몰드부;

    암몰드 캐비티의 주변과, 내부에 수지가 공급될 수 있는 링 챔버와 상기 링 챔버에 수지를 공급하는 수지 공급 수단을 포함하는 링 부를 둘러싸고 있는 주변부;

    탄성적 가변형 재료로 구성되며, 외부 수몰드 면과 액체를 수용하는 내부 체적부를 갖추고 있는 수몰드부;

    상기 수몰드부와 암몰드부가 결합될 때에 상기 암몰드 캐비티와 수몰드 면 사이에 형성되는 몰드 챔버;

    상기 몰드 챔버 내에 진공을 형성하는 진공 형성 수단을 포함하는 몰드 어셈블리를 포함하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
20. 제19항에 있어서,

    상기 링 챔버는 상기 수몰드부를 둘러싸고 지지하는 상대적으로 강성인 주변의 링 플랜지에 의해 획정되며, 상기 링 플랜지는 상기 암몰드 캐비티를 둘러싸고 있는 주변부와 체결되는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
21. 제20항에 있어서,

    상기 링 플랜지와 상기 링 부 사이에 제공되어 링 챔버에 적어도 실질적으로 기밀 밀봉을 형성하는 밀봉 수단, 예를 들어 탄성 밀봉 리브(들)인 밀봉 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

    일련의 수지 라인들이 챔버를 따라 분포하고 있는 지점에서 링 챔버에 수지를 공급하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
23. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

    하나의 수지 공급 라인이 상기 링 챔버와 나란하게 연장되어 있고, 상기 공급 라인은 링 챔버를 따라 간격을 두고 배치되어 상기 링 챔버 내부로 수지를 배출할 수 있는 일련의 배출 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 진공 공급 라인은 진공 펌프와 적어도 하나의 진공 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
25. 제24항에 있어서,

    제1 상기 진공 라인이 몰드 챔버와 연통하고, 제2 상기 진공 라인이 링 챔버와 연통하며, 제1 및 제2 진공 라인들에 의해 형성된 진공을 제어하는 밸브가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
26. 제25항에 있어서,

    상기 링 챔버 내부에 주기적으로 펄스 형태의 고압 가스를 공급하는 가압 가스 공급장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
27. 제19항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 링 챔버 내에 설치되어 수지 레벨이, 추가로 수지가 공급될 필요가 있는 저점(low point)과 더 이상 수지가 공급될 필요가 없는 고점(high point)에 이르렀는지를 각각 결정하는 하부 수지 센서와 상부 수지 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
28. 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 몰드 어셈블리를 진동시키는 진동 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
29. 제19항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 암몰드부는 유동 장치(floating arrangement) 내의 제1 하우징 위에 지지되어 제1 압력 챔버를 형성하고, 상기 수몰드부는 제2 하우징 위에 지지되어 제2 압력 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
30. 제29항에 있어서,

    각 압력 챔버를 통해 고온에서 유체를 순환시키는 유체 순환 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
31. 제30항에 있어서,

    상기 유체 순환 수단은 고온 또는 상대적으로 저온에서 추가로 유체를 순환시키는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
32. 제11항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 탄성적 가변형 몰드부는 외부 표면을 구비하고 있으며, 그 외부 표면 내에는 일련의 채널들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
33. 제32항에 있어서,

    상기 채널들은 적어도 상기 외부 표면의 실질적인 부위를 가로지르는 메시 패턴으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.
34. 제32항 또는 제33항에 있어서,

    상기 탄성적 가변형 몰드부에 충분한 양의 수지가 공급된 때에는 상기 채널들이 평평하게 되는 것을 특징으로 하는 복합재료 구성요소를 제조하기 위한 제조 시스템.

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