KR20180104653A

KR20180104653A - 복잡한 형상의 복합재 구조의 제작

Info

Publication number: KR20180104653A
Application number: KR1020187023316A
Authority: KR
Inventors: 샘 뉴턴; 사무엘 제이. 힐
Original assignee: 사이텍 인더스트리스 인코포레이티드
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2017-01-22
Publication date: 2018-09-21
Also published as: JP2019511390A; CN108883585A; US11155046B2; JP7000330B2; CN108883585B; US20190016063A1; EP3405332A1; BR112018014747B1; AU2017209441B2; AU2017209441A1; WO2017127772A1; BR112018014747A2; CA3011973A1

Abstract

섬유성 프리폼 및 프리프레그 플라이를 복잡한 기하구조로 성형하기 위한 핫 드레이프 성형 방법. 섬유성 프리폼을 성형하기 위한 핫 드레이프 성형 방법은 a) 프리폼의 총 수를 복수의 서브프리폼(S1, S2, S3)으로 나누는 단계; 및 b) 진공 압력 및 열을 적용하여 각 서브프리폼(S1, S2, S3)을 연속적으로 성형하는 단계를 포함하고, 모든 서브프리폼(S1, S2, S3)의 성형은 동일한 기구 하우징(10) 내에서 동일한 주조 표면 상에서 수행된다. 최종 성형된 프리폼(S1, S2, S3)은 수지 주입의 준비가 된 상태이다. 또한, 이와 동일한 방법을 수지 함침된 프리프레그 플라이를 성형하는 데에도 사용할 수 있다.

Description

복잡한 형상의 복합재 구조의 제작

본 발명은 일반적으로 복합재 구조의 제작에 관한 것이다.

최근 항공우주 및 자동차 산업에서는 섬유 강화 복합재의 사용이 더욱 일반화되고 있다. 이 복합재는 가혹한 환경에서 높은 강도뿐만 아니라 내식성을 나타낸다. 또한, 이 복합재의 경량 성질은 금속으로 제작된 유사 부품에 비해 특히 유리하다.

섬유 강화 복합재는 통상적으로 에폭시와 같은 경화성 매트릭스 수지가 함침된 연속 섬유로 구성된 프리프레그(prepreg)로부터 제조된다. 이 프리프레그 중의 수지 함량은 비교적 높고, 일반적으로 20 내지 50중량%이다. 복수의 프리프레그 플라이(ply)는 레이업(layup)을 위한 크기로 절단될 수 있고, 그 다음 이어서 주형 기구에서 조립되어 성형될 수 있다. 프리프레그가 주형 기구의 형태로 쉽게 개조될 수 없는 경우, 주형 표면의 형태로 점차 변형시키기 위해 프리프레그에 가열을 적용할 수 있다.

더 최근에는 수지 전달 성형(Resin Transfer Molding: RTM), 및 진공 보조 수지 전달 성형(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding: VARTM)을 포함한 액체 수지 주입 방법에 의해 섬유 강화된 중합체 복합재가 제조된다. 수지 주입 방법을 통해 복합 부품을 제조하기 위해 먼저 주형 위에 강화 섬유의 층들을 레이업시켜 성형된 프리폼(preform)을 형성시키고, 그 다음 동일계 내에서 액체 수지를 상기 프리폼 내로 직접 주입한다. 섬유 층들은 보통 실질적으로 수지가 없는 직물 플라이의 형태이다. 수지 주입 후, 수지 주입된 프리폼은 경화 사이클에 따라 경화되어 강경화된 복합 구조를 생산한다. RTM과 같은 수지 주입은 작은 복잡한 부품의 제조뿐만 아니라 전체 날개와 같은 항공기의 큰 부품을 제조하는 데에도 사용된다.

수지 주입을 통한 복합 부품의 형성에서, 프리폼의 레이업은 제작 공정 중의 중요한 요소이다. 프리폼은 본질적으로 수지를 기다리는 구조 부품이다. 특정 항공기 부품의 경우, 편평한 2차원(2D) 프리폼 블랭크(blank)는 수지 주입 전에 3차원(3D) 기하구조로 성형된다. 프리폼 블랭크는 적층 순서대로 조립된 섬유성 층들의 레이업이다. 섬유성 층들은 일반적으로 연속적인 일방향 탄소 섬유의 플라이들이다. 이 플라이들은 최종 복합 부품에 바람직한 구조 성질에 따라 서로 다른 각도로 배향될 수 있다. 예컨대, 각 플라이의 일방향 섬유들은 레이업의 길이에 대하여 0°, 45°, 또는 90°와 같은 선택 각도 θ로 배향될 수 있다. 항공기의 C형 또는 U형 날개 보와 같은 복잡한 기하구조를 형성하기 위해 많은 수의 플라이들이 성형될 때에는 플라이들의 주름짐 및 섬유 버클링(buckling)이 문제가 되는 것으로 관찰되었다.

이에, 주름 형성 및 섬유 버클링없이 다수의 섬유 층들이 레이업될 수 있는 복잡한 기하구조의 섬유성 프리폼을 성형하는 방법(본원에서 "핫 드레이프 성형 방법(hot drape forming method)"으로 지칭됨)이 개시된다.

일반적으로, 핫 드레이프 성형 방법은

a) 섬유성 프리폼의 총 수를 복수의 서브프리폼(sub-preform)으로 나누는 단계; 및

b) 연속적으로(즉, 순서대로) 진공 압력과 열을 적용하여 각 서브프리폼을 성형하고, 이때 모든 서브프리폼의 성형은 동일한 기구 하우징에서 동일한 주형 표면 상에서 수행되는 단계를 포함한다.

도 1은 전 구성 레이업(full component layup)이 3개의 서브프리폼으로 어떻게 나뉠 수 있는지를 예시한 것이다.
도 2는 본 발명의 한 양태에 따라 3개의 서브프리폼을 성형하기 위한 설치를 개략적으로 예시한 것이다.
도 3은 기구 하우징(housing)에 격막을 부착하는 한 양태를 나타낸다.
도 4는 기구 하우징에 격막을 조이는 기전을 클로즈업한 도면이다.
도 5 내지 7은 도 2에 도시된 설치를 기반으로 한 핫 드레이프(hot drape) 성형 방법을 개략적으로 예시한 것이다.
도 8은 본 발명의 한 양태에 따른 핫 드레이프 성형 방법의 흐름도이다.

각 서브프리폼은 적층 순서대로 레이업된 복수의 섬유 층(또는 플라이)으로 이루어진다. 서브프리폼의 수는 2개 이상, 예컨대 2 내지 5개이다. 서브프리폼은 조합되면, 수지가 주입되는 최종 프리폼인 전 구성 레이업에 필요한 플라이의 총 수를 제공한다. 도 1은 전 구성 레이업이 어떻게 3개의 서브프리폼으로 나뉠 수 있는지를 예시한다. 전 구성 레이업은 제조되는 구성 부품의 바람직한 기계적 성능을 달성하는데 필요한 섬유성 플라이의 수를 의미한다. 전 구성 레이업을 작은 서브그룹으로 나누는 분할 또는 그룹화는 본원에서 서브프리폼으로 정의한다.

서브프리폼의 섬유성 플라이들은 섬유의 정렬을 유지하고 섬유성 층들을 안정화시키기 위해 소량의 결합제에 의해 제위치에서 유지된다(즉, "안정화된다"). 결합제는 일반적으로 프리폼 내로 액체 수지의 가압 주입을 필요로 하는 후속 수지 주입 과정 동안 섬유의 위치를 유지시킨다. 이러한 결합제는 각 섬유성 플라이에 및/또는 인접 플라이들 사이에 액체 형태 또는 분말 형태로 적용될 수 있다.

도 2는 한 양태에 따른 핫 드레이프 성형 방법을 수행하기 위한 설치를 예시한다. 도 2를 살펴보면, 주조 표면이 볼록한 형태인 주형(11)을 함유한 기구 하우징(10)이 제공된다. 1차 단계로써, 주형(11)의 주조 표면 상부에 거의 편평한 서브프리폼(S1)을 위치시킨다. 그 다음, 최하부 가요성 격막(12)을 기구 하우징(10) 위에 위치시키고 기구 하우징(10)의 둘레에 체결하여 기밀성 밀봉을 제조한다. 이처럼, 밀봉된 챔버(C1)는 최하부 격막(12)과 기구 하우징(10)에 의해 한정된다. 제2 서브프리폼(S2)은 격막(12) 위에 위치시키고, 제2 가요성 격막(13)은 최하부 격막(12) 위에 배치하여 제2 서브프리폼(S2)을 밀봉하고, 격막 (12)와 (13) 사이에 기밀성 밀봉 봉인부(enclosure)(또는 "포켓")를 한정한다. 그 다음, 제3 서브프리폼(S3)을 격막(13) 위에 위치시키고, 격막(13) 위에 제3 가요성 격막(14)을 배치하여 제3 서브프리폼(S3)을 봉인하고 격막(13)과 (14) 사이에 기밀성 밀봉 포켓(C3)을 한정한다. 격막 (12), (13) 및 (14)는 통상적인 조임 및 밀봉 기전을 사용하여 기구 하우징(10)에 부착시킬 수 있다. 한 예로써, 각 격막(12, 13 및 14)은 프레임에 둘레가 부착되어 지지된 둘레를 통해 바람직한 격막 형태를 유지할 수 있다. 그리고 격막 프레임은 기계적 조임 기전을 통해 기구 하우징(10)에 부착되어 기밀성 밀봉 챔버(C1)를 생성하고 인접 격막들 사이에 밀봉된 포켓(C2, C3)을 한정한다. 격막 프레임의 모양은 격막을 둘레에 체결하여 밀봉이 발생하도록 특수 설계된다. 한 예로써, 도 3은 격막 (12, 13, 14)을 기구 하우징의 둘레에 체결 고정시키기 위해 제공될 수 있는 대응 프레임(31, 32, 33)을 보여준다. 도 3을 살펴보면, 기구 하우징의 측벽(34)은 최하부 격막(12)을 기구 하우징에 체결시키기 위해 최하부 대응프레임(33)과 교합하도록 구성된다. 대응 프레임(31, 32, 33)은 함께 그리고 기구 하우징의 측벽(34)에 클램프(35)에 의해 기계적으로 조여진다. 도 4에 도시된 바와 같은 대응 프레임의 표면 및 측벽(34)의 상부면에 고무 씰(seal)(41) 등의 첨가는 조임력 하에 있을 때 기밀성 밀봉이 생기게 할 것이다. 각 밀봉 챔버(C1) 및 포켓(C2, C3)은 별도의 진공원(도시되지 않음)에 연결된다. 도 4를 살펴보면, 챔버(C2 및 C3)의 진공원은 중공성인 대응 프레임의 내벽에 있는 천공(42)을 통해 전달될 수 있고, 그 다음 진공 라인을 통해 각 중공 프레임의 외측면에 있는 개구(opening)에 진공원이 연결되어, 밀봉 포켓(C2 및 C3)의 압력 조절로 하여금 공기가 탈기되도록 한다. 3개의 서브프리폼과 3개의 격막이 도시되어 있지만, 격막의 수를 변화시켜 단 2개의 서브프리폼 또는 3개보다 많은 서브프리폼을 수용하도록 설치를 변형시킬 수 있음을 유의한다.

먼저, 격막(12, 13, 14) 사이의 공기를 일부 제거하여 서브프리폼(S2 및 S3)을 제자리에 단단하게 고정시킨다. 그 다음, 가열을 수행하여 서브프리폼 내의 결합제를 연화시키고 서브프리폼의 자체 강성을 상실하게 한다. 열은 기구 하우징(10) 위 및/또는 기구 하우징 측벽(들)에 인접하게 위치한 적외선 램프 뱅크에 의해 제공될 수 있다. 또한, 열은 기구 하우징을 오븐 내에 위치시키거나 또는 격막 조립체의 상부에 바로 위치하는 가열 매트의 첨가에 의해 제공될 수 있다.

도 5를 살펴보면, 필요한 온도에 도달하자마자, 공기는 기구 하우징(10)의 밀봉 챔버(C1)로부터 소정의 속도, 약 1 mbar/min 이상, 더 구체적으로 약 1mbar/min 내지 약 50mbar/min 범위 내의 속도로 탈기시킨다. 밀봉 챔버(C1)가 탈기되면, 최하부 격막(12)은 주형(11)쪽으로 당겨져 서브프리폼(S1)이 주조 표면의 형태에 부합하게 한다. 밀봉 챔버(C1)의 탈기와 동시에, 밀봉 포켓(C2)(격막 12와 13 사이) 유래의 공기는 대기압으로 배기시켜 격막(13, 14)이 격막(12)과 동시에 당겨지지 않도록 하여, 서브프리폼(S2 및 S3)의 조기 성형을 방지한다.

도 6을 살펴보면, 밀봉된 챔버 C1의 진공 수준이 적어도 10mbar 절대압 수준에 도달한 즉시, 예컨대 약 250 내지 약 1000 mbar 범위 내의 진공 압력에 도달할 때까지, 격막 (12)와 (13) 사이의 공기(즉, 밀봉 포켓 C2)는 소정의 속도로 탈기시켜, 서브프리폼(S2)이 앞서 성형된 서브프리폼(S1)의 외측 기하구조에 부합하게 하고, 동시에 격막(13)과 (14) 사이의 밀봉 포켓이 대기압으로 배기되어 격막 (13)과 동시에 격막 (14)가 당겨지지 않게 하여, 서브프리폼(S3)의 성형을 방지한다. 격막 (12) 및 (13) 사이의 밀봉 포켓(C2)으로부터 공기는 1mbar/min 이상의 속도, 더욱 구체적으로 약 1mbar/min 내지 약 50mbar/min 범위로 탈기될 수 있다.

도 7을 살펴보면, 격막 (12) 및 (13) 사이의 밀봉 포켓(C2)의 압력이 10mbar 절대압보다 높은 압력에 도달하면, 예컨대 약 250 내지 약 1000 mbar 범위의 진공압에 도달할 때까지 격막(13)과 (14) 사이의 공기(즉, 밀봉 포켓 C3)는 소정의 속도로 탈기되어 서브프리폼(S3)이 앞서 성형된 서브프리폼(S2)의 외측 기하구조에 부합되게 한다. 격막 (13) 및 (14) 사이의 밀봉 포켓(C3)으로부터 공기는 1mbar/min 이상의 속도, 더 구체적으로 약 1mbar/min 내지 약 50mabr/min의 범위로 탈기될 수 있다.

가열은 모든 서브프리폼의 성형 동안 유지된다. 이러한 방식으로 서브프리폼은 단일 가열 사이클 내에서 수행될 수 있다.

서브프리폼의 성형 공정이 완료되는 즉시, 기구 챔버와 최하부 격막 사이 및 연속 격막들 사이의 압력은 이 공정의 냉각 단계 이전 및 냉각 단계 동안 서브프리폼들을 최적으로 압축시키기 위해 조정될 수 있다. 이러한 조정은 원하는 프리폼 압축을 달성하기에 바람직한 압력에 도달할 때까지 기구 하우징의 밀봉 챔버로부터, 그리고 격막간 영역으로부터 공기를 계속 탈기시켜 수행한다. 서브프리폼들의 압축은 최종 프리폼의 벌키성(bulkiness)을 조절하여 재료의 투과도 특성에 영향을 미칠 수 있도록 조정할 수 있다. 벌키성은 수지 주입을 위한 특정 주형에 프리폼이 꼭 맞도록 조정될 필요가 있을 수 있는 반면, 투과성은 수지 주입을 위한 섬유성 재료의 특성을 최적화하도록 조정될 필요가 있을 수 있다.

성형 공정이 완료된 후, 서브프리폼들은 냉각된다. 이 시점에, 서브프리폼 내의 결합제는 재고화되고 서브프리폼은 자신의 갓 형성된 기하구조를 유지한다. 서브프리폼의 냉각 시, 격막(12, 13, 14) 사이 및 격막(12)과 기구 하우징(10) 사이의 진공은 대기로 배기시켜 순차적으로 경감시키고, 그 다음 성형된 서브프리폼을 분리한다. 먼저 최상부 격막을 들어올려, 성형된 서브프리폼(S3)을 분리할 수 있고, 그 다음 격막(13), 서브프리폼(S2), 격막(12) 및 그 다음 서브프리폼(S1)을 분리할 수 있다. 그 후, 기구 하우징(10)에 다시 공기를 주입하고, 성형 공정을 반복할 준비를 한다. 분리된 서브프리폼들은 그 다음 후속 수지 주입을 위한 최종 프리폼으로 조립된다.

핫 드레이프 성형 방법을 위한 가요성 격막은 비탄성 폴리아미드(예, 나일론 재료) 시트 또는 탄성적으로 변형가능한 고무 또는 실리콘 시트일 수 있고, 두께는 약 100㎛ 미만이다. 본원에 개시된 가요성 시트는 ASTM D882에 따라 측정 시, 파손 연신율이 100% 이상, 예컨대 100% 내지 750%인 재료의 시트를 의미한다.

도 8은 도 5 내지 7을 참고로 하여 설명하는 핫 드레이프 성형 방법의 흐름도이다. 예시 목적으로 3개의 서브프레임이 개시되지만, 이 방법은 서브프리폼의 임의의 수, 예컨대 2개의 서브프리폼 또는 3개보다 많은 서브프리폼에 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 도 8의 단계 (100)에서, 기구 하우징 내에 위치한 주형의 주조 표면 상부에 제1 주조성 서브프리폼을 위치시킨다. 단계 (101)에서, 제1 가요성 격막을 기구 하우징 위에 위치시키고 기구 하우징의 둘레에 체결시켜 기밀성 밀봉을 만든다. 이처럼, 밀봉 챔버는 제1 격막과 기구 하우징에 의해 한정된다. 단계 (102)에서, 제1 격막 위에 제2 주조성 서브프리폼을 위치시키고, 제2 서브프리폼 위에 제2 가요성 격막을 배치하여 제2 서브프리폼을 봉인하고 제1 격막과 제2 격막 사이에 기밀 밀봉된 봉인(또는 "포켓")을 한정한다. 단계 (103)에서 제1 격막과 제2 격막 사이에 공기를 일부 제거하여 제2 서브프리폼을 제위치에 단단하게 고정시킨다. 단계 (104)에서, 제2 격막 위에 제3 주조성 서브프리폼을 위치시키고 제3 서브프리폼 위에 제3 가요성 격막을 배치하여 제3 서브프리폼을 봉인하고 제2 격막과 제3 격막 사이에 기밀 밀봉된 봉인(또는 "포켓")을 한정시킨다. 단계 (105)에서 제2 격막과 제3 격막 사이에 공기를 일부 제거하여 제3 서브프리폼을 제위치에 단단하게 고정시킨다. 단계 (106)에서, 서브프리폼에 열을 적용하여 내부의 결합제를 연화시킨다.

단계 (107)에서는 기구 하우징의 밀봉된 챔버로부터 공기를 소정의 속도로 탈기시켜 제1 격막을 주조 표면쪽으로 당겨 제1 서브프리폼이 주조 표면의 형태에 부합되도록 한다. 기구 하우징의 밀봉된 챔버의 탈기와 동시에, 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉된 포켓으로부터 공기를 대기압으로 배기시켜 제2 격막과 제3 격막이 동시에 당겨지지 않도록 하여, 제2 서브프리폼과 제3 서브프리폼의 조기 성형을 방지한다.

단계 (108)에서는 기구 하우징의 밀봉된 챔버의 진공 수준이 일단 적어도 10mbar(TBC) 절대압 수준에 도달한 즉시, 예컨대 약 250 내지 약 1000mbar 범위 내의 진공 압력에 도달할 때까지, 제1 격막과 제2 격막 사이의 공기를 소정의 속도로 탈기시키고 제2 격막이 앞서 성형된 제1 서브프리폼쪽으로 당겨져, 제2 서브프리폼이 제1 서브프리폼의 외측 기하구조에 부합되게 하고, 동시에 제2 격막과 제3 격막 사이의 밀봉된 포켓은 대기압으로 배기시켜 제3 격막이 동시에 당겨지지 않게 하여, 제3 서브프리폼의 조기 성형을 방지한다. 단계 (109)에서는 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉된 포켓의 진공 수준이 10mbar 절대압 초과 수준에 도달한 즉시, 제2 격막과 제3 격막 사이의 공기를 소정의 속도로 탈기시키고 제3 격막을 앞서 성형된 제2 서브프리폼 쪽으로 당겨 제3 서브프리폼이 성형된 제2 서브프리폼의 외측 기하구조에 부합되도록 한다. 전술한 바와 같이, 공기는 각 서브프리폼의 성형동안 1mbar/min 이상의 속도로 탈기될 수 있고, 더 구체적으로 약 1mbar/min 내지 약 50mbar/min 범위의 속도로 탈기될 수 있다.

단계 (110)에서, 공기는 필요한 압력에 도달하고 원하는 프리폼 압축이 달성될 때까지 기구 하우징과 격막간 영역으로부터 계속 탈기시킨다. 단계 (111)에서, 서브프리폼들은 각자 강성을 유지할 때까지 냉각시킨다.

본 발명의 핫드레이프 성형 방법은 다단계 공정 경로의 비용 및 관련 시간 불이익없이 서브프리폼의 조립을 가능하게 한다. 또한, 개시된 핫 드레이프 성형 방법은 이 성형 기술이 더 광범위한 성형 기하구조, 적층체 적층 순서 및 플라이 수에 적용될 수 있게 하여, 프리폼 성형 기술의 유의적인 발전을 제공한다.

프리폼 재료

본 발명에서 서브프리폼 및 프리폼은 복합재의 강화 성분을 구성하는 무수 섬유의 층 또는 무수 섬유의 조립체이고, RTM과 같은 수지 주입 이용분야에 적합한 형태이다.

성형될 서브프리폼 블랭크는 일방향 섬유, 부직 매트, 제직물, 편직물 및 비권축 직물을 포함할 수 있는 섬유성 재료의 복수 층 또는 플라이로 이루어진다. 서브프리폼 블랭크는 거의 편평할 수 있다. "매트"는 불규칙하게 배열된 섬유, 예컨대 잘게 썬 섬유 필라멘트(잘게 썬 가닥 매트를 생성하기 위해) 또는 나선형 필라멘트(연속 가닥 매트를 생성하기 위해)와 각 형태 유지를 위해 적용된 결합제로 제조된 부직물이다. 적당한 직물은 방향성 또는 비방향성으로 정렬된 섬유가 메시(mesh), 토우(tow), 테이프, 스크림(scrim), 브레이드(braid) 등의 형태인 것을 포함한다. 섬유성 층 또는 직물 중의 섬유는 유기 또는 무기 섬유, 또는 이의 혼합 섬유일 수 있다. 유기 섬유는 아라미드(예, Kevlar), 고탄성 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO), 및 이의 혼성 조합과 같은 강인한 또는 강성 중합체 중에서 선택된다. 무기 섬유는 탄소(예, 흑연), 유리(예, E-유리 또는 S-유리 섬유), 석영, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 및 기타 세라믹으로 제조된 섬유를 포함한다. 고강도 복합 구조, 예컨대 항공기의 주요 부품을 제조하기 위해 섬유는 인장강도가 3500 MPa 이상(또는 500 ksi 이상)인 것이 바람직하다.

서브프리폼 블랭크를 제조하기 위해, 결합제 조성물은 각 섬유성 층(예, 일방향 섬유 층)에 적용될 수 있고, 그 다음 복수의 결합제 처리된 섬유성 층이 적층에 의해 조립된다. 결합제는 섬유성 층들의 레이업 전에 또는 레이업 동안 섬유성 층들에 적용될 수 있다. 섬유성 층들의 조립은 수동식 적층 공정 또는 자동 배치 공정, 예컨대 자동 테이프 배치(ATL) 및 자동 섬유 배치(AFP) 또는 다양한 상품 또는 예비제조된 형태로 섬유 또는 플라이를 쌓는 다른 자동화 방법으로 수행할 수 있다. 그 다음, 섬유성 층들의 더미를 열과 압력을 적용하여 서로 적층시킨다.

몇몇 양태들에서, 서브프리폼들은 필요한 적층 순서 및 최종 프리폼의 레이업 내에서 0°(0도) 방향으로 배향된 플라이의 수에 따라 나뉜다. 서브프리폼을 서로 분리하고 각 서브프리폼마다 별도로 밀봉 봉인부를 한정하도록 2 이상의 가요성 격막을 배치한다. 그 다음, 인접한 격막 사이의 압력 조절은 각각의 서브프리폼이 동일한 가열 사이클에서 별도로 연속적으로 성형되게 하여, 불필요한 주름 형성을 방지하고 종래의 다단계 성형 프리폼 제조 방법에 비해 공정 효율을 증가시킨다.

몇몇 양태들에서, 각 서브프리폼은 각 플라이가 인접 플라이에 대해 다른 각도로 배향된, 복수의 연속 일방향 섬유 플라이를 함유한다. 각 서브프리폼 내 플라이의 수는 2 내지 30개일 수 있다. 몇몇 양태들에서, 각 서브프리폼은 제한된 수의 0도(0°) 플라이, 예컨대 1 내지 10개의 플라이를 함유한다. 0°플라이는 일방향 섬유들이 레이업의 길이 또는 종축에 평행하게 배향된 플라이를 의미한다.

결합제

서브프리폼내 섬유성 층들을 결합시키기 위한 결합제는 분말, 액체, 페이스트, 필름, 섬유 및 부직 베일(veil)을 비롯한 다양한 형태일 수 있다. 결합제 물질은 열가소성 중합체, 열경화 수지 및 이의 조합 중에서 선택될 수 있다. 특정 양태에서, 결합제는 열가소성 물질 또는 열경화 물질, 또는 열가소성 물질과 열경화 물질의 블렌드로 제조된 중합체 섬유 형태일 수 있다.

한 양태에서, 서브프리폼 내 결합제는 상온(20℃ 내지 25℃)에서 고체 중합체 물질이다. 가열 시, 결합제는 용융 상태로 전이하여 서브프리폼들을 연화시켜 성형되도록 한다. 성형 온도는 결합제의 성질에 의해 좌우되고 인접한 섬유성 플라이들이 성형 공정 동안 서로 미끄러져 지나칠 때, 바람직하지 않은 섬유 비틀림 또는 주름이 생성되지 않도록 인접한 섬유성 플라이 간에 마찰을 최소화하도록 최적화될 수 있다. 특히 적당한 결합제는 미국 특허 8,927,662에 기술된 열가소성-에폭시 결합제이다. 이 결합제는 에폭시 수지와 열가소성 중합체의 블렌드를 함유하고, 분말 형태로 섬유성 층에 적용될 수 있다.

다른 적합한 결합제는 무수 섬유성 층 위에 적용(예, 분무에 의해)될 수 있고, 그 다음 용매 제거를 위해 건조할 수 있는, 미국 특허공개번호 2014/0179187에 기술된 액체 결합제 조성물이다.

필름 형태로 적용된다면, 결합제 수지 조성물은 필름 형성을 위해 이형지 위에 침착(예, 캐스팅에 의해)될 수 있고, 그 뒤 섬유성 층으로 이송된다. 이러한 결합제 필름은 서브프리폼의 섬유성 층들 사이에 삽입된다.

다른 양태들에서, 결합제는 열가소성 섬유(즉, 열가소성 물질로 제조된 섬유)와 열경화 섬유(즉, 열경화 물질로 제조된 섬유)의 혼합물이다. 이러한 중합체 섬유는 인접한 섬유성 층들 사이에 삽입될 불규칙하게 배열된 중합체 섬유들로 구성된 부직 베일로써 서브프리폼 내에 혼입될 수 있다. 이러한 부직 베일은 섬유성 층들을 서로 결합시키기 위해 가열에 의해 연화될 수 있다. 한 예로써, 미국 특허 8,703,630에 개시된 수지 용해성 열가소성 베일이 적합할 것이다.

결합제(들)의 총량은 결합제-처리된 서브프리폼이 수지 주입 공정에 사용된 액체 수지에 대해 다공성 및 투과성을 유지할 정도로 충분히 소량이다. 한 예로써, 서브프리폼에 존재하는 결합제 물질의 총량은 약 20중량% 이하, 예컨대 약 0.1 내지 약 15 중량%, 몇몇 양태들에서는 서브프리폼의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 10 중량%일 수 있다.

프리프레그 레이업

본원에 개시된 핫 드레이프 성형 방법은 또한 경화성 수지로 사전함침된 프리프레그 플라이의 조립에 적용될 수 있다. 각 프리프레그 플라이는 경화성 수지로 함침되거나 매립된 강화 섬유 층으로 이루어진다. 강화 섬유 층은 연속 일방향 섬유 또는 제직물 형태일 수 있다. 프리프레그의 총 복합재 레이업은 서브그룹으로 나뉘고, 각 서브그룹은 서브프리폼의 경우와 같이 2 이상의 프리프레그 플라이로 이루어질 수 있다. 프리프레그 플라이는 서브프리폼 및 프리폼에 대해 전술한 바와 같이 다른 배향들로 배향된 일방향 섬유를 함유할 수 있다. 그 다음, 서브그룹은 전술한 바와 같이 연속적으로 성형된다. 이 경우, 가열은 프리프레그 플라이내 경화성 수지가 연화하고 프리프레그 플라이의 성형을 가능하게 하기에 충분하지만, 매트릭스 수지의 완전 경화를 유발하기에는 충분히 높지 않은 온도로 적용된다.

S1, S2, S3: 서브프리폼 10: 기구 하우징
11: 주형 12, 13, 14: 격막
C1: 밀봉 챔버 C2, C3: 밀봉 포켓
31, 32, 33: 대향 프레임 34: 측벽
35: 클램프 42: 천공

Claims

(a) 표면이 비평면인 주형이 내부에 위치한 기구 하우징(tool housing)을 제공하는 단계;
(b) 제1 주조성 서브프리폼을 주조 표면에 위치시키는 단계;
(c) 제1 가요성 격막을 기구 하우징에 부착시켜, 이 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버를 한정하고 이 밀봉 챔버 내에 제1 서브프리폼과 주형을 봉인하기 위한 단계;
(d) 제1 격막과 이 제1 격막 위에 위치한 제2 가요성 격막 사이에 제2 주조성 서브프리폼을 봉인시켜, 제1 격막과 제2 격막이 기밀성 밀봉 포켓을 한정하도록 하는 단계;
(e) 서브프리폼에 열을 적용하는 단계;
(f) 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버로부터 진공 압력에 도달할 때까지 공기를 탈기시켜 제1 격막이 주조 표면쪽으로 당겨지도록 하여, 이 제1 서브프리폼이 주조 표면에 부합되게 하여, 제1의 성형된 서브프리폼을 형성시키고, 밀봉 챔버로부터 공기를 탈기시킴과 동시에 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓을 대기압으로 배기시켜 제2 격막이 동시에 주조 표면쪽으로 당겨지지 않게 하는 단계;
(g) 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 공기를 진공 압력에 도달할 때까지 탈기시켜, 제2 격막이 주형쪽으로 당겨지게 하여, 제2 서브프리폼이 제1 서브프리폼의 외측면에 부합되게 하여, 제2의 성형된 서브프리폼을 형성시키는 단계;
(h) 성형된 서브프리폼을 냉각시키는 단계; 및
(i) 성형된 서브프리폼을 액체 수지가 주입될 수 있는 최종 프리폼으로 조립하는 단계를 함유하고,
이때 각 서브프리폼은 서로 결합된 복수의 섬유성 층들을 함유하고, 각 서브프리폼은 액체 수지 투과성인, 3차원 구성을 가진 섬유성 프리폼을 제조하기 위한 성형 방법.
제1항에 있어서, 추가로
단계 (d)와 (e) 사이에, 제2 격막과 이 제2 격막 위에 위치한 제3 가요성 격막 사이에 제3 주조성 서브프리폼을 봉인하고, 이 제2 격막과 제3 격막이 기밀성 밀봉 포켓을 한정하는 단계;
단계 (g)와 동시에, 제2 및 제3 격막 사이의 밀봉 포켓을 대기압으로 배기시켜 제3 격막이 제2 격막과 동시에 주조 표면쪽으로 당겨지지 않도록 하는 단계; 및
단계 (g)와 (h) 사이에, 제2 격막과 제3 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 공기를 진공 압력에 도달할 때까지 탈기시켜 제3 격막이 주형쪽으로 당겨지도록 하여, 제3 서브프리폼이 제2 성형된 서브프리폼의 외측면에 부합되게 하여, 제3의 성형된 서브프리폼을 형성시키는 단계를 함유하는, 성형 방법.
제1항에 있어서, 단계 (f)에서 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버로부터 약 1 내지 약 50 mbar/min의 속도로 공기가 탈기되고,
단계 (g)에서 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 약 1 내지 약 50 mbar/min의 속도로 공기가 탈기되는, 성형 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서, 단계 (f)에서 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버로부터 약 250 내지 약 1000 mbar 범위의 진공 압력에 도달할 때까지 공기가 탈기되고,
단계 (g)에서 제1 및 제2 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 약 250 내지 약 1000 mbar 범위 내의 진공 압력에 도달할 때까지 공기가 탈기되는, 성형 방법.
제2항에 있어서, 제2 격막과 제3 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 공기가 약 1 내지 약 50 mbar/min의 속도로 탈기되는, 성형 방법.
제2항에 있어서, 제2 격막과 제3 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 공기가 약 250 내지 1000 mbar 범위의 진공 압력에 도달할 때까지 탈기되는, 성형 방법.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 단계 (g) 후와 단계 (h) 전에, 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버 및 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 공기를 탈기시켜 서브프리폼들을 더욱 압착시키는 단계를 포함하는, 성형 방법.
제1항, 제3항, 제4항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 단계 (d)와 (e) 사이에 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 공기를 부분 탈기시켜 제2 서브프리폼을 그 자리에 유지시키는 단계를 함유하는, 성형 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각 서브프리폼이 섬유성 층들을 함께 결합시키기 위한 결합제를 함유하고, 이 서브프리폼 중의 결합제를 연화시키기 위해 단계 (e)에서 열이 적용되는, 성형 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각 섬유성 층이 탄소, 아라미드, 유리, 폴리에틸렌(PE), 폴리에스테르, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO), 석영, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 및 이의 조합 중에서 선택되는 물질로 제조된 섬유를 함유하는, 성형 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가요성 격막이 폴리아미드 시트이거나, 또는 고무 또는 실리콘의 탄성 변형성 시트인, 성형 방법.
제11항에 있어서, 각 가요성 격막이 두께가 약 100㎛ 미만인, 성형 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각 서브프리폼이 복수의 일방향 섬유 층을 함유하는, 성형 방법.
제13항에 있어서, 각 일방향 섬유 층이 인접 층의 섬유에 대비하여 일정 각도로 배향된 섬유를 함유하는, 성형 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 각 서브프리폼에 섬유성 층의 수는 2 내지 30개인, 성형 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 각 서브프리폼이 복수의 일방향 섬유 층을 함유하고, 각 서브프리폼에 있는 적어도 하나의 층은 서브프리폼의 종축 대비 0° 방향으로(또는 평행하게) 배향된 섬유를 함유하는, 성형 방법.
제9항에 있어서, 서브프리폼내 결합제는 에폭시 수지와 열가소성 중합체의 블렌드를 함유하는, 성형 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 생산한 최종 프리폼에 경화성 액체 수지를 주입하는 단계; 및
수지 주입된 프리폼을 경화시키는 단계를 함유하여, 섬유 강화된 복합 부품을 제작하는 방법.
제18항에 있어서, 경화성 액체 수지가 하나 이상의 열경화 수지 및 경화제를 함유하는, 방법.
(a) 표면이 비평면인 주형이 내부에 위치해 있는 기구 하우징을 제공하는 단계;
(b) 주조 표면 위에 제1 주조성 프리프레그 레이업을 위치시키는 단계;
(c) 상기 기구 하우징에 제1 가요성 격막을 부착시켜 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버를 한정하고 이 밀봉 챔버에 제1 프리프레그 레이업과 주형을 봉인시키는 단계;
(d) 제1 격막과 이 제1 격막 위에 위치한 제2 가요성 격막 사이에 제2 주조성 프리프레그 레이업을 봉인하고, 상기 제1 격막과 제2 격막이 기밀성 밀봉 포켓을 한정하는 단계;
(e) 프리프레그 레이업에 열을 적용하는 단계;
(f) 제1 격막과 기구 하우징에 의해 국한된 밀봉 챔버로부터, 제1 격막이 주조 표면쪽으로 당겨지도록 진공 압력에 도달할 때까지 공기를 탈기시켜, 제1 프리프레그 레이업이 주조 표면에 부합되도록 하여, 제1의 성형된 프리프레그 레이업을 형성시키고, 밀봉 챔버로부터 공기를 탈기시킴과 동시에 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓을 대기압으로 배기시켜 제2 격막이 동시에 주조 표면쪽으로 당겨지지 않게 하는 단계;
(g) 제1 격막과 제2 격막 사이의 밀봉 포켓으로부터 진공 압력에 도달할 때까지 공기를 탈기시켜 제2 격막이 주형쪽으로 당겨지도록 하여, 제2 프리프레그 레이업이 제1의 성형된 프리프레그 레이업의 외측면에 부합되도록 하여, 제2의 성형된 프리프레그 레이업을 형성시키는 단계;
(h) 성형된 프리프레그 레이업을 냉각하는 단계; 및
(i) 성형된 프리프레그 레이업들을 최종 프리프레그 레이업으로 조립하는 단계를 함유하고,
각 프리프레그 레이업이 복수의 프리프레그 플라이를 함유하고, 각 프리프레그 플라이는 경화성 수지로 함침된 강화 섬유를 함유하는, 프리프레그 플라이를 성형하는 방법.