KR20200024396A - 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법 - Google Patents

통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형은 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(nip edge);를 구비하는 금형이며, 예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형과 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형을 모두 구현할 수 있다.

Description

통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법{INTEGRATED MOLD AND METHOD OF MANUFACTURING CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC USING THE SAME}
본 발명은 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 적용할 수 있는 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유 강화 플라스틱은 일부 고성능 차량이나 럭셔리 차량 등에 소량 적용되었다. 예를 들어, 하중을 부담하지 않는 외판, 의장 부품 중심으로 적용되었다. 최근에는, 전기차나 하이브리드카에도 적용되고 있으며, 고급 대형차에도 적용을 시도하고 있다. 탄소섬유 강화 플라스틱의 우수한 물성을 활용하기 위해 외판재 뿐만 아니라 내판 구조체의 적용도 연구되고 있다. 외판재에 적용할 수 있는 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법 중에서 RTM(Resin Transfer Molding) 공법이 생산성, 공정비용, 성형성 등을 고려할 때 가장 유리한 것으로 평가되고 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0029073호, 발명의 명칭 : CFRP제 판재 및 그의 제조 방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조 비용을 절감할 수 있는 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형은 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(nip edge);를 구비하는 금형이며, 예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형과 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형을 모두 구현할 수 있다.
상기 통합형 금형은, 상기 니프 에지를 상기 금형에 탈착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 축소한 상태에서는 상기 금형 내에 섬유직물을 예열하고 프레스 성형함으로써 예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형; 이며, 상기 니프 에지를 상기 금형에 부착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 확대한 상태에서는 상기 금형 내에 배치된 상기 예비 성형체에 수지를 주입하고 경화시킴으로써 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형; 일 수 있다.
상기 통합형 금형 내에서 상기 본 성형체의 외곽 라인은 상기 예비 성형체의 외곽 라인의 내측에 배치되며, 상기 니프 에지의 라인은 상기 본 성형체의 외곽 라인과 상기 예비 성형체의 외곽 라인 사이에 배치될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형을 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법은 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(nip edge);를 구비하는 통합형 금형을 준비하는 제 1 단계; 상기 니프 에지를 상기 통합형 금형에서 탈착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 축소시키는 제 2 단계; 상기 통합형 금형 내에 섬유직물을 예열하고 프레스 성형함으로써 예비 성형체(preform)을 형성하는 제 3 단계; 상기 니프 에지를 상기 금형에 부착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 확대하는 제 4 단계; 및 상기 통합형 금형 내에 배치된 상기 예비 성형체에 수지를 주입하고 경화시킴으로써 본 성형체를 형성하는 제 5 단계; 를 포함한다.
상기 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서, 상기 제 3 단계 내지 상기 제 5 단계 동안 상기 예비 성형체는 상기 통합형 금형 외부로 인출되지 않은 상태에서, 상기 제 3 단계 내지 상기 제 5 단계가 연속적으로 수행될 수 있다.
상기 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서, 상기 통합형 금형 내에서 상기 본 성형체의 외곽 라인은 상기 예비 성형체의 외곽 라인의 내측에 배치되며, 상기 니프 에지의 라인은 상기 본 성형체의 외곽 라인과 상기 예비 성형체의 외곽 라인 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제조 비용을 절감할 수 있는 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 공법 중 전단계에 해당하는 예비성형 공정을 도해하는 도면이다.
도 2는 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 공법 중 후단계에 해당하는 본성형 공정을 도해하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 순차적으로 도해하는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형에서 니프 에지가 탈착된 양태를 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형에서 니프 에지가 부착된 양태를 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서 프리폼 성형 후 크기와 본 성형 후 크기를 비교한 평면도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 공법 중 전단계에 해당하는 예비성형 공정을 도해하는 도면이다. 도 2는 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 공법 중 후단계에 해당하는 본성형 공정을 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 예비성형 공정은 섬유 재단 및 적층 공정(a), 섬유 가열 공정(b), 예비 성형 공정인 프리폼 공정(c), 프리폼 트리밍 공정(d)을 순차적으로 수행하여 예비 성형체(preform)를 구현하는 공정이다.
도 2를 참조하면, 본성형 공정은 프리폼 로딩 공정(a), 수지 주입 및 경화 공정(b) 및 탈형 공정(c)을 순차적으로 수행하여 본 성형체를 구현하는 공정이다.
이러한 RTM 공법은 난성형을 용이하게 하기 위해 직물로 먼저 형상을 만드는 프리폼 공정(예비 성형)이 있는데 빠른 생산성을 위해 도 1과 같이 별도의 프리폼 설비를 두고 제작하고 있다. 하지만 양산 공정이 아니고 연구용으로 프리폼 공정을 하기 위해서 프리폼 설비를 도입하기는 높은 설비비가 부담이 되기 마련이다. 또한 양산의 경우도, 프리폼 설비에 대한 설비비가 원가에 반영되어 제품가가 높이 형성되기 마련이다.
프리폼 공정의 세부 항목은 다음과 같다.
1) 스택(stacking) : 롤(roll) 형태의 탄소섬유 직물을 풀어서 테이블(table)에 올려 놓는 단계
2) 커팅(cutting) : 여러장의 섬유 직물을 부품별 적합한 블랭크(blank) 모양으로 잘라 주는 단계
3) 예비가열(preheating) : 섬유의 비가교형 바인더(binder)를 예열시키는 단계
4) 이동(moving) : 가열된 탄소섬유 블랭크를 프리폼 프레스 안으로 운반하는 단계
5) 드래핑 및 프레싱(draping & pressing) : 탄소섬유 블랭크를 프리폼 금형 안에 올리면서 프레스 성형하는 단계
6) 네트 셰이핑(net shaping) : 성형이 된 프리폼의 가장자리 부분을 트리밍하는 단계
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서는 프리폼 공정을 별도의 설비 없이 RTM 제조 설비 만으로 프리폼 성형이 가능하게 구성한다. 이를 구현하기 위하여 고려하여야 할 중요한 기술적 항목은 예비가열 단계이다.
프리폼 공정에서는 직물 사이의 바인더를 녹여야 프리폼을 성형할 수 있는데, 녹았던 바인더가 성형 후 굳으면서 프리폼 형성이 유지될 수 있다. 일반적인 바인더는 상용온도가 90 ~ 110℃ 정도이고 이 사용온도 범위를 벗어나게 되면 바인더가 소재 아래의 층에 뭉쳐서 제품의 표면 불량이 야기된다. 이러한 바인더는 일반 오븐에서 가열 후 소재를 꺼내면 10초 이내에 80℃ 이하로 떨어지게 되고 그러면 바인더가 이미 굳어 사용 불가 상태가 된다. 이러한 현상을 감안하여 프리폼 공정에서는 단열판을 사용하여 금형에 적치하는 공정을 고려할 수 있으나, 단열판을 제거하는 작업이 필요하므로 시간이 소요되고 뜨거운 지그로 인해 위험성이 존재하는 문제가 발생할 수 있다. 만약, 단열판을 사용하지 않는다면 상온에서 10초 이내에 성형을 해야하는데 오븐에서 소재를 꺼내서 금형에 적치 후 프레싱 하기에는 10초는 너무 짧은 시간이라는 문제가 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법을 순차적으로 도해하는 도면들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서는 기본적으로 RTM 성형을 하기 위해서 프리폼 설비를 제외하고 프레스(1)와 금형(10a, 10b) 및 그 금형의 온도 조절하기 위한 온조기(5)와 칠러(4) 및 금형 교체를 위한 대차(2)가 있어야 한다. 상기 대차에 히팅(Heating) 설비(3)로서, IR 램프 설치판을 부착할 수 있다.
도 3을 참조하면, 탄소섬유 직물 스택인 소재(22)를 적절한 지그에 장착 후 금형(10a, 10b) 내에 적치한다. 계속하여, 도 4를 참조하면, 대차(2)에 설치된 히팅 설비(3)가 금형(10a, 10b) 사이로 들어가서 소재(22)를 가열한다. 온도는 바인더 사용 온도에 맞춘다. 소재(22)가 히팅된 이후에 대차(2)와 함께 히팅 설비(3)가 빠지면 프레스(1)로 가압하여 금형(10a, 10b)을 닫는다. 이때 압하력은, 예를 들어, 10 ~ 400톤일 수 있다. 금형(10a, 10b)을 닫은 후 소재(22)를 식히기 위해 칠러(4)를 돌려 금형(10a, 10b)을 식힌다. 소재(22)는 50℃ 이하로만 식으면 형상이 유지될 수 있다. 금형(10a, 10b)을 열고 성형된 소재를 꺼내면 예비성형체인 프리폼(20)이 완성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서는 프리폼(20)을 빼지 않고 바로 금형(10a, 10b)에 니프 에지(nip edge)를 설치하여 RTM 성형을 할 수 있다. 이로써 프리폼 공정에 대한 공정 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형은 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(nip edge);를 구비하는 금형이며, 예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형과 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형을 모두 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형에서 니프 에지가 탈착된 양태를 도해하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형에서 니프 에지(12)가 부착된 양태를 도해하는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 일반적으로 프리폼 금형과 RTM 금형은 형상은 같으나 주된 역할이 다르므로 약간의 차이가 있다. 프리폼 금형은 주름 없이 형상만 만들므로 특별한 니프 에지(nip edge; 12)와 같은 비드(bid) 등이 필요하지 않다. 이와 달리, RTM 금형은 프리폼에 수지를 함침시키는 것이 주 역할이므로 수지 흐름을 제어하기 위한 니프 에지(nip edge; 12)와 같은 비드(bid)가 필요하다. 즉, 니프 에지(12)는 수지의 흐름을 제어하기 위한 용도로 제공되는 구성요소이므로, 프리폼 금형에서는 불필요하다. 만약, 프리폼 금형에 니프 에지(nip edge)가 있다면 직물이 찢기는 현상이 유발될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서는 금형의 니프 에지(nip edge)를 탈부착식의 블록(block)으로 끼우던지, 유압을 이용하여 니프 에지(nip edge)의 길이를 조절하거나 니프 에지(nip edge)를 이젝팅(ejecting) 되도록 바꿈으로써 금형을 공용화할 수 있다.
한편, 금형(10a, 10b)의 외관 테두리 부분은 유입량 및 단차를 조절하기 위한 프레임(14)이 제공된다. 프레임(14)의 도입으로 성형체의 주름 발생을 억제할 수 있다.
한편, 상술한 구성 및 기능에 의하면, RTM에 의한 성형품과 프리폼 제품의 크기(size)는 달라질 수 밖에 없다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서 프리폼 성형 후 크기와 본 성형 후 크기를 비교한 평면도이다.
도 7을 참조하면, 프리폼 성형 후 크기(S1)는 본 성형 후 크기(S2) 보다 큼을 이해할 수 있다. 도 7에 도시된 L1은 네트 셰이핑 라인(net shaping line)이고, L2는 니프 에지 라인(nip edge line)이고, L3은 트리밍 라인(trimming line)이다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에 대하여 설명하였다. 이에 따르면, 프리폼 금형과 RTM 금형을 통합하여 사용할 수 있는 금형을 제공하는 것이 주요한 특징들 중의 하나임을 이해할 수 있다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법의 구성을 정리하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형(10a, 10b)은 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(12);를 구비하는 금형이며, 예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형과 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형을 모두 구현할 수 있다.
상기 통합형 금형(10a, 10b)은, 상기 니프 에지(12)를 상기 금형(10a, 10b)에 탈착하거나 유압으로 상기 니프 에지(12)의 길이를 축소한 상태에서는 상기 금형(10a, 10b) 내에 섬유직물(22)을 예열하고 프레스 성형함으로써 예비 성형체(20)를 형성할 수 있는 프리폼 금형; 이며, 상기 니프 에지(12)를 상기 금형(10a, 10b)에 부착하거나 유압으로 상기 니프 에지(12)의 길이를 확대한 상태에서는 상기 금형(10a, 10b) 내에 배치된 상기 예비 성형체(20)에 수지를 주입하고 경화시킴으로써 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형; 일 수 있다.
상기 통합형 금형(10a, 10b) 내에서 상기 본 성형체의 외곽 라인(L3)은 상기 예비 성형체의 외곽 라인(L1)의 내측에 배치되며, 상기 니프 에지의 라인(L2)은 상기 본 성형체의 외곽 라인(L3)과 상기 예비 성형체의 외곽 라인(L1) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형(10a, 10b)을 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법은 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형(10a, 10b) 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형(10a, 10b)에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(12);를 구비하는 통합형 금형을 준비하는 제 1 단계; 상기 니프 에지(12)를 상기 통합형 금형에서 탈착하거나 유압으로 상기 니프 에지(12)의 길이를 축소시키는 제 2 단계; 상기 통합형 금형 내에 섬유직물(22)을 예열하고 프레스 성형함으로써 예비 성형체(20)을 형성하는 제 3 단계; 상기 니프 에지(12)를 상기 금형(10a, 10b)에 부착하거나 유압으로 상기 니프 에지(12)의 길이를 확대하는 제 4 단계; 및 상기 통합형 금형 내에 배치된 상기 예비 성형체(20)에 수지를 주입하고 경화시킴으로써 본 성형체를 형성하는 제 5 단계; 를 포함한다.
상기 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에서, 상기 제 3 단계 내지 상기 제 5 단계 동안 상기 예비 성형체(20)는 상기 통합형 금형(10a, 10b) 외부로 인출되지 않은 상태에서, 상기 제 3 단계 내지 상기 제 5 단계가 연속적으로 수행될 수 있다.
물론, 프리폼 공정에서 구현된 예비 성형체(20)를 상기 통합형 금형(10a, 10b)에서 추출하고 보관한 후에, 다시 통합형 금형(10a, 10b)에 장입한 후에 RTM 공정을 수행하여 본 성형체를 구현할 수도 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 금형 및 이를 이용한 탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법에 따르면, 프리폼 설비비가 절감되고 금형비 절감 효과를 기대할 수 있으며 프리폼 공정 축소에 따른 제조비용 감소를 기대할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(nip edge);를 구비하는 금형이며,
    예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형과 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형을 모두 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    통합형 금형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금형은,
    상기 니프 에지를 상기 금형에 탈착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 축소한 상태에서는 상기 금형 내에 섬유직물을 예열하고 프레스 성형함으로써 예비 성형체(preform)을 형성할 수 있는 프리폼 금형; 이며,
    상기 니프 에지를 상기 금형에 부착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 확대한 상태에서는 상기 금형 내에 배치된 상기 예비 성형체에 수지를 주입하고 경화시킴으로써 본 성형체를 형성할 수 있는 RTM(Resin Transfer Mold) 금형; 인 것을 특징으로 하는,
    통합형 금형.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금형 내에서 상기 본 성형체의 외곽 라인은 상기 예비 성형체의 외곽 라인의 내측에 배치되며, 상기 니프 에지의 라인은 상기 본 성형체의 외곽 라인과 상기 예비 성형체의 외곽 라인 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    통합형 금형.
  4. 수지의 흐름을 제어하기 위하여 금형 내부에 돌출되는 형태를 가지되, 상기 금형에 탈부착이 가능하거나 유압으로 길이 조절이 가능한, 니프 에지(nip edge);를 구비하는 통합형 금형을 준비하는 제 1 단계;
    상기 니프 에지를 상기 통합형 금형에서 탈착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 축소시키는 제 2 단계;
    상기 통합형 금형 내에 섬유직물을 예열하고 프레스 성형함으로써 예비 성형체(preform)을 형성하는 제 3 단계;
    상기 니프 에지를 상기 금형에 부착하거나 유압으로 상기 니프 에지의 길이를 확대하는 제 4 단계; 및
    상기 통합형 금형 내에 배치된 상기 예비 성형체에 수지를 주입하고 경화시킴으로써 본 성형체를 형성하는 제 5 단계; 를 포함하는,
    탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 단계 내지 상기 제 5 단계 동안 상기 예비 성형체는 상기 통합형 금형 외부로 인출되지 않은 상태에서, 상기 제 3 단계 내지 상기 제 5 단계가 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는,
    탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 통합형 금형 내에서 상기 본 성형체의 외곽 라인은 상기 예비 성형체의 외곽 라인의 내측에 배치되며, 상기 니프 에지의 라인은 상기 본 성형체의 외곽 라인과 상기 예비 성형체의 외곽 라인 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    탄소섬유 강화 플라스틱의 제조방법.



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