KR101219397B1 - 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프리프레그 성형물의 내측면에 연성의 코팅층을 형성하고 이 코팅층에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물을 압축 성형하여 중공형의 복합재 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 프리프레그를 사용하여 프리프레그 성형물을 형성하는 단계; 상기 프리프레그 성형물의 개방부위에 실리콘 블록을 억지 끼움하여 프리프레그 성형물을 밀폐하는 단계; 상기 프리프레그 성형물의 내부에 코팅재를 도포하여 코팅층을 형성하는 단계; 금형 내부에 삽입된 프리프레그 성형물의 코팅층에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그들에 열을 가하면서 프리프레그 성형물을 압축 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법을 제공함으로써 복잡한 구조의 중공구조물 제작이 가능함은 물론 프리프레그의 내측면에 형성된 연성의 코팅층을 통해 중공구조물의 코너 부위에도 일정 압력이 고루 가해짐으로 인해 균일한 품질 확보가 가능하여 제품의 정밀도 향상 및 이에 따른 제품의 신뢰도와 경쟁력을 증대한다.

Description

튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법{Method for manufacturing composite hollow structure}

본 발명은 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프리프레그 성형물의 내측면에 연성의 코팅층을 형성하고 이 코팅층에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물을 압축 성형하여 중공형의 복합재 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

보통 프리프레그(Prepreg)란 영어 Pre-impregnated Fibers의 줄임말로서, 일반적으로 레진(Resin) 즉 결합제를 강화섬유(Reinforced Fiber)에 미리 함침시킨(Impregnated) 시트 형태의 제품으로 복합재료 제품의 성형을 위한 중간 재료를 말한다. 상기 강화섬유로는 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등이 이용되고 있으며, 결합제로는 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 열가소성수지 등이 사용되고 있으며, 천과 같은 직물형태로 공급된 프리프레그는 금형 등에 의해 소정 형상으로 성형되고 경화 공정을 거쳐 FRP(Fiber Reinforced Plastics)라고 불리는 강화수지제품이 된다.

상기 프리프레그는 섬유의 종류, 섬유의 배열형태, 사용된 결합제의 종류에 따라 다양한 제품군을 형성하며, 이러한 프리프레그를 이용하여 생산된 복합재는 타 재료에 비해 강도, 강성도, 내식성, 피로수명, 내충격성 등의 다양한 특성을 개선할 수 있다.

이러한 프리프레그는 자동차 산업 분야의 경우 경량화를 위해 차체 구조물에 주로 사용된다. 예를 들면 F1 경기용 자동차 차체, 슈퍼카라고 불리우는 고성능 수제 자동차 차체 등에 널리 사용되고 있으다. 이 외에 차량 내장재, 브라켓 등의 제조에도 사용되며, 항공, 선박, 자전거 등 운송수단의 몸체 제작, 골프채, 고압용기 제조 등 여러 산업 전반에 걸쳐 응용되고 있다.

상기와 같은 프리프레그를 이용하여 복합재 중공구조물을 제조하기 위한 종래 기술의 예들을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 오토클레이브(autoclave) 성형법은 프리프레그를 여러 겹 몰드에 적층한 후 진공백으로 제품 표면을 포장하여 외부와 차단시킨 다음, 진공백 외부에서는 기체의 압력이 가해지고 내부에서는 외부 진공 펌프에 의해 진공상태를 유지시킴으로써, 제품의 내부에 함침되어 있는 수지에서 발생되는 휘발성분을 제거하여 프리프레그 각 층간의 틈이 없어지고 완전하게 접합할 수 있도록 한다.

다음, 필라멘트 와인딩 성형법은 섬유강화재를 수지혼합물에 통과시킨 후 젖은 상태로 회전하는 원통형의 맨드렐에 연속적으로 감음으로써 성형이 진행되는 방법으로, 파이프나 실린더 같이 속이 빈 형태의 제품을 만들 때 사용되며, 6m 직경의 저장탱크로부터 2.5m 직경의 모터 등에 이르기까지 다양한 크기의 제품에 적용이 가능하다. 이러한 필라멘트 와인딩 성형법은 필라멘트운동 방식과 감기는 각도, 맨드렐의 좌우, 회전운동이 잘 조절되어야 하며, 균일한 두께의 제품과 대량 생산이 가능하고, 섬유를 성형한 다음 오토클레이브나 Hot press를 이용하여 모형을 성형하게 된다.

다음, 열팽창 몰딩법은 프리프레그를 금형 사이에 배치시키고 수지의 변형 온도 이상에서 실리콘 블록(silicon block)을 팽창시켜 압축 성형되도록 하는 방법으로, 수지를 미리 예열된 일정한 형태의 금형에 투입하고 고온, 고압으로 압축하여 제품을 생산하는 공정으로 짧은 시간에 복잡한 형상의 제품을 만들 수 있는 장점이 있다.

그리고, 공기팽창 몰딩법은, 도 1에서 나타낸 것과 같이, 시트를 금형(2) 사이에 위치시키고 금형(2)에 히터(Heater)를 이용하여 열을 가하는 방식으로, 일정 온도가 가해지면 안에 있는 튜브(tube)(4)가 팽창되면서 시트 타입의 프리프레그(6)를 가압하는 방식의 공기압을 이용한 성형방법이다.

또는 가열에 의한 공기팽창 이외에, 도 2에서와 같이, 공기를 직접 튜브에 가압하여 튜브를 팽창시키도록 할 수도 있는데, 프리프레그(5)를 멘드렐(7)을 이용하여 사각 튜브 모양으로 감아 미리 예열된 금형(1)에 넣은 후, 금형(1)을 닫고 멘드렐(에어튜브)(7)을 팽창시켜 프리프레그(5)를 가압한 다음 완전히 굳어지면 안에 있던 멘드렐(7)을 제거하여 성형을 완성한다.

한편, 상기의 공기팽창 몰딩법에 대한 기존의 출원 사례를 살펴보면 다음과 같다.

우선, 대한민국 출원 제1994-0021050호의 2형 몰드를 사용한 원통 형상의 복합재료 구조물의 제조방법은 2형 몰드를 사용하여 하형에 프리프레그를 적층하고 적층한 부분을 고정한 후 나일론 블래더를 통한 가압에 의하여 팽창시켜 경화시키는 성형제조법이다.

대한민국 출원 제1992-0008038호의 복합재료를 사용한 자전거 차체와 그 성형법은 주사형의 공기 주입기를 금형에 형성된 구멍을 통해 삽입하여 복합 재료층, 밀폐된 튜브, 튜브 내부의 씰링을 관통시켜 내부에 압축공기를 공급함으로써 외부 금형에 밀착 경화되도록 하는 제작방법이다.

그리고, 대한민국 공개특허 제2002-0016780호인 중공복합물 제품 및 그 제조방법은 멘드렐(mandrel)에 라미네이트(laminate)를 감아 예열된 몰드 안에 넣고 성형하는 방법으로, 몰드가 조립된 후에 펌프를 이용하여 안에 있는 포켓(pocket)에 압력을 가하여 팽창시켜 복합재 사각 튜브를 성형하는 것이다.

또한, 미국 등록특허 제5,853,651호인 High pressure hollow process for manufacturing composite structures는 라미네이트가 굳어지는 동안에 폴리스티렌(polystyrene)이나 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 혼성 중합체(acrylonitrile-butadiene- styrene co-polymer)로 만들어진 멘드렐(mandrel)을 팽창시켜 중공 복합재 구조를 만드는 방법으로, 멘드렐을 미리 예열, 팽창된 몰드에 놓고 압력을 가하여 라미네이트가 완전히 굳어지면 안에 있던 멘드렐을 제거하여 성형을 완성한다.

그러나, 이러한 종래 기술의 공기팽창 몰딩법은 프리프레그의 압축 성형을 위한 튜브가 그 금형의 형틀에 맞게 미리 제작되어야 하기 때문에 제작 시간이 많이 소요되어 제품의 생산성이 떨어질 뿐만 아니라, 정해진 일정 형태의 해당 금형에만 적용되므로 그 사용에 한계가 따르는 등의 문제점을 갖고 있으며 다양한 형태의 중공구조물을 성형하기 위해서는 내측면 성형을 위한 튜브도 새로 제작해야 하는 단점이 있다.

또한, 금형이 복잡한 경우에는 튜브 제작이 어렵고 그 제작시간 및 비용이 많이 소요되어 제품의 경쟁력이 떨어지며, 실질적으로 복잡한 내측면 형상의 코너부위에 튜브를 통해 균일한 압력을 가하는 것이 곤란하여(도 3 참조) 균일한 품질을 확보하는 데에 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 프리프레그 성형물의 내측면에 연성의 코팅재를 전체적으로 도포하고 공기팽창에 의해 프리프레그 성형물의 내측면을 가압할 수 있는 코팅층을 형성하며, 상기 코팅층에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물을 압축 성형함으로써 소정의 복합재 중공구조물을 제조하는 복합재 중공구조물 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 프리프레그를 사용하여 프리프레그 성형물을 형성하는 단계; 상기 프리프레그 성형물의 개방부위에 실리콘 블록을 억지 끼움하여 프리프레그 성형물을 밀폐하는 단계; 상기 프리프레그 성형물의 내부에 코팅재를 도포하여 코팅층을 형성하는 단계; 금형 내부에 삽입된 프리프레그 성형물의 코팅층에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그들에 열을 가하면서 프리프레그 성형물을 압축 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 프리프레그 성형물은 소정 형상의 코어 표면에 프리프레그를 감거나 적층하여 중공 형상으로 가성형한 후 상기 코어를 제거하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 프리프레그 성형물은 금형 내부에 프리프레그를 적층 배치하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 코팅재는 실리콘, 라텍스, 연성수지 중 어느 하나 혹은 둘 이상을 혼합하여 조성한 혼합물인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 코팅층을 형성할 시 도포한 코팅재에 수분이나 25 ~ 90℃의 온도 혹은 수분과 25 ~ 90℃의 온도를 모두 가해주어 코팅재의 경화시간을 단축하도록 한 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 코팅재 또는 공기를 주입하기 위해 금형 및 실리콘 블록의 관통공에 노즐을 삽입 설치하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 노즐은 관통공과 긴밀하게 밀착될 수 있도록 고무 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 금형과 노즐 사이의 틈새에 실링부재를 설치하여 코팅재 또는 공기의 누설을 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법을 통해 복합재 중공구조물을 제작할 시 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.

1. 프리프레그 성형물의 내측에 설치할 튜브의 제작이 불필요하며, 따라서 제품의 형상이 상이한 경우에도 별도의 튜브 제작을 위한 추가 시간과 비용이 들지 않는다.

2. 공기팽창에 의해 프리프레그 성형물의 내측면을 가압할 수 있는 수단이 코팅재 도포에 의해 간편하게 형성 및 설치된다.

3. 복잡한 구조의 중공구조물 제작이 가능함은 물론 프리프레그 성형물의 내측면에 형성된 연성의 코팅층을 통해 중공구조물의 코너 부위에도 일정 압력이 고루 가해짐으로 인해 균일한 품질 확보가 가능하여 제품의 정밀도 향상 및 이에 따른 제품의 신뢰도와 경쟁력을 증대한다.

도 1은 종래 기술의 공기팽창 몰딩방법을 나타낸 개략적인 단면도,
도 2는 종래 기술의 공기팽창 몰딩에 의해 복합재 중공구조물을 성형하는 과정을 나타낸 개략도,
도 3은 종래 기술의 공기팽창 몰딩법에 의한 복합재 중공구조물의 제조시 튜브를 통한 가압성형이 곤란한 부위를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합재 중공구조물의 제조 공정 중 금형과 실리콘 블록의 일측을 천공한 상태를 개략적으로 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금형 및 실리콘 블록의 관통공으로 노즐을 삽입하여 설치한 상태를 개략적으로 나타낸 종단면도,
도 6은 본 발명의 제조방법에 의한 복합재 중공구조물의 제조시 복잡한 부위에도 내압이 고르게 전달되어 균일 품질을 위한 가압성형이 가능함을 나타낸 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명의 금형을 사용하여 성형한 프리프레그 중공구조물의 경화사이클과 점성도를 나타낸 도면이다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 설명에 있어서 공지의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

본 발명은 프리프레그를 이용한 복합재 중공구조물의 성형시 금형 내에 설치된 프리프레그의 내측면을 가압하기 위한 기존의 튜브를 생략하고, 대신 코팅재 도포에 의해 형성되며 공기압에 의해 프리프레그를 고르게 가압할 수 있는 연성의 기밀한 코팅층을 통해 차체 골조 등에 이용될 수 있는 중공형태의 복합재 구조물을 제작하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 프리프레그를 사용하여 프리프레그 성형물(20)을 형성하고 이 프리프레그 성형물(20)의 내측면에 코팅재를 도포하여 코팅층(30)을 형성한 다음, 상기 프리프레그 성형물(20)을 금형(10) 내부에 삽입한 상태에서 경화된 코팅층(30)에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물(20)을 압축 성형하여 소정의 복합재 중공구조물을 제조한다.

여기서, 상기 프리프레그 성형물(20)은 금형(10) 내부에 다수의 프리프레그들을 단층 혹은 복층으로 적층 배치하여 형성되거나, 혹은 금형(10) 밖에서 먼저 가성형된 다음 코팅재를 도포하여 경화시킨 후 금형(10) 내부에 삽입될 수 있다.

상기 프리프레그 성형물(20)을 금형(10) 내부에서 형성하는 경우, 금형(10) 내부에 다수의 프리프레그들을 단층 혹은 복층으로 적층 배치하여 프리프레그 성형물(20)을 형성하고 이 프리프레그 성형물(20)의 양단부의 개방부위에 실리콘 블록(21)을 억지 끼움하여 결합한 다음, 상기 프리프레그 성형물(20)의 내측면에 코팅재를 도포하여 코팅층(30)을 형성한 후, 상기 코팅층(30)에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물(20)을 압축 성형하여 복합재 중공구조물을 제조하게 된다.

특히, 상기 코팅층(30)을 형성할 시 프리프레그 성형물(20)의 내부로 주입된 코팅재가 이 프리프레그 성형물(20)의 내측면 전체에 골고루 도포되도록 하기 위해 금형(10) 자체를 회전시키거나 또는 금형(10)을 전후좌우로 뒤집어가면서 프리프레그 성형물(20)의 내측면에 코팅재가 전체적으로 밀착되게 할 수 있다.

다만, 상기 금형(10)의 무게가 무거운 경우 프리프레그를 삽입한 금형(10)을 움직이며 코팅재를 도포하는 작업이 쉽지 않으므로, 금형(10) 밖에서 프리프레그 성형물(20)을 가성형하고 코팅재를 프리프레그 성형물(20)의 내부에 미리 도포하여 경화시킨 후 금형(10)에 삽입하는 것이 바람직하다.

상기 프리프레그 성형물(20)을 금형(10) 밖에서 가성형하는 공정을 포함하는 복합재 중공구조물의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 소정 형상의 코어를 준비하고, 이 코어의 표면에 프리프레그를 적층하거나 감고 가압하여 원하는 중공형상의 프리프레그 성형물(20)을 형성한다.

다음, 상기 프리프레그 성형물(20)을 금형(10) 내부에 삽입하여 설치한 후 프리프레그 성형물(20)의 내측에서 코어를 빼내어 제거하고, 상기 프리프레그 성형물(20)의 내측면에 코팅재를 고르게 도포하여 코팅층(30)을 형성한 다음, 이 프리프레그 성형물(20)의 양단부의 개방부위에 실리콘 블록(21)을 억지 끼움하여 결합시킨다.

혹은 상기 프리프레그 성형물(20)에서 먼저 코어를 빼내어 제거한 다음 금형(10) 내부에 삽입하여 설치하고, 상기 프리프레그 성형물(20)의 내측면에 코팅층(30)을 형성하는 것도 가능하다.

상기 코팅층(30)은 수작업으로 코팅재를 도포하거나 또는 스프레이 방식으로 코팅재를 도포하는 등에 의해 형성될 수 있다.

그 다음, 상기 금형(10)의 양단부에 사이드 금형을 체결하여 금형(10)을 닫아서 고정시키고, 금형(10) 및 프리프레그 성형물(20)의 내측에 공기를 주입하여 상기 코팅층(30)에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물(20)을 압축 성형하여 복합재 중공구조물을 제조하게 된다.

이렇게 금형(10) 밖에서 프리프레그 성형물(20)을 가성형하는 경우, 프리프레그 성형물(20)의 양측 개방부위에 억지 끼움한 실리콘 블록이 승온시 열팽창계수의 차이로 인해 금형(10)보다 더 많이 팽창하게 되고, 따라서 프리프레그 성형물(20)의 개방부위를 금형(10) 내벽에 더 큰 열하중으로 밀게 되어 기밀성이 유지되고 성공적인 성형이 가능하게 된다.

더불어 상기 금형(10) 및 실리콘 블록(21)의 일측에는 공기 또는 코팅재의 주입을 위해 각각 관통공(11,21a)을 형성한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 복합재 중공구조물의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 사용하는 복합재 중공구조물 제조용 금형은 중공형의 복합재 구조물을 형성하기 위해 내부에 중공을 가지며 다수의 파트로 분리되는 구조로 이루어진다.

상기 금형(10)의 일측에는 프리프레그 성형물(20)의 내측으로 코팅재 또는 공기를 주입하기 위해 관통공(11)이 형성되고 바람직하게 상기 관통공(11)에는 노즐(40)이 삽입 설치될 수 있으며, 상기 노즐(40)은 프리프레그 성형물(20)의 내측으로 주입된 코팅재 또는 공기가 관통공(11)을 통해 외부로 빠져나오는 것을 방지하기 위해 관통공(11)과 긴밀하게 밀착되는 고무 재질로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 노즐(40)은 관통공(11,21a)과의 긴밀성을 유지할 수 있다면 고무 재질 외에 다른 재질을 사용해도 무방하다.

또한, 상기 금형(10)과 노즐(40) 사이의 틈새를 통해 코팅재 또는 공기가 외부로 누설되는 것을 방지하기 위해 상기 틈새, 즉 금형(10)의 관통공(11)의 상단과 노즐(40) 사이에 실링부재(50)를 설치 구성하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 금형(10)을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 복합재 중공구조물 제조방법을 살펴보면, 먼저 오픈한 금형(10)의 각 벽면에 복합재 중공구조물을 제조하기 위한 시트 형상의 프리프레그들을 단층 또는 복층으로 적층 배치하여 금형(10) 내부에서 중공 형상의 프리프레그 성형물(20)을 형성하고, 이 프리프레그 성형물(20)의 양단부의 개방부위에 실리콘 블록(21)을 억지 끼움하여 결합한다.

오픈한 금형(10)의 합체시에는 별도의 조인트(미도시) 등을 통해 금형(10)을 닫아준다.

그리고, 소정의 천공기구를 사용하여 금형(10) 및 일측 실리콘 블록(21)에 공기 및 코팅재의 주입을 위한 관통공(11,21a)을 형성하는데, 일실시예로 상기 천공기구를 사용하여 금형(10)과 실리콘 블록(21)을 동시에 천공하여 관통공(11,21a)을 성형하거나 혹은 소정 부위가 미리 천공된 금형(10)을 사용하고 이러한 금형(10)의 관통공(11)을 통해 실리콘 블록(21)의 일측에 관통공(21a)을 형성하는 것도 가능하다.

다음, 금형(10) 및 실리콘 블록(21)의 관통공(11,21a)을 통해 프리프레그 성형물(20)의 내측으로 연성의 코팅재를 주입하여 프리프레그 성형물(20)의 내측면에 전체적으로 고르게 코팅재를 도포하게 되며, 도포된 코팅재는 일정 조건의 경화 공정을 거쳐 연성의 기밀한 코팅층(30)을 형성하게 된다.

본 발명에서 상기 코팅재는 프리프레그 수지가 경화되는 온도보다 낮고 상온보다 높은 25 ~ 90℃ 의 온도 또는 수분을 가해줌에 의해 경화되어야 하고, 이를 통해 프리프레그 등의 복합재료와 보다 잘 접합될 수 있으며 연신률이 높고 부드럽게 경화되어 기밀성을 유지하는데 유리할 수 있는 재료를 이용한다.

또는, 상기 코팅재 및 공기의 원활한 주입을 위해 상기 관통공(11,21a)에 노즐(40)을 삽입 설치하고 이 노즐(40)을 통해 코팅재 및 공기를 프리프레그 성형물(20)의 내측으로 주입한다.

본 발명은 상기 노즐(40)을 사용함에 따라 코팅재 및 공기의 주입이 용이하고 작업성이 향상될 수 있다.

더불어, 상기 코팅재는 경화공정시 그 재료에 따라 프리프레그 수지가 경화되는 온도보다 낮고 상온보다 높은 25 ~ 90℃ 의 온도를 가하거나 또는 수분을 분무하여 줌에 의해 경화시간을 단축할 수 있고, 혹은 수분과 25 ~ 90℃ 의 온도를 모두 가해줌에 의해 경화시간을 단축할 수 있다.

이렇게 형성된 코팅층(30)에 공기압을 가하기 위하여 관통공(11,21a) 또는 노즐(40)을 통해 금형(10)의 내부공간에 공기를 주입하여 압력을 가하는 동시에 프리프레그에 열을 가하면서 프리프레그 성형물(20)을 소정 형상으로 압축 성형하여 본 발명에 따른 복합재 중공구조물을 제조하게 된다.

상기의 압축 성형시, 프리프레그 성형물(20)의 개방부위에 억지 끼움된 실리콘 블록(21)은 열에 의해 팽창하면서 기밀성을 증대하여 프리프레그 성형물(20)과 완전한 기밀 상태를 이루게 된다.

상기 복합재 중공구조물의 성형 완료 후 상기 코팅층(30)은 따로 분리시켜 제거되거나 또는 복합재 중공구조물 내에 그대로 남겨질 수 있다.

그리고, 상기 프리프레그 성형물(20)의 압축 성형은 코팅층(30) 내에 주입된 공기의 가압 및 팽창에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 상기 금형(10)은 미리 예열시킨 상태로 사용하거나 또는 별도의 히터 등을 사용하여 중공구조물의 성형 중 열을 가하는 것도 가능하다.

아울러 프리프레그 성형물(20)을 금형(10) 밖에서 미리 가성형한 후 금형(10)에 삽입하여 복합재 중공구조물을 제조하는 경우, 프리프레그 성형물(20)을 금형(10) 밖에서 가성형함에 의해 발생하는 공정 상의 차이점을 제외하고 나머지 공정은 금형(10) 안에서 프리프레그 성형물(20)을 성형하는 경우와 동일한 방식으로 복합재 중공구조물을 제조할 수 있다.

예를 들면, 금형(10) 밖에서 미리 프리프레그 성형물(20)을 형성하는 경우에도 상기의 금형(10)이나 노즐, 코팅재 등을 동일하게 사용할 수 있으며, 금형(10) 안에서 프리프레그 성형물(20)을 형성하는 경우와 같이 금형(10)을 회전시키거나 뒤집어주는 공정은 생략 가능하다.

한편, 본 발명에서 사용하는 코팅재는 공기압에 의한 프리프레그 성형물(20)의 가압성형을 효과적으로 수행할 수 있도록 하기 위하여 ① 프리프레그에 충분히 도포 및 접착되어야 할 것, ② 프리프레그 성형물(20)의 내측면 형상을 따라 고루 도포 가능하도록 충분한 연성을 가질 것, ③ 기존 튜브의 기능을 대체하여 공기압에 의해 프리프레그 성형물(20)의 가압성형이 가능하도록 기밀이 유지될 것, ④ 고온(100℃ ~ 185℃)에서 용융/변형되지 않을 것 등의 조건을 만족해야 한다.

다시 말하면, 상기 코팅재에 의해 형성되는 코팅층(30)은 프리프레그 성형물(20)의 내측면에서 공기 주입 및 팽창에 의해 파손되지 않기 위한 연성과 프리프레그의 가압성형을 위해 공기 누설을 방지할 수 있는 기밀성을 갖춰야 하는 것이다.

따라서, 본 발명의 코팅재로는 상기 조건을 만족하는 실리콘, 라텍스, 연성수지 등의 액상 고분자 물질 중 하나를 사용하거나 또는 상기 액상 고분자 물질 중 둘 이상을 혼합하여 조성한 혼합물을 사용할 수 있다.

실험 결과 상기의 실리콘, 라텍스, 연성수지 및 액상 고분자 물질의 혼합물 등은 프리프레그에 대한 밀착성과 접착성은 물론이고 연성, 기밀성, 내열성 등의 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었고, 특히 코팅재의 기밀성 테스트시 기재에 코팅재를 도포하기 전 공기압을 가할 시에는 기포가 발생하였으나 코팅재를 도포한 후에는 기포가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

따라서 상기의 코팅재들은 프리프레그 성형물(20)의 내측면에서 기존 프리프레그의 공기팽창 몰딩을 위한 튜브의 기능을 대체할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 프리프레그의 최적 성형을 위해서는 열과 압력이 가해지는 정도와 지속시간이 적절히 고려되어야 하고, 이렇게 프리프레그의 성형에 필요한 온도와 압력을 시간의 함수로 나타낸 것을 경화사이클이라고 하며, 이는 최종 제품의 품질에 결정적인 역할을 한다.

첨부한 도 7 및 도 8은 본 발명의 제조방법에 따라 복합재 중공구조물을 성형한 경우의 프리프레그의 경화사이클과 점성도를 나타낸 것이다.

이와 같이, 본 발명은 기존 프리프레그의 내측에 배치시킨 후 공기압을 가하여 부풀어 오르도록 하면서 프리프레그를 압축 성형하여 소정의 복합재 중공구조물을 제조하기 위한 튜브를 생략하고, 관통공(11,21a)을 통해 프리프레그 성형물(20)의 내측으로 연성의 코팅재를 주입하여 이 코팅재가 프리프레그 성형물(20)의 내측면 전체에 걸쳐 도포되도록 한 후 경화시켜 연성의 기밀한 코팅층(30)을 형성하도록 함으로써 기존 튜브의 기능을 대체할 수 있기 때문에 기존 튜브의 제작 및 설치가 불필요함은 물론, 상기 코팅층(30)은 프리프레그 성형물(20)의 내부 형상 및 구조에 상관없이 고르게 밀착되며 형성되므로 복잡한 구조의 중공구조물을 성형하기 위한 금형(10)의 가압하기 곤란한 부위(예를 들면 금형 내부의 코너부, 도 3 참조)도 성형이 가능하게 되어 제품의 신뢰성 향상 및 이에 따른 제품의 경쟁력을 증대시킬 수 있다.

그 외에도 기존에는 튜브가 금형과 잘 맞지 않으면 튜브가 팽창하면서 프리프레그의 섬유를 휘게 하여 프리프레그 성형물의 기계적 물성을 저하시킬 가능성이 있었으나, 본 발명에 의하면 프리프레그 섬유가 휘어지지 않게 된다.

다시 말해, 본 발명의 기밀한 코팅층(30)은 도 6과 같이 복잡한 구조의 부위에도 공기압(혹은 내압)을 고르게 전달하므로 중공구조물의 정밀도가 향상되며 균일한 품질 확보가 가능하게 된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 일실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

10 : 금형
11 : 관통공
20 : 프리프레그 성형물
21 : 실리콘 블록
21a : 관통공
30 : 코팅층
40 : 노즐
50 : 실링부재

Claims (8)

1. 프리프레그를 사용하여 프리프레그 성형물을 형성하는 단계;
   상기 프리프레그 성형물의 개방부위에 실리콘 블록을 억지 끼움하여 프리프레그 성형물을 밀폐하는 단계;
   상기 프리프레그 성형물의 내부에 코팅재를 도포하여 코팅층을 형성하되, 프리프레그 성형물의 내부로 주입된 코팅재가 프리프레그 성형물의 내측면 전체에 골고루 도포되도록 하기 위해 금형 자체를 회전시키거나 금형을 전후좌우로 뒤집어가면서 프리프레그 성형물의 내측면에 코팅재가 전체적으로 밀착되게 하거나, 또는 금형 밖에서 프리프레그 성형물을 가성형하고 코팅재를 프리프레그 성형물의 내부에 미리 도포하여 경화시킨 후 금형에 삽입하는 단계;
   금형 내부에 삽입된 프리프레그 성형물의 코팅층에 공기압을 가하는 동시에 프리프레그들에 열을 가하면서 프리프레그 성형물을 압축 성형하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 프리프레그 성형물은 소정 형상의 코어 표면에 프리프레그를 감거나 적층하여 중공 형상으로 가성형한 후 상기 코어를 제거하여 형성하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 프리프레그 성형물은 금형 내부에 프리프레그를 적층 배치하여 형성하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 코팅재는 실리콘, 라텍스, 연성수지 중 어느 하나 혹은 둘 이상을 혼합하여 조성한 혼합물인 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 코팅층을 형성할 시 도포한 코팅재에 수분이나 25 ~ 90℃의 온도 혹은 수분과 25 ~ 90℃의 온도를 모두 가해주어 코팅재의 경화시간을 단축하도록 한 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 코팅재 또는 공기를 주입하기 위해 금형 및 실리콘 블록의 관통공에 노즐을 삽입 설치하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 노즐은 관통공과 긴밀하게 밀착될 수 있도록 고무 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 금형과 노즐 사이의 틈새에 실링부재를 설치하여 코팅재 또는 공기의 누설을 방지하는 것을 특징으로 하는 튜브없이 공기팽창식으로 몰딩하는 복합재 중공구조물 제조방법.

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