KR20140049509A

KR20140049509A - 프리폼의 제조 방법

Info

Publication number: KR20140049509A
Application number: KR1020137023596A
Authority: KR
Inventors: 마사키 야마사키; 류조 기베
Original assignee: 도레이 카부시키가이샤
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2014-04-25
Also published as: CN103347666A; EP2679365A1; JP5910944B2; EP2679365A4; CN103347666B; WO2012114828A1; JPWO2012114828A1; US20130328237A1

Abstract

강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를, 삼차원 입체 형상이며 오목부를 갖는 하형과, 프레스 기구를 갖는 복수개의 상형에 의해 부형하는 프리폼의 제조 방법에 있어서, 하형 위에 시트상 구조체를 놓고, 시트상 구조체의 적어도 1개소를 상형의 적어도 1개로 가압하고, 가압된 개소 이외의 시트상 구조체의 적어도 1개소를 다른 상형에 의해 압압하고, 그 후, 시트상 구조체의 나머지 개소를 또 다른 상형에 의해 압압함과 동시에, 가압에 사용한 상형에 의해 가압된 개소를 소정의 압압력으로 본압하는 것을 특징으로 하는 프리폼의 제조 방법을 제공한다. 이러한 제조 방법에 의하면, 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를 삼차원 입체 형상으로 부형할 때에, 기재에 주름을 발생시키지 않고, 효율적으로 높은 생산성을 갖고 목표로 하는 형상의 프리폼을 부형하는 것이 가능하게 된다.

Description

프리폼의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING PREFORM}

본 발명은 프리폼의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 하형(下型)과 상형(上型)을 사용하여 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를 삼차원 입체 형상으로 주름을 발생 시키지 않고 부형하는 것이 가능한 프리폼의 제조 방법에 관한 것이다.

예를 들어, RTM(Resin Transfer Molding; 수지 트랜스퍼 성형) 성형에 있어서는, 강화 섬유 기재에 매트릭스 수지를 함침시키기 전에, 강화 섬유 기재를 소정의 형상으로 부형하고, 부형된 프리폼에 대하여 수지를 함침시키는 경우가 많다. 이 강화 섬유 기재의 프리폼에는, 성형하고자 하는 성형품의 형상에 따라 다양한 부형 형상이 요구된다. 특히, 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를 소정의 비교적 복잡한 형상의 프리폼으로 부형하는 경우, 주름 등의 문제를 발생시키지 않고 부형하는 것이 요구된다.

비교적 복잡한 형상의 프리폼의 부형을 종래의 일반적인 방법으로 행하는 경우에는, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이 된다. 예를 들어 도 3(A)에 도시한 바와 같이, 곡면(101) 중에 오목부(102)를 갖는 하형(103)의 삼차원 입체 형상을 따라 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체(104)를 부형하고자 하는 경우, 오목부(102) 위에 위치하는 시트상 구조체(104)를 향하여 단순히 상형(105)을 프레스하는 것만으로는, 도 3(B)에 도시한 바와 같이, 상형(105)을 시트상 구조체(104)를 향하여 압압(假壓)할 때에 오목부(102) 주위에 위치하는 시트상 구조체(104) 부분이 오목부(102)를 향하여 인입되어(화살표로 예시), 오목부(102)의 주변부에 바람직하지 않은 비틀림이나 변형이 발생한다. 특히, 상형(105)을 오목부(102) 내로 압입해 갈 때, 오목부(102) 주위에 위치하는 시트상 구조체(104) 부분이 많든지 적든지 간에 들떠서, 오목부(102)의 주변부에 위치하는 시트상 구조체(104) 부분에 바람직하지 않은 주름이 발생한다. 이 바람직하지 않은 들뜸 변형(106)의 예를 도 4에 도시한다(후술하는 본 발명에 의한 결과를 예시한 도 2와의 비교도).

상기와 같은 일반적인 방법과는 별도로, 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를 소정 형상으로 부형하기 위한 개선된 방법으로서, 특허문헌 1에는, 소정 방향으로 강화 섬유가 배열된 시트상 구조체를, 소정 형상의 형면(型面)을 갖는 복수개의 클램프 장치에 의해 적어도 2개소에서 파지하고, 다음에 시트상 구조체를 파지된 개소 사이에서 소정 형상의 압압면을 갖는 프레서에 의해 압압하면서, 적어도 클램프 장치 중 하나를 시트상 구조체의 상기 파지부의 간격이 좁아지도록 이동시킴으로써, 시트상 구조체를 프레서의 압압면에 따르도록 변형시키고, 시트상 구조체를 프레서의 압압면과 클램프 장치의 형면에 의해 압압하여 부형을 행하도록 한 부형 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 제4492457호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1에 개시된 시트상 구조체의 부형 방법에 있어서는, 부형 가능한 형상이, 시트상 구조체를 파지한 상태로부터 상기 파지부의 간격이 좁아짐으로써 부형 가능한, 실질적으로 단면이 이차원으로 변화되는 형상에 한정되므로, 보다 복잡한 형상, 특히 도 3에 도시한 바와 같은 삼차원 입체 형상으로 부형하는 것은 매우 곤란하게 된다. 또한, 클램프 장치에 의해 적어도 2개소에서 시트상 구조체를 견고하게 파지하게 되므로, 그 파지부 사이를 프레서에 의해 압압할 때에 발생하게 되는 상술한 바와 같은 주위부의 들뜸 변형부는 도피처가 없어, 결국 바람직하지 않은 변형에 수반되는 주름이 발생하게 될 가능성이 높다. 또한, 삼차원 입체 형상으로 부형하고자 하는 개소 주위에 클램프 장치에 의한 파지부를 설치해 둘 필요가 있고, 이 파지부는 최종적인 성형품의 형상과는 무관하게 파지를 유지할 수 있는 형상으로 형성되어 있기 때문에, 결국 그 파지부는 제품 범위 밖의 위치에 설정되는 것이 되어, 시트상 구조체의 재료로서의 강화 섬유 기재의 수율이 나빠진다는 문제도 있다.

따라서 본 발명의 과제는, 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를 원하는 삼차원 입체 형상으로 부형할 때에, 기재에 주름을 발생시키지 않고, 나아가 기재의 수율을 악화시키지 않고, 매우 효율적으로 높은 생산성을 갖고 목표로 하는 형상의 프리폼을 부형하는 것이 가능한, 프리폼의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법은, 소정 방향으로 강화 섬유가 배열된 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를, 삼차원 입체 형상이며 오목부를 갖는 하형과, 프레스 기구를 갖는 복수개의 상형에 의해, 상기 시트상 구조체를 상기 하형의 형상에 따르도록 부형하는 프리폼의 제조 방법에 있어서, 상기 하형 위에 상기 시트상 구조체를 놓고, 상기 시트상 구조체의 적어도 1개소를 상기 상형의 적어도 1개로 가압(押押)하고, 가압된 개소 이외의 상기 시트상 구조체의 적어도 1개소를 다른 상형에 의해 압압하고, 그 후, 상기 시트상 구조체의 상기 압압된 개소 이외의 개소이면서 상기 가압된 개소 이외의 개소를 또 다른 상형에 의해 압압함과 동시에, 상기 가압에 사용한 상형에 의해 상기 가압된 개소를 소정의 압압력으로 본압하는 것을 특징으로 하는 방법으로 이루어진다. 여기서 「가압」이란, 시트상 구조체가 하형의 표면으로부터 들뜨는 것은 억제시키지만, 하형의 표면에 따르는 방향으로는 이동이 허용되는 유지 상태를 의미한다.

이러한 방법에 있어서는, 하형 위에 시트상 구조체를 놓고, 상기 시트상 구조체의 적어도 1개소에서 가압된 상태에서, 가압된 개소 이외의 특정한 개소, 즉, 오목부를 대표적인 개소로 하는 삼차원 입체 형상 개소가, 다른 상형에 의해 압압되어, 목표로 하는 삼차원 입체 형상으로 부형된다. 이때, 단순히 그 다른 상형에 의해 압압하는 것만으로는 상술한 바와 같이 주위부가 들떠 주름 발생의 원인이 되지만, 들뜨려는 개소가 가압되어 있음으로써, 적어도 가압 개소에 있어서는 시트상 구조체가 하형의 표면에 따르는 방향으로만 변위(면내 변위만)가 허용되어, 바람직하지 않은 하형의 표면으로부터의 들뜸이 방지되어, 그 들뜸에 수반되는 주름의 발생이 방지된다. 따라서, 이러한 변위를 허용할 수 있는 시트상 구조체이기만 하면 된다. 그리고, 이 특정 개소의 부형 상태가 그대로 유지되면서, 즉 하형에 대한 상기 다른 상형에 의한 압압 상태가 그대로 유지되면서, 그 이외의 개소가 또 다른 상형에 의해 압압됨과 동시에, 가압용의 상형에 의해 가압되어 있던 개소가 소정의 압압력으로 본압됨으로써, 부형되어야 하는 부분 전체가 주름없이 원하는 형상으로 부형되게 된다. 이 방법에서는, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 클램프 개소는 불필요하므로, 사용되는 강화 섬유 기재의 수율을 악화시키지 않는다.

상기와 같은 본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법에 있어서는, 상기 시트상 구조체는, 예를 들어 상기 하형의 상기 오목부의 주변부에서 상기 상형의 적어도 1개로 가압되는 것이 바람직하다. 하형의 오목부는 삼차원 입체 형상 개소가 되므로, 이 오목부의 주변부는 기재의 들뜸, 그에 수반되는 주름이 발생하기 쉬운 개소이므로, 그 개소를 대상으로 하여 가압함으로써, 본 발명에 의한 효과가 효율적으로 발현되게 된다. 가압에 사용하는 상형은 2개 이상이며, 따라서 가압 개소는 2개소 이상일 수도 있다.

또한, 상기 가압 후의 다른 상형에 의한 압압에 대해서는, 하형의 오목부 위에 위치하는 시트상 구조체의 개소에 대하여 행하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상술한 바와 같이, 이 오목부 개소는 삼차원 입체 형상 개소이며, 그의 주변부는 기재의 들뜸, 그에 수반되는 주름이 발생하기 쉬운 개소이므로, 이 오목부 개소를 본 발명에 있어서의 주름 발생의 원인 부형 개소로서 파악하여 본 발명을 적용함으로써, 본 발명에 의한 효과가 효율적으로 발현되게 된다.

또한, 상기 가압을 행하는 상형의 압압력을, 가압용 압압력과 본압용 압압력의 2단계로 제어할 수 있다. 가압용 압압력은, 상술한 바와 같이, 시트상 구조체에 대하여 하형의 표면에 따르는 방향만의 변위(면내 변위만)를 허용할 뿐인 낮은 압압력으로 충분하며, 본압용 압압력에는, 시트상 구조체를 하형의 표면에 압압시켜, 고정밀도로 하형의 표면에 따른 형상으로 부형 가능한 만큼의 높은 압압력이 요구되므로, 이러한 2단계의 압압력으로 제어함으로써, 본 발명에 있어서의 부형의 조작 수순을 원활하게 진행시킬 수 있다.

또한, 상기 가압을 행할 때, 가압을 행하는 상형 이외의 나머지 상형의 적어도 일부를 하형에 근접시켜 두는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 가압을 행하는 상형과, 오목부 등 특정한 삼차원 입체 형상 개소 압압용의 상형 이외의 나머지 상형을, 최대한 하형에 근접시켜 두는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 가압 개소 이외의 개소에서, 가령 기재가 하형의 표면으로부터 들뜨려는 상황이 발생했다고 해도, 그 들뜸이 근접되어 있는 상형에 의해 압압됨으로써, 전체적으로 보다 바람직한 부형이 가능하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 시트상 구조체를 구성하는 강화 섬유 기재의 형태는 특별히 한정되지 않고 강화 섬유를 일방향으로 배향시킨 일방향성 기재, 강화 섬유 사조를 일방향으로 배향시킴과 동시에, 예를 들어 보조사 등에 의해 직물의 형태로 유지시킨 일방향성 직물 기재, 강화 섬유 사조를 세로, 가로로 배향하여 직물의 형태로 한 직물 기재 등, 어떠한 형태라도 채용할 수 있다. 단, 면상의 시트상 구조체를 구성하고, 그의 부형 시에 가압부에 의해 하형의 표면에 따르는 방향의 변위를 허용 함으로써 주름의 발생을 방지한다는 본 발명의 기술 개념으로부터 보면, 시트상 구조체를 구성하는 강화 섬유 기재가 강화 섬유 직물인 경우, 하형의 표면이 복잡한 입체 형상이어도, 강화 섬유 기재 자체에 풀림이나 흩어짐 등의 문제를 발생시키지 않고 원하는 변위를 행하게 할 수 있다고 생각되므로, 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서의 시트상 구조체를 구성하는 강화 섬유 기재의 강화 섬유의 종류도 특별히 한정되지 않고, 유리 섬유나 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 나아가 이들을 조합한 하이브리드 구성의 강화 섬유가 적용 가능하다. 그 중에서도, 탄소 섬유는 강성이 높아 하형의 복잡한 표면 형상에 따르게 하는 것이 비교적 어려우므로, 본 발명은 시트상 구조체를 구성하는 강화 섬유 기재가 탄소 섬유 기재를 포함하는 경우에 특히 유효하다.

또한, 본 발명에 있어서의 시트상 구조체의 강화 섬유 기재에 의한 형성 형태도 특별히 한정되지 않고, 시트상 구조체가 강화 섬유 기재 단층으로 이루어지는 경우, 강화 섬유 기재의 적층체를 포함하는 경우 모두, 본 발명이 적용 가능하다. 프리폼을 부형하는 경우에는, 강화 섬유 기재의 적층체를 사용하는 경우가 많지만, 본 발명은 이러한 경우의 부형에 충분히 효과적으로 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은, 부형하는 프리폼이 RTM 성형용의 프리폼인 경우에 특히 유효한 것이다. 즉, 부형된 강화 섬유 기재의 프리폼을 성형형 내에 배치하고, 그에 대하여 수지를 주입, 함침시켜 가는 RTM 성형에 있어서는 비교적 복잡한 삼차원 입체 형상의 성형이 가능하기 때문에, 매트릭스 수지 함침 전의 프리폼을 주름없이 원하는 형상으로 형성해 둘 수 있음으로써, 수지 함침, 경화 후의 최종 성형품에 대해서도 바람직한 형상을 보증할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법이 의하면, 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를, 기재에 주름을 발생시키지 않고, 원하는 삼차원 입체 형상으로 용이하게 부형할 수 있다. 또한, 특허문헌 1과 같은 클램프부를 설정할 필요도 없으므로, 프리폼 소재로서의 시트상 구조체 재료를 최대한 유효하게 이용하는 것이 가능하게 되고, 소재의 수율이 매우 높아져, 높은 생산성을 갖고 효율적으로 목표로 하는 형상의 프리폼을 제조하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 프리폼의 제조 방법을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 방법에 의해 제조된 프리폼을 관찰한 결과를 나타내는 부분 사시도이다.
도 3은 종래의 프리폼의 제조 방법의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 4는 도 3의 방법에 의해 제조된 프리폼을 관찰한 결과를 나타내는 부분 사시도이다.

이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 프리폼의 제조 방법을 나타내고 있다. 도 1(A)에 있어서, 참조 부호 (1)은 하형을 나타내고, 하형(1)은 삼차원 입체 형상의 표면을 갖고 있음과 동시에, 오목부(2)를 갖고 있다. 이 하형(1) 위에 소정 방향이 강화 섬유가 배열된 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체(3)가 적재되고, 상기 시트상 구조체(3)의 적어도 1개소(도시예에서는 오목부(2)의 주변부의 2개소)가 적어도 1개의 상형, 도시예에서는 2개의 상형(4, 5)에 의해 가압된다. 이 가압의 압압력은 상형(4, 5)에 대하여 (P1, P2)로 제어되고, 상술한 바와 같이, 가압에 의해 시트상 구조체(3)가 하형(1)의 표면으로부터 들뜨는 것은 억제되지만, 하형(1)의 표면에 따르는 방향으로는 이동이 허용되는 유지 상태로 유지되도록 설정된다.

이어서, 도 1(B)에 도시한 바와 같이, 상기 상형(4, 5)에 의해 가압된 개소 이외의 시트상 구조체(3)의 적어도 1개소(도시예에서는, 오목부(2)에 대응하는 개소)가 다른 상형(6)에 의해, 오목부(2)에 대응한 형상으로 시트상 구조체(3)를 부형 가능한 압압력 (P3)으로 압압한다. 이때, 상형(4, 5)에 의해 가압되어 있던 시트상 구조체(3) 부분, 도시예에서는 특히 상형(4)에 의해 가압되어 있던 시트상 구조체(3) 부분이 상형(6)에 의한 압압 동작(프레스 동작)에 수반되어, 도 1의 (B)의 화살표로 나타낸 바와 같이 오목부(2) 방향을 향하여 인입된다. 이 부분은 상형(4)에 의해 가압되고 있으므로, 상기 인입에 의해 하형(1)의 표면으로부터 들뜨는 것은 억제되지만, 상기 인입 동작에 필요한 하형(1)의 표면에 따르는 방향의 이동은 허용된다. 따라서, 상형(6)의 프레스 동작에 의해, 그 부분의 시트상 구조체(3)를 오목부(2)에 대응하는 형상까지 부형해도, 오목부(2) 주변부의 시트상 구조체(3)에 하형(1)의 표면으로부터의 들뜸이 억제되어, 상기 들뜸에 수반되는 주름의 발생이 방지된다. 또한, 상기와 같은 가압을 행하는 개소는, 시트상 구조체(3)의 들뜸, 상기 들뜸에 수반되는 주름의 발생이 예상되는 개소에 적절하게 설정될 수 있고, 도시한 상형(4, 5)에 의한 가압은 어디까지나 예시이다.

이어서, 상기 시트상 구조체(3)의 상기 상형(6)에 의해 압압된 개소 이외의 개소이면서 상기 상형(4, 5)에 의해 가압된 개소 이외의 개소가 또 다른 상형(도시 생략)에 의해 압압됨과 동시에, 가압에 사용한 상형(4, 5)에 의해 가압된 개소의 압압력이 상승되고, 소정의 압압력 (P4, P5)에 의해 제어되어 상기 압압력 (P4, P5)에 의해 본압된다. 이에 의해, 시트상 구조체(3)의 부형되어야 하는 부분의 전체가 소정의 프레스압으로 압압되어, 전체가 원하는 형상으로 부형되게 된다. 이때에는, 상술한 바와 같이, 들뜸, 주름의 발생이 방지된 상태에 전체의 부형이 행해지므로, 주름 등의 문제를 발생시키지 않고, 고정밀도로 전체가 원하는 형상으로 부형되게 된다. 이렇게 부형된 바람직한 부형 형상(11)의 예를, 도 2에 도시한다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 관한 프리폼의 제조 방법은, 특히 RTM 성형에 사용하는 프리폼의 제조에 적합하다.

1: 하형
2: 오목부
3: 시트상 구조체
4, 5, 6: 상형
11: 바람직한 부형 형상

Claims

소정 방향으로 강화 섬유가 배열된 강화 섬유 기재를 포함하는 시트상 구조체를, 삼차원 입체 형상이며 오목부를 갖는 하형(下型)과, 프레스 기구를 갖는 복수개의 상형(上型)에 의해, 상기 시트상 구조체를 상기 하형의 형상에 따르도록 부형하는 프리폼의 제조 방법에 있어서, 상기 하형 위에 상기 시트상 구조체를 놓고, 상기 시트상 구조체의 적어도 1개소를 상기 상형의 적어도 1개로 가압(假押)하고, 가압된 개소 이외의 상기 시트상 구조체의 적어도 1개소를 다른 상형에 의해 압압(押壓)하고, 그 후, 상기 시트상 구조체의 상기 압압된 개소 이외의 개소이면서 상기 가압된 개소 이외의 개소를 또 다른 상형에 의해 압압함과 동시에, 상기 가압에 사용한 상형에 의해 상기 가압된 개소를 소정의 압압력으로 본압하는 것을 특징으로 하는 프리폼의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 시트상 구조체를, 상기 하형의 상기 오목부의 주변부에서 상기 상형의 적어도 1개로 가압하는 프리폼의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가압 후의 다른 상형에 의한 압압을 상기 하형의 상기 오목부 위에 위치하는 시트상 구조체의 개소에 대하여 행하는 것인 프리폼의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압을 행하는 상형의 압압력을 가압용 압압력과 본압용 압압력의 2단계로 제어하는 것인 프리폼의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압을 행할 때, 가압을 행하는 상형 이외의 나머지 상형의 적어도 일부를 하형에 근접시키는 것인 프리폼의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트상 구조체를 구성하는 강화 섬유 기재가 강화 섬유 직물을 포함하는 것인 프리폼의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트상 구조체를 구성하는 강화 섬유 기재가 탄소 섬유 기재를 포함하는 것인 프리폼의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트상 구조체가 강화 섬유 기재의 적층체를 포함하는 것인 프리폼의 제조 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, RTM(Resin Transfer Molding, 수지 트랜스퍼 성형) 성형용의 프리폼을 제조하는 것인 프리폼의 제조 방법.