탄소섬유(CFRP)

[좋은하루]

CFRP란

섬유강화 플라스틱(FRP)이나 섬유강화 금속(FRM)이 연구 개발되었으나 CFRP는 이들의 복합재료(composite materials) 중에서 가장 연구가 앞선 재료이다. 현재는 우주항공기재료로서 스포츠 레저용품 재료로서 없어서는 안될 재료이다. 강화소재인 탄소섬유(carbon fiber)는 레이온, 아크릴 섬유 또는 피치 섬유를 탄화소성하여 얻어지는데 아크릴 섬유로부터의 것이 가장 많이 쓰인다. 매트릭스 수지로서는 열경화성의 에폭시 수지가 가장 많이 쓰이고 있으며, 보다 내열성을 요하는 경우에는 폴리이미드 수지도 쓰인다. 상온으로 강도 240㎏f/㎟ 이상, 250℃에서 강도 유지율이 90% 이상으로 하는 목표를 위하여 연구가 계속되고 있다

       

CFRP의 가공법 (RTM, IMM)

 1) 고압RTM

고압 RTM - 고강성 코어와 우수한 표면 마감 처리 수지이송성형(resin transfer molding; RTM) 기술은 경주용 자동차와 우주항공 산업에서 강도가 높은 대형, 경량 구조부품을 제조하는데 처음 사용되기 시작했다. 독일 뮌헨 소재 크라우스마파이 테크놀로지즈(KraussMaffei Technologies GmbH)사와 독이 에핑 소재 디펜바허(Dieffenbacher GmbH & Co. KG)사는 이러한 구조부품을 대량생산하기 위해 고압 수지이송성형(RTM-HD) 기술과 함께 계량공급 및 성형 등을 포함한 전체 공정을 개
발하고 있다

이 자동화된 공정에서는 면포(綿布) 또는 직물을 롤에서 풀어 내어 절단장치에서 필요한 길이로 절단한다. 수지 보강용 재료로는 유리, 탄소, 아라미드 또는 천연 섬유가 사용되며 이런 섬유들을
혼합 사용하기도 한다. 서로 다른 방향성을 가진 연속섬유의 개별층들은 최종 완성된 부품의 내부 응력 분포에 적합하게 구성된다.
이 층들은 싸매거나 또는 결합제(바인더)를 사용하여 서로 고정된다. 이런 재료와 구조로 먼저 보강용 프리폼을 성형한 다음, 적당한 장치를 사용하여 금형 내부로 삽입하는 것이다.
금형 내에 삽입할 때에는 정밀하고 정확한 위치 결정이 중요하며, 위치에 오차가 있으면 각 보강재 층의 상대적인 위치가 달라지게 되므로, 이를 위하여 직물층 구조는 금형 내에서 고정용 표면에
의하여 고정된다.

금형이 닫히면 용융된 수지가 자체적으로 청소되는 고압 혼합 헤드를 통해 사출 주입된다.
고압사출 방식은 저압사출에 비하여 섬유를 용융수지에 더 빨리 적실 수 있다, 뿐만 아니라 금형에 수지를 빠른 속도로 채울 수 있으므로 2.5분 이내에 130°C 이하의 금형 온도에서 경화되는 부품
을 성형할 수 있다. 성형시간은 부품의 크기와 두께에 따라서 달라지며, 성형제품의 기공 발생을 억제하고 우수한 표면품질을 얻을 수 있다.
이처럼 사이클 시간이 짧아서 대량생산에 적합한 것이다. 성형부품에 요구되는 조건에 따라서 다양한 반응성 수지 기재(매트릭스)를 선택 사용하게 된다

완제품 상태의 구조부품 제조를 위한 콤팩트형 생산 셀

가열온도는 고온온도계를 사용하여 측정하며, 설정된 온도에 도달하면 로봇이 성형가능한 상태로  공된 유기질 시트를 금형에 삽입하여 기계에 설치되어 있는 유압식 침들로 제 위치에 고정시킨다.

이와 동시에 반대편에서는 완제품이 금형에서 취출된다. 로봇의 그리퍼에도 고온온도계가 설치되어 유기질 시트를 오븐에서 꺼내어 금형에 삽입할 때까지 시트의 온도를 모니터링한다.
공정에 문제가 발생하여 가열된 유기질 시트 반제품이 금형에 즉시 삽입되지 못하고 온도가 설정값 이하로 내려가면 그 시트는 다시 재성형할 수 없으므로 분리제거된다.
금형 내에서는 누름장치가 유기질 시트를 지정된 위치에 고정시켜서 금형이 닫히면 안내 핀에 의해서 캐비티 속으로 주름 없이 완전히 미끄러져 들어가게 된다.
금형 내에 삽입된 시트 반제품에는 보강 리브가 후방 사출성형되고(backinjected)
부품의 둘레는 완전히 오버몰딩 된다. 이 오버몰딩에 의하여 가장자리가 밀봉되어 내부의 섬유를 보호하고 수분 등이 침투하여 층이 분리되는 것을 막아준다

[좋은하루]

FRP의 개량수지, 초근 자동차 부품 경량화로 CFRP 주목