ＲＴＭ 성형방법 및 장치 document_id A220623020271

FRP, 특히 CFRP(탄소 섬유 강화 수지)는 경량이면서도 높은 기계적 성질을 가지는 복합재료로서 여러 가지 분야에서 이용되고 있다. FRP 성형방법의 하나로서, 형에 강화 섬유 직물의 적층기재 등으로 이루어지는 강화 섬유 기재를 얹어놓고, 형 닫음 후, 형 내를 감압해서 액상 수지를 주입하고, 가열 경화시키는 RTM 성형방법이 알려져 있다. 또, 이러한 종래의 성형에 있어서, 상하의 부형 형으로 끼워 넣음으로써, 성형 형에 배치하기 전에 사전에 강화 섬유 기재에 어느 정도의 형상 부형하는 것도 제안되어 있다(특허 문헌 1). 종래의 RTM 성형방법에 있어서는, 일반적으로는, 1개의 주입구로 수지를 가압 주입한다. 그리고, 경우에 따라서는, 복수의 수지 배출구를 설치하고 있다. 그러나, 이러한 종래 방법에서는, 유동하는 수지량을 크게 설정하는 것이 곤란한 점, 수지 주입구가 하나인 점에서, 대형품의 RTM 성형이 곤란하다고 하는 문제가 있다. 즉, 수지를 유동시키고 있는 동안에, 수지가 겔화가 진행되어(수지 점도가높아져), 성형품의 전역에 수지가 흐르지 않는 경우가 있다. 또, 수지에 지연제를 첨가해서 겔화 시간을 연장시키면, 시간이 걸려도 전역에 수지를 유동시키는 것은 가능하지만, 소정의 수지 유동에 시간이 걸려, 생산 속도, 생산량이 저하한다. 또한 대형품, 특히 비교적 큰 삼차원 면상체를 성형함에 있어서 1개의 주입구로 수지 유동시키면, 형상에 따라서는 수지가 흐르지 않는 영역이 생기는 경우가 있다. 수지 배출구를 복수 설치해서 수지 유동을 제어해도, 양호하게 성형 가능한 복잡한 구조에는 한계가 있다. 한편, 수지 주입을 성형체의 전면에서 일제히 행하는 방법으로서, RFI(Resin Film Infusion)법이 있다. 이 방법은, 미 함침의 강화 섬유 기재에 반경화의 수지 필름을 접합한 상태로 가열하고, 용융된 수지를 핫 프레스 등으로 가압해서 함침시키는 방법인데, 복잡한 형상의 성형이 어렵고, 강화 섬유 기재의 일부분에 미 함침 부분이 생기기 쉬운 등의 문제가 있다. 어느 정도 복잡하면서도 대형 성형품에서도 함침시키는 방법으로서 예를 들면, 특허 문헌 2에 기재된 방법 등이 있다. 이 방법에서는, 상기 RFI법의 수지 필름 대신에 예를 들면, 스펀지재에 용융 수지를 함침시킨 매트릭스 수지의 담지체를 이용하는 방법이며, 개선된 방법이지만, 대형품을 염가로 간이적 수법으로 가압 함침시키는 방법으로서 피 성형체 전체를 배깅 필름으로 덮은 상태로 그 안을 감압하는 방법을 취하고 있기 때문에, 최대라도 0.1MPa의 가압력 밖에 발생하지 않기 때문에, 두꺼운 것이나 세부까지 완전하게 함침할 수 없는 등의 문제가 있다. 이들 방법은, 모두 최초부터 용융된 매트릭스 수지를 유동시키면서 강화 섬유 기재에 함침시켜 가는 방법은 아니기 때문에, 미 함침부 발생의 원인이 남아 있다. 또, 종래의 RTM 성형방법으로서 1개의 주입 라인으로부터 수지를 가압 주입하는 방법도 알려져 있다. 예를 들면, 성형품이 다각형의 형상(복수 변)으로 이루어지는 경우, 수지 주입은 1변으로부터 대향하는 다른 변을 향해 주입된다(예를 들면, 특허 문헌 3, 특허 문헌 4). 그러나, 이러한 방법에서는 1변으로부터 대향 변을 향해 수지는 확실히 순차 강화 섬유 기재에 함침하면서 유동해 가지만, 성형품이 비교적 대형으로 되면 수지 유동에 막대한 시간을 필요로 하고, 경우에 따라서는 수지가 유동중에 겔화 시간에 이르러 버려 완전하게 함침하기 전에 유동이 정지한다고 하는 문제가 있다. 그래서, 상기 특허 문헌 3과 같이, 수지 주입 라인을 성형품의 복수 개소에 설치해서 순차 주입해서 나갈 방법이 제안되어 있지만, 이 방법은 성형품의 성형 영역 내로부터 수지 주입하기 때문에, 코어를 이용해서 해당 코어의 양면에 강화 섬유 기재를 배치하는 샌드위치 성형품에 대해서는 성형 형 면 측에서의 주입을 할 수 없어 적용할 수 없다. 또, 샌드위치 성형품이 아닌 경우에도, 양면 형인데다가 표면에 높은 의장성이 요구되는 성형품의 성형에는 적용할 수 없다. 이와 같이, 상기와 같은 종래의 RTM 성형방법에서는, 비교적 대형의 성형품을 효율적으로 성형하는 것이 곤란했다. 통상, 비교적 많은 형으로 이루어지는 RTM 성형 형에는, 성형에 막대한 시간을 필요로 하는 점에서 생산성이 낮다고 하는 큰 문제가 있다. 한편, 성형 형이 상하 형인 구성에서는, 상기의 강화 섬유 기재의 형 면에의 세트는 비교적 용이하면서도 세트 시간도 단시간으로 할 수 있는 이점이 있는 반면, 일반적인 수지의 주입 방법, 즉 0.2 내지 1.OMPa의 압력으로 가압하고, 각별히 유속을 컨트롤하지 않고 수지 주입했을 경우는, 수지가 압력에 따른 유속으로 형 내에 유입되어 가서, 비교적 단시간에 형 내에 수지가 충전되지만, 강화 섬유 기재가 수지 유동으로 흐트러지거나, 유속이 빨라서 불균일한 흐름이 생겨 성형품의 표면에 보이드나 핀 홀이 다수 발생하는 경우가 있다. 특히, 성형 시간을 단축하거나, 대면적의 성형품을 단시간에 성형하기 위해서, 수지의 토출 압력을 0.5MPa 이상의 고압으로(따라서, 고속으로) 수지 주입하는 경우는, 강화 섬유 기재(특히, 평직물)의 방직 조직의 흐트러짐이 생기기 쉽고, 또 고속으로 수지가 형 내를 유동하기 때문에, 형 내의 캐비티 치수 불균일(특히, 두께 불균일)이나 기재의 미묘한 두께 불균일이나 기재끼리의 오버랩 등에 의한 부분적인 기재 구성의 차이에 따라 유동 저항이 유동 영역 내에서 불규칙해지기 때문에, 균일한 흐름을 유지할 수 없는 점에서, 국소적으로 「흐름의 앞지름」등이 생겨 큰 보이드가 발생하는 경우가 있다. 또한, 실제로 해당 기재 부분에 수지가 흘러 오고는 있지만, 흐름이 빠르기 때문에 예를 들면, 직물의 짜임새에 있던 기체가 빠질 틈이 없어 체류해 버려, 핀 홀로서 표면에 결함을 발생시키는 경우가 있다. 이러한 기재 흐트러짐이나 보이드, 핀 홀 등의 의장성에 관계되는 외관 품위의 저하를 가져오는 종래의 성형 조건이나 성형 프로세스에서는, 성형 시간의 단축화를 위한 고속 주입을 행하면서, 높은 표면 품위를 확보하는 것은 곤란하다. 성형품의 사이즈가 커지면 커질수록, 아무래도 고속 수지 주입하는 점에서, 이러한 외관 품위 상의 결함은 발생하기 쉽다. 이러한 의장성에 관계되는 보이드나 핀 홀의 발생에는, 수지의 유동 상태가 크게 영향을 주는 점에서, 강화 섬유 기재의 밀도, 즉 단위면적당 실의 중량도 중요한 인자로 된다. 1층 당의 강화 섬유의 단위면적당 실의 중량은 수지의 유동 저항이나 기포의 제거 용이성에 영향을 주기 때문에, 수지 유동 조건에 따른 적정한 단위면적당 실의 중량으로 설정할 필요가 있다. 이 단위면적당 실의 중량의 적정화는 단순히 표면 품위의 면뿐만 아니라, 프리폼의 작업성이나 강도 이용률 등의 관점에서도 설정할 필요가 있다. 즉, 단위면적당 실의 중량이 너무 커서 기재의 강성이 커지면 형 면에 강화 섬유 기재가 따르기 어려워서 입체 형상에의 부형이 어려워져, 프리폼화에 막대한 작업시간이 걸리거나, 그때에 기재 흐트러짐을 일으켜 FRP 성형품의 역학 특성이 저하하는 사태를 초래하는 경우가 있다. 즉, 효율적인 생산을 행하기 위해서는, 생산 조건(성형 사이즈·형상, 성형 조건 등)에 맞는 단위면적당 실의 중량이 존재한다. 또, 성형 조건 중에서, 특히 온도나 수지 주입 압력이 표면 품위에 주는 영향도는 높다. 주입되는 수지 자체의 온도나, 금형으로 가열되는 수지 온도가 높은 경우, 수지 점도가 낮아져 유동성이 높아지고, 기재에의 수지 함침성은 좋지만, 점도 상승률이 높아져 급격하게 유동성이 악화되어, 성형품이 큰 경우는 수지의 유동이 도중부터 감속해서, 미 함침을 초래하는 경우가 있다. 겨우 전역에 수지가 유동해도, 점도가 높아진 영역에서는, 미 함침에는 이르지 않아도 보이드나 핀 홀이 다발하는 경우가 있다. 한편, 금형 온도에 불균일이 있거나, 성형중에 변화하거나 하면 형 내에 남아 있던 극미소한 기포끼리가 접촉하여, 보이드나 핀 홀로 발전하는 큰 기포로 성장하는 경우가 있다. 또, 압력도 적당한 것이 중요하다. 즉, 너무 높아 수지 유속이 빨라져, 기재의 방직 조직을 흩트리거나, 캐비티 내에서 체적 팽창해서 기포를 발생시키거나, 너무 낮아 잔존 기포를 작게 압축할 수 없는 경우가 있다. 또, 반응성 수지로부터 경화 과정에서 반응 가스가 생기거나, 이미 수지 중에 내포하고 있던 미세한 가스(기포)가 시간과 함께 성장해서 커져, 보이드나 핀 홀로 성장하는 경우도 있으므로, 수지가 기재에 함침한 후에는 가능한 한 빨리, 신속하게 경화하는 편이 좋다. 해당 반응성 수지의 재료 특성이 성형 수율에 주는 영향도는 매우 높고, 예를 들면, 경화제의 종류에 따라서는 수지의 반응의 초기에 반응속도가 최대로 되어, 시간이 경과한다. 따라서 반응속도가 저하하고, 그 때문에 경화에 필요로 하는 시간이 길어지는 경우가 있다. 이것에 대해서, 성형 형의 온도를 상승시켜 경화 시간을 단축하려고 하면, 이번에는 초기의 점도 상승이 과대로 되어, 수지 주입·유동시에 점도가 과도하게 상승하여, 결국에는 겔화 되어 버려, 성형이 도중에 정지하여 미 함침 부분을 생기게 하는 경우도 있다. 이와 같이, FRP 성형(특히, RTM 성형)에서는, 성형 사이즈(면적)에 따른 적정한 성형 조건이나 재료 특성이 존재하고, 적정한 조건으로 성형하지 않으면, 품질면, 특히 표면 품위의 점에서 문제를 일으키기 쉽다고 말할 수 있다. 또한, 성형품의 표면 품위를 향상시키는 것을 목적의 하나로 해서, RTM 성형에 앞서, 상하의 부형 형으로 끼워 넣음으로써, 성형 형에 배치하기 전에 사전에 강화 섬유 기재에 어느 정도의 형상 부형하고, 그대로 강화 섬유 기재만을 성형 면에 직접 배치할 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 전술의 특허 문헌 1). 그런데 상기와 같은 종래의 성형법에 있어서는, 주입, 경화되는 수지가, 충분히 고루 퍼져 강화 섬유 기재에 구석구석까지 함침되어 있지 않으면, 보이드나 핀 홀 발생의 원인으로 되어, 성형품의 기계적 특성을 저하시키거나, 표면 품위의 저하를 초래하게 된다. 특히 표면에, 그 중에서도 의장면측에 보이드나 핀 홀이 나타나면, 통상, 수지를 보충하는 등의 보수를 행하고 있지만, 이 보수에 시간이 걸려, 제조 공정 전체의 효율을 저하시키게 되어 있다. 이러한 의장면의 표면 품위를 해치는 보이드나 핀 홀의 발생을 방지하는 대책으로서 표층기재의 표면에 랜덤 매트층을 형성하는 경우가 있다. 이 랜덤 매트층이 최외층으로 되기 때문에 「서페이스 매트」라고 불리는 연유이기도 하고, 특히 프리프레그/오토클레이브 경화법, RFI(Risin Film Infusion) 및 핸드레이업법 등에서는, 가끔 적용되고 있다. 그런데 그 구성으로서는, 후술하는 본 발명에 따른 양태에 비해, 표층기재와 랜덤 매트층이 완전히 교체된 기재 구성으로 되어 있다. 이러한 기재 구성으로 RTM 성형이나 진공 성형 등과 같이, 드라이 기재에 수지 유체를 주입하고, 유동시켜 함침시켜 가는 성형방법에서는, 수지의 유동에 의해 기포도 유출시킬 필요가 있어, 아무래도 수지 유동성이 낮은 개소에는 보이드가 발생하거나, 기포가 잔류한 채로 핀 홀로 되기 쉽다. 전술과 같은 랜덤 매트를 표면 매트로서 이용하고, 최외층에 배치해서 RTM 성형이나 진공 성형방법으로 FRP 성형했을 경우, 드라이 기재 상태인 랜덤 매트가 금형 면에 밀어 붙여지고, 단위면적당 실의 중량이 작은 랜덤 매트는, 숭고성(嵩高性)이 낮기 때문에 금형 면과 랜덤 매트 간의 간극이 매우 작다. 그 때문에, 그 간극에의 수지 유동이 나쁘고, 결과적으로 그 개소에 보이드나 핀 홀이 발생하기 쉽다. 이와 같이, 특히 RTM 성형방법이나 진공 성형방법에 있어서는, 최외층(표층의 의장면)에 랜덤 매트층을 형성해도 보이드나 핀 홀의 발생을 방지할 수 없다. 특허 문헌 1:일본 특허 공개 2003-305719호 공보 특허 문헌 2:일본 특허 공개 2002-234078호 공보 특허 문헌 3:일본 특허 공개 평 8-58008호 공보 특허 문헌 4:일본 특허 공개 2003-11136호 공보