1. 탄소섬유 핫프레스 탱크 공정에 대한 자세한 설명

밀폐된 압력 용기(핫 프레스 탱크)를 이용해 금형 위에 놓인 탄소섬유 프리프레그(미리 함침된 수지 섬유)에 제어 가능한 고온, 고압, 진공 환경을 가하여 고형화하여 고성능 복합재 부품을 성형하는 첨단 제조 공정입니다.

2. 탄소섬유 핫팟 공정 개요

핫 프레스 캔 공정은 고성능, 고정밀, 복잡한 구조의 탄소섬유 복합재 부품을 제조하는 주류 방식입니다. 핫 프레스 탱크가 제공하는 균일한 열 분포, 고압(가스 압력), 진공 음압 환경을 구현합니다.

3. 핫팟 프로세스의 특징

고압 및 균일한 압력: 고압 가스(일반적으로 압축 공기 또는 질소, 수 MPa 이상의 압력)가 모든 방향에서 진공 백에 균일하게 가해집니다.

높은 섬유 부피 함량과 낮은 다공성을 달성하기 위한 핵심은 층의 균일한 압축을 달성하는 것입니다. 대기압에만 의존하는 진공 백 프레싱 공정보다 우수함

균일한 가열: 핫 프레스 탱크 내부의 열풍 순환 또는 히터는 매우 균일한 온도 필드를 제공하여 전체 부품(특히 대형 복합 부품)의 동시 경화를 보장하고 열 응력 변형 및 내부 응력을 줄입니다.

4. 탄소 섬유 핫 프레스 탱크의 공정 흐름

1. 자료 준비

사전 함침 재료 선택 및 절단: 설계 요구 사항에 따라 적절한 탄소 섬유 사전 함침 재료(수지 유형, 섬유 유형, 표면 밀도, 층 방향)를 선택합니다. 자동 절단기 또는 수동 정밀 절단을 사용하여 원하는 모양과 각도를 얻습니다.

보조 재료 준비: 해당 크기와 종류의 진공 백 필름, 통기성 펠트, 이형 천, 이형 필름, 밀봉 스트립, 진공 조인트, 감압 테이프 등을 준비합니다.

2. 금형 설계 및 준비

금형 설계: 공작물의 모양, 치수 정확도, 열팽창 계수 일치, 강성, 강도(고압에 견딜 수 있는 정도), 탈형 방법, 가열 효율, 밀봉 등을 고려합니다. 일반적인 재료로는 강철, Invar(저팽창 합금), 복합 재료 몰드 또는 실리콘 고무 소프트 몰드가 있습니다.

금형 세척 및 이형제 코팅: 금형 표면을 철저히 청소하여 그리스나 먼지가 없는지 확인합니다. 고온 이형제(예: 왁스 또는 반영구 이형제)를 금형 작업 표면에 고르게 도포(스프레이 또는 닦기)하여 절연 층을 형성합니다.

때때로 이형 천을 사용하여 금형 표면에 놓습니다.

3. 레이업

사전 함침된 재료 놓기: 설계된 배치 순서, 각도 및 위치에 따라 절단된 사전 함침된 재료 층을 금형 표면에 정확하게 배치합니다. 주름, 정렬 불량 및 이물질이 들어가지 않도록 정확한 정렬이 필요합니다. 때로는 레이어 사이를 압축하고 배출해야 하는 경우도 있습니다.

삽입물 배치: 필요한 경우 금속 삽입물, 사전 경화 패치, 커넥터 또는 코어 재료(허니콤, 폼 등)를 배치합니다.

4. 진공 포장

이는 매우 중요하고 세심한 단계입니다.

보조 재료의 순차적 배치: 레이어 표면을 순차적으로 덮습니다.

이형 천: 수지가 통기성 펠트에 달라붙는 것을 방지하여 부품의 표면 품질을 보장합니다.

통기성 펠트/흡수성 펠트: 레진 흐름과 가스 배출을 위한 채널을 제공합니다. 흡수성 펠트는 과도한 수지를 흡수하는 데에도 사용됩니다.

절연 필름(예: FEP 필름): 옵션, 통기성 펠트/접착 펠트가 진공 백 필름에 달라붙는 것을 방지합니다.

진공 백 필름: 전체 층과 금형 가장자리를 덮어 밀폐된 공간을 형성합니다.

밀봉: 밀봉 테이프를 사용하여 진공 백 필름을 몰드의 밀봉 가장자리에 단단히 접착하여 공기가 새지 않도록 합니다.

진공 배관 연결하기: 적절한 위치(일반적으로 통기성 펠트 위)에 진공 연결 파이프를 설치하고 진공 호스를 핫 프레스 탱크의 진공 시스템에 연결합니다.

진공도 테스트: 진공화(일반적으로 최소 -0.08MPa 이상에 도달해야 함), 밀봉 상태 확인, 누출 여부 확인, 일정 시간 동안 압력 유지 등을 수행합니다. 진공도는 압축과 배기를 보장하는 핵심 요소입니다.

5. 핫 프레스 성형(경화 사이클)

포장된 금형 부품을 핫 프레스 캔에 밀어 넣고 캔 도어를 닫은 후 밀봉합니다.

진공 펌핑: 진공 시스템 시작, 진공 레벨 유지 및 모니터링

가압: 탱크에 압축 가스(공기 또는 질소와 같은 불활성 가스)를 채우고 설정된 프로그램에 따라 목표 값까지 압력을 가합니다(일반적으로 단계적으로). 진공 백을 통해 작업물에 압력이 고르게 전달됩니다.

가열: 가열 시스템(열풍 순환 또는 히터)을 시작하고 정밀하게 설정된 온도 시간 곡선(경화 곡선)에 따라 온도를 올립니다. 이 곡선은 레진 시스템의 경화 동역학(가열 속도, 단열 플랫폼 온도 및 시간, 냉각 속도 등)에 의해 결정됩니다.

단열재 경화: 목표 경화 온도에서 충분한 단열 시간을 유지하여 수지가 완전히 가교되고 경화되도록 합니다. 이 단계에서는 압력과 진공이 지속적으로 유지됩니다.

냉각: 이 프로그램은 열 응력으로 인한 부품의 변형이나 균열을 방지하기 위해 냉각 속도(일반적으로 느리게)를 제어합니다. 일반적으로 초기 냉각 단계에서는 압력과 진공을 유지해야 하며, 나중에 서서히 해제할 수 있습니다.

압력 해제: 온도가 안전한 범위로 떨어지면 탱크 내부의 압력을 천천히 해제합니다.

캔에서 꺼냅니다: 캔 도어를 열고 몰드 구성품을 꺼냅니다.

6. 탈형 및 후처리

진공 백 시스템 분해하기: 진공 백 필름과 모든 보조 재료(이형 천, 통기성 펠트 등)를 조심스럽게 제거합니다.

탈형: 금형 설계된 탈형 메커니즘 또는 도구를 사용하여 경화된 부품을 금형에서 조심스럽게 분리합니다. 부품과 금형 손상을 방지하려면 기술이 필요합니다.

가장자리 트리밍 및 가공: 버, 접착제 흐름 및 공정 여유분을 제거합니다. 최종 치수 및 조립 요구 사항을 충족하기 위해 드릴링, 절단, 밀링 등 필요한 기계 가공을 수행합니다.

비파괴 검사: 초음파 검사(UT), X-레이, 충격 검사 및 기타 방법을 사용하여 공작물 내부에 박리, 기공, 내포물과 같은 결함이 있는지 검사합니다.

표면 처리: 청소, 연마(필요한 경우), 후속 도장 또는 조립 준비

최종 검사 및 배송: 치수, 외관, 성능 등에 대한 최종 검사를 실시하고 검사 통과 후 납품합니다.

5. 탄소 섬유 열간 압착 탱크 공정의 장단점

장점

매우 높은 품질의 부품: 높은 섬유 부피 함량(>60%), 극도로 낮은 다공성(<1%), 최적의 기계적 특성(강도, 강성, 피로 성능).

우수한 표면 품질: 접촉 금형 표면(점착 표면)은 클래스 A 또는 클래스 A에 가까운 표면 평활도를 달성할 수 있습니다.

뛰어난 치수 정확도 및 안정성: 높은 금형 정확도, 균일한 경화 압력, 균일한 열장, 우수한 부품 크기 제어 및 변형 최소화

복잡한 구조를 형성하는 강력한 기능: 크고 복잡한 곡면, 다양한 두께, 강화 리브, 샌드위치 구조 및 다른 방법으로는 형성하기 어려운 기타 구성 요소를 제조할 수 있습니다.

높은 프로세스 성숙도: 수십 년 동안 항공우주 및 기타 분야에 적용된 이 공정은 완벽한 표준과 사양으로 안정적이고 신뢰할 수 있습니다.

다양한 소재 선택: 다양한 고성능 수지 매트릭스(에폭시, 비스말레이마이드, 폴리이미드, 열가소성 수지 등) 및 탄소 섬유 프리프레그에 적합합니다.

단점

1. 장비 비용이 매우 높음: 대형 핫 프레스 탱크 자체와 지원 시설(공기 압축기, 진공 시스템, 냉각 시스템, 제어 시스템)에 대한 투자 비용이 막대합니다.

2. 높은 금형 비용: 고온 및 고압 저항, 고정밀, 낮은 열팽창 계수(예: Invar)가 필요한 금형은 제조가 어렵고 비용이 높습니다.

3. 막대한 에너지 소비: 가열, 가압 및 진공 공정은 매우 많은 양의 에너지를 소비합니다.

4. 긴 공정 주기: 준비, 배치, 포장, 경화, 냉각 및 후처리의 전체 프로세스(특히 두꺼운 벽으로 된 대형 부품 경화의 경우)에 오랜 시간이 소요되어 생산 효율이 상대적으로 낮습니다.

5. 보조 재료의 높은 소비량과 비용: 진공 백 시스템 재료는 일회용 소모품으로 사용량이 많고 비용이 많이 듭니다.

6. 복잡한 작업과 경험에 대한 의존도: 레이팅 및 포장 공정은 숙련된 작업자의 의존도가 높으며, 경화 공정 파라미터의 공식화 및 최적화에도 심도 있는 전문 지식이 필요합니다.

7. 크기 제한: 구성 요소의 크기는 핫 프레스 캔의 부피에 의해 제한됩니다.

8. 환경 문제: 수지는 고온 및 고압에서 휘발성 유기 화합물(VOC)을 방출할 수 있으므로 처리가 필요합니다.

6. 탄소 섬유 열간 압착 탱크 기술의 응용 분야, 향후 개발 동향

응용 분야

항공우주(핵심 분야) 항공기 주요 하중지지 구조물(날개, 동체 패널, 꼬리 지느러미, 빔, 리브), 엔진 부품(팬 블레이드, 케이싱), 위성 구조물, 우주선 부품, 무인항공기 구조물 등

고급 스포츠 장비: 자전거 프레임, 테니스 라켓, 골프 클럽, 레이싱 부품, 조정 보트, 고성능 스키/폴 등

자동차 산업(고성능/레이싱): F1 레이싱 싱글 쉘 바디, 구조 부품, 섀시 부품, 고성능 스포츠카 바디 커버링 부품의 프로토타입 부품 등

국방 및 군수 산업: 미사일 본체, 레이더 커버, 무인 항공기 구조물, 장갑차 부품 등

산업 분야: 고급 의료 장비 부품(예: CT/MRI 스캐닝 베드 플레이트, 정형외과용 기기), 로봇 팔, 정밀 기기 구조 부품, 고급 오디오 진동판 등

새로운 에너지: 풍력 터빈 블레이드(일부 핵심 부품), 수소 실린더, 연료 전지 부품 등

요약

탄소 섬유 핫 프레스 캔 공정은 최고 성능과 최고 품질의 복합 재료 부품, 특히 크고 복잡한 구조 부품을 제조하는 데 있어 최고의 표준입니다.

핫 프레스 탱크가 제공하는 균일한 고온, 고압 및 진공 환경을 통해 재료의 완전 압축, 낮은 다공성 및 정밀 제어 가능한 경화 반응을 달성하여 부품에 탁월한 기계적 특성과 치수 정확도를 부여합니다.

그러나 높은 장비, 금형, 에너지 및 재료 비용과 긴 공정 주기는 광범위한 적용을 가로막는 주요 장애물입니다.

이 공정의 핵심 적용 분야는 항공우주, 고급 스포츠 장비, 고성능 자동차/경주용 자동차, 국방 및 군수 산업 등 매우 엄격한 성능과 높은 부가가치가 요구되는 분야에 집중되어 있습니다.