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현화 사
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1 Chemical Curing of Thermoset Resins Combination of heat, pressure and time needed to cure resin called a Cure Cycle 복합재료의성형 Thermoset Composites low initial viscosity ability to attain high fiber with good Properties low volumes outgassing exotherm relatively brittle Thermoplastic Composites toughness recyclable bonding/welding unique repairability high volumes high viscosity

2 반응성가공 1 중합반응 ( 화학반응 ) 과성형공정이동시에일어나는가공방식 (e.g. 열경화성수지 ) 일반적인방법 중합 비드 분말 압출 Chip 사출압축 최종제품 2 반응성가공 유동성이있는단량체, 올리고머형태성형 3 반응성가공의장 단점 장 점 단 점 에너지절감 (No 재용융 ) 공정단순화 원가절감 금형체압이적어 ( 저점도 ) 크고복잡한형태제조가능 재료선택의제약 : 반응속도가빨라야함. 반응조건 : 온도, 압력이일반적인조건에크게벗어나지않아야함. 원료 ( 반응성있음 ) 의수송, 보관이어려움

3 Autoclave Processing Autoclave: 고온고압의반응기, heater, fan, 고압가스로구성 (Prepreg 로부터 ) 항공기날개, 경주용자동차, 샤시성형에이용고압가스 : 질소사용 Autoclave 성형순서 Prepreg cutting -> prepreg 를몰드의형상에맞게자른다. Computer controlled machine

4 Autoclave 성형순서 Laminate 적층및 Bagging -> 여러장의 prepreg + 첨가제 + 보조재료를조합하여성형용 stack 제작 -2 ~ 3 개의 prepreg 를적층할때감압하여기포제거 Autoclave 성형순서 Curing at autoclave -> stack 을 autoclave 에설치하여가열가압제품의성능에따라다양한 history 로가열가압

5 Autoclave 성형 Stack 을감압한상태에서 autoclave 에넣는다. ( 층간융착 ) Void: prepreg 자체의 void, 적층시배출되지못한공기, 습기휘발분등 -> 물성저하유발 Filament Winding 수지를뭍힌섬유를나사형또는 hoop 형으로감아서성형둥근모양또는관형에한정됨

Filament Winding 권취방식 Filament Winding Demolding To remove the mandrel, the ends of the parts are cut off when appropriate, or a collapsible mandrel (e.g., low melt temperature alloys ) is used.

6 Filament Winding 권취방식 Filament Winding Demolding To remove the mandrel, the ends of the parts are cut off when appropriate, or a collapsible mandrel (e.g., low melt temperature alloys ) is used. Curing is done in an Autoclave for thermoset resins (polyester, epoxy, phenolic, imide, silicone) and some thermoplastics (PEEK) Fibers are E-glass, S-glass, carbon fiber, and aramids (toughness and lightweight) Inflatable mandrels can also be used to produce parts that are designed for high pressure applications, or parts that need a liner, and they can be easily removed. Assemble mandrel

(c) 경화 : 금형내원료가충분히퍼진후금형내의전열로일정온도유지 (d) 제품취출 수지이송성형 (resin transfer

7 압축성형 (compression molding) SMC 등열경화성수지의성형에사용 (1) 동작 (a) 원료장전 : 놓는위치에따라압축시유동형태가달라지고섬유배향이달라져최종제품의성능에큰영향을준다. (b) 폐형 : 금형상판을하강시켜재료를압축유동시킨다. (c) 경화 : 금형내원료가충분히퍼진후금형내의전열로일정온도유지 (d) 제품취출 수지이송성형 (resin transfer molding) 금형 cavity 내에섬유 mat 및직물을미리위치시키고그사이로저점도수지를침투시킨후성형경화 섬유배향을미리제어함 저점도수지또는단량체사용

8 반응사출성형 (structural reaction injection molding) 보강섬유를제품형태로만들어 cavity 내에위치시킨후아주낮은점도의수지를사용하여 filing 시킴섬유배향을미리제어함 - 금형에단량체, 저분자량프리폴리머 ( 올리고머 ) 주입 금형내에서중합가교반응진행 1 일반사출과비교 RIM 일반 비고 금형주입물온도 ~60 200~300 에너지절감 금형주입물점도 0.01~1Pa s 10 2 ~10 5 Pa s 큰제품성형가능 ( 자동차범퍼등 ) ( 낮은압력, 저형체압 ) 금형온도 ~70 상온 사출압력 < 14MPa 70~150MPa 형체압 0.03kg/m 2 6~13kg/m 2 빠른사출주기 ( 고속생산가능 ) 반응속도가빠른 RIM 의경우 냉각시간으로결정

9 2 RIM 공정의원리 - 반응이되지않도록2개의저장탱크에분리 혼합과정필요 -SMC, BMC ( 미리섞어서가열 반응 ) ⅰ원료저장 : 성분별로 Tank에저장화학반응이일어나지않도록보관 e.g) Polyurethane : 폴리올 (-OH), 이소시아네이트 (-NCO) 공기, 수분, 기타불순물과의부반응시제품품질저하 ⅱ 원료배합 (Mixing) : 주원료, 가교제, 촉매, 발포제 온도조절, 배합비조절중요 ⅲ 혼합 : 균일한혼합및빠른혼합 Nozzle 을이용한고속분사로난류형성 ⅳ. 금형주입 -( 일반사출처럼 ) 스프루, 런너, Cavity, ( 때에따라서는 ) Static Mixer 혼합기의난류를층류로전환 (Flow Mark 등기포에의한 ) 하는장치 - 저점도에의한문제점들 ( 난류방지 ) - 금형재질 : 알루미늄또는합금 ( 열전도도 : 온도조절용이 ) - 사전경화 (Premature gelling) 방지 - 미성형 - 저온 : 경화시간이길어짐 ⅴ. 경화 (Curing) : 흐름정지, 화학반응진행저온주입 ( 사전경화방지 ) : 초기금형가열필요 ⅵ. 탈형 : 100% 경화전에탈형 (Cycle 단축 ) 중심부 : 고전환율, 표면 : 상대적으로저전환 ⅶ. 후경화 : 가열 Oven 내에서경화진행, Aging e.g. 후가공 : Rnner, Gate 절단, Flash 제거, 세척, 도장

10 구조반응사출성형 (structural reaction injection molding) 보강섬유를제품형태로만들어 cavity 내에위치시킨후아주낮은점도의수지를사용하여 filing 시킴섬유배향을미리제어함 Hand-lay-up/spary-up 낮은생산성, 소량다품종에적합나무나유리섬유강화플라스틱의금형이형제도포 -> 섬유 mat, 직물 loading -> 수지도포 -> 반복 -> 상온경화 Spray-up : 크기가다소큰제품

11 인발성형 (pultrusion) 막대, 파이프, I 형빔과같이단면형상이일정한긴제품성형 Roving 이나 mat 는넓은폭에서좁게빠른경화수지에주로사용됨여분의수지는 preform die 에서걸러짐 압출성형 (extrusion molding) 1. 압출기 (Extruder) 란? 압출기란성형재료를가열을통하여유동상태로만들고, 용융상태의성형재료를스크류로사용하여압축하며전진시켜특정모양의다이 (Die) 를통과시켜, 특정한단면을가지는제품을연속적으로성형하는장치로서압출기의스크류 (Screw) 는펠렛이나비드상태의재료의공급, 압축, mixing, 균일화, 이송기능을가진다.

Types of Extruders Single screw extruders : polyolefin

extruders: plastics compounding production

12 Types of Extruders Single screw extruders : polyolefin pipe, film production Twin-screw extruders Co-rotating extruders: plastics compounding production Counter-rotating extruders: PVC pipe and profile producti on Ref :2 Single Screw Extruder C.D. L C: Channel D: Diameter C.D.: Channel Depth F: Flifht Ref :1 P: Pitch R: Root T: Tip ф: Helix angle

13 Functions of Extruders 1. The feeding zone: Conveying High output: high degree of slippage on the screw channel su rface and a low degree of slippage on the barrel. Polished screw Grooved barral Long pitch distance 2. The compression (melting) zone: melting and pressurizing The compression ratio = the channel depth at the compression zone divided by the channel depth in the feed zone 3. The metering zone : pumping 스크류내의흐름 압출기에있어서토출량, 수지온도, 압출물의균일성, 소비동력, 토출안정성등의성능은대부분이스크류디자인에의해결정된다. 최적의스크류디자인을결정한다는것은매우어려운문제로써표준이될수있는기준을마련한다는것자체에곤란을거듭하고있다. 스크류디자인에있어서압출공정에영향을미치는요인중에서폴리머의용융특성, 열적성질, 물리적특성을이해하는일, 압출이론의한계를이해한해석과경험적지식의축적이중요한작용을한다.

스크류내의흐름 [ 고체이송단계 ] 그림 : 초기고체이송양상 ( 아르케미언이송 ) 그림 : Solid Bed 이송이론 - 호퍼를통해공급된원료는초기그림에서보듯이아르케미안이송을통해이송된다.

14 (1) 풀플라이트스크류 가장일반적인풀플라이트스크류는 [ 그림 1] 에나타낸것과같이피드 ( 공급 ) 부분과압축부분그리고계량부분으로나뉜다. 스크류형상은스크류의외경및나선의피치를일정하게하고나선의높이를조정함으로써압축비를조절하는것이일반적이다. 스크류형상을표시하는값으로써다음에서기술하는항목이있으며, 이는스크류의특성을판단하는하나의기준도된다. 스크류내의흐름 [ 고체이송단계 ] 그림 : 초기고체이송양상 ( 아르케미언이송 ) 그림 : Solid Bed 이송이론 - 호퍼를통해공급된원료는초기그림에서보듯이아르케미안이송을통해이송된다. - 다음단계로전진방향으로압축되어고체덩어리 (Solid Bed) 로뭉쳐진다. - 고체덩어리는그상태로스크류회전에의한끌림힘 (Drag Force) 으로이송된다. - 이때중요한고체이송변수로는스큐류각도, 회전속도, 고체층과바렐, Screw 면과의마찰계수이다. - 일반적으로마찰계수의정량화가매우어려워서정량적인해석이어렵다. - 마찰을높이기위하여 Grooved Barrel 을사용하기도한다.

스크류내의흐름 [ 용융단계 ] 그림 : Tadmor 용융모델 그림 : 용융과정의이론적해석 -

- 용융과정은기본적인 Tadmor 용융이론으로설명될수있는데, 그림과같이바렐 Heater

- Tadmor 이론의여러변형모델이존재하며, 이이론에의해 Double Flight screw 등이디자인됨.

압력흐름과끌림흐름의비 ) - 용융이송단계는완전히용융된재료가스큐류의회전에의한끌림흐름 (Drag flow) 과전방 Die

15 스크류내의흐름 [ 용융단계 ] 그림 : Tadmor 용융모델 그림 : 용융과정의이론적해석 - 고체이송단계를거쳐용융단계로이송된고체층은압축되는스크류공간에서점차용융된다. - 용융과정은기본적인 Tadmor 용융이론으로설명될수있는데, 그림과같이바렐 Heater 에의한열과고체층과바렐사이의좁은공간에서의마찰열에의해용융되는것으로알려졌다. 일반적으로바렐로부터공급되는열보다는마찰열이용융의주요에너지원이다. - Tadmor 이론의여러변형모델이존재하며, 이이론에의해 Double Flight screw 등이디자인됨. 스크류내의흐름 [ 용융체이송단계 ] 그림 : 용융이송단계의속도 Profile 그림 : 용융체의스큐류내이송경로 (rd: 압력흐름과끌림흐름의비 ) - 용융이송단계는완전히용융된재료가스큐류의회전에의한끌림흐름 (Drag flow) 과전방 Die 의저항에의한압력흐름이복합되어좌상그림과같은단면속도분포를가지며흐른다. - 스크류면방향의흐름은끌림흐름과 Die 저항에의한압력흐름의비율에따라, 右上그림과같은흐름패턴을가진다. - 이외에도스큐류 Tip 과바렐사이의틈으로의흐름도있으나, 매우미미하므로무시하지만, 스크류마모가심한경우는이틈을통한 Back Flow 의증가로압출량감소및탄화의원인이될수있다.

16 Conventional Screws Compression zone Polymer solid Polymer melt Barrier Screws Barrier - flights Polymer solid Polymer melt Ref : 2

17 Barrier Flights Ref :3 Battenfeld Extrusion System Single Screw with Mixing Elements Ref:3

18 Die Swell Due to Release of normal strsee (elasticity recovery) Reducing die swell: Decreasing extrusion rate Increasing melt temperature Increasing the length of the die land Increasing the draw down rate (ratio of haul off rate to natural extru sion rate) without affecting output. Ref :1 Considerations of Die Design Maintain uniform wall thickness Part shape Die shape Ref :4

19 Considerations of Die Design Corner contraction and die swell Part shape Die shape Ref :4 사출성형

20 * Process & machine schematics * Schematic of thermoplastic Injection molding machine * Source:

21 Process Operation Temperature: barrel zones, tool, die zone Pressures: injection max, hold Times: injection, hold, tool opening Shot size: screw travel Processing window Temp. Thermal degradation Flash Shortshot Melt Pressure

22 Typical pressure/temperature cycle * * Time(sec) Time(sec) Cooling time generally dominates cycle time * Source: t cool = α = 10 ( half thickness) 3 cm 3 α sec for polymers 2 Injection mold die cast mold

Fountain Flow * ** * Source: http://islnotes.cps.msu.

29 Fountain Flow * ** * Source: ; ** Z. Tadmore and C. Gogos, Principles of Polymer Processing Weld line, Sink mark Gate Weld line Mold Filling Solidified part Sink mark * Source: Basic rules in designing ribs to minimize sink marks

30 Injection Molding * * * Source:

31 Part design rules Simple shapes to reduce tooling cost No undercuts, etc. Draft angle to remove part In some cases, small angles (1/4 ) will do Problem for gears Even wall thickness Minimum wall thickness ~ in Avoid sharp corners Hide weld lines Holes may be molded 2/3 of the way through the wall only, with final drilling to eliminate weld lines

The Top Ten Moulding Problems

The Top Ten Moulding Problems 900 1700 1960,,,,,,,,, FDA 1, II 500 100 (toughness) 1, 2 (screw) 25mm(01 ) (pellet) 3mm(0125 ), 23mm(009 ) 1,000kg(2,200lb) 25kg(551lb) 08g/cm 3 (50lb/ft 3 ) 1 2 3 4 (thermal shutoff), (heater band),