레이업 프로세스

Lay-Up process

레이업 공정은 복합 재료에 대한 몰딩 공정으로, 보통 연속 고분자 또는 세라믹 섬유와 열전자 고분자 액체 매트릭스로 만들어진 서로 다른 층의 특정 개수를 겹쳐서 최종 제품을 얻는다. 레이어드 레이업(Dry Lay-Up)과 웨트 레이업(Wet Lay-Up)으로 구분할 수 있으며, 레이어 사전 설정 여부에 따라 구분할 수 있다. 드라이 레이업은 항공우주산업에서 흔히 볼 수 있는 공정으로, 기계적 특성이 우수하고 복잡한 형태를 얻을 수 있기 때문에 이 분야에 필요한 특성이다. 반대로 Wet Lay-Up은 기계적 특성이 우수한 단방향 원단을 허용하지 않기 때문에 다른 모든 분야에 주로 채택되는데, 일반적으로 성능면에서 요구사항이 낮다.[1][2]

레이업 공정의 주요 단계는 절단, 적층, 중합이다.[citation needed] 일부 생산단계는 자동화할 수 있지만, 이 공정은 주로 수동(Hence는 종종 Hand Lay-Up 공정이라고 함)으로, 다른 기법과 관련하여 생산원가가 높고 생산률이 낮은 라미네이트로 이어진다.[citation needed] 그래서 요즘은 10~1000부대의 소형 시리즈 생산에 주로 적합하다.[2][3]

커팅

직물을 자르는 것이 레이업 공정의 첫 번째 단계다. 일반적으로 섬유는 인장 강도가 높지만 전단 강도는 보통 상당히 낮기 때문에 절단하기가 상당히 쉽다. 이 프로세스는 수동, 반자동 또는 완전 자동이 될 수 있다.[1]

레이저 커터.
워터젯 커터. #1: 고압수 흡입구. #2: 보석. #3: 연마재. #4: 배합관. #5: 경비. #6: 절수제트. 7위: 절삭 재료

절단 도구에 관한 한 가장 흔한 것은 가위, 절단기, 칼, 톱이다. 보다 자동화된 대안으로는 더 많은 직물 층을 동시에 절단할 수 있기 때문에 전체 비용을 제한하면서 더 높은 생산률을 달성할 수 있는 다이 커팅 시스템이 있다.[citation needed] 이러한 방법은 운영자와 다른 기술을 필요로 하며 다른 피니시 정밀도를 제공하지만 모두 기계적 절차로 절삭 공구와 섬유 사이의 물리적 접촉이라는 하나의 큰 단점이 있다.[4] 마찰력이 적은 대안적 공정은 초음파법으로, 고주파 기계적 진동에 의해 작동되는 블레이드로 직물을 절단하는 것으로 구성되며, 시스템에 통합된 내부 공급원에 의해 생산된다.[1] 또한 레이저 커팅과 워터젯 커팅과 같이 완전히 접촉이 없는 커팅 기법도 있는데, 둘 다 보통 CNC 기계에 내장되어 있다.[citation needed] 전자는 아래에 있는 물질을 기화시키는 수렴성 방사선 빔을 통해 얻으며, 가압 가스를 사용하여 휘발성 입자와 용해된 물질을 제거한다. 후자는 음속의 2.5배에 달하는 고압 액체 빔을 기반으로 하여 원단에 압력을 발생시켜 재료의 압축 저항성보다 높으며 그물 절단을 초래한다.[citation needed] 이 두 가지 방법 모두 절삭 방법을 선택하기 전에 고려해야 할 공통적인 단점을 공유한다. 즉, 보가 절삭 축을 따라 고온 영역을 생성하여 소재의 물리적 특성을 크게 변경할 수 있다.[1][5]

절단 과정에서 고려해야 할 기본 매개변수는 내포 배치로, 찌꺼기를 줄이기 위해 직물에서 절단할 여러 모양의 배열이다.[citation needed] 패턴은 일반적으로 디지털 방식으로 생성되며 가능하면 CNC 기계에 주거나 손으로 복제한다.[1]

라미네이션

직물의 래미네이션은 레이업 공정의 두 번째 단계다. 모든 층을 정확한 순서와 정확한 방향으로 겹치는 절차다. 습식 레이업(Wet Lay-Up)의 경우 원단이 이미 함침되어 있지 않기 때문에 본 작업에는 수지의 조제가 포함된다. 라미네이션은 일반적으로 층 내의 입자 포함을 방지하기 위해 클린룸에서 수행되며, 최종 제품의 특성에 방해가 될 수 있다.[1]

마이크로 시스템 생산에 사용되는 클린룸.

가장 중요한 도구는 몰드인데, 도포에 따라 수컷이나 암컷이 될 수 있다. 복합재료의 수축과 열팽창계수, 필요한 강성, 필요한 표면마감, 드래프트 각도와 벤딩 각도에 따라 다른 재료로 제작할 수 있다.[citation needed] 또한 주형은 래미네이션 온도에서 안정되어야 하며 작동 압력을 견뎌야 하며 마모에 대한 내성이 있어야 하며 사용되는 다른 공구와 호환되어야 하며 용매 세척에 대한 내성이 있어야 하며 방출제를 쉽게 도포해야 한다.[6]

라미네이션의 첫 번째 단계는 수지와 몰드 자체 사이의 접착을 방지하기 위해 근본적인 곰팡이에 방출제를 도포하는 것이다. 표면 마감에 필요한 경우, 껍질 플라이 층을 추가할 수 있다.[citation needed] 필름은 도포된 표면의 특정 거칠기를 얻고, 보관 중에 보호하며, 중합 시 휘발성 입자를 가두는 데 사용되는 나일론 필름이다.[citation needed] 그런 다음, 모든 직물 레이어가 플라이북의 지침에 따라 중첩되는데, 여기에는 이 과정에서 수행될 모든 작업 목록이 수록되어 있다.[citation needed] 보통 중간 압축은 공기를 배출시키고 더 나은 기계적 특성을 가진 최종 제품을 얻기 위해 4개 또는 5개 층마다 수행된다.[1]

진공 가방.

모든 직물 층을 제자리에 배치한 후, 맨 위에 또 다른 층의 필플라이를 적용하여 첫 번째 층과 동일한 목적을 가진다. 다른 계층들의 시퀀스 위에: 다른 계층들에서 물러났지만 아직도 과잉의 수지를 통과할 수 있는 위 분리해 석방 영화,이 주요 기능은 과도한 수지를 흡수하는 것이다 피를 흘린,;장벽은 호흡에서 피를 흘린 분리를 위해;은 호흡, 진공 homogeneou를 배포하는[표창 필요한]추가됩니다.그 e를 가로질러 교활한.외측 표면과 진공 백의 접힌 부분이 라미네이트 표면으로 전달되지 않도록 하기 위해; 진공 백은 일반적으로 나일론으로 만들어지며 진공 펌프로 생성된 진공 상태를 유지할 수 있는 유연한 폴리머 필름이다. 또 다른 중요한 요소는 진공 백을 밀폐하는 데 사용되는 밸브와 실란트 입니다.[1][7][8][9]

이 프로세스는 수동, 반자동 또는 완전 자동이 될 수 있다. 완전히 손으로 할 경우 라미네이션은 길고 어려운 공정이다(요구되는 엄격한 공차로 인해). 그 대안은 반자동("기계적으로 보조된"이라고도 함) 공정으로, 층을 처리하는 기계로 구성되며, 이 공정은 운영자에 의해 주형에 적용된다. 자동 테이프 배치 기계와 같은 기계가 층을 올바른 위치와 방향으로 배치할 수 있다면 그것은 완전히 자동이다. 이러한 자동적인 방법으로 높은 생산율에 도달할 수 있다.[1]

중합

라미네이트의 중합은 레이업 공정의 세 번째이자 마지막 단계다. 이 단계는 최종 제품의 필요한 특성을 얻기 위해 가장 중요하다.[1]

오토클레이브와 산업용 오븐의 중합화

이 과정은 진공 펌프만으로 실온에서, 진공 조절을 위해, 진공 펌프에 연결된 산업용 오븐의 도움으로, 온도와 진공 조절을 위해, 또는 오토클레이브를 사용하여 온도, 진공, 정수압 조절을 할 수 있다.[1][10]

페르시코 마린 오토클레이브.

오토클라베이의 중합은 최고의 기계적 성질을 가진 라미네이트를 얻을 수 있는 기술이지만 가장 비싸고 개방형 몰드만 사용할 수 있다. 이점은 압력이 복합 레이어를 결합시키고 공기 포함 물질과 휘발성 제품을 배출시켜 공정의 품질을 높이는 데 도움이 된다는 데 있다.[8][11] 직물과 수지의 각 조합은 점도와 젤 포인트와 같은 섬유와 수지 성질의 습윤성에 따라 자체 최적의 중합 주기를 가진다.[citation needed] 일반적으로 온도, 압력 및 진공에 대한 세 사이클을 실험적으로 연구하여 세 매개변수의 최상의 조합을 얻는다. 산업용 오븐에서의 중합은 유사하지만 압력 조절이 없다. 그것은 덜 비싸고 따라서 매우 높은 기계적 강도와 강성 특성을 가질 필요가 없는 모든 라미네이트에 사용된다. 더욱이 산업용 오븐은 일반적으로 오토클라브보다 크기 때문에 비표준 치수를 가진 부품에 사용된다.[1]

매치 다이 몰딩을 이용한 중합성

일치된 다이 몰딩을 사용한 중합체는 평면이나 단순 지오메트리 라미네이트에 사용되며 진공 펌프와 전기 또는 유압 열원을 포함할 수 있다. 부품의 두께를 조절하기 위해 폭이 조절되는 구성부품의 모양과 간격을 형성하기 위해 가까이 있는 남녀 주형 프레스로 제작되었다. 압력은 자동 압축기와 같이 수압을 가할 수 없고 수직 압력만 가할 수 있다. 매치 다이 몰딩은 매우 높은 수준의 치수 제어, 양쪽 표면의 양호한 표면 마감 및 합리적인 생산 속도를 가능하게 하지만, 다른 한편으로 섬유 정렬이 잘못될 수 있고 매우 비싸다.[1][8][12]

문제

Meola 등이 항공 우주 복합 재료 평가에서 적외선 열학에서 지적했듯이, "복합 재료 제작 중에 섬유/재생 오정렬, 섬유 파손, 수지 균열 또는 횡단 플라이 균열, 공극성, 슬래그 포함, 균일하지 않은 섬유/레진 보(vo)가 발생할 수 있다.루메 비율, 결합되지 않은 중간 라미나 부위, 키스 결합, 잘못된 치료법 및 가공된 구멍 및/또는 절단 주변의 기계적 손상."[13]

또한 중합성 복합 재료의 절단과 관련된 세 가지 주요 문제를 고려해야 한다. 첫째는 보강 섬유가 연마성이기 때문에 수명이 매우 짧고 가장자리가 뭉툭하면 재료가 손상되기 때문에 전통적인 절삭 도구는 적합하지 않다는 것이다.[citation needed] 두 번째는 복합재료가 열전도율이 낮아 축열과 변형을 일으킬 수 있다는 점이다.[citation needed] 마지막은 절삭 시 복합재료가 탈염되는 경향이 있으므로 절삭법을 선택할 때 이를 고려할 필요가 있다.[14][15]

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m Sala, Giuseppe; Di Landro, Luca; Airoldi, Alessandro; Bettini, Paolo (2015). Tecnologie e Materiali Aerospaziali (1st ed.). Politecnico di Milano. pp. 1-24 (Chapter 37).
  2. ^ a b Callister Jr, William D.; Retwisch, David G. Materials Science and Engineering: an introduction (8th ed.). Wiley. pp. 626-667 (Chapter 16). ISBN 978-0-470-41997-7.
  3. ^ Swift, K. G.; Booker, J. D. Manufacturing Process Selection Handbook. p. 165.
  4. ^ Fuchs, A.N.; Schoeberl, M.; Tremmer, J.; Zaeh, M.F. (2013). "Laser Cutting of Carbon Fiber Fabrics". Physics Procedia. 41: 372–380. Bibcode:2013PhPro..41..372F. doi:10.1016/j.phpro.2013.03.090.
  5. ^ Masoud, Fathi; Sapuan, S.M.; Mohd Ariffin, Mohd Khairol Anuar; Nukman, Y.; Bayraktar, Emin (2020). "Cutting Processes of Natural Fiber-Reinforced Polymer Composites". Polymers. 12 (6): 4. doi:10.3390/polym12061332. PMC 7361972. PMID 32545334.
  6. ^ Sala, Giuseppe; Di Landro, Luca; Airoldi, Alessandro; Bettini, Paolo (2015). Tecnologie e Materiali Aerospaziali (1st ed.). Politecnico di Milano. pp. 1-24 (Chapter 42).
  7. ^ "What is Vacuum Bagging?". Coventive Composites. 2018-09-20. Retrieved 2018-10-01.
  8. ^ a b c Eckold, Geoff (15 January 1994). Design and manufacture of composite structures. Woodhead Publishing Limited. pp. 273–277. ISBN 1-85573-051-0.
  9. ^ Mallick, P. K. (15 March 2010). Materials, design and manufacturing for lightweight vehicles. Woodhead publishing. pp. 227–228. ISBN 978-1-84569-463-0.
  10. ^ United States Department of Labor. "Polymer Matrix Materials: Advanced Composites".
  11. ^ Jawaid, Mohammad; Thariq, Mohamed; Saba, Naheed (3 October 2018). Mechanical and Physical Testing of Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites. Elsevier. p. 55. ISBN 978-0-08-102292-4.
  12. ^ Tatara, Robert A. (2011). Applied Plastics Engineering Handbook. Elsevier. p. 289.
  13. ^ Meola, Carosena; Boccardi, Simone; Carlomagno, Giovanni Maria (29 June 2016). Infrared thermography in the evaluation of aerospace composite materials. Elsevier. p. 16. ISBN 978-1-78242-172-6.
  14. ^ Jawaid, Mohammad; Thariq, Mohamed; Saba, Naheed (3 October 2018). Mechanical and Physical Testing of Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites. Elsevier. pp. 135–136. ISBN 978-0-08-102292-4.
  15. ^ FibreGlast. "Composite Laminate Cutting".