제조공정
산업 제조
오늘날 제품 및 응용 분야에서 섬유 강화 플라스틱의 사용은 다양한 특성으로 인해 극적으로 높아졌습니다. 그들은 비교적 새로운 종류의 비 부식성, 고강도, 경량 재료입니다. 주요 구성 요소는 유리(유리 섬유), 탄소(탄소 섬유 강화 폴리머), 아라미드 또는 현무암과 같은 섬유를 포함하는 플라스틱입니다. 종이, 나무 또는 석면과 같은 다른 섬유도 사용되지만 일반적이지 않습니다.
섬유 강화 플라스틱 또는 폴리머(FRP)는 항공 우주, 자동차, 해양 및 건설 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 이 모든 내용은 이 기사에서 자세히 설명합니다.
오늘 우리는 섬유 강화 플라스틱의 정의, 응용, 구성 요소, 속성, 유형, 성형 공정 및 재료 요구 사항을 자세히 살펴보겠습니다. 그들의 장점과 단점도 알게 될 것입니다.
섬유 강화 폴리머라고도 하는 섬유 강화 플라스틱(FRP)은 특히 플라스틱의 탄성과 강도를 기계적으로 증가시키기 위해 섬유 재료를 사용하는 복합 플라스틱으로 분류됩니다. 그들은 원래 플라스틱(보통 단단하지만 약함)인 폴리머 매트릭스로 구성됩니다. 재료는 강화 재료와 혼합되어 원하는 재료 또는 기계적 특성을 가진 최종 제품을 생성합니다. 이것을 자세히 이해하자!
통상적으로 중합체는 일반적으로 중합 또는 부가 중합의 과정에 의해 형성된다. 다양한 에이전트와 결합하여 재료 특성을 향상시키거나 증가시킬 수 있으며, 이를 플라스틱이라고 할 수 있습니다. 복합 플라스틱은 원하는 특정 재료 및 기계적 특성을 가진 최종 제품을 얻기 위해 서로 다른 재료 특성을 가진 두 개 이상의 균질한 재료로 만들어진 플라스틱 유형입니다. 합성 플라스틱의 좋은 예는 섬유 강화 플라스틱입니다. 왜냐하면 섬유 재료는 플라스틱의 강도와 탄성을 기계적으로 향상시키는 데 사용되기 때문입니다. 폴리머는 일반적으로 비닐 에스테르 또는 폴리에스테르 열경화성 플라스틱, 에폭시, 페놀-포름알데히드 수지도 사용됩니다.
다음은 다양한 분야에서 FRP의 응용입니다.
섬유 강화 플라스틱은 현대의 고급 자동차, 트럭 및 트레일러 차체 사이딩에서 금속을 대체하고 있습니다. 강도는 거의 같으나 무게가 다르며, 또한 높은 중량 대비 강도 비율은 자동차 산업의 성배이기 때문입니다. FRP는 강철보다 파단점이 높고 강하고 뻣뻣하며 가벼운 재료로 속도를 높이면서 연료 소비를 향상시킵니다. 재료는 원하는 구성 요소를 형성하기 위해 쉽게 성형됩니다. 이 복합 플라스틱의 활용도는 이 분야에서 극적으로 높습니다.
흡기 매니폴드와 같은 엔진 부품에는 유리 FRP와 같은 섬유 강화 플라스틱이 사용됩니다. 이는 무게를 최대 60%까지 줄이고 디자인을 간소화합니다. 그러나 유리 FRP는 탄소 FRP에 비해 약하고 쉽게 구부러질 수 있습니다.
오늘날 우리의 일상 생활에서는 특히 스포츠맨을 위한 장비를 더 쉽게 들 수 있습니다. 탄소와 기타 섬유 강화 플라스틱을 사용하여 제품을 만들기 때문입니다. FRP의 거의 6%가 소비재 생산에 사용되고 있습니다. 악기 또는 그 구성 요소, 총기, 캠핑 텐트, 카메라 삼각대와 같은 기타 품목도 이러한 자료의 혜택을 받았습니다.
아라미드로 알려진 화합물을 FRP에 사용하면 매우 높은 열 및 내충격성 재료가 생성됩니다. 사용하면 뛰어난 기계적 강도를 얻을 수 있습니다. 이것이 방탄복, 내화복, 방폭 차량, 구조물 제작에 완벽한 이유입니다.
건설 분야는 교량과 도로를 포함한 섬유 강화 플라스틱의 약 20%를 차지했습니다. 건설에 FRP를 적용하면 기존 구조물의 슬래브, 기둥 또는 보를 개조할 수 있습니다. 이것은 하중 지지 능력을 향상시키거나 손상을 수리합니다. 섬유 강화 플라스틱은 설계된 것보다 훨씬 더 큰 하중을 견디는 오래된 구조물을 장비할 때 매우 비용 효율적이고 유용합니다.
FRP는 또한 간판, 가드레일, 배수 시스템 및 교량 데크와 같은 고속도로 구조물을 제조하는 데 사용됩니다. 자동 스카이웨이, 전신주 및 가스, 수도 및 하수 파이프라인도 이 재료를 활용합니다. FRP는 조립식 주택을 짓는 데 완벽할 수 있지만 가정 및 비즈니스 사무용 가구, 가전 제품, 수영장, 빗물 받이, 욕실 장비, 파이프 피팅 및 후드에 널리 사용됩니다.
예상대로 FRP에 대한 수요는 산업 및 에너지 응용 분야에서 300% 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 특히 전자 및 전기 부품에서.
대부분의 FRP는 우수한 전기 절연체이며 부식성 물질을 포함한 거친 환경 화학 물질을 견디며 열로 인한 열화에 저항할 수 있습니다. 또한 상대적으로 불연성이며 구조적 무결성이 우수하며 자외선에도 견딜 수 있습니다. Glass-FRP는 비자성이며 스파크에 저항할 수 있어 전력 부품에 유용합니다.
마지막으로 강화 플라스틱은 풍력 터빈 블레이드를 구성하고 가스 탱크의 저장 모듈에 사용됩니다.
항공 우주 분야에서 FRP의 적용은 더 낮은 환경 비용과 추가 개발로 인해 증가하고 있습니다. FRP의 탄소 섬유는 무게를 25% 줄이지만 알루미늄 시트와 비교할 때 동일하거나 더 큰 강도를 보장합니다. 그들은 좋은 인장 강도를 제공하고 열악한 환경과 극도로 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 그러나 열에 거의 팽창하지 않고 높은 강성을 가지고 있습니다.
항공 우주 산업에서 FRP를 적용하는 것은 처음에는 비용이 많이 들지만, 연료 소비, 여행 길이 및 비용, 공기역학적 안전성 등에 대한 영향으로 인해 추가 중량이 1g 추가될 때마다 부담되기 때문에 여전히 더 많은 비용을 절약할 수 있습니다.
탄소-FRP를 사용하면 복잡한 부품을 쉽게 성형할 수 있어 부품 수를 95%나 줄일 수 있습니다. 이는 강철 또는 주조 알루미늄과 같은 다른 재료에 비해 생산을 더 간단하고 저렴하며 빠르게 만듭니다. 현대의 거대 항공기는 50% 이상의 탄소-FRP로 만들어지며 고급 드론의 헬리콥터 로터 블레이드와 같은 부품도 점점 더 탄소-FRP로 만들어지고 있습니다.
섬유 강화 폴리머는 목재, 선박 또는 해양 해안 환경에서 이상적인 대체품이 되었습니다. 이것은 감소된 구조적 중량을 얻고 내식성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 기타 응용 분야로는 해상 기지 및 회전 교량을 위한 플로팅 둑길 및 플랫폼이 있습니다.
다음은 섬유 강화 플라스틱을 구성하는 구성 요소입니다.
선택한 섬유는 일반적으로 복합 재료의 특성을 제어합니다. 건축에 사용되는 세 가지 주요 유형의 섬유는 탄소, 유리 및 아라미드입니다. 예를 들어 탄소 섬유 강화 폴리머의 경우 CFRP와 같이 강화 섬유로 명명되는 경우가 많습니다. 섬유 유형을 구별하는 가장 일반적이고 중요한 특성은 인장 변형률과 강성입니다.
매트릭스는 섬유 사이에 힘을 전달할 수 있으며 해로운 영향으로부터 섬유를 보호합니다. 열경화성 수지는 이 상황에서 거의 독점적으로 사용됩니다. 가장 일반적인 매트릭스는 비닐 에스테르와 에폭시입니다. 잘. 에폭시는 종종 비닐 에스테르보다 선호되지만 더 비쌉니다. 에폭시 매트릭스의 가사 시간은 섭씨 20도에서 약 30분이지만 다른 제형으로 변경할 수 있습니다. 강도, 결합, 크립 특성 및 내화학성이 우수합니다.
그림 2:Fiber Plus Matrix 생산 FRP
또한, 섬유 강화가 없는 원래의 플라스틱 재료를 매트릭스 또는 결합제로 알려져 있습니다. 이 매트릭스는 더 강하고 더 강한 강화 필라멘트 또는 섬유로 강화된 단단하고 상대적으로 약한 플라스틱입니다. 섬유 강화 플라스틱에서 강화되는 강도와 탄성 수준은 매트릭스와 섬유의 기계적 특성에 따라 다릅니다. 서로에 대한 부피, 매트릭스 내의 섬유 길이 및 방향도 고려됩니다. 매트릭스의 강화는 FRP 재료가 매트릭스 단독의 강도 및 탄성에 비해 증가된 강도 또는 탄성을 나타낼 때 정의에 의해 발생합니다.
앞서 언급한 바와 같이 섬유 강화 플라스틱의 특성은 매트릭스 및 섬유의 기계적 특성과 같은 요인에 따라 달라집니다. 둘 다의 부피와 길이, 그리고 매트릭스에서 섬유의 방향입니다.
FRP가 널리 고려되는 이유는 무게는 가볍지만 엄청나게 강하고 피로도가 좋기 때문입니다. 또한 충격과 압축 특성이 독특한 이유입니다. 이것이 자동차 산업이 자동차를 더 강하게 만들 뿐만 아니라 더 빠르고 연료 효율적으로 만들기 위해 금속을 더 가벼운 재료로 대체할 수 있었던 이유입니다.
섬유 강화 플라스틱은 우수한 단열성, 구조적 무결성, 내화성, UV 복사 안정성, 화학 물질 및 부식성 저항성과 함께 독특한 전기적 특성과 고급 환경 저항성을 보여줍니다. 음, 이 모든 것이 위에서 언급되었습니다.
다음은 특정 유형의 강화 폴리머를 얻는 데 사용되는 섬유입니다.
좋은 절연체 역할을 하는 유리는 매트릭스와 결합될 때 유리 섬유 또는 유리 강화 플라스틱을 형성합니다. 유리로 강화된 플라스틱은 자기장이 없고 전기 스파크에 강하기 때문에 전력 산업에 유리합니다. 엔진 흡기 매니폴드에 통합되어 주조 알루미늄 매니폴드에 비해 무게가 60% 감소합니다. 마지막으로 이러한 재료의 표면 품질과 공기 역학이 향상되었습니다.
유리 FRP는 또한 단일 장치로 성형될 수 있기 때문에 자동차의 가스 및 클러치 페달에 사용되었습니다. 섬유는 특정 응력을 지지하는 방식으로 배향되어 내구성과 안전성을 높입니다. 그러나 이러한 강화 재료는 탄소 섬유 강화 재료와 같이 강하거나 단단하거나 취성이 아닙니다. 생산 비용이 많이 들 수 있습니다.
탄소 섬유 재료는 높은 인장 강도, 내화학성, 강성 및 온도 내성을 나타냅니다. 탄소 원자는 섬유 축을 따라 놓여 있는 결정을 생성하여 강도 대 부피 비율을 증가시켜 재료를 강화하는 데 도움이 됩니다. 앞서 설명한 바와 같이 탄소 섬유 강화 플라스틱은 스포츠 용품, 글라이더, 낚싯대 등에 사용됩니다.
탄소 FRP는 Airbus A310의 방향타에 통합되어 구성 요소 수를 95% 줄이는 데 도움이 되었습니다. 간단한 성형 부품으로 생산 비용과 운영 비용을 절감했습니다. 이제 판금 알루미늄으로 생산된 것보다 25% 더 가벼워 연료 효율이 높아집니다.
아라미드는 방향족 단량체(고리 모양의 분자)로 형성된 합성 폴리아미드로 분류됩니다. 이는 강한 내열성을 나타내므로 방탄복 및 내화복에 사용됩니다.
아라미드는 일반적으로 아민 그룹과 카르복실산 할라이드 그룹(아라미드) 사이의 반응에 의해 제조됩니다. 이것은 방향족 폴리아미드가 황산의 액체 농도에서 결정화된 섬유로 방사될 때 존재합니다. 그런 다음 섬유를 더 큰 실로 방적하여 큰 로프나 직조 직물로 엮습니다. 아라미드 섬유는 강도와 강성에 따라 다양한 등급으로 제조할 수 있으므로 제조 중 거친 재료를 절단하는 것과 같은 특정 설계 요구사항을 충족할 수 있습니다.
다음은 섬유 강화 폴리머의 주요 유형입니다.
유리 섬유는 규사, 석회석, 엽산 및 기타 소량의 성분을 혼합하여 만듭니다. 이 혼합물은 약 1260 0 에서 녹을 때까지 가열됩니다. C. 용융 유리는 백금 판의 미세 구멍을 통해 흐를 수 있습니다. 유리 가닥은 냉각되고, 모아지고, 감깁니다. 그런 다음 섬유를 당겨 치수 강도를 높일 수 있습니다. 그런 다음 복합 재료에 사용하기 위해 다양한 형태로 짜여집니다.
유리로 생산된 섬유는 알루미늄 석회 붕규산염 조성을 기반으로 하는 폴리머 매트릭스 복합 재료의 주요 보강재로 간주됩니다. 이는 높은 전기 절연 특성, 높은 기계적 특성 및 낮은 민감성 때문입니다.
일반적으로 유리는 내충격성이 좋은 섬유이지만 탄소나 아라미드보다 무게가 더 큽니다. 유리 섬유는 특정 형태에서 강철과 같거나 더 나은 우수한 특성을 가지고 있습니다.
유리 섬유 강화 폴리머 바
탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)
탄소 섬유 강화 폴리머 또는 플라스틱에서는 약 200-800GPa의 높은 탄성 계수가 확실합니다. 극단적인 연신율은 0.3-2.5%이며, 여기서 더 낮은 연신율은 더 높은 강성에 해당하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
탄소 섬유는 많은 화학 용액에 내성이 있으며 물을 흡수하지 않습니다. 또한 피로를 잘 견디며 부식되거나 변형되거나 이완되지 않습니다.
탄소 섬유 강화 폴리머 바
아라미드는 방향족 폴리아미드라고도 합니다. 아라미드 섬유의 잘 알려진 상표는 Kevlar라고 하지만 Twaron, Technora 및 SVM과 같은 다른 제품도 존재합니다. 섬유의 모듈러스는 품질에 따라 1.5-5%의 최종 신율과 70-200 GPA 범위입니다. 아라미드는 파괴에너지가 높아 헬멧, 방탄복 등으로 활용될 수 있다.
AFRP는 고온, 습기 및 자외선에 민감하며 토목 공학 응용 분야에서는 일반적이지 않습니다. 마지막으로, 아라미드 섬유는 이완 및 응력 부식에 문제가 있습니다.
강철과 비교한 다양한 유형의 FRP 특성
대부분의 섬유 강화 플라스틱 부품은 금형이나 도구로 만들어집니다. 사용된 금형은 오목한 암 금형, 수 금형일 수 있으며 부품은 상단 또는 하단 금형으로 완전히 둘러싸일 수 있습니다. 그러나 FRP 구성 요소의 모양을 설정하기 위해 일반적으로 단단한 구조가 사용됩니다. 부품은 "콜 플레이트"라고 하는 평평한 표면이나 "맨드릴"이라고 하는 원통형 구조에 놓일 수 있습니다.
섬유 강화 플라스틱의 성형 공정은 섬유 프리폼을 몰드 위 또는 안에 배치하여 수행됩니다. 이 섬유 프리폼은 건조 섬유 또는 "프리프레그"로 알려진 측정된 양의 수지를 이미 포함하는 섬유일 수 있습니다. 건조한 섬유는 손으로 수지로 적시거나 수지를 닫힌 금형에 주입합니다. 이 시점에서 부품이 경화되어 매트릭스와 섬유가 정확히 몰드 모양으로 남습니다. 수지를 경화시키는 또 다른 방법과 최종 부품의 품질을 향상시키는 방법은 열 및/또는 압력을 사용하는 것입니다.
다음은 섬유 강화 플라스틱의 다양한 성형 방법입니다.
이 성형 공정은 프리프레그 재료의 개별 시트를 겹쳐서 풍선형 블래더와 함께 암형 몰드에 넣는 것입니다. 그런 다음 금형을 닫고 가열된 프레스에 넣습니다. 마지막으로 블래더에 압력이 가해지면 재료 층이 금형 벽에 닿게 됩니다.
압축 성형 부품은 섬유 강화 플라스틱으로 알려져 있습니다. 따라서 플라스틱 블록, 고무 블록, 플라스틱 시트 또는 과립과 같은 원료를 그렇게 부릅니다. 압축 성형에 사용되는 플라스틱 프리폼에는 강화 섬유가 포함되어 있지 않습니다. 이 성형에서 SMC 또는 BMC의 예비 성형품 또는 충전물이 금형 캐비티에 배치됩니다. 그런 다음 금형을 닫고 열과 압력을 사용하여 내부에서 재료를 형성하고 경화합니다. 압축 성형은 패턴 및 릴리프 디테일에서 복잡한 곡선 및 창의적인 형태, 정밀 엔지니어링에 이르기까지 기하학적 형태에 대한 탁월한 디테일로 유명합니다.
프리프레그 재료의 각 시트는 레이업(laid-up)되고 개방된 몰드에 배치되며, 그런 다음 이형 필름, 블리더 또는 브리더 재료 및 진공 백으로 덮입니다. 부품에 진공을 가하고 금형을 열 압력 용기라고도 하는 오토클레이브에 넣습니다. 부품은 연속 진공으로 경화되어 라미네이트에서 갇힌 가스를 추출합니다. 이 공정은 길고 느린 경화 주기로 인해 성형을 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 항공우주 산업에서 일반적입니다. 시간 범위는 한 시간에서 몇 시간입니다. 이 정밀한 제어는 항공우주 산업에서 강도와 안전성을 보장하는 데 필요한 정확한 라미네이트 기하학적 형태를 만드는 데 도움이 됩니다. 그러나 느리고 노동 집약적입니다. 즉, 비용으로 인해 항공 우주 산업에 국한되는 경우가 많습니다.
섬유 강화 플라스틱의 이 성형 공정에서 프리프레그 재료 시트가 강철 또는 알루미늄 맨드릴 주위에 감깁니다. 이 프리프레그 소재는 폴리프로필렌 셀로 테이프 또는 나일론으로 압축됩니다. 부품은 진공 봉지에 담아 오븐에 매달아 일괄 경화됩니다. 경화를 수행한 후 첼로 테이프와 맨드릴을 제거하여 속이 빈 탄소 테이프를 남깁니다. 이것은 강하고 견고한 중공 탄소 튜브를 만드는 데 도움이 됩니다.
이 성형 공정은 섬유 강화재와 매트릭스가 성형 도구에 놓일 때 결합됩니다. 강화 섬유층을 개방형 몰드에 넣은 다음 젖은 수지를 직물 위에 붓고 직물에 작용시켜 젖은 수지로 포화시킵니다. 수지가 일반적으로 실온에서 경화될 수 있도록 금형을 얼마 동안 그대로 둡니다. 때때로 열이 제대로 경화되었는지 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 진공 백은 습식 레이업을 압축하는 데 사용됩니다. 유리 섬유는 이 공정에 가장 일반적이며 결과적으로 유리 섬유로 알려져 있습니다. 스키, 카누, 서핑보드 등과 같은 제품을 만드는 데 사용됩니다.
섬유 강화 플라스틱의 이러한 형성 과정을 수지 주입이라고도 합니다. 직물은 젖은 수지가 주입되는 금형에 놓입니다. 수지는 일반적으로 수지 이송 성형에서 진공 상태에 있는 공동으로 압력을 가해 강제로 넣습니다. 수지는 진공 보조 수지 이송 성형에서 진공 상태에서 캐비티로 완전히 당겨집니다. 이 프로세스는 정확한 공차와 상세한 성형을 보장합니다. 때로는 직물이 완전히 포화되지 않아 최종 모양에 얼룩이 생기는 경우가 있습니다.
이 과정에서 섬유 다발을 수지의 젖은 욕조를 통해 당기고 특정 방향으로 회전하는 강철 맨드릴에 감는 기계가 있습니다. 부품은 실온 또는 고온에서 경화됩니다. 맨드릴이 추출되어 최종 기하학적 모양이 남지만 상황에 따라 남습니다.
섬유 다발과 슬릿 직물은 수지의 젖은 욕조를 통해 당겨져 거친 부품 모양을 형성합니다. 포화된 재료는 가열된 폐쇄형 다이에서 압출되며 다이를 통해 지속적으로 당겨지면서 경화됩니다. 인발의 대부분의 최종 제품은 구조적 모양, 즉 I 빔, 각도, 채널 및 평판입니다. 재료는 사다리, 난간 시스템 탱크, 플랫폼, 파이프 및 펌프 지지대와 같은 모든 종류의 유리 섬유 구조를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
유리 섬유의 연속 가닥은 가닥을 자르고 폴리에스터와 같은 촉매 수지와 결합하는 휴대용 총을 통해 밀어냅니다. 그런 다음 함침된 잘게 썬 유리를 적절한 두께로 금형 표면에 쏘고 작업자가 옳다고 생각하는 디자인을 합니다. 초퍼 건 공정은 경제적인 비용으로 대량 생산에 이상적이지만 다른 성형 공정에 비해 강도가 약하고 치수 공차가 불량한 기하학적 형상을 생산합니다.
다음은 다양한 응용 분야에서 섬유 강화 플라스틱의 장점입니다.
섬유 강화 플라스틱의 큰 이점에도 불구하고 여전히 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 다음은 FRP의 단점입니다.
이 기사에서는 섬유 강화 플라스틱, 그 정의, 적용, 복합 부품 및 재료 요구 사항에 대해 배웠습니다. 또한 섬유 강화 플라스틱의 다양한 유형, 성형 공정 및 장단점에 대해서도 논의했습니다.
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제조공정
에폭시 전문업체인 Sicomin(프랑스 마르세유)은 GREENBOATS의 FLAX 27일 선박용 GreenPoxy 바이오 기반 수지 공급에 관해 해양 천연 섬유 복합 재료 제조업체인 GREENBOATS(독일 브레멘)와 파트너 관계를 맺었습니다. 이는 회사가 실현한 가장 완벽한 천연 섬유 복합재 프로젝트입니다. 지금까지. 또한 Sicomin은 핸드 라미네이션 및 주입 생산 공정이 천연 섬유 복합 재료에 최적화되어 있다고 말합니다. Bremen 시설에서 10년 이상 해양 및 산업 응용 분야용 천연 섬유 복합 재료를 생산해 온 GREE
제조 산업의 거의 모든 비즈니스에서 팔레트는 공급 및 유통 네트워크의 핵심 구성 요소입니다. 팔레트는 운송 산업의 바퀴만큼이나 제조업체의 인프라에 매우 중요합니다. 팔레트는 하역장, 트럭 뒤, 정원 공급 및 소매점 바닥에 활짝 열려 있는 모든 곳에 있습니다. 팔레트가 세미 트레일러의 열린 침대에서 대량 반품되고 배송 베이 외부에 쌓여 있는 것을 볼 수 있습니다. 당신이 볼 수 없는 것은 미국과 전 세계의 창고 안에 자리잡고 쌓이고 쌓인 수백만 개의 숨겨진 팔레트입니다. 수명 주기가 끝날 때 재활용되는 팔레트도 볼 수 있습니다. 그