탄소 섬유 시트, 탄소 튜브, 성형 부품 등 탄소 섬유 제품이 어떻게 만들어지는지 알아보기

탄소 섬유 제품 , 경량성과 고강도라는 뛰어난 특성 덕분에 항공우주 분야의 항공기 부품, 자동차의 차체 구조, 스포츠용 고품질 장비 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 소재가 기본 원료로부터 실용적인 제품으로 만들어지는 과정은 어떻게 이루어질까요? 다음은 카본 시트, 카본 튜브 및 카본 파이버 성형 부품 제작의 핵심 포인트에 대한 상세한 소개입니다.

원자재 준비

의 핵심 원자재는 카본 파이버 제품 카본 파이버 실과 매트릭스 재료로 구성됩니다. 카본 파이버 필라멘트는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 등의 유기 섬유를 고온에서 탄소화시켜 제조되며, 지름이 수 마이크론에 불과해 머리카락보다 훨씬 가늘지만 일반 철강보다 훨씬 강도가 높습니다. 이러한 카본 파이버 필라멘트는 대개 후속 성형 작업을 용이하게 하기 위해 카본 파이버 직물 또는 카본 파이ber 실 형태로 가공됩니다.

매트릭스 재료는 주로 에폭시 수지 및 기타 고분자 재료로 구성되어 있으며, 탄소섬유 필라멘트를 서로 결합할 뿐만 아니라 응력을 전달하고 동시에 외부 환경의 습기, 부식성 물질 등의 피해로부터 탄소섬유 필라멘트를 보호하는 중요한 역할을 한다. 생산 전에는 다양한 제품의 성능 요구 사항에 따라 적절한 사양의 탄소섬유 필라멘트와 매트릭스 재료를 선택하고 엄격한 품질 검사를 실시하여 원자재의 품질이 생산 기준을 충족하는지 확인한다.

탄소 시트(적층 성형)

탄소 보드는 주로 적층 성형 공정을 사용하여 제작되며, 스키나 배드민턴 라켓 프레임과 같은 제품에 자주 사용된다.

우선 설계 요구 사항에 따라 절단한다 탄소섬유 프리프레그 , 프레프레그는 탄소섬유 천의 기본 재료로 미리 함침된 것으로, 절단 오차를 0.1mm 이내로 통제해야 후속 제품의 치수 정확도를 보장할 수 있습니다.

절단된 프레프레그는 이후 특정 방향과 순서로 적층됩니다. 일방향 적층은 탄소 시트에 한 방향으로 높은 강도를 부여하여 단일 방향의 힘을 견뎌야 하는 구조 부품에 적합하며, 교차 적층은 탄소 시트에 다방향에서 우수한 성능을 제공하여 복잡한 하중 조건을 받는 부품에 적합합니다.

그 후, 적층된 프레프레그를 금형에 넣고 5-10MPa의 압력을 가해 프레프레그가 금형의 형태에 밀착되도록 한 다음, 금형을 열가압기 또는 오븐에 넣고 120-180°C의 온도에서 2-4시간 가열 및 경화시킵니다.

경화가 완료된 후, 탄소판은 몰드에서 제거되며, 사용 기준에 맞추기 위해 샌딩 및 절단 등의 후속 가공이 수행됩니다.

탄소 튜브(와인딩 및 성형)

탄소 튜브는 드론 프레임 및 골프 클럽과 같은 제품에 일반적으로 사용되는 와인딩 및 성형 공정을 통해 주로 제작됩니다.

와인딩 머신의 와인딩 파라미터는 탄소 튜브의 크기 및 성능 요구 사항에 따라 설계되며, 이 중 와인딩 각도는 핵심 파라미터 중 하나입니다. 와인딩 각도가 $\pm 45$도일 때 탄소 튜브의 비틀림 저항이 우수하며, 와인딩 각도가 0도일 경우 탄소 튜브의 축 방향 강도가 높아집니다.

탄소섬유 실은 침지 장치를 통해 기재로 완전히 침지되며, 침지된 실이 만들어진 후 5-15Nm의 장력으로 몰드에 감겨지며, 감김 공정 중 내내 장력을 균일하게 유지하여 탄소튜브의 안정적인 품질을 보장해야 한다.

감김 후 탄소튜브는 몰드와 함께 경화 오븐에 넣고 100-150°C에서 1-3시간 동안 경화시킨다.

경화가 끝나면 몰드를 제거한다. 몰드 제거 방식은 그 재질과 형태에 따라 달라지며, 일부는 직접 뽑아낼 수 있고, 일부는 용해하여 제거해야 한다. 마지막으로 탄소튜브를 다듬고 연마하여 치수 오차를 0.05mm 이내로 유지한다.

성형 부품(성형)

자동차 부품, 의료기기 부품 등과 같이 복잡한 형상을 가진 탄소섬유 성형 부품은 일반적으로 성형 공정을 사용하며, 대부분 이러한 공정이 적용된다.

우선, 성형 부품의 형상에 따라 고품질 정밀 금형을 설계 및 제작해야 하며, 금형 표면 거칠기는 Ra0.8 이하로 유지되어야 합니다. 금형의 정밀도는 성형 부품의 치수 및 형상 정확도에 직접적인 영향을 주기 때문입니다.

탄소섬유 천 또는 탄소섬유 매트를 금형의 형상에 맞는 크기로 절단하고, 그 표면에 매트릭스 재료를 균일하게 도포하여 두께가 일정하도록 한 후 금형에 넣고 프레스를 통해 10-20MPa의 압력을 가해 탄소섬유 재료가 금형 캐비티에 완전히 밀착되도록 합니다.

금형을 가열 장치에 넣고 130-170℃의 온도에서 3-6시간 동안 가열 및 경화시킵니다. 경화 과정에서는 온도와 압력을 엄격히 관리하여 성형 부품 내 기포, 균열 등의 결함이 발생하지 않도록 해야 합니다.

경화가 완료된 후, 성형된 부품들은 금형에서 꺼내어 날개 모양의 잔여물 제거 및 표면 샌딩 처리를 통해 사용 요구사항을 충족하도록 만든다.

신기술

1.3D 프린팅

이 기술은 탄소섬유 제품의 복잡한 형태를 직접 제조할 수 있어 제품 개발 주기를 크게 단축시킬 뿐 아니라 개인 맞춤형 제작도 가능하게 한다. 그러나 현재 탄소섬유로 3D 프린팅한 제품은 전통 공정으로 제작한 제품에 비해 기계적 특성에서 여전히 일정한 격차가 있으며, 비용도 상대적으로 높은 편이어서 이러한 측면들이 추가적으로 개선되어야 한다.

2. RTM 기술

즉, 수지 전이 성형 기술은 탄소섬유 강화 재료를 몰드에 넣은 후, 수지를 몰드에 주입하여 수지가 강화 재료를 침투한 후 경화시켜 성형하는 기술이다. 이 기술은 성형 효율이 높고, 제품 품질이 안정적이며, 환경 오염이 낮다는 등의 장점이 있다. 복잡한 형상을 가진 탄소섬유 제품의 대량 생산에 매우 적합하다.

품질 검사: 모든 제품의 품질 보장

탄소섬유 제품 제작 후 시장에 출시되기 전에 엄격한 품질 검사를 거쳐야 한다. 검사 항목은 주로 치수 정확도, 외관 품질 및 기계적 특성 등을 포함한다.

치수 정확도 시험은 캘리퍼스, 프로젝터 및 기타 도구를 사용할 수 있으며, 제품의 고정밀 요구 사항의 경우 CMM을 사용하기도 한다. 외관 품질 시험은 주로 제품 표면에 기포, 균열, 오목 결함 등이 있는지를 확인하는 것으로, 일반적으로 육안 검사와 현미경 검사를 병행하여 실시한다. 기계적 특성 시험은 인장 시험기, 충격 시험기 등의 전문 장비를 통해 수행하여 제품의 강도, 강성, 인성 등의 지표를 평가하고, 제품이 실제 사용 조건에서의 하중 요구사항을 충족할 수 있도록 보장한다. 기계 성능 시험에는 인장 시험기 및 기타 전문 장비를 사용하여 강도, 강성, 인성 등의 지표를 시험하여 제품이 실제 사용 시의 힘에 대한 요구조건을 만족시킬 수 있도록 해야 한다. 모든 시험 항목에서 합격한 제품만이 시장에 출시될 수 있다.

치수 정확도 검사는 버니어 캘리퍼스, 프로젝터 및 기타 도구를 사용할 수 있으며, 제품의 고정밀 요구 사항의 경우 CMM을 사용하기도 한다. 외관 품질 검사는 주로 제품 표면에 기포, 균열, 오목 결함 등이 있는지를 확인하는 것으로, 일반적으로 육안 검사와 현미경 검사를 병행하여 실시한다. 기계적 성질 시험은 인장 시험기, 충격 시험기 등의 전문 장비를 통해 수행하여 제품의 강도, 강성, 인성 등의 지표를 평가하고, 제품이 실제 사용 조건에서의 하중 요구사항을 충족할 수 있도록 보장한다. 기계 성능 시험에는 인장 시험기 및 기타 전문 장비를 사용하여 강도, 강성, 인성 등의 지표를 시험하여 제품이 실제 사용 시 힘에 대한 요구조건을 만족할 수 있도록 해야 한다. 모든 시험 항목에서 합격한 제품만이 시장에 출시될 수 있다.