KR20170069380A - 관통홀이 형성된 복합재 및 제조방법 - Google Patents

관통홀이 형성된 복합재 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

돌출봉이 형성된 지그 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물을 돌출봉에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계; 지그와 적층된 복수의 직조물을 일체로 금형에 안착시키는 안착단계; 및 금형 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물을 함침시키는 함침단계;를 포함하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법이 소개된다.

Description

관통홀이 형성된 복합재 및 제조방법 {COMPOSITE FORMED THROUGH HOLE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 강화섬유 등의 파단 없이 관통홀의 형성이 가능한 복합재 제조방법에 관한 것이다.
강화섬유, 그 중에서도 탄소섬유를 포함하는 적층구조의 복합재를 제조함에 있어서 최종성형 후 다른 부품이 마운팅되는 관통홀의 형성을 위해 종래에는 밀링가공 및 워터젯을 이용한 가공 등을 이용하였다.
다만, 밀링가공 방법을 이용하는 경우 밀링머신 등의 추가적인 설비가 필요하여 이에 따라 원가가 상승하고 생산성이 좋지 못하였고 탄소섬유의 날림방지를 위한 물분사로 인해 관통홀의 가공불량 문제가 있었다. 또한, 워터젯을 이용한 가공 방법의 경우 폐수발생으로 인한 2차오염문제가 있었다.
무엇보다도 공통적으로 직조물을 구성하는 연속섬유가 상기와 같은 관통홀 가공을 위해 끊김 현상이 발생하였고 이러한 끊김 현상을 강성저하의 문제로 이어졌다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0056027 A
본 발명은 강화섬유 등의 파단 없이 관통홀의 형성이 가능한 복합재 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관통홀이 형성된 복합재 제조방법은 돌출봉이 형성된 지그 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물을 돌출봉에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계; 지그와 적층된 복수의 직조물을 일체로 금형에 안착시키는 안착단계; 및 금형 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물을 함침시키는 함침단계;를 포함한다.
함침단계 이후에는, 적층된 복수의 직조물에 투입된 수지를 경화시키는 경화단계; 및 수지가 경화된 적층된 복수의 직조물을 지그로부터 분리하는 분리단계;를 더 포함할 수 있다.
돌출봉의 형상이 굴곡진 형상으로 구성되어 관통홀의 형상이 돌출봉의 형상에 대응되도록 형성될 수 있다.
분리단계에서는 돌출봉이 지그로부터 분리가 가능하여 복수의 직조물에 돌출봉이 끼워진 상태로 복수의 직조물과 돌출봉을 함께 지그로부터 분리할 수 있다.
분리단계 이후에는 돌출봉은 수용성수지로 형성되어 돌출봉을 물에 용해시킴으로써 복수의 직조물로부터 돌출봉을 제거시키는 용해단계;를 더 포함할 수 있다.
적층단계에서는 직조물 사이의 틈을 이용하여 돌출봉에 끼우는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 관통홀이 형성된 복합재는 돌출봉이 형성된 지그 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물을 돌출봉에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계; 지그와 적층된 복수의 직조물을 일체로 금형에 안착시키는 안착단계; 및 금형 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물을 함침시키는 함침단계; 적층된 복수의 직조물에 투입된 수지를 경화시키는 경화단계; 및 수지가 경화된 적층된 복수의 직조물을 지그로부터 분리하는 분리단계;를 거쳐서 제조된다.
관통홀은 직조물 사이의 틈이 벌어져서 형성될 수 있다.
직조물은 탄소섬유를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 관통홀이 형성된 복합재의 제조방법에 따르면, 별도의 가공과정을 거치지 않고서도 강화섬유 등으로 구성된 복합재에 관통홀을 형성시키는 것이 가능하다. 또한, 관통홀의 형성에도 강화섬유의 파단이 일어나지 않는다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적층단계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안착단계를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 함침단계를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분리단계를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제조과정을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 지그, 돌출봉 및 복수의 직조물을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지그, 돌출봉 및 복수의 직조물을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 관통홀이 형성된 복합재 제조방법은 돌출봉(110)이 형성된 지그(100) 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물(200)을 돌출봉(110)에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계(S100); 지그(100)와 적층된 복수의 직조물(200)을 일체로 금형(10)에 안착시키는 안착단계(S200); 및 금형(10) 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물(200)을 함침시키는 함침단계(S300);를 포함한다.
또한, 함침단계(S300) 이후에는, 적층된 복수의 직조물(200)에 투입된 수지를 경화시키는 경화단계(S400); 및 수지가 경화된 적층된 복수의 직조물(200)을 지그(100)로부터 분리하는 분리단계(S500);를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
강화섬유, 그 중에서도 탄소섬유를 포함하는 적층구조의 복합재를 제조함에 있어서 최종성형 후 다른 부품이 마운팅되는 관통홀의 형성을 위해 종래에는 밀링가공 및 워터젯을 이용한 가공 등을 이용하였다.
다만, 밀링가공 방법을 이용하는 경우 밀링머신 등의 추가적인 설비가 필요하여 이에 따라 원가가 상승하고 생산성이 좋지 못하였고 탄소섬유의 날림방지를 위한 물분사로 인해 관통홀의 가공불량 문제가 있었다. 또한, 워터젯을 이용한 가공 방법의 경우 폐수발생으로 인한 2차오염문제가 있었다.
무엇보다도 공통적으로 직조물을 구성하는 연속섬유가 상기와 같은 관통홀 가공을 위해 끊김 현상이 발생하였고 이러한 끊김 현상을 강성저하의 문제로 이어졌다.
이에 강화섬유, 그 중에서도 탄소섬유를 포함하는 복수의 직조물(200)을 평평한 판상 위에 돌출봉(110)이 형성된 지그(100) 위에 끼우는 방식으로 차례로 적층시킨다. 다시 말해 탄소섬유를 포함하는 복수의 직조물(200)의 경우 직조물 사이에 틈이 형성되어 있어 틈을 돌출봉(110)에 끼워 지그(100)의 평평한 판상 위에 직조물을 적층시키는 것이다.
바람직하게는 지그(100)에 마련된 돌출봉(110)의 경우 그 단부가 날카로우며 하방으로 갈수록 단면적이 커지는 형상으로 형성됨으로써 직조물을 돌출봉(110)에 끼우는 것이 용이할 수 있다. 또한, 직조물의 틈에 끼우는 과정에서도 틈이 하방으로 갈수록 자연스럽게 벌어질 수 있게 되어 직조물의 파단이 일어나지 않을 수 있다.
상기와 같이 직조물의 특성을 이용하여 미리 마련된 돌출봉(110)에 직조물을 끼우는 경우 최종성형 후 관통홀을 형성시키기 위한 별도의 공정이 필요가 없어짐을 이유로 원가가 절감되고 생산성이 증대되는 효과가 있게 되나, 무엇보다도 직조물을 구성하는 연속섬유의 끊김으로 인한 파단 없이 관통홀의 형성이 가능하여 이에 따른 강성저하의 문제가 발생하지 않을 수 있다는 장점이 있다.
다만, 직조물을 끼우는 과정에서부터 미리 관통홀이 형성되는 위치를 정확하게 특정하여 대응되는 위치에 돌출봉(110)이 끼워지도록 하는 것이 타당할 것이다.
돌출봉(110)에 끼워 지그(100) 위에 적층하는 직조물의 개수는 복합재의 용도 및 요구하는 성능에 맞춰서 개수를 설정해준다. 직조물의 적층 개수를 달리 설정해주는 것만으로도 용도 및 요구하는 성능에 맞는 복합재의 제조가 가능한 것이다.
이렇게 지그(100)의 돌출봉(110)에 끼워진 채로 지그(100) 위에 차례로 적층된 복수의 직조물(200)을 지그(100)와 일체로 금형(10) 내부에 안착시킨다. 이후 금형(10)에 형성된 수지주입구를 통해 금형(10) 내부로 수지를 투입시켜 준다. 이때 투입해주는 수지는 폴리에틸렌 수지 등의 열가소성 수지 또는 에폭시 수지 등의 열경화성 수지가 이용될 수 있다.
상기 수지와 함침된 적층된 복수의 직조물(200)은 경화과정을 거친다. 경화과정 중에 수지의 수축이 일어나게 되어도 지그(100)의 돌출봉(110)에 끼워진 상태로 경화과정이 이루어지므로 관통홀의 가공불량 문제가 발생하지 않게 되는 장점이 있다.
이렇게 복수의 직조물(200)에 투입된 수지의 경화가 완료되면 지그(100)로부터 경화된 복수의 직조물(200)을 분리해냄으로써 복합재의 제조가 완료된다.
지그(100)와 분리된 복합재에는 관통홀이 형성되어 있으므로 관통홀 형성을 위한 별도의 추가적인 공정이 요구되지 않는다.
돌출봉(110)은 금형(10) 또는 지그(100)와 동일한 재질로 구성될 수 있으나 바람직하게는 스틸, 알루미늄, 고내열 플라스틱, 고내열 수지 등으로 구성되어 복합재의 성형 후에도 지그에 그대로 남아있어 재활용이 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예로서, 돌출봉(110)의 형상이 굴곡진 형상으로 구성되어 관통홀의 형상이 돌출봉(110)의 형상에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
돌출봉(110)은 수직한 형상으로 구성될 수도 있으나 도 6과 같이 굴곡진 형상으로 구성될 경우 돌출봉(110)에 끼워지는 복수의 직조물(200)에 형성되는 관통홀의 형상은 상하 수직으로 통공된 형상이 아닌 돌출봉(110)의 굴곡진 형상에 대응되도록 입체적인 형상으로 구성될 수 있다.
이에 따라 다양한 형상의 관통홀이 형성된 복합재의 제조가 가능한 것이다. 다만, 상기와 같이 돌출봉(110)이 굴곡진 형태로 구성될 경우 그 형태에 따라 복수의 직조물(200)에 수지가 함침되고 경화된 복합재로부터 돌출봉(110)을 분리하기가 쉽지 않다는 문제가 있을 수 있다.
이러한 문제의 해결을 위해 돌출봉(110)을 지그로부터 분리가 가능하도록 구성하고 돌출봉(110)을 물에 용해되는 수용성수지로 형성한다. 돌출봉(110)이 관통홍에 끼워진 상태의 수지가 경화된 복수의 직조물(200)을 지그(100)로부터 함께 분리한 후 물을 통해 돌출봉(110)을 용해시킴으로써 입체적인 형상의 관통홀이 형성된 복합재의 제조가 가능할 것이다.
본 발명에 따른 실시예로서, 분리단계에서는 돌출봉(110)이 지그(100)로부터 분리가 가능하여 복수의 직조물에 돌출봉(110)이 끼워진 상태로 복수의 직조물(200)과 돌출봉(110)을 함께 지그(100)로부터 분리할 수 있다.
또한, 분리단계 이후에는 돌출봉(110)은 수용성수지로 형성되어 돌출봉을 물에 용해시킴으로써 복수의 직조물(200)로부터 돌출봉(110)을 제거시키는 용해단계(S600);를 더 포함할 수 있다.
상기에서 언급한 것처럼 돌출봉(110)은 지그(100)로부터 분리가 가능하게 구성되어 복수의 직조물과 돌출봉(110)을 함께 지그(100)로부터 분리 후 돌출봉(110)을 복수의 직조물(200)로부터 별도로 분리시킬 수 있다. 복수의 직조물(200)로부터 돌출봉(110)을 억지로 분리하는 과정에서 관통홀 등의 손상을 최소화시키기 위함이다. 지그(100)가 도 7에서와 같이 평평한 판상이 아닌 입체적 형상으로 구성될 경우 관통홀의 방향이 지그(100)로부터 돌출봉의 분리 방향과 다를 수 있다. 이러한 경우 지그(100)로부터 돌출봉(110)이 쉽게 분리될 수 있도록 지그(100)와 돌출봉(110)이 간섭이 일어나지 않게 형성될 수 있다.
관통홀 등의 손상을 최소화하면서 복수의 직조물(200)로부터 돌출봉(110)을 분리시키기 위해 바람직하게는 돌출봉(110)은 충격에 쉽게 파괴될 수 있는 재질로 형성되거나 물에 용해될 수 있는 수용성수지로 형성될 수 있다.
돌출봉(110)이 충격에 쉽게 파괴될 수 있는 재질로 형성된 경우에는 복수의 직조물(200)과 돌출봉(110)을 지그(100)로부터 함께 분리 후 돌출봉(110) 부분에 에어를 분사하거나 진동을 가해줌으로써 돌출봉(110)을 파괴시킬 수 있다.
돌출봉(110)이 수용성에폭시 등과 같은 물에 용해될 수 있는 수용성수지로 형성된 경우에는 복수의 직조물(200)과 돌출봉(110)을 지그로부터 함께 분리 후 복수의 직조물(200)과 돌출봉(110)을 함께 물에 침지시키는 방식으로 돌출봉(110)을 용해시킬 수 있다.
본 발명에 따른 관통홀이 형성된 복합재는 돌출봉(110)이 형성된 지그(100) 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물(200)을 돌출봉(110)에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계(S100); 지그(100)와 적층된 복수의 직조물(200)을 일체로 금형(10)에 안착시키는 안착단계(S200); 및 금형(10) 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물(200)을 함침시키는 함침단계(S300);를 거쳐서 제조된다
또한, 함침단계(S300) 이후에는, 적층된 복수의 직조물(200)에 투입된 수지를 경화시키는 경화단계(S400); 및 수지가 경화된 적층된 복수의 직조물(200)을 지그(100)로부터 분리하는 분리단계(S500);를 더 거쳐서 제조될 수 있다.
상기와 같은 제조방법을 거쳐 제조된 관통홀이 형성된 복합재는 상기에서 언급한 바와 같이 강화섬유, 그 중에서도 탄소섬유를 포함하는 복수의 직조물(200)을 적층하는 단계에서 지그(100)에 마련된 돌출봉(110)을 이용하여 직조물 사이의 틈에 끼우는 방식으로 관통홀의 위치 및 크기를 특정할 수 있게 된다.
또한, 수지의 함침 및 경화과정을 거친 후 지그(100)와 분리된 복수의 직조물(200)에는 지그(100)의 돌출봉(110)으로 인한 관통홀이 형성되어 있으므로 별도의 가공과정을 거칠 필요가 없어 생산비 절감 및 생산성의 향상이 가능하다는 효과가 있다.
관통홀의 형성을 위해 밀링머신이나 워터젯이 이용될 필요가 없으므로 이로 인한 가공불량 및 2차오염문제가 야기될 염려가 없고 무엇보다도 직조물을 구성하는 연속섬유의 끊김으로 인한 파단이 일어나지 않으므로 강성저하가 뒤따르지 않는 다는 장점이 있는 것이다
바람직하게는 직조물은 탄소섬유를 포함하여 인장강도 등의 기계적 물성치가 훌륭한 복합재의 제조가 가능하다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 금형 100 : 지그
110 : 돌출봉 200 : 복수의 직조물
S100 : 적층단계 S200 : 안착단계
S300 : 함침단계 S400 : 경화단계
S500 : 분리단계 S600 : 용해단계

Claims (9)

  1. 돌출봉이 형성된 지그 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물을 돌출봉에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계;
    지그와 적층된 복수의 직조물을 일체로 금형에 안착시키는 안착단계; 및
    금형 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물을 함침시키는 함침단계;를 포함하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    함침단계 이후에는,
    적층된 복수의 직조물에 투입된 수지를 경화시키는 경화단계; 및
    수지가 경화된 적층된 복수의 직조물을 지그로부터 분리하는 분리단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    돌출봉의 형상이 굴곡진 형상으로 구성되어 관통홀의 형상이 돌출봉의 형상에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    분리단계에서는 돌출봉이 지그로부터 분리가 가능하여 복수의 직조물에 돌출봉이 끼워진 상태로 복수의 직조물과 돌출봉을 함께 지그로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    분리단계 이후에는,
    돌출봉은 수용성수지로 형성되어 돌출봉을 물에 용해시킴으로써 복수의 직조물로부터 돌출봉을 제거시키는 용해단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    적층단계에서는 직조물 사이의 틈을 이용하여 돌출봉에 끼우는 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재 제조방법.
  7. 돌출봉이 형성된 지그 위로 강화섬유로 구성된 복수의 직조물을 돌출봉에 끼우는 방식으로 적층하여 관통홀을 마련하는 적층단계;
    지그와 적층된 복수의 직조물을 일체로 금형에 안착시키는 안착단계; 및
    금형 내부로 수지를 투입하여 적층된 복수의 직조물을 함침시키는 함침단계;
    적층된 복수의 직조물에 투입된 수지를 경화시키는 경화단계; 및
    수지가 경화된 적층된 복수의 직조물을 지그로부터 분리하는 분리단계;를 거쳐서 제조된 관통홀이 형성된 복합재.
  8. 청구항 7에 있어서,
    관통홀은 직조물 사이의 틈이 벌어져서 형성된 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재.
  9. 청구항 7에 있어서,
    직조물은 탄소섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 관통홀이 형성된 복합재.
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