KR100203804B1 - 필라멘트 와인딩을 이용한 복합재 중공보 - Google Patents

Abstract

복합재 중공보의 일부가 되는 복합재 맨드릴(복합재 중공부재)에 필라멘트와인딩을 하여 45°적층부재를 형성함으로서 복합재 중공보의 제작을 간단하면서도 저렴하게 할 수 있도록 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보를 제공하는 것으로, 미리 경화된 일방향 적층부재로 만들어져 맨드릴 역할을 동시에 수행하는 복합재 중공부재와, 상기 복합재 중공부재의 양 단부에 분리 가능하게 설치되어 중공보의 최종제품을 얻을 수 있도록 한 축부재와, 상기 복합재 중공부재에 필라멘트와인딩으로 45°적층부재를 형성하여 복합재 중공보를 제작한 것을 특징으로 한다.

상기 복합재 중공부재는 두 개의 ㄷ형상의 보가 고정수단에 의해 서로 결합된 형태로 제공되며, 필요에 따라 강도 보강을 위해 보강부재가 복합재 중공부재의 내부에 길이방향으로 설치된다.

Description

필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보

본 발명은 복합재 중공보를 필라멘트와인딩 공정을 이용하여 제작하는 복합재 중공보에 관한 것으로, 특히 제품의 일부가 되는 맨드릴을 이용하여 소요 부품의 공정 수를 감소시켜 제조원가를 대폭적으로 낮추고, 아울러 생산성을 향상시킬 수 있도록 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보에 관한 것이다.

일반적으로 각종 산업구조물의 경량화를 목적으로 주로 사용되는 복합재료(Composites)는, 필라멘트와인딩(Filament Winding), 풀투르젼(Pultrusion) 등 자동화된 제조설비의 발달로 생산성이 향상되고 있다. 최근에는 산업구조물 및 건축용 자재, 또는 콘크리트 펌프트럭의 암 등에 다양하게 응용되고 있다. 이렇게 사용되는 복합재 구조물의 형상 중에서 상당부분을 차지하는 형태가 바로 중공보(Hollow Beam)로 제공되는 제품이다.

상기와 같은 복합재 중공보를 설계, 제작하는 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.

복합재의 평판은 강화재인 장섬유를 따라 그 강도 및 강성도 등 기계적 물성이 크게 달라지므로 복합재 중공보에 작용하는 하중의 크기를 고려하여 섬유방향을 결정하게 된다.

도 1에서와 같이 복합재 중공보(10)에서 길이방향(X)으로의 축력이나 Z방향으로의 굽힘 하중에 대해서는, 길이방향으로 섬유(섬유강화복합재)를 배열함으로서 작용 하중을 견디도록 한다. 그리고 비틀림에 대해서는 길이방향에 대해 섬유(섬유강화복합재)를 45°로 배열하고, 복합재 중공보에 내압이 작용하는 경우라면 길이방향에 대해 수직하게 섬유(섬유강화복합재)를 배열함으로서 효과적으로 작용 하중을 견디게 할 수 있다.

그런데 일반적으로 각종 구조물의 경우에는 복합적으로 하중이 작용하므로 몇 가지의 섬유 방향이 동시에 복합재 중공보에 작용하게 된다. 예를 들어, 굽힘 하중과 비틀림이 동시에 작용하는 경우라면 도 1에 도시된 바와 같이 길이방향(X)으로 일방향 적층부재(12)와 길이방향(X)에 대해 45°의 각을 갖는 45°적층부재(14)로 복합재 중공보(10)를 구성하여 굽힘 하중과 비틀림에 만족하는 강성을 얻을 수 있게 된다.

상기와 같은 복합재 중공보(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 필라멘트와인딩 제작 방법을 이용하여 제작하게 된다.

즉, 필라멘트와인딩은 강화재인 장섬유(20)를 함침조(22)에 있는 수지(24)에 함침시킨 후 맨드릴(26)에 감아서 형상을 만들고, 수지를 경화시킴으로서 제품을 제작하는 방법이다. 상기와 같이 맨드릴(26) 위에 필라멘트와인딩을 실시하여 수지를 경화시킨 후, 맨드릴(26)에서 제품을 분리시킴으로서 도 1과 같은 복합재 중공보(10)를 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 일반적인 방법으로 복합재 중공보(10)를 제작하는 경우에 있어서, 필라멘트와인딩 공정중의 제품과 맨드릴의 단면을 보면 도 3 및 도 4와 같다.

먼저 도 3에 도시된 바와 같이 미리 제작 경화된 직물 적층부재(Fabric Laminate) 또는 일방향 적층부재(Uni-Directional Laminate)(12)를 맨드릴(26)의 네 면에 올려놓은 후에 필라멘트와인딩을 하여 일방향 적층부재(12) 위에 45°적층부재(14)를 형성하고, 맨드릴(26)을 제품에서 분리시켜 완성된 복합재 중공보(10)를 얻게 되는 것이다.

그러나 상기와 같은 경우에는 일방향 적층부재(12)들 사이에 빈 공간(16)이 남게 되어 강도상으로 취약해지게 된다. 한편 상기 빈 공간(16)에 의한 강도를 고려하여 빈 공간(16)의 형상과 일치하는 별도의 적층부재를 마련하여 채울 수 있다 하겠으나, 이 경우에는 가공에 필요한 부품수의 증가로 인해 제조원가를 상승시키는 문제점이 발생된다.

다른 한편 도 3에 도시된 빈 공간(16)을 존재하지 않게 하기 위해서 모서리부위의 곡률이 존재하지 않는 직사각형의 단면을 갖는 중공보를 제작하는 방법을 생각할 수 있으나, 이런 경우에는 다음 공정인 필라멘트와인딩에서 장섬유의 지나친 꺽임이 발생하여 필라멘트와인딩 공정을 제대로 수행할 수 없을뿐더러 강도 상으로도 취약해지는 문제점을 갖게 된다.

또 다른 제안으로 도 4에 도시된 바와 같이 맨드릴(26) 위에 45°적층부재(14)를 필라멘트와인딩하고, 그 다음에 일방향 적층부재(12)를 삽입 설치한 다음, 마지막으로 일방향 적층부재(12) 위에 45°적층부재(14)를 필라멘트와인딩 하여 도 3에 도시된 바와 같은 빈 공간(16)을 없앰으로서 강도를 향상시킬 수 있는 방법을 제시할 수 있다. 그러나 이와 같은 경우에는 필라멘트와인딩 공정을 연속적으로 수행할 수 없기 때문에 생산성이 대폭 떨어지는 문제점을 갖게 되고, 또한 필라멘트와인딩된 45°적층부재(14)(14)와 일방향 적층부재(12)의 수지가 서로 일치하지 않을 수 있으므로 경화시키는데 문제가 될 소지가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 복합재 중공보의 일부가 되는 복합재 맨드릴(복합재 중공부재)에 필라멘트와인딩을 하여 45°적층부재를 형성함으로서 복합재 중공보의 제작을 간단하면서도 저렴하게 할 수 있도록 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 미리 경화된 일방향 적층부재로 만들어져 맨드릴 역할을 동시에 수행하는 복합재 중공부재와, 상기 복합재 중공부재의 양 단부에 분리 가능하게 설치되어 중공보의 최종제품을 얻을 수 있도록 한 축부재와, 상기 복합재 중공부재에 필라멘트와인딩으로 45°적층부재를 형성하여 복합재 중공보를 제작한 것을 특징으로 한다.

상기 복합재 중공부재는 두 개의 ㄷ형상의 보가 고정수단에 의해 서로 결합된 형태로 제공되며, 필요에 따라 강도 보강을 위해 보강부재가 복합재 중공부재의 내부에 길이방향으로 설치된다.

도 1 내지 도 4는 종래 필라멘트와인딩을 이용하여 제작된 중공보의 실시예.

도 5는 본 발명의 맨드릴을 겸하는 복합재 중공부재의 단면도.

도 6은 도 5의 복합재 중공부재를 이용하여 복합재 중공보를 형성한 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

30 : 복합재 중공부재32, 34 : 보

40 : 보강부재44, 46 : 축부재

48 : 45°적층부재50 : 복합재 중공보

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 맨드릴을 겸하는 복합재 중공부재의 단면도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명이 복합재 중공부재(30)는 서로 대향되는 두 개의 ㄷ 형상의 보(32)(34)로 구성된다. 상기 보(32)(34)의 양 단부는 한쪽을 평탄부와 내측으로 경사단부(32a)(34a)가 형성되고, 다른 쪽은 상기 경사단부(32a)(34a)와 대응되는 경사부(32b)(34b)를 가지면서 안쪽으로 수평 절곡되어 있다. 따라서 상기 보(32)(34)의 양 단부는 접착제(36) 또는 스크루(38) 등의 고정수단으로 서로 결합되어 복합재 중공부재(30)를 이루게 된다. 그리고 상기 복합재 중공부재(30)는 일방향 섬유 또는 강화섬유 직물 등의 복합재로 이루어진다.

한편 상기와 같이 제작된 복합재 중공부재(30)의 보(32)(34) 내측으로 다른 구조물과 조립을 하기 위해, 또는 복합재 중공부재(30)의 보강이 필요한 경우에는 보강부재(40)를 부착할 수 있고 보강부재(40)에 구멍(42)을 천공하여 사용할 수도 있다. 이때 보강부재(40)를 부착하기 위해서는 상기 보(32)(34)를 결합하기 전에 먼저 수행하는 것이 바람직하다.

도 6은 도 5의 복합재 중공부재를 이용하여 복합재 중공보를 형성한 단면도를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 도 5에서와 같이 제작된 복합재 중공부재(30)의 양 단부에 축(44a)(46a)과 판(44b)(46b)으로 이루어진 축부재(44)(46)를 분리 가능한 형태로 설치하여 축부재(44)(46)가 설치된 복합재 중공부재(30)가 임시적으로 맨드릴의 역할을 수행하게 된다. 즉, 복합재 중공부재(30)의 양측에 설치된 축부재(44)(46)를 도시되지 않은 회전장치에 설치하여 상기 복합재 중공부재(30)를 회전시켜 필라멘트와인딩으로 복합재 중공부재(30) 둘레에 45°적층부재(48)를 형성하여 이 45°적층부재(48)를 경화시킨 후에 도 6에 도시된 축부재(44)(46)만을 복합재 중공부재(30)에서 제거시킴으로서 제품인 복합재 중공보(50)의 제작이 완성되게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 복합재 중공보는 다음과 같은 효과를 갖게 된다.

첫째, 복합재 중공부재가 맨드릴 역할을 동시에 수행하므로서 길이방향으로 테이퍼져 있는 복합재 중공보의 제작을 매우 간단히 할 수 있다.

둘째, 종래와 같은 모서리 부위에 빈 공간이 없이 일방향 섬유 또는 강화섬유직물로 이루어진 복합재 중공부재가 채워진 상태로 되어 있기 때문에 강성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 복합재 중공부재의 내부에는 필요에 따라 보강부재가 설치되어 있기 때문에 구조물 등의 설치를 용이하게 할 수 있다.

넷째, 복합재 중공부재를 필라멘트와인딩 이전에 경화시킴으로서 이 복합재 중공부재의 층이 두꺼운 경우에도 원하는 경화도를 얻기가 용이하다.

다섯째, 두 개의 ㄷ자 보가 결합되는 부위의 두께가 증가하므로 이 두꺼운 부위에 의해 복합재 중공보의 좌굴강도를 향상시켜 스티프너(Stiffener)의 역할을 할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 미리 경화된 일방향 적층부재로 만들어져 맨드릴 역할을 동시에 수행하는 복합재 중공부재(30)와, 상기 복합재 중공부재(30)의 양 단부에 분리 가능하게 설치되어 중공보의 최종제품을 얻을 수 있도록 한 축부재(44)(46)와, 상기 복합재 중공부재(30)에 필라멘트와인딩으로 45°적층부재(48)를 형성하여 복합재 중공보(50)를 제작한 것을 특징으로 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보.
2. 제 1항에 있어서, 상기 복합재 중공부재(30)는 두 개의 ㄷ형상의 보(32) (34)가 고정수단에 의해 서로 결합된 것을 특징으로 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 복합재 중공부재(30)를 이루는 보(32) (34)의 내부에 보강부재(40)를 부착한 것을 특징으로 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 복합재 중공부재(30)를 이루는 두 개의 보(32)(34)가 결합되는 부위의 두께를 증가시켜 스티프너의 역할을 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 필라멘트와인딩을 이용한 복합재 중공보.