KR0145656B1 - 2형 몰드를 사용한 원통 형상의 복합재료 구조물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

복합재료를 사용하여 튜브 형상 구조물의 성형하는데 있어서 2형 몰드를 사용하여 하형에 프라프레그를 적층하고 그 부분을 하형에 고정시키고 남은 부분은 나일론 블래더를 통한 가압에 의하여 상형으로 올라가고 상형을 모두 채우고 남은 부분이 서로 겹쳐지게 하여 성형 제조한 원통 형상 구조물은 압축 강도가 월등히 뛰어나며 미관이 우수하다.

Description

2형 몰드를 사용한 원통 형상의 복합재로 구조물의 제조방법

제1도는 종래의 방법에 따라 원통형상 구조물을 제조하기 전후의 몰드의 단면도.

제2도는 본 발명의 일실시예에 따라 원통형상 구조물을 제조하기 전후의 몰드의 단면도.

제3도는 본 발명 및 종래의 방법에 따라 제조된 원통형상 구조물의 압축강도 측정 비교 그래프.

제4도는 유디 카본 프리프레그의 온도 상승에 따른 수지의 점도변화를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:상형몰드 2:하형몰드

3,3':프리프레그 4:튜브형 필름

5,5'6:겹친 부위

[산업상 이용분야]

본 발명은 원통 형상(tubular atructure) 구조물의 제조 방법에 관한 것으로로서, 더욱 상세하게는 강도 및 미관성이 우수하며 복잡한 구조물의 제조시에 작업성이 우수한, 2형몰드(clam shell mole)를 사용한 원통 형상의 복합재료 구조물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 복합재료를 사용한 일체형 지전차 차체, 자전차 포크, 테니스 라켓, 골프채(shaft), 골프 머리(head) 부위 등 원통 형상을 가진 구조물 등의 제조에 이용될 수 있다.

[종래 기술]

복합 재료를 사용한 제품으로는 항공용 제품 및 상업용 제품이 있으며, 상업용 제품중 원통 형상의 제품으로는 자전차 차체, 포크(fork), 낚싯대, 골프채, 스키폴, 테니스 라켓, 베드민튼 라켓 등이 있다. 이와 같은 제품은 재료로서 카본 화이버가 주로 쓰이며 간혹 케브라(미국 듀폰사 제품), 스텍트라 (미국 얼라이드 시그날사) 및 에스 그라스 화이버(s-glass fiber) 등 특수재료가 쓰이므르 선단 복합재료 제품(advanced composite producer)로 구분되어 불리운다.

한편 그라스 화이버(s-glass fiber)를 주원료로 하는 범용 복합재료 제품은 FRP(fiber reinforced plastics)로 불린다. 이와 같은 FRP 제품은 주로 SMC(sheet molding compoud), BMC(bulk molding compound) 공법 등을 사용하거나 보트, 서프보드(surf board), 경기용 자동차 차체 제작에서 처럼 그라스 화이버를 사용하는 웨트 레이-업(wet lay-up) 방법을 사용하여 상온경화로 구조물을 만들 수 있다. 원통 구조물 생산에 있어 이미 알려진 하나의 공법은 풀투루존(pultrusion) 방식이었다. 이 방법은 수지에 함침된 화이버를 끌어 내고 몰드를 통과하여 경화시키는 방법이다. 이 공법은 단면이 일정한 구조물에만 적용이 가능하며 화이버 방향이 일정하게 되므로 특수한 공법의 하나로 간주되고 있다. 따라서 원통형상의 단면이 변하거나 원통형상이 똑바로 나가지 않는 테니스라켓, 자전차 차체 등의 제도에는 이 공법이 적용될 수 없다.

최근에는 카본 화이버, S-글라스 화이버, 케브라(미국 듀폰사의 상품명) 및 스펙트라(미국 얼라이드 시그날사 상품) 화이버 등과 같은 재료로 사용한 첨단 복합재료를 이용하여 낚싯대, 골프채, 스키폴, 테니스 라켓, 자전차 차체 및 포크 등의 원통형 구조물을 제조하고 있다. 이들의 제조에 이용되는 종래 기술은 다음과 같다.

낚싯대, 골프채, 스키폴 등과 같은 원통 형상의 제품을 제조하기 위해서는 첫째 맨드랠(mandrel) 위에 이미 크기에 맞게 재단된 프리프레그(prepreg; resing preimpregnated fabric)를 감아 적층하고 이 위에 PP(polypropylene), Nylon, Polyester(PET) 등과 같은 필림 테이프(film tape)를 감아 이처럼 프리프레그가 약간 가압된 상태를 만들어서 열경화하여 수지를 고정시킨다. 경화된 로드(rod) 형상의 구조물에서 맨드랠을 밀어내고 테이프를 벗겨낸 후 분리시켜서 제품화하게 된다. 한편 테니스 라켓 등 제품도 이와 유사한 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 즉 제품에 맞는 맨드랠 위에 나이론 필름 튜브[(혹은 블래더(bladder)라고도 함)]를 끼우고 그위에 이미 제단된 프리프레그를 재단하여 부치고 맨드랠을 제거하여 제품 몰드에 투입하고 나일론 필름 튜브 한 끝에 공기 주입구를 부착하여 압축된 공기를 넣어주고 열경화하여 제조한다. 이때 프리프레그 및 공기의 투입을 가능하게 하기 위하여 몰드는 상형 및 하형으로 분리된 2형 몰드를 쓰게 되고 한쪽 끝부분에 공기 주입구를 부착하게 된다.

상기한 원통 형상 구조물의 제조방법은 낚싯대 및 테니스 라켓 등 일반 복합재료를 사용한 스포츠용 구조물의 제조에 사용되어온 종래의 기술로서 이 기술을 사용하면 낚싯대 및 테니스 라켓 등과 같이 간단한 구조의 원통형 구조물의 제조에는 특별한 문제가 있다. 그러나 구조상으로 원통형의 구조물이 복잡한 구조를 가지고 있어서 원통형의 단면인 원형의 크기가 급격하게 변하거나 원면이 아니거나 할 때는 상기 기술을 적용하여 구조물을 만들 수가 없다는 문제점이 있다. 특히 대부분의 구조가 원통의 형상을 가졌다고 하여도 원통과 원통을 이어주는 부위에서 부분적으로 원통 형상을 많이 벗어나게 되는 경우 예를 들면 일체형 자전차의 제작시에 튜브와 튜브가 맞나게 되는 러그(lug) 부위의 제조시에는 상기한 종래기술을 이용할 수 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 최근 원통형 구조물이 제조에 있어서 복합재료를 사용하여 상기와 같이 복잡한 구조를 갖는 일체형 자전거 차체 및 포크를 제작하는 기술이 두가지 개발되었다. 그 하나는 원통부위와 러그부위를 따로 제작하여 놓고 이들을 접합제를 사용하여 부쳐서 구조물을 만드는 방법으로 이는 튜브와 러그의 접합식(tube and lug) 방법이라고도 불리운다. 이 방법은 원통부위를 별도로 제작후 접합제를 사용하여 붙임으로 진정한 의미에서의 일체형 제조 방법이 될 수는 없다. 이와 다른 두 번째 기술은 트림블(Trimble)의 미국특허 제4,902,458호에 개시된 기술로서 제1도의 도시된 바와 같이 상형(1) 및 하형(2) 몰드에 프리그레그(3)(3')를 적층하고 그 내부에 나이론 튜브형 필름(4)을 넣고 가압된 공기를 주입시켜서 프리프레그가 몰드 표면에 부착되게 한 후 열경화하여 구조물을 만드는 방법인데 특기할 사항은 상형 및 하형에 적층된 프리프레그가 서로 접합되게 하기 위하여 하형의 몰드 표면에 적층한 프리프레그가 몰드 표면 위로 약간 나오도록(5)(5') 하여서 상형을 닫았을 때 상형의 적층된 프리프레그와 하형에서 올라온 프리프레그가 겹쳐져서 접착되게끔 하는 방법이다. 이 때 하형에서 올라온 부분과 상형의 프리프레그가 겹쳐지는 접착 두께는 ½ inch 정도가 바람직하다고 기재되어 있다. 이하 설명은 쉽게하기 위하여 상기한 방법을 타체접착방법(external overlap meghod)이라고 부른다. 이는 하형에서 올라온 프리프레그가 상형의 프리프레그가 겹쳐서 접합됐다는 의미를 내포하기 때문이다. 그러나 상기와 같은 타체 접착식으로 만든 원통형 구조물은 하형에 적층된 프레프레그의 약간만을 하형 몰드 끝부분에서 (mold edge) 올라오게 하여 상형 몰드에 적층되는 프리프레그와 겹쳐지어서 접착하게 되기 때문에, 제1도의 단면에서 알 수 있는 바와 같이 프리프레그가 원형상을 완전하게 형성하지 못한 상황에서 원내부 일부에서 접합된 이음새가 형성된다. 따라서 외부에서 하중이 가해질 경우 접합된 이음새 부분이 쉽게 파괴되어 원통형상이 파손된다는 문제점이 있다.

[발명이 이루고자 하는 과제]

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 복잡한 구조를 갖으며 단면이 일정하지 않은 원통형 구조물을 고강도로 간편하게 제조할 수 있는 새로운 원통형상 복합재료 구조물의 제조방법을 제공한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 2형 몰드의 하형에 원하는 원통형 구조물의 크기 보다 크게 절단한 하나 또는 그 이상의 프리프레그를 적층하고, 상기 프리프레그로 형성된 내부 공간에 튜브형 필름을 장착하고, 상기 프리프레그의 양 말단을 겹쳐놓고 상형을 상기 프리프레그 상부에 장착하고, 상기 튜브형 필름 내부에 공기를 주입하면서 상기 몰드를 가열 가압하는, 공정을 포함하는 2형 몰드를 사용한 원통형상 복합재료 구조물의 제조방법을 제공한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상혀에는 프리프레그의 적층이 없거나 혹은 하나 또는 그 이상의 프리프레그를 적층하여 사용할 수 있다.

또 상기한 본 발명에 있어서, 상기한 프리프레그가 적층은 전부 또는 일부가 포개지게 적층될 수 있으며 상기한 프리프레그가 카본, 케브라, 화이버 그라스, 스텍트라 프리프레그로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

또 상기한 양말단의 겹쳐진 부분의 두께는 0.01 내지 5.0㎝ 가 바람직하다.

[작용]

본 발명의 요지는 제2도에 도시한 바와 같이 하형(2)에 프리프레그(3)를 적층할 때 프리프레그가 하형면을 덮고 나머지 부분이 상형면에 올라와서 덮은 후 서로 그 끝(6)이 겹쳐져서 접착하게 되는 방법이다. 설명의 간편을 위하여 본 발명의 방법을 이하 자체 접착방법(internal overlap method)이라고 부른다. 이는 접합방식이 하형에 적층된 프리프레그가 단면인 원을 돌고나서 그 자체가 서로 접합됐다는 의미를 갖는다. 또한 이 방식은 튜브구조물은 만들 때 그 단면이 프리프레그가 원면을 한바퀴 돌고 나머지 부분이 생기게끔 제단하게 되어 있음으로 그 형상으로 보아 글자 Q자와 흡사하여 이하 Q 적층법이라고도 부른다.

자체 접착방법으로 만든 원통형 구조물은 하형(2)에 적층한 프리프레그(3)가 일부 상형(1)으로 올라가게 되고 이 부분이 나일론 튜브를 통한 압공에 의하여 상형 몰드면에 붙고 그 나머지 부분은 자체가 서로 만나서 겹쳐지어서 접합(6)하게 된다. 따라서 원통 구조물의 단면인 원형을 보게 되면 하형에서 올라온 프리프레그가 원형을 이루고 원형을 지나고 나서 겹친 부분이 형성된다. 타체 접착식으로 만든 원통형 구조물은 하형에 적층된 프리프레그가 약간만이 하형 몰드 끝부분에서 (mold edge) 올라오게 하여 상형 몰드에 적층된 프리프레그와 뛰어 나온 부분이 겹쳐지어서 접착하게 되기 때문에 제1도의 이 단면에서 알 수 있는 바와 같이 프리프레그가 원형상을 완전하게 형성하지 못한 상황에서 원내부 일부에서 접합된 이음새가 형성된다. 따라서 외부에서 하중이 가해질 경우 접합된 이음새 부분이 쉽게 파괴되어 원통형상이 파손된다는 문제점이 있다.

프리프레그의 수지는 온도가 상승되면 경화하게 되나 열을 가하는 초기 상태에서는 점도가 떨어지며 지속적인 가열이 있어야만 점도가 차츰 증가하여 젤점(gel point)을 넘어서고 크로스 링킹(crosslinking) 현상이 발생하면서 열경황(thermosetting)가 발생한다. 이 가열초기 상태에서 프리프레그 수지의 점도는 떨어지며 프리프레그도 유연성이 생기게 된다. 이 상태가 하형에 적층되고 상형쪽으로 올라온 프리프레그가 가압된 튜브에 의하여 펴지면서 상형 몰드에 무리없이 부착하게 되는 현상을 돕게 외며 내부에 들어있는 기포가 잘 빠져나가게 한다.

선경 인더스트리사의 유디 카본 프리프레그의 온도 상승에 따른 수지의 점도 변화의 측정 결과를 보면 제4도에서 볼 수 있다.

[실시예]

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 구성 및 효과를 보여주기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예일 뿐 본 발명의 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예1]

자체 접착식에 의한 튜브 구조물 제작에는 두가지 형태의 프리프레그를 주로 사용하였다. 하나는 페브릭 프리프레그 (바이 디렉쇼날 프리프레그)이며 다른 하나는 유니 디렉쇼날 프리프레그 (유디 프리프레그)이었다. 페브릭 프리프레그는 보강섬유인 화이버에 수지가 일정량 함침되게 평직 상태로 만둘어진 것을 구입하여 사용하였다. 카본 프리프레그는 서울에 소재한 선경인더스트리사에서 생산한 200g/㎡ 카본화이버를 갖는 제품을 사용하였다. 수지는 화씨 250도 경화용 에폭시(epoxy) 수지가 사용되었다. 페브릭 프리프레그는 제품의 바깥면에 한층으로 사용되었으며 주 목적은 제품의 외관을 살리는 데에 있었으므로 하형의 크기에 맞게 절단하여 사용하였다. 유디 프리프레그는 미리 준비한 페턴으로 Q 적층으로 의거한 일정한 크기 및 45°, 045°, 45°, 1의 화이버 방향으로 절단하여 적층하여 부쳤다. 적층된 프리프레그는 몰드 하형에 놓고 다소 가압하거나 가열하여 고정시켰다. 하형에 적층이 끝나면 그 위헤 나이론 필름 튜브를 장착시켰다. 이때 하형에 Q 적층법에 의하여 적층된 프리프레그의 상당 부분은 상형쪽으로 올라가게 되는데 올라온 부분은 제2도에 표시된 바와 같이 몰드 안쪽 방향으로 포개서 넣어주었다. 하편 상형에는 페브릭 프리프레그를 상형 크기와 맞게 절단하여 적층하고 유디 프리프레그를 45°, -45°로 적층하여 사용하였다. 이는 비교예로 만드는 시편과 재료의 양이나 무게가 가능한 한 일치하도록 하기 위하여서 적층하였다. 나이론 튜브형 필림 한 끝부분에 상기 주입구를 장치하고 상형을 하형 위에 올려 놓고 몰드를 닿은 후 몰드를 오븐이나 가열 장치가 된 프레스에 넣고 가압, 가열하여 경화시켰다. 가압된 나이론 필름 튜브의 영향으로 하형으로부터 연결되어 올라온 프리프레그는 상형 몰드 표면에 붙게 되며 몰드 표면을 돌고나서는 자체가 겹쳐져서 접착되어 원통형상의 구조물이 제조되었다.

[비교예]

타체 접착식에 의한 튜브 구조물 제조에도 실시예에서 사용되었던 동일한 두가지 프리프레그를 사용하였다. 하형에 페브릭 프리프레그를 하형의 크기에 맞게 절단하여 적층한 후 유디 프리프레그를 미리 준비한 패턴에 의하여 45°, -45°, 45°, 0°의 화이버 방향으로 절단하여 적층하여 부쳤다. 이때 유디 프리프레그의 크기는 제1도에 표시된 바와 같이 하형의 몰드면(mold ldge)에서 0.5인치 가령 더 나오도록 하였다. 한편 상형은 페브릭 프리프레그를 상형크기와 같게 절단하여 부착하고 유디 프리프레그를 45°, -45°, 45°, 0° 방향으로 적층하여 사용하였다. 하형 위에 나이론 필림형 튜브를 장착시키고 그 한 끝부분에 공기 주입구를 장치하였다. 상형을 하형위에 올려놓고 몰드를 닫은 후 몰드를 오븐이나 가열장치가 된 프레스를 놓고 가압, 가열하여 경화시켰다.

상기한 실시예 및 비교예에 따라 제조한 원통형 구조물의 압축강도 비교실험을 하기와 같이 실시하여 그 결과를 하기한 (표) 및 제3도에 도시하였다.

본 실험에 사용한 원통형 구조물의 시편은 시험의 공정성을 유지하기 위하여 같은 무게의 시편으로 만들어서 튜브 형태를 고리상태의 (ring) 시편으로 절단하여 (약 8.0mm 두께) 사용하였다. 강도시험은 미국 인스트론(Instron)사의 UTM(Universal Tseting Machine)을 사용하였고 압출 강도 측정에 있어 크로스 헤드 속도는 분당 2mm, 샘플링 속도는 초당 2.0 포인트 조건으로 하였다.

[효과]

상기한 표 및 제2도에서 확인되는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원통형 구조물은 종래 방법인 비교예에 따라 제조된 원통형 구조물 보다 두배 이상의 최대 하중을 나타내며 강도가 월등히 뛰어났다. 그리고 비교예의 원통형 구조물은 하중을 받으면서 원내의 이음새 부분이 먼저 깨어지는 것이 관측되었다. 실시예의 원통형 구조물은 같은 실험 조건에서 하중을 받을 때 원형 형상의 파손이 되지 않고 압축 강도를 받아내는 것으로 관측되었다.

Claims (3)

1. 2형 몰드의 하형에 원하는 원통형 구조물의 크기 보다 크게 절단하여 하나 또는 그 이상의 프리프레그를 적층하고; 상기 프리프레그를 형성된 내부 공간에 튜브형 필름을 정착하고; 상기 프리프레그의 양 말단을 겹쳐 놓고; 상형을 상기 프리프레그 상부에 장착하고; 상기 필름 내부에 공기를 주입하면서 상기 몰드를 가열 가압하는; 공정을 포함하는 2형 몰드를 사용한 원형 형상 구조물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 프리프레그의 적층은 프리프레그의 일부면만을 겹치게 하고 이들은 적층하는 것인 2형 몰드를 사용한 원형 형상 구조물의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기한 양말단의 겹쳐진 부분의 두께는 0.01 내지 5.0cm인 2형 몰드 원형 형상 구조물의 제조방법.