KR100203804B1 - A complex hollow beam using a filament winding - Google Patents
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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.Filament winding on the composite mandrel (composite hollow member), which is part of the composite hollow beam, to form a 45 ° laminated member to provide a composite hollow beam using filament winding, which makes the composite hollow beam simple and inexpensive. The composite hollow member is made of a pre-cured one-way laminated member to perform a mandrel role at the same time, and the shaft member detachably installed at both ends of the composite hollow member to obtain a final product of the hollow beam, and the composite hollow It characterized in that the composite hollow beam was produced by forming a 45 ° laminated member by filament winding on the member.
상기 복합재 중공부재는 두 개의 ㄷ형상의 보가 고정수단에 의해 서로 결합된 형태로 제공되며, 필요에 따라 강도 보강을 위해 보강부재가 복합재 중공부재의 내부에 길이방향으로 설치된다.The composite hollow member is provided in a form in which two c-shaped beams are coupled to each other by fixing means, and a reinforcing member is installed in the longitudinal direction of the composite hollow member for strength reinforcement as necessary.
Description
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.The present invention relates to a composite hollow beam for manufacturing a composite hollow beam using a filament winding process, in particular by using a mandrel that is part of the product to reduce the number of parts of the required parts, significantly lowering the manufacturing cost, and also to improve productivity It relates to a composite hollow beam using filament winding.
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.In general, composites mainly used for lightening various industrial structures have improved productivity due to the development of automated manufacturing equipment such as filament winding and pull extrusion. Recently, it is widely applied to industrial structures and building materials, or arms of concrete pump trucks. The shape that occupies a substantial portion of the shape of the composite structure used is a product provided as a hollow beam.
상기와 같은 복합재 중공보를 설계, 제작하는 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.Briefly describing a method for designing and manufacturing a composite hollow beam as described above is as follows.
복합재의 평판은 강화재인 장섬유를 따라 그 강도 및 강성도 등 기계적 물성이 크게 달라지므로 복합재 중공보에 작용하는 하중의 크기를 고려하여 섬유방향을 결정하게 된다.Since the flatness of the composite material greatly varies its mechanical properties such as strength and stiffness depending on the long fiber, which is a reinforcing material, the fiber direction is determined in consideration of the magnitude of the load applied to the composite hollow beam.
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.As shown in Fig. 1, the axial force in the longitudinal direction X and the bending load in the Z direction in the composite hollow beam 10 are made to endure the working load by arranging fibers (fiber-reinforced composite materials) in the longitudinal direction. For twisting, the fiber (fibre-reinforced composite material) is arranged at 45 ° in the longitudinal direction, and if the internal pressure is applied to the composite hollow beam, the fiber (fibre-reinforced composite material) is arranged vertically in the longitudinal direction to effectively apply the working load. Can endure.
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.However, in general, in the case of various structures, the load acts in combination so that several fiber directions act on the composite hollow beam at the same time. For example, if the bending load and the torsion act at the same time, as shown in FIG. 1, 45 ° lamination having an angle of 45 ° with respect to the one-way lamination member 12 and the longitudinal direction X as shown in FIG. 1. By forming the composite hollow beam 10 with the member 14, it is possible to obtain a rigidity that satisfies the bending load and torsion.
상기와 같은 복합재 중공보(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 필라멘트와인딩 제작 방법을 이용하여 제작하게 된다.Composite hollow beam 10 as described above will be manufactured using the filament winding manufacturing method as shown in FIG.
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.In other words, filament winding is a method of manufacturing a product by impregnating the long fiber 20, which is a reinforcing material, with the resin 24 in the impregnation tank 22, and then winding the mandrel 26 to form a shape and curing the resin. After the filament winding on the mandrel 26 to cure the resin as described above, by separating the product from the mandrel 26 it is possible to obtain a composite hollow beam 10 as shown in FIG.
상기와 같이 일반적인 방법으로 복합재 중공보(10)를 제작하는 경우에 있어서, 필라멘트와인딩 공정중의 제품과 맨드릴의 단면을 보면 도 3 및 도 4와 같다.In the case of manufacturing the composite hollow beam 10 by the general method as described above, the cross section of the product and the mandrel during the filament winding process is as shown in Figs.
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.First, as shown in FIG. 3, a pre-fabricated fabric laminated member (Fabric Laminate) or one-way laminated member (Uni-Directional Laminate) 12 is placed on four sides of the mandrel 26, and then filament winding to unidirectional lamination. A 45 ° laminated member 14 is formed on the member 12, and the mandrel 26 is separated from the product to obtain a finished composite hollow beam 10.
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.However, in such a case, the empty space 16 remains between the one-way stacking members 12, and thus becomes weak in strength. On the other hand, in consideration of the strength of the empty space 16 may be provided by filling a separate laminated member matching the shape of the empty space 16, in this case, the manufacturing cost increases due to the increase in the number of parts required for processing Problem occurs.
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.On the other hand, in order to make the empty space 16 shown in FIG. 3 absent, a method of manufacturing a hollow beam having a rectangular cross section without curvature of the corner portion can be considered. In this case, the filament winding process Excessive bending of the long fiber occurs, the filament winding process can not be performed properly and also has a problem in terms of strength.
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.As another proposal, as shown in FIG. 4, the filament is wound around the mandrel 26 with a 45 ° lamination member 14, and then the one-way lamination member 12 is inserted and installed. By filament winding the 45 ° laminated member 14 on the) can be presented a method that can improve the strength by eliminating the empty space 16 as shown in FIG. However, in such a case, since the filament winding process cannot be performed continuously, there is a problem in that the productivity is greatly reduced, and the resins of the 45 ° laminated members 14 and 14 and the one-way laminated member 12 which are wound with the filament are mutually different. There may be a problem in curing because it may not match.
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.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, by forming a 45 ° laminated member by filament winding the composite mandrel (composite hollow member) to be part of the composite hollow beam to produce a composite hollow beam The object of the present invention is to provide a composite hollow beam using filament winding, which can be simple and inexpensive.
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.In order to achieve the above object, the present invention is a composite hollow member made of a pre-cured one-way laminated member to perform a mandrel role at the same time, and detachably installed at both ends of the composite hollow member to obtain the final product of the hollow beam The shaft member and the composite hollow member to form a 45 ° laminated member by filament winding, characterized in that the composite hollow beam produced.
상기 복합재 중공부재는 두 개의 ㄷ형상의 보가 고정수단에 의해 서로 결합된 형태로 제공되며, 필요에 따라 강도 보강을 위해 보강부재가 복합재 중공부재의 내부에 길이방향으로 설치된다.The composite hollow member is provided in a form in which two c-shaped beams are coupled to each other by fixing means, and a reinforcing member is installed in the longitudinal direction of the composite hollow member for strength reinforcement as necessary.
도 1 내지 도 4는 종래 필라멘트와인딩을 이용하여 제작된 중공보의 실시예.1 to 4 is an embodiment of a hollow beam produced using a conventional filament winding.
도 5는 본 발명의 맨드릴을 겸하는 복합재 중공부재의 단면도.Figure 5 is a cross-sectional view of the composite hollow member serving as a mandrel of the present invention.
도 6은 도 5의 복합재 중공부재를 이용하여 복합재 중공보를 형성한 단면도.6 is a cross-sectional view of the composite hollow beam using the composite hollow member of FIG.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
30 : 복합재 중공부재32, 34 : 보30: composite hollow member 32, 34: beam
40 : 보강부재44, 46 : 축부재40: reinforcing member 44, 46: shaft member
48 : 45°적층부재50 : 복합재 중공보48: 45 ° laminated member 50: Composite hollow beam
이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명의 맨드릴을 겸하는 복합재 중공부재의 단면도를 도시한 것이다.Figure 5 illustrates a cross-sectional view of a composite hollow member that also serves as a mandrel of the present invention.
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.As shown, the composite hollow member 30 of the present invention is composed of two c-shaped beams 32 and 34 facing each other. Both ends of the beams 32 and 34 have inclined end portions 32a and 34a formed on one side with a flat portion and inward sides, and the inclined portions 32b corresponding to the inclined end portions 32a and 34a on the other side. (B) it is horizontally bent inwardly with 34b. Accordingly, both ends of the beams 32 and 34 are coupled to each other by fixing means such as an adhesive 36 or a screw 38 to form the composite hollow member 30. And the composite hollow member 30 is made of a composite material such as unidirectional fiber or reinforcing fiber fabric.
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.On the other hand, in order to assemble with other structures inside the beams 32 and 34 of the composite hollow member 30 manufactured as described above, or when reinforcement of the composite hollow member 30 is required, the reinforcing member 40 is attached. It is also possible to use the hole 42 in the reinforcing member 40. At this time, in order to attach the reinforcing member 40, it is preferable to perform the first before coupling the beams (32, 34).
도 6은 도 5의 복합재 중공부재를 이용하여 복합재 중공보를 형성한 단면도를 도시한 것이다.6 illustrates a cross-sectional view of a composite hollow beam using the composite hollow member of FIG. 5.
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.As shown in FIG. 5, shaft members 44 and 46 consisting of shafts 44a and 46a and plates 44b and 46b are separated from both ends of the composite hollow member 30 manufactured as shown in FIG. 5. By installing the composite hollow member 30 is installed to the shaft member 44, 46 is to temporarily serve as a mandrel. That is, the shaft members 44 and 46 installed on both sides of the composite hollow member 30 are installed in a rotating device (not shown) to rotate the composite hollow member 30 around the composite hollow member 30 by filament winding. After the 45 ° laminated member 48 is formed to cure the 45 ° laminated member 48, the composite hollow member 30 as a product is removed by removing only the shaft members 44 and 46 shown in FIG. 6 from the composite hollow member 30. 50) production will be completed.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 복합재 중공보는 다음과 같은 효과를 갖게 된다.As described above, the composite hollow beam of the present invention has the following effects.
첫째, 복합재 중공부재가 맨드릴 역할을 동시에 수행하므로서 길이방향으로 테이퍼져 있는 복합재 중공보의 제작을 매우 간단히 할 수 있다.First, since the composite hollow member performs the mandrel role at the same time, the production of the composite hollow beam tapered in the longitudinal direction can be very simple.
둘째, 종래와 같은 모서리 부위에 빈 공간이 없이 일방향 섬유 또는 강화섬유직물로 이루어진 복합재 중공부재가 채워진 상태로 되어 있기 때문에 강성을 향상시킬 수 있다.Secondly, since the composite hollow member made of a unidirectional fiber or reinforcing fiber fabric is filled with no empty space at the corners as in the prior art, rigidity can be improved.
셋째, 복합재 중공부재의 내부에는 필요에 따라 보강부재가 설치되어 있기 때문에 구조물 등의 설치를 용이하게 할 수 있다.Third, since the reinforcing member is installed inside the composite hollow member as necessary, it is possible to facilitate installation of a structure and the like.
넷째, 복합재 중공부재를 필라멘트와인딩 이전에 경화시킴으로서 이 복합재 중공부재의 층이 두꺼운 경우에도 원하는 경화도를 얻기가 용이하다.Fourth, by curing the composite hollow member prior to filament winding, it is easy to obtain a desired degree of curing even when the layer of the composite hollow member is thick.
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.Fifth, since the thickness of the portion where the two c-beams are combined increases, the buckling strength of the composite hollow beam can be improved by this thick portion to serve as a stiffener.
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