KR100531685B1 - 헬멧용 카본쉘 및 그 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헬멧용 카본쉘 및 그 성형방법에 대한 것으로, 발명의 주된 목적은 카본쉘을 구성하되, 카본재가 가지는 능직상태의 직조 문양을 헬멧의 외관 장식무늬로 활용할 수 있도록 하는데 있으며, 또 다른 목적은 냉각 프리폼을 미리 제조함으로 써, 수지가 녹기 전에 프리프레그 카본소재를 에어백 몰딩의 방법으로 카본쉘을 제조할 수 있도록 하는데 있고, 또 다른 한편으로는 에어백 몰딩 작업시 몰드 안쪽에 별도의 착탈식 메탈 지그를 추가로 구성함으로 써 프레스 몰딩과 같은 압착효과를 발휘하여 요철 및 굴곡이 심한 부분까지도 세밀하게 성형될 수 있도록 하는데 목적이 있는 것이다.

상기 목적한 바를 달성하기 위한 제조방법은 능직상태의 프리프레그 카본소재를 헬멧의 좌반부 조각과, 우반부 조각, 그리고 적층무늬의 패턴에 따라 중단띠 조각 등으로 재단하여 준비하는 카본소재 준비공정, 그리고 이 카본소재 들을 좌, 우 분할되는 한 쌍의 FRP몰드 안쪽에 붙이고, 온도와 시간을 맞추어 냉각시키는 프리폼 준비공정, 그리고 준비된 프리폼을 에어백 몰딩 유니트 의 좌, 우 금형 사이에 넣고 프리폼의 안쪽으로 성형부가 위치하도록 별도의 메탈 지그를 장착하는 에어백 몰딩 준비공정, 그리고 상기 프리폼 안으로 에어백을 삽입하고 압력을 가하여 팽창작업을 실시한 후, 탈형까지 마치는 에어백 몰딩공정을 차례로 거쳐서 성형하는데 있다.

Description

헬멧용 카본쉘 및 그 성형방법 {CARBON SHELL FOR HELMET AND MANUFACTORING METHOD}

본 발명은 헬멧용 카본쉘 및 그 성형방법에 대한 것으로, 더 상세하게는 능직의 방법으로 직조된 프리프레그 카본소재를 사용하여 제조하되, 헬멧의 외장부분에 있어서는 카본소재가 가지는 능직의 무늬 모양을 그대로 살려 헬멧의 장식무늬로 하고자 하는데 특징이 있으며, 헬멧의 성형 공정에 있어서는 프리프레그 카본 소재를 사용하면서도 기존의 에어백 몰딩 유니트를 그대로 사용하여 생산성을 향상시키고, 더 나가서 에어백 몰딩 유니트에 부분 지그(또는 전면지그)를 추가하여 굴곡 및 요철이 심한 부분까지 세밀하게 그 형태가 성형되도록 하는데 특징이 있는 것이다.

일반적으로 헬멧의 기본형이 되는 카본쉘을 포함한 FRP쉘은 카본, 글라스, 아라미드재료를 사용하는 바, 구형에 가까운 헬멧 모양을 완성하기 위해서 프레프레그가 아닌 다수의 건식 적층재 조각들을 몰드 안쪽에 붙이고, 열경화성 액상수지를 부어 코팅하여 쉘을 완성하는 것이 보통이다.

한편, 카본쉘의 효과적인 제조를 위해서 알려진 제조방법은 에어백 몰딩, 오토클레이브(AutoClave) 등이 일반적인 방법이다.

즉, 에어백 몰딩은 헬멧의 모양으로 카본 조각들을 붙인 후, 이를 금형에 넣고 수지를 부어 넣은 다음, 그 안쪽에서 에어백을 팽창시켜 그 팽창압으로 쉘 모양을 완성하는 것이다.

한편, 근래에는 구형에 가까운 헬멧용 몰드 표면에 적층하기 용이하도록 할 목적으로 직조된 능직 소재(예컨대 Twill 2*2, 2*4, 4*4 등)가 알려 졌다.

참고로 능직(綾織, twill weave)이라 하면 직물 표면에 날실 또는 씨실로 빗방향의 이랑무늬를 형성하는 조직, 또는 이런 조직으로 짠 직물을 말한다.

이는 가로 세로로 직조된 상태에서 어느 한쪽이 늘어나거나 수축하면, 다른 한 쪽 방향으로 압축이 일어나지 않고, 늘어나는 부분만큼을 보상하면서 수축하기 때문에 곡면을 이루는데 유리한 장점이 있다.

또, 최근에는 상기와 같은 능직 소재에 미리 수지를 함침시킨 프리프레그(Prepreg)라는 재료가 알려져 있는 바, 이는 직조된 카본소재에 미리 적당량의 점착성 수지재를 함침(Impregnation)시켜 붙이고 성형하기에 매우 용이하다.

그러나 상기와 같은 프리프레그 소재는 함침된 수지재가 열에 약하기 때문에 약 120℃ ~ 130℃의 온도로 예열되어 있는 에어백 몰딩을 이용하는 제조방법에서는 사용이 어렵다.

즉, 헬멧 모양의 금형 안쪽에 프리프레그 소재를 붙이면 에어백으로써 가압 성형작업을 하기 전에 수지가 녹아내려 형상을 유지하기가 어렵기 때문이다.

따라서, 프리프레그 소재를 이용하는 제조방법으로는 앞서 언급한 바 있는 오토클레이브(AutoClave)가 적당하다.

이는 FRP소재의 성형몰드 안쪽에 프리프레그 소재를 적층하여 붙이고, 몰드를 포함한 그 전체를 진공 필름으로 감싼 후, 진공상태를 유지시키고, 그 상태에서 고압의 챔버에 넣어 챔버내의 압력이 프리프레그 소재를 몰드 쪽으로 눌러 붙이도록 가압하여 성형하는 것이다.

그러나 이러한 오토클레이브 제조방법은 몰드와 진공필름 내부의 진공을 위한 진공제공시설, 다수의 몰드를 넣어 가압하기 위한 고압제공시설 들이 대규모로 구비되어야 하기 때문에 시설투자비가 크고 생산성이 떨어지는 또 다른 문제점이 있다.

특히, 프리프레그 카본재를 사용하여 에어백 몰딩의 방법으로 쉘을 제조할 때, 별도의 메탈지그를 추가하여 프레스 효과를 가미한 성형방법은 전혀 없었기 때문에 굴곡이 심한 부분의 성형성이 미흡하였다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 새로운 카본쉘을 제공하고자 하는 것으로, 발명의 주된 목적은 카본쉘을 구성하되, 능직상태로 직조된 카본재를 2조각 또는 3조각으로 한정하여 몰드에 적층한 후 제조하므로 써 카본재가 가지는 능직상태의 직조 문양을 헬멧의 외관 장식무늬로 활용할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 프리프레그 카본재를 사용하여 카본쉘을 제조하되, 냉각 프리폼을 제조한 후 에어백 몰딩을 시도하므로 써 종래와 같은 오토클레이브 방법이 아니라 에어백 몰딩을 실시할 수 있도록 하는데 있으며, 더 나가서 비교적 저렴한 시설로도 생산성을 높이고, 저가 양질의 카본쉘을 제공할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 프리프레그 카본재를 사용하여 에어백 몰딩의 방법으로 카본쉘을 제조하되, 에어백 몰딩 유니트의 금형 안쪽에 별도의 착탈식 메탈 지그를 추가로 구성함으로 써 프레스 몰딩과 같은 압착효과를 발휘하여 요철및 굴곡이 심한 부분까지도 세밀하게 성형이 될 수 있도록 하는데 목적이 있는 것이다.

상기 목적한 바를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 카본쉘의 구성은 능직상태로 직조된 카본재로써 헬멧용 카본쉘을 형성하되, 상기 카본쉘을 서로 대칭 되는 좌반부 조각과 우반부 조각과, 임의의 폭을 가지는 중단띠 조각으로 재단한 후, 상기한 좌반부 조각과 우반부 조각이 가지는 능직상태의 문양이 좌, 우 대칭상태가 되도록 배치하고, 상기 중단띠 조각이 이들의 경계선을 따라 정 중앙에서 전, 후로 배열하여서 형성하는 것이다.

또 한, 상기 목적한 바를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 제조방법은 능직상태로 직조되고, 수지가 함침된 프리프레그 카본소재를 헬멧의 좌반부 조각과 우반부 조각과 중단띠 조각 등으로 재단하여 준비하는 카본소재 준비공정; 그리고 상기한 카본소재 준비공정에서 준비된 카본소재 들을 좌, 우 분할되는 한 쌍의 FRP몰드 안쪽에 붙이고, 임의의 온도조건에서 임의의 시간을 거쳐 냉각시키는 프리폼 준비공정; 그리고 상기한 프리폼 준비공정에서 준비된 프리폼을 에어백 몰딩 유니트의 좌, 우 금형 사이에 넣고 프리폼의 안쪽으로 성형부가 위치하도록 별도의 메탈 지그를 장착하여 준비하는 에어백 몰딩 준비공정; 그리고 상기한 에어백 몰딩준비공정을 거친 상태에서 상기 프리폼 안으로 에어백을 삽입하고 압력을 가하여 팽창작업을 실시한 후, 탈형까지 마치는 에어백 몰딩공정을 차례로 거쳐서 성형하는데 있다.

특히, 상기한 프리폼 준비공정은 준비된 좌반부 조각과 우반부 조각을 각각의 좌, 우 FRP몰드 안쪽에 붙이는 부착과정, 좌반부 조각과 우반부 조각이 붙은 좌, 우 FRP몰드를 그 각각의 플랜지에 구비된 나사로써 체결하여 헬멧모양을 유지하도록 고정하는 몰드 고정과정, 상기 FRP몰드를 약 0℃ ~ 10℃의 온도에서 약 5분 ~ 15분 동안 보관시켜 온도를 낮추는 냉각과정을 차례로 거쳐 준비하는 것이 중요하다.

이하 본 발명의 카본쉘 구조와 제조방법을 첨부 도면에 따라 차례로 설명한다.

도 1 및 도 3은 본 발명에 따라 제조된 카본쉘의 사시도이다.

통상적인 헬멧이라 함은 얼굴 전면을 노출시키는 오픈페이스 타입, 또는 얼굴 일부만 노출시키는 풀페이스 타입, 또는 머리부분만 덮는 타입 등 여러 가지 모든 헬멧을 말하는 바, 모두 본 발명의 제조방법을 적용할 수 있다.

먼저, 도 1의 카본쉘은 능직상태로 직조된 카본재로써 헬멧용 카본쉘을 형성하되, 상기 카본쉘을 서로 대칭 되는 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20) 2조각으로 재단한 후, 이들이 가지는 능직상태의 문양이 좌, 우 대칭상태가 되도록 배열하여서 된 것이다.

이때, 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20)은 서로의 경계선을 구성하는데 있어서 어느 한 쪽만 정중앙에 끝단이 위치하도록 정확하게 절단하면 된다.

즉, 도 2에서 보는 바와 같이 정확하게 절단된 우반부 조각(20)이 외부로 노출되도록 하고, 나머지 다른 한 쪽인 좌반부 조각(10)은 그 안쪽으로 덮이도록 하면 되는 것이다.

또, 도 3의 카본쉘은 서로 대칭 되는 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20)과, 임의의 폭을 가지는 중단띠 조각(30)으로 재단한 후, 상기한 좌반부 조각과 우반부 조각이 가지는 능직상태의 문양이 좌, 우 대칭상태가 되도록 배치하고, 상기 중단띠 조각(30)이 이들의 경계선을 따라 정 중앙에서 전, 후로 배열하여서 된 것이다.

이때는 중단띠 조각(30)이 헬멧의 정 중앙에서 노출될 것이므로 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20)의 끝단이 상기한 중단띠 조각(30)의 안쪽에서 겹쳐지도록 하면 된다.

다음은 상기와 같은 카본쉘의 제조방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 헬멧용 카본쉘 성형방법을 보인 공정도인 바, 크게 카본소재 준비공정과, 프리폼 준비공정과, 에어백 몰딩 유니트 준비공정과, 에어백 몰딩 실시공정을 거친다.

상기한 카본소재 준비공정은 능직상태로 직조되고, 수지가 함침된 프리프레그 카본소재를 헬멧의 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20)과 중단띠 조각(30) 등으로 재단하여 준비하는 공정이다.

다음의 프리폼 준비공정은 본 발명에서 가장 중요한 공정으로서, 상기한 카본소재 준비공정에서 준비된 카본소재 들을 좌, 우 분할되는 한 쌍의 FRP몰드(200) 안쪽에 붙이고, 임의의 온도조건에서 임의의 시간을 거쳐 냉각시키는 공정이다.

즉, 도 6에서 보는 바와 같이 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20), 그리고 경우에 따라서는 중단띠 조각(30)을 좌, 우 분할되는 FRP몰드(200)의 안쪽면에 붙인다.

그리고 이들 FRP몰드(200)들을 서로 체결하여 헬멧모양을 유지하도록 고정하는 몰드 고정과정을 거친 후, 상기 FRP몰드를 약 0℃ ~ 10℃의 온도에서 약 5분 ~ 15분 동안 보관시켜 온도를 낮추는 냉각과정을 거친다.

그리고 적당히 냉각된 다음에는 냉각된 카본소재를 FRP몰드(200)로부터 탈형 하여 다음의 에어백 몰딩공정으로 보낸다.

에어백 몰딩 준비공정은 상기와 같이 냉각된 프리폼을 가급적 빠른 시간 내에 에어백 몰딩 유니트(100)의 금형 내에 삽입하고, 메탈 지그(140)를 장착하여 에어 팽창 작업을 실시할 수 있도록 한다.

즉, 에어백 몰딩 유니트(100)의 금형 온도는 약 120℃ ~ 130℃로 예열되어 있는 바, 냉각된 프리폼이 삽입되면 그 냉각된 열을 빼앗기기 전에 성형 준비를 끝내는 것이 좋다.

본 발명의 상기 메탈 지그(140)는 성형돌조부(141a)가 형성된 성형부(141)를 금형의 내측면을 향하도록 한 상태에서 가이드부(142)를 상기 금형(110)(120) 상측면의 수평안내홈(101)에 올려놓는다.

이와 같이 하면 팽창되는 에어백에 의해 가이드부(142)를 따라 성형부(141)가 수평 방향으로 이동이 되면서 상기 성형돌조부(141a)에 의해 헬멧 측면의 굴곡 및 요철이 심한 부분까지 세밀하게 성형할 것이다.

다음으로 에어백 몰딩 실시공정은 통상의 에어백 몰딩작업과 대동소이하다.

단지, 앞에서 말한 메탈 지그(140)가 팽창되는 에어백에 의해 수평 방향으로 이동이 되면서 상기 성형부(141)의 성형돌조부(141a)에 의해 헬멧 측면의 굴곡 및 요철이 심한 부분까지 세밀하게 성형하고 나면, 메탈 지그(140)를 금형(110)(120)으로부터 먼저 분리한 후, 통상의 방법으로 탈형 하면 되는 것이다.

이와 같이 성형된 카본쉘은 일반적인 액상형태의 열 경화성 수지를 주입하고, 일반적인 FRP 재료를 통해 제작된 쉘에 비하여 같은 강도 대비 약 40%의 중량감소효과가 있다.

한편, 본 발명에서와 같이 제작된 카본쉘은 보강을 위하여 그 내부에 각종 프리프레그(예컨대 글라스, 아라미드, 초고분자량 PE 등)를 추가로 적층하여 각종 규격을 만족하는 카본쉘을 만들 수 있는 것이다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명은 능직상태로 직조된 카본재를 여러 조각이 아닌 2조각 또는 3조각으로 한정하여 몰드에 적층하되, 이들 카본재가 노출되도록 하였기 때문에 그 카본재가 가지는 능직상태의 직조 문양을 헬멧의 외관 장식무늬로 활용할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 프리프레그 카본재를 사용하여 카본쉘을 제조할 때, 미리 냉각시킨 상태의 프리폼을 제조한 후, 이 프리폼을 에어백 몰딩의 방법으로 제조하여 금형의 예열상태에 관계없이 정상적인 형태로 완성할 수 있도록 하였기 때문에 오토클레이브 제조방법을 사용하지 않고도 제작이 가능한 것이다.

따라서 비교적 저렴한 시설의 에어백 몰딩의 제조장치로도 생산성을 높이고, 저가 양질의 카본쉘을 제공할 수 있게 된 것이다.

그 뿐만 아니라, 본 발명에서는 에어백 몰딩 유니트의 금형 안쪽에 별도의 착탈식 메탈 지그를 추가로 구성하였기 때문에 프레스 몰딩의 압력효과까지 얻을 수 있기 때문에 요철및 굴곡이 심한 부분까지도 세밀하게 성형시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 헬멧용 카본쉘의 사시도

도 2는 도 1의 요부 단면도

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예의 카본쉘 사시도

도 4는 도 3의 요부 단면도

도 5는 본 발명의 헬멧용 카본쉘 성형방법을 보인 공정도

도 6은 본 발명의 헬멧용 카본쉘을 제조하기 위한 프리폼의 제조 설명도

도 7은 본 발명에 사용될 에어백 몰딩장치의 구성도

도 8은 본 발명의 카본쉘 성형공정중에 사용되는 메탈 지그의 구성도

도 9는 본 발명의 메탈 지그의 조립상태를 보인 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

10 : 좌반부 조각

20 : 우반부 조각

30 : 중단띠 조각

100 : 에어백 몰딩 유니트

101 : 수평 안내홈

110, 120 : 좌, 우 금형

130 : 에어백

140 : 메탈지그

141 : 성형부

142 : 가이드부

200 : FRP몰드

Claims (5)

1. 능직상태로 직조된 카본재로써 헬멧용 카본쉘을 형성하되,

   상기 카본쉘을 서로 대칭 되는 좌반부 조각과 우반부 조각으로 재단한 후, 이들이 가지는 능직상태의 문양이 좌, 우 대칭상태가 되도록 배열하여서 된 것을 특징으로 하는 헬멧용 카본쉘.
2. 능직상태로 직조된 카본재로써 헬멧용 카본쉘을 형성하되,

   상기 카본쉘은 서로 대칭 되는 좌반부 조각과 우반부 조각과, 임의의 폭을 가지는 중단띠 조각으로 재단한 후, 상기한 좌반부 조각과 우반부 조각이 가지는 능직상태의 문양이 좌, 우 대칭상태가 되도록 배치하고, 상기 중단띠 조각이 이들의 경계선을 따라 정 중앙에서 전, 후로 배열하여서 된 것을 특징으로 하는 헬멧용 카본쉘.
3. 능직상태로 직조되고, 수지가 함침된 프리프레그 카본소재를 헬멧의 좌반부 조각(10)과 우반부 조각(20)과 중단띠 조각(30) 등으로 재단하여 준비하는 카본소재 준비공정;

   상기한 카본소재 준비공정에서 준비된 카본소재 들을 좌, 우 분할되는 한 쌍의 FRP몰드 안쪽에 붙이고, 임의의 온도조건에서 임의의 시간을 거쳐 냉각시키는 프리폼 준비공정;

   상기한 프리폼 준비공정에서 준비된 프리폼을 에어백 몰딩 유니트(100) 의 좌, 우 금형 사이에 넣는 과정과, 프리폼의 안쪽으로 성형부(141)가 위치하도록 별도의 메탈 지그(140)를 장착하여 준비하는 과정을 포함하는 에어백 몰딩 준비공정;

   상기한 에어백 몰딩 준비공정을 거친 상태에서 상기 프리폼 안으로 에어백(130)을 삽입하고 압력을 가하여 팽창작업을 실시한 후, 탈형까지 마치는 에어백 몰딩실시공정; 을 차례로 거쳐서 성형하는 것을 특징으로 하는 헬멧용 카본쉘 성형방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기한 프리폼 준비공정은 준비된 좌반부 조각과 우반부 조각을 각각의 좌, 우 FRP몰드 안쪽에 붙이는 카본소재 부착과정,

   좌반부 조각과 우반부 조각이 붙은 좌, 우 FRP몰드를 그 각각의 플랜지에 구비된 나사로써 체결하여 헬멧모양을 유지하도록 고정하는 몰드 고정과정,

   상기 FRP몰드를 약 0℃ ~ 10℃의 온도에서 약 5분 ~ 15분 동안 보관시켜 온도를 낮추는 냉각과정,

   냉각된 카본소재를 FRP몰드로부터 탈형 하는 과정을 차례로 거쳐 준비하는 것을 특징으로 하는 헬멧용 카본쉘 성형방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기한 에어백 몰딩 준비공정에서 사용하는 메탈 지그(140)는 굴곡 및 요철이 심한 부분까지 세밀하게 성형할 목적으로 에어백 몰딩 유니트(100)의 좌, 우 금형(110)(120)의 내부로 삽입되어 성형돌조부(141a)가 상기 금형의 내측면을 향하도록 하는 성형부(141)와, 상기 성형부의 끝단에서 연장되어 상기 금형(110)(120) 상측면의 수평안내홈(101)에 끼워지도록 하는 가이드부(142)로 구성하여 신속 간단하게 착탈할 수 있는 것을 사용하여서 된 것을 특징으로 하는 헬멧용 카본쉘 성형방법.