KR100842002B1

KR100842002B1 - 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법

Info

Publication number: KR100842002B1
Application number: KR1020070026958A
Authority: KR
Inventors: 구교남
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-06-27

Abstract

본 발명은 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법에 관한 것으로, 섬유가 반경 방향으로 배열된 극 직교 이방성(Polar Orthotropic) 성질을 갖는 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법에 관한 것이다. 섬유(11)가 내부에 길이방향으로 구비되며, 외경 a에서 내경 b까지 동일한 두께(h)로 형성되는 다수의 프리프레그 블록(Prepreg Block)(10)을 하부몰드(22)에 상기 내경 b의 원주가 서로 접하도록 방사형으로 배열하고, 상기 프리프레그 블록(10)이 배열된 하부몰드(22) 상부로 상부몰드(21)로 압착을 가하여 다수의 프리프레그 블록(10)의 외경 a의 원주를 서로 부착시켜, 외경 a와 내경 b의 반경 단면적이 동일한 원판을 성형한 후, 상기 성형된 원판의 외경 a와 내경 b가 균일한 두께를 갖도록 밀링 가공처리한다. 따라서, 본 발명은 균일한 극 직교 이방성(Polar Orthotropic) 성질을 갖는 반경 강화 원판의 제조가 가능하고, 상기 제작된 반경 강화 원판의 공학적 모델링이 가능하게 되어 해석방법에 의해 정적거동과 동적거동을 예측할 수 있으며, 강도와 동적 안정성이 향상된 반경 강화 원판은 파손속도 및 임계속도가 증가되어 운용회전수의 증가 및 무게가 감소되어 구동 에너지를 절약하는 효과가 있다.

극 직교 이방성, 섬유, 원판, 외경, 내경, 몰드

Description

극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법{Fabrication method of polar orthotropic fiber-reinforced disks}

도 1은 종래의 원주강화 원판과 반경강화 원판의 참고도.

도 2는 본 발명에 다른 극 직교 이방성 섬유강화 원판 제조방법의 실시 예.

도 3은 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 가공 전 프리프레그 블록과 가공 후 프리프레그 블록을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조에 사용되는 몰드를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판 제조방법의 다른 실시 예.

도 6은 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판을 이용한 응용실시 예.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 프리프레그 블록 11 : 섬유

21 : 상부몰드 22 : 하부몰드

30 : 원주강화 원판 a : 외경

b : 내경 h : 원판 두께

r : 반경 ha : 외경 두께

hb : 내경 두께

본 발명은 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 섬유가 반경 방향으로 배열된 극 직교 이방성(Polar Orthotropic) 성질을 갖는 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법에 관한 것이다.

회전원판은 회전속도가 증가함에 따라 면내 응력이 증가하여 일정한 속도에 이르면 작용 응력이 강도를 초과하게 되어 파손이 발생하게 된다. 반면 일반적으로 응력에 의한 파손이 발생하는 회전속도보다 훨씬 낮은 회전속도에서 동적 불안정성을 보이는데 이 속도를 임계속도라고 하며, 상기 임계속도로 회전하는 원판을 관성좌표계에서 관찰하면 후행파의 진행속도가 영이 되며, 이때 외부에서 원판의 수직방향으로 작은 힘이 작용하게 되면 원판의 변형은 발산하게 된다.

상기 임계속도는 현재 원형 전기톱, 터빈, 브레이크 디스크 등 전통적인 산업기계뿐만 아니라 최근 하드 디스크, CD-ROM(Compact Disk), DVD-ROM(Digital Versatile Disk) 등의 정보저장기기 등에 널리 이용되고 있는 회전원판의 운용속도를 제한하는 요인이 되고 있다.

기존의 금속이나 플라스틱과 같은 등방성(Isotropic) 재료로 임계속도를 늘리는데 한계가 있으므로 섬유강화 복합재료를 적용하면 이를 극복할 수 있음이 오 래전부터 학계에 보고되어 왔다. 기능의 효율성과 구조해석의 용이성으로 인해 섬유강화복합재료를 원판에 적용하는 방법은 사각평판과는 달리 극 직교 이방성(Polar Orthotropic)을 갖도록 섬유를 배열하는 방법을 택할 수 있다.

상기 극 직교 이방성 원판은 도 1과 같이 두 가지 방법으로 제조할 수 있다. 도 1(a)는 원주강화 원판으로 섬유(70)를 반경 방향으로 배열/강화하여 절원이 생기는 변형에 저항하도록 한 원판이고, 도 1(b)는 반경 강화 원판으로 섬유(80)를 원주방향으로 배열/강화하여 절경이 생기는 변형에 저항하도록 한 원판이다.

상기 도 1과 같은 극 직교 이방성 원판의 동적 지배방정식은 관성 원통좌표계 (r,Φ)에서 다음의 수학식 1과 같은 편미분 방정식으로 표현된다.

여기서, r은 반경방향, θ는 원주방향을 나타내며, υ는 포아송 비, D는 휨 강성(Bending Rigidity), ρ와 h는 각각 원판의 밀도와 두께, Ω은 회전수, w는 횡방향 변위, σ는 면내 응력을 뜻한다.

상기 수학식 1은 엄밀해의 계산은 불가능하며, 수치해석을 통해 회전수에 따른 고유진동수를 구하여 임계속도를 구할 수 있다. 섬유강화 복합재료 원판의 우수 성을 검증하기 위해 하기의 표 1과 같이, 폴리카보네이트(Polycarbonate)로 제작된 정보 저장용 CD와 이와 같은 치수를 갖는 탄소섬유강화 복합재료(이하 CFRP)로 된 반경강화 원판의 파손속도(Failure)와 임계속도(Critical Speed)를 제시한다.

- 최대 회전수 비교

Material	Max rotating speed (rpm)
Material	Failure	Critical
CD(Polycarbonate)	44,216	7,060
CFRP(T300/N5208)	138,941	19,106

그러나, 상기 도 1(a)의 원주강화 원판과 도 1(b)의 반경강화 원판은 각각 원주방향 하중과 반경방향 하중에 취약할 뿐만 아니라 두 종류의 원판 모두 횡방향 하중에 파손되기 쉽다.

또한, 상기 도 1b에 나타낸 것과 같이 섬유를 방사형으로 배열하면 외측 반경으로 갈수록 섬유 체적률(Volume Fraction)이 줄어들게 되어 탄성계수 값이 작아지므로 반경에 따라 기계적 물성치가 변하는 원판이 된다. 이 경우에 기계적 물성치는 반경에 따라 변하게 되므로 정확한 물성치를 얻는 것이 불가능하며, 상기 수학식 1을 사용하여 고유진동수를 얻을 수 없게 된다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 회전하는 원판은 임계속도에서 외부의 하중이 가해지면 횡 변위가 발산하여 파손의 위험이 있으며, 그 이상의 속도에서는 공기와의 상호작용에 의해 플러터(Flutter) 현상이 발생되는데, 상기 원판의 회전하중에 의한 파손을 방지하고, 동적 안정성을 향상시키 며, 섬유를 반경 방향으로 배열한 원판의 내부로 갈수록 섬유의 체적률이 동일한 고성능 회전기계에 사용되는 균일한 물성치를 갖는 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

목적을 달성하기 위한 구성으로는,

섬유가 내부에 길이방향으로 구비되며, 외경 a에서 내경 b까지 동일한 두께로 형성되는 다수의 프리프레그 블록(Prepreg Block)을 하부몰드에 상기 내경 b의 원주가 서로 접하도록 방사형으로 배열하고, 상기 프리프레그 블록이 배열된 하부몰드 상부로 상부몰드로 압착을 가하여 다수의 프리프레그 블록의 외경 a의 원주를 서로 부착시켜, 외경 a와 내경 b의 반경 단면적이 동일한 원판을 성형한 후, 상기 성형된 원판의 외경 a와 내경 b가 동일한 두께를 갖도록 밀링 가공처리한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 가공된 원판의 프리프레그 블록 두께는

으로

r = 반경이고, h_b = 내경의 두께이고, h_a = 외경의 두께인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 상,하부몰드는 가공하고자 하는 프리프레그 블록의 외경 a과 내경 b의 반경에 반비례하는 두께로 상하 대칭인 공간을 형성한다.

도 2는 본 발명에 다른 극 직교 이방성 섬유강화 원판 제조방법의 실시 예이고, 도 3은 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 가공 전 프리프레그 블록과 가공 후 프리프레그 블록을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조에 사용되는 몰드를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판 제조방법의 다른 실시 예이고, 도 6은 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판을 이용한 응용실시 예이다.

이하, 도면을 참고로 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판 제조방법의 실시 예로서, 도 2(a) 및 도 3(a)와 같이 섬유(11)가 내부에 길이방향으로 구비되며, 외경 a에서 내경 b까지 동일한 두께(h)로 형성되는 다수의 프리프레그 블록(Prepreg Block)(10)을 하부몰드(22)에 상기 내경 b의 원주가 서로 접하도록 방사형으로 배열하고, 상기 프리프레그 블록(10)이 배열된 하부몰드(22) 상부로 상부몰드(21)로 압착을 가하게 되면, 도 2(b)와 같이 다수의 프리프레그 블록(10) 외경 a의 원주를 서로 부착시켜, 외경 a와 내경 b의 반경 단면적이 동일한 원판을 성형한 후, 도 2(c)와 같이 상기 성형된 원판의 외경 a와 내경 b가 균일한 두께를 갖도록 밀링 가공처리한다.

이때, 상기 프리프레그 블록(10)의 내경 b는 원주를 따라서 서로 연속적으로 접하도록 배열되어야 하며, 상기 도 2에서는 18개의 프리프레그 블록(10)을 사용한 일실시 예이지만, 상기 프리프레그 블록(10)의 수를 증가시킬수록 품질이 좋은 원판을 제작할 수 있다.

또한, 성형 후의 프리프레그 블록(10)은 상기 도 2(b)와 같이, 분리되어 있던 외경 a의 원주는 서로 부착되는데, 상기 프리프레그 블록(10)의 내경측 단면의 치수는 성형 후에도 변함이 없지만, 외경측 단면의 폭과 높이에 대한 단면적은 그대로 유지되나, 외경 원주가 늘어나게 된다.

상기와 같이 성형된 원판의 외경측은 반경에 따른 두께가 일정하지 않으므로 밀링 가공을 통해 도 2(c) 및 도 3(c)와 같이 외경 a와 내경 b가 균일한 두께를 갖는 외경의 두께(h_a)로 가공하게 된다.

상기 가공된 원판의 프리프레그 블록(10) 두께(h)는 하기의 수학식 2와 같다.

여기서, r은 반경이고, h_b는 내경의 두께이고, h_a는 외경의 두께이다.

도 3은 가공 전 프리프레그 블록(10)과 가공 후 프리프레그 블록(10)을 나타낸 도면으로서, 도 3(a)은 섬유(11)가 내부에 길이방향으로 구비되며, 상기 외경 a에서 내경 b까지 동일한 두께(h)로 형성되는 가공 전 프리프레그 블록(10)을 나타내고 있으며, 도 3(b)는 상기 수학식 2를 만족하는 가공 후의 프리프레그 블록(10) 형상을 나타내고 있다.

균일한 물성치를 갖는 반경 강화 원판이 되기 위해서는 상기와 같이, 모든 반경에서 섬유 체적률(Volume Fraction)이 같아야 하며, 상기 도 3(b)와 같이 외경 a와 내경 b의 단면적이 동일하여야 하며, 이를 위한 원판의 두께(h)는 상기 수학식 2와 같이 표현된다.

상기 성형된 원판은 반경에 따른 두께(h)가 일정하지 않으므로 균일한 두께(h)를 갖는 원판을 갖기 위해서는 도 3(c)와 같이 외경 a의 두께 h_a와 동일한 두께를 갖도록 밀링 가공처리하게 된다.

도 4는 본 발명의 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조에 사용되는 상,하부몰드(21,22)를 나타낸 도면으로서, 상기 상,하부몰드(21,22)는 가공하고자 하는 프리프레그 블록(10)의 외경(a)과 내경(b)의 반경(r)에 반비례하는 두께로, 상기 수학식 2를 만족하는 상하 대칭인 공간을 형성한다. 도 4(a)는 상,하부몰드(21,22)의 사시도이고, 도 4(b)는 상기 도 4(a)의 A-A′부분의 단면도를 도시한다.

도 5는 본 발명에 따른 36개의 프리프레그 블록(10)을 이용한 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법의 다른 실시 예로서, 상기 도 2와 동일한 방법으로 가공되며, 앞에서 언급한 바와 같이 18개의 프리프레그 블록(10)을 이용한 극 직교 이방성 섬유강화 원판보다 품질이 좋은 원판으로 가공할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 극 직교 이방성 섬유강화 원판을 이용한 응용실시 예로써, 상기 도 2(c)와 같이 제조된 본 발명의 극 직교 이방성 섬유강화 원판을 상단과 하단에 구비하고, 상기 상단과 하단의 섬유강화 원판 사이에 원주강화 원 판(30)을 삽입하여 적층판(Laminate) 형태로 제작하면 내구성이 더욱 향상된 원판으로 응용하여 사용할 수 있다.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 균일한 극 직교 이방성(Polar Orthotropic) 성질을 갖는 반경 강화 원판의 제조가 가능하고, 상기 제작된 반경 강화 원판의 공학적 모델링이 가능하게 되어 해석방법에 의해 정적거동과 동적거동을 예측할 수 있으며, 강도와 동적 안정성이 향상된 반경 강화 원판은 파손속도 및 임계속도가 증가되어 운용회전수의 증가 및 무게가 감소되어 구동 에너지를 절약하는 효과가 있다.

Claims

극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법에 있어서,

섬유(11)가 내부에 길이방향으로 구비되며, 외경 a에서 내경 b까지 동일한 두께(h)로 형성되는 다수의 프리프레그 블록(Prepreg Block)(10)을 하부몰드(22)에 상기 내경 b의 원주가 서로 접하도록 방사형으로 배열하고, 상기 프리프레그 블록(10)이 배열된 하부몰드(22) 상부로 상부몰드(21)로 압착을 가하여 다수의 프리프레그 블록(10)의 외경 a의 원주를 서로 부착시켜, 외경 a와 내경 b의 반경 단면적이 동일한 원판을 성형한 후, 상기 성형된 원판의 외경 a와 내경 b가 균일한 두께를 갖도록 밀링 가공처리하는 것을 특징으로 하는 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 가공된 원판의 프리프레그 블록(10) 두께 h(r)은

으로

r = 반경이고, h_b = 내경의 두께이고, h_a = 외경의 두께인 것을 특징으로 하는 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 상,하부몰드(21,22)는 가공하고자 하는 프리프레그 블록(10)의 외경 a와 내경 b의 반경(r)에 반비례하는 두께로 상하 대칭인 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 극 직교 이방성 섬유강화 원판의 제조방법.