KR101138117B1

KR101138117B1 - 특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법

Info

Publication number: KR101138117B1
Application number: KR1020080120243A
Authority: KR
Inventors: 구병문; 양광하; 황태용; 정재형
Original assignee: 두산디에스티주식회사
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2012-04-24
Also published as: KR20100061885A

Abstract

본 발명에 따른 특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법은, (a) 섬유로 직조된 직물매트(40)를 재단하여 다양한 방향성과 형태를 갖는 복수의 직물매트를 준비하는 단계; (b) 상기 복수의 직물매트(40)를 적층하고, 보강재(50)로 상기 직물매트(40)의 두께방향으로 스티칭하여 직물 예비성형품(60)을 형성하는 단계; (c) 상기 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치 내에 넣고 액상수지성형공법으로 성형하여 복합재료 성형품(110)을 형성하는 단계; (d) 상기 복합재료 성형품(110)을 소정 길이 및 폭으로 재단한 복합재 방탄판(20)을 생성하는 단계; (e) 판상의 금속 재료를 상기 복합재 방탄판(20)의 길이 및 폭에 상응하도록 재단한 금속 방탄판(10)을 마련하는 단계; 및 (f) 상기 복합재 방탄판(20)의 일면에 상기 금속 방탄판(10)을 적층한 후 기계적 체결 수단(30)을 이용하여 상기 복합재 방탄판(20)과 금속 방탄판(10)을 결합하는 단계;를 포함하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 보강재(50)가 상기 직물매트의 두께 방향으로 스티칭되는 각도는 상기 직물매트의 표면에 대해 수직 방향에서 10도 이내의 범위인 것을 특징으로 한다.

특수차량, 방탄 금속재, 복합재 방탄판, 기계적 체결류, 기계적 결합, 경량화 구조물, 이종재질, 다피탄, 스티칭, 액상수지성형

Description

특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법{A method manufacturingballastic structure of special purpose vehicles}

본 발명은 군사용 특수 차량의 방탄 구조물에 관한 것이고, 보다 상세하게는 섬유강화 복합재를 이용한 군사용 특수차량의 방탄판 및 그 제조 방법에 있어서, 2차원의 직물매트를 복수매 적층하고 장섬유 다발과 같은 보강재로 두께방향의 바늘 관통에 의하여 전체를 결속시켜주는 스티칭(stitching) 기술을 이용하여 효과적으로 3차원 구조 예비성형품을 만들어 두께방향의 인장력을 보강한 다음 액상수지성형공법을 이용하여 단시간 내에 고품질의 섬유강화 복합재 방탄판을 제조할 수 있는 특수차량용 섬유강화 복합재 방탄판의 보강 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 군사용 특수차량에서는 외부 위협에 대한 방호용으로 방탄판이 사용되고 있다. 그리고 통상적으로 방탄판의 소재로서는 금속재료가 주로 이용되는 바, 외부의 위협 수준에 따라서 방탄판 금속재 원판의 두께가 결정되며, 이를 제작자가 원하는 형상에 따라 기계가공을 한 후 조립 또는 용접함으로써 특수차량에 부착된다.

즉, 특수차량에 있어서의 방탄판은 구조적인 지지역할 및 외부의 위협으로부 터의 방호역할을 동시에 수행하게 된다. 특히, 최신 군사용 특수차량은 신속한 배치, 공격력, 및 우수한 생존가능성이 더욱 절실히 요청되는 바, 이러한 요구조건을 만족시키기 위해서 차량의 경량화는 필수적인 요소가 되고 있다.

하지만 외부의 위협수준이 커짐에 따라 금속재 방탄판의 두께 또한 증가하였으며, 그에 따라 군사용 특수차량의 중량이 증가하여 기동력 및 생존가능성이 현저히 떨어지게 되었다.

이와 같이 군사용 특수차량의 방탄판은 전체가 금속재로 형성되어 있으므로 구조적인 내구력에는 별다른 문제가 없으나, 복합재 방탄판에 비해 상대적으로 비중이 높은 문제점이 있으며, 이와 같이 방탄판의 비중이 높게 되면 특수차량의 중요한 성능인 기동성능 및 전체적인 생존시스템에 영향을 미치게 된다.

이러한 문제를 해소하기 위해서 최근의 군사용 특수차량의 방탄판 제조 분야에서는 기존의 금속재 방탄판을 비강도 및 비강성이 우수한 소재인 고분자 기지의 섬유강화 복합재료로 대체함으로써 가볍고 우수한 성능의 방탄판을 제작하기 위한 방법이 연구되고 있다.

그런데, 종래에는 군사용 특수차량에 사용되는 복합재 방탄판의 제조에 있어 지금까지 사용되어 왔던 복합재 제조의 적층방법인 단순 2차원 구조 직물매트의 적층방법만이 시도되고 있는 실정이다.

그러나, 이러한 단순 2차원 직물매트의 적층방법에 의한 복합재 방탄판은 피탄시 두께방향으로의 방탄성능은 충족되지만 두께방향으로의 접착강도가 낮다는 문제가 있다.

또한, 단순 2차원 구조 직물매트 적층만으로 구성된 방탄판은 피탄 시 발생되는 충격에너지로 인하여 두께방향의 층간분리현상이 방탄판의 넓은 면적에 걸쳐 발생되므로 다피탄의 경우에는 방탄성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

이상의 문제점, 즉 두께방향으로 재료물성을 보강하기 위한 방안으로 인성이 매우 높은 수지의 개발 등을 고려할 수 있으나, 이 방법은 가격이 높아지고 제조방법이 까다로워 제품 제작 시 원가의 상승이 예상된다.

이에, 전술한 문제점을 개선한 특수차량용 복합재 방탄판 및 그 제조 방법에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 군사용 특수차량에 사용되는 복합재 방탄판의 제조에 있어 지금까지 사용되어 왔던 복합재 제조의 적층방법인 단순 2차원 구조 직물매트의 적층방법을 개선하는 것을 기술적 과제로 한다.

보다 상세하게는 본 발명의 목적은 복합재 적층방식으로 제조된 군사용 특수차량에 사용되는 복합재 방탄판에서 피탄 시에 발생되는 충격에너지에 의한 층간분리 현상을 최소화하여 다피탄에 대한 방호성능을 향상시킬 수 있는 복합재 방탄판의 보강 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 복수개의 직물매트가 적층된 3차원 구조 직물 예비성형품에 두께방향으로 장섬유 다발과 같은 보강재를 스티칭(stitching)하여 적층된 각각의 물리적으로 연결함으로써, 적층된 각각의 직물매트의 층간 결합력을 높였다.

또한, 스티칭 후 액상수지성형공법(VARTM: Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)에 의해 성형하여 적층된 직물매트의 층간 결합력을 더욱 높였다.

또한, 이상의 과정을 통해 제작된 복합재 방탄판의 일면에 금속 재료로 된 금속 방탄판을 기계적 체결 수단을 이용하여 결합함으로써 피탄에 대한 방탄 성능을 더욱 향상시키도록 하였다.

구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따른 방탄 구조물 제조 방법은, (a) 섬유로 직조된 직물매트(40)를 재단하여 다양한 방향성과 형태를 갖는 복수의 직물매트를 준비하는 단계; (b) 상기 복수의 직물매트를 적층하고, 보강재(50)로 상기 직물매트의 두께방향으로 스티칭하여 직물 예비성형품(60)을 형성하는 단계; (c) 상기 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치 내에 넣고 액상수지성형공법으로 성형하여 복합재료 성형품(110)을 형성하는 단계; (d) 상기 복합재료 성형품(110)을 상기 금속 방탄판(10)의 소정 길이 및 폭으로 재단한 복합재 방탄판(20)을 생성하는 단계;를 통해 복합재 방탄판(20)을 형성하고,

추가적으로, (a) 내지 (d) 단계에 후속하여, (e) 판상의 금속 재료를 상기 복합재 방탄판(20)의 길이 및 폭에 상응하도록 재단한 금속 방탄판(10)을 마련하는 단계; 및 (f) 상기 복합재 방탄판(20)의 일면에 상기 금속 방탄판(10)을 적층한 후 기계적 체결 수단(30)을 이용하여 상기 복합재 방탄판(20)과 금속 방탄판(10)을 결합하는 단계;를 더 포함함으로써 금속 방탄판(10)과 복합재 방탄판(20)의 이종 재료로 구성된 특수 차량의 방탄 구조물을 제조할 수 있다.

한편, 상기 (c) 단계에서, 상기 보강재(50)가 상기 직물매트의 두께 방향으로 스티칭되는 각도는 두께 방향의 결합력을 향상시키기 위해 상기 직물매트의 표면에 대해 수직 방향에서 10도 이내의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 보강재(50)는 폭 및 길이 방향의 결합력을 향상시키기 위하여 상기 직물매트 표면에서 가로방향과 세로방향이 수직으로 교차하도록 정방형으로 스티칭되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 보강재(50)가 스티칭되는 간격은 결합력을 증대시킬 수 있는 최적의 간격인 0.5 인치 이상 1.0 인치 이하인 것이 바람직하다.

또한, 보강재(50)과 금속 방탄판(10)과 결합력을 높이기 위해 상기 기계적 체결 수단(30)은 상기 복합재 방탄판(20) 표면상의 상기 보강재(50)가 존재하는 지점에서 상기 금속 방탄판(10)과 결합되도록 하는 것이 바림직하다.

또한, 상기 보강재(50)는 400 데니어 케블라 섬유를 3가닥 내지 5가닥 합사한 섬유인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면 이상에서 기재한 방법에 의해 제작된 특수 차량의 방탄 구조물을 제공한다.

본 발명에 따르면, 복수개의 직물매트가 적층된 3차원 구조 직물 예비성형품에 두께방향으로 장섬유 다발과 같은 보강재를 스티칭(stitching)하여 적층된 각각의 물리적으로 연결함으로써, 적층된 각각의 직물매트의 층간 결합력을 높였다.

이상의 구성에 의해 본 발명에 의한 스티칭 후 액상수지성형공법을 이용한 복합재 방탄판의 보강 제조방법에 의하면, 기존의 알루미늄 방탄판에 비해 무게를 약 30% 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 층간분리현상을 방지하여 방탄판의 손상범위를 기존 복합재 방탄판 대비 약 25%로 획기적으로 감소시켜 다피탄에 대한 방호성능이 향상 될 수 있는 최적의 적층 설계요건을 만족할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종전에 복합재 방탄판을 성형할 때에는 필요에 따라 압착금형에 소정의 압력과 온도를 가하여 성형하였으나, 본 발명에서는 액상수지성형공법으로 제조함으로써 짧은 시간에 고품질의 섬유강화 복합재 방탄판을 제조할 수 있게 되었으며, 복합재 방탄판의 품질 재현성에 크게 기여할 수 있는 효과가 기대된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1(a)는 본 발명에 따른 방탄 구조물의 사시도이다.

도시된 것과 같이 본 발명에 따른 방탄 구조물은 복합재 방탄판(20)의 일면에 금속방탄재(10)가 기계적 체결 수단(30)에 의해 결합된 구조로 되어 있다.

금속 방탄재(10)는 금속으로 이루어지고 소정 길이와 폭을 가진 장방형의 판상 소재이다. 금속 소재로서는 요구되는 방탄 성능에 부합되는 다양한 소재를 채용할 수 있으나, 대표적으로 알루미늄을 사용할 수 있다.

복합재 방탄판(20)은 다양한 방향성과 형태를 갖는 복수의 직물매트(40)를 적층한 후, 적층된 직물매트(40)의 두께방향으로 보강재(50)를 스티칭하여 직물 예비성형품(60)을 형성한 다음, 이 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치 내에 넣고 액상수지성형공법으로 성형한 복합재료 성형품(110)을 소정 길이 및 폭으로 재단함으로써 형성된다.

기계적 체결 수단(30)으로는 볼트 및 너트를 채용할 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니라 다양한 수단을 채용할 수 있다. 한편, 금속 방탄재(10)와 복합재 방탄판(20) 사이의 결합 강도를 보다 증대시키기 위해, 기계적 체결 수단(30)의 체결 위치를 적절히 선택할 수 있다. 예컨대, 기계적 체결 수단(30)은 복합재 방탄판(20)의 보강재(50, 도 1b 참조)가 복합재 방탄판(20) 상부 표면에 노출된 지점에 배치함으로써 기계적 체결 수단(30)에 의해 금속 방탄재(10)와 복합재 방탄판(20) 뿐만 아니라 보강재(50)도 함께 결합되도록 한다.

도 1(b)에는 복합재 방탄판(20)을 제작하기 위해 복수의 직물매트(40)를 적층하여 배열한 상태가 도시되어 있다.

직물매트(40)는 탄소섬유, 흑연섬유, 아라미드 섬유 및 유리섬유로 이루어지는 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상의 섬유로 직조하여 제조할 수 있다. 직물매트(40)의 섬유 직조 방향성은 직각으로 직조하여 사각형 형태로 만들 수도 있고, 소정의 각을 갖는 평행사변형 또는 마름모 형태로 직조할 수도 있다.

도 1(c)에는 도 1(b)에서 적층된 직물매트(40)에 보강재(50)를 스티칭하여 형성된 직물 예비성형품(60)의 측단면도가 도시되어 있다.

도시된 것과 같이, 준비된 복수의 직물매트(40)는 적층될 각 직물매트(40)의 직조 방향성을 고려하여 일정한 형태로 재단된 다음 복수매가 적층된다.

이렇게 적층된 직물매트(40)는 도 2(a)에 도시한 보강재(50)로 스티칭하게 되는데, 보강재(50)는 장섬유 다발로 이루어져 있고, 적층된 직물매트(40)의 두께방향으로 연속적으로 보강재(50)를 관통시키면서 스티칭해 나간다.

일반적으로 섬유강화 복합재료 공정에서 두께방향으로의 재료물성을 보강하기 위한 방안으로서는 브레이딩(braiding), 니들-펀칭(needle-punching), 스티칭(stitching) 등의 기술이 있으나, 본 발명에서는 생산성 및 경제성이 뛰어난 스티칭 기술을 적용하여 복합재 방탄판를 제조하였다.

보강재(50)를 이루는 장섬유는 탄소섬유, 흑연섬유, 아라미드섬유 및 유리섬유 중 어느 하나 또는 그 이상을 선택하여, 도 2(a)와 같이 복수개의 섬유를 꼬는 형태로 만드는 것이 바람직하다.

스티칭 공정변수로는 스티칭 밀도(단위 길이 혹은 단위 면적 당 스티칭 수), 스티칭 형태 등이 있다. 적층된 직물매트(40)의 상면 또는 하면과 스티칭되는 보강재(50)의 각도는 일반적으로 80도에서 100도 사이의 각도, 즉 직물매트(40)의 상면 또는 하면에 대해 수직방향을 기준으로 10도 이내의 범위로 스티칭하는 것이 바람직하다. 만약, 보강재(50)의 스티칭 각도가 직물매트(40)의 상면 또는 하면에 대해 80도보다 작거나 100도보다 거치면 직물매트(40)의 층간 결합력이 현저히 저하된다.

또한, 스티칭 격자의 형상은 정사각형에 가까울수록 방탄성능에 효과적이며 스티칭 격자 사이의 간격은 0.5~1.0 인치로 구성하여야 최적의 방탄 성능을 얻을 수 있다. 만약, 스티칭 격자 사이 간격이 0.5 인치보다 작게 되면 사용되는 보강재(50)의 양이 과도해져서 비용 상승의 원인이 되고, 1.0 인치보다 커지면 스티칭 간격이 과도하게 넓어지므로 직물매트(40)의 층간 결합력이 현저히 저하되는 문제가 발생한다.

한편, 일 실시예에 따르면, 스티칭에 사용되는 보강재(50)로는 가장 일반적으로 적용되고 있는 아라미드 섬유인 케블라 섬유를 채용할 수 있다. 케블라 섬유는 인성이 좋기 때문에 스티칭 섬유로 적당하다.

스티칭 섬유로 유리섬유나 탄소섬유를 적용하는 경우, 두께방향으로 관통될 때 직물매트(40) 내부의 마찰을 많이 받기 때문에 섬유 손상이 과도하여 사용하기 어려운 문제점이 발생한다.

또한, 유리섬유의 경우에는 수회(1 내지 2회)까지는 스티칭이 가능하였으나 지속적으로 사용하게 되면 마모로 인한 절단 가능성이 있기 때문에 바람직하지 못하다.

한편, 적층된 직물매트(40)의 두께가 20mm 이상이 되면 섬유가 직물매트(40)를 관통할 때 받는 마모량이 더 커지며 관통되어야 하는 두께 또한 증가하므로 바늘구멍이 지나는 길이도 길어지게 된다. 따라서 직물매트(40)의 두께가 두꺼워 질수록 굵은 섬유를 사용하여야 한다는 설계상의 제한이 따른다. 이러한 점을 고려하여 본 발명에서 구현하고자 하는 목적을 충족시키기 위해서는, 보강재(50)로는 400 데니어(Denier, 실 9000m의 무게(g)로서 실의 굵기의 단위임) 굵기의 케블라 섬유를 3가닥에서 5가닥 합사한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 스티칭 섬유로 사용되는 보강재(50)의 형상도 중요한 설계상의 요소가 된다. 즉, 스티칭 섬유로서 로빙(roving) 사를 사용하게 되면 여러개의 섬유가 모 여진 형태인 섬유 가닥이 보빈과 바늘의 상하 운동에 의해 서로 분리될 수 있으며, 이렇게 되면 보빈과 바늘이 스티칭 장비의 베드 하부에서 서로 만나게 될 때 루프(loop)를 이루지 못하거나 일부분만 루프(loop)를 이루게 되어 스티칭이 완결되지 못할 경우가 있다.

따라서, 도 2(a)에 도시된 것과 같이, 스티칭 섬유로 사용되는 보강재(50)로는 여러 가닥의 섬유를 합사한 꼬인 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 적층된 직물매트(40)를 스티칭 할 때 고려해야 할 것은 꼬인 섬유에서의 꼬임 정도인 바, 꼬인 섬유는 꼬임이 일어나는 방향에 따라 S 꼬임(우연) 혹은 Z 꼬임(좌연)이 있으며 꼬임 정도는 단위 길이 당(인치 당) 꼬임 회수로 표시된다.

이 때, S 꼬임과 Z 꼬임을 혼합하여 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어 3가닥을 1가닥으로 합사하는 경우, 각각의 1가닥은 Z 꼬임으로 하고 3가닥을 꼬일 때는 S 꼬임을 하는 것이다. 이와 같이 상이한 꼬임 타입을 혼합하는 이유는 한 방향으로만 꼬여주게 되면 섬유 자체적으로 꼬임이 일어나 자체적으로 루프(loop)를 형성하는 현상을 막기 위함이다. 만약 꼬임 정도가 심하면 보빈과 바늘이 만날 때 이미 꼬여진 섬유에 의해 루프가 불안정 할 수 있고 또한 복합재료로 성형할 때 꼬임이 심한 섬유 내부로 수지 침투가 어려울 수 있다.

도 2(b)에는 스티칭의 형태를 도시하였다.

스티칭의 형태로는 통상적으로 적용되고 있는 락 스티치(lock stitch) 혹은 체인 스티치(chain stitch)가 있는데 도 2(b)에서와 같이 락 스티치의 경우에는 매듭이 프리폼의 두께에서 가운데 있는 경우(balanced lock stitch)와 표면에 있는 경우(unbalanced lock stitch)가 있다. 매듭이 표면에 오는 형태는 보빈에 감긴 섬유나 바늘에 꿴 섬유에 걸리는 장력이 각각 다른 경우이며, 모디파이드 락 스티치(modified lock stitch)라고도 한다. 가운데 매듭이 생기는 형태는 매듭으로 인하여 응력 집중이 생길 수 있고 가장 큰 문제는 보빈에 감긴 섬유나 바늘에 꿴 섬유에 걸리는 장력이 크기 때문에 표면에 큰 루프(loop)를 형성하여 수지 과다지역(resin rich area)이 생길 수 있다.

따라서 본 발명에서는 이러한 내외부의 큰 루프(loop)를 형성하지 않도록 하기 위하여 보빈에 감긴 섬유나 바늘에 꿴 섬유에 걸리는 장력을 줄여 스티칭 하는 모디파이드 락　스티치(modified lock stitch)를 적용하였다.

도 3에는 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치에 넣고 액상수지성형공법(VARTM)에 의해 복합재료를 성형하는 것을 나타내는 모식도가 도시되어 있다. 본 발명에 적용되는 액상수지성형공법(VARTM: Vacuum-assisted resin transfer molding)은 복합재료 성형, 특히 섬유강화 플라스틱 제조에 있어서 널리 사용되는 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하고 여기서는 개략적으로만 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치의 금형에 장착하고, 그 위에 수지의 유동을 원활하게 하기 위해 수지 유로망(resin flow, 100)을 적층한다. 이 수지 유로망(100)은 수지주입구(60)를 통해 주입되는 액상의 수지를 흡수해서 아래에 있는 예비성형품(60)으로 수지가 골고루 함침되도록 도와주는 역할을 한다. 따라서 수지 유로망(100)은 소정 두께를 가진 플라스틱 소재의 그물망으로 만드는 것이 일반적이다. 주입되는 수지는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

예비성형품(60)에 수지 유로망(100)을 적층한 다음에는, 예비성형품(60)의 소정의 위치에 수지주입구(80)와 수지배출구(70)를 고정하고 진공백(vacuum bag, 90)으로 진공작업을 한다. 진공작업이 완료되면 직물 예비성형품에 수지를 주입하고 함침이 완료되면 수지주입구(80)와 수지배출구(70)를 차단한다. 이때 열을 가함으로써 더욱 치밀하고 견고하게 성형할 수 있다.

도 4에는 이렇게 성형된 복합재료 성형품(110)이 직사각 판재 형태로 도시되어 있으며, 이 복합재료 성형품(110)을 주어진 설계 치수에 따라 기계가공하면 복합재 방탄판을 제조하게 된다.

이상 설명한 본 발명에 따른 특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법을 도 7의 흐름도를 참조로 설명하도록 한다.

방탄 구조물 제조 단계는 크게 3가지 과정으로 구성되는 바, 제 1단계는 스티칭 및 액상수지성형공법을 이용하여 복합재 방탄판(20)을 제조하는 단계이고, 제2 단계는 금속 방탄판(10)을 준비하는 단계이며, 제 3단계는 기계적 체결 수단에 의해 금속 방탄판(10)과 복합재 방탄판(20)을 기계적으로 결합시키는 단계이다.

제 1단계 - 복합재 방탄판 (20) 제조 단계 (S 110 ~ S 140)

본 단계는 스티칭 및 액상수지성형공법을 이용하여 복합재 방탄판(20)을 제 조하는 단계이다.

우선, 섬유로 직조된 직물매트(40)를 재단하여 다양한 방향성과 형태를 갖는 복수의 직물매트를 준비한다(S 110, 도 1b 참조).

그 다음, 복수의 직물매트(40)를 적층하고, 보강재(50)로 직물매트(40)의 두께방향으로 스티칭하여 직물 예비성형품(60)을 형성한다(S 120, 도 1c 참조).

직물 예비성형품(60)을 형성되면, 이 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치 내에 넣고 액상수지성형공법으로 성형하여 복합재료를 성형한다(S 130, 도 3 참조).

성형된 복합재료를 소정 길이 및 폭으로 재단하면 복합재 방탄판(20)의 생성 과정이 종료된다(S 140).

제 2단계 - 금속 방탄판 (10) 형성 단계 (S 150)

본 단계에서는 판상의 금속 재료를 상기 복합재 방탄판(20)의 길이 및 폭에 상응하도록 재단한 금속 방탄판(10)을 생성한다(S 150). 본 단계는 필요에 따라 제 1단계보다 선행하여 수행될 수도 있다.

제 3 단계 - 기계적 결합 단계 (S 160)

제1 단계 및 제2 단계를 통해 복합재 방탄판(20)과 금속 방탄판(10)이 마련 되면, 기계적 체결 수단(30)에 의해 복합재 방탄판(20)과 금속 방탄판(10)을 기계적으로 결합시킨다(S 160).

이 때, 금속 방탄재(10)와 복합재 방탄판(20) 사이의 결합 강도를 보다 증대시키기 위해, 기계적 체결 수단(30)의 체결 위치를 적절히 선택할 수 있다. 즉, 기계적 체결 수단(30)을 복합재 방탄판(20)의 보강재(50, 도 1b 참조)가 복합재 방탄판(20) 상부 표면에 노출된 지점에 배치함으로써 기계적 체결 수단(30)이 금속 방탄재(10)와 복합재 방탄판(20) 뿐만 아니라 보강재(50)도 함께 결합시킬 수 있다.

효과 테스트 - 피탄 성능 실험

본 발명의 효과를 측정하기 위해 스티칭이 적용되지 않은 종래의 복합재 방탄판(도 5a)에서의 손상 영역(120)과, 본 발명의 방법에 따라 스티칭 및 액상수지성형공법을 적용하여 제작된 복합재 방탄판(도 5b)에 대해 피탄 후 손상 영역(130)을 비교 관찰하였다.

도시된 것과 같이, 본 발명의 방법에 따라 스티칭 및 액상수지성형공법을 적용하여 제작된 복합재 방탄판의 피탄 후 손상 영역(도 5b, 130)은 스티칭이 적용되지 않은 종래의 복합재 방탄판의 피탄후 손상 영역(도 5a, 120) 보다 그 면적이 현저히 감소하였음을 확인할 수 있다.

이러한 효과는 도 6에 도시된 것과 같이 스티칭된 보강재가 두께 방향(도 6 의 수직방향)으로 관통하는 구조가 있기 때문인데, 두께방향으로 스티칭된 보강재가 일종의 장벽(barrier) 역할을 담당함으로써, 피탄에 의한 손상 영역이 횡방향으로 전파되는 것을 억제하는 데에서 기인한 것이다.

더 나아가, 복합재 방탄판(20)에 금속 방탄판(10)을 기계적으로 결합한 경우에는 복합재 방탄판(20)만으로 구성된 도 5b의 경우보다 피탄 후 손상 영역의 면적이 더욱 더 감소하였다.

이상과 같이 본 발명은, 직물매트(40)를 여러 장 적층하여 장섬유 다발과 같은 보강재(50)를 두께방향으로 바늘을 관통하면서 스티칭함으로써 전체를 결속한 다음, 액상수지성형공법(VARTM)과 기계가공에 의해 복합재 방탄판(20)을 제조함으로써, 단시간에 고품질의 복합재 방탄판을 제조할 수 있으며 복합재 방탄판(20)의 품질 재현성 또한 확보할 수 있다.

또한, 이상의 과정을 통해 제작된 복합재 방탄판(20)의 일면에 금속 재료로 된 금속 방탄판(10)을 기계적 체결 수단(30)을 이용하여 결합함으로써 피탄에 대한 방탄 성능을 더욱 향상시키도록 하였다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1(a)는 본 발명에 따른 방탄 구조물의 구조를 도시한 모식도.

도 1(b)는 적층된 직물 예비성형품에 보강재로 스티칭하는 모습을 도시한 도면.

도 1(c)는 적층된 직물 예비성형품에 보강재로 스티칭하는 모습을 도시한 측단면도.

도 2(a)는 장섬유 다발로 이루어진 보강재의 섬유 꼬임 형태를 설명하기 위한 도면.

도 2(b)는 스티칭 패턴의 종류를 나타낸 모식도.

도 3은 직물 예비성형품을 수지주입 액상성형장치에 넣고 수지주입 액상성형법(VARTM)에 의해 복합재료를 성형하는 것을 나타내는 모식도.

도 4는 복합재 방탄판 외형을 나타낸 사진이다.

도 5(a)는 종래 기술에 따른 복합재 방탄판의 피탄 후 손상범위를 나타낸 사진.

도 5(b)는 본 발명에 따른 복합재 방탄판의 피탄 후 손상범위를 나타낸 사진.

도 6은 복합재 방탄판에 적용된 스티칭 효과를 도시한 그림.

도 7은 본 발명에 따른 방탄 구조물 제조 방법을 나타낸 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 금속 방탄판 20: 복합재 방탄판

30: 기계적 체결 수단 40: 직물매트

50: 보강재 장섬유 다발 60: 스티칭된 3차원 직물 예비성형품

70: 수지배출구 80: 수지주입구

90: 진공백 100: 유로망

110: 복합재료 성형품

120: 스티칭이 미적용된 복합재 방탄판의 피탄 후 손상 영역

130: 스티칭이 적용된 복합재 방탄판의 피탄 후 손상 영역

Claims

(a) 섬유로 직조된 직물매트(40)를 재단하여 다양한 방향성과 형태를 갖는 복수의 직물매트를 준비하는 단계;

(b) 상기 복수의 직물매트(40)를 적층하고, 보강재(50)로 상기 직물매트(40)의 두께방향으로 스티칭하여 직물 예비성형품(60)을 형성하는 단계;

(c) 상기 직물 예비성형품(60)을 액상수지 성형장치 내에 넣고 액상수지성형공법으로 성형하여 복합재료 성형품(110)을 형성하는 단계; 및

(d) 상기 복합재료 성형품(110)을 소정 길이 및 폭으로 재단한 복합재 방탄판(20)을 생성하는 단계;

(e) 판상의 금속 재료를 상기 복합재 방탄판(20)의 길이 및 폭에 상응하도록 재단한 금속 방탄판(10)을 마련하는 단계; 및

(f) 상기 복합재 방탄판(20)의 일면에 상기 금속 방탄판(10)을 적층한 후 기계적 체결 수단(30)을 이용하여 상기 복합재 방탄판(20)과 금속 방탄판(10)을 결합하는 단계;를 포함하되,

상기 (c) 단계에서, 상기 보강재(50)가 상기 직물매트의 두께 방향으로 스티칭되는 각도는 상기 직물매트의 표면에 대해 수직 방향에서 10도 이내의 범위인 것을 특징으로 하는 특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 (c) 단계에서, 상기 보강재(50)는 상기 직물매트 표면에서 가로방향과 세로방향이 수직으로 교차하도록 정방형으로 스티칭되고, 상기 보강재(50)가 스티칭되는 간격은 0.5 인치 이상 1.0 인치 이하인 것을 특징으로 하는 특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법.
제2항에 있어서,

상기 보강재(50)는 400 데니어 케블라 섬유를 3가닥 내지 5가닥 합사한 섬유인 것을 특징으로 하는 특수 차량의 방탄 구조물 제조 방법.
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