KR101152807B1 - 금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조 - Google Patents

금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조 Download PDF

Info

Publication number
KR101152807B1
KR101152807B1 KR1020090123478A KR20090123478A KR101152807B1 KR 101152807 B1 KR101152807 B1 KR 101152807B1 KR 1020090123478 A KR1020090123478 A KR 1020090123478A KR 20090123478 A KR20090123478 A KR 20090123478A KR 101152807 B1 KR101152807 B1 KR 101152807B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
composite
hybrid structure
composite material
friction layer
Prior art date
Application number
KR1020090123478A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110066716A (ko
Inventor
박종권
장승환
김주호
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020090123478A priority Critical patent/KR101152807B1/ko
Publication of KR20110066716A publication Critical patent/KR20110066716A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101152807B1 publication Critical patent/KR101152807B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B1/00—Layered products having a general shape other than plane
    • B32B1/08—Tubular products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/12—Layered products comprising a layer of synthetic resin next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/32—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins
    • B32B27/322—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins comprising halogenated polyolefins, e.g. PTFE
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/10—Inorganic fibres
    • B32B2262/106—Carbon fibres, e.g. graphite fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2327/00—Polyvinylhalogenides
    • B32B2327/12—Polyvinylhalogenides containing fluorine
    • B32B2327/18—PTFE, i.e. polytetrafluoroethylene

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

본 발명은 금속-복합재료 하이브리드 구조에 관한 것으로서, 컬럼이나 스핀들 홀더와 같이 단면치수대비 길이의 비율이 작은 기계구조를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 있어서, 속이 비어있는 관 모양의 금속재료와 금속재료의 내주면에 부착되고 탄소섬유를 포함하는 복합재료 및 금속재료와 복합재료 사이에 적층되는 탄소 건직물층을 포함함으로써, 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 극대화 할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조를 구현할 수 있다.
복합재료, 탄소섬유, 적층각도, 마찰층, 테플론, 강성, 진동감쇠

Description

금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조{METAL-COMPOSITE HYBRID STRUCTURE FOR HIGH DAMPING CHARACTERISTICS}
본 발명은 금속-복합재료 하이브리드 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합재료의 탄소섬유의 적층각도를 조절하고 금속재료와 복합재료 사이에 마찰층을 개재함으로써 강성을 유지하면서 진동감쇠기능을 극대화 할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 공작기계의 주축, 프레임, 컬럼, 스테이지 등의 요소들는 금속재료로 이루어져 있고 높은 강성을 가질 것이 요구된다. 한편 상기의 요소들에는 진동이 많이 발생하기 때문에 이러한 진동을 감쇠시켜야 할 필요성이 있다.
상기와 같이 진동이 많이 발생하는 요소의 진동을 감쇠시키기 위한 방법으로서 상기 요소들의 내주나 외주에 탄소섬유강화 에폭시 복합재 등의 복합재료를 부착시키는 방법이 있다.
상기한 바와 같이 금속의 내주나 외주에 복합재료를 부착시킨 금속-복합재료 하이브리드 구조에 대해서는 그 일례로 대한민국 공개특허 제10-2006-0031070호(이하 종래기술이라 한다)에 진동감쇠기능을 가지는 이송거더가 개시되어 있다.
상기 종래기술에 의한 금속-복합재료 하이브리드 구조는 도1에 도시된 바와 같이 금속재질의 이송거더(10)의 내측면에 진동감쇠를 위한 복합재료로 이루어지는 진동감쇠층(1)이 적층되며, 진동감쇠층(1)이 내측면으로부터 슬라이딩이 가능하도록 내측면과 진동감쇠층(1) 사이에 점성유체 또는 폴리머 필름으로 이루어지는 슬라이딩유도층(3)이 마련된다.
하지만 진동감쇠를 위하여 복합재료를 채용하는 경우에는 어느 정도 강성의 손실이 있을 수 있다. 이는 복합재료에 있어서 복합재료에 포함된 탄소섬유의 배열방향에 따라 복합재료의 강성과 진동감쇠 기능이 서로 반비례 하는 관계가 있기 때문이다. 이러한 관계는 도2에 도시되어 있다.
도2에 따르면 복합재료에 있어서 적층각도에 따라 강성을 나타내는 탄성계수(영율;Young's modulus)와 진동감쇠 기능을 나타내는 손실계수(Loss factor)가 서로 반대되는 성질을 가짐을 알 수 있다.
즉 복합재료는 포함된 탄소섬유의 적층각도에 따라 강성이 높아지면 감쇠기능이 낮아지고 감쇠기능이 높아지면 강성이 낮아질 수 있다. 따라서 탄소섬유의 적층각도의 고려 없이 복합재료를 금속재료에 부착하여 사용하는 경우 원하는 수준의 감쇠특성을 얻지 못하거나 금속-복합재료 하이브리드 구조의 동적 강성이 저하될 수 있다.
또한 금속-복합재료 하이브리드 구조는 경화사이클을 통하여 금속과 복합재 가 부착되는데 이 때 금속과 복합재의 열팽창계수의 차이에 의해 금속과 복합체의 접촉면의 강도가 저하될 수 있다.
기계구조에 있어서 강성은 가장 중요한 요소이다. 따라서 감쇠기능을 높이기 위한 시도가 강성을 약화시킬 수 있다는 것은 고려되어야 할 사항이다. 하지만 종래기술은 금속-복합재료 하이브리드 구조의 감쇠기능을 향상시키는 것에 대해서만 구체적인 언급이 있을 뿐 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 높이는 방법에 대해서는 구체적인 언급이 없다.
따라서 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 극대화 할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조가 요구된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 극대화 할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 컬럼이나 스핀들 홀더와 같이 단면치수대비 길이의 비율이 작은 기계구조를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 있어서, 속이 비어있는 관 모양의 금속재료와 상기 금속재료의 내주면에 부착되고 탄소섬유를 포함하는 복합재료 및 상기 금속재료와 상기 복합재료 사이에 적층되는 마찰층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 상기 마찰층은 탄소 건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 60도 내지 90도일 수 있다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 상기 마찰층은 탄소 건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 90도일 수 있다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 상기 마찰층과 상기 복합재료 사이에 테플론 필름이 더 적층될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 이송거더와 같이 단면치수대비 길이의 비율이 큰 기계구조를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 있어서, 금속재료와 상기 금속재료의 외주면에 부착되고 탄소섬유를 포함하는 복합재료 및 상기 금속재료와 상기 복합재료 사이에 적층되는 마찰층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 상기 마찰층은 탄소 건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 0도 내지 30도일 수 있다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 상기 마찰층은 탄소건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 0도일 수 있다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조는, 상기 마찰층과 상기 복합재료 사이에 테플론 필름이 더 적층될 수 있다.
본 발명의 금속-복합재료 하이브리드 구조에 따르면, 금속-복합재료 하이브리드 구조의 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 극대화 할 수 있다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도3 내지 도7은 컬럼이나 스핀들 홀더와 같이 단면치수대비 길이의 비율의 작은 기계구조를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조의 특성을 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 채용한 스핀들 홀더(20)를 도시한 도면이다.
상기의 도면에 따르면 스핀들 홀더(20) 내주면에는 복합재료(21)가 적층되어 있고 상기 복합재료(21)에 의해 진동을 감쇠하도록 되어 있다.
여기에서 상기 스핀들 홀더 금속재료(22)는 알루미늄으로 이루어져 있고, 상기 복합재료(21)는 탄소섬유(211)와 에폭시(212)로 이루어져 있다. 상기 복합재료(21)의 탄소섬유(211)는 축중심방향으로부터 소정의 각도(θ)를 가지고 배치되고 상기 각도(θ)는 축방향에 대해 60도 내지 90도로 설정된다.
이하에서는 상기와 같은 제1실시예의 금속-복합재료 하이브리드 구조를 마찰층이 없는 구조라고 하여 설명한다.
도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 채용한 스핀들 홀더(30)를 도시한 도면이다.
상기의 도면에 따르면 스핀들 홀더(30)의 안쪽에 감쇠특성이 우수한 복합재료(31)를 적층하되 상기 스핀들 홀더(30)의 금속재료(34)와 상기 복합재료(31)의 사이에는 기지(에폭시)가 없는 탄소 건직물(carbon dry fabrics)(33)이 적층됨으로써 상기 복합재료(31)와 탄소 건직물(33)에 의해 스핀들 홀더(30)의 진동을 감쇠하도록 하였다.
여기에서 상기 탄소 건직물(33)은 상기 스핀들 홀더(30)의 금속재료(34)와 복합재료(31) 사이에서 마찰에 의하여 감쇠를 유도하기 위하여 적층되며, 이에 따라 복합재료 자체의 감쇠효과와 더불어 금속-복합재료 하이브리드 구조의 감쇠효과가 극대화 된다.
상기한 탄소 건직물 외에도 금속과의 마찰을 효과적으로 유발할 수 있는 모든 직물재료를 사용하는 것이 가능하며 공업적으로 쉽게 사용이 가능한 구체적인 재료로는 예를 들면 유리 건직물, 아라미드 건직물 등이 있다.
상기한 마찰에 의하여 감쇠를 유도하기 위하여 적층되는 탄소 건직물, 유리 건직물, 아라미드 건직물 등으로 이루어진 층을 총칭하여 마찰층이라고 한다.
또한 상기한 제2실시예의 경우도 상술한 제1실시예와 마찬가지로, 상기 스핀들 홀더(30)는 알루미늄으로 이루어져 있고, 상기 복합재료(31)는 탄소섬유(311)와 에폭시(312)로 이루어져 있다. 상기 복합재료(31)의 탄소섬유(311)는 축방향에 대해 소정의 각도(θ)를 가지고 배치되고 상기 각도(θ)는 60도 내지 90도로 설정된다.
또한 상기한 제2실시예는 도5와 같이 상기 탄소 건직물(33)과 상기 복합재 료(31)의 사이에 테플론 필름(Teflon film)(32)이 더 적층될 수 있다.
여기에서 상기 테플론 필름(32)은 후술하는 성형시에 복합재료(31)의 에폭시(312)가 탄소 건직물(33)에 스며드는 것을 방지하여 탄소 건직물이 금속표면에 접착되지 않도록 하기 위해 적층되며, 이에 따라 탄소 건직물(33)이 본래의 특성을 유지하여 감쇠기능이 저하되는 것을 방지한다.
이하에서는 상기와 같은 제2실시예의 금속-복합재료 하이브리드 구조를 마찰층(friction layer)이 있는 구조라고 하여 설명한다.
다음으로 상기 금속-복합재료 하이브리드 구조를 가지는 스핀들 홀더(20,30)를 제작하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저 마찰층이 없는 구조의 스핀들 홀더(20)를 제작하는 방법에 대하여 설명한다.
얇은 테이프 모양의 복합재료(21)를 탄소섬유(211)가 축방향에 대해 60도 내지 90도의 각도(θ)로 적층되도록 재단하고 상기 재단한 복합재료(21)를 대략 금속재료(22)의 내경에 해당하는 외경을 가지는 맨드릴(미도시)에 감는다.
다음으로 복합재료(31)가 감긴 상기 맨드릴을 금속재료(22)의 내경에 삽입하고 금속재료(22)의 외측으로 나온 복합재료(21) 부분을 잘라낸 후 맨드릴을 제거한다.
이와 같은 과정을 거치면 금속재료(22)의 내주면에 복합재료(21)가 삽입된 형태가 되며 이를 진공백(Vacuum bag) 포장하여 도6의 경화사이클을 통하여 성형한다. 여기에서 도6의 경화사이클은 하나의 예시로서 에폭시(312)의 종류에 따라 변 경될 수 있다.
다음으로 마찰층이 있는 구조의 스핀들 홀더(30)를 제작하는 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 테플론 필름(32)이 더 적층되어 있는 구조를 중심으로 설명을 하지만 테플론 필름(32)이 없는 구조를 제작하는 방법에도 동일하게 적용이 가능하다.
상기의 마찰층이 없는 구조와 마찬가지로, 얇은 테이프 모양의 복합재료(31)를 탄소섬유(311)가 축방향에 대해 60도 내지 90도의 각도(θ)로 적층되도록 재단하고 상기 재단한 복합재료(31)를 대략 금속재료(34)의 내경에 해당하는 외경을 가지는 맨드릴(미도시)에 감는다. 이에 더하여 상기 복합재료(31) 위에는 테플론 필름(32)을 감는다.
한편, 금속재료의 내측에는 탄소 건직물(carbon dry fabrics)(33)를 적층시킨다. 탄소 건직물(33)는 직물 모양으로서 두께는 약 200㎛이며 이를 금속재료(34)의 내주면에 적층한다.
다음으로 탄소 건직물(33)이 내주면에 부착된 금속재료(34)에 테플론 필름(32)과 복합재료(31)가 감겨진 맨드릴을 삽입한 후 맨드릴을 제거한다.
이와 같은 과정을 통하면 내측으로부터 외측으로 복합재료(31), 테플론 필름(32), 탄소 건직물(33), 금속재료(34)가 차례로 적층된 구조가 된다.
한편, 상기의 설명에서 탄소 건직물(33)이 내주면에 부착된 금속재료에 테플론 필과 복합재료(31)가 감겨진 맨드릴을 삽입하여 적층구조를 형성하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니고 탄소 건직물(33)을 테플론 필름(32) 위에 적층하여 금속재료(34) 내주면에 삽입 한 후 맨드릴을 제거하여 적층구조를 완성할 수도 있다.
다음으로 복합재료(31), 테플론 필름(32), 탄소 건직물(33), 금속재료(34)가 일체화된 것을 진공백 포장하여 도6의 경화사이클을 통하여 성형한다.
상기의 경화사이클을 통해 금속재료(22,34)와 복합재료(21,31) 사이에 잔류열응력이 발생하고 이러한 잔류응력의 차이에 의하여 금속재료(22,34)와 복합재료(21,31)는 단단하게 부착된다.
도7은 경화사이클에 있어서 탄소섬유의 적층각도(θ)에 따른 금속재료와 복합재료 사이의 압력 및 금속재료와 복합재료 각각의 잔류응력의 변화를 나타내는 도면이다.
도7a를 참조하면 경화사이클을 거친 금속-복합재료 하이브리드 구조를 가진 복합체는 125도에서 25도로 냉각되는 과정에서 금속재료(22,34)는 많이 수축하려고 하고 복합재료(21,31)는 약간 팽창하거나 미세하게 수축하려고 하여 금속재료(22,34)와 복합재료(21,31) 사이에 압력(P)이 발생하게 된다.
도7b를 참조하면 상기의 냉각과정에서 금속재료(22,34)는 탄소섬유(211,311)의 적층각도(θ)에 따라 잔류응력의 변화가 거의 없고, 인장성 잔류응력을 가지지만, 복합재료(21,31)는 탄소섬유(211,311)의 적층각도(θ)가 축방향에 대해 60도에서 90도에 해당하는 경우 잔류응력이 압축성 잔류응력으로 변화한다.
따라서 탄소섬유(211,311)의 적층각도(θ)가 축방향에 대해 60도에서 90도에 해당하는 경우에는 금속재료(22,34)와 탄소섬유(211,311) 사이에 접촉압력(P)이 크 게 된다. 즉 상기 두 재료의 둘레(hoop)방향으로 응력의 차이가 증가할수록 두 재료의 계면부에서 큰 접촉압력(P)이 발생한다.
이를 다시 설명하면 복합재료(21,31)의 적층각도(θ)가 축방향에 대해 60도까지 늘어나면서 접촉압력(P)이 증가하다가 포화되는데 이 때 금속재료(22,34)와 복합재료(21,31) 사이에 체결력이 가장 강하게 된다.
도8a는 본 발명의 실시예에 따른 마찰층이 없는 구조와 마찰층이 있는 구조의 손실계수를 측정한 그래프이다. 도면에서 0.4, 0.6, 0.8, 1.0의 숫자는 금속재료(22,34)의 두께에 대한 복합재료(21,31)의 두께에 대한 비율을 나타내는 수치이다.
도면을 참조하면 마찰층이 없는 금속-복합재료 하이브리드 구조(20)의 손실계수는 적층각도(θ)가 증가하면서 약간 줄어든다.
반면 마찰층이 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조(30)는 적층각도(θ)가 축방향에 대해 60도보다 더 커지면 손실계수가 증가하는 것으로 나타난다. 즉 축방향에 대해 60도 내지 90도의 적층각도(θ)를 가지는 경우 높은 손실계수를 가지므로 높은 감쇠기능을 가진다.
또한 마찰층이 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조(30)는 모든 적층 각도(θ)에서 마찰층이 없는 금속-복합재료 하이브리드 구조(20)보다 매우 높은 손실계수를 가지는 것으로 측정되어 더욱 유리한 감쇠기능을 가짐을 알 수 있다.
참고로, 마찰층을 가지는 금속-복합재료 하이브리드 구조(30)의 경우 적층각도가 60도 보다 낮은 경우에 높은 손실계수를 가지는 이유는 복합재료(21,31)와 금 속재료(22,34) 사이에 발생하는 압력(P)의 수준이 낮아 두 재료간에 상대운동이 과하게 발생하여 마찰거동이 크게 발생한데 따른 고감쇠 효과이다. 이는 감쇠측면에서는 유리하지만 두 재료간의 상대운동으로 인하여 후술하는 바와 같이 전체 구조의 강성이 저하되는 요인을 제공한다.
도8b는 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 마찰층이 없는 구조와 마찰층이 있는 구조의 고유진동수를 측정한 그래프이다. 본 구조의 진동모드는 단면치수에 비해 길이가 비교적 작은 금속-복합재료 하이브리드 구조의 진동모드에 해당하므로 길이방향 굽힘거동이 아니라 도9a와 같이 단면 변형거동을 한다.
도면을 참조하면 복합재료(21,31)의 적층각도(θ)가 축방향에 대해 0도 에서 45도 일 때 마찰층이 없는 구조와 마찰층이 있는 구조의 고유진동수 차이가 큰 것으로 나타난다.
이는 적층각도(θ)가 작은 구간에서는 접촉압력(P)이 작으므로 마찰층이 삽입된 금속-복합재료의 계면부 체결력이 더 약하게 작용하기 때문이고 이로 인해 구조의 강성이 감소하게 됨을 의미한다.
반면에 계면부의 접촉압력(P)이 높은 것으로 계산된 적층각도(θ) 즉 축방향에 대해 45도에서 90도 사이에서는 마찰층이 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조(30)와 마찰층이 없는 금속-복합재료 하이브리드 구조(30)의 고유진동수 차이가 적은 것으로 측정되었고 특히 축방향에 대해 대략 60도 이상에서는 거의 차이가 없다.
특히 90도의 적층각도(θ)를 가지는 경우 고유진동수의 차이가 매우 적으며, 이는 두 재료가 접착 체결되어 있지는 않지만 체결 계면부에 큰 접촉압력으로 체결 됨으로써 강성의 손실이 거의 없는 것으로 판단된다.
따라서 90도의 적층각도(θ)를 가지는 경우가 진동감쇠기능 및 강성을 동시에 만족시키는 가장 좋은 각도임을 알 수 있다.
이에 따라 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 극대화 할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조를 구현하는 것이 가능하다.
또한 상술한 바와 같은 금속-복합재료 하이브리드 구조(20,30)를 이용함으로써 머시닝 센터와 같은 공작기계를 위하여 컬럼과 스핀들 홀더와 같은 기계구조를 설계하는데 유용하다.
다음으로는 이송거더와 같이 단면치수대비 길이의 비율이 큰 기계구조를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 대해 설명한다. 이러한 구조형상은 일반적으로 진동 시 도9b와 같이 길이방향 굽힘거동을 하게 된다.
도10은 본 발명의 제3실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 나타내는 도면이다. 상기한 도면에서 금속재료는 속이 비어있는 관 모양으로 이루어져 있으나 속이 채워져 있는 강체 모양의 금속재료여도 무방하다.
도10과 같이 금속-복합재료 하이브리드 구조의 형상이 단면치수대비 길이의 비율의 큰 경우에는 진동모드가 길이방향 굽힘거동을 하게 되므로, 상술한 짧은 구조와 같이 복합재를 안쪽에 적층하는 경우에는 굽힘거동에 대해 고강성/고감쇠 효과를 얻을 수 없다.
따라서 복합재료(41)와 탄소 건직물(43)을 금속재료(44) 외부에 적층함으로 써 구조의 강성을 유지 혹은 향상시키는 동시에 상기에서 설명한 잔류열응력을 이용한 고감쇠 특성을 얻을 수 있다. 이 때 복합재료(41)의 탄소섬유(411)의 적합한 적층각도는 0도 내지 30도 이며 바람직하게는 0도이다.
이를 상세하게 설명하면 단면치수대비 길이의 비율이 큰 금속-복합재료 하이브리드 구조(40)의 성형시에는 125도에서 상온인 25도로 냉각될 때 외부에 위치하는 복합재료(41)는 둘레방향(hoop direction)으로 큰 수축을 하게 되고 내부에 위치하는 금속재료(44)는 상대적으로 작은 수축을 하게 된다.
특히 탄소섬유(411)의 적층각도가 0도인 경우에는 도7b에 도시된 바와 같이 복합재료(41)의 잔류응력이 가장 크게 되고 이에 따라 복합재료(41)가 둘레방향으로 가장 큰 수축을 하게 된다.
이 때 금속재료(44)의 경우에는 잔류응력의 차이가 거의 없어 상대적으로 작은 수축을 하게 되므로 두 재료 사이에 가장 큰 압력(P)이 발생하게 되며, 금속재료(44)와 복합재료(41) 사이에 체결력이 가장 강하게 된다.
결과적으로 상술한 단면치수대비 길이의 비율이 작은 금속-복합재료 하이브리드 구조(20,30)와 같은 원리로 단면치수대비 길이의 비율이 큰 금속-복합재료 하이브리드 구조(40)에서는 금속재료(44)의 외부에 마찰층(43)과 복합재료(42)가 적층되며 복합재료(42)의 탄소섬유(411)가 0도의 적층각도(θ)를 가지는 경우가 진동감쇠기능 및 강성을 동시에 만족시키는 가장 좋은 각도임을 알 수 있다.
이에 따라 강성을 유지 또는 향상시키면서 감쇠기능을 극대화 할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조를 구현할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도1은 종래기술에 의한 금속-복합재료 하이브리드 구조를 나타내는 도면
도2a는 복합재료에 포함된 탄소섬유의 배열방향에 따른 복합재료의 강성을 나타내는 도면. 도2b는 복합재료에 포함된 탄소섬유의 배열방향에 따른 복합재료의 진동감쇠 기능을 나타내는 도면
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 채용한 스핀들 홀더를 도시한 도면
도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 채용한 스핀들 홀더를 도시한 도면
도5는 본 발명의 별도의 제2실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 채용한 스핀들 홀더를 도시한 도면
도6은 본 발명의 실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 성형하는 경화사이클을 나타내는 도면
도7a는 경화사이클에 있어서 금속재료와 복합재료 사이에 가해지는 압력을 나타내는 도면. 도7b는 경화사이클에 있어서 탄소섬유의 적층각도에 따른 금속재료와 복합재료 사이의 압력 및 금속재료와 복합재료 각각의 잔류응력의 변화를 나타내는 도면
도8a은 본 발명의 실시예에 따른 마찰층이 없는 구조와 마찰층이 있는 구조의 손실계수를 측정한 그래프. 도8b은 본 발명의 실시예에 따른 마찰층이 없는 구조와 마찰층이 있는 구조의 고유진동수를 측정한 그래프
도9a는 단면치수에 비해 길이가 짧은 구조의 진동모드를 나타내는 도면 도9b는 단면치수에 비해 길이가 긴 구조의 진동모드를 나타내는 도면
도10은 본 발명의 제3실시예에 따른 금속-복합재료 하이브리드 구조를 채용한 이송거더를 도시한 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21,31,41 : 복합재료 22,34,44 : 금속재료
32,42 : 테플론 필름 33,43 : 탄소 건직물층
211,311,411 : 탄소섬유 212,312,412 : 에폭시
θ : 적층각도 P : 압력

Claims (8)

  1. 컬럼 또는 스핀들 홀더를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 있어서,
    속이 비어있는 관 모양의 금속재료;
    상기 금속재료의 내주면에 부착되고 탄소섬유를 포함하는 복합재료;
    상기 금속재료와 상기 복합재료 사이에 적층되는 마찰층; 및
    상기 마찰층과 상기 복합재료 사이에 적층되는 테플론 필름을
    포함하는 금속-복합재료 하이브리드 구조
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰층은 탄소 건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 60도 내지 90도인 것을 특징으로 하는 금속-복합재료 하이브리드 구조
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마찰층은 탄소 건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 90도인 것을 특징으로 하는 금속-복합재료 하이브리드 구조
  4. 삭제
  5. 이송거더를 이루는 금속-복합재료 하이브리드 구조에 있어서,
    금속재료;
    상기 금속재료의 외주면에 부착되고 탄소섬유를 포함하는 복합재료;
    상기 금속재료와 상기 복합재료 사이에 적층되는 마찰층; 및
    상기 마찰층과 상기 복합재료 사이에 적층되는 테플론 필름을
    포함하는 금속-복합재료 하이브리드 구조
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마찰층은 탄소 건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 0도 내지 30도인 것을 특징으로 하는 금속-복합재료 하이브리드 구조
  7. 제5항에 있어서,
    상기 마찰층은 탄소건직물층이고 상기 탄소섬유의 적층각도는 축방향에 대해 0도인 것을 특징으로 하는 금속-복합재료 하이브리드 구조
  8. 삭제
KR1020090123478A 2009-12-11 2009-12-11 금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조 KR101152807B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090123478A KR101152807B1 (ko) 2009-12-11 2009-12-11 금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090123478A KR101152807B1 (ko) 2009-12-11 2009-12-11 금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110066716A KR20110066716A (ko) 2011-06-17
KR101152807B1 true KR101152807B1 (ko) 2012-06-12

Family

ID=44399486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090123478A KR101152807B1 (ko) 2009-12-11 2009-12-11 금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101152807B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103182825A (zh) * 2011-12-31 2013-07-03 上海市凌桥环保设备厂有限公司 聚四氟乙烯碳纤维背衬板
KR101866039B1 (ko) 2016-07-19 2018-06-11 현대자동차주식회사 복합재 피스톤핀 처리방법 및 표면처리된 복합재 피스톤핀

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000068796A (ko) * 1997-08-21 2000-11-25 히라이 가쯔히꼬 경금속/ｃｆｒｐ제 구조 부재
KR20010016305A (ko) * 2000-12-01 2001-03-05 박성배 섬유강화 복합재료 파이프 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000068796A (ko) * 1997-08-21 2000-11-25 히라이 가쯔히꼬 경금속/ｃｆｒｐ제 구조 부재
KR20010016305A (ko) * 2000-12-01 2001-03-05 박성배 섬유강화 복합재료 파이프 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110066716A (ko) 2011-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6400652B2 (ja) 幾つかの軸方向に位置合わせされるコイルから成るソレノイドマグネット
JP4029104B2 (ja) 楕円状支持部材
US10245647B2 (en) Tool holding fixture
JP3078854B2 (ja) 内部防振形薄肉複合長さ方向部材
KR101152807B1 (ko) 금속-복합재료 하이브리드 고감쇠 구조
GB2600011A (en) A magnetically geared apparatus
KR950012531B1 (ko) 생사 권취 장치
US20150377312A1 (en) Partitioned elastomeric journal bearing assemblies, systems and methods
JP4980712B2 (ja) ロボットハンド部材、その製造方法及びロボットハンド
JP3317619B2 (ja) テーパ付き中空シャフト
US5916954A (en) Fiber reinforced viscoelastic material composites for passive damping
US20140299259A1 (en) Method of manufacturing and structure of prestressed composite reinforcements
JP5627078B2 (ja) 中空パイプ
WO2010086955A1 (ja) Ｃｆｒｐ製搬送用部材及びそれを用いたロボットハンド
JP2008154866A (ja) ゴルフクラブシャフト
EP1163491B1 (en) Adhesive system for a fiber optic gyroscope sensing coil
KR20060073803A (ko) 하이브리드 샤프트 및 그 제조방법
CA2194682A1 (en) Structural hollow articles filled with damping materials
US4272578A (en) Ski apparatus
JP2013010346A (ja) 基板収納カセット用繊維強化樹脂製サポートバーの製造方法
JP2014226892A (ja) パイプ成形体
JPH02214649A (ja) 粘弾性減衰構造体及びその製造方法
KR100276794B1 (ko) 자체냉각구조를갖는복합재료중공축
JP6144084B2 (ja) 支持部材
WO2022249960A1 (ja) 断熱容器、及びそれを用いた脊磁計

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160308

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170308

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee