KR101290644B1 - 파이버복합재 제품의 제조금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파이버에 수지를 함침시켜 제품을 제조하는 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조금형에 관한 것이다. 임의의 형상을 가지는 제품 또는 구조물과 대응되는 형상으로 분할된 형태의 스킨층 성형부가 각각 형성되는 복수의 틀로 구성되는 파이버복합재 제품의 제조금형으로서, 상기 복수의 틀은 상기 스킨층 성형부의 외측으로 돌출되어 인접한 틀과 서로 맞닿는 테두리부가 각각 구비되고, 상기 서로 맞닿는 테두리부에는 진공압에 의해 밀착력이 형성되는 진공홈과 상기 진공홈을 중심으로 양측에 배치되는 씰링부재가 구비되며, 상기 진공홈의 공기를 외부로 배출하여 진공을 형성하는 진공배기기구를 포함하고, 상기 진공배기기구가 상기 진공홈에 진공을 형성하여 상기 복수의 틀이 진공에 의해 서로 밀착되도록 결합된다.

Description

파이버복합재 제품의 제조금형{a mold forming of FRP products}

본 발명은 파이버에 수지를 함침시켜 파이버복합재 제품을 성형하는 제조금형에 관한 것이다.

일반적으로 항공기, 선박, 위그선, 경량자동차, 열차, 스포츠 용품, 풍력발전기의 블레이드 등은 경량 고강도를 요구하기 때문에 대부분 상대적으로 가볍고 강도가 높은 파이버복합재로 제조되고 있다.

대표적인 파이버복합재 제품의 제조방법에는 수적층방법(Hand Lay Up) 예컨대, 직조된 파이버에 수지를 임의의 형상을 가지는 틀에 반복적으로 적층하여 경화시키는 방법, RTM(Resin Transfer molding) 예컨대, 임의의 형상을 가지는 틀에 파이버를 적층하고 이 파이버에 수지를 침투시켜 경화한 뒤 틀에서 분리하는 제조방법 등이 있다.

일례로 파이버복합재로 제조되는 풍력발전기용 블레이드(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드(10)의 외면을 형성하는 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12)을 각각 틀에서 성형하고, 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12)의 양단을 접착제(19)로 접착하여 블레이드의 외형을 형성한다.

그리고, 블레이드(10)의 강성을 부여하기 위해 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12)의 각각에 강성을 부여하도록 블레이드(10)의 길이방향 즉, 블레이드(10)의 세로방향으로 스파(14,spar)를 설치하고, 일측 스킨(11)에 구비되는 스파(14)와 다른 일측 스킨(12)에 구비되는 스파(14)를 쉐어웹(13,shear webs)으로 서로 연결한다.

그리고, 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12)의 가로방향으로는 리브(미도시,rib)가 설치되고, 각각의 스파(14), 쉐어웹(13), 리브 및 외측 스킨(11)과 내측 스킨(12)은 접착제(19)로 서로 결합된다.

하지만, 상기한 방법으로 제조되는 풍력발전기용 블레이드(10)는 각 구성들이 분리되어 제조되고, 접착제(19)로 접착되기 때문에 강성이 약하고, 접착된 부분이 미접착되어 블레이드(10)가 파손되는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 종래에는 스파(14), 쉐어웹(13), 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12)을 파이버복합재를 사용하여 일체로 성형하는 오토클레이브 공법이 개시되었다.

종래의 오토클레이브 공법은 파이버로 블레이드(10)을 구성하는 스파(14), 쉐어웹(13), 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12)이 결합된 형상으로 파이버 프리폼(fiber preform)형성하고, 이들 사이의 빈 공간을 연질의 브리더(Elastic ARubber Bladder)로 채운다.

이때, 사용되는 파이버 폼을 형성하는 파이버는 파이버/에폭시 프리프레그(fiber/epoxy prepreg)가 일반적이며, 이 부분은 진공을 가하여 기포발생을 억제한 후 오토클레이브라고 일컫는 고압 고온의 챔버에 틀을 넣고 수지를 경화시키는 형태로 블레이드(10)를 제작한다.

이러한, 오토클레이브 공법은 스파(14), 쉐어웹(13) 및 일측 스킨(11)과 다른 일측 스킨(12) 등을 일체형으로 제작할 수 있기 때문에 블레이드(10)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 종래의 오토클레이브 공법은 오토클레이브에 삽입될 수 있는 블레이드(10)의 크기가 한계가 있기 때문에 대형 블레이드를 제작할 때에는 블레이드(10)를 복수 개로 분할하는 형태로 제작하고, 각 분할된 복수 개의 블레이드(10)를 서로 접착하는 형태로 대형 블레이드를 제작하였다.

하지만, 종래의 오토클레이브 공법은 복수 개의 블레이드(10)을 서로 접착하여 대형 블레이드를 제작하기 때문에 블레이드(10)의 내구성이 약한 문제점이 있었다.

또한, 형태가 고정되지 않는 파이버로 블레이드(10)의 형상을 형성해야 하기 때문에 복잡한 형상을 제작하기 난해하고, 고온 고압을 발생하는 오토클레이브의 장비가 고가이기 때문에 블레이드의 제작비용이 상승하는 문제점이 있었다.

아울러, 종래의 파이버복합재로 제품을 성형할 때 사용되는 금형은 상부 금형과 하부 금형으로 구성되고, 상부 금형과 하부 금형에는 성형될 제품의 형상과 대응되는 스킨층 성형부가 형성되어 이 스킨층 성형부에 파이버를 삽입하고, 금형에 수지를 주입하여 파이버에 수지를 함침하는 형태로 파이버복합재 제품을 성형하게 된다.

이때, 상부 금형과 하부 금형은 서로 복수 개의 클램프로 체결하여 상부 금형과 하부 금형을 결합한다.

하지만, 종래의 블레이드(10)를 성형하는 금형은 상부 금형과 하부 금형을 결합하기 위해 복수의 클램프를 금형의 둘레에 체결해야 하기 때문에, 클램프의 체결이 번거로울 뿐만 아니라 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

이는 클램프 자동화를 통해 해결할 수 있으나 이 역시 클램프를 자동으로 설치하도록 구성되는 장비가 필요하기 때문에 블레이드(10)의 제작비용이 상승을 초래하는 문제점이 있었다.

그리고, 복수의 클램프가 금형의 군데군데 복수 개가 체결되기 때문에 클램프가 체결되는 부분의 결합력과 클램프가 체결되지 않은 부분의 결합력 달라지고, 이로 인해 상대적으로 결합력이 약한 클램프가 체결되는 않은 부분에서 합성수지가 외부로 유출되어 블레이드의 불량이 발생하는 문제점이 있었다.

한편, 다른 일례로 파이버복합재로 제조되는 항공기 날개와 같이 내부가 빈 3차원 형상을 가지는 구조물의 경우에는 스킨층을 약 2겹의 카본/에폭시 프리프레그(carbon/Epoxy Prepreg)로 제작하고, 그 내부를 별도로 사전에 제작한 스파와 리브로 보강한 중공 구조물을 제작한다.

이러한 항공기 날개와 같은 구조물은 스킨층과 스파나 리브가 지나는 층의 현저한 강도차이로 인하여 상대적인 치수안정성이 매우 낮고 외부 충격에 의한 내구성이 약하여 스킨층의 파손될 우려가 있다.

또한, 항공기 날개의 조립시 치수 보정을 위한 부품 조립 치구가 요구되고 조립 오차를 보정하는 데 많은 시간이 필요하다.

아울러, 파이버복합재는 성형과정에서 공기나 불순물 등의 층간혼입이나 접착제 불량 등으로 인한 내부결함이 발생할 가능성이 있으며, 이러한 내부 결함은 완성된 항공기 날개의 파손요인으로 작용하는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-1998-036857호(공개일자 1998.08.05)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하기 위한 과제는 서로 결합되는 복수 개의 금형을 클램프가 없이도 용이하게 결합 및 분리할 수 있으며, 금형끼리 서로 균일한 힘으로 밀착되어 수지가 외부로 유출되는 것을 방지함으로써, 파이버복합재 제품의 불량발생을 방지할 수 있는 파이버복합재 제품의 제조금형을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 제품의 제조금형은 임의의 형상을 가지는 제품과 대응되는 형상으로 분할된 형태의 스킨층 성형부가 각각 형성되는 복수의 틀로 구성되는 파이버복합재 제품의 제조금형으로서, 상기 복수의 틀은 상기 스킨층 성형부의 외측으로 돌출되어 인접한 틀과 서로 맞닿는 테두리부가 각각 구비되고, 상기 서로 맞닿는 테두리부에는 진공압에 의해 밀착력이 형성되는 진공홈과 상기 진공홈을 중심으로 양측에 배치되는 씰링부재가 구비되며, 상기 진공홈의 공기를 외부로 배출하여 진공을 형성하는 진공배기기구를 포함하고, 상기 진공배기기구가 상기 진공홈에 진공을 형성하여 상기 복수의 틀이 진공에 의해 서로 밀착되도록 결합된다.

상기 스킨층 성형부에는 복수 개의 발포 폼에 제1 파이버 및 제2 파이버가 감싸진 예비 조립체가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따르면, 파이버복합재 제품을 제조하는 제조금형을 진공압에 의해 결합시켜 제조금형의 결합 및 분리가 용이하여 작업시간을 단축시킬 수 있으며, 금형의 둘레를 균일한 힘으로 결합시킬 수 있어 수지가 금형의 외부로 유출되어 발생되는 파이버복합재 제품의 불량의 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 파이버복합재로 제조된 풍력발전기의 블레이드를 도시한 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조금형을 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법으로 제조되는 풍력발전기용 블레이드의 다양한 형태의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 발포 폼을 도시한 사시도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드를 일부 절개한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 블레이드의 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법으로 제조되는 중공형상의 제품을 도시한 사시도이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법으로 제조되는 중공형상의 제품의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 조인트부에 구비되는 다양한 형태의 메탈조인트를 예시적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

본 발명은 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품은 예컨대, 선박, 항공기, 위그선, 경량자동차, 스포츠용품, 열차, 풍력발전기용 블레이드, 방산용품, 건축재 등의 일부분 또는 전체가 될 수 있으며, 파이버복합재 제품에는 파이버복합재 구조물이 포함될 수 있다. 여기서, 파이버복합재 구조물은 복수의 파이버복합재 제품을 서로 연결하여 구성된 것을 의미한다.

본 발명의 실시예에서는 파이버복합재 구조물 또는 제품이 풍력발전기용 블레이드인 것으로 예를 들어 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조금형(200)에 관하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제조금형(200)은 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 포함할 수 있다. 여기서, 실시예에서의 제조금형(200)은 상부 틀(210)과 하부 틀(230)으로 구성되는 것으로 설명하지만, 둘 이상의 틀로 구성될 수도 있다.

한편, 상부 틀(210)과 하부 틀(230)은 서로 겹쳐져 블레이드(100)를 성형할 수 있도록 블레이드(100)의 외형과 대응되는 형상의 스킨층 성형부(213,233)가 각각 형성될 수 있으며, 스킨층 성형부(213,233)에는 하기에 설명될 발포 폼(110)이 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)로 감싸진 예비 조립체(150)가 안착될 수 있다.

여기서, 제조금형(200)이 복수의 틀로 구성될 경우, 스킨층 성형부(213,233)는 블레이드(100)의 외형과 대응되는 스킨층 성형부(213,233)가 복수 개로 분할되어 각각의 분할된 스킨층 성형부(213,233)가 복수의 틀 각각에 형성되도록 구성될 수 있다.

한편, 스킨층 성형부(213,233)는 블레이드(100)의 횡단면을 중심으로 둘로 분할된 형태로 상부 틀(210)과 하부 틀(230)의 각각에 형성될 수 있으며, 상부 틀(210)과 하부 틀(230)은 탄성력을 가지는 합성수지 더 구체적으로는 파이버복합재(FRP)로 형성되는 것이 바람직하고, 견고한 금속재로도 형성될 수도 있다.

그리고, 상부 틀(210)과 하부 틀(230)의 각각은 상기 스킨층 성형부(213,233)가 형성된 몸체(211,231)와, 몸체(211,231)의 둘레로 상부 틀(210)과 하부 틀(230)이 서로 맞닿아 상기 스킨층 성형부(213,233)를 밀폐하는 테두리부(212,232)로 각각 구성될 수 있다. 여기서, 제조금형(200)은 복수 개의 틀로 구성될 경우, 각각의 틀에 테두리부가 구비됨은 물론이다.

또한, 상부 틀(210)과 하부 틀(230)로 구성된 제조금형(200)에는 외부에서 스킨층 성형부(213,233)로 수지(resin)를 주입할 수 있도록 스킨층 성형부(213,233)와 연통된 주입구(238) 및 배기구(218)가 형성될 수 있다.

여기서, 수지는 하기에 설명될 파이버복합체 구조물 또는 파이버복합체 제품의 제조방법에서 상세히 설명한다.

그리고, 주입구(238)와 배기구(218)는 상부 틀(210)과 하부 틀(230) 중 어느 하나에 주입구(238)가 형성되면 다른 하나에는 배기구(218)가 형성될 수 있으며, 주입구(238)로는 수지(130)가 주입되며, 배기구(218)로는 스킨층 성형부(213,233)의 내부에 공기를 외부로 배출시켜 스킨층 성형부(213,233)의 내부를 진공상태로 만들 수 있다.

한편, 수지는 스킨층 성형부(213,233)가 대기압인 상태일 때에는 주입구(238)에 펌프와 같은 가압공급장치를 사용하여 주입할 수 있으며, 스킨층 성형부(213,233)가 진공상태일 경우 주입구(238)에 별도의 기구 없이 진공압에 의해 주입될 수 있다.

여기서, 가압공급장치는 공지된 유체의 압력을 이용한 유압주입장치, 수지용 펌프, 정량 펌프, 실린지(syringe), 낙차압 등으로 구현될 수 있다.

본 실시예에서는 스킨층 성형부(213,233)를 진공상태로 만든 후 주입구(238)로 수지(130) 공급하도록 구성하였다.

그리고, 배기구(218)에는 외부로 공기를 배출하여 스킨층 성형부(213,233)의 내부를 진공상태로 만드는 하기에 설명될 진공배기기구(270)가 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 제조금형(200)은 진공홈(235)을 포함할 수 있다. 이 진공홈(235)은 진공홈(235)의 내부에 진공을 형성시켜 상부 틀(210)과 하부 틀(230), 더 구체적으로는 상부 틀(210)과 하부 틀(230)에 각각 구비되는 테두리부(212,232)가 진공에 의해 서로 결합하는 형태로 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 결합할 수 있다.

한편, 진공홈(235)은 상부 틀(210)과 하부 틀(230)에 구비된 테두리부(212,232)가 서로 마주하는 면에 스킨층 성형부(213,233)의 둘레를 따라 형성될 수 있다.

여기서, 진공홈(235)은 상부 틀(210)과 하부 틀(230)이 서로 결합되었을 때, 하나의 진공홈(235)을 이루도록 상부 틀(210)의 테두리부(213)와 하부 틀(230)의 테두리부(233)에 각각 형성될 수 있으며, 상부 틀(210)과 하부 틀(230)의 마주하는 어느 하나의 테두리부(212,232)에 형성될 수 있다.

그리고, 진공홈(235)에는 진공홈(235)과 연통되어 진공홈(235)의 공기를 외부로 배출시키는 형태로 진공홈(235)을 진공상태로 만드는 배출구(239)가 형성될 수 있다.

이 배출구(239)에는 배기구(218)에 구비되는 진공배기기구(270)가 연결되어 진공홈(235)의 내부 공기를 외부로 배출하는 형태로 진공을 형성시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 제품의 제조금형(200)은 씰링부재(250)를 포함할 수 있다. 이 씰링부재(250)는 서로 마주하는 테두리부(212,232)의 삽입되고, 진공홈(235)을 중심으로 진공홈(235)의 양측에 위치되어 외부의 공기가 진공홈(235)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 씰링부재(250)는 탄성력을 가져 기밀성을 향상시킬 수 있는 부재로서, 진공홈(235)을 사이에 두고 진공홈(235)의 양측에 각각 진공홈(235)의 둘레를 따라 구비될 수 있으며, 씰링부재(250)는 기밀성이 높은 엘라스토머(elastomer) 예컨대, 고무, 합성수지, 실리콘, 우레탄 등으로 형성될 수 있다.

그리고, 씰링부재(250)는 상부 틀(210)의 테두리부(212) 또는 하부 틀(230)의 테두리부(232)에 씰링부재(250)가 안착되는 안착홈(234)이 형성될 수 있으며, 씰링부재(250)는 안착홈(234)의 외부로 돌출되도록 안착되어 서로 접하는 테두리부(212,232)의 사이를 기밀할 수 있다.

이렇게 상부 틀(210)과 하부 틀(230) 사이에 씰링부재(250)가 설치됨으로써, 진공홈(235)으로 공기가 유입되는 것을 방지하여 상부 틀(210)과 하부 틀(230)의 밀착력을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서의 제조금형(200)은 진공배기기구(270)를 포함할 수 있다. 이 진공배기기구(270)는 진공홈(235) 및 스킨층 성형부(213,233)의 공기를 흡입하여 외부로 배출하는 형태로 진공을 형성시킬 수 있다.

한편, 진공배기기구(270)는 모터에 의해 임펠러를 회전시켜 진공홈(235)의 공기를 외부로 배출하는 공지된 공기 배출 펌프로 구현될 수 있고, 배기구(218) 및 배출구(239)에 각각 구비될 수 있으며, 하나 또는 복수 개의 공기 배출 펌프가 각각의 배기구(218) 및 배출구(239)에 연결되어 배기구(218) 및 배출구(239)에서 공기를 외부로 배출하는 형태로 진공홈(235) 및 스킨층 성형부(213,233)에 진공을 발생할 수 있다.

여기서, 진공배기기구(270)는 공지된 기술이므로 더 상세한 설명은 생략한다.

이렇게 구성된 제조금형(200)은 하부 틀(230)의 스킨층 성형부(233)에 발포 폼(110)에 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)가 결합된 예비 조립체(150)를 넣고 하부 틀(230)의 상부에 상부 틀(210)을 덮는다.

이때, 스킨층 성형부(213,233)의 내면은 완성된 블레이드(100)의 부식 및 미려함을 제공하기 위해 겔코트(gelcoat)로 코팅될 수 있다.

그리고, 진공홈(235)과 연통된 배출구(236)에 연결된 진공배기기구(270)를 작동시키고, 진공홈(235)을 진공상태로 만들어 상부 틀(210)과 하부 틀(230)이 서로 밀착되도록 결합한다.

이때, 진공배기기구(270)는 배기구(239)에 함께 연결되거나, 도시되지 않은 다른 진공배기기구에 연결되어 있기 때문에 스킨층 성형부(213,233)도 함께 진공상태가 된다.

이 후, 주입구(238)에 수지(130)를 주입하여 블레이드(100)의 외형을 성형하고, 수지(250)가 경화되도록 실온 또는 가열상태로 일정시간 대기한다.

여기서, 상부 틀(210)과 하부 틀(230)의 각각은 전기에 의해 가열되는 열선이 구비되고, 이 열선에 의해 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 가열하는 형태로 수지를 가열하여 경화시키거나, 수지(130)가 주입된 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 열이 발생되는 가열챔버에 넣어 가열하는 형태로 수지(130)를 가열하여 경화시킬 수도 있으며, 상온에서 경화시킬 수도 있다.

일정시간이 흐른 후 수지가 경화되면 진공배기기구(270)의 작동을 멈춰 진공홈(235)의 진공을 해제하는 형태로 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 해제한 후, 상부 틀과(210)과 하부 틀(230)에서 예비 결합체(150)에 수지가 함침(含浸)된 완성된 블레이드(100)를 분리한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제조금형(200)은 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 종래와 같이 클램프와 같은 체결부재로 채결하지 않고 진공에 의해 서로 결합함으로써, 클램프를 체결하는 등의 번거로움을 해소할 수 있으며, 전체적으로 균일한 힘으로 상부 틀(210)과 하부 틀(230)을 밀착시켜 상부 틀(210)과 하부 틀(230)의 사이로 스킨층 성형부(213,233)에 주입되는 수지(130)가 외부로 유출되어 풍력발전기용 블레이드(100)의 성형 시 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법은 블레이드(100)를 복수 개로 분할한 형태로 복수 개의 발포 폼(110)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 단계에서는 제조될 제품 즉, 블레이드(100)의 전체적인 형상을 발포 폼(110)으로 형성하는 단계이다.

한편, 발포 폼(110)은 골격을 형성하는 수지가 함침되는 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)를 지지하도록 몸체를 이루는 것으로서, 블레이드(100)의 전체적인 형상을 복수 개로 분할한 형태로 복수 개가 제조될 수 있다. 예컨대, 도면에서 도시된 바와 같이, 측단면의 형상이 익형을 가지는 블레이드(100)를 전방부분, 중간부분, 및 후방부분으로 삼등분 한 형태로 형성될 수 있다.

여기서, 발포 폼(110)은 블레이드(100)의 형상에 따라 가로방향, 세로방향 대각선 방향, 일부만을 절개하는 등 다양한 형태로 분할될 수 있으며, 블레이드(100)에 강성을 가지도록 종래의 블레이드(10)와 같이 블레이드(10)의 리브(rib), 쉐어웹(shear webs), 스파(spar)가 설치될 부분을 절단하는 형태로 분할하는 것이 바람직하다(도 4의 (a) 내지 도 4의 (e) 참조). 즉, 블레이드(100)의 강성이 요구되는 부분을 절단하는 형태로 분할하는 것이 바람직하다.

여기서, 스파는 블레이드(100)의 세로방향 즉, 블레이드(100)의 길이방향의 강성을 보강하기 위해 블레이드의 내부에 덧대도록 설치되는 부재를 의미하며, 리브(rib)는 블레이드(100)의 가로방향 즉, 블레이드(100)의 폭 방향의 강성을 보강하기 위해 블레이드의 내부에 덧대도록 설치되는 부재를 의미한다. 그리고, 쉐어웹은 서로 마주보는 스파를 연결하도록 블레이드의 내부에 설치되는 부재를 의미한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 발포 폼(110)은 블레이드(100)의 전체적인 형상을 하나로 성형하여 절단하여 분할하거나, 분할된 블레이드(100)의 형상을 각각 성형하는 형태로 제조할 수 있다.

이때, 복수 개로 분할된 형태의 발포 폼(110) 중 적어도 어느 하나 이상의 발포 폼(110)은 복수 개의 발포 폼(100)과는 서로 다른 강성을 가지도록 다른 재질로 구성될 수 있음은 물론이다.

한편, 발포 폼(110)은 무게를 경량화하도록 예컨대, 우레탄, 폴리프로필렌, 에폭시, 발사목재, 코르크 등의 다공성 소재로 형성될 수 있으며, 이 각각의 복수의 다공성 소재를 혼용하여 구성될 수도 있고, 우레탄, 폴리프로필렌, 에폭시는 다공성을 가지도록 화학적 또는 기계적으로 발포하여 형성된 발포 우레탄, 발포 폴리프로필렌, 발포 에폭시일 수 있다.

아울러, 발포 폼(110)을 형성할 때에는, 내부 공간(112)를 형성할 수 있다(도 5 참조). 이 내부 공간(112)는 예컨대, 파이버복합재 제품이 항공기의 날개일 경우, 제어용 전선, 배관, 연료탱크 등이 삽입될 수 있는 공간으로 활용될 수 있으며, 도면에 도시되지 않았지만, 파이버복합재 제품이 풍력발전기용 타워일 경우 접지선, 제어선, 전력선 등이 삽입될 수 있는 공간으로 사용될 수도 있다.

도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법은 복수 개의 발포 폼(110) 중 하나 이상의 발포 폼(110)을 제1 파이버(120)로 감싸는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계는 복수 개의 발포 폼(110) 중 적어도 하나 이상의 발포 폼(110)에 수지가 고착되도록 제1 파이버(120)로 감싸는 단계이다.

여기서, 제1 파이버(120)와 하기에 설명될 제2 파이버(130)는 로빙, 매트, 얀크로스, 서페이스 매트 등이거나 이들의 서로 겹쳐지거나 혼합된 구성물 일 수 있으며, 블레이드(100)의 요구되는 강도 즉, 설계자의 의도에 따라 두께 및 적층 수가 결정될 수 있다.

그리고, 제1 파이버(120)는 제1 파이버(120)의 강성을 향상시키거나 두께를 가지기 위해 코어재(115) 예컨대, 코르크, 발사, 코어매트 등이 제1 파이버(120)의 전체 또는 일부만 겹쳐지는 형태로 발포 폼(110)에 감싸질 수 있으며, 코어재(115)는 블레이드(100)을 경량화하기 위해 다공성 소재로 형성될 수 있다.

여기서, 코어재(115)는 판 형상으로 형성되어 종래의 블레이드의 외면에 강성을 부여하도록 블레이드 내측에 판 형상으로 구비되는 쉘(shell)의 기능을 대신할 수 있다(도 4의 (e) 참조).

한편, 제1 파이버(120)는 수지의 함침이 용이하도록 수분이 증발되어 건조된 상태일 수 있다.

도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발포 폼(110)을 이용한 파이버복합재 제품의 제조방법은 복수의 발포 폼(110)이 제품의 형상이 되도록 조립하고 외형 전체를 제2 파이버(130)로 감싸 예비 조립체(150)를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.

이 단계에서는 전체적으로 수지가 함침될 수 있도록 각 부분품으로 구성된 복수 개의 발포 폼(110), 더 구체적으로는 제1 파이버(120)가 감싸진 발포 폼(110)과 제1 파이버(120)이 감싸지지 않은 발포 폼(110) 모두를 하나의 제품 형상이 되도록 조립하고, 이 조립된 발포 폼(110)의 외면에 제2 파이버(130)를 감싸 예비 조립체(150)를 제작할 수 있다.

그리고, 제2 파이버(130)는 블레이드(100)가 요구하는 강성에 따라 수회가 감기거나, 제1 파이버(120)와 마찬가지로, 제2 파이버(130)의 일부 또는 전체에 코어재(115)가 겹쳐진 상태로 조립된 발포 폼(110)의 외면 감쌀 수 있다.

이때, 코어재(115)는 제1 파이버의 외면에 겹쳐지거나 제2 파이버의 내면에 겹쳐져 제1 파이버와 제2 파이버의 사이에 위치될 수 있음은 물론이다(도 4의 (e) 참조).

이렇게 제2 파이버(130)가 조립된 복수의 발포 폼(110)의 외면을 감싸는 형태로 구비되기 때문에 블레이드를 완성하게 되면, 복수 발포 폼(110)이 연결되어 발생될 수 있는 이음매 부분이 발생하지 않기 때문에 이음매 부분에서 용이하게 발생되는 크랙의 성장을 방지할 수 있다.

제2 파이버(130)도 제1 파이버(120)와 같이, 수지가 용이하게 함침되도록 수분이 증발되어 건조된 상태일 수 있다.

그리고, 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)는 탄소섬유, 석영섬유, 보론섬유, 쿼츠섬유, 글래스섬유, 아라미드섬유(케블라), 금속섬유, 금속망, 나일론 등이 사용될 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)에는 파이버복합재 제품 또는 파이버복합재 구조물을 서로 결합하기 위한 조인트부(160)가 구비될 수 있다.

이 조인트부(160)는 인접한 파이버복합재 구조물 또는 제품, 다른 재료로 형성된 구조물 또는 제품이 결합되는 부분으로서, 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)의 형상을 인접한 구조물 또는 제품이 서로 결합되는 구조 예컨대, 볼트 또는 너트, 홈 또는 돌기, 요철 형상의 홈 또는 돌기 등과 같이, 서로 결합되는 한 쌍의 결합구조 중 어느 하나의 결합구조를 가지도록 형성할 수 있다.

조인트부(160)에는 도 10의 (a) 내지 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 다양한 형태의 메탈조인트(165)가 구비될 수 있다.

예컨대, 메탈조인트(165)는 관 형상(도 10의 (a) 참조),볼트, 너트(도 10의 (b) 참조), 요철형상의 부재(도 10의 (c) 참조), 막대, 금속망 등이 될 수 있으며, 한 쌍이 서로 결합하는 결합부재의 어느 하나의 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

그리고, 메탈조인트(165)는 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)에 결합되어 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)에 함침되는 수지에 의해 고정될 수 있다.

한편, 메탈조인트(165)의 외면에는 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)와의 결합력을 향상시킬 수 있도록 다수의 홈, 또는 다수의 돌기(도 10의 (b) 참조)가 형성되거나, 발포 폼(110)에 코이닝(coining), 리베팅(rivetting) 될 수 있으며, 메탈조인트(165)는 금속 또는 합성수지로 형성될 수 있다.

아울러, 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)에는 간극조절구(170)가 설치될 수 있다. 이 간극조절구(170)는 발포 폼(110)에서 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)의 사이 간격을 조절하여 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)에 수지가 함침되는 두께를 조절할 수 있다. 한편, 간극조절구(170)는 서로 결합되는 제1 지지구(171)와 제2 지지구(175)를 포함할 수 있다.

제1 지지구(171)는 지지부(171a)와 결합부(171b)로 구성될 수 있다. 지지부(171a)는 판 형상으로 형성되어 발포 폼(110)의 외면에 지지될 수 있으며, 결합부는 지지부(171a)의 중앙에서 상부로 돌출되어 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)를 관통하도록 구비될 수 있다.

이때, 제1 지지구(171)의 결합부(171b)의 상단에는 결합공(171c)이 형성될 수 있다.

그리고, 제2 지지구(175)도 제1 지지구(171)와 마찬가지로 지지부(175a)와 결합부(175b)로 구성될 수 있으며, 지지부(175a)는 판 형상으로 형성되어 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)의 외면을 지지할 수 있다.

그리고, 제2 지지구(175)의 결합부(175b)는 지지부(175a)의 하부로 돌출되도록 구비되며, 제2 지지구(175)의 결합부(175b)는 제1 지지구(171)의 결합부(171b)에 형성된 결합공(171c)에 삽입되어 서로 끼워지는 형태로 제1 지지구(171)와 제2 지지구(175)가 결합될 수 있다.

즉, 제1 지지구(171)의 지지부(171a)는 발포 폼(110)에 지지되고, 제1 지지구(171)의 결합부(171b)가 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)를 관통하여 돌출되면 제1 지지구(171)와 대향된 위치에서 제2 지지구(175)의 결합부(175b)를 제1 지지구(171)의 결합공(171c)에 끼워 결합하는 형태로 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)의 사이 간격을 조절할 수 있다.

이때, 제1 지지구(171)와 제2 지지구(175)의 위치가 서로 뒤바뀔 수 있음은 물론이다.

한편, 간극조절구(170)는 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 완성 시 외부로 노출되지 않도록 간극조절구(170), 더 구체적으로는 제2 지지구(175)의 지지부(175a)의 외면을 적어도 1장 이상의 제1 파이버(120) 또는 제2 파이버(130)가 덮는 형태로 구성될 수 있다.

도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파이버복합재 구조물 또는 파이버복합재 제품의 제조방법은 예비 조립체(150)를 제조금형(200)에 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.

이 단계는 수지로 제1 파이버 및 제2 파이버에 수지를 함침시키고, 예비 조립체(150)의 외면을 형성하도록 제조금형(200)에 예비 조립체(150)를 삽입하는 단계이다.

한편, 예비 조립체(150)가 제조금형(200)에 안착되기 전, 스킨층 성형부(213,233)에는 완성된 블레이드(100)가 용이하게 분리될 수 있도록 이형제가 도포되거나 블레이드(100)의 외면에 부식을 방지하는 동시에 외면에 광택을 가지도록 하는 겔코트(gelcoat)가 미리 도포될 수 있다.

아울러, 제조금형(200)은 블레이드(100)의 외형을 성형할 수 있는 다양한 형태의 제조금형이 될 수 있으며, 본 실시예에서는 상기한 실시예에 따른 제조금형(200)을 사용하였다.

도 3의 (e)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발포 폼(110)을 이용한 파이버복합재 제품의 제조방법은 제조금형(200)에 수지를 주입하여 블레이드를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

이 단계에서는 예비 조립체(150)를 구성하는 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)에 수지가 함침되도록 제조금형(200)에 수지를 공급할 수 있다.

이때, 수지는 대기압 또는 가압공급장치 사용하여 주입될 수 있고, 본 실시예에서와 같이, 예비 조립체(150)를 안착된 스킨층 성형부(213,233)에 안착시킨 뒤, 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)로 사이 사이의 공간을 미리 진공상태로 만든 후 진공에 의해 수지가 주입될 수 있도록 구성될 수도 있다.

아울러, 수지는 스킨층 성형부(213,233)를 진공배기기구(270)로 진공상태로 만드는 동시에 가압공급장치를 사용하여 수지를 주입함으로써, 제조시간을 단축시킬 수 있다.

이렇게 진공에 의해 수지가 주입함으로써, 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)의 곳곳에 빈 곳 없이 수지가 주입되고, 블레이드(100)의 완성시 블레이드(100)의 내부에 기공의 발생을 방지하여 블레이드(100)의 내구성 및 블레이드(100)의 성형 불량을 방지할 수 있다.

한편, 제조금형(200)에 주입되는 수지는 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 폴리비닐에스테르, 페놀, 폴리우레탄 등의 수지가 사용될 수 있으며, 이때 수지에는 수지를 용이하게 경화시킬 수 있는 경화제와 함께 혼합되어 금형에 주입될 수 있다.

도 3의 (f)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발포 폼(110)을 이용한 파이버복합재 제품의 제조방법은 제조금형(200)에서 일정시간 경과 후 수지가 경화되면, 제조금형(200)에서 완성된 블레이드(100)를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.

이 단계에서는 제조금형(200)에 주입된 수지가 일정시간이 지난 후 경화되면 제조금형(200)에서 블레이드(100)를 분리하여 블레이드(100)를 완성한다. 이때, 수지는 상온 또는 금형을 가열하여 상온보다 높은 온도에서 일정시간을 경과하는 형태로 경화될 수 있다.

그리고, 완성된 블레이드(100)를 제조금형(200)에서 분리한 후 제조금형(200)의 파팅라인(parting-line)이 형성되는 부분을 평탄하게 하는 후처리를 수행하는 단계를 거칠 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 블레이드(100)는 복수 개의 분할된 발포 폼(110)이 제1 파이버(120)에 감싸지고, 제1 파이버(120)에 감싸진 복수 개의 발포 폼(110)을 다시 제2 파이버(130)가 감싸는 형태로 서로 결합되도록 구성되며, 수지가 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)에 함침되어 블레이드(100)를 구성한다.

이때, 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)에는 복수 개의 간극조절구(170)가 설치되어 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)의 사이 간격을 조절함으로써, 블레이드를 형성하는 수지의 두께를 정확한 치수로 생산할 수 있다(도 6 참조).

그리고, 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)에는 조인트부(160)가 형성되어 다른 구조물 또는 제품에 용이하게 결합할 수 있다.

이렇게 구성된 본 발명의 실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 블레이드(100)는 종래의 블레이드에 리브, 쉐어웹, 스파 등의 기능을 수지가 함침된 제1 파이버(120)가 수행할 수 있다.

따라서, 종래와 같이 블레이드의 강성을 향상시키기 위해 리브, 쉐어웹, 스파 등을 별도로 제작하여 부착하지 않고, 제1 파이버(120)에 수지를 함침시키는 형태로 블레이드(100)를 일체로 용이하게 제작할 수 있으며, 대형 블레이드도 접합 없이 용이하게 한번에 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 복잡한 형상의 파이버복합재 제품을 용이하게 제작할 수 있다.

또한, 블레이드(100)의 내부가 비어있지 않고, 발포 폼(110)에 의해 채워지며, 진공에 의해 수지를 주입함으로써, 발포 폼(110)과 수지의 결합력이 우수하여 블레이드(100)의 강도와 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 접착제를 사용할 필요가 없고 발포 폼을 이용하여 블레이드(100)의 무게를 경량화할 수 있다.

또한, 각 구성품 예컨대, 스파, 리브, 쉐어웹 등을 별도로 제작하여 접합하는 공정을 생략할 수 있기 때문에 블레이드(100)의 제조비용을 대폭 절감하고, 제조시간을 단축시킬 수 있다.

이상의 실시예는 본 발명이 풍력발전기용 블레이드에 적용하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 항공기의 동체, 날개, 러버(rubber) 등에도 동일하게 적용할 수 있다.

또한, 경량 고강도를 요구하는 모든 제품, 예컨대 선박(요트, 파워보트, 군함정, 어선, 잠수정, 탈출선 등), 자동차(전기 자동차, 하이브리드 자동차, 경주용 자동차 등), 괘도차량(고속열차, 전철 등), 스포츠 레저용품(제트스키, 낚시보트, 구명장치 등), 건축자재(내외장재, 구조재, 교량부품 등) 등에도 적용될 수 있음은 물론이다.

예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제조방법으로 제조되는 제품 중 예컨대, 파이프와 같은 중공형상의 제품(190) 등을 제조할 수가 있다.

도면에 도시된 중공형상의 제품(190)는 파이프의 형상을 복수 개로 분할한 형태로 발포 폼(110)을 형성하고, 복수 개의 발포 폼(110)을 제1 파이버(120)로 감싼다.

그리고, 제1 파이버(120)로 감싸진 복수 개의 발포 폼(110)의 내주 및 외주에 제2 파이버(130)를 감싸 예비조립체를 형성하며, 이 예비 조립체를 제조금형(200)에 넣고 수지를 함침시켜 제조하게 된다.

이때, 제조금형(200)에 예비 조립체를 삽입할 때에는 제2 파이버(130)의 내주에는 중공형상의 제품(190)의 내주에 수지가 채워지는 것을 방지하도록 맨드릴(mandrel)이 삽입된 상태로 제조금형(200)에 넣어 수지를 함침시킨 후 수지가 경화되면 제조금형(200)에서 중공형상의 제품(190)을 분리하고, 중앙에 삽입된 맨드릴을 제거하는 형태로 중공형상의 제품(190)을 제조할 수 있다.

아울러, 도 9에 도시된 바와 같이, 중공형상의 제품(190)에는 제1 파이버(120) 및 제2 파이버(130)의 사이에 복수의 코어재(150)를 삽입함으로써 더 높은 강도와 내구성을 구현하도록 구성될 수도 있다.

따라서, 본 발명의 제조방법으로 제조되는 중공형상의 제품(190)는 종래의 필라멘트 와운딩법이나 압출방식으로 제조되는 파이버복합재 제품보다 복잡한 형상 예컨대, 테이퍼 폴, 이형단면, 계단형 폴 등의 형상을 가지는 중공형상의 제품(190)을 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 중공형상의 제품(190)은 예컨대, 유체 저장용기, 유체 수송용 파이프, 전신주, 풍력발전기의 지지대, 건출물 골격, 볼라드(bollard)와 같은 차량통제 기둥, 미사일발사관, 선박 구조물 등이 될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100: 블레이드 110: 발포 폼
112: 내부 공간 115: 코어재
120: 제1 파이버 130: 제2 파이버
150: 예비 조립체 160: 조인트부
165: 메탈조인트 170: 간극조절구
171: 제1 지지구 171a, 175a: 지지부
171b, 175b: 결합부 175c: 결합공
175: 제2 지지구 190: 중공형상의 제품
200: 제조금형 210: 상부 틀
211,231: 몸체 212,232: 테두리부
213,233: 스킨층 성형부 218: 배기구
234: 안착홈 235: 진공홈
238: 주입구 239: 배출구
250: 씰링부재 270: 진공배기기구

Claims (2)

1. 임의의 형상을 가지는 제품과 대응되는 형상으로 분할된 형태의 스킨층 성형부가 각각 형성되는 복수의 틀로 구성되는 파이버복합재 제품의 제조금형으로서,
   상기 복수의 틀은 상기 스킨층 성형부의 외측으로 돌출되어 인접한 틀과 서로 맞닿는 테두리부가 각각 구비되고,
   상기 서로 맞닿는 테두리부에는 진공압에 의해 밀착력이 형성되는 진공홈과 상기 진공홈을 중심으로 양측에 배치되는 씰링부재가 구비되며,
   상기 진공홈의 공기를 외부로 배출하여 진공을 형성하는 진공배기기구를 포함하고,
   상기 진공배기기구가 상기 진공홈에 진공을 형성하여 상기 복수의 틀이 진공에 의해 서로 밀착되도록 결합되며,
   상기 복수의 틀은 파이버복합재로 형성되고,
   상기 복수의 틀 중 어느 하나에는 상기 스킨층 성형부로 수지를 주입하는 주입구가 형성되고, 다른 하나에는 배기구가 형성되며,
   상기 수지는 상기 배기구에 상기 진공배기기구가 연결되어 진공에 의해 주입되거나, 상기 주입구에 가압공급창지가 연결되어 강제적으로 주입되며,
   상기 복수의 틀에는 스킨층 성형부를 가열하는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 파이버복합재 제품의 제조금형.
2. 삭제

Images