KR101319703B1 - 샌드위치 구조물 내 코어 재료의 강화 방법 및 강화된 샌드위치 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강화 요소를 사용한 샌드위치 구조물의 강화 방법에 관한 것이다. 샌드위치 구조 커버링층은 주로 복합재 및 중합체 경질 발포체 코어 재료로 이루어진다. 강화 방법은 한쪽에서만 샌드위치 구조물 또는 코어 재료에 삽입관통되어 중합체 경질 발포체를 관통하는 홀을 얻게하는 그립퍼에 의해 수행된다 (도 1의 단계 1 및 2 참조). 반대쪽에서는, 상기 그립퍼가 강화 구조물 (예를 들어, 스티칭사, 인발성형 섬유-플라스틱 복합봉)을 잡은 후 후진하여 샌드위치 구조물 내로 강화 구조물을 삽입한다(도 1의 단계 3 참조). 관통 홀은 강화 구조물에 의해 추가 확대될 수 있고, 이에 의해 코어 재료의 관통 홀 내 섬유 용적율을 획득하는 것이 가능하다. 종래의 스티칭 공정에 반하여, 강화 구조물을 사용하여 코어 재료를 관통하는 홀에 영향을 미치는 것이 가능하다. 강화 공정 후, 샌드위치 구조물은 액체-복합체-성형 방법에 의해 듀로머 또는 열가소성 매트릭스 물질로 함침된다. 함침된 스티칭 사는 코어 재료 내에서 코어 재료와 샌드위치 구조를 강화하는 고도의 경질 고상 단방향성 FKV 요소의 형태로 구현된다.

샌드위치 구조물, 코어 복합 구조물, 강화 구조물, 강화 요소, 섬유 용적율

Description

샌드위치 구조물 내 코어 재료의 강화 방법 및 강화된 샌드위치 구조물 {METHOD FOR PRODUCING A CORE MATERIAL REINFORCEMENT FOR SANDWICH STRUCTURES AND SAID SANDWICH STRUCTURES}

본 발명은 청구범위 제1항에 기재된 바와 같이, 코어 복합 구조물의 강화를 위해 코어 복합 구조물의 두께를 관통하는 강화 요소의 설계 및 설치에 관한 것이다.

본 발명은 코어 복합 구조물을 강화시키는데 적합하다. 코어 복합 구조물은 바람직하게는 반마감된 직물류 커버층 (도 1의 (3) 및 (5), 예를 들어, 제직물 또는 레이드(laid) 직물, 매트 등), 코어 재료 (도 1의 (4), 예를 들어, 중합체 발포체) 및 중합체 매트릭스 물질 (열가소성 또는 열경화성 물질)로 이루어지는 섬유-플라스틱 복합체를 포함할 수 있다. 코어 복합 구조물은 적층 구조이며, 상대적으로 얇은 상부 커버층 (도 1의 (3))과 하부 커버층 (도 1의 (5)), 및 낮은 겉보기 밀도의 상대적으로 두꺼운 코어층 (도 1의 (4))을 포함한다.

본 발명에 따라서, 횡단 방향 특성 (예를 들어, z축 방향으로의 압착 또는 인장 강도 및 강성, xz 및 yz 평면에서의 전단 강도 및 강성, 커버층과 코어 사이의 박리 저항력, 이중안전 거동) 및 코어 복합 구조물의 평면내 기계적 특성 (예를 들어, 쉬이트 평면 방향으로의 강도 및 세기)은 두께를 관통하는 강화 요소에 의해 현저하게 증가될 수 있다.

코어 복합 구조물의 두께 방향으로의 강화를 위한 것으로서 종래에 알려진 방법, 예를 들어, 더블-새들-스티치 (double-saddle-stitch), 블라인드-스티치 (blind-stitch) 또는 투-니들(two-needle) 스티칭 기법과 터프팅 (tufting) 방법은 모두 강화 요소 (예를 들어, 스티칭 사, 로빙(roving))가 바늘과 함께 코어 복합 구조물 내로 도입되는 공통적인 특징이 있다. 전통적인 직물류의 스티칭된 재료의 경우, 스티칭 사를 끼운 바늘을 관통시킨 다음 스티칭 홀(hole)에 스티칭 사만 남기고 스티칭 바늘을 빼내는 것은, 직물의 탄성 회복 작용에 의해 일반적으로 어떠한 문제도 나타내지 않는다. 그러나, 코어 재료로서 중합체 경질 발포체를 갖는 코어 복합 구조물의 경우, 스티칭 사를 끼운 바늘의 관통은 기공 구조의 파괴를 야기하며, 소성 및 탄성 변형의 결과 중합체 경질 발포체가 스티칭 바늘 직경의 크기까지 변형된다.

일단 스티칭 바늘이 빠지고 스티칭 사가 스티칭 홀에 남게 되면, 기공 벽의 탄성 변형 성분으로 인해 관통 홀의 수축이 있고, 이에 의해 코어 홀의 직경은 다시 스티칭 바늘 직경보다 작아진다 (도 2 참조). 얻어진 코어 내 관통 홀의 직경과 사용된 스티칭 바늘의 직경 사이에는 실질적으로 1차 함수 관계가 있으며 (도 2), 즉, 스티칭 바늘의 직경이 클수록, 그 결과 생기는 코어 내 관통 홀도 역시 커진다. 또한 스티칭 사는 코어 홀 직경을 더욱 확대시킨다. 이러한 추가 확대는 스티칭 사의 단면적과 대략 일치한다 (도 2). 마찬가지로, 사용된 스티칭 사의 단 면적이 클수록 추가 확대의 정도도 증가한다.

코어 복합 구조물을 액체 매트릭스 물질로 함침시키고 경화시킨 다음, 코어 홀 직경과 코어 홀 내 스티칭 사의 섬유 용적율을 현미경 검사 방법으로 측정할 수 있다. 직경 1.2 mm의 스티칭 바늘과 선 중량 62 g/km의 아라미드사를 사용하여 더블-새들-스티칭 기법으로 스티칭된 코어 복합 구조물에 대해 실험한 결과, 1회 삽입의 경우 코어 재료 내에 얻어진 수지 칼럼의 직경 (약 1.7 mm)은 함침시키지 않은 코어 복합 구조물에서 측정된 코어 홀 직경 (약 1.1 mm; 도 2 및 3 비교) 보다 크다는 것을 보여준다. 이는 스티칭 바늘 직경 부위의 인접 기공벽이 스티칭 바늘의 삽입으로 파괴되기 때문이다. 후속되는 침윤 과정에서, 수지는 이들 안으로 침투할 수 있고 평균 직경이 약 0.7 mm인 세공을 개방한다 (도 4).

더블-새들-스티칭 기법이 이용되는 경우, 1회 삽입시마다 항상 두 줄의 스티칭 사가 코어 복합 구조물의 z 방향으로 도입된다 (도 4 및 5 참조). 관통 홀 내의 스티칭 사 용적율 및 결과적으로 강화 효과를 증가시키기 위해서, 이미 스티칭된 부분이 다시 한번 또는 여러 번 스티칭될 수 있다. 그러나, 이미 코어 홀 안에 있는 스티칭 사는 스티칭 바늘이 새로 삽입될 때 손상될 수도 있다. 현미경 검사에 따르면, 예상되는 바와 같이, 스티칭 사 용적율은 삽입 횟수에 비례하여 증가되지 않을 수도 있다는 것이 입증될 수 있다 (도 3, 4 및 5). 이는 코어 홀 직경이 스티칭 사의 추가적인 도입에 의해 대략 도입된 사의 단면적 만큼 증가되기 때문에, 코어 홀의 직경이 삽입 횟수와 도입된 스티칭 사의 수가 증가할 때 일정하게 유지되지 않기 때문이다 (도 3, 점선 곡선). 그러나, 실제 곡선 프로파일 (도 3, 실선 곡선)에 의하면 매우 많은 횟수의 삽입이 있는 경우에만 이러한 이론을 따른다는 것 또한 마찬가지로 증명된다. 대조적으로, 적은 횟수의 삽입이 있는 경우에는, 코어 홀의 직경이 비례하지않게 크게 증가한다. 이러한 이유는 스티칭 기계의 위치 선정의 정확도 때문이다. 한 번 더 스티칭될 위치가 다시 움직이게되면, 스티칭 바늘은 이미 존재하는 홀 안으로 정확하게 중심으로가 아니라 위치 선정 정확도의 한계범위 내에서 약간 측면으로 삽입되고, 이에 의해 코어 홀은 비례하지않게 증가된다. 같은 코어 홀로 대략 8번 정도 삽입된 후에, 그 홀은 스티칭 바늘이 기공벽의 추가적 파괴 없이도 기존의 홀로 들어갈 정도까지 확대된다. 그 이상의 횟수의 삽입에서는, 확대는 도입되는 추가의 스티칭 사의 결과로서만 일어난다. 도 4 및 5에서 코어 홀 내 스티칭 사의 수가 증가함에 따라 스티칭 사 용적율이 증가할 수 있다는 것을 알 수 있다. 도 4의 실선은 일정한 코어 홀 직경에서 스티칭 사 용적율의 비례적인 증가를 나타내고, 1점 쇄선 곡선은 이를 정밀한 위치선정 정확도와 도입된 스티칭 사에 의해 생기는 코어 홀 직경의 추가적 확대라는 전술한 이론에 기초하여 설명하고, 점선 곡선은 스티칭 사의 수 또는 삽입 횟수가 증가함에 따른 스티칭 사 용적율의 실제 프로파일을 나타낸다. 1회 삽입의 경우, 단지 약 3.2%의 섬유 용적율이 얻어질 수 있고, 이는 최대 10회 삽입시까지 단지 약 20 %가 증가할 수 있다 (도 4 및 5 참조). 이와 대조적으로, 스티칭 사 한 가닥의 섬유 용적율은 대략 58 %이다 (도 4 참조).

이러한 실험으로부터 종래의 방법 (예를 들어, 더블-새들-스티칭 기법)을 이용할 때, 중합체 코어 재료 내에 얻어지는 직경은 사용된 스티칭 바늘의 직경, 스 티칭 사의 단면적 및 사용된 중합체 경질 발포체의 코어 직경에 주로 의존한다는 것은 분명하다. 종래에 알려진 모든 강화 방법의 경우에, 스티칭 바늘과 스티칭 사가 동시에 코어 복합 구조물 내로 삽입되기 때문에, 도입되는 강화 요소의 단면적과 코어 홀 직경의 크기는 항상 불리한 관계에 있다. 커버층의 섬유 용적율 (50% 초과) 수치와 유사하게 높은 코어 홀 직경 내 섬유 용적율은 결과적으로 종래의 강화 방법에 의해서는 얻어질 수 없다. 그러나, 기계적 특성은 주로 도입된 고강도 및 높은 세기의 강화 요소에 의해 영향을 받기 때문에, 개발 목표는 코어 홀 직경 내 강화 요소의 섬유 용적율을 가능한 한 높이는 것이 되어야할 것이다. 또한, 코어 홀 직경 내 높은 수지 함량은 중량 증가를 일으키므로, 특히 항공우주 분야에서는 허용되지 아니한다.

발명의 목적

본 발명은 강화 요소를 코어 복합 구조물의 두께 방향 (z 방향)으로 도입함으로써 코어 홀 직경 내 강화 요소의 높은 섬유 용적율을 실현할 수 있는, 코어 복합 구조물의 기계적 특성의 향상을 목적으로 한다. 또한, 중량은 코어 복합 구조물 내 강화 요소의 도입으로 인하여 크게 불리하게 영향받지 않는다. 본 발명의 새로운 스티칭 기법은 또한 코어 복합 구조물에 또 다른 구조 성분 (예를 들어, 수평재, 프레임 등)을 미리 형성하고 고정시키는데 이용될 수도 있다.

해결 수단

본 발명의 목적은 코어 재료 내 필요한 관통 홀의 도입 및 강화 구조물의 도입을 각각 다른 시간에 수행시켜 달성되고, 이에 의해 코어 홀 직경 내 강화 요소의 섬유 용적율이 사용된 스티칭 사의 단면적에 의해 조정될 수 있다. 도 1은 기본적인 발명과 그러한 방법으로 강화된 코어 복합 구조물의 설계를 도시하고 있다. 그립퍼 시스템 (2)는 코어 복합 구조물의 한 쪽으로부터 코어 재료 (4)에, 임의로는 상부 직물 커버층 (3) 및 하부 직물 커버층 (5)을 통과하여 (단계 2) 일방향으로 삽입되고 (단계 1 및 2), 그립퍼 (1)에 의해 반대쪽에서 장치 (7)에 의해 제공되는 강화 구조물 (6), 예를 들어, 스티칭 사, 인발성형된(pultruded) 섬유-플라스틱-강화 막대를 수용한 다음 (단계 2), 이어서 후진하여 코어 복합 구조물 내로 강화 구조물을 도입한다 (단계 3). 이어지는 공정 단계에서, 그립퍼 시스템 (2)는 위쪽으로 움직여 강화 구조물을 코어 또는 코어 복합 구조물 내로 끌어들인다 (단계 3).

중합체 경질 발포체 (예를 들어, PMI, PVC, PEI, PU 등)는 코어 재료 (4)로 사용될 수 있다. 코어 재료 (4)는 150 mm 이하의 두께, 약 1250 mm의 너비 및 2500 mm의 길이를 가질 수 있다. 상부 직물 커버층 (3)과 하부 직물 커버층 (5)은 동일하거나 상이한 것으로 구성될 수 있으며, 유리, 탄소, 아라미드 또는 기타 강화 재료로 이루어진다. 개별적인 직물 커버층의 두께는 동일하거나 상이할 수 있으며, 0.1 mm 내지 1.0 mm이다. 열가소성 또는 열경화성 물질은 중합체 매트릭스 물질로 이용될 수 있다.

강화 구조물 (6)은 직물 강화 구조물 (예를 들어, 스티칭 사, 로빙) 또는 막대형 요소 (예를 들어, 단일 방향의 섬유-플라스틱 복합체의 핀, 비강화된 플라스틱 또는 금속 등) 둘 다를 포함할 수 있다. 강화 구조물 (6)의 직경은 전형적으로 0.1 mm 내지 2.0 mm일 수 있다.

후속 공정 단계에서, 스티칭된 재료 또는 강화 단위는 다음 삽입 위치로 이동되고, 거기서 강화 단계가 반복된다. 또한, 공급된 강화 구조물은 길이를 따라 절단되어, 한 삽입부와 다른 삽입부 간에 연결되지 않을 수 있다. 길이를 따른 절단은 통상의 모든 기술 수단, 예를 들어, 기계적 절단 또는 화염 절단과 같은 기술적 수단에 의해 수행될 수 있다. 강화 구조물을 끌여당겨 넣음으로써 그립퍼 시스템의 삽입으로 인해 얻어진 코어 홀 직경의 추가 확대를 일으킬 수 있고, 이에 의해 높은 섬유 용적율이 실현될 수 있다. 강화 요소는 장력에 의해 코어 복합 구조물 내로 또는 단지 코어 재료 내로 도입되기 때문에, 매우 잘 정렬되며 강화 구조물의 뒤틀림이 없다. 본 발명의 강화 방법에 따라서, 도입되는 강화 요소는 순전한 횡방향 힘이 주어질 때, z축에 대하여 0°가 아닌 각도, 예를 들어, +/- 45°의 각도를 또한 가질 수 있다.

본 발명에 따라 두께 방향으로 강화된 코어 복합 구조물은, 예를 들면, 우주항공, 자동차 및 철도 차량 구조물과 같은 수송 분야 및 조선 분야, 또한 건축 분야뿐만 아니라 스포츠, 의학 분야에서도 이용될 수 있다.

강화 공정 후에, 코어 복합 구조물은 액체-복합체-성형 과정에서 열경화성 또는 열가소성 매트릭스 물질로 함침될 수도 있다.

<표> 도면 부호의 명칭

번호	명칭
1	그립퍼
2	그립퍼 시스템
3	상부 직물 커버층
4	코어 재료
5	하부 직물 커버층
6	강화 구조물
7	강화 요소(6) 제공 장치

Claims (9)

1. 그립퍼 시스템 (2)가 코어 복합 구조물의 한쪽으로부터 코어 재료 (4) 또는 커버층이 도포된 코어 재료 (3, 4) 내로 일방향으로 삽입되어, 반대쪽에서 그립퍼 (1)에 의해 비가요성의 막대형 요소인 강화 구조물 (6)을 능동적으로 잡은 후, 후진에 의해 강화 구조물 (6)을 코어 재료 (4) 또는 커버층이 도포된 코어 재료 (3, 4) 내로 도입시키고, 상기 그립퍼 시스템 (2)가 절단을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는, 코어 복합 구조물의 강화 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 커버층 (3)이 반마감된 직물류로 구성되고, 코어층 (4)이 중합체, 천연 또는 텍스춰드 코어 재료로 구성되며, 커버층, 코어층 및 강화 요소가 중합체 매트릭스 재료 내에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 코어 복합 구조물의 강화 방법.
4. 제1항에 있어서, 강화 구조물 (6)이 코어 재료 (4) 또는 커버층이 도포된 코어 재료 (3, 4) 내로 도입된 후 길이를 따라 절단되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 강화 구조물 (6)이 코어 재료 (4) 또는 커버층이 도포된 코어 재료 (3, 4) 내로 도입된 후 길이를 따라 절단되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제3항의 방법에 의해 수득될 수 있는, 비가요성의 막대형 요소인 강화 구조물 (6)이 도입된 코어 복합 구조물.
7. 제6항에 있어서, 우주선, 항공기, 육해상 교통수단 및 철도 운송수단의 제조에서 사용하기 위한 코어 복합 구조물.
8. 제6항에 있어서, 스포츠 장비의 제조에서 사용하기 위한 코어 복합 구조물.
9. 제6항에 있어서, 실내, 무역 전시회 및 옥외 구조물용 구조 요소의 제조에서 사용하기 위한 코어 복합 구조물.

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