KR101337593B1

KR101337593B1 - 탄소섬유와 충진재를 이용한 자전거 프레임 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101337593B1
Application number: KR1020110074255A
Authority: KR
Inventors: 윤병철; 이동진
Original assignee: 한국세라믹기술원; 윤병철
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-12-06
Also published as: KR20130012842A

Abstract

본 발명은 탄소섬유와 충진재를 이용한 자전거 프레임 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운행수단으로 사용되는 일반 자전거 뿐만아니라 선수용 자전거에서 자전거의 기본 골격을 이루는 프레임의 구조 및 재질을 변경한, 탄소 섬유와 충진재를 이용한 자전거 프레임 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 자전거 프레임의 제조방법은 i) 양쪽의 자전거 몰드 금형의 내부에 탄소섬유 복합재료를 적층하는 단계, ii) 적층된 탄소섬유 복합재료 상에 충진재를 충진하는 단계, iii) 상기 양쪽의 상하 자전거 몰드 금형을 체결한 후, 천천히 승온하여 1차 성형하는 단계, iv) 상기 1차 성형 온도보다 높은 온도로 천천히 승온 유지하여 2차 성형하는 단계, 및 v) 자연냉각 시킨 후, 자전거 몰드 금형에서 탈영하여 제품을 완성하는 단계를 포함한다.

Description

탄소섬유와 충진재를 이용한 자전거 프레임 및 이의 제조방법{BICYCLE FRAME HAING THE CARBON FIBER AND THE PACKED LAYER}

본 발명은 탄소섬유와 충진재를 이용한 자전거 프레임 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운행수단으로 사용되는 일반 자전거 뿐만아니라 선수용 자전거에서 자전거의 기본 골격을 이루는 프레임의 구조 및 재질을 변경한, 탄소 섬유와 충진재를 이용한 자전거 프레임 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현재 탄소섬유 복합재료를 사용하여 자전거가 많이 생산이 되고 있다. 즉, 자전거 차체를 형성하는 파이프 형태의 자전거 프레임의 재료로 탄소 섬유 복합재료를 사용하고 있다.

탄소섬유는 탄소섬유를 제작하는 과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속보다 가볍고 반면에 탄성과 강도가 뛰어난 소재이다. 하지만 탄소섬유는 단독으로 사용되지 못하고 수지와 같은 기질과 함께 사용되는 복합재료 소재로 사용된다. 현재 자전거 프레임으로 사용되는 탄소섬유, 또한 탄성과 강도가 뛰어난 소재인 탄소섬유에 열경화성수지인 에폭시 수지를 합쳐서 탄소섬유 복합재료가 사용되고 있다.

탄소섬유 복합재료는 자전거의 무게대비 그 강성이 강하여 산악용, 로드용 등 다양하게 적용되고 있다. 대부분의 자전거 회사들은 탄소섬유 복합재료를 튜브 형태로 즉, 도 1과 같이, 내부가 비어 있는 형태로 제작하여 왔으나, 최근 산악용 등 험한 지형에서의 자전거 운행이 많아짐에 따라 자전거 프레임 강성 보강을 위하여, 도 2에서와 같이 튜브 형상의 탄소섬유 복합재료 중간에 web('웹', 또는 '보강대'라 함)을 넣어 굽힘강성을 보강하고 있는 추세이다.

그러나, 에폭시수지가 결합된 탄소섬유 복합재료(이하, '탄소섬유 복합재료'라 함)의 강도는 탄성과 인장강도에 비하여 약하다는 단점이 있다. 따라서, 탄소섬유 복합재료를 사용하여 자전거 프레임을 제작을 할 경우, 금속에 비하여 가벼운 자전거의 제작이 가능하지만, 충격강도가 약해지고, 내피로도가 약해지는 단점이 있다. MTB(산악자전거)와 같이 운행 중 많은 하중을 받는 자전거의 경우, 자전거를 운행 중 충격에 의한 자전거 프레임이 파손될 가능성이 있으며, 자전거 프레임의 파손이 일어나면 큰 사고로 이어질 수가 있다.

종래의 에폭시 수지가 결합된 탄소섬유의 복합재료를 이용하여 자전거 프레임을 제조하는 과정은 다음과 같다.

도 3은 종래의 방식, 즉 Pressure Bag(실리콘튜브)을 이용한, 탄소섬유 복합재료 자전거 프레임의 성형방법을 도시한 도면이다.

일반적으로 탄소섬유 복합재료 자전거 프레임을 제작하기 위해서는 미리 제작된 프레임(몰드 금형)에 탄소섬유 복합재료 프리프레그를 적층을 한 후(즉, 라미네이팅(laminating) 한 후), 자전거 프레임 몰드 형상에 맞는 Pressure Bag(실리콘튜브)을 넣어서 성형을 하고 있다. 즉, 자전거 프레임 몰드 형상에 따라, 각기 다른 Pressure Bag(실리콘튜브)을 넣어서 자전거 몰드 금형와 탄소섬유 복합재료 프리프레그의 밀착도를 높이기 위하여 Pressure Bag(실리콘튜브)에 바람을 넣어 팽창시킨다. Pressure Bag(실리콘튜브)이 팽창이 되면 적층된 탄소섬유 복합재료 프리프레그는 몰드 형상을 따라 성형이 된다.

여기서, '탄소섬유 복합재료 프리프레그'란 탄소섬유에 일정한 함량으로 탄소섬유 사이에 고르게 수지(ex. 에폭시 수지)를 함침시킨 제품을 뜻한다. 유동성을 지닌 얇은 막을 의미한다. 반쪽의 자전거 몰드 금형 각각에, 한층, 한층 다수개의 층으로 적층시킨 후, 양쪽의 몰드 금형 사이에 Pressure Bag(실리콘튜브)을 넣어서, 양쪽 몰드 금형을 닫은 후, Pressure Bag에 공기를 주입하여, 탄소섬유 복합재료 프리프레그를 성형하게 된다.

이러한 종래의 성형 방법의 장점이라면, 탄소섬유에 수지(ex, 에폭시)가 미리 함침되어 있어 섬유배열이 흩어지지 않고, 함침이 되어 있는 제품을 성형시 한번 더 함침시키므로 제품간 밀착도를 높일수 있으나, 자전거 프레임 모양에 따른 Pressure Bag을 별도로 제작을 해야 하므로, 생산비용 증가 및 생산공정의 복합성을 가진다는 단점이 있다.

한국공개특허공보 제10-2011-0018707(2011년. 02월 24일 공개)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소섬유의 단점인 굴곡강도를 높이고, 굴곡탄성을 높여 내피로도를 증대시킬 수 있는 자전거 프레임 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 자전거 프레임의 제조방법은 i) 상하 양쪽의 자전거 몰드 금형의 내부에 탄소섬유 복합재료를 적층하는 단계; ii) 적층된 탄소섬유 복합재료 상에 아라미드 섬유가 함침된 에폭시 수지의충진재를 충진하는 단계; iii) 상기 상하 양쪽의 자전거 몰드 금형을 서로 체결한 후, 천천히 승온하여 1차 성형하는 단계; iv) 1차 성형 온도보다 높은 온도로 천천히 승온 유지하여 2차 성형하는 단계; 및 v) 자연냉각 시킨 후, 자전거 몰드 금형에서 탈영하여 제품을 완성하는 단계;를 포함한다.

삭제

바람직한 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 복합재료는 탄소섬유가 에폭시 수지에 함침된 프리프레그 상태이다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 충진재는 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber) 5∼15 중량%, 노블락 계열 에폭시 수지 50∼65중량%, 비스페놀 A 에폭시 수지 25∼40 중량%, 발포제 1∼3중량%를 포함하는 주제 100중량부에, 경화제 5∼15 중량부가 첨가된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 1차 성형 조건은 온도 70∼90도, 30분∼2시간 이며, 상기 2차 성형 조건은 온도 110∼140도, 1시간 ∼ 3시간이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 프레임은 탄소 섬유가 에폭시 수지에 함침된 탄소 섬유 복합재료로 이루어진 외통; 및 상기 외통 내부에 아라미드 섬유가 함침된 에폭시 수지의 충진재;가 형성된다.

바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 자전거 프레임은 상기 충진재의 내부에 탄소 섬유가 에폭시 수지에 함침된 탄소 섬유 복합재료로 형성된 내통을 추가로 포함한다.

삭제

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 자전거 프레임은 탄소섬유 복합재료 내부 빈 공간에 충진재가 충진되어 있음으로, 만약, 자전거 프레임에 충격이 가해질 때 자전거 프레임이 비어 있는 것에 비하여 충진재(비중 약 0.3)가 있을 경우 굽힘강성 및 충격강도를 높일 수 있다. 따라서, 자전거프레임(탄소섬유 복합재료)가 조금 파손이 되더라도 자전거 프레임 안에 충진되어 있는 충진재가 잡아줌으로 해서 안전사고 예방에 더 나은 효과를 가진다.

즉, 본 발명의 자전거 프레임은 탄소섬유만 사용하여 자전거 프레임을 제작하는 것에 비하여 충진재를 사용함으로 인하여 순간 충격에 따른 파손 방지, 내피로성 보완, 굴곡강도, 굴곡탄성을 향상시킨 자전거 프레임을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 탄소 섬유 복합재료를 이용한 자전거 프레임의 일예의 단면도.
도 2는 종래의 탄소 섬유 복합재료를 이용한 자전거 프레임의 다른 예의 단면도.
도 3은 종래 방식의, 탄소섬유 복합재료 자전거 프레임의 성형방법을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 충진재가 내부에 충진된 자전거 프레임의 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 충진재가 내부에 충진된 자전거 프레임의 성형방법을 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 충진재가 내부에 충진된 자전거 프레임의 성형방법을 도시한 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 자전거 프레임 및 이의 제조방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 충진재가 내부에 충진된 자전거 프레임의 성형방법을 도시한 단면도이다.

도 5을 참조하면, 본 발명은 자전거 프레임은 탄소 섬유가 에폭시 수지에 함침된 탄소 섬유 복합재료 내부에, 아라미드 섬유가 함침된 에폭시 수지가 충진재로 내부에 충진된 원통형 형상의 프레임이다. 탄소섬유 복합재료는 앞서 설명한 바와 같이, 탄소섬유가 에폭시 수지에 함침된 형태로서, 유동성을 지닌 프리프레그 형태이다. 프리프레그는 롤에 감겨 있는 데, 수지가 있다보니 롤에 감을 경우 붙어서 떨어지지 않음으로 양면에 이형필름, 이형지를 붙여서 제품으로 나온다. 프리프레그를 적층할 경우, 이형지를 제거하고 라미네이팅(적층)하게 된다.

상기 충진재는 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber) 5∼15 중량%, 노블락 계열 에폭시 수지 50∼65중량%, 비스페놀 A 에폭시 수지 25∼40 중량%, 발포제 1∼3중량%를 포함하는 주제 100중량부에, 경화제 5∼15 중량부가 첨가되어 이루어진다.

이와 같이, 내부에 충진재를 넣어서 자전거 프레임을 제작할 경우에, 충진재와 탄소섬유 복합재료와의 밀착으로 인하여 자전거 프레임의 굴곡강도, 굴곡탄성을 높일 수 있다. 즉, 탄소섬유 복합재료 프리프레그의 경화시에, 탄소섬유 복합재료 프리프레그와 충진재와의 접촉면의 접촉강도를 높일 수 있고, 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber)를 함유하고 있는 에폭시 충진재를 사용할 경우 자체 강도 또한 높힐 수 있는 장점이 있다.

이하에서는, 구체적으로 본 발명의 자전거 프레임의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 충진재가 내부에 충진된 자전거 프레임의 성형방법을 도시한 순서도이다.

먼저, 자전거 몰드 금형을 제작한 후, 양쪽의 자전거 몰드 금형의 내부에 탄소섬유 복합재료를 적층한다(S100). 자전거 몰드 금형에 탄소섬유 프리프레그를 적층하는 방법은 충진재를 이용하지 않을 경우, 즉 도 3의 종래의 방식과 똑같다. 하지만, 종래의 방법(도 3 참조)에서 적층된 탄소섬유 복합재료를 밀착하는 용도로 사용되는 Pressure Bag(실리콘튜브) 대신 성형조건에 따른 팽창성을 가진 복합재료 충진재를 이용하여 제작을 하면 Pressure Bag이 없어도 자전거 프레임을 성형, 제조할 수 있다.

즉, 다음으로 적층된 탄소섬유 복합재료 상에 충진재를 충진한다(S200). 내부에 충진재를 충진하여, 탄소섬유 복합재료 자전거 프레임을 제작할 경우, 프레임 형태에 따라 달라지는 Pressure Bag(실리콘튜브)을 제작할 필요가 없어진다. 즉, 자전거 프레임 몰드 금형 안에서 프리프레그를 적층한 후 충진재를 넣어서 성형을 하게 되면 충진재의 팽창하는 특성 때문에 프리프레그를 충진재가 밀어줘서 프리프레그가 몰드 금형면에 밀착되어 성형이 가능하게 된다.

충진재는 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber) 5∼15 중량%, 노블락 계열 에폭시 수지 50∼65중량%, 비스페놀 A 에폭시 수지 25∼40 중량%, 발포제 1∼3중량%를 포함하는 주제 100중량부에, 경화제 5∼15 중량부가 첨가되어 이루어진다.

충진재는 성형사이클에 따라 부피가 팽창하는 성질이 있어 적당량의 충진재를 충진을 한다. 충진재를 너무 적게 넣을 경우 빈공간이 생길 수가 있고, 너무 많이 넣었을 경우 충진재의 밀도가 높아져 자전거 프레임 전체 무게가 증가할 수도 있다. 충진재는 성형 조건과 몰드에 따라 변하므로 각 프레임별로 충진재의 양을 조절하면 된다.

다음으로, 양쪽의 상하 자전거 몰드 금형을 체결한 후, 천천히 승온하여 1차 성형하는 단계이다(S300). 1차 성형 조건은 온도 70∼90도, 30분∼2시간이다. 바람직하게는 상온에서 약 80도 까지 30분 동안 천천히 승온시킨 후, 80도를 유지하면서 약 30분 동안 가열한다. 2차 성형 온도보다 낮은 약 80도에서 1차 성형 가열하는 이유는 충진재 내의 에폭시 수지가 일정부분 팽창하여, 내부의 빈 공간을 메우도록 하여 충진재 내에 기포나 공간이 형성되지 않도록 하여, 제품의 완성도를 높이기 위해서이다.

다음으로, 몰드를 가열하여, 2차 성형하는 단계이다(S400). 2차 성형 조건은 1차 보다 높은 온도로 약 110∼140도, 약 1시간 ∼ 3시간 동안 가열한다. 바람직하게는 온도 125도까지 30분 동안 천천히 승온한 후, 온도 125도에서 약 60분 동안 유지한다.

다음으로, 몰드 금형을 자연 냉각시킨후, 자전거 몰드 금형에서 탈영하여 제품을 완성하게 된다(S500).

[ 실시예 ]

실시예 1

미리 제작된 자전거 몰드 금형에 탄소섬유 복합재료를 적층하였다. 탄소섬유 복합재료 프리프레그(USN 150)의 두께는 약 0.15mm로서, 상하의 자전거 몰드 금형에 10장씩의 프리프레그를 적층하였다.

충진재로 노블락 에폭시 600g, 비스페놀 A 에폭시 280g, 발포제 20g, 아라미드 섬유(aramid chopped fiber) 100g에 경화제 70g을 첨가하여 충진재를 만든 후, 이를 상기 프리프레그 상에 투입하였다. 이 때 충진재는 유동성을 지닌 덩어리(ex. 찰흙)와 같은 상태이다. 충진재가 발포할 것을 예상하여, 반통형의 자전거 몰드 금형에 약 90% 정도 충진하도록 하였다.

다음으로, 양쪽의 상하 자전거 몰드 금형을 체결한 후, 상온에서 천천히 약 80도 까지 30분 동안 천천히 승온시킨 후, 80도를 유지하면서 약 30분 동안 1차 가열하였다. 그런 후, 온도 125도까지 30분 동안 천천히 다시 승온시킨 후, 온도 125도에서 약 60분 동안 유지하였다. 성형이 끝난 후, 몰드 금형을 자연 냉각시킨후, 자전거 몰드 금형에서 탈영하였다. 이로써, 두께 1.5mm 탄소섬유 복합재료 파이프 내에 충진재가 충진된 파이프를 완성하였다.

실시예 2

실시예1와 동일한 방식으로 파이프를 제조하되, 상하의 자전거 몰드 금형에 8장씩의 프리프레그를 적층하였다. 이로써, 두께 1.2mm 탄소섬유 복합재료 파이프 내에 충진재가 충진된 파이프를 완성하였다.

실시예 3

실시예 1와 동일한 방식으로 파이프를 제조하되, 먼저상하의 자전거 몰드 금형에 6장씩의 프리프레그를 적층하고, 그 위에 상기의 충진재를 충진한 후, 다시 충진재 상에 4장씩의 프리프레그를 적층하였다. 이로써, 두께 9mm, 및 두께 6mm의 샌드위치 구조의 탄소섬유 복합재료 파이프 내에 충진재가 충진된 파이프를 완성하였다.

비교예

종래의 방식대로, 상하의 자전거 몰드 금형에 프리프레그를 적층하고, Pressure Bag을 삽입한 후, 양측 금형을 체결하였다. 그리고, Pressure Bag에 공기를 가하였다. 이로써 속이 빈 1.5mm 탄소섬유 복합재료 파이프를 완성하였다.

실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 파이프와 비교예에 의해 제조된 파이프를 비교한 결과, 굴곡강도는 비교예에 비하여 실시예 1 내지 실시예 3에서 훨씬 월등하였으며, 실시예 1 및 실시예 3이 굴곡강도가 가장 우수하였다. 굴곡강도는 실시예 1 및 3에서 큰 차이가 없었으나, 실시예 3에서는 탄소섬유 복합재료를 바깥면과 안쪽면을 다 제작해야 하므로 생산 공정이 까다롭기 때문에 생산효율이 좋지 않다는 문제가 있었다.

이로써, 탄소섬유 복합재료로 자전거 프레임을 제작시 충진재를 사용하지 않는 프레임에 비하여 탄소섬유 사용량을 줄이면서 충격흡수하는 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber)가 함유된 복합재료 충진재를 사용함으로써 자전거 프레임의 수명증대 및 안전성 확보를 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

자전거 프레임의 제조방법에 있어서,
i) 상하 양쪽의 자전거 몰드 금형의 내부에 탄소섬유가 에폭시 수지에 함침된 프리프레그 상태의 탄소섬유 복합재료를 적층하는 단계;
ii) 적층된 탄소섬유 복합재료 상에 아라미드 섬유가 함침된 에폭시 수지의충진재를 충진하는 단계;
iii) 상기 상하 양쪽의 자전거 몰드 금형을 서로 체결한 후, 천천히 승온하여 1차 성형하는 단계;
iv) 1차 성형 온도보다 높은 온도로 천천히 승온 유지하여 2차 성형하는 단계; 및
v) 자연냉각 시킨 후, 자전거 몰드 금형에서 탈영하여 제품을 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 프레임의 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 충진재는 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber) 5∼15 중량%, 노블락 계열 에폭시 수지 50∼65중량%, 비스페놀 A 에폭시 수지 25∼40 중량%, 발포제 1∼3중량%를 포함하는 주제 100중량부에, 경화제 5∼15 중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 자전거 프레임의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 1차 성형 조건은 온도 70∼90도, 30분∼2시간이며,
상기 2차 성형 조건은 온도 110∼140도, 1시간 ∼ 3시간 인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 자전거 프레임의 제조방법.
자전거 프레임에 있어서,
탄소 섬유가 에폭시 수지에 함침된 탄소섬유 복합재료로 이루어진 외통; 및
상기 외통 내부에 아라미드 섬유가 함침된 에폭시 수지의 충진재;가 형성된 것을 특징으로 하는 자전거 프레임.
제 5항에 있어서,
상기 충진재는 작게 절단된 아라미드 섬유(aramid chopped fiber) 5∼15 중량%, 노블락 계열 에폭시 수지 50∼65중량%, 비스페놀 A 에폭시 수지 25∼40 중량%, 발포제 1∼3중량%를 포함하는 주제 100중량부에, 경화제 5∼15 중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 자전거 프레임.
제 5항에 있어서,
상기 자전거 프레임은
상기 충진재의 내부에 탄소 섬유가 에폭시 수지에 함침된 탄소 섬유 복합재료로 형성된 내통;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 프레임.