KR101378845B1

KR101378845B1 - 콘형 복합재료 격자구조물 제작방법

Info

Publication number: KR101378845B1
Application number: KR1020120099214A
Authority: KR
Inventors: 정상기; 도영대; 이상우; 손조화
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-27
Also published as: KR20140032660A

Abstract

본 발명의 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법은 콘(Cone)형 격자구조 몰드금형을 실리콘 재질로 만들어 준 후, 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 에폭시수지 등 매트릭스 수지에 함침시킨 복합재료를 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 만들어짐으로써 곡률을 갖는 콘(Cone)형상 격자구조를 용이하게 제조될 수 있고, 특히 콘(Cone)형상 격자구조의 외면에 인슐레이터(Insulator)로 기능하는 스킨(Skin)의 추가작업이 용이함으로써 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체가 공력가열로부터 안전성을 더욱 높일 수 있는 특징을 갖는다.

Description

콘형 복합재료 격자구조물 제작방법{Fabrication Method of Cone Type Composite Lattice Structures}

본 발명은 복합재료 격자구조물에 관한 것으로, 특히 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 더욱 경량화되어 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체의 성능 개선에 적합한 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 격자(lattice) 구조물은 중량대비 고강성이 가능한 경량 구조물로서 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체에서는 필수적으로 적용된다.

이러한 격자(lattice) 구조물은 다양한 방식으로 제조되고 있다.

일례로, 알루미늄 등 경량 금속재를 따내는 가공으로 격자(lattice)구조물이 제조되거나, 또는 수작업(Hand lay-up)에 의해 복합재 격자(Grating)가 제작되거나, 또는 인발(Pultrusion) 성형 및 수지충전성형(RTM: Resin Transfer Molding)하면서 섬유를 자동 위빙(Weaving)하여 복합재 격자가 성형될 수 있다.

국내특허공개10-2012-0070110(2012년06월29일)

하지만, 알루미늄 등 경량 금속재를 따내는 가공방식은 가공비와 가공시간이 많이 소요되며, 특히 복잡한 형상의 가공에 많은 제약이 있을 수밖에 없다.

그리고, 수작업(Hand lay-up)에 의한 고전적 방식은 제조시간 및 생산효율 면에서 크게 불리하고, 특히 상존하는 높은 불량률이 있을 수밖에 없다.

또한, 인발(Pultrusion) 성형 및 수지충전성형(RTM: Resin Transfer Molding)하면서 섬유를 자동 위빙(Weaving)하는 공법은 격자 구조물 외면에 스킨(Skin)이나 외부 인슈레이션 층을 적층하는데 어려움이 있으며, 특히 대상제품인 곡률이 있는 콘(Cone)형 제품에는 적합지 않은 한계가 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 콘(Cone)형 격자구조 몰드금형을 실리콘 재질로 만들어 준 후, 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 에폭시수지 등 매트릭스 수지에 함침시킨 복합재료를 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 만들어짐으로써 곡률을 갖는 콘(Cone)형상 격자구조를 용이하게 제조될 수 있고, 특히 콘(Cone)형상 격자구조의 외면에 인슐레이터(Insulator)로 기능하는 스킨(Skin)의 추가작업이 용이함으로써 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체가 공력가열로부터 안전성이 더욱 높아질 수 있는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법은 강화섬유를 매트릭스수지에 함침시킨 복합재료가 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨져 격자구조(Lattice Structure)를 이루고, 상기 격자구조(Lattice Structure)가 콘(Cone)형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 강화섬유는 탄소섬유나 아라미드 섬유이고, 상기 매트릭스 수지는 에폭시수지이다.

상기 격자구조(Lattice Structure)를 갖는 콘(Cone)형상은 3차원 모델링을 수행해 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델로 설계되고, 상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 2차원 전개도를 위한 다수의 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 분할되며, 상기 2차원 전개도로 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 제조되고, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 상기 콘(Cone)형상으로 세팅된 상태에서 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 상기 복합재료가 감겨지며, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 제거되어 제조된다.

상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델은 콘(Cone)형 구조물에 가하는 압축하중의 크기가 설정되고, 상기 콘(Cone)형 구조물 표면을 따라 상기 복합재료가 감겨지는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용되어 계산되며, 상기 측지선경로(Geodesic Line Path)로 상기 격자구조(Lattice Structure)의 형상이 결정된다.

상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형은 상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 금속금형으로 제조되고, 상기 금속금형을 이용해 성형재료가 프레스방식으로 성형되어 제조된다.

상기 성형재료는 실리콘이고, 상기 실리콘은 상기 프레스방식에 적용된 압력과 온도에 의해 가황상태로 전환된다.

상기 콘(Cone)형상의 세팅상태는 상기 3차원 콘형상의 맨드릴(Mandrel)로 형성되고, 상기 맨드릴(Mandrel)의 표면을 감싼 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형에 상기 복합재료가 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨진다.

상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 수행되는 과정에는 가열이 이루어진다.

상기 격자구조(Lattice Structure)는 "X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(Helical Rib)와, 상기 헬리컬 리브(Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(Hoop Rib)로 형성된다.

상기 콘(Cone)형상을 이루는 격자구조(Lattice Structure)의 바깥 표면에는 층(Layer)을 형성하는 스킨(Skin)이 더 부가된다.

상기 스킨(Skin)은 FRP(섬유강화복합재료)나 유리섬유, 케블라섬유-페놀릭, 유리섬유-페놀릭, 카본섬유-페놀릭 또는 코르크화합물중 어느 하나이다.

상기 스킨(Skin)은 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감아지거나 적층공법으로 적어도 1겹 이상으로 적층되거나 도포공법으로 코팅(Coating)되며, 이들 공법중 어느 하나가 적용되어 제조된다.

상기 필라멘트 와인딩 공법에는 FRP(섬유강화복합재료)나 또는 유리섬유나 케블라섬유-페놀릭이 적용되고, 상기 적층공법에는 유리섬유-페놀릭이나 카본섬유-페놀릭이 적용되며, 상기 도포공법에는 코르크화합물이 적용된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법은 콘(Cone)형 구조물에 가하는 압축하중의 크기가 설정되고, 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용되어 상기 콘(Cone)형 구조물 표면을 따르는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 계산되며, 상기 측지선경로(Geodesic Line Path)로 격자구조(Lattice Structure)의 형상이 결정되어 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 설계되는 3차원 모델링수립단계;

상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 다수의 분할구간으로 나눠지고, 상기 다수의 분할구간을 각각 2차원 전개도를 이용해 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 설계되는 3차원 모델링전환단계;

상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 각각 3차원 콘형 격자조각 몰드금형으로 제조되는 금형제조단계;

상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 상기 콘(Cone)형상으로 세팅되고, 강화섬유를 매트릭스수지에 함침시킨 복합재료가 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨져 격자구조(Lattice Structure)를 갖는 콘형 복합재료 격자구조물로 제조되는 콘형제품성형단계;

가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 금형제조단계에서, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형은 상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 금속금형으로 제조되고, 상기 금속금형을 이용해 미가황 실리콘이 가압 및 가열되어 제조된다.

상기 콘형제품성형단계에서, 상기 콘형 복합재료 격자구조물은 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 맨드릴(Mandrel)의 표면을 감싸고, 상기 복합재료가 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형에 감겨지며, 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 수행되는 과정에 가열이 이루어지고, 성형 후 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 제거되고 상기 맨드릴(Mandrel)에서 분리시켜 제조된다.

상기 콘형제품성형단계에서 제조된 상기 콘형 복합재료 격자구조물에는 그 바깥 표면에 층(Layer)을 형성하는 스킨(Skin)이 더 부가되어 콘형 복합재료 격자구조물 제품으로 제조되는 후처리단계; 가 더 수행된다.

상기 스킨(Skin)은 상기 콘(Cone)형상을 이루는 격자구조(Lattice Structure)의 바깥 표면을 덮어준다.

상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델을 실물 형태의 프로토 모델(Proto Model)로 제조하는 프로토 모델단계;

상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 다수의 분할구간으로 나눠지고, 상기 다수의 분할구간을 각각 2차원 전개도를 이용해 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 설계되는 3차원 모델링 전환 단계;

상기 콘형 복합재료 격자구조물의 바깥 표면에 층(Layer)을 형성하는 스킨(Skin)이 더 부가되어 콘형 복합재료 격자구조물 제품으로 제조되는 후처리단계; 가 포함되어 수행되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 필라멘트 와인딩(Filament Winding)이 적용됨으로써 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 한 복합재료가 적용된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 용이하게 제조될 수 있고, 특히 더욱 경량화된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 실리콘 재질의 고무몰드판을 이용해 제조됨으로써 제조 후 고무몰드판의 제거시에도 고무의 특성을 이용해 손으로도 쉽게 제거될 수 있고, 이로부터 작업의 편의성이 크게 향상되는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 헬리컬 리브(Helical Rib) 및 후프 리브(Hoop Rib)의 폭과 두께(높이) 및 필라멘트 와인딩 각도 등 교차점의 적층설계 변수를 의도하는 대로 조절할 수 있는 필라멘트 와인딩 공법의 최대 장점이 그대로 발현됨으로써, 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 더욱 경량화된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 보다 용이하게 제작될 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 필라멘트 와인딩(Filament Winding)이 적용된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물위로 연속 작업으로 강화섬유나 또는 매트릭스 수지로 필라멘트 와인딩하거나 프리프레그 직물을 적층 및 성형함으로써 스킨층(Skin Layer)이 용이하게 제작될 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 한 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물에 스킨층(Skin Layer)이 더 형성됨으로써, 비행체나 유도무기 또는 위성 발사체가 비행으로 공력가열되더라도 그 내부를 고온환경으로부터 보호할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 더욱 경량화된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체 부품으로 적용됨으로써, 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체의 성능이 크게 개선되는 효과도 있다.

본 발명은 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등 강화섬유를 기반으로 더욱 경량화된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물이 유도무기 슈라우드(Shroud) 및 인터 스테이지(Inter-Stage)나 위성 발사체 슈라우드(Shroud) 및 노즈 페어링 부품으로 적용됨으로써 유도무기나 위성 발사체의 경량화가 더욱 향상되고, 특히 유도무기 시스템이나 위성 발사체시스템에 대한 성능 개선과 신뢰성이 크게 향상되는 효과도 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물의 구조이며, 도 4과 도 5는 본 발명에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물의 3차원 모델링 원리이고, 도 6은 본 발명에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물의 3차원 모델이며, 도 7은 본 발명에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제조를 위한 2차원 모델이고, 도 8은 본 발명에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제조를 위한 실리콘 고무 금형이고, 도 9는 본 발명에 따른 실리콘 고무 금형을 이용해 제조된 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물용 고무몰드판이며, 도 10은 본 발명에 따른 고무몰드판에 강화섬유를 매트릭스 수지에 함침시키는 필라멘트 와인딩 공법이고, 도 11은 본 발명에 따른 필라멘트 와인딩 공법 후 제조된 복합재료 격자구조물이며, 도 12는 본 발명에 따른 필라멘트 와인딩 공법 후 제조된 복합재료 격자구조물에 스킨(Skin)이 적층된 최종 제품형상이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법의 순서를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작을 위한 공정은 S10의 3차원 모델링공정과, S30의 3차원 모델변환공정과, S40의 금형제조공정과, S50의 콘형제품 성형공정 및 S60의 후처리공정을 순차적으로 거침으로서 S70의 콘형 복합재료 격자구조물 제품으로 완성된다.

하지만, 본 실시예에서 S10의 3차원 모델링공정 후 S20의 프로토 타입 모델공정이 더 수행될 수 있고, 이러한 프로토 타입 모델공정이 수행됨으로써 3차원 모델링공정에 대한 신뢰성이 확보되고 특히 실제 성형공정 및 제조공정에서 발생될 수 있는 시행착오를 크게 줄일 수 있다.

S10의 3차원 모델링공정은 S11내지 S14의 단계를 거침으로써 격자구조를 갖는 3차원 모델이 완성된다.

S11은 격자구조(Lattice Structure)를 형상설계하고, 이에 대한 구조해석이 수행되는 단계로서, 이를 통해 항공기 동체나 유도무기 또는 위성 발사체 부품으로 최적화되고 특히 경량화된 격자구조(Lattice Structure)가 설계될 수 있다.

이를 위해 본실시예에서는 CAD가 적용되지만, 필요에 따라 동일한 결과를 달성할 수 있는 다양한 프로그램들이 모두 적용될 수 있다.

도 3은 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물에 적용된 격자구조(Lattice Structure)의 예로서, 도시된 바와 같이 격자구조물(1, Lattice Structure Member)는 "X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(2, Helical Rib)와, 헬리컬 리브(2, Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(3, Hoop Rib)로 형성된다.

S12는 형상설계와 구조해석을 완료한 후 설계된 격자구조(Lattice Structure)가 적용된 콘형 격자구조물(Cone type Lattice Structure Member)로 설계되는 단계이고, 이러한 과정에는 S13의 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용된다.

도 4는 콘(Cone)형 구조물의 표면에 대한 측지선(Geodesic Line)의 도식도와 이의 표면에 대한 전개도이고, 도 5는 콘(Cone)형 구조물에 적용된 격자구조를 얻기 위한 기하학적 관계식들로서, 이들로부터 콘형 격자구조물(Cone type Lattice Structure Member)이 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 3차원 설계될 수 있는 원리를 알 수 있다.

상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)은 3차원 형상에 감겨지는 섬유의 경로를 설계하고, 이를 모델링할 수 있는 방식이다. 그러므로, 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용되려면, 콘(Cone)형 구조물 표면에 섬유가 감겨지는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 먼저 계산되어야 한다.

상기 측지선경로(Geodesic Line Path)는 콘(Cone)의 자오선과 회전축이 이루는 각과, 콘(Cone)의 윗면에서 자오선과 측지선(Geodesic Line)이루는 각으로부터 산출되고, 이를 위해 콘(Cone)의 설계 변수들이 정의된다.

정의되는 설계 변수는 밑면 반경(R), 윗면 반경(r0), 윗면에서 밑면까지의 길이(L), 헬리컬 리브(Helical Rib)의 두께(H), 헬리컬 리브(Helical Rib)의 폭(bh), 헬리컬 리브(Helical Rib)의 개수(nh), 후프 리브(Hoop Rib)의 두께(H), 후프 리브(Hoop Rib)의 폭(bc) 및 후프 리브(Hoop Rib)의 개수(nc)로 선정된다.

이때, 헬리컬 리브(Helical Rib)의 두께(H)와 후프 리브(Hoop Rib)의 두께(H)는 동일한 크기이다. 특히, 헬리컬 리브(Helical Rib)와 후프 리브(Hoop Rib)의 교차점의 중간지점에 설치된다.

도 5에는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 계산되는 계산식이 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 식(1)은 콘(Cone)의 자오선과 회전축이 이루는 각의 계산식이고, 식(2)은 콘 표면(Cone Surface)의 전개도로부터 밑면에서의 측지선각도(Geodesic Line Angle)의 계산식이며, 식(3)과 식(4)는 식(1)과 식(2)의 변수 계산식으로서 헬리컬 리브(Helical Rib)의 개수(nh)와 후프 리브(Hoop Rib)의 개수(nc)로부터 얻어진다.

식(5)는 콘(Cone)의 윗면에서 자오선과 측지선(Geodesic Line)이 이루는 각의 계산식이고, 식(6)은 섬유가 측지선(Geodesic Line)으로 감아질 때 측지선경로(Geodesic Line Path)의 계산식이다.

그러므로, 식(1)내지 식(6)의 관계를 이용함으로써 콘(Cone)형 구조물의 측지선경로(Geodesic Line Path)가 계산될 수 있다.

이어, 식(5)와 식(6)의 관계에서 알 수 있는 바와 같이 콘(Cone)의 윗면에서와 밑면에서 측지선(Geodesic Line)이 자오선과 이루는 각도로부터 헬리컬 리브 길이(Helical Rib Length)가 계산되며, 이는 식(7)로 표현된다.

또한, 헬리컬 리브 길이(Helical Rib Length)가 계산됨으로써 헬리컬 리브 질량(Helical Rib Mass)과 후프 리브 질량(Hoop Rib Mass)이 계산되며, 이는 식(8)과 식(9) 및 식(10)으로 표현된다.

이에 따라, 개발하고자 하는 콘(Cone)형 격자구조물의 압축하중이 먼저 설정되면, 식(1)내지 식(10)의 관계식으로부터 헬리컬 리브(Helical Rib)와 후프 리브(Hoop Rib)가 설정된 압축하중에 맞춰 최적 설계되고, 이로부터 콘(Cone)형 격자구조물이 3차원 형상으로 모델링될 수 있다.

한편 S14는 전술된 식(1)내지 식(10)에 특정한 설계조건이 적용됨으로써 개발하고자 하는 콘(Cone)형 격자구조물이 3차원 형상으로 모델링된 상태를 의미한다.

도 6은 콘(Cone)형 격자구조물이 3차원 형상으로 모델링된 것으로서, 이는 압축하중 10,000 kgf를 견딜 수 있는 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델(10)의 형상을 나타낸다.

도시된 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델에서, 콘(Cone)은 876mm 밑면 외경(2R)과 543mm 윗면 외경(2r0) 및 580mm 길이(L)를 가지며, 섬유가 감겨지는 측지선경로(Geodesic Line Path)는 콘(Cone)의 밑면에서 자오선과 이루는 각이 23.85도이면서 윗면에서 자오선과 이루는 각이 12.7도로 형성되고, 격자구조(Lattice Structure)를 이루는 헬리컬 리브(2,Helical Rib)의 무게는 4.88 kgf이고 후프 리브(3,Hoop Rib)의 무게는 1.4kgf으로서 6.28 kgf의 총무게를 갖는다.

이러한 구조에서 헬리컬 리브(2,Helical Rib)는 40개 수량(nh)과 8mm 두께(H) 및 6.7mm 폭(bh)과 785.2mm 길이를 가지고, 후프 리브(3,Hoop Rib)는 수량 8개 수량(nc)과 8mm 두께(H) 및 6.7mm 폭(bc)을 갖는다.

한편, S0의 프로토(Proto)타입 모델공정으로서, 이는 3차원 모델링공정을 통해 설계된 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델에 대한 실물형상을 직접 제작하는 과정이다.

S21에서 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델을 실물로 만들기 위한 재료를 선정한 후 실제 형상으로 성형함으로써, S22와 같이 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델과 동일한 형상의 프로토 타입 실물을 완성하게 된다.

이어, S23과 같이 프로토 타입 실물을 체크함으로써 3차원 모델링에서 부족하거나 실계변경요인의 필요성이 파악함으로써 기 수행된 3차원 모델링공정에 대한 신뢰성이 확보되고, 특히 실제 성형공정 및 제조공정에서 발생될 수 있는 시행착오가 크게 줄어들 수 있다.

하지만, 상기 S20내지 S23의 프로토 타입 모델공정은 필요에 따라 수행되는 단계이므로, 본 실시예에서는 필수적인 공정으로 수행되지 않는다.

한편, S30은 2차원 모델변환공정으로서, 이는 S31과 S32의 단계를 거침으로써 기 설계된 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 2차원 전개도 형상으로 전환된다.

S31과 같이 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델에 대한 분할 개수를 정한 후 이에 맞춰 콘형 격자조각을 설계한 다음, 이어 S32와 같이 콘형 격자조각에 대한 2차원 전개도를 설계함으로써 콘(Cone)형 격자구조물의 3차원 형상은 2차원 전개도형상으로 전환된다.

상기 2차원 전개도형상은 2차원 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 전환된다.

도 7은 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델에서 2차원 콘(Cone)형 격자조각물 모델(20)의 형상으로 제조된 상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 2차원 콘(Cone)형 격자조각물 모델(20)에는 "X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(2, Helical Rib)와, 헬리컬 리브(2, Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(3, Hoop Rib)로 이루어진 격자구조가 형성된다.

한편, S40은 2차원 전개도를 이용해 3차원 격자조각 몰드금형을 성형하는 금형제조공정으로서, 이는 S41내지 S45의 단계로 수행된다.

S41은 성형금형이 제조되는 단계로서, 상기 성형금형은 금속재질의 금형으로서 2차원 전개도를 이용해 가공됨으로써 2차원 전개도의 개수만큼 만들어진다.

도 8에는 금속금형(30)에 도시되며, 도시된 바와 같이 상기 금속금형(30)은 X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(2, Helical Rib)와, 헬리컬 리브(2, Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(3, Hoop Rib)로 이루어진 격자구조가 형성되고, 3차원 입체 형상을 이룬다.

S42는 성형금형을 이용해 3차원 격자조각을 제조하기 위한 재질을 선정하고, 이를 성형금형에 맞춰 형상 가공하는 단계로서, 이때 재질은 미가황 상태인 실리콘 고무가 선정되고, 이를 가공해 성형재료로 만들어 준다.

도 8에는 미가황 상태인 실리콘 고무를 가공해 제조된 성형재료(40)가 도시되고, 상기 성형재료(40)는 함께 사용될 금속금형(30)의 형상과 유사하게 만들어짐이 바람직하다.

S43은 성형재료를 금속금형을 이용해 성형하는 단계로서, 이러한 성형 공정은 금속금형에 성형재료를 얹은 다음, 온도를 가하면서 프레스로 압력을 가함과 더불어 가황처리하여 준다.

도 8에는 금속금형(30)과 성형재료(40)의 성형을 위한 결합 상태가 도시되어 있다.

S44는 성형재료의 성형이 완료된 후, 냉각과 탈형이 수행됨으로써 금속금형을 이용한 성형재료의 성형이 완료된 상태이다.

상기와 같이 S42내지 S44가 수행됨으로써, S45에서 3차원 격자조각 몰드금형이 완성된다.

도 9는 3차원 격자조각 몰드금형(50a,...,50n)의 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 3차원 격자조각 몰드금형(50a,...,50n)중 하나인 3차원 격자조각 몰드금형(50a)은 X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(2, Helical Rib)와, 헬리컬 리브(2, Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(3, Hoop Rib)로 이루어진 격자구조가 형성되고, 3차원 입체 형상을 이룬다.

그러므로, 상기와 같은 3차원 격자조각 몰드금형(50a)의 제조방식으로 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델의 분할된 부분들이 모두 제조된 3차원 격자조각 몰드금형(50a,...,50n)은 3차원 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물로 만들어 진다.

한편, S50은 3차원 격자조각 몰드금형을 이용해 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물을 제조하는 콘형 제품 성형공정으로서, 이는 S51내지 S59의 단계로 수행된다.

S51은 콘(Cone)형 격자구조물을 제조하기 위한 복합재료가 선정되는 단계로서, 상기 복합재료는 탄소섬유 등 강화섬유를 에폭시수지 등 매트릭스 수지에 함침시켜줌으로써 제조된다. 하지만 본 실시예에서 상기 복합재료는 설계 효과를 동일하게 구현하는 재료가 모두 적용될 수 있다.

S52는 성형공정으로서, 이러한 성형공정에서는 S53-1과 S53-2 및 S53-3과 같이 세팅작업이 먼저 이루어진다.

상기 세팅작업은 S53-1의 맨드릴(Mandrel)을 준비하는 과정과, S53-2의 맨드릴(Mandrel)에 3차원 격자조각 몰드금형을 결합하는 과정과, S53-3의 복합재료를 세팅하는 과정으로 이루어진다.

도 10은 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물을 제조하기 위해 세팅된 상태를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 3차원 격자조각 몰드금형(50a,...,50n)은 콘(Cone)형태의 맨드릴(200,Mandrel)의 외주면을 감싸 표면을 완전히 덮어준 상태이고, 복합재료(60)는 3차원 격자조각 몰드금형을 감싸 적층된 상태를 이루게 된다.

S54는 제조단계로서, 이는 맨드릴(Mandrel)과 3차원 격자조각 몰드금형 및 복합재료가 세팅된 상태에서 열을 가하고, 이러한 상태에서 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용됨으로써 복합재료가 3차원 격자조각 몰드금형에 형성된 X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(Helical Rib)와 후프 리브(Hoop Rib)로 전환된다.

이러한 가열과정은 S55와 같이 성형완료시까지 반복적으로 체크된다.

S56은 가열을 통한 성형이 완료된 후 냉각하는 단계로서, 이를 통해 콘형 복합재료 격자구조물의 온도가 냉각된다.

S57은 탈형단계로서, 이는 S58-1의 3차원 격자조각 몰드금형(50a,...,50n)의 제거와 S58-2의 맨드릴(200,Mandrel)의 분리를 통해 이루어진다.

S59는 콘형 제품 성형공정이 완료됨으로써, 그 결과물로 X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(Helical Rib)와 후프 리브(Hoop Rib)가 복합재료로 제조된 콘형 복합재료 격자구조물이 완성된 상태이다.

도 11은 3차원 콘형 복합재료 격자구조물(70)로서, 상기 3차원 콘형 복합재료 격자구조물(70)은 X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(2,Helical Rib)와 후프 리브(3,Hoop Rib)가 복합재료(60)로 형성된 상태를 나타낸다.

한편, S60은 콘형 복합재료 격자구조물에 후처리공정이 더해짐으로써, 콘형 복합재료 격자구조물이 콘형 복합재료 격자구조물 제품으로 제조되는 단계를 나타낸다.

S61과 같이 후처리공정은 스킨(Skin)의 필요성 여부에 따라 결정되고, 이러한 스킨(Skin)의 필요성은 비행체의 비행 중 발생하는 공력가열로 인한 고온으로부터 내부를 보호하고자 할 때 결정된다.

본 실시예에서 스킨(Skin)용 재질은 FRP(섬유강화복합재료)나 유리섬유, 케블라섬유-페놀릭, 유리섬유-페놀릭, 카본섬유-페놀릭 또는 코르크화합물이 적용될 수 있다.

S62-1내지 S62-3은 스킨(Skin)처리의 필요성이 요구됨으로써 이에 적절한 작업이 수행되는 단계로서, 이 작업은 S62-1의 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이나 또는 S62-2의 적층공법이나 또는 S62-3의 도포공법이 적용된다.

상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)은 복합재료를 헬리컬 리브(Helical Rib)와 후프 리브(Hoop Rib)로 와인딩하는 방식과 같은 방식으로 스킨(Skin)이 제조되고, 이를 위한 스킨재료(Skin Material)는 FRP(섬유강화복합재료)나 또는 유리섬유나 또는 케블라섬유-페놀릭등이 적용된다.

상기 적층공법은 외피를 감싸는 층이 적어도 1겹 이상이 되도록 감싸는 방식으로 스킨(Skin)이 제조되고, 이를 위한 스킨재료(Skin Material)는 유리섬유-페놀릭이나 또는 카본섬유-페놀릭등이 적용된다.

상기 도포공법은 외피를 코팅(Coating)하는 방식으로 스킨(Skin)이 제조고, 이를 위한 스킨재료(Skin Material)는 코르크화합물이 적용된다.

S70은 3차원 콘형 복합재료 격자구조물에 다양한 방식으로 스킨(Skin)이 더 형성됨으로써 3차원 콘형 복합재료 격자구조물 제품이 완성된 상태이고, 이러한 상태에서 스킨(Skin)은 인슐레이터(Insulator)로 기능한다.

도 11은 3차원 콘형 복합재료 격자구조물(70)에 스킨(Skin)이 입혀져 3차원 콘형 복합재료 격자구조물 제품(100)로 제조된 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 콘형 복합재료 격자구조물 제품(100)은 콘형 복합재료 격자구조물(70)과, 이의 표면을 감싸 인슐레이터(Insulator)로 기능하는 스킨(80,Skin)으로 이루어진다.

그러므로, 상기 콘형 복합재료 격자구조물 제품(100)이 비행체나 유도무기나 또는 우주발사체에 적용되면, 바깥층을 이루는 스킨(80,Skin)이 비행에 따른 공력가열로 인한 고온을 차단해줌으로써 비행체나 유도무기나 또는 우주발사체의 내부 부품이 보호될 수 있다.

1 : 격자구조물(Lattice Structure Member)
2 : 헬리컬 리브(Helical Rib) 3 : 후프 리브(Hoop Rib)
10 : 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델
20 : 콘(Cone)형 격자조각물 모델
30 : 금속금형 40 : 성형재료
50a,...,50n : 콘형 격자조각 몰드금형
60 : 복합재료
70 : 콘형 복합재료 격자구조물 80 : 스킨(Skin)
100 : 콘형 복합재료 격자구조물 제품
200 : 맨드릴(Mandrel)

Claims

강화섬유를 매트릭스수지에 함침시킨 복합재료가 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨져 격자구조(Lattice Structure)를 이루고, 상기 격자구조(Lattice Structure)가 콘(Cone)형상으로 이루어지며,
상기 격자구조(Lattice Structure)를 갖는 콘(Cone)형상은 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 상기 콘(Cone)형상으로 세팅된 상태에서 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 상기 복합재료가 감겨지며, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 제거되어 제조되고, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형은 프레스방식에 적용된 압력과 온도로 가황상태로 전환되는 실리콘으로 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 1에 있어서, 상기 강화섬유는 탄소섬유나 아라미드 섬유이고, 상기 매트릭스 수지는 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 1에 있어서, 상기 격자구조(Lattice Structure)를 갖는 콘(Cone)형상은 3차원 모델링을 수행해 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델로 설계되고, 상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 2차원 전개도를 위한 다수의 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 분할되며, 상기 2차원 전개도로 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 3에 있어서, 상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델은 콘(Cone)형 구조물에 가하는 압축하중의 크기가 설정되고, 상기 콘(Cone)형 구조물 표면을 따라 상기 복합재료가 감겨지는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용되어 계산되며, 상기 측지선경로(Geodesic Line Path)로 상기 격자구조(Lattice Structure)의 형상이 결정되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘은 상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델을 제조한 금속금형을 이용해 상기 프레스방식으로 성형되어 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 콘(Cone)형상의 세팅상태는 상기 3차원 콘형상의 맨드릴(Mandrel)로 형성되고, 상기 맨드릴(Mandrel)의 표면을 감싼 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형에 상기 복합재료가 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨지는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 7에 있어서, 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 수행되는 과정에는 가열이 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 1,2,3,4,5,7,8중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자구조(Lattice Structure)는 "X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(Helical Rib)와, 상기 헬리컬 리브(Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(Hoop Rib)로 형성된 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 1에 있어서, 상기 콘(Cone)형상을 이루는 격자구조(Lattice Structure)의 바깥 표면에는 층(Layer)을 형성하는 스킨(Skin)이 더 부가되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 10에 있어서, 상기 스킨(Skin)은 FRP(섬유강화복합재료)나 유리섬유, 케블라섬유-페놀릭, 유리섬유-페놀릭, 카본섬유-페놀릭 또는 코르크화합물중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 10에 있어서, 상기 스킨(Skin)은 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감아지거나 적층공법으로 적어도 1겹 이상으로 적층되거나 도포공법으로 코팅(Coating)되며, 이들 공법중 어느 하나가 적용되어 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 12에 있어서, 상기 필라멘트 와인딩 공법에는 FRP(섬유강화복합재료)나 또는 유리섬유나 케블라섬유-페놀릭이 적용되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 12에 있어서, 상기 적층공법에는 유리섬유-페놀릭이나 카본섬유-페놀릭이 적용되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 12에 있어서, 상기 도포공법에는 코르크화합물이 적용되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
콘(Cone)형 구조물에 가하는 압축하중의 크기가 설정되고, 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용되어 상기 콘(Cone)형 구조물 표면을 따르는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 계산되며, 상기 측지선경로(Geodesic Line Path)로 격자구조(Lattice Structure)의 형상이 결정되어 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 설계되는 3차원 모델링수립단계;
상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 다수의 분할구간으로 나눠지고, 상기 다수의 분할구간을 각각 2차원 전개도를 이용해 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 설계되는 3차원 모델링전환단계;
상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 각각 3차원 콘형 격자조각 몰드금형으로 제조되는 금형제조단계;
상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 상기 콘(Cone)형상으로 세팅되고, 강화섬유를 매트릭스수지에 함침시킨 복합재료가 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨져 격자구조(Lattice Structure)를 갖는 콘형 복합재료 격자구조물로 제조되는 콘형제품성형단계;가 포함되어 수행되고,
상기 금형제조단계에서, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형은 상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 금속금형으로 제조되고, 상기 금속금형을 이용해 미가황 실리콘이 가압 및 가열되어 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
삭제
청구항 16에 있어서, 상기 콘형제품성형단계에서, 상기 콘형 복합재료 격자구조물은 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 맨드릴(Mandrel)의 표면을 감싸고, 상기 복합재료가 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형에 감겨지며, 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 수행되는 과정에 가열이 이루어지고, 성형 후 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 제거되고 상기 맨드릴(Mandrel)에서 분리시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 16 또는 청구항 18에 있어서, 상기 격자구조(Lattice Structure)는 "X"자 형상으로 교차된 헬리컬 리브(Helical Rib)와, 상기 헬리컬 리브(Helical Rib)를 가로지르는 후프 리브(Hoop Rib)로 형성된 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 16에 있어서, 상기 콘형제품성형단계에서 제조된 상기 콘형 복합재료 격자구조물에는 그 바깥 표면에 층(Layer)을 형성하는 스킨(Skin)이 더 부가되어 콘형 복합재료 격자구조물 제품으로 제조되는 후처리단계;
가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 20에 있어서, 상기 스킨(Skin)은 상기 콘(Cone)형상을 이루는 격자구조(Lattice Structure)의 바깥 표면을 덮는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 21에 있어서, 상기 스킨(Skin)은 상기 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감아지거나 적층공법으로 적어도 1겹 이상으로 적층되거나 도포공법으로 코팅(Coating)되며, 이들 공법중 어느 하나가 적용되어 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
청구항 22에 있어서, 상기 필라멘트 와인딩 공법에는 FRP(섬유강화복합재료)나 또는 유리섬유나 케블라섬유-페놀릭이 적용되고, 상기 적층공법에는 유리섬유-페놀릭이나 카본섬유-페놀릭이 적용되며, 상기 도포공법은 코르크화합물이 적용되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.
콘(Cone)형 구조물에 가하는 압축하중의 크기가 설정되고, 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)이 적용되어 상기 콘(Cone)형 구조물 표면을 따르는 측지선경로(Geodesic Line Path)가 계산되며, 상기 측지선경로(Geodesic Line Path)로 격자구조(Lattice Structure)의 형상이 결정되어 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 설계되는 3차원 모델링수립단계;
상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델을 실물 형태의 프로토 모델(Proto Model)로 제조하는 프로토 모델단계;
상기 3차원 콘(Cone)형 격자구조물 모델이 다수의 분할구간으로 나눠지고, 상기 다수의 분할구간을 각각 2차원 전개도를 이용해 콘(Cone)형 격자조각물 모델로 설계되는 3차원 모델링 전환 단계;
상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 각각 3차원 콘형 격자조각 몰드금형으로 제조되는 금형제조단계;
상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형이 상기 콘(Cone)형상으로 세팅되고, 강화섬유를 매트릭스수지에 함침시킨 복합재료가 필라멘트 와인딩 공법(Filament Winding Method)으로 감겨져 격자구조(Lattice Structure)를 갖는 콘형 복합재료 격자구조물로 제조되는 콘형제품성형단계;
상기 콘형 복합재료 격자구조물의 바깥 표면에 층(Layer)을 형성하는 스킨(Skin)이 더 부가되어 콘형 복합재료 격자구조물 제품으로 제조되는 후처리단계;가 포함되어 수행되고,
상기 금형제조단계에서, 상기 3차원 콘형 격자조각 몰드금형은 상기 콘(Cone)형 격자조각물 모델이 금속금형으로 제조되고, 상기 금속금형을 이용해 미가황 실리콘이 가압 및 가열되어 제조되는 것을 특징으로 하는 콘(Cone)형 복합재료 격자구조물 제작방법.