KR101411271B1 - 복합소재 내의 인서트 적용 구조 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합소재 내의 인서트 적용 구조 및 방법에 관한 것으로서, 그 구조는, 일면에 안착홈이 형성된 폴리염화비닐 폼(PVC Foam)층; 상기 안착홈에 안착되는 안착부와, 상기 안착부로부터 돌출되어 상기 안착부보다 단면적이 작은 돌출부와, 상기 안착부 및 상기 돌출부를 관통하며 내면에 나사산이 형성된 체결부를 포함하는 스틸 인서트(Steel Insert); 상기 폴리염화비닐 폼층 및 상기 안착부에 적층되는 외피재층;을 포함하며, 상기의 구조에 따르면, 볼트 결합 및 용접이 불가능한 복합소재 내에 스틸 소재의 스틸 인서트를 삽입함으로써, 볼트와 같은 체결수단의 적용이 가능하고, 볼의 체결시 복합소재 내부에서 볼트의 체결력을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

복합소재 내의 인서트 적용 구조 및 방법{Device and method for applying insert to composite material}
본 발명은 볼트와 같은 체결수단의 적용이 가능하며, 볼트의 체결력을 최대화하기 위한 복합소재 내의 인서트 적용 구조 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어 자동차의 연비효율과 배기가스를 줄이기 위해서 전기자동차 및 천연가스차 등이 개발되고 있고, 전기자동차 및 천연가스차의 경우, 연비효율을 개선하기 위하여 차량의 경량화가 필요하다.
특히 자동차에서는 금속소재의 부품이 전체 무게의 70%정도를 차지하고 있으므로, 설계를 변경하여 차량의 무게를 경감시키는 데 한계가 있다. 따라서, 금속소재를 경량재질인 복합재료로 교체하여 사용할 수 있다.
종래의 기술 중 철도차량 차체를 복합소재로 교체한 기술이 대한민국 등록특허 제0766361호 및 대한민국 공개특허 제2011-0064096호 등에 제시되어 있다.
그러나 복합소재를 이용한 프레임에는 볼트의 결합이나 용접이 불가능하여 볼트와 같은 체결수단의 적용이 어렵다는 문제점이 있으며, 체결수단을 적용한다 하더라도 체결력이 떨어진다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 볼트와 같은 체결수단의 적용이 가능하며, 볼트의 체결력을 최대화할 수 있는 복합소재 내의 인서트 적용 구조 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 일면에 안착홈이 형성된 폴리염화비닐 폼(PVC Foam)층; 상기 안착홈에 안착되는 안착부와, 상기 안착부로부터 돌출되어 상기 안착부보다 단면적이 작은 돌출부와, 상기 안착부 및 상기 돌출부를 관통하며 내면에 나사산이 형성된 체결부를 포함하는 스틸 인서트(Steel Insert); 상기 폴리염화비닐 폼층 및 상기 안착부에 적층되는 외피재층;을 포함하는 복합소재 내의 인서트 적용 구조를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 안착홈의 양측벽은 상부로 갈수록 넓어지도록 경사지게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합소재 내의 인서트 적용 구조를 제공한다.
한편, 본 발명은 스틸 인서트(Steel Insert)를 가공하는 S10단계; 상기 스틸 인서트를 폴리염화비닐 폼(PVC Foam)의 일면에 형성된 안착홈에 접착하는 S20단계; 상기 폴리염화비닐 폼의 외부에 외피재를 적층하는 S30단계;를 포함하는 복합소재 내의 인서트 적용 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 S10단계와 상기 S20단계 사이에, 상기 스틸 인서트에 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg)를 감싸는 (S15)단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 내의 인서트 적용 방법을 제공한다.
본 발명의 복합소재 내의 인서트 적용 구조 및 방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
볼트 결합 및 용접이 불가능한 복합소재 내에 스틸 소재의 스틸 인서트를 삽입함으로써, 볼트와 같은 체결수단의 적용이 가능하다.
또한, 스틸 인서트의 구조는 볼트의 체결시 복합소재 내부에서 볼트의 체결력을 최대화할 수 있다.
도 1은 도 3의 서스펜션 연결부에 스틸 인서트가 적용된 구조를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 스틸 인서트를 분리하여 도시한 사시도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지상용 버스의 프론트 프레임을 도시한 사시도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지상용 버스의 리어 프레임을 도시한 사시도.
도 7은 도 3의 A-A'선을 취하여 본 단면도.
도 8은 도 3의 B-B'선을 취하여 본 단면도.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시예에서는 대표적으로 지상용 버스에서 사용되는 프레임에 대하여 설명하지만, 이에 한정하지는 않으며, 지상용 버스 뿐만 아니라 복합재료를 사용하는 차량 등의 프레임에 두루 적용될 수 있다.
지상용 버스 프레임은, 도 3에 도시한 바와 같은 프론트 프레임(Front Frame,100)과, 도 5에 도시한 바와 같은 리어 프레임(Rear Frame,200)으로 구성된다.
먼저, 복합소재가 적용되는 프론트 프레임(100)에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
프론트 프레임(100)은 상부 몸체 연결부(110)와, 상부 몸체 연결부(110)와 소정의 간격을 두고 평행하게 배치된 플로어(Floor) 연결부(130)와, 상부 몸체 연결부(110) 및 플로어 연결부(130)를 연결하는 한 쌍의 서스펜션(Suspension) 연결부(150)를 포함하여, 대략 우물정(井)자 형태를 이룬다.
도 3 및 도 4에 도시한 프론트 프레임(100)의 구조 중 상부 몸체 연결부(110) 및 플로어 연결부(130)는 제1보강부재와 외피재(106)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
제1보강부재와 외피재(106)의 단면구조를 도 7에 도시하였다.
도 7에 따르면, 제1보강부재는 다수 개의 제1구조물(103)과 다수 개의 제2구조물(104)로 구성되어 있되, 제1구조물(103) 다수 개와 제2구조물(104) 다수 개가 차례로 번갈아가며 적층되도록 배치되어 있다.
제1구조물(103)은 폴리염화비닐 폼(PVC Foam,101)과, 폴리염화비닐 폼(101)의 외면를 감싸며 적층되는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg,102)로 이루어져 있다.
제2구조물(104)은 폴리염화비닐 폼(PVC Foam)으로 이루어져 있다.
제1구조물(103)과 제2구조물(104)은 각재로 이루어져 가로로 길게 배치되어 차례로 번갈아가며 적층되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 제1보강부재의 외면을 감싸며 외피재(105)가 적층되는데, 외피재(105)는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg)인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 상부 몸체 연결부(110) 및 플로어 연결부(130)를 구성하는 제1보강부재와 외피재(106)의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 제1폴리염화비닐 폼(PVC Foam,101)을 각재로 가공한다. (S10단계)
다음으로, 제1폴리염화비닐 폼(101)의 외면을 감싸며 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg,102)를 적층한다. (S20단계)
이때, 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(102)를 1~2t 적층할 때마다 진공압축(Compaction)을 통하여 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(102) 사이의 기포를 제거한다.
그리고 최종적으로 적층되는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(102)의 외부를 진공필름으로 감싸고, 진공도가 30bar가 되면, 135℃ 정도의 히팅부스(Heating Booth)에서 3~4시간 동안 진공상태에서 가열한다.
다음으로, S20단계를 통하여 적층된 적층재(103)와, 각재의 제2폴리염화비닐 폼(PVC Foam,104)을 접착한다. (S30단계)
이때, S20단계를 통하여 적층된 적층재(103) 다수 개와, 제2폴리염화비닐 폼(104) 다수 개는 가로로 길게 배치된 상태에서 세로로 적층되도록 차례로 번갈아가며 접착하여, 형태를 고정한다.
마지막으로, 상기 S30단계를 통하여 적층된 적층재(103,104)의 외부에 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그와 같은 외피재(105)를 적층한다. (S40단계)
이때, 외피재(105)를 1~2t 적층할 때마다 진공압축(Compaction)을 통하여 외피재(105) 사이의 기포를 제거한다.
그리고 최종적으로 적층되는 외피재(105)의 외부를 진공필름으로 감싸고, 진공도가 30bar가 되면, 135℃ 정도의 히팅부스(Heating Booth)에서 3~4시간 동안 진공상태에서 가열한다.
이와 같이, 상부 몸체 연결부(110) 및 플로어 연결부(130)와 같은 복합소재로 이루어진 튜브 형태의 판재 제작시 미리 성형된 각재의 폴리염화비닐 폼(101)을 삽입함으로써, 구조적으로 강도 및 강성을 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시한 프론트 프레임(100)의 구조 중 서스펜션 연결부(150)는 제2보강부재와 외피재를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
제2보강부재와 외피재의 단면구조를 도 8에 도시하였다.
도 8에 따르면, 제2보강부재는 스틸 플레이트(Steel Plate,151)와, 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg)층(152)과, 폴리염화비닐 폼(PVC Foam)층(153)으로 구성되는 것이 바람직하다.
스틸 플레이트(151)는 한 쌍으로 구성되는 것이 바람직하다.
각각의 스틸 플레이트(151)의 양측면에는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그층(152)이 적층된다.
폴리염화비닐 폼층(153)의 양측면에는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그층(152)이 양측면에 적층되어 있는 스틸 플레이트(151)가 각각 적층된다.
상기와 같이 구성된 제2보강부재의 외면을 감싸며 외피재층(154)이 적층되며, 외피재층(154)은 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg)인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 서스펜션 연결부(150)를 구성하는 제2보강부재와 외피재(154)의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 한 쌍의 스틸 플레이트(Steel Plate,151)를 가공한다. (S10단계)
다음으로, 각각의 스틸 플레이트(151)의 양측면에 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg,152)를 각각 적층한다. (S20단계)
이때, 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(152)를 1~2t 적층할 때마다 진공압축(Compaction)을 통하여 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(152) 사이의 기포를 제거한다.
그리고 최종적으로 적층되는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(152)의 외부를 진공필름으로 감싸고, 진공도가 30bar가 되면, 135℃ 정도의 히팅부스(Heating Booth)에서 3~4시간 동안 진공상태에서 가열한다.
다음으로, 상기 S20단계를 통하여 적층된 한 쌍의 적층재(151,152)를 폴리염화비닐 폼(PVC Foam,153)의 양측면에 접착한다. (S30단계)
마지막으로, 상기 S30단계를 통하여 적층된 적층재(151,152,153)의 외부에 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg)와 같은 외피재(154)를 적층한다. (S40단계)
이때, 외피재(154)를 1~2t 적층할 때마다 진공압축(Compaction)을 통하여 외피재(154) 사이의 기포를 제거한다.
그리고 최종적으로 적층되는 외피재(154)의 외부를 진공필름으로 감싸고, 진공도가 30bar가 되면, 135℃ 정도의 히팅부스(Heating Booth)에서 3~4시간 동안 진공상태에서 가열한다.
이와 같이, 서스펜션 연결부(150)와 같은 복합소재로 이루어진 판재의 제작시 복합소재와 스틸의 구조적인 결합을 통하여 복합소재만으로 제작했을때의 강도 및 강성과 대비하여, 강도는 복합소재를 따라가며, 강성은 스틸의 성질을 따라가므로 제품의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시한 프론트 프레임(100)의 구조 중 서스펜션 연결부(150)의 저면에는 볼트와 같은 체결수단이 체결될 수 있도록 스틸 인서트(Steel Insert,160)가 적용되는 것이 바람직하다.
스틸 인서트(160) 구조를 도 1 및 도 2에 도시하였다.
도 1에 도시한 바와 같이, 서스펜션 연결부(150)의 폴리염화비닐 폼층(153)의 일면에는 안착홈(153a)이 형성되어 있다.
안착홈(153a)의 양측벽은 상부로 갈수록 넓어지도록 경사지게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
스틸 인서트(160)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 안착부(161)와 돌출부(162)와 체결부(163)를 포함하여 구성된다.
안착부(161)는 안착홈(153a)에 안착될 수 있도록 마련되어 있어, 안착부(161)의 양측벽이 상부로 갈수록 넓어지도록 경사지게 형성되어 있으며, 양측면에는 상부가 개방된 홈(161a)이 형성되어 있다.
돌출부(162)는 안착부(161)의 상면으로부터 돌출되어 있으며, 안착부(161) 보다 단면적이 작도록 형성되어 있고, 돌출부(162)의 상부에는 원형의 머리부(162a)가 형성되어 있다.
이러한 안착부(161)와 돌출부(162)를 관통하며 체결부(163)가 형성되어 있으며, 체결부(163)의 내면에는 나사산이 형성되어 있어, 볼트 등의 체결수단이 용이하게 체결될 수 있다.
상기와 같이 구성된 폴리염화비닐 폼층(153) 및 안착부(161)에는 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그(CFRP Prepreg)와 같은 외피재층(154)이 적층된다.
이와 같이 구성되는 서스펜션 연결부(150)에 적용되는 인서트의 적용 방법은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 스틸 인서트(160)를 가공한다. (S10단계)
다음으로, 스틸 인서트(160)에 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그를 감싼다. (S15단계)
다음으로, 스틸 인서트(160)를 폴리염화비닐 폼(153)의 일면에 형성된 안착홈(153a)에 접착한다. (S20단계)
마지막으로, 폴리염화비닐 폼(153)의 외부에 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그와 같은 외피재(154)를 적층한다. (S30단계)
이때, 외피재(154)를 1~2t 적층할 때마다 진공압축(Compaction)을 통하여 외피재(154) 사이의 기포를 제거한다.
그리고 최종적으로 적층되는 외피재(154)의 외부를 진공필름으로 감싸고, 진공도가 30bar가 되면, 135℃ 정도의 히팅부스(Heating Booth)에서 3~4시간 동안 진공상태에서 가열한다.
상기와 같이, 볼트 결합 및 용접이 불가능한 복합소재 내에 스틸 소재의 스틸 인서트(160)를 삽입함으로써, 볼트와 같은 체결수단의 적용이 가능하다.
또한, 스틸 인서트(160)의 구조는 볼트의 체결시 복합소재 내부에서 볼트의 체결력을 최대화할 수 있다.
도 4에 도시한 프론트 프레임(100)의 구조 중 서스펜션 연결부(150)와 상부 몸체 연결부(110)가 서로 연결되는 부분(120)에는 발사 나무(Balsa wood)로 채워지는 것이 바람직하다.
한편, 복합소재가 적용되는 리어 프레임(200)에 대하여 도 5 및 도 6를 참조하여 설명하기로 한다.
리어 프레임(200)은 상부 몸체 연결부(210)와, 상부 몸체 연결부(210)와 소정의 간격을 두고 평행하게 배치된 플로어(Floor) 연결부(230)와, 상부 몸체 연결부(210) 및 플로어 연결부(230)를 연결하는 한 쌍의 서스펜션(Suspension) 연결부(250)를 포함하여, 대략 우물정(井)자 형태를 이룬다.
상부 몸체 연결부(210)의 전방으로는 상부 몸체가 연결될 수 있도록 수직 프레임 및 수평 프레임 등이 교차로 배치되어 있는 연결 프레임(270)이 연결되어 있다.
연결 프레임(270)과 상부 몸체 연결부(210)가 서로 연결되는 부분(271)과, 전방에 수직하게 배치된 수직 프레임(273)의 내부는 발사 나무(Balsa wood)로 채워지는 것이 바람직하다.
상부 몸체 연결부(210) 및 플로어 연결부(230)는 제1보강부재와 외피재를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상세구조 및 제조방법은 상기에서 설명한 프론트 프레임(100)의 상부 몸체 연결부(110) 및 플로어 연결부(130)의 구조 및 제조방법과 동일하므로 여기에서는 설명을 생략하기로 한다.
마찬가지로, 서스펜션 연결부(250)는 제2보강부재와 외피재를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상세구조 및 제조방법은 상기에서 설명한 프론트 프레임(100)의 서스펜션 연결부(150)의 구조 및 제조방법과 동일하므로 여기에서는 설명을 생략하기로 한다.
서스펜션 연결부(250)의 저면에는 저면에는 볼트와 같은 체결수단이 체결될 수 있도록 스틸 인서트(Steel Insert,260)가 적용되는 것이 바람직하며, 스틸 인서트의 적용구조 및 적용방법은 상기에서 설명한 프론트 프레임(100)의 스틸 인서트(160)의 구조 및 적용방법과 동일하므로 여기에서는 설명을 생략하기로 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100 : 프론트 프레임 103 : 제1구조물
104 : 제2구조물 110 : 상부 몸체 연결부
130 : 플로어 연결부 150 : 서스펜션 연결부
151 : 스틸 플레이트 152 : 탄소섬유강화플라스틱 프리프레그층
153 : 폴리염화비닐 폼층 160 : 스틸 인서트
161 : 안착부 162 : 돌출부
163 : 체결부 200 : 리어 프레임
210 : 상부 몸체 연결부 230 : 플로어 연결부
250 : 서스펜션 연결부

Claims (4)

  1. 일면에 안착홈이 형성된 폴리염화비닐 폼(PVC Foam)층;
    상기 안착홈에 안착되는 안착부와, 상기 안착부로부터 돌출되어 상기 안착부보다 단면적이 작은 돌출부와, 상기 안착부 및 상기 돌출부를 관통하며 내면에 나사산이 형성된 체결부를 포함하는 스틸 인서트(Steel Insert);
    상기 폴리염화비닐 폼층 및 상기 안착부에 적층되는 외피재층;을 포함하고,
    상기 안착홈의 양측벽은 상부로 갈수록 넓어지도록 경사지게 형성되어 있으며,
    상기 안착부의 양측면에는 상부가 개방된 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합소재 내의 인서트 적용 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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