KR101415646B1 - 요철 형상을 갖는 ｚ-핀 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 ｚ-핀 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합을 위한 Z-핀에 있어서, 이러한 Z-핀 표면에 경제적이면서도 효과적으로 결합력을 높일 수 있는 요철 형상을 형성할 수 있는, 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 Z-핀을 제공함에 있다.
Description
본 발명은 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 Z-핀에 관한 것이다.
항공우주 및 수송기구 구조부재 등의 경량화 구조물에 많이 사용되고 있는 섬유강화 복합재료는 대부분 일방향 또는 직조된 프리프레그(prepreg)를 적층하고 열과 압력을 가하는 성형과정을 거침으로써 제작된다. 이렇게 적층 성형된 복합재 적층 구조물은 두께 방향으로는 별도의 강화재가 없기 때문에 외부의 충격 등에 의하여 쉽게 층과 층 사이가 분리되는 층간분리 현상이 발생된다. 이 층간분리는 구조물의 강도를 떨어뜨리기 때문에 이를 방지하기 위한 방법이 관련분야의 연구자들에 의하여 많이 연구되어 왔다. 얇은 판의 구조역학적 문제를 분석할 때 판의 두께 방향을 X, Y, Z, 3개의 좌표축 중에서 일반적으로 Z-축으로 정의한다. 이 때 복합재 적층 구조물의 취약한 층간분리 특성을 보강하기 위하여 스티칭(Stitching), Z-피닝(Z-Pinning), 텍스타일(Textile), 고인성 수지(Toughened Matrix) 등의 방법에 대한 많은 연구들이 수행되어 왔다. 'Z-피닝(z-pinning)' 기술이란, 상술한 바와 같은 관련 연구계에서 두께 방향으로 핀을 박는다는 기술을 통칭하는 용어로서, 보다 구체적으로 설명하자면, 복합재 적층 구조물의 두께 방향으로 핀을 박아 복합재 적층 구조물의 취약한 층간성능을 보강하거나 다수의 적층 부재를 접촉 연결할 때 두께 방향으로 핀을 박아 부재간의 연결 성능을 향상시키는 기술을 말한다.
복합재 적층 구조물의 층간성능을 높이거나 두 개 이상의 복합재 적층 구조 부재간의 연결 성능을 향상시키기 위한 연구들 중 Z-피닝(Z-pinning) 기술에 대한 연구는 비교적 최근에 시작된 연구 분야이다. Z-피닝에 대하여 알려진 종래의 연구내용을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
Z-피닝 방법은 미국 특허등록 제4,808,461호(1989)에서 최초로 개념이 제시되었으며, 제5,186,776호(1993)에서 초음파 진동 하중을 부가하여 핀을 박는 개념이 나타나고, 제5,589,015호(1996)에서 초음파 건 및 핀이 박힌 압축붕괴 가능한 폼을 사용하여 Z-피닝 복합재 구조물을 제작하는 개념이 제시되고 있다. 이후 제5,667,859호(1997), 제5,800,672호(1998), 제5,919,413호(1999), 제6,190,602호(2001), 제6,291,049호(2001), 제6,405,417호(2002), 제6,436,507호(2002) 등에서 Z-피닝 개념이 발전되어 오고 있으나, 압축붕괴 가능한 폼을 사용하는 개념이 계속 유지되고 있다.
국내에서는 본 출원인에 의하여 "핀을 박아 성능을 보강한 복합재 적층 구조물, 상기 복합재적층 구조물 제조 방법, 장치 및 상기 장치 제작 방법"(국내 특허등록 제0932302호, 2009.12.08) 등을 통하여 상기 미국의 압축붕괴 가능한 폼을 사용하지 않는 Z-피닝 방법을 제시하고 있다.
이상에서 살펴본 Z-피닝의 종래 기술에서는 복합재 적층구조물에 삽입되는 Z-핀을 대부분 금속재나 복합재로 제작하고 있는데, Z-핀의 외형 형상은 도 1에 도시된 종래의 Z-핀(10)과 같이 끝 부분이 뾰족하며, 기둥 부분은 매끄러운 형상을 하고 있다. Z-피닝 기술에 있어서 Z-핀과 Z-핀이 삽입된 복합재와의 결합력의 향상이 매우 중요하며, 따라서 Z-핀의 기둥 부분이 매끄러운 형상으로 된 것보다는 요철이 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 다만 종래에는 상기 Z-핀 자체의 크기가 작고 필요 수량도 많기 때문에, 적절히 저렴한 가공 방식을 사용하면서도 Z-핀에 요철을 형성하는 것이 용이하지 않은 실정이었다.
그래도 Z-핀의 기둥이 매끄럽게 형성되면 핀-복합재 간 결합력이 떨어질 수밖에 없으므로 Z-핀에 경제적으로 미세 요철을 잘 형성하기 위한 다양한 연구가 진행되었으며, 이러한 연구의 일환으로 화학적 부식 또는 작은 쇠구슬과의 기계적 충돌(Shot peening) 등의 방법을 사용하여 Z-핀에 요철을 형성하는 기술 등이 개시되었던 바 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합을 위한 Z-핀에 있어서, 이러한 Z-핀 표면에 경제적이면서도 효과적으로 결합력을 높일 수 있는 요철 형상을 형성할 수 있는, 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 Z-핀을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법은, 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 사용되는 Z-핀을 제조하는 방법에 있어서, 압출 공정에 의하여 기둥 형상의 몸체(45)가 형성되는 단계; 상기 몸체(45)의 길이 방향과 회전 방향이 나란하게 배치되는 기어 형상의 압입 성형 치구(30)의 기어 이빨(31)이 상기 몸체(45) 표면에 압입되어 상기 몸체(45) 표면에 요철(41)이 형성되는 단계; 상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때 상기 압입 성형 치구(30)는, 적어도 한 쌍이 상기 몸체(45)를 중심으로 하여 서로 마주보는 방향으로 배치될 수 있다.
또는 상기 압입 성형 치구(30)는, 한 쌍이 상기 몸체(45)를 중심으로 하여 서로 마주보는 방향으로 배치되어 한 세트(35)를 이루며, 상기 세트(35)가 상기 몸체(45) 둘레에 복수 개 구비되되, 각각의 상기 세트(35)가 상기 몸체(45)의 축 방향에서 볼 때 서로 다른 각도를 가지도록 배치될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 압입 성형 치구(30)는, 각각의 상기 세트(35)가 상기 몸체(45)의 축 방향에서 볼 때 서로 수직한 방향으로 배치될 수 있다.
또한 상기 압입 성형 치구(30)는, 상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 복수 개의 상기 이빨(31)들이 서로 동일 형상으로 형성되거나, 또는 상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 복수 개의 상기 이빨(31)들 중 일부가 서로 상이한 형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 압입 성형 치구(30)는, 상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 상기 이빨(31)이 대칭 형상 또는 비대칭 형상으로 형성될 수 있다.
이 때 상기 Z-핀 제조 방법은, 상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단될 때, 상기 몸체(45)의 길이 방향에 대하여 경사진 미리 결정된 각도로 절단되도록 할 수 있다. 또는 상기 Z-핀 제조 방법은, 상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단되는 단계 이후에, 절단된 상기 몸체(45)의 끝단부가 뾰족하게 가공되는 단계; 를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.
또한 본 발명의 요철 형상을 갖는 Z-핀은, 상술합 바와 같은 제조 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 Z-핀(40)은, 금속재 또는 복합재로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 특히 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합에 사용되는 Z-핀에 있어서, 그 표면에 요철이 형성되도록 함으로써 복합재-핀 간 결합력을 크게 향상시켜 주며, 그 결과 궁극적으로는 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합력을 비약적으로 향상시켜 주는 큰 효과가 있다. 특히 본 발명에 의해 형성되는 요철의 형상은 기존의 다른 방법으로 형성된 요철 형상에 비해 결합력 향상 효과가 비약적으로 높다.
무엇보다도 본 발명은, 복합재 적층 구조물에 사용되는 Z-핀에 결합력을 향상시켜 주는 매우 효과적인 형상을 경제적이고 용이하게 형성시킬 수 있다는 큰 효과가 있다. 앞서 설명하였듯 Z-핀은 일반적인 나사못 등과 같은 부품에 비하여 상대적으로 상당히 크기가 작으며 따라서 그 표면에 어떠한 형상을 가공하는 것이 상대적으로 난해한데, 본 발명에 의하면 간단한 방법으로 쉽고 빠르게 가공이 가능하기 때문에, 가공을 위한 설비 제작이나 Z-핀 생산 비용 등이 상당히 저렴하게 형성될 수 있어 매우 경제적이라는 효과가 있는 것이다.
도 1은 종래의 Z-핀의 사시도 및 측면도.
도 2는 요철 형상 개념의 Z-핀의 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 요철 형상 가공 방법의 정면도 및 평면도.
도 4 및 도 5는 압입 성형 치구 배치의 여러 실시예.
도 6은 압입 성형 치구 형상의 여러 실시예.
도 7은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 한 실시예.
도 8은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 다른 실시예.
도 9는 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 또다른 실시예.
도 2는 요철 형상 개념의 Z-핀의 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 요철 형상 가공 방법의 정면도 및 평면도.
도 4 및 도 5는 압입 성형 치구 배치의 여러 실시예.
도 6은 압입 성형 치구 형상의 여러 실시예.
도 7은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 한 실시예.
도 8은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 다른 실시예.
도 9는 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 또다른 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 Z-핀을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 복합재 적층 구조물의 Z방향 적층 결합력을 보강하기 위하여 Z-핀을 박는 기술이 사용되고 있는데, 도 1에 도시된 종래의 Z-핀(10)의 형상에서 보이는 바와 같이 끝단은 뾰족하게 형성되되 몸체는 매끄러운 기둥 형상으로 이루어짐으로써 복합재와 핀 간의 결합력이 기대보다 약한 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위해서는 핀 표면에 도 2에 도시된 바와 같이 요철(21)이 형성되는 것이 바람직하다는 것이 자명하다. 이처럼 요철이 형성된 Z-핀(20)을 제작하기 위해서는 도 1에 도시된 매끄러운 기둥 형상의 몸체를 가진 종래의 Z-핀(10)에 요철 형성을 위한 후가공이 필요함은 자명하다.
그런데 일반적으로 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 사용되는 Z-핀은 직경 0.5mm 정도로 상당히 미세한 크기에 속한다. 따라서 일반적인 '표면 요철이 있는 기둥 형상을 가지는 기계 부품'을 가공할 때 널리 사용되는 방법들, 예를 들어 공구로 표면을 깎아내어 요철 형상을 만드는 절삭 가공이라든가, 틀을 이용하여 강한 힘으로 찍어서 요철 형상을 만드는 소성 가공(press working) 등과 같은 방식을 적용하기에 무리가 있는 것이다.
한편 이처럼 미세한 크기의 부품 가공에 사용되는 레이저 가공 등과 같은 정밀 가공 방식을 적용할 수도 있겠으나, 이 경우에는 다음과 같은 문제가 또 있다. 이러한 Z-핀은 복합재 적층 구조물을 만들 때 다량이 사용되어야만 하는데, 상술한 바와 같은 정밀 가공은 일반적인 가공 방식에 비하여 장비 설치나 운용에 드는 비용도 비싸고 가공 속도도 상대적으로 느려서 대량 생산에 적합하지 않다. 물론 Z-핀의 생산 단가가 올라가고 생산 속도가 느려짐에 따라 최종 생산품인 복합재 적층 구조물의 생산 단가 상승 및 생산 속도 저하 역시 필연적으로 따라오게 되며, 이는 매우 비경제적인 방법이다.
이에 따라 종래에 화학적인 방식으로 Z-핀 표면에 부식을 일으켜 요철을 형성하는 방법, 미세한 쇠구슬을 발사하여 Z-핀 표면에 부딪치게 함으로써 요철을 형성하는 방법 등이 시도되었으나, 이러한 방법들 역시 원하는 만큼의 충분한 결합력을 얻지 못하는 문제가 있었다.
즉 요약하자면 기존의 절삭 가공, 소성 가공 등의 일반적인 기계요소 가공 방식은 Z-핀 정도 규격의 미세 부품 가공에 적합하지 않고, 기존에 미세 부품 가공에 사용되는 레이저 가공 등과 같은 정밀 가공 방식은 엄청나게 비경제적이어서 역시 부적합하며, 화학적 부식이나 쇠구들 충격 등과 같이 새롭게 시도된 방식들은 충분한 결합력을 얻을 만큼의 요철을 효과적으로 만들지 못했던 것이다.
본 발명에서는 이러한 문제를 모두 해소할 수 있도록, 간단하고 단순한 방법을 사용함으로써 경제적이면서도 용이하게 미세한 Z-핀 표면에 요철을 형성할 수 있도록 하는, 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법을 제시하고자 한다. 도 3은 본 발명에 의한 요철 형상 가공 방법의 정면도 및 평면도이고, 도 4 및 도 5는 압입 성형 치구 배치의 여러 실시예이고, 도 6은 압입 성형 치구 형상의 여러 실시예이고, 도 7은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 한 실시예이고, 도 8은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 다른 실시예이다. 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 Z-핀 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 Z-핀에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 요철이 형성된 Z-핀 제조 방법은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 몸체 형성 단계와, 요철 형성 단계와, 절단 성형 단계를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 제조 방법에 의하여 만들어진 Z-핀은 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 사용되는 것으로서, 복합재 적층 구조물에 박히기에 적절한 강도를 가지도록 금속재 또는 복합재로 이루어질 수 있다.
먼저 도 3(A)에 도시된 바와 같이, 최초에는 압출 공정에 의하여 기둥 형상의 몸체(45)가 형성된다. 압출 공정은 일반적으로 금속재나 복합재 등을 이용하여 단일 단면을 가지는 형상을 형성하고자 하는 경우에 널리 사용되는 공정이다. 상기 몸체(45)가 압출 공정을 통해 처음 만들어지는 단계에서는 표면이 매끄러운 기둥 형상으로 이루어지게 된다. 종래에는 이 단계에서 미리 결정된 각도 및 미리 결정된 길이로 절단됨으로써 Z-핀 제조가 완료되나, 본 발명에서는 이하 설명될 요철 형성 단계를 더 거침으로써 상기 몸체(45) 상에 요철(41)을 형성하게 된다.
다음으로 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(45)의 길이 방향과 회전 방향이 나란하게 배치되는 기어 형상의 압입 성형 치구(30)의 기어 이빨(31)이 상기 몸체(45) 표면에 압입됨으로서 상기 몸체(45) 표면에 요철(41)이 형성된다. 즉 상기 압입 성형 치구(30)의 상기 기어 이빨(31)에 의하여 상기 몸체(45) 표면이 찍힘으로서 상기 몸체(45) 표면에 우툴두툴한 요철(41)이 형성되는 것이다. 이 때 상기 압입 성형 치구(30)가 어떻게 배치되는지, 그리고 상기 압입 성형 치구(30) 자체의 형상이 어떻게 형성되는지 등에 따라 상기 요철(41)의 형상을 원하는 대로 다양하게 변경 형성할 수 있다.
마지막으로 도 3(C)에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단됨으로써 상기 Z-핀(40)의 제작이 완료된다. 상기 Z-핀(40)은 앞서 설명한 바와 같이 복합재 적층 구조물에 박히는 Z-피닝에 사용되는 것이므로, 복합재 적층 구조물에 박을 때 보다 잘 박히도록 하기 위해서는 끝단이 뾰족하게 형성되는 것이 바람직함은 자명하다. 이 때 상기 Z-핀(40)의 끝단이 뾰족하게 형성되도록 하기 위해서는, 절단 시 경사를 주어 절단할 수도 있고, 또는 절단 후 별도의 후가공을 거치도록 할 수도 있다. 각각에 대하여 설명하자면 다음과 같다.
먼저 상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단될 때, 상기 몸체(45)의 길이 방향에 대하여 경사진 미리 결정된 각도로 절단되도록 할 수 있다. 다시 말해 상기 몸체(45)를 절단할 때 길이 방향에 수직한 방향으로 자르기보다는 도 3(C)에 나타난 바와 같이 비스듬하게 경사지게 자르는 것이다. 이러한 절단 경사 각도는 상기 Z-핀(40)이 박혀질 복합재 적층 구조물의 재질 등에 따라 사용자의 판단에 의해 미리 적절하게 결정될 수 있다. 또한 상기 Z-핀(40)이 박혀질 복합재 적층 구조물의 두께가 한 가지로 정해져 있는 것이 아니므로, 상기 몸체(45)를 절단하는 길이 역시 사용자의 판단에 의해 미리 적절하게 결정될 수 있다. 이와 같이 비스듬하게 절단하는 경우에 바로 도 7 및 도 8에 나타나는 Z-핀의 끝단부와 같은 형태로서 뾰족하게 이루어지게 된다.
또는 상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단되는 단계 이후에, 절단된 상기 몸체(45)의 끝단부가 뾰족하게 가공되는 단계가 더 이루어지도록 할 수도 있다. 도 7 및 도 8과 같이 절단 각도를 비스듬하게 함으로써 끝단부를 뾰족하게 하는 경우에는 끝단부의 각도가 비대칭적으로 이루어지게 되며 또한 Z-핀 양단부가 모두 뾰족하게 이루어짐으로써, 박히는 쪽에서는 유리하겠으나 Z-핀을 박기 위해 힘을 가하는 쪽에서는 오히려 불리해질 수 있다. 반면 이처럼 후가공을 함으로써 끝단부를 뾰족하게 할 경우, 박히는 쪽의 끝단부는 대칭적인 형상이 되도록 할 수 있으며, 힘을 가하는 쪽의 끝단부는 평평하게 형성됨으로써 힘을 가하기에 훨씬 유리해지는 장점이 있다. 도 9는 이와 같이 끝단부를 깎아내는 등과 같은 후가공을 거침으로써, 박히는 쪽의 끝단부가 뾰족하면서도 대칭적인 형상을 이루고, 힘을 가하는 쪽의 끝단부는 평평하게 형성되도록 한 경우의 예시를 도시하고 있다.
본 발명의 Z-핀 제조 방법에서 가장 핵심이 되는 것은 바로 상기 몸체(45) 상에 상기 요철(41)을 형성하는 단계이다. 이하 도 4 내지 6을 통해 상기 압입 성형 치구(30)의 배치 및 형상의 여러 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 4 및 도 5는 압입 성형 치구 배치의 여러 실시예를 도시한 것이다. 상기 Z-핀(40) 상에 요철(41)을 형성함에 있어서, 가장 단순하게는 도 4(A)에 도시된 바와 같이 상기 압입 성형 치구(30)를 단일 개만 배치하고, 상기 압입 성형 치구(30)로 누르는 힘을 지지하기 위해 반대편에 지지대를 구비하는 식으로 배치할 수 있다. 그러나 도 4(A)처럼 할 경우 상기 요철(41)이 한 줄로만 형성되므로 결합력 향상 효과가 비대칭적으로 나타날 수 있으므로, 상기 요철(41)이 상기 Z-핀(40) 상에서 대칭적으로 형성되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 즉 도 4(B)에 도시된 것처럼, 상기 압입 성형 치구(30)가 상기 몸체(45)를 중심으로 하여 서로 마주보는 방향으로 배치되도록 하는 것이다. 이와 같이 하면 서로 마주보는 한 쌍의 상기 압입 성형 치구(30)들이 서로를 지지해 줌과 동시에 상기 Z-핀(40)의 몸체(45)에 기어 이빨(31) 압입을 통한 요철(41) 형성을 안정적으로 할 수 있게 된다.
도 4는 기본적인 상기 압입 성형 치구(30)의 배치 형태를 설명한 것이며, 도 5는 이를 더 발전시킨 배치 형태의 예시들을 도시하고 있다. 도 4는 상기 몸체(45) 측면에서 본 형태를 도시하나, 도 5는 상기 몸체(45) 정면에서 본 형태를 도시하고 있다. 도 4(B)에 도시된 바와 같이 상기 압입 성형 치구(30)가 서로 마주보도록 한 쌍이 세트(35)를 이루어 배치되도록 할 때, 도 5(A)에 도시된 것처럼 상기 세트(35)가 상기 Z-핀(40)의 몸체(45) 주위에 한 쌍만 배치되도록 할 수도 있지만, 도 5(B), 도 5(C)에 도시된 것처럼 상기 세트(35)가 복수 개 배치되도록 할 수도 있는 것이다. 이처럼 상기 세트(35)가 상기 몸체(45) 둘레에 복수 개 구비될 때, 도 5(B), 도 5(C)에 도시된 바와 같이 각각의 상기 세트(35)가 상기 몸체(45)의 축 방향에서 볼 때 서로 다른 각도를 가지도록 배치되도록 할 수 있다. 도 5에는 상기 세트(35)가 1개, 2개, 3개 구비되는 경우를 도시하고 있는데, 실질적으로 상기 몸체(45)의 직경이 0.5mm 정도로 매우 미세하다는 것을 감안할 때 상기 몸체(45) 상에 너무 많은 요철(41)이 형성될 경우 (즉 상기 세트(35)가 너무 많이 배치될 경우) 최종적으로 만들어지는 상기 Z-핀(40)의 강도가 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 그러므로 도 5(B)에 도시된 바와 같이 상기 세트(35)가 2개 배치되도록, 즉 각각의 상기 세트(35)가 상기 몸체(45)의 축 방향에서 볼 때 서로 수직한 방향으로 배치되도록 하는 것이 가장 바람직하다(도 3에도 바로 이러한 형태가 도시되어 있다).
도 6은 압입 성형 치구 형상의 여러 실시예를 도시한 것이다. 상술한 바와 같이 상기 압입 성형 치구(30)의 상기 이빨(31)이 상기 몸체(45)에 압입됨으로써 상기 요철(41)이 형성되는 것이므로, 상기 이빨(31)의 형상이 상기 요철(41) 형상에 직접적으로 영향을 주게 된다. 즉 원하는 요철(41) 형상에 따라 상기 압입 성형 치구(30)의 이빨(31) 형상을 다양하게 형성할 수 있다. 예를 들어 상기 압입 성형 치구(30)는, 상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 복수 개의 상기 이빨(31)들이 서로 동일 형상으로 형성되거나, 또는 복수 개의 상기 이빨(31)들 중 일부가 서로 상이한 형상으로 형성되도록 할 수 있다. 또한 상기 이빨(31)이 대칭 형상 또는 비대칭 형상으로 형성되도록 할 수 있다.
도 6(A)에는, 상기 이빨(31)들이 모두 동일 형상으로 형성되며 하나하나의 상기 이빨(31)은 대칭 형상으로 되어 있는 상기 압입 성형 치구(30) 형상의 한 예시가 도시되어 있다(도 3 내지 5에 도시된 상기 압입 성형 치구(30)가 바로 이러한 형태로 도시되었다). 도 7은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 한 실시예를 도시하고 있는데, 도 7에 도시된 상기 Z-핀(40)이 바로 도 6(A)와 같은 형상(즉 상기 이빨(31)들이 모두 동일 형상, 하나의 상기 이빨(31)은 대칭 형상)인 상기 압입 성형 치구(30)를 사용하여 제조된 것이다. 더욱 상세히는, 이러한 상기 압입 성형 치구(30)를 도 5(B)와 같이 배치하였을 때 상기 몸체(45)에 도 7과 같은 대칭 형상의 상기 요철(41)이 형성된 상기 Z-핀(40)이 만들어지게 된다. 이 경우 상기 Z-핀(40)이 상하 방향으로 박힐 때 상기 요철(41) 자체가 상하 방향으로 대칭 형상이므로 각 방향에 대해 안정적인 결합력을 얻을 수 있다.
도 6(B)에는, 상기 이빨(31)들이 모두 동일 형상으로 형성되되 하나하나의 상기 이빨(31)은 비대칭 형상으로 되어 있는 상기 압입 성형 치구(30) 형상의 한 예시가 도시되어 있다. 도 8은 본 발명에 의한 요철 형상이 가공된 Z-핀의 측면도의 다른 실시예를 도시하고 있는데, 도 8에 도시된 상기 Z-핀(40)이 바로 도 6(B)와 같은 형상(즉 상기 이빨(31)들이 모두 동일 형상, 하나의 상기 이빨(31)은 비대칭 형상)인 상기 압입 성형 치구(30)를 사용하여 제조된 것이다. 더욱 상세히는, 이러한 상기 압입 성형 치구(30)를 도 5(B)와 같이 배치하였을 때 상기 몸체(45)에 도 8과 같은 비대칭 형상의 상기 요철(41)이 형성된 상기 Z-핀(40)이 만들어지게 된다. 이처럼 비대칭 요철을 가지는 Z-핀의 경우 복합재 내부로의 핀의 삽입을 쉽게 할 수 있고, 삽입 방향에 따른 인발력의 차이를 응용할 수 있는 장점이 있다.
도 6(C)에는, 상기 이빨(31)들 중 일부가 서로 상이한 형상으로 형성되되 하나하나의 상기 이빨(31)은 비대칭 형상으로 되어 있는 상기 압입 성형 치구(30) 형상의 한 예시가 도시되어 있다. 실제로는 상기 도 6(A) 또는 도 6(B)와 같은 형태의 상기 압입 성형 치구(30)를 사용하는 것으로 충분하겠으나, 특별한 목적이 있을 경우 원하는 필요에 따라 이처럼 상기 이빨(31) 형상을 자유롭게 변경 형성하여 상기 요철(41) 형상을 적절히 변경시킬 수 있다.
더불어, 도 5 등에 나타난 바와 같이 상기 압입 성형 치구(30) 한 쌍이 서로 마주보게 배치되어 한 세트(35)를 이루도록 하여 여러 세트(35)를 배치하는 경우, 각각의 상기 압입 성형 치구(30)들이 한 세트(35) 안에서, 또는 각 세트(35) 별로 동일 형상의 이빨(31)을 가지도록 할 수도 있고, 또는 필요에 따라 서로 다른 형상의 이빨(31)을 가지도록 할 수도 있다.
이처럼 본 발명의 제조 방법에 의해 표면에 요철 형상이 형성된 Z-핀을 실제로 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 적용하고, 종래의 방식으로 만들어지는 Z-핀과 함께 복합재와의 결합력을 일차적으로 측정하였다. 구체적으로는, 직경 0.5mm의 스테인레스강 재질의 Z-핀을 복합재 내부에 약 10mm 깊이로 삽입하고 Z-핀의 길이 방향으로 뽑으면서 인발력을 측정한 결과, 본 발명의 제조 방법으로 만들어진 요철 형상이 있는 Z-핀의 경우에는 요철 형상이 없는 경우에 비하여 그 결합력이 약 10배 정도로 향상되었다. 이처럼 본 발명의 제조 방법을 통해 그 표면에 요철 형상이 가공된 Z-핀을 사용하여, 복합재의 층간분리 특성을 향상시키거나 두 부재간의 접합력 향상을 위하여 Z-피닝 기술을 적용할 때, 그 성능이 비약적으로 향상됨을 실험적으로 확인할 수 있었다.
앞서 설명한 바와 같이 종래에는 대부분 Z-핀의 표면을 세척하고 화학적으로 부식시키거나 많은 수의 작은 쇠구슬을 충돌(shot peening)시켜 표면적을 넓히는 등의 표면 처리 방법을 사용하였으나, 본 발명에서는 Z-핀의 표면을 기계적으로 압입 가공하여 요철 형상으로 제작함으로써 그 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있었던 것이다. 본 발명의 제작 방법은 현재까지 연구되고 있는 모든 Z-피닝 기술에서 사용되고 있는 금속재 또는 복합재 Z-핀의 제작에 널리 적용이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 종래의 Z-핀
20: 요철이 형성된 Z-핀
21: 요철
30: 압입 성형 치구
31: 압입 성형 치구 세트
40: (본 발명의 가공 방법에 의하여 요철 형상이 형성된) Z-핀
41: (본 발명의 가공 방법에 의하여 형성된) 요철
45: (본 발명의 가공 방법에 의하여 요철 형상이 형성된 Z-핀의) 몸체
20: 요철이 형성된 Z-핀
21: 요철
30: 압입 성형 치구
31: 압입 성형 치구 세트
40: (본 발명의 가공 방법에 의하여 요철 형상이 형성된) Z-핀
41: (본 발명의 가공 방법에 의하여 형성된) 요철
45: (본 발명의 가공 방법에 의하여 요철 형상이 형성된 Z-핀의) 몸체
Claims (10)
- 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 사용되는 Z-핀을 제조하는 방법에 있어서,
압출 공정에 의하여 기둥 형상의 몸체(45)가 형성되는 단계;
상기 몸체(45)의 길이 방향과 회전 방향이 나란하게 배치되는 기어 형상의 압입 성형 치구(30)의 기어 이빨(31)이 상기 몸체(45) 표면에 압입되어 상기 몸체(45) 표면에 요철(41)이 형성되는 단계;
상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 압입 성형 치구(30)는
적어도 한 쌍이 상기 몸체(45)를 중심으로 하여 서로 마주보는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 압입 성형 치구(30)는
한 쌍이 상기 몸체(45)를 중심으로 하여 서로 마주보는 방향으로 배치되어 한 세트(35)를 이루며,
상기 세트(35)가 상기 몸체(45) 둘레에 복수 개 구비되되, 각각의 상기 세트(35)가 상기 몸체(45)의 축 방향에서 볼 때 서로 다른 각도를 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 압입 성형 치구(30)는
각각의 상기 세트(35)가 상기 몸체(45)의 축 방향에서 볼 때 서로 수직한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 압입 성형 치구(30)는
상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 복수 개의 상기 이빨(31)들이 서로 동일 형상으로 형성되거나, 또는
상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 복수 개의 상기 이빨(31)들 중 일부가 서로 상이한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 압입 성형 치구(30)는
상기 압입 성형 치구(30) 상에 형성되는 상기 이빨(31)이 대칭 형상 또는 비대칭 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 Z-핀 제조 방법은
상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단될 때, 상기 몸체(45)의 길이 방향에 대하여 경사진 미리 결정된 각도로 절단되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 Z-핀 제조 방법은
상기 몸체(45)가 미리 결정된 길이로 절단되는 단계 이후에, 절단된 상기 몸체(45)의 끝단부가 뾰족하게 가공되는 단계;
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀 제조 방법.
- 제 1항 내지 제 8항 중 선택되는 어느 한 항의 제조 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀.
- 제 9항에 있어서, 상기 Z-핀(40)은
금속재 또는 복합재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 요철 형상을 갖는 Z-핀.
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- 2013-07-17 KR KR1020130083925A patent/KR101415646B1/ko active IP Right Grant
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