KR101453214B1 - 복합소재 구조물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합소재 구조물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 복합소재 접합시키는 공정을 개선하여 접합부위의 강도를 향상시킨 복합소재 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다. 복합소재 구조물은 제1복합소재, 상기 제1복합소재의 일면과 맞닿아 있는 제2복합소재 및 상기 제1복합소재와 제2복합소재가 서로 맞닿아 있는 면 사이에 도포된 접착제에 의해 접합하는 접합층을 포함하고, 상기 접합층에 대해서 수직하게 형성된 홀에 접착제가 사출되며, 상기 접착제는 상기 홀을 채우는 동시에 경화되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성 및 방법으로, 복수의 복합소재를 접합하는 공정을 개선하여 복합소재 구조물의 접합부위 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 복합소재 접합하여 복합소재 구조물을 제조하는 공정을 간소화 하는 동시에 구조물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

복합소재 구조물 및 그 제조방법{Composite structure and method of manufacturing thereof}
본 발명은 복합소재 구조물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 복합소재 접합시키는 공정을 개선하여 접합부위의 강도를 향상시킨 복합소재 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래에는 일반적으로 경량인 재료로서 복합소재를 이용하여, 항공기, 우주 기기, 자동차 및 철도 등 여러 가지의 분야에서 다양한 방식으로 사용되고 있다. 특히, 복합소재는 경량의 재료이기 때문에, 여러 운송수단의 구조용 외장재 또는 내장재로 사용된다.
최근에는 복합소재가 항공기나 자동차 부품, 스포츠(sports), 레저(leisure) 와 같은 각종 산업분야에 있어서 넓게 이용되고 있다. 예를 들면, 복합소재는 탄소섬유나 유리섬유로 구성된 강화섬유에 에폭시 수지 또는 불포화폴리에스테르 등의 열경화성 수지를 함침시켜서, 패치화한 복합소재가 항공기용 재료나 자동차용 소재 등의 일반 공업재료 외에도, 예를 들면, 의료용 소재나 스포츠레저용도의 성형재료로서 넓게 이용되고 있다.
한편, 복합소재를 이용하여, 운송수단의 외관 또는 내부의 구조물을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 구조물들을 조립 또는 결합할 때 상처가 생기거나 손상될 수 있으며, 외부의 힘에 의해 일부분이 파손될 수 있다. 따라서, 손상부위 또는 파손부위에 복합소재의 강도가 저하되기 때문에 신속한 복구가 필요하다.
도1은 복합소재 구조물의 제조 또는 유지보수시 사용되는 종래의 복합소재 접합방법을 도시한 개념도이다.
먼저, 복합소재 구조물(10)에 형성된 파손부의 파손된 면을 절단장치를 이용하여 테이퍼 형태로 절단한다. 여기서, 복합소재 구조물(10)의 파손된 면을 테이퍼 형태로 절단함으로써, 파손된 면에 발생하는 응력집중 현상을 해소할 수 있다.
다음으로, 복합소재 구조물(10)의 파손된 일면에 백업부재(40)를 구비하고, 파손된 일면 및 백업부재(40)의 상면에 접착제(30) 또는 접착필름(30)을 도포한 뒤 복수의 복합소재 패치(20)를 적층한다.
복합소재 패치(20) 적층 후 복합소재 구조물(10)의 파손된 타면에 여분부재(50)를 설치하고, 진공백(Vaccm bag) 성형 기법을 이용하여, 복합소재 구조물(10)과 복합소재 패치(20) 사이에 형성된 접착제(30) 또는 접착필름(30)을 경화시켜, 복합소재 구조물(10)에 복합소재 패치(20)가 접착되도록 한다.
그런데, 종래의 복합소재 접합방법은 극한환경 또는 사고에 의해 복합소재 구조물이 충격을 받게 되면, 접합한 부분에서 기계적 파손이 먼저 발생될 수 있다. 따라서, 복합소재 구조물의 제조 또는 유지보수를 하는데 있어서, 접합부분의 기계적 강도를 향상시키는 연구가 필요하다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 복수의 복합소재를 접합하는 공정을 개선하여 복합소재 구조물의 접합부위 강도를 향상시킨 복합소재 구조물 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 복수의 복합소재 접합하여 복합소재 구조물을 제조하는 공정을 간소화 하는 동시에 구조물의 기계적 특성을 향상시키는 복합소재 구조물 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른, 복합소재 구조물은 제1복합소재, 상기 제1복합소재의 일면과 맞닿아 있는 제2복합소재 및 상기 제1복합소재와 제2복합소재가 서로 맞닿아 있는 면 사이에 도포된 접착제에 의해 접합하는 접합층을 포함하고, 상기 접합층에 대해서 수직하게 형성된 홀에 접착제가 사출되며, 상기 접착제는 상기 홀을 채우는 동시에 경화되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른, 상기 접착제는 단섬유가 함침된 액상 접착제인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른, 상기 접착제는 자외선(UV)에 의해 경화되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른, 상기 제1또는 제2복합소재는 프리프레그인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른, 상기 홀은 레이저 가공을 통해 복수개가 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 복합소재구조물 제조방법은 제1복합소재와 제2복합소재가 서로 맞닿이는 면에 접착제를 도포 및 경화 시켜 상기 제1복합소재와 상기 제2복합소재를 접합하는 접합층을 형성하는 1차 접합단계, 상기 1차 접합단계 후 상기 제1복합소재와 상기 제2복합소재 상에 상기 접합층에 대해서 수직하게 홀을 형성하는 홀 가공단계, 가공된 상기 홀에 접착소재를 사출 방식으로 채움으로써, 상기 제1복합소재와 상기 제2복합소재를 접합하는 2차 접합단계 및 상기 접착제를 경화시키는 경화단계를 포함한다.
다른 실시예에 따른, 상기 접착제는 단섬유가 함침된 액상 접착제인 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른, 상기 경화단계는 자외선(UV)을 이용하여 상기 접착제를 경화시키는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른, 상기 제1또는 제2복합소재는 프리프레그인 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른, 상기 홀은 레이저 가공을 통해 복수개가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성 및 방법으로, 복수의 복합소재를 접합하는 공정을 개선하여 복합소재 구조물의 접합부위 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 복합소재 접합하여 복합소재 구조물을 제조하는 공정을 간소화 하는 동시에 구조물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 복수의 복합소재를 접합하는 공정을 개선하여 복합소재 구조물의 접합부위 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 복수의 복합소재 접합하여 복합소재 구조물을 제조하는 공정을 간소화 하는 동시에 구조물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
도1은 복합소재 구조물의 제조 또는 유지보수시 사용되는 종래의 복합소재 접합방법을 도시한 개념도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 구조물을 도시한 단면도이다.
도3은 도2에서 접착소재가 배향되는 원리를 간략하게 도시한 확대도이다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재 구조물 제조방법을 간략하게 도시한 구성도이다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재 구조물 제조방법을 간략하게 도시한 순서도이다.
이하, 도 2 내지 도5를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 복합소재 구조물 및 그 제조방법에 대해서 자세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 구조물을 도시한 단면도이고, 도3은 도2에서 접착소재가 배향되는 원리를 간략하게 도시한 확대도이고, 도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재 구조물 제조방법을 간략하게 도시한 구성도이고, 도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재 구조물 제조방법을 간략하게 도시한 순서도이다.
도2 내지 도3을 참고하면, 복합소재 구조물은 제1복합소재(100), 상기 제1복합소재(100)의 일면과 맞닿아 있는 제2복합소재(200) 및 상기 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)가 서로 맞닿아 있는 면 사이에 도포된 접착제에 의해 접합하는 접합층(300)을 포함하고, 상기 접합층(300)에 대해서 수직하게 형성된 홀(410)에 접착소재(400)가 사출되며, 접착소재(400)는 상기 홀(410)을 채우는 동시에 경화되는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 제1복합소재(100) 또는 제2복합소재(200)는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 프리프레그는 섬유 강화 복합재료용의 중간 기재로, 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료이며, 상기 프리프레그를 적층하여 가열·가압하여 수지를 경화시키는 것으로 제1복합소재(100) 또는 제2복합소재(200)를 형성할 수 있다. 또한, 프리프레그는 강화섬유의 형태에 따라 일방향 프리프레그와 크로스 프리프레그로 구분되며, 사용조건에 따라 적절한 것으로 선택하여 사용할 수 있다.
제1복합소재(100)와 제2복합소재(200) 접합시 각각의 복합소재(100,200) 접합면에 표면처리를 수행하여, 상기 접합면의 이물질을 제거하고, 각각 접합면 상에 접착제를 도포하여, 접합층(300)을 형성하여, 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)를 2차원 구조로 접합할 수 있다. 여기서, 상기 접합층(300)은 접착제로 형성되는 것으로 한정하는 것은 아니며, 접착제와 유사한 성능을 가진 접착필름이 사용될 수 있다.
제1복합소재(100)와 제2복합소재(200) 사이에 접합층(300)을 형성한 후 레이저(500) 가공을 통해 접합층(300)에 대해서 수직하게 형성된 홀(410)을 형성하며, 상기 홀(410)에 접착소재(400)를 투입입하여 사출방식으로 상기 홀(410)을 채울 수 있다. 여기서, 상기 홀(410)은 레이저(500) 가공을 통해 복수개가 형성될 수 있다.
상기 홀(410)에 접착소재(400)를 채운 후 접착소재(400)를 경화시킬 수 있다. 여기서, 접착소재(400)는 단섬유가 함침된 액상 접착제가 사용될 수 있다. 또한, 접착소재(400)는 자외선 경화형 접착제로써, 자외선 조사기(600)를 통해 방출하는 자외선에 의해 접착소재(400)를 경화시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 접착소재(400)가 홀(410)에 투입되어, 배향되는 원리에 대해서 자세히 설명한다.
접착소재(400)가 레이저(500) 가공을 통해 형성된 홀(410)에 투입될 때, 단섬유가 함침된 액상의 접착소재(400)가 직경이 작은 미세관인 홀(410)에 투입되면서 경계층 원리에 의하여 플로팅 파이버(floating fiber)에 전단응력이 발생하게 되고, 이로 인해 접착소재(400)에 함침된 단섬유에 회전 모멘트가 발생하여, 단섬유가 홀(410) 벽면과 나란히 배열되는 효과가 발생한다. 따라서, 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)가 적층되는 방향에 대해서 수직인 방향으로 단섬유들이 배향됨으로써, 접착소재(400)가 3차원 구조로 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)를 접합할 수 있다.
한편, 도4 내지 도5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합소재 구조물 제조방법에 대해서 자세히 설명한다.
도4 내지 도5를 참고하면, 복합소재구조물 제조방법은 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)가 서로 맞닿이는 면에 접착제를 도포 및 경화 시켜 상기 제1복합소재(100)와 상기 제2복합소재(200)를 접합하는 접합층(300)을 형성하는 1차 접합단계(S10), 상기 1차 접합단계(S10) 후 상기 제1복합소재(100)와 상기 제2복합소재(200) 상에 상기 접합층(300)에 대해서 수직하게 홀(410)을 형성하는 홀 가공단계(S20), 가공된 상기 홀(410)에 접착소재(400)를 사출 방식으로 채움으로써, 상기 제1복합소재(100)와 상기 제2복합소재(200)를 접합하는 2차 접합단계(S30) 및 상기 접착제를 경화시키는 경화단계(S40)를 포함한다.
먼저, 1차 접합단계(S10)는 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)를 접합하는 접합층(300)을 형성하는 것으로써, 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)가 서로 맞닿이는 면에 각각 표면처리를 수행하여, 이물질을 제거한다. 이물질이 제거된 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)가 맞닿이는 면에 접착제 또는 접착필름을 도포하여, 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200) 사이에 2차원 구조의 접합층(300)을 형성할 수 있다.
여기서, 제1복합소재(100) 또는 제2복합소재(200)는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 프리프레그는 섬유 강화 복합재료용의 중간 기재로, 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료이며, 상기 프리프레그를 적층하여 가열·가압하여 수지를 경화시키는 것으로 제1복합소재(100) 또는 제2복합소재(200)를 형성할 수 있다. 또한, 프리프레그는 강화섬유의 형태에 따라 일방향 프리프레그와 크로스 프리프레그로 구분되며, 사용조건에 따라 적절한 것으로 선택하여 사용할 수 있다.
다음으로, 홀 가공단계(S20)는 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)를 접합하는 접합층(300)을 형성한 복합소재 구조물에서 접합층(300)에 대해서 수직하게 홀(410)을 형성한다. 여기서, 홀(410)은 레이저(500) 가공에 의해 복수개가 형성된다. 또한, 복수개의 홀(410)은 일정한 간격을 유지한 상태에서 제1복합소재(100), 접합층(300) 및 제2복합소재(200)를 수직하게 관통하여 형성될 수 있다. 또한, 형성된 홀(410) 일측에 마개(420)가 구비되며, 상기 마개(420)에 의해 홀(410)의 일측을 밀봉할 수 있다.
상기 홀(410)의 일측을 밀봉 후 2차 접합단계(S30)는 주입기를 통해 사출방식으로 접착소재(400)를 홀(410)에 채워 넣을 수 있다. 홀(410) 내부가 접착소재(400)로 가득 차면, 홀(410) 타측에 다른 마개(420)를 이용하여 밀봉할 수 있다. 여기서, 상기 접착소재(400)는 단섬유가 함침된 액상 접착제가 사용될 수 있다. 또한, 접착소재(400)는 자외선 경화형 접착제로써, 자외선 조사기(600)를 통해 방출하는 자외선에 의해 접착소재(400)를 경화시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 접착소재(400)가 홀(410)에 투입되어, 배향되는 원리에 대해서 자세히 설명한다.
접착소재(400)가 레이저(500) 가공을 통해 형성된 홀(410)에 투입될 때, 단섬유가 함침된 액상의 접착소재(400)가 직경이 작은 미세관인 홀(410)에 투입되면서 경계층 원리에 의하여 플로팅 파이버(floating fiber)에 전단응력이 발생하게 되고, 이로 인해 접착소재(400)에 함침된 단섬유에 회전 모멘트가 발생하여, 단섬유가 홀(410) 벽면과 나란히 배열되는 효과가 발생한다. 따라서, 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)가 적층되는 방향에 대해서 수직인 방향으로 단섬유들이 배향됨으로써, 접합소재가 3차원 구조로 제1복합소재(100)와 제2복합소재(200)를 접합할 수 있다.
그 다음으로, 경화단계(S40)는 2차 접합단계(S30)에서 홀(410) 내부에 메운 접착소재(400)를 자외선 조사기(600) 통해 자외선(UV)을 조사하여, 상기 접착소재(400)를 급속히 경화할 수 있다.
이와 같은 구성 및 방법으로, 복수의 복합소재를 접합하는 공정을 개선하여 복합소재 구조물의 접합부위 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 복합소재 접합하여 복합소재 구조물을 제조하는 공정을 간소화 하는 동시에 구조물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 제1복합소재 500: 레이저
200: 제2복합소재 600: 자외선 조사기
300: 접합층 S10: 1차 접합 단계
400: 접착소재 S20: 홀 가공 단계
410: 홀 S30: 2차 접합 단계
420: 마개 S40: 경화 단계

Claims (10)

  1. 제1복합소재;
    상기 제1복합소재의 일면과 맞닿아 있는 제2복합소재; 및
    상기 제1복합소재와 제2복합소재가 서로 맞닿아 있는 면 사이에 도포된 접착제에 의해 접합하는 접합층;
    을 포함하고,
    상기 접합층에 대해서 수직하게 형성된 홀에 접착소재가 사출되며, 상기 접착소재는 상기 홀을 채우는 동시에 경화되는 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접착소재는 단섬유가 함침된 액상 접착제인 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착소재는 자외선 경화형 접착제로써, 자외선(UV)에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1또는 제2복합소재는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 홀은 레이저 가공을 통해 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물.
  6. 복합소재구조물 제조방법에 있어서,
    제1복합소재와 제2복합소재가 서로 맞닿이는 면에 접착제를 도포 및 경화 시켜 상기 제1복합소재와 상기 제2복합소재를 접합하는 접합층을 형성하는 1차 접합단계:
    상기 1차 접합단계 후 상기 제1복합소재와 상기 제2복합소재 상에 상기 접합층에 대해서 수직하게 홀을 형성하는 홀 가공단계;
    가공된 상기 홀에 접착소재를 사출 방식으로 채움으로써, 상기 제1복합소재와 상기 제2복합소재를 접합하는 2차 접합단계; 및
    상기 접착소재를 경화시키는 경화단계;
    를 포함하는 복합소재구조물 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접착소재는 단섬유가 함침된 액상 접착제인 것을 특징으로 하는 복합소재구조물 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 경화단계는 자외선(UV)을 이용하여 상기 접착소재를 경화시키는 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1또는 제2복합소재는 프리프레그(Prepreg : 수지 침투 가공재)인 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 홀은 레이저 가공을 통해 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재 구조물 제조방법.
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