KR101507363B1 - 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 및 상기 장치에 의하여 제작된 꼬인 형태의 복합재 로드 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합을 위한 Z-핀으로서 활용 가능한 복합재 로드를 제조하되, 상기 복합재 로드의 표면에 경제적이면서도 효과적으로 요철이 형성될 수 있도록 제조할 수 있는, 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 및 상기 장치에 의하여 제작된 꼬인 형태의 복합재 로드를 제공함에 있다.

Description

꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 및 상기 장치에 의하여 제작된 꼬인 형태의 복합재 로드 {Apparatus and method for manufacturing composite twisted rod, and the composite twisted rod manufactured using the apparatus}

본 발명은 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 및 상기 장치에 의하여 제작된 꼬인 형태의 복합재 로드에 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.

한편 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.

1. 미국특허등록 제4,808,461호(1989.02.28) 2. 미국특허등록 제5,186,776호(1993.02.16) 3. 미국특허등록 제5,589,015호(1996.12.31) 4. 미국특허등록 제5,667,859호(1997) 5. 미국특허등록 제5,800,672호(1998) 6. 미국특허등록 제5,919,413호(1999) 7. 미국특허등록 제6,190,602호(2001) 8. 미국특허등록 제6,291,049호(2001) 9. 미국특허등록 제6,405,417호(2002) 10. 미국특허등록 제6,436,507호(2002) 11. 한국특허등록 제0932302호(2009.12.08)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합을 위한 Z-핀으로서 활용 가능한 복합재 로드를 제조하되, 상기 복합재 로드의 표면에 경제적이면서도 효과적으로 요철이 형성될 수 있도록 제조할 수 있는, 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 및 상기 장치에 의하여 제작된 꼬인 형태의 복합재 로드를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 방법은, 쓰레드(510)가 감겨진 권출수단(111)과, 각각이 상기 권출수단(111)을 내장하여 일측 끝단으로 상기 쓰레드(510)를 인출하도록 형성되며 서로 나란하게 배치되는 복수 개의 인출수단(112)을 포함하여 이루어지며, 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각 및 전체가 미리 결정된 궤적을 따라 회전 또는 이동함으로써 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 미리 결정된 형태로 엮어 쓰레드 엮음체(520)로 형성하여 배출하는 엮음부(110); 다이(121)와, 상기 다이(121) 내부에 구비되며 상기 쓰레드 엮음체(520)와 직접 접촉하여 압축하는 압축수단(122)과, 상기 다이(121) 내부에 구비되며 상기 쓰레드 엮음체(520)에 열을 가하는 가열수단(123)을 포함하여 이루어져, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 압축 및 가열하여 인발하는 인발부(120); 상기 인발부(120)에서 압축 및 가열되어 배출된 상기 쓰레드 엮음체(520)를 인장하여 복합재 로드(500)로 형성시키는 인장부(130); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 쓰레드(510)는, 탄소 섬유 다발로 이루어지는 얀(yarn) 또는 일방향 또는 직조된 강화 섬유에 수지가 예비 함침된 프리프레그(prepreg)일 수 있다. 또한 이때 상기 엮음부(110)는, 상기 쓰레드(510)가 얀일 경우, 함침용 수지를 수용하며 상기 권출수단(111) 및 상기 인출수단(112)의 인출부 사이에 구비되어 상기 쓰레드(510)를 통과시키는 함침수단(114)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 압축수단(122)은, 상기 쓰레드 엮음체(520)의 직경보다 작은 직경의 통공을 가지는 탄성재로 이루어져, 상기 통공으로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키도록 이루어질 수 있다.

또는 상기 압축수단(122)은, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키는 통공이 구비되며, 압력에 따라 부피가 변화 가능하도록 형성되는 압력팩으로 이루어질 수 있다.

또는 상기 압축수단(122)은, 표면이 탄성을 가지는 재질로 이루어지며 서로 밀접 배치되어 상기 쓰레드 엮음체(520)의 진행 방향으로 회전하는 적어도 한 쌍의 롤러로 이루어져, 적어도 한 쌍의 상기 롤러 사이로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키도록 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 의한 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 방법은, 상술한 바와 같은 장치를 이용하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 방법에 있어서, a) 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각에 각각 상기 쓰레드(510)가 감긴 복수 개의 상기 권출수단(111)이 수용되는 단계; b) 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각 및 전체가 미리 결정된 궤적을 따라 회전 또는 이동함으로써 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 미리 결정된 형태로 엮어 쓰레드 엮음체(520)로 형성되는 단계; c) 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 인발부(120)를 통과하면서 압축 및 가열되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 형성하는 복수 개의 상기 쓰레드(510)들이 부착되어 인발되는 단계; d) 상기 인발부(120)에서 배출된 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 인장부(130)에 의하여 인장되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 형성하는 복수 개의 상기 쓰레드(510)들이 결합되어 상기 복합재 로드(500)로 형성되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 복합재 로드 제조 방법은, 상기 쓰레드(510)가 얀일 경우, 상기 복합재 로드 제조 장치(100)가 함침용 수지를 수용하며 상기 권출수단(111) 및 상기 인출수단(112)의 인출부 사이에 구비되어 상기 쓰레드(510)를 통과시키는 함침수단(114)을 더 포함하여 이루어지며, 상기 a) 단계와 상기 b) 단계 사이에, 상기 쓰레드(510)가 상기 함침수단(114)을 통과하여 상기 쓰레드(510)에 수지가 함침되는 단계; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드는, 상술한 바와 같은 장치 또는 방법에 의하여 만들어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드를 복합재 적층 구조물의 적층 방향 결합에 사용되는 Z-핀으로 활용할 경우, 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 복합재 로드 표면에 효과적인 요철을 형성하는 것이 가능하기 때문에, 요철 형성을 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 발명의 복합재 로드 제조 장치의 한 실시예의 상면도.
도 4는 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인발부의 한 실시예.
도 5는 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인발부의 다른 실시예.
도 6은 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인장부의 실시예.
도 7은 본 발명의 복합재 로드의 원재료가 되는 쓰레드의 여러 실시예.
도 8은 본 발명에 의한 꼬인 형태의 복합재 로드의 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 및 상기 장치에 의하여 제작된 꼬인 형태의 복합재 로드를 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.

한편 일반적으로 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 사용되는 Z-핀은 복합재 로드를 적절한 길이로 절단하는 식으로 만들어지며, 이러한 복합재 로드 자체는 수많은 탄소 섬유를 합치고 에폭시 수지를 함침시켜 인발 성형하여 만들어진다. 일반적으로 섬유 강화 폴리머 복합재에 사용되는 탄소 섬유의 직경은 5~7μm 정도로 매우 미세하며, Z-핀은 0.2~0.7mm 정도의 직경을 가진다. 또한 상용화된 제품으로서의 탄소 섬유는, 1000가닥/3000가닥/6000가닥/12000가닥/24000가닥이 한 다발로 합쳐 나오되 각각을 1K, 3K, 6K, 12K, 24K 얀(yarn)이라고 호칭하는 것이 일반적으로 통용되고 있다. 한 예시로서, 탄소 섬유의 직경이 7μm라고 하면, 1K 또는 3K 얀에 에폭시 수지를 함침시켜 인발 성형하면 0.28mm 또는 0.5mm 정도의 복합재 로드를 얻을 수 있다. 이렇게 만들어진 복합재 로드를 적당한 길이로 절단하고 끝단부를 뾰족하게 가공함으로써 Z-핀으로서의 제작이 완료되게 된다.

이처럼 Z-핀의 원자재가 되는 복합재 로드는 직경 0.5mm 정도로 상당히 미세한 크기에 속한다. 또한 상술한 바와 같은 종래의 제작 방법으로부터 알 수 있듯이, 종래의 방법으로 만들어지는 복합재 로드는 그 단면이 원형에 가깝고 표면이 매끈하여 굴곡이 없는 형상을 가지고 있다. 이러한 복합재 로드에 요철을 형성하고자 할 때, 상술한 바와 같이 복합재 로드의 직경이 0.5mm 정도로 상당히 미세하고, 또한 3,000가닥 정도의 가느다란 강화 섬유 다발이 나란한 방향으로 정렬되어 수지와 함께 일체로 성형되기 때문에, 복합재 로드의 표면에 요철 형상을 만들기 위하여 일반 금속재 로드에 적용하는 방법인 소성가공이나 절삭가공 등의 일반 기계적 가공방법을 적용하기 곤란하다. 만일, 복합재 로드에 일반 기계적 가공 방법을 적용하면, 복합재 소재의 특성상 로드를 구성하는 강화 섬유가 깨질 수밖에 없고, 이는 복합재 로드의 특성을 매우 취약하게 하기 때문에 이러한 기계적 가공방법을 복합재 로드에 그대로 적용할 수는 없다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해소하고 복합재 Z-핀의 원자재로 활용될 수 있는 복합재 로드 표면에 요철을 형성할 수 있도록 하는, 꼬인 형태의 복합재 로드를 제조하는 장치 및 방법을 제시하며, 물론 이에 따라 만들어진 복합재 로드도 제시한다. 도 3은 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 한 실시예의 상면도이고, 도 4는 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인발부의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인발부의 다른 실시예이고, 도 6은 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인장부의 실시예이고, 도 7은 본 발명의 복합재 로드의 원재료가 되는 쓰레드의 여러 실시예이고, 도 8은 본 발명에 의한 꼬인 형태의 복합재 로드의 실시예이다. 도 3 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법, 그리고 이러한 꼬인 형태의 복합재 로드에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치(100)는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 기본적으로 엮음부(110), 인발부(120), 인장부(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 엮음부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이 권출수단(111), 인출수단(112)을 포함하여 이루어지며, 경우에 따라 안내수단(113)이나 함침수단(114)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 권출수단(111)은 (본 발명에서 최종적으로 제작하고자 하는) 꼬인 형태의 복합재 로드(500)의 원재료가 되는 쓰레드(510)가 감겨지는, 말하자면 실패와 같은 부품이다. 도 3에서는 (도 3을 기준으로) 상기 권출수단(111)이 상기 인출수단(112)의 연장 방향과 나란한 방향으로 연장되는 형태로 이루어지며 또한 그 연장 방향으로 배치되어, 상기 권출수단(111)에 상기 쓰레드(510)가 가로 방향(즉 연장 방향을 축으로 한 원주 방향)으로 감겨지며 세로 방향(즉 연장 방향)으로 풀려나가는 것으로 도시되어 있는데, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 한 예로 도 3과는 달리 상기 권출수단(111)이 가로 방향으로 배치되도록 하고 상기 쓰레드(510)가 세로 방향으로 풀려나가도록 할 수도 있다. 그런데 이와 같이 할 경우에는 부피적인 제한 때문에 상기 권출수단(111)에 감길 수 있는 상기 쓰레드(510)의 최대량이 상당히 줄어들 수밖에 없으며, 따라서 도 3에 도시된 것처럼 배치하는 것이 보다 바람직하다.

상기 인출수단(112)은 도시된 바와 같이 상기 엮음부(110)에 복수 개가 구비된다. 즉 상기 인출수단(112)은 최소 2개(도 3)가 구비되며, 3개, 4개, 그 이상이 구비될 수도 있다. 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각에는 상기 권출수단(111)이 내장되며, 도 3에 도시된 바와 같이 일측 끝단으로 상기 쓰레드(510)를 인출하도록 되어 있다. 또한 복수 개의 상기 인출수단(112)은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 나란하게 배치되어 있게 된다.

상기 안내수단(113)은 상기 복수 개의 상기 인출수단(112)에서 인출된 복수 개의 상기 쓰레드(510)를 지지 및 안내하는 역할을 한다. 도 3은 개념도이므로 상기 안내수단(113)이 매우 간략하게 도시되었으나, 상기 안내수단(113)은 링 형태로 형성되어 상기 쓰레드(510)들의 움직임을 어느 방향에서든 지지할 수 있도록 되는 것이 바람직하다. 상기 안내수단(113)은 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 엉키거나 정위치를 이탈하지 않고 원활하게 진행할 수 있도록 안내해 주는 부가적인 역할을 하는 것으로, 반드시 구비되지는 않아도 무방하다.

상기 함침수단(114)은 상기 쓰레드(510)의 종류에 따라 구비될 수도 있고 구비되지 않을 수도 있다. 상술한 바와 같이 상기 쓰레드(510)는 본 발명에서 최종적으로 제작하고자 하는 꼬인 형태의 복합재 로드(500)의 원재료가 되는 것으로서, 구체적으로는 상기 쓰레드(510)는, 탄소 섬유 다발로 이루어지는 얀(yarn) 또는 일방향 또는 직조된 강화 섬유에 수지가 예비 함침된 프리프레그(prepreg) 등이 될 수 있다. 도 7은 본 발명의 복합재 로드의 원재료가 되는 쓰레드의 여러 실시예를 도시하고 있는데, 도 7(A)가 바로 상기 쓰레드(510)가 얀인 경우로, 매우 가느다란 섬유 가닥들이 수없이 모여 다발을 이루고 있는 형태로 된 것을 알 수 있다. 도 7(B)는 상기 쓰레드(510)가 프리프레그인 경우이다. 프리프레그 자체가 섬유들이 일방향으로 배열되거나 또는 직조된 상태에서 수지가 예비적으로 함침되어 이루어지는 것인 바, 프리프레그는 단면이 원형인 섬유 형상으로 될 수도 있고, 또는 납작한 리본이나 테이프 형상으로 될 수도 있으며, 대부분의 통용되는 프리프레그는 테이프 형태로 제작되어 공급되고 있다. 도 7(B)에는 섬유들이 직조된 상태로서 전체 형상이 납작한 테이프 형상으로 된 프리프레그의 예시가 도시되어 있다.

이 때 상기 쓰레드(510)가 프리프레그인 경우라면 이미 수지가 예비적으로 함침되어 있기 때문에 차후에 여러 쓰레드 가닥들이 서로 부착되어 결합되도록 하기 용이하나, 상기 쓰레드(510)가 얀인 경우에는 그렇지 않다. 따라서 상기 쓰레드(510)가 얀인 경우에는 상기 쓰레드(510)에 수지를 함침시켜 줄 필요가 있는데, 상기 함침수단(114)에 의해 비로소 이것이 실현될 수 있다. 즉 상기 함침수단(114)은 도시된 바와 같이 함침용 수지를 수용하며, 또한 상기 권출수단(111) 및 상기 인출수단(112)의 인출부 사이에 구비되어 있음으로써, 상기 쓰레드(510)가 상기 함침수단(114)을 통과하는 과정에서 자연스럽게 상기 쓰레드(510)에 수지가 함침되도록 하는 것이다.

이와 같이 권출수단(111), 인출수단(112)( 및 안내수단(113), 함침수단(114))을 포함하여 이루어지는 상기 엮음부(110)는, 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각 및 전체가 미리 결정된 궤적을 따라 회전 또는 이동함으로써 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 미리 결정된 형태로 엮어지도록 한다. 도 3에는 상기 인출수단(112)이 2개 구비된 예시가 도시되어 있는데, 이 경우에는 상기 인출수단(112)은 도 3의 둥근 화살표로 표시된 바와 같이 상기 인출수단(112) 각각이 회전함과 동시에 상기 엮음부(110) 전체가 상기 인출수단(112)의 회전 방향의 반대 방향으로 회전하는, 즉 새끼 꼬는 방식으로 회전함으로써 2개의 상기 쓰레드(510)가 새끼꼬임 형태로 엮이도록 할 수 있다. 도 8은 본 발명에 의한 꼬인 형태의 복합재 로드의 실시예들을 도시하고 있는데, 도 8(A)의 예시가 바로 이런 식으로 엮인 경우를 도시한다. 또는, 상기 인출수단(113)이 3개 구비되는 경우에는, 상기 인출수단(112) 각각이 회전함과 동시에 일반적인 머리카락 땋기 방식에 따라 3개의 상기 인출수단(112)들이 이동하도록 이루어질 수도 있다. 이 경우에는 상기 쓰레드(510)들은, 최종적으로는 도 8(B)의 예시와 같이 일반적인 머리카락 땋기 형상으로 만들어지게 된다. 물론 상기 인출수단(112)이 4개 또는 그 이상이 될 수도 있으며, 그 꼬거나 땋는 방식은 공지되어 있는 여러 엮음 방식 중 적절한 것이 선택되어 사용될 수 있다. 이와 같이 상기 엮음부(110)는, 복수 개의 상기 인출수단(112)에서 배출되는 복수 개의 상기 쓰레드(510)들을 엮어서 쓰레드 엮음체(520)로 형성하여 배출하게 된다.

상기 인발부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 다이(121), 압축수단(122), 가열수단(123)을 포함하여 이루어진다.

상기 다이(121)는 상기 인발부(120)의 몸체에 해당한다.

상기 압축수단(122)은 상기 다이(121) 내부에 구비되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)와 직접 접촉하여 상기 쓰레드 엮음체(520)를 압축하게 된다. 도 4는 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인발부의 한 실시예의 단면도를 간략하게 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인발부의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 4 및 도 5에 나타난 상기 인발부(120)의 여러 실시예 각각을 이하 보다 상세히 설명한다.

도 4에는 상기 압축수단(122)이 일체로 되어 있어 가운데 형성된 통공으로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키면서 압축을 가하는 형태로 된 상기 압축수단(122)의 실시예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 상기 다이(121)는 상기 압축수단(122)의 바깥쪽에서 상기 압축수단(122)을 압축하는 방향으로 힘을 가하는 역할을 하며, 상기 압축수단(122)의 중심에는 (도 4(A)에 도시된 바와 같이) 통공이 형성되어 (도 4(B)에 도시된 바와 같이) 그 통공으로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시킴으로써, 결과적으로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 압축하는 힘을 가하는 역할을 하게 된다. 이처럼 상기 쓰레드 엮음체(520)에 압축력을 가해 줌으로써, 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 상기 엮음부(110)에 의해 엮이는 과정에서 발생할 수 있었던 쓰레드 간의 틈새(기공) 등이 제거될 수 있게 된다.

도 4의 실시예에서 상기 압축수단(122)은, 상기 쓰레드 엮음체(520)의 직경보다 작은 직경의 통공을 가지는 탄성재로 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 통공으로 상기 쓰레드 엮음체(520)가 삽입되면 (상기 압축수단(122)은 탄성재로 이루어져 있으므로) 복원력의 작용으로써 상기 쓰레드 엮음체(520)를 압축하는 힘을 가하게 되는 것이다. 이 때 상기 압축수단(122)이 도 4의 예시로서 도시되어 있는 바와 같이 원형으로 형성됨으로써, 등방적으로 상기 쓰레드 엮음체(520)에 압축력을 가할 수 있다.

도 4의 실시예에서 또는 상기 압축수단(122)은, 압력에 따라 부피가 변화 가능하도록 형성되는 압력팩으로 이루어질 수도 있다. 이 경우에는 상기 압축수단(122)에는 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키는 통공이 구비되기는 하되 상기 통공의 크기가 상기 쓰레드 엮음체(520)보다 반드시 작아야 할 필요는 없다. 이 경우에는 상기 압축수단(122)이 압력팩으로 이루어지므로, 압력팩에 입력하는 압력 크기를 원하는 대로 조절할 수 있음으로써, 결과적으로 상기 쓰레드 엮음체(520)에 가하는 압축력을 원하는 대로 조절할 수 있게 된다.

도 5에는 상기 압축수단(122)이 일체가 아니라 적어도 한 쌍의 롤러로 이루어져 그 사이로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시킴으로써 압축하는 실시예가 도시되어 있다. 도 5(A)에는 상기 압축수단(122)이 한 쌍의 롤러로 이루어지는 예시가, 도 5(B)에는 상기 압축수단(122)이 서로 직교하는 방향으로 배치되는 두 쌍의 롤러로 이루어지는 예시가 도시되어 있다. 물론 이러한 롤러 쌍의 개수는 더 많아져도 무관하다.

상기 압축수단(122)을 구성하는 한 쌍의 상기 롤러는 표면이 탄성을 가지는 재질로 이루어지며 서로 밀접 배치되어, 상기 롤러 사이로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시킨다. 이에 따라 한 쌍의 상기 롤러가 서로 밀접하면서 작용하는 압력에 의하여 상기 쓰레드 엮음체(520)가 압축력을 받게 되는 것이다.

한편 도 4의 실시예와 같은 경우 전 방향에서 압축력을 가할 수 있는 장점이 있는 반면 상기 쓰레드 엮음체(520)에 가해지는 압축력 때문에 한편으로는 상기 쓰레드 엮음체(520)와 상기 압축수단(122) 사이에 상당히 높은 마찰력이 작용하게 되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 인발하는 데 필요한 인발 하중이 상당히 높아지게 될 우려가 있다. 이 때 도 5의 실시예와 같이 상기 압축수단(122)을 구성할 경우, 상기 롤러는 상기 쓰레드 엮음체(520)의 진행 방향으로 회전하도록 이루어지도록 하여 이러한 마찰력을 상당히 감소시킬 수 있다. 즉 이와 같이 됨으로써 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 압축수단(122)을 통과할 때 상기 압축수단(122)과 상기 쓰레드 엮음체(520) 사이에서 발생할 수 있는 과도한 마찰력의 크기를 감소시켜 안정되게 상기 쓰레드 엮음체(520)의 인출이 가능하도록 할 수 있는 것이다.

상기 가열수단(123) 역시 상기 다이(121) 내부에 구비되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)에 열을 가하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 쓰레드(510)는, 그 자체가 프리프레그로 됨으로써 수지가 미리 함침되어 있거나 또는 그 자체는 얀이되 상기 함침수단(114)을 통과함으로써 수지가 함침된 상태로 엮이게 된다. 즉 상기 쓰레드(510)의 원래 재질이 무엇이었든지 간에, 상기 쓰레드 엮음체(520)는 섬유 및 수지의 복합체로 되어 있는 것이다. 이 때, 상기 압축수단(122)이 압축력을 가해 줌으로써 상기 쓰레드 엮음체(520)가 꽉 눌리는 과정에서 상기 가열수단(123)이 열을 가해 주게 되면, 상기 쓰레드 엮음체(520)에 포함되어 있던 수지가 적절하게 녹으면서 상기 쓰레드 엮음체(520)의 엮인 조직 사이사이로 보다 잘 스며들거나 또는 상기 쓰레드 엮음체(520) 외피를 균등하게 감싸게 된다. 또한 이러한 과정에서, 상기 쓰레드(510)에 초과적으로 함침된 수지가 적절하게 제거될 수 있다.

이와 같이 상기 인발부(120)는, 상기 압축수단(122)에 의하여 상기 쓰레드 엮음체(520)가 압축되도록 하고, 이와 동시에 상기 가열수단(123)에 의하여 상기 쓰레드 엮음체(520)를 가열하여 이에 포함되어 있던 수지를 적절히 녹여주고 종국적으로는 수지를 단단하게 성형되게 해줌으로써, 최종적으로는 복합재 로드(500)를 제작하는 역할을 하게 된다. 일반적으로 복합재 로드를 구성하는 열경화성 수지는 상온보다 높은 일정 온도에서는 수지의 점성이 낮아지고, 더욱 온도가 상승하게 되면 수지가 단단하게 경화되는 성격을 갖는다. 이에 반하여 열가소성 수지는 열을 가하면 점차 부드러워지고, 온도가 낮아지면 딱딱해지는 성격을 갖는다.

상기 인장부(130)는 상기 인발부(120)에서 압축 및 가열되어 배출된 상기 쓰레드 엮음체(520)를 인장하여 복합재 로드(500)로 형성시키는 역할을 한다. 상기 쓰레드 엮음체(520)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 인발부(120) 내 상기 압축수단(122)에 의하여 압축되면서 진행하게 되므로, 실질적으로 상기 압축수단(122)와 상기 쓰레드 엮음체(520) 간에 상당히 큰 마찰력이 발생하게 된다. 이 때 상기 인장부(130)가 상기 인발부(120)로부터 배출되는 상기 쓰레드 엮음체(520)를 적절한 힘을 가해 인장하면서 잡아당겨 줌으로써, 즉 상기 인장부(130)는 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 인발부(120)로부터 원활하게 배출될 수 있도록 하는 역할을 하게 되는 것이다. 또한 상기 인발부(120)에서 배출된 직후의 상기 복합재 로드(500)는 중력 등에 의하여 휘어지거나 하기 쉬우나, 상기 인장부(130)가 상기 복합재 로드(500)를 팽팽하게 당겨 줌으로써 상기 복합재 로드(500)가 구부러지지 않고 똑바로 펴진 형태로 형성될 수 있게 된다.

상기 인장부(130)의 구체적인 형태로는, 이처럼 상기 인장부(130)가 상기 인발부(120)에서 배출되는 상기 쓰레드 엮음체(520)를 지속적으로 잡아당겨 줄 수 있도록 하기 위한 구조라면 어떤 형태이든 무방하다. 도 6은 본 발명의 복합재 로드 제조 장치의 인장부의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 6의 실시예에서는 상기 인장부(130)는 연속적으로 움직이는 무한궤도 및 상기 무한궤도 상에 주기적으로 구비되는 복수 개의 집게부로 이루어진다. 상기 집게부들 중 하나가 도 6(A)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 인발부(120) - 상기 인장부(130) 사이에서 상기 복합재 로드(500)를 붙잡아 당겨 주는 역할을 하고, 나머지 집게부들은 벌려져서 대기 상태로 있게 된다. 즉 상기 무한궤도 상에서 한 집게부가 상기 인발부(120)에 가장 가까운 위치에 있을 때 상기 복합재 로드(500)를 붙잡고, 도 6(B)에 도시된 바와 같이 상기 무한궤도를 따라 상기 복합재 로드(500)를 붙잡은 집게부가 이동함으로써 지속적으로 상기 복합재 로드(500)를 당겨 주게 된다. 이 때 상기 복합재 로드(500)를 붙잡은 집게부가 상기 무한궤도의 끝을 넘어가면 더 이상 상기 복합재 로드(500)를 붙잡아 당길 수가 없겠으나, 도 6(C)에 도시된 바와 같이 그 전에 다른 집게부가 상기 무한궤도 앞쪽에서 상기 복합재 로드(500)를 붙잡아 주고 원래 잡고 있던 집게부는 벌려져서 대기 상태가 되어 상기 무한궤도 너머로 넘어감으로써, 다른 집게부에 의해 상기 복합재 로드(500)는 지속적으로 당겨질 수 있게 된다. 도 6 상에는 나타내지 않았으나 상기 복합재 로드(500)가 상기 집게부에 잘 잡힐 수 있도록 상기 복합재 로드(500)의 궤적을 안내하는 가이드 등과 같은 구성이 더 구비될 수도 있다.

물론 이것은 하나의 예시일 뿐이며, 상기 복합재 로드(500)를 지속적으로 인장시킬 수 있기만 하다면 상기 인장부(130)는 다른 어떤 형태로 변경 형성되어도 무방하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 장치를 사용하여 꼬인 형태의 복합재 로드를 제조하는 방법을 요약하여 다시 한 번 설명하면 아래와 같다.

먼저, a) 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각에 각각 상기 쓰레드(510)가 감긴 복수 개의 상기 권출수단(111)이 수용된다. 다음으로, b) 복수 개의 상기 인출수단(112) 일측 끝단에서 상기 쓰레드(510)가 인출되어 상기 안내수단(113)에 의하여 지지 및 안내된다. 이 때, 상기 쓰레드(510)가 얀일 경우에는, 상기 a) 단계와 상기 b) 단계 사이에, 상기 쓰레드(510)가 상기 함침수단(114)을 통과하여 상기 쓰레드(510)에 수지가 함침되는 단계가 추가적으로 더 수행된다.

다음으로, c) 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각 및 전체가 미리 결정된 궤적을 따라 회전 또는 이동함으로써 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 미리 결정된 형태로 엮어 쓰레드 엮음체(520)로 형성된다.

이와 같이 상기 엮음부(110)에 의하여 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 엮여 상기 쓰레드 엮음체(520)로 형성된 후에는, d) 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 인발부(120)를 통과하면서 압축 및 가열되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 형성하는 복수 가닥의 상기 쓰레드(510)들이 부착되어 인발된다.

이 상태에서, e) 상기 인발부(120)에서 배출된 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 인장부(130)에 의하여 인장되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 형성하는 복수 가닥의 상기 쓰레드(510)들이 결합됨으로써, 상기 복합재 로드(500)의 형성이 완료되게 된다.

이와 같이 본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치 및 방법에 의하여 만들어진 복합재 로드는, 도 8에 도시된 바와 같은 형태를 가지게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 이러한 복합재 로드를 적절한 길이로 절단하고 끝단부를 뾰족하게 하면 복합재 적층 구조물의 Z-피닝에 사용되는 Z-핀으로서 활용될 수 있다. 즉 본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드를 절단할 때 비스듬한 방향으로 절단함으로써 끝단부가 뾰족하게 되도록 할 수도 있고, 또는 절단은 로드의 연장 방향에 대하여 수직한 방향으로 절단하되 끝단부를 더 깎아내는 등의 가공 처리를 거쳐 끝단부가 뾰족하게 되도록 할 수도 있다.

이처럼 꼬인 형태의 복합재 로드를 사용하여 만들어진 Z-핀은, 꼬인 형태 자체의 형상으로 인하여 그 표면에 요철 형상이 형성되게 된다. 이처럼 본 발명의 꼬인 형태의 복합재 로드로 만들어짐으로써 그 표면에 요철 형상이 형성된 복합재 Z-핀의 경우에 복합재와의 결합력이 매우 증대할 것으로 기대한다. 이는 다음의 실험 예로부터 유추할 수 있는데, 직경 0.5mm의 스테인레스강 재질의 Z-핀을 복합재 내부에 약 10mm 깊이로 삽입하고 Z-핀의 길이 방향으로 뽑으면서 인발력을 측정한 결과, 요철 형상이 있는 Z-핀의 경우에는 요철 형상이 없는 경우에 비하여 그 결합력이 약 10배 정도로 향상되었다. 상기 실험 예는 금속재 Z-핀에 대한 것이지만, 이로부터 그 표면에 요철 형상이 형성된 복합재 Z-핀의 경우에도 복합재와의 결합력이 매우 증대할 것이라는 것을 기대할 수 있다. 이러한 Z-핀의 결합력의 증대는, 복합재의 층간분리 특성을 향상시키거나 두 부재간의 접합력 향상을 위하여 Z-피닝 기술을 적용할 때, 그 성능이 비약적으로 향상됨을 기대할 수 있다.

본 발명에서는 Z-핀의 원자재가 되는 복합재 로드를 제작하는 단계에서 복합재 로드가 꼬인 형태를 가지도록 하여 표면에 자연스럽게 요철 형상이 형성되도록 함으로써 그 성능이 획기적으로 향상될 수 있다. 본 발명의 제작 방법은 현재까지 연구되고 있는 모든 Z-피닝 기술에서 사용되고 있는 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.

100: (본 발명에 의한, 꼬인 형태의) 복합재 로드 제조 장치
110: 엮음부
111: 권출수단 112: 인출수단
113: 안내수단 114: 함침수단
120: 인발부 121: 다이
122: 압축수단 123: 가열수단
130: 인장부
500: (본 발명에 의한, 꼬인 형태의) 복합재 로드
510: 쓰레드 520: 쓰레드 엮음체

Claims (9)

1. 쓰레드(510)가 감겨진 권출수단(111)과, 각각이 상기 권출수단(111)을 내장하여 일측 끝단으로 상기 쓰레드(510)를 인출하도록 형성되며 서로 나란하게 배치되는 복수 개의 인출수단(112)을 포함하여 이루어지며,
   복수 개의 상기 인출수단(112) 각각 및 전체가 미리 결정된 궤적을 따라 회전 또는 이동함으로써 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 미리 결정된 형태로 엮어 쓰레드 엮음체(520)로 형성하여 배출하는 엮음부(110);
   다이(121)와, 상기 다이(121) 내부에 구비되며 상기 쓰레드 엮음체(520)와 직접 접촉하여 압축하는 압축수단(122)과, 상기 다이(121) 내부에 구비되며 상기 쓰레드 엮음체(520)에 열을 가하는 가열수단(123)을 포함하여 이루어져,
   상기 쓰레드 엮음체(520)를 압축 및 가열하여 인발하는 인발부(120);
   상기 인발부(120)에서 압축 및 가열되어 배출된 상기 쓰레드 엮음체(520)를 인장하여 복합재 로드(500)로 형성시키는 인장부(130);
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 쓰레드(510)는
   탄소 섬유 다발로 이루어지는 얀(yarn) 또는 일방향 또는 직조된 강화 섬유에 수지가 예비 함침된 프리프레그(prepreg)인 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 엮음부(110)는
   상기 쓰레드(510)가 얀일 경우,
   함침용 수지를 수용하며 상기 권출수단(111) 및 상기 인출수단(112)의 인출부 사이에 구비되어 상기 쓰레드(510)를 통과시키는 함침수단(114)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 압축수단(122)은
   상기 쓰레드 엮음체(520)의 직경보다 작은 직경의 통공을 가지는 탄성재로 이루어져, 상기 통공으로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 압축수단(122)은
   상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키는 통공이 구비되며, 압력에 따라 부피가 변화 가능하도록 형성되는 압력팩으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 압축수단(122)은
   표면이 탄성을 가지는 재질로 이루어지며 서로 밀접 배치되어 상기 쓰레드 엮음체(520)의 진행 방향으로 회전하는 적어도 한 쌍의 롤러로 이루어져, 적어도 한 쌍의 상기 롤러 사이로 상기 쓰레드 엮음체(520)를 통과시키는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 장치.
   
7. 제 1항 내지 제 6항 중 선택되는 어느 한 항의 장치를 이용하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 방법에 있어서,
   a) 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각에 각각 상기 쓰레드(510)가 감긴 복수 개의 상기 권출수단(111)이 수용되는 단계;
   b) 복수 개의 상기 인출수단(112) 각각 및 전체가 미리 결정된 궤적을 따라 회전 또는 이동함으로써 복수 개의 상기 쓰레드(510)가 미리 결정된 형태로 엮어 쓰레드 엮음체(520)로 형성되는 단계;
   c) 상기 쓰레드 엮음체(520)가 상기 인발부(120)를 통과하면서 압축 및 가열되어, 상기 쓰레드 엮음체(520)를 형성하는 복수 개의 상기 쓰레드(510)들이 상기 복합재 로드(500)로 성형되어 인발되는 단계;
   d) 상기 인발부(120)에서 배출된 상기 복합재 로드(500)가 상기 인장부(130)에 의하여 인장되는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 방법.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 복합재 로드 제조 방법은
   상기 쓰레드(510)가 얀일 경우,
   상기 복합재 로드 제조 장치(100)가 함침용 수지를 수용하며 상기 권출수단(111) 및 상기 인출수단(112)의 인출부 사이에 구비되어 상기 쓰레드(510)를 통과시키는 함침수단(114)을 더 포함하여 이루어지며,
   상기 a) 단계와 상기 b) 단계 사이에, 상기 쓰레드(510)가 상기 함침수단(114)을 통과하여 상기 쓰레드(510)에 수지가 함침되는 단계;
   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드 제조 방법.
   
9. 제 2, 3항 중 선택되는 어느 한 항의 장치에 의하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 꼬인 형태의 복합재 로드.

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