KR101540386B1 - 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소 소재의 실에 도포된 레진이 금속재의 단부에 형성된 홀을 통과하여 탄소융합복합소재의 외주면에 도포된 후 점차 홀 내부를 채운 다음 열에 의해 경화되면서 탄소융합복합소재와 금속재를 견고하게 고정할 수 있는 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법을 개시한다.
Description
본 발명은 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 있어서, 금속재의 단부에 탄소융합복합소재를 삽입할 수 있도록 끼움홈을 형성하는 단계와; 상기 금속재의 단부에 형성되되 상기 끼움홈과 연통되도록 홀을 형성하는 단계와; 상기 끼움홈에 탄소융합복합소재를 삽입하는 단계; 및 고온의 열을 가하면서 상기 탄소융합복합소재가 삽입된 금속재의 단부를 레진이 도포된 탄소 소재의 실로 필라멘트 와인딩하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 필라멘트 와인딩 시 상기 탄소융합복합소재와 금속재의 결합부위에 탄소 소재의 실이 규칙적으로 감겨지면서 결속부를 형성하는 동시에 상기 실에 도포된 레진이 탄소융합복합소재의 외주면과 결속부의 내주면을 연결하면서 홀 내부에 채워지고, 열에 의해 레진이 경화되면서 탄소융합복합소재와 금속재가 견고하게 고정되는 것을 특징으로 하는 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소융합복합소재를 금속재와 결합하는 이유는 구조물이나 제품의 경량화와 함께 강도를 향상시키기 위한 것이다.
종래의 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재 간의 결합은 그 형태에 따라 단면 조인트(single-lap joint), 양면 조인트 (double-lap joint), 보강물 부착 조인트(joint with attachments) 등으로 나눌 수 있고, 이러한 조인트 방법에는 접착제를 이용한 결합(adhesively bonded)과 접착제 및 볼트를 함께 이용한 결합(hybridjoint)방법이 적용되고 있다.
상기 단면 조인트 방법은 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부를 적층하여 접착제 또는 볼트/너트로 결합하는 방법이고, 상기 양면 조인트 방법은 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부를 서로 마주보게 배치한 다음, 그 위쪽 및 아래쪽에 탄소섬유 복합재를 덧대어 접착제로 결합하는 방법이며, 상기 보강물 부착 조인트 방법은 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부를 적층하여 접착제로 결합하는 동시에 그 위쪽 및 아래쪽에 보강플레이트를 더 적층하여 접착제 또는 볼트/너트로 결합하는 방법을 말한다.
그러나, 위와 같은 종래의 결합 방법은 공통적으로 탄소섬유 복합재와 금속재의 형상이 평판형이고, 서로 결합된 지점에 응력이 집중됨에 따라, 결합 강도가 감소하는 단점이 있다. 즉, 단면과 양면 조인트 방법 모두 탄소섬유 복합재의 단부와 금속재의 단부가 서로 결합된 지점에 박리응력의 집중이 존재하며, 이러한 응력집중으로 인하여 이종 재료의 결합 강도가 감소하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 탄소융합복합소재와 금속재의 결합강도 및 안정성을 높일 수 있고, 작업이 용이하도록 한 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 있어서, 금속재의 단부에 탄소융합복합소재를 삽입할 수 있도록 끼움홈을 형성하는 단계와; 상기 금속재의 단부에 형성되되 상기 끼움홈과 연통되도록 홀을 형성하는 단계와; 상기 끼움홈에 탄소융합복합소재를 삽입하는 단계; 및 고온의 열을 가하면서 상기 탄소융합복합소재가 삽입된 금속재의 단부를 레진이 도포된 탄소 소재의 실로 필라멘트 와인딩하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 필라멘트 와인딩 시 상기 탄소융합복합소재와 금속재의 결합부위에 탄소 소재의 실이 규칙적으로 감겨지면서 결속부를 형성하는 동시에 상기 실에 도포된 레진이 탄소융합복합소재의 외주면과 결속부의 내주면을 연결하면서 홀 내부에 채워지고, 열에 의해 레진이 경화되면서 탄소융합복합소재와 금속재가 견고하게 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 홀은 기 금속재의 외주면을 따라 일정간격으로 복수개로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 레진이 탄소융합복합소재 외주면에 도포되는 면적을 증대시키고 결속력을 향상시킬 수 있도록 상기 끼움홈에 탄소융합복합소재를 삽입한 다음 상기 홀 내부에 레진을 투입한 후 필라멘트 와인딩하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 탄소 소재의 실에 도포된 레진이 금속재의 단부에 형성된 홀을 통과하여 탄소융합복합소재의 외주면에 도포된 후 점차 홀 내부를 채운 다음 열에 의해 경화되면서 탄소융합복합소재와 금속재를 견고하게 고정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 필라멘트 와인딩 방법의 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법을 나타내는 예시도.
도 3은 도 2의 c)의 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법을 나타내는 예시도.
도 3은 도 2의 c)의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 탄소융합복합소재와 금속재의 결합강도 및 안정성을 높일 수 있고, 작업이 용이하도록 한 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 관한 것이다.
본 발명을 설명하기 위해 첨부한 도면에서는 상기 탄소융합복합소재 및 금속재를 원형 파이프의 형상으로 도시하였으나, 탄소융합복합소재 및 금속재는 사각, 원형 또는 이형관 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 도면에 도시된 탄소융합복합소재 및 금속재의 형상은 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 본 발명의 권리 범위에 한정되지 않는다.
본 발명은 금속재(10)의 단부에 탄소융합복합소재(20)를 삽입할 수 있도록 끼움홈(11)을 형성하는 단계와; 상기 금속재의 단부에 형성되되 상기 끼움홈(11)과 연통되도록 홀(12)을 형성하는 단계와; 상기 끼움홈(11)에 탄소융합복합소재(20)를 삽입하는 단계; 및 고온의 열을 가하면서 상기 탄소융합복합소재(20)가 삽입된 금속재(10)의 단부를 레진이 도포된 탄소 소재의 실(30)로 필라멘트 와인딩하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 금속재(10)는 일측 또는 양측 단부에 끼움홈(11)이 형성되며, 상기 끼움홈(11)은 상기 금속재(10) 내부에 탄소융합복합소재(20)를 삽입할 수 있도록 상기 탄소융합복합소재와 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 필라멘트 와인딩 단계에서는 금속재(10)와 탄소융합복합소재(20)의 결합부위에 탄소 소재의 실이 규칙적으로 감겨지면서 결속부(40)를 형성하는 동시에 상기 실에 도포된 레진(r)이 탄소융합복합소재(20)의 외주면과 결속부(40)의 내주면을 연결하면서 홀(12) 내부에 채워지게 되고, 고온의 열이 가해져 결속부(40) 및 홀(12) 내부의 레진(r)이 경화되면서 탄소융합복합소재(20)와 금속재(10)가 견고하게 고정된다.
여기에서, 레진(r)은 에폭시(epoxy), 폴리에스테르(polyester), 페놀릭(phenolic) 또는 폴리머(polymer) 중 어느 하나의 것을 사용하며, 상기 실(30)에 레진(r)을 도포시킨 후 필라멘트 와인딩 작업이 이루어질 수 있도록 일측 단부에 탄소융합복합소재(20)가 삽입된 금속재(10)를 맨드릴(1)에 장착하여 회전 가능하도록 설치한 다음, 로빙(3)으로부터 공급된 탄소 소재의 실이 레진 함침조(2)를 통과한 후 금속재(10)와 탄소융합복합소재(20)의 결합부위로 공급되도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법을 도시한 것으로, 내주면에 나사산이 형성된 체결홈을 갖는 금속재질의 브라켓(b)과 탄소융합복합소재로 형성되는 원형 파이프(20)를 결합하는 과정을 도시하였다.
상기 원형 파이프(20)는 상기 브라켓(b)과 재질이 상이하므로 직접적으로 결합될 수 없으므로, 상기 금속재(10)의 일측 단부에 끼움홈(11) 및 홀(12)을 형성한다. 상기 금속재의 타측 단부에는 상기 체결홈이 나사결합하기 위한 나사산이 형성되어 볼팅결합할 수 있고, 동일한 금속 재질이므로 용접 결합하여 상기 브라켓(b)과 연결될 수도 있다.
상기 금속재의 끼움홈(11)에 상기 원형 파이프(20)의 일측 단부를 삽입한 다음, 고온의 열을 가하면서 그 부위를 레진(r)이 도포된 탄소 소재의 실(30)로 필라멘트 와인딩한다.
이와 같이 결합부위를 필라멘트 와인딩을 하게 되면 탄소 소재의 실(30)이 규칙적으로 감겨지면서 결속부(40)를 형성하는 동시에 상기 실에 도포된 레진(r)이 원형 파이프(20)의 외주면과 결속부(40)의 내주면을 연결하면서 홀(12) 내부에 채워지게 되고, 고온의 열이 가해져 결속부(40) 및 홀(12) 내부의 레진(r)이 경화되면서 상기 원형 파이프(20)와 금속재(10)가 견고하게 고정된다.
이후, 상기 금속재(10)의 타측 단부를 상기 브라켓(b)과 결합하면 금속재질의 브라켓(b)과 탄소융합복합소재로 형성되는 원형 파이프(20)를 결합할 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 상기 홀(12)은 상기 탄소융합복합소재(20)와 금속재(10)의 형상이나 직경에 따라 결속력을 확보할 수 있도록 상기 금속재(10)의 외주면을 따라 일정간격으로 복수개로 형성될 수 있다. 상기 홀(12)을 복수개로 형성하게 되면 필라멘트 와인딩 시 상기 실(30)에 도포된 레진(r)이 홀(12) 내부로 유입되는 양이 증가하게 되므로 탄소융합복합소재와 결속부의 결속면적을 증대시켜 더욱 견고하게 고정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 레진(r)이 탄소융합복합소재(20) 외주면에 도포되는 면적을 증대시키고 탄소융합복합소재와 금속재 및 결속부의 상호 결속력을 향상시킬 수 있도록 상기 끼움홈(11)에 탄소융합복합소재(20)를 삽입한 다음 상기 홀(12) 내부에 레진(r)을 투입한 후 필라멘트 와인딩이 이루어질 수 있다. 상기와 같이 필라멘트 와인딩 공정 이전에 금속재의 홀에 레진을 삽입하게 되면 레진이 홀 내부로 유입되어 탄소융합복합소재의 외주면에 골고루 도포되며, 이후 상기 실에 도포된 레진이 홀 내부로 유입되면서 탄소융합복합소재의 외주면에 도포된 레진과 합쳐지므로 경화속도를 촉진시키고 결속력을 더욱 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
10 : 금속재 11 : 끼움홈
12 : 홀
20 : 탄소융합복합소재 30 : 실
40 : 결속부
b : 브라켓 r : 레진
12 : 홀
20 : 탄소융합복합소재 30 : 실
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Claims (3)
- 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법에 있어서,
금속재(10)의 단부에 탄소융합복합소재(20)를 삽입할 수 있도록 끼움홈(11)을 형성하는 단계와;
상기 금속재(10)의 단부에 형성되되 상기 끼움홈(11)과 연통되도록 홀(12)을 형성하는 단계와;
상기 끼움홈(11)에 탄소융합복합소재(20)를 삽입하는 단계; 및
고온의 열을 가하면서 상기 탄소융합복합소재(20)가 삽입된 금속재(10)의 단부를 레진(r)이 도포된 탄소 소재의 실(30)로 필라멘트 와인딩하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 필라멘트 와인딩 시 상기 탄소융합복합소재(20)와 금속재(10)의 결합부위에 탄소 소재의 실(30)이 규칙적으로 감겨지면서 결속부(40)를 형성하는 동시에 상기 실(30)에 도포된 레진(r)이 탄소융합복합소재(20)의 외주면과 결속부(40)의 내주면을 연결하면서 홀(12) 내부에 채워지고, 열에 의해 레진이 경화되면서 탄소융합복합소재와 금속재가 견고하게 고정되는 것을 특징으로 하는 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법.
- 제1항에 있어서, 상기 홀은 상기 금속재의 외주면을 따라 일정간격으로 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레진이 탄소융합복합소재 외주면에 도포되는 면적을 증대시키고 결속력을 향상시킬 수 있도록 상기 끼움홈에 탄소융합복합소재를 삽입한 다음 상기 홀 내부에 레진을 투입한 후 필라멘트 와인딩하는 것을 특징으로 하는 탄소융합복합소재와 금속재의 결합방법.
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| JPH0610940A (ja) * | 1992-06-19 | 1994-01-21 | Toyota Motor Corp | 複合材料製駆動軸 |
| JPH0745198B2 (ja) * | 1987-10-15 | 1995-05-17 | 東燃株式会社 | 繊維強化複合樹脂管及びその製造法 |
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| KR20130057008A (ko) * | 2011-11-23 | 2013-05-31 | 현대자동차주식회사 | 탄소섬유 고분자 복합재와 금속재를 결합시키기 위한 장치 및 방법 |
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2014
- 2014-08-08 KR KR1020140102534A patent/KR101540386B1/ko active IP Right Grant
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