KR101706297B1 - 탄소섬유강화플라스틱(cfrp) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법 - Google Patents

탄소섬유강화플라스틱(cfrp) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 가공경로의 형태가 변하는 가공 불연속구간에서 분사노즐의 이동속도, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하여 가공품질을 향상시키는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법은 (a) 가공대상의 형상 데이터를 수집하는 단계; (b) 가공대상의 형상 데이터에 의해 가공대상의 가공경로를 계산하는 단계; (c) 가공경로상의 가공 불연속구간을 계산하는 단계; 및 (d) 가공 불연속구간에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계를 포함한다.

Description

탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법{Water jet processing control method for Carbon Fiber Reinforced Plastics}
본 발명은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재의 형상이 복잡하여 가공경로가 변경되는 경우에, 3차원 형상 데이터와 가공경로 데이터를 이용해서 워터젯 가공공정을 제어하여 불량을 감소시키는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법에 관한 것이다.
CFRP는 Carbon Fiber Reinforced Plastics의 약어로, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 여러 가지 카본 섬유와 여러 가지 열경화 수지와의 복합재료이다. 일반적으로 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재는 고강성 및 초경량 등의 기계적 성질이 우수한 반면, 절삭이 어려운 소재로 분류된다. 따라서 일반적인 절삭공구로 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재를 가공 시에는, 공구마모가 빠르고 절삭온도 및 절삭저항이 크며 절삭 칩이 절삭 날에 융착되는 현상이 발생한다. 또한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재는 항공 및 우주 등 첨단산업에 이용되는 경우가 증가하고 있어 다양한 형태의 곡면을 포함하는 경우가 많기 때문에, 정밀하게 가공하고 불량을 최소화하는데 어려움이 있다.
워터젯 가공 방법에는 초고압의 물이 갖는 에너지를 이용하여 가공하는 방식(Water jet system)과 초고압의 물에 고체인 연마재를 첨가하여 초고압인 물의 에너지와 고체입자의 절삭성을 이용하여 가공하는 방식(Abrasive water jet system)이 있다. 전자는 주로 연질의 소재에 사용되고, 후자는 주로 경질의 소재에 사용된다. 그리고 워터젯을 이용하면, 소재의 변형이나 산화물의 생성 없이 가공이 가능하고 유독가스나 분진 등이 발생하지 않아, 모든 종류의 소재를 친환경적으로 가공할 수 있다.
워터젯 가공은 직선으로 분출되는 물과 연마재에 의해 수행되기 때문에, 가공 품질이 워터젯의 압력과 속도 등에 영향을 많이 받는다. 따라서 다양한 형상을 가진 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재의 가공에 있어서, 워터젯이 분사되는 압력과 각도, 분사노즐의 이동방향과 이동속도를 제어하여, 분사노즐이 일정한 상태를 유지하면서 가공을 수행할 수 있도록 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재를 가공하는 경우에 일정한 가공 품질을 얻기 위하여, 가공경로가 변경되는 구간에서 물과 연마재가 분사되는 압력과 각도, 분사노즐의 이동방향과 이동속도를 제어하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는, (a) 가공대상의 형상 데이터를 수집하는 단계; (b) 상기 가공대상의 형상 데이터에 의해 상기 가공대상의 가공경로를 계산하는 단계; (c) 상기 가공경로상의 가공 불연속구간을 계산하는 단계; 및 (d) 상기 가공 불연속구간에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법을 제공한다.
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상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에는 워터젯을 분사하여 가공대상을 가공하는 분사노즐; 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터를 수집하고, 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터에 의해 상기 가공대상의 가공경로를 계산하며, 상기 가공경로상의 상기 가공 불연속구간을 계산하는 데이터처리부; 및 가공 불연속구간에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 구동부; 및 상기 데이터처리부에서 계산된 데이터에 의해 제어신호를 생성하여 상기 구동부에 전달하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어 장치를 제공한다.
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본 발명의 실시예에 따르면, 가공경로의 불연속구간에서 일정하게 유지되는 수준의 가공 품질을 얻을 수 있으며, 직선 및 곡선인 가공경로에 적합하도록 물과 연마재가 분사되는 압력과 각도, 분사노즐의 이동방향과 이동속도를 제어하여, 가공경로의 형상에 관계없이 일정하게 유지되는 가공 품질을 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법의 흐름도이다.
도2은 본 발명의 실시 예에 따른 워터젯을 이용한 가공 시의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 워터젯을 이용한 가공의 예시도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어장치의 개략적인 사시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법의 흐름도이고, 도2는 본 발명의 실시 예에 따른 워터젯을 이용한 가공 시의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 워터젯을 이용한 가공의 예시도이고, 도4는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어장치의 개략적인 사시도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법은, 가공대상(10)의 형상 데이터를 수집하는 단계(S10); 가공대상(10)의 형상 데이터에 의해 가공대상(10)의 가공경로(20)를 계산하는 단계(S20); 가공경로(20) 상의 가공 불연속구간(21)을 계산하는 단계(S30); 및 가공 불연속구간(21)에 대하여 분사노즐(100)의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
(S10)단계는, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터가 수집되도록 하여 수행되고, (S20)단계는, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공경로(20)의 좌표값이 계산되도록 수행되며, (S30)단계는, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공 불연속구간(21)의 좌표값이 계산되도록 수행될 수 있다.
이때, 절단 가공 공정에 대한 가공대상(10)의 두께와 가공대상(10)의 형상에 따라 분사노즐(100)의 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나가 조정될 수 있다.
여기서, 가공 불연속구간(21)은, 분사노즐(100)의 이동속도가 상대적으로 빠른 가공경로(20)와 분사노즐(100)의 이동속도가 상대적으로 느린 가공경로(20)가 만나는 지점일 수 있다.
먼저, 가공대상(10)의 형상 데이터를 수집하는 단계(S10)가 진행될 수 있다.
여기서, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터가 수집될 수 있다.
3차원 형상 데이터는, CAD프로그램, CATIA 또는 솔리드웍스 등의 3차원 모델링 프로그램에 의해 계산되어 획득되는 데이터로써, 3차원 형상 데이터에 의해 가공경로(20)의 이동 좌표값, 가공 불연속구간(21)의 이동 좌표값 및 가공경로(20)와 가공 불연속구간(21)에 대한 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 제품의 두께 정보를 획득할 수 있다.
가공대상(10)의 3차원 형상 데이터는 CAD프로그램을 이용하여 계산되고 수집될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터가 CAD프로그램을 이용하여 계산되고 수집된다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, CATIA 또는 솔리드웍스 등의 프로그램도 사용될 수 있다.
그리고, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공대상(10)의 가공경로(20)를 계산하는 단계(S20)가 이루어질 수 있다.
여기서, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공경로(20)의 좌표값이 계산될 수 있다.
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또한, 가공경로(20)상의 가공 불연속구간(21)을 계산하는 단계(S30)가 이루어질 수 있다.
그리고, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공 불연속구간(21)의 좌표값이 계산될 수 있다.
삭제
또한, 가공 불연속구간에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계(S40)가 이루어질 수 있다.
여기서, 분사노즐(100)과 가공대상(10)의 표면 사이의 거리가 일정하게 유지 되면서 이동방향이 조정될 수 있다.
그리고, 분사노즐(100)의 이동속도가 변경됨에 따라 분사노즐(100)의 분사압력이 변경될 수 있다.
여기서, 분사노즐(100)의 이동속도가 증가하면 분사노즐(100)의 분사압력이 상승하고, 분사노즐(100)의 이동속도가 감소하면 분사노즐(100)의 분사압력이 하락되도록 제어될 수 있다.
한편, 분사노즐(100)의 분사각도가 가공경로(20)의 면과 수직을 이루며 분사노즐(100)이 이동할 수 있다.
이를 통해, 가공대상(10)의 표면과 가공된 절단면이 일정하게 직각을 이루게 되어, 가공 불연속구간(21)을 가공하면서 발생할 수 있는 가공오차를 최소화시킬 수 있다.
또한, 분사노즐(100)이 초고압의 물을 이용하여 가공하는 방식(Water jet system)또는 연마입자가 포함된 초고압의 물을 분사하여 가공하는 방식(Abrasive water jet system)으로 워터젯을 분사할 수 있다.
이때, 연마입자로는 규사 등이 사용될 수 있다.
이를 통해, 연질의 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에는 초고압의 물이 갖는 에너지를 이용하여 가공하는 방식(Water jet system)을 사용하고, 경질의 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에는 연마입자가 포함된 물을 분사하여 가공하는 방식(Abrasive water jet system)을 사용하여, 다양한 경도의 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대해 가공할 수 있다.
도2에서 보는 바와 같이, 분사노즐(100)이 가공경로(20)의 면과 수직을 이루고, 가공대상(10)의 표면과의 거리를 일정하게 유지하면서 이동할 수 있다.
이에 따라, 가공 불연속구간(21)과 그 외 가공경로(20)의 가공 절단면이 일정하게 유지될 수 있고, 워터젯 분사줄기의 일정한 부분으로 지속적인 가공을 할 수 있어 가공품질을 향상시킬 수 있다.
도3에서 보는 바와 같이, 가공경로(20)가 직선과 곡선을 포함하는 경우 다수의 가공 불연속구간(21)이 발생할 수 있다.
도4에서 보는 바와 같이, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어장치는, 워터젯을 분사하여 가공대상(10)을 가공하는 분사노즐(100); 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터를 수집하고, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공대상(10)의 가공경로(20)를 계산하며, 가공경로(20)상의 가공 불연속구간(21)을 계산하는 데이터처리부(200); 및 가공 불연속구간(21)에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 구동부(300); 및 데이터처리부(200)에서 계산된 데이터에 의해 제어신호를 생성하여 구동부(300)에 전달하는 제어부(400)를 포함할 수 있다.
데이터처리부(200)는, 분사노즐(100)을 향하는 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터를 수집하고, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공경로(20)와 가공 불연속구간(21)의 좌표값을 계산할 수 있다.
이때, 절단 가공 공정에 대한 가공대상(10)의 두께와 가공대상(10)의 형상에 따라 분사노즐(100)의 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나가 조정될 수 있다.
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데이터처리부(200)는, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공경로(20)의 좌표값을 계산할 수 있다.
데이터처리부(200)는, 가공대상(10)의 3차원 형상 데이터에 의해 가공 불연속구간의(21) 좌표값을 계산할 수 있다.
분사노즐(100)은, 가공대상(10)의 표면과의 거리가 일정하게 유지되면서 이동방향이 조정될 수 있다.
분사노즐(100)은, 이동속도가 변경됨에 따라 분사압력이 변경될 수 있다.
분사노즐(100)은, 분사각도가 가공경로(20)의 면과 수직을 이룰 수 있다.
분사노즐(100)은, 초고압의 물을 이용하여 가공하는 방식(Water jet system)또는 연마입자가 포함된 초고압의 물을 분사하여 가공하는 방식(Abrasive water jet system)으로 워터젯을 분사할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 가공대상 20 : 가공경로
21 : 가공 불연속구간 100 : 분사노즐
200 : 데이터처리부 300 : 구동부
400 : 제어부

Claims (17)

  1. 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법에 있어서,
    (a) 가공대상의 형상 데이터를 수집하는 단계;
    (b) 상기 가공대상의 형상 데이터에 의해 상기 가공대상의 가공경로를 계산하는 단계;
    (c) 상기 가공경로상의 가공 불연속구간을 계산하는 단계; 및
    (d) 상기 가공 불연속구간에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 (a)단계는, 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터가 수집되어 상기 가공대상의 두께 정보를 획득하도록 하여 수행되고,
    상기 (b)단계는, 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터에 의해 상기 가공경로의 좌표값이 계산되도록 수행되며,
    상기 (c)단계는, 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터에 의해 상기 가공 불연속구간의 좌표값이 계산되도록 수행되고,
    절단 가공 공정에 대한 상기 가공대상의 두께와 상기 가공대상의 형상에 따라 상기 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나가 조정되며,
    상기 (a)단계는, 컴퓨터 프로그램을 이용하여 상기 가공대상의 형상 데이터를 계산하고 수집되도록 수행되고,
    상기 (d)단계는, 상기 분사노즐과 상기 가공대상의 표면 사이의 거리가 일정하게 유지되면서 이동방향이 조정되도록 수행되고, 상기 가공 불연속구간 또는 상기 가공대상의 두께 정보에 의해 상기 분사노즐의 이동속도가 증가하면 상기 분사노즐의 분사압력이 상승하고, 상기 분사노즐의 이동속도가 감소하면 상기 분사노즐의 분사압력이 하락되도록 수행되며, 상기 분사노즐의 분사각도가 상기 가공경로의 면과 수직을 이루며 수행되어 상기 가공대상의 표면과 가공된 절단면이 일정하게 직각을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계는, 초고압의 물을 이용하여 가공하는 방식(Water jet system)또는 연마입자가 포함된 초고압의 물을 분사하여 가공하는 방식(Abrasive water jet system)을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어방법.
  9. 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어장치에 있어서,
    워터젯을 분사하여 가공대상을 가공하는 분사노즐;
    컴퓨터 프로그램을 이용하여 상기 가공대상의 형상 데이터를 계산해서 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터를 수집하고, 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터에 의해 상기 가공대상의 가공경로를 계산하며, 상기 가공경로상의 가공 불연속구간을 계산하는 데이터처리부;
    가공 불연속구간에 대하여 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나를 조정하는 구동부; 및
    상기 데이터처리부에서 계산된 데이터에 의해 제어신호를 생성하여 상기 구동부에 전달하는 제어부를 포함하고,
    상기 데이터처리부는, 상기 분사노즐을 향하는 상기 가공대상의 3차원 형상데이터를 수집하여 상기 가공대상의 두께 정보를 획득하고, 상기 가공대상의 3차원 형상 데이터에 의해 상기 가공경로와 가공 불연속구간의 좌표값을 계산하며,
    절단 가공 공정에 대한 상기 가공대상의 두께와 상기 가공대상의 형상에 따라 상기 분사노즐의 이동방향, 이동속도, 분사각도 또는 분사압력 중 적어도 어느 하나가 조정되고,
    상기 분사노즐은, 상기 가공대상의 표면과의 거리가 일정하게 유지되면서 이동방향이 조정되고,
    가공 불연속구간 또는 상기 가공대상의 두께 정보에 의해, 상기 분사노즐은, 이동속도가 증가하면 분사압력이 상승하고, 이동속도가 감소하면 분사압력이 하락되며,
    상기 분사노즐의 분사각도가 상기 가공경로의 면과 수직을 이루어, 상기 가공대상의 표면과 가공된 절단면이 일정하게 직각을 이루게 되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어 장치.
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  17. 제9항에 있어서,
    상기 분사노즐은, 초고압의 물을 이용하여 가공하는 방식(Water jet system)또는 연마입자가 포함된 초고압의 물을 분사하여 가공하는 방식(Abrasive water jet system)으로 워터젯을 분사하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 소재에 대한 워터젯 가공공정 제어 장치.
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