KR101780312B1 - 열경화성 수지 ｆｒｐ 프리프레그의 가압 장치 및 내부에 열선을 갖는 열경화성 수지 ｆｒｐ 파이프의 제조 방법 - Google Patents

열경화성 수지 ｆｒｐ 프리프레그의 가압 장치 및 내부에 열선을 갖는 열경화성 수지 ｆｒｐ 파이프의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열경화성 수지의 FRP 프리프레그, 예를 들어, 멜라민 수지 FRP 프리프레그를 균일하게 가압할 수 있는 가압 장치 및 상기 가압 장치를 이용한 열경화성 수지 FRP 프리프레그로부터 균일한 가압 하에서 열경화를 통해 열경화성 수지 FRP 파이프를 제작하는 방법에 관한 것이다.

Description

열경화성 수지 ＦＲＰ 프리프레그의 가압 장치 및 내부에 열선을 갖는 열경화성 수지 ＦＲＰ 파이프의 제조 방법{Apparatus for pressing FRP prepreg pipe of thermosetting resin and manufacturing method for thermosetting FRP pipe having heat wire inside}
본 발명은 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조하는 기술로서, 필라멘트 와인딩 공법으로 제조되되, 내부에 열선을 갖는 열경화성 수지 FRP 프리프레그(prepreg)의 열경화시 필요한 압력을 가해줄 수 있는 가압 장치, 및 상기 가압 장치를 이용하여 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조하는 방법에 관한 기술이다.
더욱 구체적으로는, 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조하기 위해, 본 발명은 필라멘트 와인딩 공정으로 맨드릴에 파이프 형상의 열경화성 수지 프리프레그를 제조하되, 상기 필라멘트 와인딩을 위한 수지 적층 시 열선을 내삽하여 FRP 프리프레그를 제조한 후, 가압 조건 하에서 열경화를 하기 위하여, 상기 내삽된 열선에 전원을 가하여 발열을 함과 동시에 상기 프리프레그를 가압할 수 있는 장치를 통해 가압하는 기술에 관한 것이다.
합성수지는 가소성 물질로서 보통 플라스틱이라 한다. 플라스틱은 석유, 천연가스, 석탄 등에서 얻어지는 에틸렌, 아세틸렌, 벤젠 등의 각종 원료를 화학적으로 변화시켜 만드는 유도고분자 물질과 중합이나 축합에 의하여 만들어지는 합성고분자 물질로서, 그 종류는 열가소성수지와 열경화성수지로 나눌 수 있다.
열가소성수지란 고체 상태에서 열을 가하면 연화 또는 용융하여 가소성이나 점성이 생기고, 이것을 냉각하면 다시 고체상태로 되는 수지를 말한다. 주로 중합반응에 의해 제조되며 염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 초산비닐, 아크릴 등이 있다.
열경화성수지는 고체 상태로 된 후에 열을 가하여도 연화되지 않는 수지로서 열경화점이 높다. 주로 축합반응으로 제조되며 페놀, 멜라민, 폴리에스테르, 에폭시 등이 있다. 열경화성수지는 기계부품, 필름, 도료, 접착제 등의 공업재료, 건축재료, 전기부품 등에 광범위하게 이용되고 있다. 관으로 이용되는 합성수지는 열가소성의 염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌 등이 주로 사용된다.
본 발명은 이 중 멜라민 수지와 같은 열경화성 수지를 이용한 원형 파이프의 제조 방법에 관한 기술이다. 이하에서는 설명의 편의상 열경화성 수지로서 멜라민 수지를 예로 하여 설명하기로 하나, 본 발명은 가압 및 가열을 통해 파이프로 제조되어야 하는 모든 종류의 열경화성 수지를 대상으로 함을 명시한다.
멜라민 수지는 멜라민과 포름알데하이드의 공중합 수지로서, 열경화성 플라스틱으로 내열성, 내수성, 내용매성, 내마모성 등이 좋아 식기, 기계, 전기 부품 등의 원료로 쓴다. 상기 멜라민 수지를 파이프로 제조하기 위해서는 멜라민 수지를 가압 및 가열하여 경화시켜야 한다. 즉, 가압 및 가열을 동시에 진행하여야만 멜라민 수지 파이프로 성형 제조할 수 있는데, 이렇게 멜라민 수지 FRP를 가압 및 가열 과정을 통해 파이프로 제조하는 장치 및 방법이 아직 개발된 바 없다. 이는 평판형이 아닌 원통형의 파이프를 가압 및 가열을 동시에 하는 것이 어렵기 때문이다.
종래 관련 특허로 특허등록 제10-1360177호와 같이 불연성 섬유 강화 플라스틱(FRP)의 인발 성형 장치 및 방법이 공개되어 있기는 하나, 상기 특허는 섬유 보강 플라스틱을 당겨 인발 성형하는 기술로서, 섬유 보강 플라스틱 파이프의 제조기술은 아니다.
즉, 열경화성 수지 FRP, 예를 들어, 멜라민 수지 FRP의 프리프레그에 가압 및 가열을 동시에 가함으로써, 파이프로 성형 제조할 수 있는 장치 및 방법이 요구되고 있으나 이에 대한 관련 기술이 개발되지 않아, 맨드릴 상의 열경화성 수지 FRP 프리프레그로부터 가압과 가열을 동시에 하여 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조하는 기술이 요구되고 있다.
특허등록 제10-1111964호 특허등록 제10-1360177호 특허공개 제10-2010-0129374호
본 발명은 내부에 열선을 갖는 원형 또는 사각형 단면을 갖는 파이프 형상의 프리프레그의 경화시에 상기 파이프 형상의 프리프레그를 가압할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하여 내부에 열선을 갖는 열경화성 수지 프리프레그로부터 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 파이프 형상의 열경화성 수지 FRP 프리프레그(prepreg)가 표면에 형성된 맨드릴을 가압하는 장치로서, 상기 맨드릴이 삽입되며, 상기 맨드릴의 외경측으로부터 상기 맨드릴을 가압하는 나선형 가압부재; 및 상기 나선형 가압부재가 삽입되는 케이스를 포함하여 이루어지는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치를 제공한다.
특히, 상기 나선형 가압부재는 밴드(band)가 2회 이상 나선형으로 회전되는 나선부와, 상기 나선부의 양 단을 연결하는 연결부를 포함하여 이루어지되, 상기 연결부 및 나선부는 밴드(band, 띠)로 이루어진 것이 바람직하다.
특히, 상기 나선부는 상기 밴드가 나선형으로 동일한 직경으로 회전하여 전체적으로 파이프 형상인 것이 바람직하다.
특히, 상기 케이스는 파이프 형상의 가압부와, 상기 가압부 방향으로 직경이 작아지는 경사진입부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
특히, 상기 가압부의 내경측에는 마찰감쇄부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
특히, 상기 경사진입부의 내경측에도 마찰감쇄부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 마찰감쇄부는 회전하는 볼과 상기 볼을 지지할 수 있는 볼지지부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
특히, 상기 나선부와 연결부는 무한궤도를 이루면서 서로 위치를 교대하는 회전 또는 이동을 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 파이프 형상의 맨드릴 상에 열경화성 수지와 강화섬유를 필라멘트 와인딩 공법에 의하여 적층하되, 상기 적층 중에 열선을 삽입하는 필라멘트 와인딩 단계; 상기 열경화성 수지와 강화섬유가 적층된 맨드릴을 건조하여 프리프레그(prepreg)를 제조하는 프리프레그 제조 단계: 상기 프리프레그가 형성된 맨드릴을 전술한 가압 장치를 이용하여 가압하면서, 상기 프리프레그의 내부에 구비된 열선에 외부전원을 인가하여 발열함으로써 상기 프리프레그 내의 열경화성 수지를 열경화하는 경화 단계: 및 상기 맨드릴로부터 열경화성 수지 FRP 파이프의 분리 단계를 포함하여 이루어지는 열선을 내부에 구비하는 열경화성 수지 FRP 파이프의 제조 방법을 제공한다.
특히, 상기 열선은 전도성 금속선 또는 전도성 탄소섬유인 것이 바람직하다.
특히, 상기 열선의 양 단은 외부 전원과 연결되도록 상기 프리프레그 외부로 노출되어 단자를 형성하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 맨드릴이 사각형 파이프인 경우 상기 프리프레그의 외측면에 가압 패드를 덧대어, 상기 가압 패드의 장착 후에 상기 가압패드 및 맨드릴을 포함하는 전체적인 형상이 원통형을 이루도록 하는 가압 패드 접합 단계를 상기 프리프레그 제조 단계와 경화 단계 사이에 더 갖는 것이 바람직하다.
특히, 상기 가압패드는 내부에 사각형 공간을 갖되 외부로는 원통형 또는 평면부와 1/4원호를 포함하여 단면이 반달형인 것이 바람직하다.
본 발명의 장치를 이용하여 멜라민 수지와 같은 열경화성 수지 FRP 프리프레그를 가압하면서 열경화함으로써, 내부 미세 구조에 스폰지의 형성 없이 치밀한 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조할 수 있다. 특히, 종래 기술에서는 파이프 형상의 FRP 프리프레그를 가압하면서 가열을 통해 경화하기 어려웠으나, 본 발명에서는 나선형 가압부재를 통해 이러한 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 열경화성 수지 FRP 파이프의 가압 장치의 분해 사시도이며, 도 2는 결합사시도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 회전구동부가 없는 나선형 가압부재의 사시도이며, 도 3b는 본 발명의 바람직한 타 실시예에 의한 회전구동부를 갖는 나선형 가압부재의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 케이스의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 내부에 열선을 구비하는 열경화성 수지의 프리프레그 맨드릴의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 가압 장치에 열선을 구비하는 열경화성 수지 프리프레그 맨드릴이 삽입되어 가압 및 가열을 통한 열경화를 설명하는 도면이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 예로서 사각형 단면을 갖는 프리프레그 맨드릴에 가압패드를 부착한 상태의 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 열경화성 수지 FRP 파이프의 제조 방법을 설명하는 플로우 차트이다.
도 9는 종래의 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 열경화성 수지 FRP 프리프레그를 맨드릴 외주연에 형성하는 방법을 설명하는 종래도이다.
열경화성 수지 FRP 프리프레그를 경화하여 파이프 형상으로 제조하기 위해서는, 열경화성 수지 FRP 프리프레그에 압력과 열을 동시에 가해주어야 내부 미세 구조에 스폰지의 형성 없이 내부 구조가 치밀하여 산업 현장에서 원하는 강도의 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조할 수 있으며, 본 발명은 이러한 파이프 형상의 프리프레그 맨드릴을 가압하기 위한 가압 장치를 제공한다.
이하 설명에서 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제조되되, 상기 와인딩 공정을 통해 강화섬유와 열경화성 수지의 적층을 통해 두께를 증가시키는 과정에서, 외부 전원의 공급에 의하여 발열하는 열선, 예를 들어, 구리와 같은 금속선 또는 전도성 탄소섬유 등을 내부에 삽입하여 와인딩함으로써, 내부에 열선을 구비하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그를 제조할 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 열선을 갖는 프리프레그가 외경에 형성된 맨드릴을 "프리프레그 맨드릴(200)"이라 약칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 열경화성 수지 FRP 파이프 가압 장치(100, 이하 "본 발명의 장치"라 약칭함)의 분해 사시도이며, 도 2는 결합사시도이다.
본 발명의 가압 장치(100)에 파이프 형상으로 열경화성 수지의 프리프레그(220)가 형성된 맨드릴(210)인 프리프레그 맨드릴(200)이 삽입된 후(도 5a 내지 5c 참조), 프리프레그 맨드릴(200)의 열경화시 가압을 해주는 장치이다. 열경화성 수지 FRP 파이프로 제조된다. 열경화성 수지로는 파이프를 제조하기 위하여 가압과 가열이 동시에 필요한 열경화성 수지, 예를 들어, 멜라민 수지 등이 될 수 있을 것이다. 특히, 프리프레그가 판형인 경우 열경화시 가압하는 것이 용이하나, 본 발명과 같이 맨드릴(210) 상에 파이프 형상으로 형성된 열경화성 수지의 프리프레그를 가압하는 것은 파이프 구조의 특성상 용이하지 않았으나, 본 발명의 장치(100)를 통해 파이프 형상인 프리프레그 맨드릴(200)의 가압이 용이하다.
즉, 본 발명의 장치(100)는 나선형 가압부재(10) 및 케이스(20)를 포함하여 구성되며, 프리프레그 맨드릴(200)의 열경화시 "가압"을 위한 장치이며, 프리프레그 맨드릴(200) 내부에 구비된 열선에 외부전원을 인가하여 열선이 발열함으로써 열경화에 필요한 열을 공급한다.
상기 나선형 가압부재(10)는 케이스(20) 내에 삽입되되, 나선형 가압부재(10)의 일부가 케이스(20)의 일단에서 나와 타단으로 다시 들어가며 무한궤도 또는 연결된 띠를 이룬다. 상기 나선형 가압부재(10)의 내경측에 프리프레그 맨드릴(200)이 삽입되며, 상기 나선형 가압부재(10)에 의해 프리프레그 맨드릴(200)의 가압이 이루어진다. 프리프레그 맨드릴(200)과 본 발명의 장치(100) 사이의 결합 관계는 추후 다른 도면을 참고하면서 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서의 나선형 가압부재(10)의 사시도이다. 본 발명의 나선형 가압부재(10)는 케이스(20) 내부에 삽입되는 나선부(11)와, 케이스(20)의 외부에 위치하며 케이스(20)의 일단(예를 들어, 입구)에서 나와 타단(예를 들어, 출구)으로 다시 들어가는 연결부(12)를 포함하여 이루어진다. 상기 나선부(11) 및 연결부(12)는 동일한 밴드(band)로서, 일종의 무한궤도를 형성한다.
나선부(11)는 일정한 폭을 갖되 폭에 비해 두께가 얇은 밴드(band, 또는 띠)가 나선형으로 1회 이상 회전하면서 일정 길이로 파이프 형상으로 형성된다. 나선부(11) 자체는 지지체가 없으나, 후술하는 케이스(20)와 프리프레그 맨드릴(200) 사이에 위치하기 때문에 별도의 지지체가 없지만 프리프레그 맨드릴(200)의 외경측에 감겨 파이프 형상으로 다수 감긴다. 프리프레그 맨드릴(200)이 나선부(11)에 삽입된 후, 상기 프리프레그 맨드릴(200)의 외주연을 따라 상기 나선부(11)가 밀착하면서 프리프레그를 가압하게 된다.
연결부(12)는 나선부(11)의 일단과 타단의 연결 부위를 말하며, 케이스(20)의 외부에 노출되는 부분이다. 연결부(12)는 나선부(11)의 일단이 케이스(20)의 밖에 노출되어 다시 나선부(11)의 타단과 연결되어 무한궤도를 이룰 뿐, 실질적으로 동일한 밴드에서 케이스(20) 밖에 노출된 부분을 호칭할 뿐이다. 또한, 나선부(11)와 연결부(12)는 회전에 의하여 나선부(11)가 연결부(12)가 되고, 연결부(12)가 나선부(11)가 되는 과정을 반복한다. 예를 들어, 도 3a의 a 지점의 연결부(12)는 회전에 의해 나선부(11)에 위치하며, 나선부(11)의 b 지점은 회전에 의해 연결부(12)에 위치한다. 즉, 회전 위치 이동에 의하여 나선부(11)가 연결부(12)가 되며, 연결부(12)가 나선부(11)가 된다.
도 3b는 본 발명의 나선형 가압부재(10)를 회전시키기 위한 구동부(30)를 더 갖는 실시예이다. 상기 구동부(30)는 연결부(12)에 위치하는 것이 바람직하며, 연결부(12)를 일정 방향으로 회전시키기 위한 구성으로서, 모터 등을 이용한 공지의 다양한 방법으로 구현 가능하기 때문에 본 발명에서는 구체적인 형상을 설명하지 않기로 한다. 특히, 후술하는 도 5b에서는 구동부(30)를 생략하였다. 여기서 나선형 가압부재(10)의 회전은 어느 하나의 축을 기준으로 나선형 가압부재(10) 전체가 회전한다는 의미가 아니며, 나선형 가압부재(10)의 나선부(11)와 연결부(12)가 무한궤도를 형성하면서 서로 자리 교체를 한다는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 케이스(20)의 단면도이다.
본 발명의 케이스(20)는 직선 파이프 형상의 가압부(21)와, 상기 가압부(21) 방향으로 직경이 작아지는 스커트 형상의 경사진입부(22)를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 케이스(20)의 내경 측에 전술한 나선형 가압부재(10)가 긴밀하게 삽입된다. 본 발명의 케이스(20)는, 프리프레그 맨드릴(200)이 진입하는 방향에는 경사진입부(22)를 구비하여 프리프레그 맨드릴(200)의 삽입을 유도하며, 프리프레그 맨드릴(200)이 가압이 이루어지는 부분은 동일한 직경의 파이프 형상의 가압부(21)를 포함하여 이루어져 있다. 상기 경사진입부(22) 및 가압부(21) 모두 프리프레그 맨드릴(200)의 가압이 일어나도록 프리프레그 맨드릴(200)의 직경과 대응되는 크기로 형성되는 것이 바람직하나, 실시예에 따라 경사진입부(22)는 프리프레그 맨드릴(200)보다 직경이 충분히 커서 프리프레그 맨드릴(200)을 가압하지 않을 수도 있다.
경사진입부(22)는 일정한 각도(예를 들어, α°)로 프리프레그 맨드릴(200)의 진입 방향에서 가압부(21) 방향으로 직경이 좁아져, 전체적인 형상이 치마(스커트) 형상을 이룬다.
가압부(21)는 경사진입부(22) 후단에 위치하며, 프리프레그 맨드릴(200)의 가압이 일어나는 구간이다. 가압부(21)의 내경과 프리프레그 맨드릴(200)의 외경 사이에 상기 나선형 가압부재(10)가 밀착되도록 위치하며, 상기 나선형 가압부재(10)의 밀착으로 인하여 프리프레그 맨드릴(200)을 맨드릴의 중심 방향으로 가압하게 되며, 가열은 프리프레그 맨드릴(200) 내의 열선(230)의 단자(231)를 외부전원과 연결하여 전원을 공급받아 발열이 이루어진다.
한편, 케이스(20)의 내경측과 밀착하도록 위치하는 나선형 가압부재(10)가 끼워진 상태에서 나선형 가압부재(10)가 회전하는 경우에 케이스(20)와 나선형 가압부재(10) 사이의 마모(또는 마찰)가 일어나기 때문에, 나선형 가압부재(10)와 케이스(20) 사이에서 마모가 일어나지 않도록 하기 위하여 케이스(20)의 내경 측에 마찰감쇄부(24)를 1개 이상 구비하는 것이 바람직하다. 도 4와 같이, 마찰감쇄부(24)는 회전이 가능한 볼(ball, 24a)이 볼지지부(24b)에 삽입 또는 끼움결합되어 회전하는 구조가 바람직하나, 이에 한정된 것은 아니다. 마찰감쇄부(24)는 가압부(21) 및 경사진입부(22)의 내경 측 모두에 구비될 수도 있고, 가열부(21)에만 마찰감쇄부(24)가 구비될 수 있다(도면 미도시).
도 5a 내지 5c는 본 발명의 장치(100)에 삽입되는 열경화성 수지의 프리프레그(prepreg, 220)가 필라멘트 와인딩 공법에 의해 맨드릴(210)의 외경 측에 형성된 파이프 형상의 프리프레그 맨드릴(200)의 단면도들로서, 도 5a는 열선(230)이 프리프레그(220) 내부에 1회 와인딩 된 경우의 실시예이며, 도 5b는 열선(230)이 다수 와인딩 되어 하나의 열선층을 이룬 경우의 실시예이며, 도 5c는 도 5b의 실시예와 같이 열선층을 이루되, 열선(230)이 강화섬유와 열경화성 수지의 적층 과정에서 다수 개의 층을 이루도록 한 실시예이다.
필라멘트 와인딩 공법은 도 9의 종래 도면(특허등록 제10-1111964호 도면 발췌)과 같이, 유리섬유, 탄소섬유 등의 강화섬유가 열경화성 수지가 함침된 함침조를 지나 맨드릴(210) 외경에 감기면서 상기 섬유의 적층을 통해 일정 두께로 형성되며, 이렇게 권선된 맨드릴을 건조함으로써 열경화성 수지 FRP의 프리프레그로 제조되고, 추후 응용 제품에 따라 다시 가공(열경화 및 형상)된다. 열선 역시 필라멘트 와인딩 공법에 의해 프리프레그 내에 삽입할 수 있으나, 강화섬유 및 열경화성 수지의 와인딩을 통한 권선 중간에 열선을 작업자가 삽입할 수도 있다.
특히, 본 발명의 프리프레그 맨드릴(200)은 상기 강화섬유와 열경화성 수지의 와인딩을 통한 적층 중간에 열선(230)을 내삽한 후, 다시 강화섬유와 열경화성 수지를 와인딩하여 적층 과정을 더 진행하여 프리프레그 내부에 열선(230)이 내삽된 상태로 제조한다. 열선(230) 역시 와인딩 공법에 의해 맨드릴(210) 상에 와인딩되는 것이 바람직하다. 또한, 열선(230)도 동일한 열경화성 수지에 함침된 후 적응됨으로써 층간 분리 현상이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 가압 장치(100)에 프리프레그 맨드릴(200)이 케이스(20)의 경사진입부(22) 방향으로부터 삽입된 후, 가압부(21)를 지나면서 가압 및 가열이 동시에 이루어지는 공정을 보여주는 단면도이다.
본 발명의 장치(100)를 이용하여 상기 프리프레그 맨드릴(200)을 가압함과 동시에, 상기 프리프레그 맨드릴(200) 내의 열선(230)에 외부전원(400)을 인가함으로써 프리프레그(220) 내부에서 발열이 일어남으로써, 프리프레그(220)의 가압 및 가열이 동시에 이루어지면서 열경화함으로써 열경화성 수지, 예를 들어, 멜라민 수지 내부에 스폰지 구조의 형성 없이 경화가 이루어진다.
나선형 가압부재(10) 및 프리프레그 맨드릴(200) 중 어느 하나 이상은 최소한 외부 구동력에 의한 회전을 하여야 하며, 나선형 가압부재(10)는 회전구동부(30)에 의해 회전할 수도 있으며, 프리프레그 맨드릴(200)의 회전력에 의하여 함께 회전할 수도 있다. 즉, 프리프레그 맨드릴(200)은 회전하지 않을 수도 있으나, 나선형 가압부재(10)는 반드시 회전을 하여야 한다. 전술한 바와 같이, 회전은 나선형 가압부재(10)를 이루는 밴드가 나선부(11)에서 연결부(12)로 이동하며, 다시 연결부(12)에서 나선부(11)로 무한궤도를 이루며 이동한다는 것을 의미하며, 나선형 가압부재(10)가 전체적으로 어느 하나의 축을 중심으로 회전한다는 의미가 아님을 명시한다.
예를 들어, 나선형 가압부재(10)가 외부 구동력에 의해 일 방향으로 회전하면, 이러한 나선형 가압부재(10)의 회전력에 의해 프리프레그 맨드릴(200)이 가압됨과 동시에 나선형 가압부재(10)의 회전력 및/또는 나선형 가압부재(10)를 수평으로 이동시키는 외부의 장치의 힘에 의해 좌측 방향(도 6 기준)으로 이동하게 된다. 또한, 프리프레그 맨드릴(200)을 회전하면서 좌측 방향으로 힘을 가하면, 나선형 가압부재(10)가 이러한 프리프레그 맨드릴(200)의 회전력에 의해 함께 회전하면서 프리프레그 맨드릴(200)을 가압할 수 있다. 물론, 나선형 가압부재(10)와 프리프레그 맨드릴(200)을 동시에 회전시키면서 가압 및 가열 과정을 진행할 수도 있다.
프리프레그 맨드릴(200)은 케이스(20)의 경사진입부(22)에서는 나선형 가압부재(10)로부터 비교적 작은 가압력을 받으며, 경사진입부(22) 근처로는 프리프레그(220)가 상대적으로 두께가 두껍게 맨드릴(210) 위에 형성된다. 이는 가압력이 작을 뿐만 아니라, 가압부(21)에서 가압되면서 경사진입부(22) 방향으로 밀려난 프리프레그(220)로 인하여 상대적으로 프리프레그(220)의 두께가 클 수밖에 없기 때문이다.
추후 상기 경화 과정을 마친 후, 맨드릴(210)로부터 경화된 열경화성 수지 FRP(220)만을 분리하면, 열경화성 수지 FRP 파이프를 최종적으로 제조할 수 있다.
도 7a 및 7b는 가압패드(300)를 더 구비하는 프리프레그 맨드릴(200)의 예로서, 도 7a는 하나의 가압패드를 적용한 예이며, 도 7b는 4개의 가압패드를 적용한 예이다. 단면이 원형이 아닌 사각형 파이프인 경우에도 본 발명의 가압 장치(100)를 적용하기 위해서는 프리프레그 맨드릴(200)의 단면이 원형 또는 원형과 가까운 단면 형상을 가지도록 가압패드를 덧대야 한다. 만일 원형이 되지 않는다면, 나선형 가압부재(10)의 가압력이 프리프레그 맨드릴(200)의 외경 측에 균일하게 가해지지 않고 모서리 부분에만 가압력이 높아지기 때문에 단면이 사각형인 파이프의 경우에는 프리프레그 맨드릴(200)의 외경 측에 별도로 전체적인 단면이 원형이 되도록 가압패드(300)를 덧댄 후 가압 장치(100)를 이용하여 가압을 한다. 도 7a와 같이 내부에 프리프레그 맨드릴(200)이 삽입되도록 사각형 중공을 갖되, 외경은 원형을 이루는 가압패드(300)를 적용할 수도 있으며, 도 7b와 같이 사각형 단면을 갖는 프리프레그 맨드릴(200)의 4변에 각각 적용하되, 상기 프리프레그 맨드릴(200)의 면에 덧대는 평면부와 외경측으로 원호를 이루는 가압패드(300)를 적용할 수도 있다.
본 발명은 지금까지 설명한 본 발명의 가압 장치(100)를 이용하여 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조하는 방법을 제공한다. 도 8은 본 발명의 방법을 플로우차트화한 것으로서, 본 발명은 원형 또는 사각형 파이프 형상의 맨드릴 상에 열경화성 수지와 강화섬유를 필라멘트 와인딩 공법에 의하여 적층하되, 상기 적층 중에 열선을 삽입하는 필라멘트 와인딩 단계; 상기 열경화성 수지와 강화섬유가 적층된 맨드릴을 건조하여 프리프레그(prepreg)를 제조하는 프리프레그 제조 단계: 상기 프리프레그가 형성된 맨드릴을 상기 가압 장치를 이용하여 가압하면서, 상기 프리프레그의 내부에 구비된 열선에 전원을 가하여 가열하는 열경화 단계: 및 맨드릴로부터 열경화성 수지 FRP 파이프를 분리하는 단계를 포함하여 이루어지는 열경화성 수지 FRP 파이프를 제조하는 방법을 제공한다.
우선, 파이프 형상의 맨드릴 상에 열경화성 수지와 강화섬유를 필라멘트 와인딩 공법에 의하여 적층하되, 상기 적층 중에 열선을 삽입한다. 이러한 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 FRP(fiber reinforced plastics)를 제조하는 것은 공지의 기술임은 전술한 바와 같다. 파이프 형상의 맨드릴 외측면에 FRP가 형성되기 때문에 당연히 FRP가 파이프 형상으로 제조된다. 상기 파이프는 단면이 원형인 원통형 파이프가 바람직하나, 단면이 사각형인 관 형상의 파이프여도 무방하다. 또한, 상기 강화섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유와 같이 강도가 강화된 섬유를 모두 포함하는 포괄적인 의미로 사용된다.
다음으로, 상기 FRP가 형성된 맨드릴을 건조하여 열경화성 수지 FRP 프리프레그를 제조한다.
다음으로, 상기 프리프레그가 형성된 맨드릴을 전술한 본 발명의 장치를 이용하여 가압함과 동시에 본 발명의 프리프레그 열선에 외부 전원을 인가하여 발열함으로써, 가압 하에서 열경화성 수지의 경화가 일어나도록 한다.
다음으로, 맨드릴로부터 열경화성 수지 FRP 파이프를 분리한다. 맨드릴로부터 열경화가 끝난 FRP 파이프를 분리하는 것은 종래 가소성 FRP 파이프를 맨드릴로부터 분리하는 기술과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
10 : 나선형 가압부재 11 : 나선부
12 : 연결부 20 : 케이스
21 : 가압부 22 : 경사진입부
24 : 마찰감쇄부 24a : 볼(ball)
24b : 볼지지부 30 : 회전구동부
100 : 본 발명의 가압 장치 200 : 프리프레그가 형성된 맨드릴
210 : 맨드릴 220 : 프리프레그
230 : 열선 231 : 단자
300 : 가압패드 400 : 외부전원

Claims (13)

  1. 파이프 형상의 열경화성 수지 FRP 프리프레그(prepreg)가 표면에 형성된 맨드릴을 가압하는 장치로서,
    상기 맨드릴이 삽입되며, 상기 맨드릴의 외경측으로부터 상기 맨드릴을 가압하는 나선형 가압부재; 및 상기 나선형 가압부재가 삽입되는 케이스를 포함하여 이루어지되,
    상기 케이스는 파이프 형상의 가압부와, 상기 가압부 방향으로 직경이 작아지는 경사진입부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  2. 제1항에서, 상기 나선형 가압부재는 밴드(band)가 2회 이상 나선형으로 회전되는 나선부와, 상기 나선부의 양 단을 연결하는 연결부를 포함하여 이루어지되, 상기 연결부 및 나선부는 밴드(band, 띠)로 이루어진 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  3. 제2항에서, 상기 나선부는 상기 밴드가 나선형으로 동일한 직경으로 회전하여 전체적으로 파이프 형상인 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에서, 상기 가압부의 내경측에는 마찰감쇄부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  6. 제5항에서, 상기 경사진입부의 내경측에도 마찰감쇄부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  7. 제5항에서, 상기 마찰감쇄부는 회전하는 볼과 상기 볼을 지지할 수 있는 볼지지부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  8. 제2항에서, 상기 나선부와 연결부는 무한궤도를 이루면서 서로 위치를 교대하는 회전 또는 이동을 하는 것을 특징으로 하는 열경화성 수지 FRP 프리프레그 가압 장치.
  9. 파이프 형상의 맨드릴 상에 열경화성 수지와 강화섬유를 필라멘트 와인딩 공법에 의하여 적층하되, 상기 적층 중에 열선을 삽입하는 필라멘트 와인딩 단계;
    상기 열경화성 수지와 강화섬유가 적층된 맨드릴을 건조하여 프리프레그(prepreg)를 제조하는 프리프레그 제조 단계:
    상기 프리프레그가 형성된 맨드릴을 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제8항 중의 어느 한 항 가압 장치를 이용하여 가압하면서, 상기 프리프레그의 내부에 구비된 열선에 외부전원을 인가하여 발열함으로써 상기 프리프레그 내의 열경화성 수지를 열경화하는 경화 단계: 및
    상기 맨드릴로부터 열경화성 수지 FRP 파이프의 분리 단계를 포함하여 이루어지되,
    상기 맨드릴이 사각형 파이프인 경우 상기 프리프레그의 외측면에 가압 패드를 덧대어, 상기 가압 패드의 장착 후에 상기 가압패드 및 맨드릴을 포함하는 전체적인 형상이 원통형을 이루도록 하는 가압 패드 접합 단계를 상기 프리프레그 제조 단계와 경화 단계 사이에 더 갖는 것을 특징으로 하는 열선을 내부에 구비하는 열경화성 수지 FRP 파이프의 제조 방법.
  10. 제9항에서, 상기 열선은 전도성 금속선 또는 전도성 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 열선을 내부에 구비하는 열경화성 수지 FRP 파이프의 제조 방법.
  11. 제9항에서, 상기 열선의 양 단은 외부 전원과 연결되도록 상기 프리프레그 외부로 노출되어 단자를 형성하는 것을 특징으로 하는 열선을 내부에 구비하는 열경화성 수지 FRP 파이프의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제9항에서, 상기 가압패드는 내부에 사각형 공간을 갖되 외부로는 원통형, 또는 평면부와 1/4원호로 이루어진 반달형인 것을 특징으로 하는 열선을 내부에 구비하는 열경화성 수지 FRP 파이프의 제조 방법.
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