KR101936973B1 - 내부 가요성 지지체를 이용하여 고장력으로 미세 와이어를 권취하기 위한 스풀 - Google Patents

Abstract

고장력으로 미세 와이어를 권취하기 위한 스풀(300)이 개시되어 있으며, 상기 스풀은 경질 및 취성 물질을 소잉하기 위해 사용되는 스틸 와이어를 권취하는 데 특히 적합하다. 상기 스풀은 본 발명의 여러 가지 양태를 갖는다. 와이어가 권취될 때, 스풀의 폭에 걸쳐 균일한 방식으로 스풀 코어의 외경이 증가하도록, 스풀의 코어(302)를 내부적으로 지지하는 반경 방향 탄성 요소(312)를 포함한 지지체(310)들이 구비되어 있다. 이를 위해, 상기 코어는 지지체들과 선택적인 플랜지들에서 증가한 반경 방향 강도를 보상하도록 특수하게 구성되었다. 이러한 스풀은 와이어 소우 기계에서 사용될 때 소잉 와이어의 자체 손상 및 층간 압력 문제를 해소한다.

Description

내부 가요성 지지체를 이용하여 고장력으로 미세 와이어를 권취하기 위한 스풀{SPOOL FOR WINDING FINE WIRE AT HIGH TENSION WITH INTERNAL FLEXIBLE SUPPORTS}

본 발명은 스풀에 관한 것으로, 특히, 고장력으로 미세 금속 와이어를 권취하기 위한 스풀에 관한 것이다. 본 발명의 스풀은 미세 소잉(sawing) 와이어, 구체적으로는, 연마재 코팅을 구비한 소잉 와이어를 권취하는 데 특히 적합하다. 이 스풀은 와이어의 손상을 최소화하고, 재사용에 적합하며, 와이어 소우 기계(saw machine)의 일부를 형성하도록 설계되었다. 또한, 본 발명은 이러한 스풀을 설계하는 방법에 관한 것이다.

길이가 긴 와이어의 운반은 코일 형태로 주로 이루어진다. 미세 와이어의 경우, 소위 '와이어-팩(wire-pack)'으로 불리는 이러한 코일이 보빈 또는 스풀이라 할 수 있는 캐리어에 권취된다. 이하에서, 용어 '스풀'은, 보빈 또는 릴 등의 동의어로 치환될 수도 있다는 것을 감안하고, 사용될 것이다. '스풀'은 권취시 또는 권출시 축 또는 스핀들을 수용하기 위한 축공(axial hole)을 가진 실린더 형상이다. 선택적으로, 스풀이 더 많은 와이어를 보유할 수 있도록 하기 위해, 실린더의 일단부 또는 양단부에 림(rim) 또는 릿지(ridge)가 있을 수 있다. 이러한 림 또는 릿지를 이하에서는 '플랜지'라 할 것이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 플랜지의 기능은 스풀이 회전할 때 스풀 상의 와이어를 손상으로부터 보호하는 것이다.

스풀의 기본적인 기능은 와이어의 운반을 용이하게 하고, 와이어에 대한 추가적인 공정에서 와이어의 사용을 용이하게 하는 것이다. 금속 와이어, 특히 강재 와이어는 많이 연신되지 않고, 중량이 상당하며, 높은 인장 강도를 갖기 때문에, 강재 와이어 산업 등의 금속 와이어 분야에 사용되는 스풀은 섬유 원사 또는 광 섬유 또는 임의의 다른 산업에서 공지된 바와 같은 스풀과는 상당히 다르게 설계된다.

더 많은 스풀들이 단순한 운반 기능을 능가하는 다른 목적을 위해, 즉, 기계의 필수적인 부분으로서 사용되고 있다. 통상적으로, 과거의 스풀들은 특정 인터페이스를 이용하여 기계에 단지 장착되도록 설계되었으나, 현대의 스풀들은 기계에 의해 수행되는 실제 공정에서 역할을 담당하기 시작하고 있다. 주목할만한 예는 와이어 소우이다. 와이어 소우에서는, 길이가 긴 매우 미세 강재 와이어(통상적으로 150㎛ 미만)가 스풀로부터 권출되어 절삭 헤드로 공급되며, 상기 절삭 헤드에서는, 예컨대, 실리콘 잉곳이 태양광 또는 반도체 산업에서 사용하기 위해 웨이퍼로 절삭된다. 와이어는 약 25 뉴턴의 장력으로 절삭 헤드의 와이어 웨브(web)에 공급된다. 오래된 기계류에서는, 높은 25 뉴턴의 장력이 스풀 상의 와이어 팩에 전달되지 않도록, 스풀로부터 절삭 헤드 내의 와이어 장력을 분리할 것을 전제하고 있다. 이러한 전제는 복잡성과 그에 따른 기계의 비용을 추가하기 때문에, 이 전제를 제거하고자 하는 지속적인 노력이 이루어지고 있다(예를 들어, DE19828420 참조).

연마재가 유리 입자(loose abrasive) 절삭 공정을 사용하는 경우, 즉, 절삭 헤드 내에서 운동하고 있는 와이어 위에 부어지는 액체에 연마재가 담지된 공정을 사용하는 경우, 단방향 또는 양방향으로 절삭이 수행될 수 있다. 단방향 모드에서는, 와이어가 스풀로부터 권출되어 절삭 헤드를 통해 공급된 다음, 폐기용의 중장비 스풀에 수집된다. 이러한 중장비 스풀의 일례로서, WO 2011/035907를 참조하면, 여기서도 스풀로부터 사용후 와이어를 절단할 것을 전제하고 있다. 다른 예가 WO 2009/077282에 개시되어 있으며, 여기서는, 스풀의 코어가 서로 결합되는 2개의 원추형 부분들로 이루어져 있으며, 그 중 외측 와이어 수용부에는 방사상 압축 세그먼트가 구비되어 있다. 이 부분들은 위에 수집된 사용후 와이어를 해제하기 위해 축 방향으로 분리될 수 있다. 단방향 모드에서, 송출(pay-off) 스풀은 US D563207 S 또는 US D441772 S에 도시된 것과 같은 판금 스풀일 수 있다.

대안적으로, 공정이 양방향으로 구동될 수 있다. 그 경우, 새로운 와이어가 순방향으로 순방향 길이(FL)를 지나 스풀로부터 인출된 후, 소잉 방향이 역방향 길이(BL)를 지나 반전된다. FL은 BL보다 크다. 따라서, '양방향 소잉'을 '순역방향 소잉', '왕복 소잉' 또는 '필그림(pilgrim)-모드 소잉'이라 칭할 수 있다. 역방향 소잉시, 연마재가 묻은 사용후 와이어가 거리(BL)를 지나 깨끗한 와이어 위에 재권취된다. 이와 같이 재권취될 때, 절삭 헤드 장력은 약 25N 이상인 반면, 통상적으로, 와이어 제조시, 스풀의 권취 장력은 3 내지 5 뉴턴에 불과하다. 이는, 사용후 와이어가 새로운 와이어 팩의 권선들 사이로 유입된 다음, 새로운 와이어로부터 사용후 와이어가 빠져나오는 순간 와이어가 파단되는(언더컷팅) 등의 여러 가지 문제점으로 이어질 수 있다.

또한, 스풀은 많은 권선들과 고장력의 조합 하에서 상당히 변형된다. 따라서, 판금 스풀은 1회만 사용될 수 있으며, 1회 사용후 폐기되어야 한다. WO 2011/035907에 개시되거나 US D399857에 도시된 것들과 같이 기계가공되거나 조립된 견고한 스풀의 형태가 대안으로 시도되었다. 이 스풀들은 재사용이 가능하지만, 그 위에 권취된 와이어 코일보다 더 무겁기 때문에, 구매와 운반 면에서 비용이 매우 높아진다. WO 2009/080750에 기술된 스풀은 경량이며 적어도 10회 재사용이 가능하다는 점에서 한 단계 진보한 것이다.

고정 입자 소잉을 이용하여 성가시고 더럽고 환경적으로 친화적이지 않은 유리 입자 소잉을 제거하고자 하는 현재의 시도들은 사용되는 스풀에 대해 특수한 요건을 더 부여한다. '고정 입자 소잉'에서는, 연마재 입자가 캐리어 와이어에 견고하게 부착되며, 냉각제만 소잉 공정에서 사용된다. 일반적으로 미세 다이아몬드 입자(통상적으로, 10 내지 50㎛의 크기)가 연마재 입자로 사용된다. 이러한 와이어는, 소잉되는 피스(piece)들과 마찬가지로 와이어도 연마되는 유리 입자 소잉 공정과는 대조적으로, 연마재, 즉, 와이어에 고정된 연마재에 의해 마모되지 않기 때문에 훨씬 더 오래 절삭 작용을 유지한다. 연마재 입자의 부착은 전해 수단에 의해, 수지에 의해, 경납땜 또는 연납땜에 의해, 또는 기계적인 압입에 의해 이루어질 수 있다. 고정 입자 소잉 와이어들은 역방향 길이(BL)가 순방향 길이(FL)보다 아주 조금 작은 필그림 모드에서 특별히 사용된다. 따라서, 동일한 와이어 길이가 다수회(유리 입자 소잉의 경우에서보다 대략 백배 더 많이) 사용된다.

이는 매우 적은 와이어가 각 사이클에서 웨브로 권취되고, 사용후 와이어가 와이어 웨브에 유입되기 전에 다수회 그 자체에 재권취된다는 것을 의미한다. 예를 들면, 와이어의 새로운 길이(FL-BL)가 웨브로 완전히 유입되어 더 이상 송출 스풀로 반환되지 않기 전에, 와이어는 송출 스풀에 BL/(FL-BL)회 재권취된다. 이는 FL/BL 비율에 따라 송출 스풀에서의 100회 이상, 심지어 200회의 재권취에 쉽게 도달한다. 또한, 소잉을 위해 사용되는 장력이 감소되지 않았으며, 웨이퍼링을 위해서는 약 25 뉴턴을 유지하고, 크로핑(cropping)이나 잉곳 성형의 경우에는 70 뉴턴을 초과한다. 대부분의 소잉 기계에서, 이 장력이 감소되지 않고 스풀 상의 권선에 전달된다.

본 출원의 목적을 위해, 와이어가 소모되는 스풀을 (와이어가 권취되는, 즉, 와이어를 수용하는 스풀의 역할을 일시적으로 수행하는 경우에도) '송출 스풀'이라 칭하는 반면, 사용후 와이어를 수용하는 스풀을 (와이어를 전달하는 스풀로서 간헐적으로 사용되는 경우에도) '권취 스풀'이라 칭할 것이다.

설상가상으로, 연마재 입자가 (그렇지 않으면, 절단하지 못하기 때문에) 와이어 표면으로부터 돌출되어, 다수회의 역방향 권취시, 스풀에 있는 와이어와 스풀에 도달한 와이어가 서로서로 손상시키며, 이를 '자체 손상 문제'라 칭할 것이다. 이 문제는 송출 측에서 가장 심각한 데, 그 이유는 송출 측에서 와이어가 계속 사용하여야 하는 새로운 와이어에 재권취되기 때문이다. 따라서, 와이어는 이미 손상된 상태로 웨브에 유입된다. 권취 측에서는 이 문제가 덜 심각한 데, 그 이유는 와이어가 마모되었고 연마재가 무뎌졌기 때문이며; 권취 스풀에 유입되는 와이어가 이미 마모된 와이어에 안착된다. 따라서, 권취 스풀 상의 와이어가 권취 스풀 상에 안착되고 있는 와이어를 많이 해할 수 없다.

소잉 공정에서 사용되는 높은 와이어 장력은 전후 권취시 스풀의 와이어 팩으로 직접 전달된다. 이는 하부의 소프트하게 권취된 와이어 팩에 재권취된 와이어의 언더컷팅과 와이어들 간의 가벼운 접선 방향의 와이어 마찰로 이어지며, 이들은 자체 손상을 초래하는 메커니즘이 된다. 그 결과, 스크래치, 압흔 및 연마재 입자의 소실이 발생한다.

이 문제는, 고장력으로 권취되는 와이어가 더 아래 층에 있는 소프트하게 권취된 와이어 층들 사이에서 절단되는 것을 방지하기 위해, 초기에도 와이어 팩을 고장력으로 -바람직하게는, 소잉시 사용되는 동일한 장력으로- 권취함으로써, 완화될 수 있다. 그러나, 와이어 루프를 고장력으로 권취하면, 스풀 코어 상의 하부 와이어에 대해 압력을 누적하여 추가하게 된다. 따라서, 스풀은 일반적으로 이 엄청난 압력에 저항하기 위해 무겁고 강하게 제조된다. 그 결과, 스풀의 코어에 근접하여 있는 와이어는 상부의 층들의 압력에 의해 심하게 횡방향으로 압축된다. 고장력 와이어, 즉, 3,500 N/㎟ 초과의 인장 강도를 가진 와이어는 이 횡방향 압력에 대해 특히 민감하게 파단되며, 장력하에서 유지될 때는 확실하게 파단된다(와이어가 고장력으로 권취될 때가 그러한 경우이다). 따라서, 이러한 파단이 스풀에서 이미 발생할 수 있다는 것은 놀라운 일이 아니다. 이를 '층간 압력 문제'라 한다.

점 점촉을 방지하고 접촉 압력을 확산시키기 위해, (EP 1698433 A1에 개시된 바와 같이) 육각형 또는 사각형의 관계로 스풀 상에 와이어를 층으로 조심스럽게 권취하는 데 있어서, 이 문제를 해결하고자 하는 시도가 탐구되었다. 그러나, 통상적으로 약 150㎛인 고정 입자 소잉 와이어의 섬도를 감안하면, 이러한 시도는 용이하지 않다.

다른 문제는, 스풀 전체에 걸쳐 일관된 권취 품질을 보장하기 위해, 스풀의 코어가 코어의 전체 폭에 걸쳐 균등하게 변형될 수 있어야만 한다는 것이다. 코어를 지지하기 위해 플랜지가 사용되는 경우, 코어가 플랜지 부근에서 반경 방향으로 더 강해지려는 경향이 있다. 그 결과, 코어가, 플랜지에서가 아니라, 플랜지들 사이에서 직경이 제한되는 경향이 있다. 이에 따라, 코어의 중간 부분이 측부에서보다 더 작은 외경을 나타낼 것이며, 이는 사용시 권취 문제로 이어진다. 이 문제를 '불균일한 코어 변형 문제', 즉, '사용시 축을 따르는 코어의 불균일한 반경 방향 변형'이라 칭할 것이다.

코어의 변형은 스풀의 재사용시 영구적인 손상을 초래할 수 있으며; 스풀 코어는 사용 주기마다 플랜지에서보다 플랜지들 사이에서 영구적으로 감소된 코어 직경을 점진적으로 나타낼 것이다. EP 1419986은 스풀을 이용하여 이러한 재사용 문제를 극복하고자 시도하고 있으며, 여기서는, 커버 플레이트와 코어 사이에 간극을 두고, 실린더형 코어가 커버 플레이트로 덮인다. 이 간극의 목적은 코어가 압축되는 것을 방지하기 위해 커버 플레이트에 인가되는 권취 압력을 흡수하는 것이다. 본 발명자들은 이러한 접근법이 코어에 가까운 와이어 권선의 좌굴을 초래할 수 있을 것으로 믿는다.

따라서, 본 발명자들은 후술한 스풀의 디자인을 이용하여 상술한 문제점들을 극복하기 위한 많은 시도를 하였다.

본 발명의 스풀의 목적은, 자체 손상 문제를 줄이거나 제거하고, 적어도 코어에 가까운 층간 와이어 압력을 줄이며, 사용시 스풀의 축을 따라 균일한 코어 변형을 나타내고, 적어도 10회동안 재사용이 가능하며, 와이어 전달 스풀 또는 와이어 수용 스풀로 고장력을 전달하는 기계에서 사용될 수 있는 스풀을 제공하여, 선행 기술의 문제점들을 극복하는 것이다. 상기 스풀은 송출 스풀 또는 권취 스풀로서 동일하게 사용가능하다.

상기 스풀은 고장력으로 미세 와이어를 권취하는 데 특히 적합하다. '미세 와이어'는 400㎛ 또는 300㎛ 미만, 바람직하게는, 150㎛와 같은 200㎛ 미만의 전체 직경을 가진 와이어로 간주되며, '고장력'은, 25N 내지 최대 70N 이상과 같이, 10N 초과의 장력으로 간주된다. 권취는 와이어 제조시 또는 와이어 사용시 발생한다. 문맥이 허용할 경우에는, '권취한다'가 '권출한다'를 의미할 수도 있다. 와이어는, 바람직하게, 소잉 와이어이며, 특히, 고정 입자 소잉 와이어이다.

임의의 스풀로서, 상기 스풀은 미세 와이어가 위에 권취되는 코어를 포함한다. 본 출원의 문맥 내에서, '코어'는 와이어 팩이 시작되는 위치에서 종료되는 위치까지 축방향으로 뻗어 있으며 와이어를 수용하도록 의도된 스풀의 요소를 의미한다. 부드러운 작동을 위해, 이 코어는 코어의 축을 따라 일정한 외경을 가진 관 형상 또는 실린더 형상이다.

스풀은 적어도 2개(3개, 4개, 5개 이상일 수도 있다)의 지지체를 더 포함한다. 지지체는 권취기 또는 와이어 소우 등으로 사용될 수 있는 임의의 기계에 스풀을 장착하기 위한 중앙 홀을 구비한다. 장착은 스핀들, 핀틀, 축 또는 임의의 다른 공지된 수단에 의해 이루어질 수 있다. 상기 적어도 2개의 지지체의 기능은 코어를 유지하고 지지하는 것이며, 이에 따라, 적어도 스풀 상에 와이어 팩이 있을 때, 힘이 코어에 의해 지지체에 가해진다. 지지체는 코어와 내부적으로 접촉하도록 장착되며, 이는 사용시 코어의 내부로부터의 하중을 지지체가 수용한다는 것을 의미한다. 따라서, 지지체의 적어도 일부가 내부로부터 코어와 접촉하여야만 한다. 예를 들어, 지지체의 중앙 홀이 코어 외부에 배치되는 것을 배제하지는 않지만, 그러한 경우에도 지지체는 내부로부터 코어를 지지한다. 대부분의 경우들에서, 코어의 실질적으로 내부에 장착되는 지지체가 취급과 설치 면에서 바람직할 것이다. '실질적으로 내부'는 지지체의 질량의 대부분, 예컨대, 지지체의 질량의 절반 이상이 코어 내부에 있다는 것을 의미한다.

스풀에 대한 세부 사항은 지지체가 중앙 홀과 코어 사이에 반경 방향 탄성 요소를 포함한다는 것이다. '탄성 요소'는 (변형이 영구적인 '플라스틱'과는 반대로) 힘에 의해 변형된 이후에 원래의 형상으로 복원되는 물질로 이루어진 임의의 장치 또는 피스를 의미한다. 이 요소는 적어도 반경 방향으로 탄성적이다. 우선적으로, 지지체는 축 방향으로 강성이 있다. 이는, 예컨대, 핀틀에 의해, 축 방향으로 밀렸을 때, 중앙 홀이 너무 많이 이동하는 것을 방지하기 위한 것이다.

와이어가 코어에 권취되면, 코어에서 반경 방향 압력이 발생할 것이다. 코어에 권취된 와이어의 제 1 층은 코어에 대해 내측으로 (국소적 접촉 응력들의 평균인) 반경 방향 응력 또는 압력을 제공할 것이다. N/㎟ 단위의 이 반경 방향 압력(p)은 뉴턴 단위의 권취 장력(T)에 비례하고, ㎜ 단위의 권취 반경(R)과 ㎜ 단위의 와이어 직경(d)에 반비례하며,

즉, p~T/(Rㆍd)이다.

따라서, 고장력으로 권취된 미세 와이어(작은 d)의 경우, 이 반경 방향 압력이 더 높다. 반경 방향 압력은 코어의 직경 감소를 초래할 것이다. 최신의 스풀들에서, 플랜지들은 일반적으로 코어에 대한 지지체 역할을 한다. 이 플랜지들은 반경 방향으로 강하기 때문에, 반경 방향 압력 하에서 코어와 동일한 정도로 변형되지 않으며, 따라서, 코어의 직경이 플랜지에서보다 중앙에서 더 많이 감소하게 될 것이다.

본 발명의 스풀에서는, 코어와 중앙 홀 사이에 반경 방향 탄성 요소가 존재함으로써, 지지체의 반경 방향 강성을 감소시킨다. 탄성 요소는, 스풀의 전체 설계 하중에서, 지지체에서의 코어의 외경 감소가 지지체들 사이에서의 코어의 외경 감소와 실질적으로 동일하도록, 설계된다. '실질적으로 동일하다'는 것은 지지체에서의 코어 외경(OD_support)과 지지체들 사이에서의 코어 외경(OD_core) 간의 설계 하중에서의 직경 차이(△OD)가 지지체들 사이에서의 코어 외경(OD_core)의 0.5% 미만이라는 것을 의미한다. 상대적인 차이가 0.2% 미만이면 더 바람직하지만, 본 발명자들은 이러한 편차를 0.1% 미만으로 유지하는 성과를 얻었다. '지지체들 사이'라는 것은, 2개의 인접한 지지체들 사이의 대략 중간, 예컨대, 이 지지체들의 중간을 의미한다. '설계 하중'은 사용하고자 의도한 직경, 양 및 장력의 와이어로 스풀이 채워졌을 때를 의미한다. 공지된 설계 하중이 없는 경우에는, 25N의 권취 장력에서 148㎛의 공칭 직경을 갖는 50㎞의 소잉 와이어의 하중을 상정할 것이다. 따라서, 이러한 설계에 의해, 불균일한 코어 변형 문제가 해결된다.

이 편차를 측정할 수 있는 여러 가지 방법이 있다:

■ 내부 캘리퍼스를 이용하여 지지체들에서 그리고 지지체들 사이에서 코어의 내경을 측정할 수 있다. 여기에 하중을 받지 않은 코어의 두께를 가산하면, 와이어 팩 하에서 코어의 외경을 산출할 수 있다. 코어 벽체의 축방향 압축이 직경 감소의 일부를 차지함으로써, 이 측정 값이 직경 감소의 실제 값과 항상 동일하거나 약간 더 크게 만든다.

■ 대안적으로, 반경 방향 압축 하에서 스풀이 어떻게 편향되는지를 알아보기 위해 스풀의 유한 요소 모델링(FEM)이 실시될 수 있다. 이러한 모델링은 아바쿠스 또는 임의의 다른 공지의 FEM 모델링 소프트웨어에서 이루어질 수 있다.

지지체들에서의 하중의 편차가 지지체들 사이에서의 하중의 편차와 너무 많이 차이가 나지 않아야 한다는 것을 표현하는 대안적인 방법은 N/㎣ 단위로 표현되는 '반경 방향 계수(k_x)'를 이용하는 것이며, 'k_x'는 스풀의 축을 따른 위치(x)에서 반경 방향 변형(△R_x)과 (권취 장력 또는 와이어 직경이 축방향으로 변하지 않는 한) 축방향 상수로 이해되는 반경 방향 압력(p) 간의 비례 상수이다. 'p'는 설계 하중에서의 압력과 동일하며:

따라서,

이다.

동일한 벽체 두께를 가진 균질한 등방성 코어 물질로 이루어진 실린더형 코어를 사용하면, 스풀의 축방향 길이에 걸쳐 일정한 반경 방향 계수를 얻을 수 있다. 이러한 코어 속으로 지지체들을 도입하면, 지지체들이 약간의 반경 방향 강성을 불가피하게 추가하기 때문에, 지지체들 사이에서보다 지지체들에서 반경 방향 계수에서 약간의 차이가 발생할 수 있다. 심지어, 이 지지체들이 반경 방향 탄성 요소를 포함하는 경우에도 그러할 것이다(그러나, 반경 방향 계수의 축방향 변화는 공지의 디자인보다 이미 크게 저하될 것이다). 따라서, 추가의 단계는, 이 지지체들에서 코어의 반경 방향 계수도 감소시킴으로써, 지지체들에서 스풀의 반경 계수를 조절하는 것이다. 이는 지지체들에서 코어 물질을 제거함으로써 이루어질 수 있다.

그렇게 하는 한 가지 방법은, 예를 들어, 지지체들이 있는 개소에 (예컨대, 사용시 스풀의 직경 변화보다 넓은) 원주상 절개부를 만드는 것이다. 이렇게 하면, 코어가 국소적으로 약화되고, 스풀의 축 방향 길이에 걸쳐 반경 방향 계수가 보다 균일하게 된다. 또 다른 가능한 방법은 오직 내부로부터 코어 물질을 제거하는 것이다. 이에 따라, 코어 두께가 지지체들 부근에서 감소되어, 지지체의 반경 방향 계수에 의해 보상되는 개소에서 코어의 반경 방향 계수가 국소적으로 약화될 것이다.

본 발명자들은 지제체들에 통합될 수 있는 몇몇 가능한 반경 방향 탄성 요소를 구상하였다. 첫 번째 가능한 방법은 지지체 내의 다른 물질보다 탄성 계수가 낮은 엘라스토머 물질을 사용하는 것이다. 이 요소들은 홀을 가진 중앙 피스와 코어 사이에 배열된 반경 방향 스포크와 같은 이산(discrete) 요소들로 구현될 수 있다. 또는, 이 엘라스토머는 코어와 중앙 피스 사이에 반경 방향의 얇은(그러나, 축방향으로 넓은) 원주상 층으로서 통합될 수도 있다.

가능한 엘라스토머 물질들은 천연 고무, 또는 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 부틸 고무(IIR), 클로로프렌 고무(CR), 니트릴 고무(NBR), 또는 에텐-프로펜(EPM, EPDM)과 같은 고성능 고무, 또는 실리콘 고무 또는 우레탄 고무와 같은 고성능 고무 등의 합성계 고무와 같이 당업자들에게 공지된 것들이다. 대안적으로, 폴리올레핀 및 열가소성 폴리우레탄과 같은 몇 가지 열가소성 폴리머가 이 목적을 위해 유용하다. 적당한 프라이머를 사용하여 중앙 피스와 코어 사이에 양호한 접착이 이루어지도록, 적절한 주의가 취해져야 한다.

대안적으로, 상기 탄성 요소는 기계적 스프링을 기반으로 할 수 있다. '기계적 스프링'은 스프링이 만들어진 물질로 유도되는 굽힘 모멘트 및/또는 비틀림 모멘트에 의해 변위가 억제되는 기하학적 구조를 가진 탄성 요소이다.

기계적 스프링의 바람직한 실시예에서, 스프링들은 지지체 내에서 회전 대칭으로 배향된다. 적어도 스프링들은 3차 회전 대칭으로 장착되어야만 한다. 즉, 3개의 스프링이 120°주기로 지지체 내에 장착된다. 물론, 지지체의 위치에서 코어의 원주상 균일도를 높이기 위해, 4, 5, 6, 7, 또는 일반적으로 N회 대칭과 같은 고차 대칭이 바람직하다. 본 발명자들은 12회의 대칭성을 가진 실시예들을 테스트했다. 홀수 차수의 대칭성이, 지지체의 주조에 더 도움이 되기 때문에, 다소 바람직하다. 모든 스프링이 반경 방향으로 반대측에 있는 스프링을 대면하지 않는다는 사실은 냉각시 균일성을 유지하는 데 도움이 된다.

이 대칭성을 구현하는 특별한 방법은 코어와 중앙 홀을 가진 중앙 피스 사이의 지지체 내에 '스포크'를 사용하는 것이다. 이 스포크는 블레이드 스프링, 나선형 스프링 또는 임의의 다른 적절한 기하학적 구조의 스프링의 형태를 취할 수 있다.

무한 회전 대칭 또는 원형 대칭의 경우가 특히 바람직하다. 지지체는 모든 회전 각도 하에서 동일하게 유지된다. 이 경우, 스프링의 굽힘 평면은 스풀 축을 포함한다.

우선적으로, 기계적 스프링은 (예컨대, 스포크의 경우) 단일의 물질로부터 스프링의 기하학적 구조를 밀링함으로써 얻어진다. 원형의 기하학적 구조인 경우, 단일의 물질로부터 선반에서 기계적 스프링을 제조하는 것이 더 바람직하다. 이러한 스프링을 지지체에 '통합'되었다고 하며, 즉, 스프링이 지지체와 일체라 한다. 이와 같이 통합된 스프링은, 코어와 중앙 피스 사이에 기계적 스프링이 장착되지 않아야 한다는 장점을 갖는다. 스프링의 고정에 전혀 문제가 없다.

지지체의 개수는 적어도 2개이다. 지지체의 축방향 위치는 축 위에서 코어의 반경 방향 압축을 제한하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 지지체가 3개인 경우, 지지체들은 코어의 축방향 길이의 1/4, 2/4, 3/4 위치에 장착될 수 있다. 2개만 있다면, 이들은 코어의 양 단부에 우선적으로 장착된다. 이들은 코어의 양 단부에서 또는 코어로부터 에지까지의 축방향 길이의 최대 약 1/3 위치에서 내부적으로 코어를 지지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 코어의 측면에 플랜지를 추가하는 것이 유리하다. '플랜지'는 와이어에 의해 덮이지 않거나 와이어에 의해 덮이도록 의도하지 않은 실린더의 부분(코어로 규정되는 실린더의 나머지)이다. 어떤 경우에는, '제로-플랜지' 디자인, 즉, 플랜지의 외경이 코어의 외경과 동일한 디자인이 유리할 수 있다. 그 경우, 플랜지가, 예컨대, 물질 면에서, 코어와 상이할 수도 있지만, 대안적으로, 관형 코어와 통합될 수도 있다. 즉, 코어 부분이 중단되지 않고 계속되지만 플랜지 부분에 와이어를 수용하도록 의도되지는 않는다.

비-제로 플랜지, 즉, 스풀의 단부에 림을 형성하는 플랜지는, '와이어 팩'을 형성하도록 와이어 층들을 서로의 위에 점진적으로 권취함으로써 스풀에 더 많은 양의 와이어를 배치할 수 있도록 하기 때문에, 더 바람직하다. 그러나, 와이어 팩의 두께가 증가하면, 반경 방향 코어 압력과 와이어들 사이의 층간 압력도 증가하게 될 것이다. 따라서, 플랜지가 코어로부터 너무 많이 연장되지 않아야 한다는 것이 중요하다. 본 발명자들의 경험에 의하면, 플랜지는 상기 관형 코어의 외경과 동일하거나 더 크고 상기 관형 코어의 외경의 1.3배 미만인 플랜지 외경을 가져야 한다.

물론, 플랜지의 존재는 해당 플랜지의 근방에서 스풀의 반경 방향 강성을 향상시킬 것이며, 코어의 불균일한 변형을 방지하기 위해 보상되어야 한다. 이는, 예컨대, 코어 측면의 원형 절개부로 플랜지 부근에서 코어로부터 약간의 물질을 제거함으로써, 또는 코어 내부로부터 물질을 제거함으로써, 이루어질 수 있다. 다른 가능한 방법은 후프 응력(원주상 응력)을 약화시켜 플랜지에 대해 반경 방향 강성을 제공하는 반경 방향 절개부를 플랜지에 만드는 것이다.

대안적으로, 플랜지의 반경 방향 강성이 코어로 전달되는 것을 방지하기 위해, 지지체에 대해 실시되는 것과 매우 동일한 방식으로, 플랜지에 반경 방향 탄성 요소가 통합될 수 있다. 다른 가능한 해법은 플랜지가 접선 방향 탄성 요소를 구비하도록 하는 것이다. 예를 들어, 상술한 탄성 물질로 상기 반경 방향 절개부를 충진할 수 있다.

스풀과 지지체는 목적에 맞는 물질로 제조된다. 기술적인 기준(E-계수, 항복 강도, 비중)뿐만 아니라 물질의 가격과 이용가능성도 여기서 하나의 역할을 할 것이다. 금속이 물론 우선적으로 선택되며, 선호도를 높이기 위해, 일반 탄소강, 스테인리스 스틸, 고강도강 등의 많은 특수한 강이 선택된다. 스틸의 높은 탄성 계수 때문에, 적은 중량으로 어느 정도의 탄성적인 유연성을 얻기 위해서는 높은 항복 강도가 바람직하다. 스틸은 선택적으로 경화될 수 있으며, 관 형태로 얻어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 경화되지 않은 42CrMo4-V 및 34CrNiMo6-V(WerkstoffNr. 1.6582.05) 튜브 스틸 또는 (HRC47, WerkstoffNr. 1.3537로 경화된) 100CrMo7-G와 같은 경화된 튜브 물질이 바람직한 조성물로 간주된다. 다른 대안은 지지체의 형성을 다소 용이하게 하는 주철을 사용하는 것이다.

적어도 비중 면에서, 좋은 대안은 알루미늄 합금이다. 바람직한 합금은, 2024-T3 또는 2024-T351과 같이 구리와 마그네슘을 포함하는 2000 시리즈, 또는 6061-T6, 6082-T6과 같이 마그네슘과 실리콘을 포함하는 6000 시리즈의 단조된 알루미늄 합금이다. 명칭은 국제 합금 표시 체계(IADS)를 따른 것이며, T 접미사는 후처리의 종류를 나타낸다. 알루미늄 합금의 다른 장점은, 어떤 조성물들이 바람직한 예인 A02010-T7, A07710-T5, T52, T6, T71과 같은 것으로 용이하게 주조될 수 있다는 것이다. 어떤 경우에는, 200 N/㎟ 초과의 항복 강도를 가진 단조되거나 주조된 알루미늄 합금이 바람직하다.

또 다른 대안은 기술적 폴리아미드(Ertalon^®) 또는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 플라스틱 물질과, 유리 섬유 강화 복합 재료 등과 같은 복합 물질이다. 본 발명자들 중 한 명은 목재가 중량에 대한 강도 비율 면에서 우수한 대안이라는 것을 발견하였다.

또한, 스풀의 코어가 (상술한 스틸 또는 알루미늄 합금과 같은) 금속으로 제조되고 지지체가 플라스틱 물질로 제조된 '하이브리드' 디자인도, 플라스틱의 낮은 계수가 지지체들을 쉽게 압축하는 데 도움이 되기 때문에, 매우 좋은 가능한 방안이면서도 심지어 바람직하다. 코어가 플라스틱이고 지지체가 금속인 다른 방안도 가능하기는 하지만, 다소 덜 바람직하다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 고장력으로 미세 와이어를 권취하기 위한 스풀이 제공되며, 상기 스풀은 미세 와이어를 위에 수용하기 위해 코어 물질로 제조된 관형 코어를 포함한다. 코어 물질은 N/㎟ 단위로 표현되는 영의 계수(E_core)로도 알려진 탄성 계수를 갖는다. 코어는 관형 코어이거나, 더 바람직하게는, 모두 ㎜ 단위로 표현되는 내경(ID)과 외경(OD)을 가진 실린더형 코어이다. OD, ID 및 E_core는 부등식(유연성 기준)을 만족하도록 선택된다.

부등식의 경계가

이면, 더욱 바람직하다.

148㎛의 소잉 와이어 50㎞로 이루어진 와이어 팩이 25N의 장력으로 스풀에 권취되어 있는 매우 특수한 경우에서는, 이하의 경계가 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.

상술한 바와 같이, 본 발명자들의 목적 중 하나는 스풀에 고정 입자 와이어를 권취할 때 발생하는 와이어의 자체 손상을 해결하는 것이었다. 이 자체 손상의 원인들 중 하나는 스풀에 권취되어 있는 층들의 개수에 따라 증가하는 와이어 팩에서의 반경 방향 압력, 즉, 층간 압력 문제이다. 이 압력을 줄이기 위해, 본 발명자들은 이러한 종류의 스풀에 대해 표준인 비압축성 코어 대신, 압축성 코어를 택했다. 압축율의 정도는 '반경 방향 계수(k_x)'로 다시 표현되며, 여기서, 'x'는 코어를 따른 축방향 위치를 나타낸다. 이제, 'k_x'는 축방향에서 변하지 않으며 'k'와 동일한 것으로 가정할 것이다.

탄성 이론으로부터, 탄성 계수(E_core)를 가진 벽체가 두꺼운 튜브에 있어서, 여기서, 튜브의 코어가 튜브로 간주되는 경우에, 외부의 내향하는 반경 방향 압력(p) 하에서 외측 반경의 감소(△R_o)는

으로 잘 표현되며,

'g'는

과 동일하다.

'R_i'는 'ID/2'와 동일하며, 'R_o'는 'OD/2'와 동일하고, 'v'는 물질의 (대부분의 금속성 물질의 경우, 1/3에 가까운) 푸아송비이다. 코어의 'OD'가 코어의 벽체 두께(R_o-R_i)의 10배보다 크면, 반경 방향 계수가

에 대해 충분한 정밀도로 근사할 수 있다.

따라서, 코어의 반경 방향 계수는 상술한 경계들 사이에 위치해야만 한다. 반경 방향 계수(k)에 대한 정확한 공식은 근사식보다 항상 작거나 동일(즉, 얇은 벽체 조건이 충족될 때)하기 때문에, 근사식에 의한 'k'의 극한은 더 제한적이다.

본 발명자들은, 당업계에서 일반적으로 허용되는 것에서 벗어나도록 반경 방향 계수(k)를 줄이면, 팩의 와이어들 사이의 층간 반경 방향 압력이 크게 (5배 이상) 감소하는 것을 발견하였다. 와이어 층들이 권취시 반경 방향 압력을 누적하여 추가하기 때문에, (압력이 최대가 될 것으로 예상되는) 스풀의 코어에서의 와이어 층간 압력은 엄청날 수 있다(와이어들은 고장력으로 권취되고 미세하다). 스풀의 코어가 압축될 수 있도록 함으로써, 이 압력을 저감할 수 있으며, 이에 따라, 와이어들에서의 후프 장력과 함께 층간 압력을 줄일 수 있다. 따라서, 층간 압력을 줄이는 방법들 중 하나는 낮은 반경 방향 계수(k)를 갖도록 하는 것이다. 본 발명자들은 이 'k'가 적어도 상술한 값보다 작아야 한다(300 미만, 더 바람직하게는, 100 또는 심지어 60 N/㎣ 미만)는 것을 발견하였다. 층간 와이어 압력의 모든 감소는 자체 손상 문제에 대해 긍정적인 영향을 미치므로, 'k'에 대해 선택된 윈도우는 와이어의 자체 손상을 크게 줄인다.

3 미만과 같은 너무 낮은 'k' 값은, 이와 같이 낮은 값이 스풀의 코어에 가까운 와이어에서의 너무 높은 압축 응력으로 이어질 것이며 심지어 와이어의 좌굴로도 이어질 수 있기 때문에, 피해야 한다. 좌굴된 와이어는 더 이상 신장될 수 없는 소성적으로 변형된 킹크(kink)를 와이어에 생성하게 되며, 이러한 킹크는 소잉 작업에서 허용되지 않는다.

위에서 고려한 사항들은, 물론, 현실에서는 있을 수 없는 경우지만, 물질이 모든 응력들에서 탄성을 유지한다고 가정한 것이다. 따라서, 물질이 사용시 소성 변형되도록, 스풀의 변형이 이루어져서는 안된다. 따라서, 본 발명자들은 코어 물질(항복 응력 기준)의 (N/㎟ 단위로 표현되는) 0.05% 오프셋 항복 응력(Y_core)에 대해 다음과 같은 제한을 제안한다:

또는, 심지어,

이에 따라, 3000 N/㎜ 또는 5000 N/㎜ 또는 10000 N/㎜와 같이 큰 값들은, 배제되지는 않지만, 유연성 기준과 상충하게 될 것이다.

물질의 '항복 응력' 또는 "탄성 한계"는 응력이 제거된 후 영구 변형이 관찰될 수 있는 응력을 초과하는 응력이다. 고강도강 및 알루미늄 합금에서와 같이, 항복 응력을 쉽게 규정할 수 없으므로, (N/㎟ 단위의) '0.05% 오프셋 항복 응력'의 규정을 이용하며: 즉, 물질이 이 한계를 초과하는 응력을 받으면, 가해진 모든 응력이 제거된 후, 0.05%를 초과하는 영구 변형이 관찰될 것이다. 이 '0.05% 오프셋 항복 응력'은 ISO 6892:1198(E) 'Metallic materials - Tensile testing at ambient temperature', section 4.9.3'에 따른 0.05%까지의 '안정 강도(proof strength) 비-비례적 확장'의 'R_{p0 .05}' 규정과 동일하다. 물론, 물질의 항복 강도는 코어가 견딜 수 있는 압력의 양뿐만 아니라, (OD, ID에 의해 주어지는) 그 기하학적 구조도 제한할 것이다. 상술한 항복 강도 기준이 충족되는 경우, 함께 조합된 세 가지 모두가 미세 와이어를 권취하기 위해 가장 적합한 스풀을 규정한다. 이 항복 강도 기준을 충족시키는 스풀은 상당한 소성 변형 없이 반복적으로 사용될 수 있다. 본 발명자들은, 스풀의 적어도 10회의 재사용이 가능함으로써, 재사용 문제를 해결할 수 있을 것으로 추측한다.

층간 압력을 완화하기 위한 다른 방법은 코어의 외경(OD)을 증대시키는 것이다. 코어 직경이 크면 클수록, 낮은 압력이 코어 상의 와이어에 가해진다. 큰 OD를 선택하면, (와이어의 어떤 고정된 길이를 고려할 때) 와이어 팩의 두께가 줄어든다. 얇은 와이어 팩은 코어에 반경 방향 와이어 응력이 덜 축적되게 함으로써, 층간 압력이 작아지게 한다. 매우 큰 OD는 와이어 팩도 작은 곡률을 갖는다는 것을 의미하며, 이 곡률이 층간 압력을 발생시키는 바로 그 곡률이다.

또한, 매우 큰 직경은 스풀에 재권취되는 와이어의 권선 수를 줄인다. 재권취되는 권선의 수는 BL/ηOD와 동일하다(또는, 와이어 팩도 특정 두께를 갖기 때문에, 그보다 더 작다). 따라서, 와이어가 작은 직경보다 스풀 상의 와이어에 더 적은 횟수로 안착되기 때문에, 자체 손상의 가능성이 더 적다. 따라서, 우선적으로, 스풀의 외경은 250㎜ 초과이며, 바람직하게는, 300㎜ 초과이다.

코어를 제조하기 위해 바람직한 물질은 스틸 또는 알루미늄 합금이다. 스틸이 사용되는 경우에는, 스틸은 190000 N/㎟보다 큰 탄성 계수(E_core)를 가져야 하고, 350 N/㎟보다 큰 0.05% 오프셋 항복 응력(Y_core)을 가져야 한다. 알루미늄 합금이 사용되는 경우에는, 65000 N/㎟보다 큰 탄성 계수(E_core)와 200 N/㎟보다 큰 0.05% 오프셋 항복 응력(Y_core)을 가진 합금을 선택하여야 한다.

스풀에는 본 발명의 제 1 양태에서 설명한 바와 같은 적어도 2개의 지지체가 더 장착될 수 있다. 지지체는 내부적으로 코어와 접촉하며, 스풀을 권취기 또는 와이어 소우에 장착할 때 스핀들을 수용하기 위한 중앙 홀을 갖는다. 우선적으로, 지지체는 코어와 중앙 홀 사이에 반경 방향 탄성 요소를 포함한다.

또한, 반경 방향 요소와 코어는, 지지체들에서의 코어 외경 감소가 지지체들 사이에서의 코어 외경 감소와 실질적으로 동일하도록, 서로 조정된다. 지지체들에서 코어의 반경 방향 압축성 계수가 반드시 약화되도록, 지지체의 존재를 보상하기 위한 특별한 조치가 취해져야 한다. 이는 지지체 부근에서 코어 물질을 제거하여 국소적으로 코어를 약화시킴으로써 구현될 수 있다. 가능하다면, 이는 지지체에서 코어에 원주상 절개부를 형성함으로써 이루어질 수 있다. 대안적으로, 외부 또는 내부의 코어 물질을 제거함으로써 코어의 두께를 국소적으로 줄일 수 있으며, 후자가 바람직한 방안이다.

본 발명의 제 1 및 제 2 양태의 원리에 따라 설계된 스풀은 고장력으로 미세 와이어를 권취하기 위해 전용된다. 따라서, 본 발명의 제 3 양태에 따라, 와이어 코일을 포함하는 스풀이 청구된다. 우선적으로, 이 와이어는 소잉 와이어이며, 특히, 고정 입자 소잉 와이어이다.

와이어는 ㎟ 단위의 단면적(A)을 갖는다. '단면적'은 와이어에 대한 하중을 지지하는 와이어의 단면 부분을 의미한다. 연마재 입자를 함유하거나 함유하지 않은 (구리 또는 니켈과 같은) 금속성 코팅을 구비하거나 구비하지 않은 금속 코어 와이어를 가진 소잉 와이어인 경우에는, (모든 금속성 코팅을 포함하여) 전체 금속성 면적을 의미하는 것으로 이해된다. 와이어는 권취시 일정하게 유지되는 뉴턴 단위의 장력(T)으로 권취된다. 스풀에 권취될 때 와이어에 1000 N/㎟ 초과의 와이어 인장 응력(T/A)이 존재하도록, 장력과 면적이 조합되어야 한다.

본 출원의 목적을 위해, 기준 하중(benchmark load)은 25N의 장력에서 148㎛의 공칭 직경을 갖는 50㎞의 소잉 와이어의 권취이다. 따라서, 와이어가 스풀로 이동할 때 1450 N/㎟의 장력이 와이어에 존재한다.

스풀의 디자인으로 인해, 더 많은 층들이 스풀에 권취됨에 따라, 하부에 놓인 와이어 권선에서의 장력이 점진적으로 감소할 것이다. 실제로, 본 발명에 따른 스풀의 치수와 물질의 선택으로 인해, 와이어 권선의 와이어 장력이 제어된 방식으로 스풀의 코어를 압축할 것이다. 코어의 직경 축소로 인해, 와이어의 장력이 감소하여 층간 압력의 감소로 이어짐으로써, 와이어에 대한 손상을 줄일 것이다. 직관적으로, 권취시 누적 수축의 최대 수혜를 받기 때문에, 코어에 가장 가까운 권선의 와이어 응력이 최저일 것임이 명백하다. 외측의 권선은 최고 응력, 즉, 권취시 수취하는 응력, 즉, T/A를 나타낼 것이다.

코어에 가장 가까운 와이어의 응력은 외측 권선의 인장 응력의 80%보다 낮은 인장 응력을 갖는다. 70% 미만 또는 50% 미만인 것이 더 바람직하다. 실제로, 인장 응력의 부호가 심지어 역전될 수 있으며, 즉, 코어에 가까운 와이어의 경우 압축 응력로 변환될 수 있다. 이 압축 응력이 약 1000 N/㎟보다 크지 않다면, 이는 문제가 되지 않는다. 이러한 수준의 압축 응력을 초과하면, 소잉 와이어의 영구적인 킹크를 초래하기 때문에 피해야 하는 와이어의 좌굴이 발생할 수 있다.

외측 권선에서의 와이어 응력을 다음과 같이 측정할 수 있다: 와이어 코일을 구비한 스풀을 스탠드에 회전가능하게 장착한다. 축에 대해 평행한 미세한 마크 라인을 와이어 팩에 만든다. 소정 길이(정확하게는 측정 길이(L)라 하는, 수 미터, 예컨대, 25미터 내지 적어도 3㎝)의 와이어를 저장력으로 스풀로부터 수동으로 똑바로 당긴다. 와이어의 단부를 와이어 팩의 거의 동일한 축방향 위치에 무장력으로 조심스럽게 재권취한다. 와이어 팩 상의 마크에 대한 와이어 상의 마크의 상대적인 변위를 비교한다. (인장 하중을 받았다면) 와이어가 짧아졌을 것이기 때문에, 와이어 상의 마크가 와이어 코일 상의 마크 앞에서 끝날 것이다. 이 변위(△L)를 측정한다. 길이의 상대적 변화(△L/L)와 와이어의 응력-변형도로부터, 와이어 팩의 외측에 있는 와이어의 응력을 찾을 수 있다.

코어에 가까운 장력은 스풀을 권출하기 전과 스풀을 권출한 후의 코어 내경을 측정함으로써 가장 잘 도출해낼 수 있다. 내경의 상대적 변화는 코어의 압축으로 인한 코어에 가까운 와이어의 단축에 대한 척도이다. 또한, 와이어의 응력-변형도를 통해 응력의 변화를 도출해낼 수 있다. 이러한 응력의 변화는 외측 권선에서의 인장 응력의 20% 초과이어야 한다. 스풀 코어가 코일 아래에서 소성적으로 변형되면, 이 변경은 그보다 작으며, 즉, 와이어 코일을 구비한 스풀은 청구범위에서 벗어날 것이다.

본 발명자들은, 우선적으로, 와이어가 손상되지 않도록 하기 위해, 반경 방향 압력이 40㎫ 미만이어야 한다는 것을 발견하였다. 30㎫ 미만이거나 심지어 20㎫ 미만이면 더 바람직하다. 반경 방향 압력은, 와이어 장력, 와이어 길이, 직경 및 인장 특성의 측면에서 와이어를 분석한 후, 그리고 스풀의 기하학적 구조를 측정하고 물질의 특성을 결정한 후, 스풀의 거동을 시뮬레이션함으로써 도출해낼 수 있다.

스풀이 개시되어 있을 뿐만 아니라, 특수한 소잉 와이어 코일(직경, 장력)을 위해 스풀이 어떻게 설계되어야 하는지에 대한 전체 방법론이 개시되어 있음을 이상의 설명으로부터 명확하게 이해할 것이다. 이러한 소잉 와이어 스풀의 설계 방법이 본 발명의 제 4 양태이다.

상기 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.

■ 스풀의 코어를 위해 코어 물질을 선택한다. 코어 물질은 N/㎟ 단위로 표현되는 탄성 계수(E_core)를 가질 것이다.

■ ㎜ 단위로 표현되는 내경(ID)과 외경(OD)을 가진 코어를 선택한다. 바람직하게는, 아래의 사항들과 같이 중요할 수 있는 다양한 제한의 관점에서 스풀의 외경을 먼저 설정한다.

- 스풀 권취기 및/또는 소우 기계에서 이용가능한 공간. 코어의 외경에 대한 상한이 명백하게 존재할 것이다.

- 와이어에 수집하고자 하는 와이어의 양. 외경이 크면 클수록, 더 많은 와이어가 동일한 와이어 팩 두께로 간다.

- 물질의 가용성, 운반 및 스풀의 중량 등과 같은 다른 제한.

예를 들어, 적어도 250㎜의 외경으로 시작할 수 있다.

■ 마지막으로,

인 내경을 선택할 수 있다.

상기 방법이 특정 순서로 기술되었으나, 이 순서로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면,

■ 물질을 선택하는 것으로 시작한 다음, 특정 외경 범위에 의해 종료되도록 내경을 특정할 수 있다.

■ 내경 및 외경으로 시작하여 반경 방향 압축성 요건에 맞는 물질을 찾을 수 있다.

상기 방법들 중 어느 하나가 후속될 때마다, 낮은 층간 응력과 조합하여 최적의 코어 와이어 응력을 가진 소잉 와이어 스풀을 얻게 될 것이다.

추가적으로 개선되거나 복잡한 예에서, 선택을 더욱 명확하게 만드는 '항복 응력 기준'을 포함할 수도 있다. '항복 응력 기준'이 충족되면, 스풀은 양호한 재사용성을 나타낸다.

도 1a 및 도 1b는 비어 있고 충진되어 있는 선행 기술의 스풀을 도시하고 있으며, 압축된 코어의 문제를 나타내고 있다.
도 2의 (a) 및 (b)는 비어 있고, 충진되어 있는 본 발명의 스풀을 도시하고 있으며, 본 발명의 제 1 양태의 원리를 설명하고 있다.
도 3a는 원형 대칭인 본 발명의 스풀을 도시하고 있다.
도 3b는 스풀 내의 반경 방향 탄성 지지체의 세부를 도시하고 있다.
도 4a는 12회의 회전 대칭성을 가진 본 발명의 스풀을 도시하고 있다.
도 4b는 스풀 내의 반경 방향 탄성 지지체의 세부를 도시하고 있다.
도 5는 와이어 층들 사이의 층간 압력이 본 발명의 스풀과 대비하여 다른 스풀들에서 와이어 팩의 깊이에 따라 어떻게 좌우되는지를 도시하고 있다.
도 6은, 선행 기술의 스풀(a)과 본 발명의 스풀(b)에서, 권취시 스풀과 와이어 팩에서 후프 응력이 어떻게 변하는지를 개략적으로 도시하고 있다.

도 1a는 양 단부에 플랜지(104)가 구비된 코어(102)를 가진 선행 기술의 스풀(100)을 도시하고 있다. 코어는 'OD'로 표시된 외경과 중심선(106)을 갖는다. 권취 후, 스풀은 고장력으로 권취된 미세 와이어로 이루어진 와이어 팩(108)을 구비하게 된다. 와이어의 섬도와 고장력으로 인해, 반경 방향 압력(P)이 와이어에 의해 가해져 스풀의 코어에 전달된다. 코어에 가까운 와이어(110)들은 그들 위에 권취된 모든 와이어 권선의 누적된 압력을 받는다. 회색 음영의 정도는 증가하는 반경 방향 압력을 나타낸다. 이 압력으로 인해, 코어(102)는 코어(102')로 변형된다. 이 코어는 플랜지들에서의 외경(OD")보다 더 압축된 플랜지들 사이에서의 외경(OD')을 나타낸다. 또한, 와이어에 의해 플랜지에 가해진 압력으로 인해, 플랜지(104')들은 외측으로 변형되고 벌어지는 경향을 보이게 된다. 이러한 스풀은 낮은 재사용성을 보이며, 코어의 변형으로 인한 권출 문제로 이어진다. 외측 권선의 와이어 장력은 최대이며, 권취 장력과 동일하다. 와이어 팩에서의 와이어 장력은 코어의 압축 거동에 따라 감소할 것이다.

도 2의 (a) 및 (b)는 비어 있는 본 발명의 스풀(200)과 충진되어 있는 본 발명의 스풀(200')을 개략적으로 도시하고 있다. 또한, 외경(OD'), 플랜지(204) 및 중심선(206)을 구비한 코어(202)를 확인할 수 있다. 스풀은, 권출 및 권취시 축 또는 스핀들을 수용하기 위한 중앙 홀(214)을 갖고 있으며 스풀(200)의 코어(202)를 내부적으로 지지하는 지지체(210)를 구비하고 있다. 이 스풀의 특징은 여기서는 스프링으로 표현된 반경 방향 탄성 요소(212)가 코어와 지지체 사이에 존재한다는 것이다. 또한, 지지체의 존재를 보상하기 위해, 지지체(210) 부근의 코어로부터 코어 물질이 제거되었다.

이제 고장력 하에서 미세 와이어의 와이어 팩(216)이 스풀에 권취되면, 코어(202')가 반경 방향으로 압축되고, 스풀의 외경이 OD'로 감소하여, 반경의 감소(△R_o)를 초래한다. 코어가 스풀의 전체 축방향 길이에 걸쳐 균일하게 수축하도록 스풀이 구성된다. 즉, 지지체(210)들에서의 직경 감소가 지지체들 사이에서의 직경 감소와 실질적으로 동일하다.

도 3은 본 발명의 제 1 바람직한 실시예를 설명하고 있으며, 도 3a는 스풀의 사시도인 반면, 도 3b는 축을 포함한 평면을 관통하는 단면에서 지지체의 세부를 도시하고 있다. 기본적으로, 스풀(300)은 코어(302)와, 코어(302)의 양단부에 있는 2개의 지지체(310)로 구성된다. 지지체(310)는 내부적으로 코어(302)를 지지하고, 스풀을 장착하기 위한 중앙 홀(314)을 갖고 있다. 코어는 327㎜의 외경(OD)과 293㎜의 내경(ID)을 가지며, 이에 따라 17㎜의 벽체 두께를 갖는다. 코어는 70000 N/㎟의 계수(E_core)와 260 N/㎟의 0.05% 오프셋 항복 응력을 가진 알루미늄 합금 6082 T6로 제조된다.

지지체는 원형 대칭의 탄성 요소(312)를 갖는다. 탄성 요소(312)는, 고장력 하에서 미세 와이어가 스풀에 권취될 때, 코어에 의해 지지체에 가해지는 압력 하에서 휘어지는 Z자 형상의 릿지(313)를 나타내고 있다. 이러한 굽힘은 탄성적이며, 스풀이 권출될 때, 릿지는 그 본래의 형상으로 복원된다. 릿지(313)는 단일의 알루미늄 합금 디스크로부터 밀링되었다. 따라서, 탄성 요소는 지지체에 통합되어 있다. 지지체 피스를 위해 6082 T6 타입의 알루미늄 합금도 사용되었다. 지지체는 7.5㎜ 높이의 작은 플랜지(304)도 포함한다.

(플랜지를 포함하여) 지지체의 반경 방향 계수를 보상하기 위해, 코어(302)는 지지체들이 있는 개소에서 압축성이 낮아야 한다. 본 실시예에서, 이는 참조번호 '320'에서 코어로부터 약간의 물질을 제거함으로써 실현된다. 지지체들에서는, 코어 두께가 4㎜로 감소한다. 이와 같이 물질을 제거하면, 플랜지(304)의 존재와 지지체(310)의 존재에 의한 반경 방향 계수의 증분에 의해 보상된 지지체에서의 코어 반경 방향 계수가 감소하게 된다.

148㎛의 공칭 직경을 가진 50㎞의 소잉 와이어를 25N의 장력으로 이 스풀에 권취하였다. 그 결과, 코어의 외경이 (내부로부터 측정하여) 0.78㎜ 변화하였다. 와이어 팩이 있는, 즉, 327㎜의 OD와 대비하여, 지지체들의 중간에서와 비교한 지지체들에서의 코어 내경 차이는 0.1㎜ 미만이었으며, 와이어 팩이 있는 코어 직경의 축방향 편차는 0.03%에 불과하다.

도 4a에는 본 발명의 스풀의 대안적 실시예(400)가 사시도로 도시되어 있으며, 도 4b는 축에 대해 수직한 평면을 가진 단면에서 스풀의 탄성 요소의 세부를 도시하고 있다. 이 스풀의 전체 치수는 제 1 실시예의 것과 동일하다. 이 실시예에서, 탄성 요소는 중앙 홀(414)을 가진 지지체(410)에 통합되어 있는 스포크(412)이다. 12개의 등각으로 배열된 스포크들은 지지체에 대해 12회의 회전 대칭성을 제공한다. S자 형상의 스포크들은 스풀의 코어에 대해 탄성 지지체를 제공하고, 하중이 제거된 후, 원래의 위치로 완전히 복원된다. 지지체들은 단일 피스의 폴리아미드(Ertalon^®, 6XAU+)로부터 밀링되었다.

표 1은 시장에서 이용가능한 기존의 스풀과 제 1 실시예에 따른 본 발명의 스풀(Inv. Spool)의 여러 가지 속성들을 요약하고 있다. 알루미늄으로 제조된 모든 스풀들은, 6082 T6 타입의 속성들이 70000 N/㎟의 계수 및 260 N/㎟의 항복 응력과 함께 사용될 수 있도록 돕는다. 코어의 외경(OD), 코어의 내경(ID) 및 코어의 벽체 두께(t), '스풀 폭', 즉, 스풀 자체에서 실제 측정하여 얻은 코어의 길이를 맨 위에 가진 열들이 존재한다.

'와이어 팩 두께', 즉, 25N의 장력에서 148㎛의 공칭 직경을 가진 50㎞의 소잉 와이어의 와이어 팩의 반경 방향 높이, '코어에 대한 압력' 즉, 와이어 팩에 의해 코어에 가해진 반경 방향 압력, '△OD', 즉, 스풀 상에 와이어 팩이 있거나 없는 상태에서의 외경 변화, 'k 수치', 즉, 반경 방향 계수의 열들은 모두 수치 시뮬레이션의 결과이다.

'k 정확'의 열은 R_o, R_i 및 E_core에 기초한 '후벽' 반경 방향 계수 산출 결과이다. 'k 근사'는 '박벽' 근사의 결과이다. 'k 정확'은 항상 'k 근사'보다 크다는 것을 유의하여야 한다. 그러나, 벽체 두께가 외경의 대략 10배보다 작으면(t＜10×OD), 결과는 수렴한다. '항복 기준'은 아래 계산의 결과이다.

표 1은 본 발명의 다음과 같은 점들을 예시한다.

■ OD의 증가로 인해, 모든 스풀의 와이어 팩 두께가 최저가 된다. 낮은 와이어 팩 두께는 낮은 층간 와이어 압력과 낮은 코어 압력으로 이어진다.

■ 사실, 코어에 대한 압력, 즉, 코어에 가깝게 하부에 놓인 와이어 층들이 경험하는 압력도 모든 스풀들 중 최저가 되며, 즉 18.9㎫이다. 도 5는 이러한 점에서 예시적이며, 와이어 팩에서 와이어의 반경 방향 압력을 와이어 길이의 함수로서 나타내고 있다(코어에서는 길이가 0이며, 외측 권선에서는 50㎞이다). 팩 외측의 압력은, 다른 와이어가 이 층들을 누르지 않기 때문에, 명백하게 제로이다. 스풀의 코어에서 절대 압력은 최고가 된다. TW320 또는 TK30 스풀과 비교하면, 코어에서의 층간 압력은 적어도 5배 작다. 이 압력은, 바람직하게, 기껏해야 40㎫보다는 낮아야한다.

■ 스풀의 탄성적인 디자인으로 인하여, 와이어 팩은 모든 다른 스풀에 비해 가장 큰 코어 변형을 초래할 것이다. 실제로, 와이어 팩이 권취될 때, 외경은 0.78㎜ 감소한다.

■ 이러한 변형의 증가는 산출하는 방법에 따라 약 48 내지 50 N/㎣가 되는 코어의 낮은 반경 방향 계수(k)에 기인한다. 이 값은 가장 가까운 스풀인 MB80의 1/7에 불과하다. 본 발명의 스풀의 경우에서와 같이 벽체 두께가 충분히 작으면(t＜10×OD), 산출 방법은 중요하지 않다.

■ 본 발명의 스풀에서 코어 외경(OD)이 크고 반경 방향 계수(k)가 낮다는 사실로 인하여, 코어 물질에 가해지는 압력이 다른 선행 기술의 스풀보다 훨씬 낮기 때문에, 스풀이 과도하게 강할 필요가 없다. 따라서, 항복 기준에서, 본 발명의 스풀은 여전히 재사용가능하기에 충분한 강도(2500 N/㎜ 초과)를 갖고 있다.

와이어 팩이 코어의 응력에 영향을 미치는 방식과 코어 변화에 대한 와이어 팩의 반응에 관한 본 발명의 원리가 도 6a 및 도 6b에 더 도시되어 있다. 이 도면들은 본 발명의 작동 원리를 예시한 것에 불과하며, 수치의 절대값은 구속력이 없고 단지 예시를 목적으로 하고 있을 뿐이다. 그래프들은 모두, 와이어 권선 층들(1개, 2개, 4개, 8개, 최대 12개이며, 층들의 두께는 1㎜임)이 스풀에 권취될 때, 코어 물질(폐쇄형 심볼)과 와이어(개방형 심볼)의 종좌표에 후프 또는 원주상 응력(N/㎟ 단위의 후프 응력(HS))을 나타내고 있다. 횡좌표에는, 코어와 와이어 팩의 반경(㎜ 단위의 'r')이 언급되어 있다. 코어의 내부 및 외부 크기는 양 실시예들에서 동일하게 유지되었다.

와이어 팩 응력(WPS)이 실선으로 도시되어 있으며, 모든 경우들에서, 약 800 N/㎟이다. 와이어 팩 응력(WPS)은, 와이어 권선들 사이의 자유 공간을 감안하여, (N 단위의) 장력(T)으로 권취된 (㎟ 단위의) 금속성 표면(A)을 구비한 와이어로 이루어진 균질한 층으로서 와이어 팩을 간주한 경우의 응력이다. 예컨대, 148㎛ 와이어를 25N의 장력으로 권취하면, 와이어 응력이 1453 N/㎟가 되고 충진도는 55%가 되며, 800 N/㎟의 WPS를 얻게 된다.

도 6a의 선행 기술의 스풀에서는, 코어가 높은 k값('k'는 450 N/㎣으로 설정되었음, 박벽 근사)으로 인해 항복하지 않기 때문에, 와이어 팩의 응력이 상당히 일정하게 유지된다. 와이어 팩의 압력이 완전히 코어로 전달되기 때문에, 층들이 서로의 위에 권취됨에 따라 코어의 후프 응력이 크게 증가한다. 이에 따르면, 코어 물질의 소성 변형을 방지하기 위하여, 코어의 후프 응력을 줄이기 위해, 코어를 더 강하게 만들어야 하는 데, 이는 요즘 사용되고 있는 무겁고 부피가 큰 스풀로 이어지는 모순에 이르게 한다.

본 발명자들은 스풀의 k값(도 6b에서, k값은 17 N/㎣으로 설정되었음)을 줄임으로써 도 6b에 도시된 바와 같은 경로를 취했다. 본 발명의 스풀에서는, 더 많은 권선들이 상부에 권취되기 때문에, 와이어 권선의 장력이 감소한다. 이는, 압력 하에서 코어가 항복하여 직경이 감소한다는 사실에 기인한다. 보너스로서, 코어 물질의 후프 응력이 등가의 선행 기술의 스풀보다 낮기 때문에, 스풀의 재사용성이 증가한다. 코어에 가까워지면, 와이어 장력은 음으로 갈 수 있다. 즉, 와이어가 압축된다. 와이어가 좌굴되지 않는 한, 이러한 압축은 허용될 수 있다. 예상되는 와이어의 압축 응력의 한도는 약 1000 N/㎟이다.

이상의 설명으로부터, 스풀을 발명하였을뿐만 아니라, 소잉 와이어와 같은 미세 와이어를 고장력으로 권취하기 위해서는 스풀을 어떻게 개발하여야 하는지에 대한 전체 방법론도 개시하였다는 것을 명백하게 이해할 것이다.

표 1: 선행 기술의 스풀과의 비교

Claims (14)

1. 고장력으로 미세 와이어를 권취하기 위한 스풀로서,
   상기 미세 와이어를 수용하기 위해 외경을 가진 코어 물질로 제조된 관형 코어와,
   상기 코어를 지지하기 위한 적어도 2개의 지지체를 포함하고,
   상기 지지체들은 상기 스풀을 회전가능하게 장착하기 위한 중앙 홀을 가지며,
   상기 지지체들은 상기 중앙 홀과 상기 코어 사이에 반경 방향 탄성 요소를 포함하는, 스풀에 있어서,
   상기 코어는 두께를 가지며, 상기 지지체들이 위치하는 곳에 존재하는 코어 물질이 상기 지지체들 사이에 존재하는 코어 물질보다 적도록 상기 지지체들이 위치하는 곳에서의 상기 코어의 두께는 상기 지지체들 사이에 있는 코어의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는,
   스풀.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스풀의 설계 하중이 상기 스풀에 적용되는 경우, 상기 지지체들에서의 상기 코어의 외경 감소는 상기 지지체들 사이에서 상기 코어의 외경 감소와 실질적으로 동일한,
   스풀.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 반경 방향 탄성 요소는 엘라스토머 물질로 제조된,
   스풀.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 반경 방향 탄성 요소는 기계적 스프링인,
   스풀.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 기계적 스프링이 회전 대칭으로 장착된,
   스풀.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 기계적 스프링이 원형 대칭인,
   스풀.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 기계적 스프링이 상기 지지체에 통합된,
   스풀.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어의 양 단부에 2개의 지지체가 장착된,
   스풀.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어의 상기 외경이 적어도 250㎜인,
   스풀.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스풀은 상기 코어의 양 단부에 플랜지를 더 포함하고, 상기 플랜지는 상기 관형 코어의 외경과 동일하거나 그보다 크며 상기 관형 코어의 외경의 1.3배보다 작은 플랜지 외경을 가진,
    스풀.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플랜지 부근의 상기 코어로부터 코어 물질이 제거된,
    스풀.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 플랜지는 반경 방향 또는 접선 방향 탄성 요소를 포함하는,
    스풀.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 물질은 스틸, 일반 탄소강, 주철, 스테인리스 스틸, 고강도강, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 플라스틱 물질, 복합 재료, 또는 목재로 이루어진 군으로부터 선택된 것인,
    스풀.
14. 삭제

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