KR102161158B1

KR102161158B1 - 복합재 샌드위치구조물 제조방법

Info

Publication number: KR102161158B1
Application number: KR1020180141941A
Authority: KR
Inventors: 안재모; 김광수; 윤영하; 김희철
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-09-29
Also published as: KR20200057469A

Abstract

본 발명은 복합재 샌드위치 구조물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 심재의 외면에 적층되는 외부면재를 복수로 분할하여 미리 성형시켜둔 후, 미리 성형된 복수의 외부면재를 심재의 외면에 접함함으로써, 성형 시에 발생하는 심재의 확장에 의한 면재의 손상을 방지하여, 성형된 구조물이 원소재가 갖는 성능에 근접하도록 성형할 수 있는 높은 성형효율을 갖는 복합재 샌드위치 구조물 제조방법에 관한 것이다.

Description

복합재 샌드위치구조물 제조방법{Method of Manufacturing the composite sandwich structure}

본 발명은 복합재 샌드위치구조물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 항공기의 동체를 형성하는 복합재 샌드위치구조물의 일체성형(Co-cure)시에 면재에 발생하는 섬유굴곡(Waviness)을 완화하여, 더욱 증대된 강도 및 강성을 갖는 복합재 샌드위치구조물을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

항공기나 선박 등의 대형 구조물에서부터 자동차, 건물의 내장재, 래저 용품 등 다양한 분야에서 기존의 금속재료에 비해 높은 비강도와 비강성 특성을 갖는 복합재료가 많이 사용되고 있다. 그 중에서도 복합재 샌드위치 구조를 항공기 구조물에 사용할 경우 중량 절감효과가 매우 우수하며, 구조적 장점뿐 아니라 단열 및 보온, 피로수명에 대해 우수한 성질을 가지고 있다.

이때. 복합재 샌드위치 구조는 면내하중을 지지하는 면재(face sheet)와 면재 사이의 거리를 유지하고 전단하중을 지지하는 코어(core)로 구성되며, 알루미늄 박판을 벌집 모양으로 가공된 코어의 내부는 90 ~ 99%가 빈 공간으로 되어 있어 비강도가 뛰어나며, 압축하중이 가해졌을 때 코어의 다수의 허니콤에서 수차레 좌굴을 반복하기 때문에 에너지 흡수성이 우수하여 내충격성이 요구되는 부위에 사용하기에 접합하다. 특히, 최근에는 수송기기의 경량화에 대한 요구가 증가함에 따라, 허니콤 코어의 에너지 흡수성을 높이기 위해 더욱 정밀한 제조이 요구되고 있다.

통상적으로 복합재 샌드위치 구조물은 몰드의 일면에 면재, 접착제, 코어, 면재를 순차적으로 적층한 후, 오토클레이브(Autoclave) 내부에서 고온과 고압을 인가하여 면재를 경화시키는 일체성형(Co-curing)제조방법이 사용되고 있으나, 종래 기술에 따른 복합재 샌드위치 구조물을 제조하는 방법은 한 차례의 적층을 통하여 적층된 복합재들을 성형하기 때문에, 성형 압력으로 인하여 면재가 심재 격벽 사이로 파고들어 면재에 섬유굴곡(Waviness)이 발생하는 현상이 발생되고, 이와 같이 면재의 표면에 결함이 발생하게 되면, 샌드위치 구조물의 비강도, 비강성이 저하되어, 원소재가 갖는 성능을 모두 발휘하지 못한다는 단점이 발생한다.

한국등록특허공보 제10-1144768호(복합재 샌드위치 제조방법, 2012.05.03.)에서는 상술한 문제점을 극복하고자 몰드의 일면에 적층된 제1면재를 성형한 후, 상이한 진공압을 상태에서 제1면재의 외면에 심재와 제2면재를 적층하여 재성형하는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 항공기의 동체를 이루는 관 형상의 복합재 샌드위치 구조물을 제조하기 위해서는 관 형상으로 제작된 몰드의 외면 또는 내면을 따라 면재와 코어를 순차적으로 적층함에 따라서, 성형 시에 발생하는 코어의 확장이 몰드에 접촉되지 않는 면재 방향으로 발생하여 종래의 제조방법을 이용한 복합재 샌드위치 구조물의 제조방법은 관 형상의 복합재 샌드위치 구조물을 성형 시에 발생하는 면재의 표면에 섬유굴곡(Waviness)이 발생하는 현상을 완화하는데 적절한 해결방안을 제시하지 못한다는 한계가 있다.

한국등록특허공보 제10-1144768호(복합재 샌드위치 제조방법, 2012.05.03.)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 심재의 외면에 적층되는 외부면재를 복수로 분할하여 미리 성형시켜둔 후, 몰드에 적층된 내부 면재와 심재를 성형 한 후, 미리 성형된 외부 면재를 심재의 외면에 접합함으로써, 복합재 샌드위치 구조물에 발생하는 섬유굴곡(Waviness)현상을 방지하여, 더욱 높은 강성 및 강도를 갖는 복합재 샌드위치 구조물 제조방법을 제공하고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 내부가 중공된 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치구조물의 제조방법은, 관 형상으로 제작된 몰드의 외면을 감싸도록 내부면재, 접착제 및 심재를 순차적으로 적층하는 1차적층단계와 상기 1차적층단계 이후, 상기 심재가 적층된 1차구조물에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 내부면재와 심재를 접합하는 1차성형단계와 상기 1차성형단계 이후, 상기 심재의 외면에 접착제 및 분할 제작되어 성형된 복수의 외부면재를 적층하는 2차적층단계 및 상기 2차적층단계 이후, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 심재와 상기 복수의 외부면재를 접합하는 2차성형단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 제2적층단계 이전, 상기 심재에 대응되는 크기로 제작된 몰드의 외면 또는 내면의 일부를 감싸도록 경화되지 않은 외부면재를 적층한 후, 상기 몰드에 적층된 외부면재에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 일정 곡률을 갖도록 성형된 복수의 외부면재를 제작하는 외부면재준비단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 제조방법은 상기 외부면재준비단계에서, 상기 복수의 외부면재는 상기 심재에 대응되는 크기로 제작된 몰드의 원주방향을 따라 분할되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 2차성형단계에 있어서, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 부가되는 소정압력은 상기 심재의 허용좌굴강도 이하의 압력을 갖는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 2차구조물에 부가되는 소정압력은 상기 심재의 허용좌굴강도의 0.5배 이하의 압력을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 1차성형단계에서 부가되는 소정압력(A)과 상기 외부면재준비단계에서 부가되는 소정압력(B) 및 상기 2차성형단계에서 부가되는 소정압력(C)은 B > A > C 순의 압력을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 2차성형단계 이후, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 인가되는 소정압력 및 소정온도에 의해 상기 2차구조물이 팽창하여 상기 복수의 외부면재 사이가 이격된 틈새를 보강하는 틈새보강단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 제조방법은 상기 1차성형단계 및 외부면재준비단계 이전, 면재가 적층된 구조물의 온도편차를 측정하여 측정된 온도편차가 임계값 이하를 갖도록 조절하는 온도편차조절단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 온도편차조절단계는 상기 면재가 적층된 구조물의 전면에 복수의 온도센서를 서로 일정거리 이격하여 배치하는 온도센서설치단계, 상기 면재가 적층된 구조물을 수용하는 챔버 내에 고온의 열기를 송풍하는 가열단계, 상기 복수의 온도센서들로부터 측정된 온도간의 편차를 산출하는 온도편차판단단계 및 상기 온도편차판단단계에서 산출된 온도편차가 임계값 보다 클 경우 상기 챔버 내에 상기 온도편차를 조절하기 위한 내부시설물을 설치 및 조정하는 내부시설물설치단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기한 구성에 따른 본 발명은, 복수로 분할되어 성형된 외부면재를 심재의 외면에 적층한 후 성형함으로써, 성형 시에 발생하는 심재의 확장에 의해 섬유굴곡(Waviness)이 발생하는 현상을 방지하고, 미리 성형되어 경화된 외부면재를 심재에 접합하여 재 성형함에 따라 구조물의 성형 시에 심재의 허니콤 형상의 손상을 완화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치 구조물을 도시한 사시도.
도 2는 복합재 샌드위치 구조물을 이루는 구성을 도시한 분해사시도.
도 3은 종래의 복합재 샌드위치 구조물에 발생하는 섬유굴곡(Waviness) 현상을 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합재 샌드위치 구조물 제조방법을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 1차적층단계를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 1차성형단계를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2차적층단계를 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 2차성형단계를 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 몰드의 형상을 도시한 사시도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 외부면재준비단계를 도시한 도면.
도 11는 본 발명의 일실시에에 따른 외부면재적층단계를 도시한 사시도.
도 12는 본 발명의 2차성형단계시에 발생하는 심재의 확장을 도시한 사시도.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 틈새보강단계를 도시한 예시도.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 온도편차조절단계를 포함하는 제조방법을 도시한 순서도.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 온도편차조절단계를 도시한 순서도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치 구조물을 도시한 사시도이며, 도 2는 복합재 샌드위치 구조물을 이루는 구성을 도시한 분해사시도로써, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 내부면재(100), 심재(200) 및 외부면재(300)가 접합되어 관형상을 갖는 상기 복합재 샌드위치 구조물(1000)을 제조하고자 한다. 이때 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 복합재 샌드위치 구조물(1000)은 내부면재(100), 접착제(400), 심재(200), 접착제(400), 외부면재(300) 순으로 적층되어 서로를 접합하기 위한 챔버내에 수용하여 고온 및 고압을 부가하여 접합함으로써 일체의 복합재 샌드위치 구조물(1000)을 제조할 수 있다.

이때 종래에는, 상기 복합재 샌드위치 구조물(1000)을 이루는 면재 및 심재를 모두 적층한 후 동시에 성형을 수행하였으나, 이와 같이 종래의 일체성형방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 고압 및 고온이 부가될시 성형 압력에 의해 면재가 심재 격벽 사이로 파고들어 면재에 섬유굴곡(Waviness)이 발생하여 구조물의 강성 및 강도를 저하시킨다는 문제가 있다.

또한 항공기 동체와 같이 관 형상을 이루는 복합재 샌드위치 구조물(1000)을 제작하기 위해서는, 관 형상을 갖는 몰드(M)의 일면에 상기 내부면재(100), 심재(200) 및 외부면재(300)를 적층하여 성형 한후, 상기 몰드(M)를 제거함으로써 상기 복합재 샌드위치 구조물(1000)을 제조한다. 이때 상기 면재(100, 300)의 경우 점성을 갖는 열경화성 수지와 탄소 등의 금속섬유가 혼합된 프리프레그(Pre-impregnated materual)를 사용되며, 상기 심재(200)의 경우에는 알루미늄 또는 노맥스(nomex)허니컴, 폼(foam) 등의 심재가 일반적으로 사용되고 있다. 또한 상기 면재(100, 300)와 심재(200)를 접착하기 위한 상기 접착제(400)는 설계 형상에 따라 필름형 또는 액상형 접착제를 이용할 수 있으나 본 발명의 제조방법(1000)에서는 관 형상으로 성형되는 면재의 표면에 적층되어 경화되지 않은 면재를 심재에 접착하기 위한 접합력을 증가시키기 위해 필름형 접착제를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 면재(100,300), 심재(200) 및 접착제(400)의 재료 및 형상은 설계 시에 적절하게 선택될 수 있는 것으로, 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제조방법을 도시한 순서도로써, 도 4를 참조하여 본 발명의 복합재 샌드위치 구조물(1000)의 제조방법에 관하여, 공정 순서 순으로 설명하도록 하나, 본 발명의 복합재 샌드위치 구조물 제조방법은 본 발명의 요지에 벗어나지 않도록 개시된 도번에 과도하게 형식적으로 해석하지 않아야 할 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 복합재 샌드위치 구조물(1000)은 몰드준비단계(S100), 제1적층단계(S200), 1차성형단계(S300), 외부면재준비단계(S400), 2차적층단계(S500), 2차성형단계(S600), 몰드제거단계(S700) 및 틈새보강단계(S800)를 포함하여 수행될 수 있다.

상기 몰드준비단계(S100)는 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치구조물(1000)을 제조하기 위해, 복합재를 적층하기 위한 기초가 되는 몰드(M)를 준비하는 단계로써, 상기 몰드(M)는 관 형상으로 제작되어, 외부 또는 내부의 외면에 복합재를 적층하여 상기 면재(100, 300) 및 심재(200)의 형상을 조형한다. 이때 상기 몰드는 표면이 매끄럽고 고온, 고압에 형상이 변형되지 않는 내열성 및 높은 강도를 갖는 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이때 상기 몰드(M)가 내부가 중공된 관 형상으로 형성될 시에, 상기 몰드(M)의 내부 또는 외부에 외측을 향하는 외면상으로 복합재가 적층되며 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치 구조물(1000)의 형상으로 제작될 수 있다.

상기 1차적층단계(S200)는 내부면재적층단계(S210), 1차접착제적층단계(S220) 및 심재적층단계(S230)를 포함하며, 관 형상으로 제작된 상기 몰드의 외면을 감싸도록 상기 내부면재(100), 접착제(400) 및 심재(200)를 순차적으로 적층하는 공정을 수행하는 단계로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 준비된 몰드(M)의 외면에 상기 내부면재(100)가 적층되고, 적층방향으로의 상기 내부면재(100)의 외면에 상기 제1접착제(410) 및 심재(200)가 순차적으로 적층된다.

이때, 상기 내부면재적층단계(S210)는 상기 몰드(M)의 외면에 수적층법(hand lay-up), 인발(pultrusion), 필라멘트와인딩(filament winding) 및 수지주입성형(resin transfer molding) 등의 직접성형법을 이용하여 적층되며, 상기 1차접착제적층단계(S220)는 필름형 접착제(400)를 수적층법(hand lay-up)을 이용하여 적층하는 것이 바람직하다.

상기 1차적층단계(S200)이후, 상기 1차성형단계(S300)가 수행되며, 상기 1차성형단계(S300)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 심재(200)가 적층된 1차구조물(10)에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 내부면재(100)와 심재(200)를 접합하기 위한 공정을 수행하는 단계로써, 경화되지 않은 내부면재(100)의 외면에 적층된 필름형 제1접착제(410) 및 상기 제1접착제(410)의 외면에 적층된 심재(200)로 이루어진 1차구조물(10)의 외면을 카울플레이트(P)를 이용하여 가압할 수 있다. 이?? 상기 1차구조물(10)을 수용한 챔버내에 고온 및 고압을 부가하여, 상기 내부면재(100)와 심재(200)를 접착함과 동시에 상기 경화되지 않은 내부면재(100)를 경화하는 성형공정을 수행할 수 있다. 이때, 상기 1차성형단계(S300)는 압력백 성형법, 프레스 성형법, 롤링법, 진공백 성형법, 오토클레이브 성형법 등 다양한 프리프레그 성형공정 중 구조체의 설계형상을 고려하여 적절히 선택되어 수행될 수 있다. 이때, 상기 면재(100,300)는 고온의 열기를 부가받아 상기 몰드(M)의 외면에 형상을 따라 경화되어 관형상으로 성형되며, 이때 부가되는 압력이 클수록 면재가 갖는 강도를 높일 수 있으나, 상기 1차성형단계에서 부가되는 압력(A)은 상기 심재(200)의 내부형상이 손상되지 않는 범위의 압력을 부가하여야 함이 바람직하다.

더하여, 본 발명의 제조방법은 상기 1차성형단계(S300)이후, 상기 심재(200)가 적층된 1차구조물(10)의 외면에 제2접착제(420)를 적층하는 2차접착제적층단계(S510)와 상기 제2접착제(420)의 외면에 상기 외부면재(300)를 적층하는 외부면재적층단계(S520)을 포함하는 2차적층단계(S500)가 수행된다. 이때 상기 외부면재(300)는 상기 외부면재적층단계(S520)이전에 상기 심재(200)의 외면을 감싸도록 복수로 분할 제작되어, 미리 성형된 상태로 준비하는 외부면재준비단계(S400)가 포함될 수 있다. 즉, 상기 외부면재준비단계(S400)는 상기 외부면재적층단계(S520)이전에 수행되어야 하며, 상기 외부면재적층단계(S520) 이전에 수행된다면 선행되는 어느 공정의 이전 또는 선행되는 어느 공정과 동시에 수행될 수 있을 것이다.

더욱 자세하게는 상기 2차적층단계(S500)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 적층방향으로의 상기 몰드(M)의 외면에 적층된 내부면재(100)와 상기 내부면재(100)의 외면에 적층된 제1접착제(410) 및 상기 제1접착제(410)의 외면에 적층된 심재(200)와 상기 심재(200)의 외면에 적층된 제2접착제(420) 및 상기 제2접착제(420)의 외면에 상기 외부면재(300)가 순차적으로 적층된다. 이때, 상기 제2접착제적층단계(S510)은 필름형 접착제(400)를 수적층법(hand lay-up)을 이용하여 적층하는 것이 바람직하며, 상기 외부면재적층단계(S520)는 상기 외부면재준비단계(S400)에서 미리 제작되어 성형된 복수의 외부면재(300)을 상기 제2접착제(420)의 외면에 부착함으로써 상기 복수의 외부면재(300)를 적층한 후, 상기 2차성형단계(S600)를 통하여 상기 심재(200)와 외부면재(300)를 접합한다.

상술한 2차적층단계(S500)이후, 상기 외부면재(300)가 적층된 2차구조물(20)은 압력백 성형법, 프레스 성형법, 롤링법, 진공백 성형법, 오토클레이브 성형법 등 다양한 프리프레그 성형공정 중 구조체의 설계형상을 고려하여 적절히 선택되는 성형 공정을 통하여 소정온도 및 소정압력이 부가되어 상기 심재(200)와 외부면재(300)를 접합하는 2차성형단계(S600)가 수행되며, 도 8에 도시된 바와 같이, 선 제작되어 경화된 상기 복수의 외부면재(300)가 상기 1차성형단계(S300)시에 상기 심재(200)의 외면에 구비된 카울플레이트(P)를 대체할 수 있다. 이때 상기 2차성형단계(S600)는 상기 내부면재(100) 및 외부면재(300)가 모두 경화된 상태로, 상기 심재(200)와 외부면재(300)를 접합만이 수행되는 공정이며, 상기 내부면재(100) 및 외부면재(300)가 모두 경화되어 점성을 갖지 못하여, 상기 심재(30)에 부가되는 압력을 견딜 수 없어 상기 1차성형단계(S300)시에 부가되는 소정압력(A)보다 낮은 압력(B)을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 상기 2차성형단계(S600)에서 구조물에 부가되는 소정압력(B)은 상기 심재(200)의 허용좌굴강도 이하의 세기를 갖는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 외부면재(300)가 적층된 상기 2차구조물(20)에 부가되는 소정압력(B)은 상기 심재(200)의 허용좌굴강도보다 0.5배 이하의 세기를 갖으며 상기 2차구조물(20)을 가압함으로써, 상기 심재(200)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

이때, 상기 외부면재준비단계(S400)는 상기 심재(200)에 대응되는 크기로 제작된 몰드(M)의 외면의 일부를 감싸도록 적층된 복수의 외부면재(300)의 상면에 카울플레이트(P)를 이용하여 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 몰드(M)의 외면 형상을 따른 일정 곡률을 갖도록 성형시킴으로써, 상기 외부면재(300)는 상기 심재(200)와 분리되어 경화됨으로써, 상기 심재(200)의 좌굴강도를 고려하지 않는 높은 압력으로 성형할 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 상기 1차성형단계(S300)에서 부가되는 소정압력(A)과 상기 외부면재준비단계(S400)에서 부가되는 소정압력(B) 및 상기 2차성형단계(S600)에서 부가되는 소정압력(C)은 B > A > C 순의 세기를 갖는 특징이 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 몰드(M)의 형상을 도시한 도면으로, 도 9에서 도시된 바와 같이 상기 몰드(M)는 길이방향으로 직경이 상이한 원통형상 또는 일측이 폐쇄된 원뿔형상으로 형성될 수 있으며, 이때 상기 몰드(M)의 외면 또는 내면에 상기 복합재 샌드위치 구조물의 설계형상에 따라 일정길이 만큼 복합재를 적층하여 샌드위치 구조물을 제작할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 외부면재준비단계(S400)를 도시한 도면으로, 도 10의 (A)는 분할되어 성형된 외부면재(300)를 도시한 사시도이고, 도 10의 (B)는 상기 외부면재준비단계(S400)시에 상기 외부면재(300)를 성형하는 공정을 도시한 단면도로서, 상기 도10을 참조하면 상기 외부면재준비단계(S400)는 경화되지 않은 상기 외부면재(300)를 상기 심재(200)에 대응되는 크기로 제작된 몰드(M)의 외면에 일부를 감싸도록 적층한 후, 상기 몰드(M)에 적층된 외부면재(300)에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 일정 곡률을 갖도록 성형하여, 경화된 복수의 외부면재(300)를 미리 제작하여 준비하는 단계로서, 상기 외부면재(300)의 성형시에 경화되지 않은 외부면재(300)의 외면에 카울플레이트(P)를 구비하여 가압하며, 상기 외부면재(300)의 성형 후 상기 카울플레이트(P)를 탈거한다.

도 11는 본 발명의 일실시에에 따른 외부면재적층단계를 도시한 사시도이며, 도 12는 본 발명의 2차성형단계시에 발생하는 심재의 확장을 도시한 사시도로서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 복합재 샌드위치 구조물(1000)의 제조방법은 상기 심재(200)의 외면에 적층되는 외부면재(300)가 복수로 분할되어 적층된 후, 상기 심재(200)와 외부면재(300)를 접합하는 2차성형단계(S600)를 수행함으로써, 상기 2차성형단계(S600)시에 부가되는 압력 및 고온의 열기에 의하여 심재 격벽 사이로 면재(100, 300)가 파고드는 섬유굴곡(waviness) 문제를 방지할 수 있다.

상기 심재(200)의 확장에 의해 상기 외부면재(300)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 심재(200)가 상기 몰드(M)로부터 적층방향의 외측으로 확장되면, 상기 복수의 외부면재(300)들 사이가 이격됨으로써 상기 외부면재(300)의 손상없이 상기 심재(200)와 외부면재(300)의 접합을 수행할 수 있다. 이때, 상기 복수의 외부면재(300)는 상기 심재(200)에 대응되는 크기로 제작된 몰드(M)의 원주방향을 따라 복수로 분할되어, 상기 심재(200)의 확장에 동반하도록 확장될 수 있게 성형되는 것이 바람직하며, 상기 복수의 외부면재(300)가 분할되는 개수는 상기 샌드위치 구조물의 설계형상에 따라 최적화된 곡률을 갖도록 형성될 수 있다.

이때, 상기 2차성형단계(S600)에서 성형된 구조물을 상기 몰드(M)로부터 탈거하는 몰드제거단계(S700)를 수행하고 이후, 상기 복수의 외부면재(300)는 상기 복수의 외부면재(300)가 적층된 2차구조물(20)에 인가되는 소정압력 및 소정온도에 의해 상기 심재(200)가 팽창하여 상기 복수의 외부면재(300) 사이가 이격되는 틈새(S)를 보강하는 틈새보강단계(S800)를 수행하여 상기 틈새(S)를 보강하는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 틈새보강단계(S800)를 도시한 예시도로써, 도 13을 참조하면, 상기 틈새보강단계(S800)는 상기 2차성형단계(S600)에서 상기 복수의 외부면재(300) 사이가 이격되어 형성된 틈새(S)를 보강하기 위한 공정을 수행하는 단계로써, 상기 틈새(S) 내부에 유리섬유 에폭시(Gr/Epoxy)와 같은 적층판을 삽입하고, 상기 적층판을 관통하여 리벳, 하이락 등의 패스너를 이용하여 볼트결합되는 보강재를 이용하여 상기 틈새(S)를 보강할 수 있다. 이때, 삽입되는 적층판의 폭(혹은 직경)은 패스너 직경의 4배 이상이어야만 상기 복수의 외부면재(300)간의 틈새를 국부적으로 강화할 수 있다.

또는, 상기 틈새(S)를 보강하기 위한 본 발명의 틈새보강단계(S800)의 다른 일예로는, 상기 틈새(S) 내부에 마주보는 복수의 외부면재(300)의 측면을 지지하는 'ㅡ'형상 또는 'H'형상으로 형성된 보강 플랜지를 상기 틈새(S)사이에 설치하여 상기 복수의 외부면재(300) 간의 전단응력을 보강할 수 있다.

아울러, 상기 틈새(S)를 보강하기 위한 다른 일방면으로, 상기 외부면재(300)와 동일한 재질을 갖는 경화되지 않은 복합재를 상기 틈새(S)사이에 충전한 후, 상기 틈새(S)를 국부적으로 가압 및 가열하여 상기 외부면재(300)를 보강함으로써, 상기 2차성형단계(S600)에서 발생하는 상기 복수의 외부면재(300)간의 틈새(S)를 보강할 수 있다.

이때, 본 발명의 틈새보강단게(S600)는 상술한 보강방법 이외에도 본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 온도편차조절단계(S900)를 포함하는 복합재 샌드위치 구조물(1000)의 제조방법을 도시한 순서도이며, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 온도편차조절단계를 도시한 순서도로서, 도 14 및 도 15를 참조하여 본 발명의 온도편차조절단계(S900)에 관하여 자세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 복합재 샌드위치 구조물(1000) 제조방법은, 상기 제1성형단계(S300) 및 상기 외부면재준비단계(S400)이전에, 각각의 단계에서 적층된 구조물의 온도편차를 측정하여 측정된 온도편차가 임계값(a) 이하를 갖도록 조절하는 온도편차조절단계(S900)를 더 포함하여 수행될 수 있다.

상기 성형단계에서 경화되지 않은 면재(100, 300)가 가열되어, 내부 온도가 상승할 시에 상기 면재(100, 300)의 점도가 낮아져 상기 면재(100, 300)를 이루는 섬유의 유동성이 커지게 되고, 이에 따라 섬유가 수지 내부에서 자중 및 온도 편차를 갖는 수지의 점도에 높낮이에 따라 유동하여, 원하는 배열의 섬유 패턴을 갖는 면재(100, 300)가 성형되지 않아, 제조하고자 하는 구조물의 강성에 큰 문제를 야기한다. 이에 상기 온도편차조절단계(S900)는 상술한 문제를 방지하기 위해 경화되지 않은 면재(100, 300)의 성형 이전, 상기 면재(100, 300)가 적층된 구조물의 온도편차를 측정하여, 상기 면재(100, 300)의 전면이 동일한 온도편차를 갖도록 상기 구조물이 수용되는 챔버 내부의 온도 유동을 조절함으로써 상기 면재(100, 300)의 성형시에 상기 면재(100, 300)의 전면이 임계값(a)이하의 온도편차를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

더욱 자세하게는, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 온도편차조절단계(S900)는 상기 면재(100, 300)가 적층된 구조물의 전면에 복수의 온도센서를 서로 일정거리 이격하여 배치하는 온도센서설치단계(S910)와, 상기 면재(100, 300)가 적층된 구조물을 수용하는 챔버 내에 고온의 열기를 송붕하는 가열단계(S920)와 상기 가열단계(S920)이후, 상기 구조물에 배치된 복수의 온도센서가 구비된 지점의 온도를 측정하는 온도측정단계(S930)와 상기 복수의 온도센서들에서 측정된 온도간의 온도편차를 산출하여, 산출된 온도편차와 설정된 임계값(a)을 비교하는 온도편차판단단계(S940) 및 상기 온도편차판단단계(S940)에서, 산출된 온도편차가 임계값(a)보다 클 경우, 상기 챔버 내에 상기 온도편차를 조절하기 위한 내부시설물을 설치 및 조정하여 상기 온도편차가 임계값(a)이하가 되도록 수행하는 내부시설물설치단계(S950)을 포함할 수 있다.

이때 상기 임계값(a)은 상기 면재(100, 300)를 이루는 수지의 온도에 따른 점도의 가변율 및 상기 면재(100, 300)의 설계형상에 따라 적합한 온도로 설정되는 것이 바람직하며, 일반적으로 항공기 분야의 면재에 사용되는 특성을 고려하여 섭씨 5도 이하의 온도편차를 갖도록 설정되는 것이 바람직하다.

상술한 방법에 따른 본 발명의 복합재 샌드위치 구조물 제조방법은, 종래에 복합재 샌드위치구조물의 일체성형(Co-cure)시에 면재에 섬유굴곡(Waviness)이 발생하는 현상을 방지하여, 더욱 증대된 강성을 갖는 복합재 샌드위치구조물을 제조할 수 있으며, 더욱 자세하게는, 심재의 외면에 적층되는 외부면재를 복수로 분할하여 미리 성형시켜둔 후, 몰드에 적층된 내부면재와 심재를 성형하여 접합한 후, 미리 성형된 복수의 외부면재를 심재의 외면에 접함함으로써, 일체 성형 시에 발생하는 섬유 굴곡에 의한 면재의 구조 성능 저하를 방지함으로써, 성형된 구조물이 원소재가 갖는 성능에 근접하도록 높은 성형효율을 갖는 제작방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 복합재 샌드위치구조물
M : 몰드 P : 카울플레이트
S : 틈새
100 : 내부면재 200 : 심재
300 : 외부면재 400 : 접착제
500 : 보강재
10 : 1차구조물 20 : 2차구조물
S100 : 몰드준비단계
S200 : 1차적층단계 S210 : 내부면재 적층단계
S220 : 1차접착제적층단계 S230 : 심재적층단계
S300 : 1차성형단계 S400 : 외부면재준비단계
S500 : 2차적층단계 S510 : 2차접착제적층단계
S520 : 외부면재적층단계
S600 : 2차성형단계 S700 : 몰드제거단계
S800 : 틈새보강단계
S900 : 온도편차조절단계
S910 : 센서설치단계 S920 : 가열단계
S930 : 온도측정단계 S940 : 온도편차판단단계
S950 : 내부시설물설치단계

Claims

내부가 중공된 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치구조물의 제조방법에 있어서,
관 형상으로 제작된 몰드의 외면을 감싸도록 내부면재, 접착제 및 심재를 순차적으로 적층하는 1차적층단계;
상기 1차적층단계 이후, 상기 심재가 적층된 1차구조물에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 내부면재와 심재를 접합하는 1차성형단계;
상기 1차성형단계 이후, 상기 심재의 외면에 접착제 및 분할 제작되어 성형된 복수의 외부면재를 적층하는 2차적층단계;
상기 2차적층단계 이후, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 심재와 상기 복수의 외부면재를 접합하는 2차성형단계; 및
상기 2차성형단계 이후, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 인가되는 소정압력 및 소정온도에 의해 상기 2차구조물이 팽창하여 상기 복수의 외부면재 사이가 이격된 틈새를 보강하는 틈새보강단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제2적층단계 이전, 상기 심재에 대응되는 크기로 제작된 몰드의 외면 또는 내면의 일부를 감싸도록 경화되지 않은 외부면재를 적층한 후, 상기 몰드에 적층된 외부면재에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 일정 곡률을 갖도록 성형된 복수의 외부면재를 제작하는 외부면재준비단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 외부면재준비단계에서, 상기 복수의 외부면재는 상기 심재에 대응되는 크기로 제작된 몰드의 원주방향을 따라 분할되는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 2차성형단계에 있어서, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 부가되는 소정압력은 상기 심재의 허용좌굴강도 이하의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 2차구조물에 부가되는 소정압력은 상기 심재의 허용좌굴강도의 0.5배 이하의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 1차성형단계에서 부가되는 소정압력(A)과 상기 외부면재준비단계에서 부가되는 소정압력(B) 및 상기 2차성형단계에서 부가되는 소정압력(C)은 B > A > C 순의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
삭제
내부가 중공된 관 형상을 갖는 복합재 샌드위치구조물의 제조방법에 있어서,
관 형상으로 제작된 몰드의 외면을 감싸도록 내부면재, 접착제 및 심재를 순차적으로 적층하는 1차적층단계;
상기 1차적층단계 이후, 상기 심재가 적층된 1차구조물에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 내부면재와 심재를 접합하는 1차성형단계;
상기 1차성형단계 이후, 상기 심재에 대응되는 크기로 제작된 몰드의 외면 또는 내면의 일부를 감싸도록 경화되지 않은 외부면재를 적층한 후, 상기 몰드에 적층된 외부면재에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 일정 곡률을 갖도록 성형된 복수의 외부면재를 제작하는 외부면재준비단계;
상기 외부면재준비단계 이후, 상기 심재의 외면에 접착제 및 분할 제작되어 성형된 복수의 외부면재를 적층하는 2차적층단계;
상기 2차적층단계 이후, 상기 복수의 외부면재가 적층된 2차구조물에 소정온도 및 소정압력을 부가하여 상기 심재와 상기 복수의 외부면재를 접합하는 2차성형단계; 및
상기 1차성형단계 및 외부면재준비단계 이전, 면재가 적층된 구조물의 온도편차를 측정하여 측정된 온도편차가 임계값 이하를 갖도록 조절하는 온도편차조절단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 온도편차조절단계는,
상기 면재가 적층된 구조물의 전면에 복수의 온도센서를 서로 일정거리 이격하여 배치하는 온도센서설치단계,
상기 면재가 적층된 구조물을 수용하는 챔버 내에 고온의 열기를 송풍하는 가열단계,
상기 복수의 온도센서들로부터 측정된 온도간의 편차를 산출하는 온도편차판단단계 및,
상기 온도편차판단단계에서 산출된 온도편차가 임계값 보다 클 경우 상기 챔버 내에 상기 온도편차를 조절하기 위한 내부시설물을 설치 및 조정하는 내부시설물설치단계,
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 샌드위치구조물 제조방법.