KR102220562B1 - 카본프레임의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카본프레임과 그 제조방법에 관한 것으로, (a) 적어도 2개 이상의 폼을 준비하는 단계와, (b) 폼들을 각각 비닐로 감싸는 단계와, (c) 비닐 위에 카본 프리프레그를 적층하는 단계와, (d) 폼들을 합쳐 몰드에 넣는 단계; 및 (e) 비닐 내부로 열 및 바람을 주입하는 단계를 포함하여 비틀림 강성을 향상시킬 수 있는 카본프레임의 제조방법과 이에 따라 제조되는 카본프레임을 제공한다.

Description

카본프레임의 제조방법{Manufacturing method of carbon frame}
본 발명은 카본프레임과 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비틀림 강성을 향상시킬 수 있도록 한 카본프레임과 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 프레임은 기계, 기구, 장치의 형상을 유지하기 위한 구조재로서 나무, 금속, 플라스틱 등 다양한 소재로 이루어진다. 특히, 최근에는 가볍고 강도가 우수한 카본 재질의 프레임이 개발되어 다양한 분야에 적용되고 있다.
예컨대, 자전거의 경우 이동, 운반, 보관의 편의를 위해 경량화가 중요한 요소로 평가되는 바 종래부터 카본프레임이 적용되고 있다. 다만, 카본프레임은 단가가 높기 때문에 고가의 제품군이나 가장 큰 하중을 받는 메인프레임에만 부분적으로 적용되는 것이 일반적이다.
메인프레임은 안장, 핸들 등 각각 다른 방향에서 하중이 가해진다. 즉, 안장에 가해지는 사용자의 체중, 핸들에 가해지는 사용자의 체중과 당기는 힘 등이 메인프레임의 상단을 강하게 가압하게 된다. 그러나 카본프레임은 플렉서블한 특성을 가지고 있기 때문에 페달링시 가해지는 비틀림 하중이 더 큰 문제가 될 수 있다.
이에, 카본프레임의 비틀림 강성을 향상시키기 위한 시도가 지속적으로 이루어지고 있으나 아직까지 그 해답을 찾지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 비틀림 강성을 향상시킬 수 있도록 한 카본프레임과 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 (a) 적어도 2개 이상의 폼을 준비하는 단계와; (b) 폼들을 각각 비닐로 감싸는 단계와; (c) 비닐 위에 카본 프리프레그를 적층하는 단계와; (d) 폼들을 합쳐 몰드에 넣는 단계; 및 (e) 비닐 내부로 열 및 바람을 주입하는 단계;를 포함하는 카본프레임의 제조방법을 제공한다.
이 경우, 상기 카본프레임의 제조방법은 폼들의 연결 부위를 접착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 각각의 폼들에 적층되는 프리프레그는 서로 다른 방향성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 방법으로 제조되는 카본프레임을 제공한다.
본 발명에 따르면, 적어도 2개 이상의 프레임이 서로 합쳐져 하나의 카본프레임을 구성함으로써 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
또한, 프레임과 프레임이 연결되는 부위에 격벽이 형성됨으로써 프레임이 비틀리는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 각 프레임의 카본 프리프레그가 서로 다른 방향성을 가져 다양한 방향에서 인가되는 하중을 견딜 수 있다.
아울러, 이상의 제반 효과로 프레임의 비틀림 강성이 향상되고, 이로 인해 자전거 뿐 아니라 보다 우수한 강성을 요구하는 군사물품에도 적용 가능할 것으로 예상된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본프레임의 제조 공정을 나타낸 도면,
도 5는 도 4에 도시된 폼의 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본프레임의 단면도.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본프레임의 제조 공정을 나타낸 도면이고, 도 5은 도 4에 도시된 폼의 단면도이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본프레임의 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본프레임(100)은 폼을 이용하여 제조된다.
폼은 몰드(도면 미도시) 내에 카본 프리프레그(150)(160)를 배치하기 위한 수단으로 발포폴리스타이렌(EPS: expanded polystyrene)으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 서로 합쳐진 상태에서 카본프레임(100)과 동일한 형상을 갖는 적어도 2개 이상의 폼을 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다. 여기서는 2개의 폼, 즉, 제1폼(110)과 제2폼(120)을 이용하여 카본프레임(100)을 제조하는 형태를 예로 들어 설명한다.
제1폼(110)과 제2폼(120)은 반원의 단면 구조를 가져 서로 합쳐진 상태에서 원형의 단면 구조를 이룰 수 있다. 제1폼(110)과 제2폼(120)에 의해 형성되는 단면 구조는 원형 뿐 아니라 카본프레임(100)의 형태에 따라 타원, 다각형, 또는 라운드진 부분과 각진 부분이 혼합된 불규칙한 형태로 이루어질 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
또한, 여기서는 폼의 일측이 개방된 형태를 예로 들어 설명하나 폼의 일측이 반드시 개방되어야 하는 것은 아니며, 다른 측면과 함께 폐쇄된 형태를 가지는 것도 물론 가능하다.
한편, 카본프레임(100)의 요구되는 성능을 구현하기 위해 본 실시예와 달리 3개의 폼으로 카본프레임(100)을 제조할 경우에는 중심각이 120도인 부채꼴의 단면 구조를 갖는 폼을 이용할 수 있고, 4개의 폼으로 카본프레임(100)을 제조할 경우에는 중심각이 90도인 부채꼴의 단면 구조를 갖는 폼을 이용할 수 있으며, 동일한 방법으로 5개 이상의 폼을 이용하는 것도 가능하다.
제1폼(110)과 제2폼(120)이 준비되면 제1폼(110)과 제2폼(120)을 각각 비닐(130)(140)로 감싼다. 비닐(130)(140)은 후술하는 카본 프리프레그(150)(160)를 제1폼(110)과 제2폼(120)에서 이격시켜 몰드에 밀착시키는 데 이용된다.
이후, 비닐(130)(140) 위에 카본 프리프레그(150)(160)를 각각 적층한다. 카본 프리프레그(150)(160)를 적층할 때에는 카본프레임(100)의 요구되는 성능을 고려하여 다수의 층으로 적층한다. 이 경우, 카본 프리프레그(150)와 카본 프리프레그(160)는 서로 다른 방향성을 가지도록 적층될 수 있다.
계속하여, 카본 프리프레그(150)(160)가 적층된 제1폼(110)과 제2폼(120)을 합쳐 하부 몰드에 넣고, 상부 몰드를 결합한 후 비닐(130)(140) 내부로 열과 바람을 주입한다.
비닐(130)(140) 내부로 고온의 공기를 주입하면 공기가 폼(110)(120)과 비닐(130)(140) 사이로 침투하면서 비닐(130)(140)을 외측방향으로 팽창시키고, 이로 인해 비닐(130)(140) 위에 적층된 카본 프리프레그(150)(160)가 몰드 내벽으로 압착되면서 고온의 열에 의해 성형된다.
마지막으로, 하부 몰드에서 상부 몰드를 분리하고, 성형물을 취출하여 폼(110)(120) 및 비닐(130)(140)을 제거하면 도 6에 도시된 바와 같이 원형의 단면 구조를 가진 카본프레임(100)이 완성되며, 완성된 카본프레임(100)의 내측에는 제1폼(110)의 개구부 측 카본 프리프레그(150)와 제2폼(120)의 개구부 측 카본 프리프레그(160)가 연결되어 성형된 격벽 구조가 형성된다. 이 경우, 카본 프리프레그(150)와 다른 카본 프리프레그(160)의 연결 부위 양단에 수지 접착제(170)를 도포하여 접착력을 강화할 수 있다.
상술한 바와 같이 카본프레임(100)을 제조하면 2개의 프레임이 하나로 합쳐진 형태를 가지게 되어 비틀림 강성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 카본프레임(100)을 자전거의 메인프레임으로 적용할 경우 사용자의 페달링으로 메인프레임에 비틀림 하중이 인가되면 카본프레임(100)을 구성하는 2개의 프레임이 각각 탄성변형되면서 하중을 흡수하기 때문에 하중 분산 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 본 발명은 카본 프리프레그(150)와 카본 프리프레그(160)가 서로 다른 방향성을 가지기 때문에 자전거의 메인프레임과 같이 여러 방향에서 하중이 인가되더라도 이를 효과적으로 분산시킬 수 있다.
다만, 2개의 프레임이 하중을 분산시키더라도 각 프레임이 가진 탄성변형력 이상의 비틀림 하중이 인가되면 프레임이 결국 파손될 수 밖에 없으나, 본 발명에서는 2개의 프레임이 격벽에 의해 연결되고, 이러한 격벽이 프레임의 비틀림을 억제하기 때문에 프레임이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 2개의 프레임이 연결되는 부분이 격벽에 의해 보강되고, 이러한 격벽은 서로 다른 방향성을 갖는 카본 프리프레그(150)(160)가 접촉된 구조를 가지므로 격벽 뿐 아니라 카본프레임(100)의 외벽 쪽에도 보강된 힘이 작용하게 된다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 카본프레임 110 : 제1폼
120 : 제2폼 130, 140 : 비닐
150, 160 : 카본 프리프레그 170 : 수지 접착제

Claims (4)

  1. 자전거의 메인프레임에 사용되는 카본프레임의 제조방법으로서,
    (a) 발포폴리스타이렌으로 이루어지며, 서로 합쳐진 상태에서 카본프레임과 동일한 형상을 갖는 적어도 2개 이상의 폼을 준비하는 단계와;
    (b) 폼들의 외측을 각각 비닐로 감싸는 단계와;
    (c) 폼들을 감싸는 비닐 위에 카본 프리프레그를 적층하는 단계와;
    (d) 폼들을 합쳐 하부 몰드에 넣고 상부 몰드를 결합하는 단계와;
    (e) 비닐 내부로 열 및 바람을 주입하는 단계와;
    (f) 하부 몰드에서 상부 몰드를 분리하고, 성형물을 취출하여 폼 및 비닐을 제거하는 단계; 및
    (g) 취출된 성형물에서 카본 프리프레그와 카본 프리프레그의 연결 부위를 수지 접착제로 접착하는 단계;
    를 포함하되, 각각의 폼들에 적층되는 카본 프리프레그가 서로 다른 방향성을 가져 여러 방향에서 인가되는 하중을 분산시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 카본프레임의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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