KR102269231B1

KR102269231B1 - 중공 프로파일 제조용 맨드릴

Info

Publication number: KR102269231B1
Application number: KR1020180124335A
Authority: KR
Inventors: 신홍록; 윤용훈; 정서정; 명석한; 조수정
Original assignee: (주)엘지하우시스
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2021-06-24
Also published as: KR20200043685A

Abstract

중공 프로파일 제조용 맨드릴이 제공된다. 상기 맨드릴은 파이프, 중간층 및 관로를 포함한다. 상기 파이프는 장축을 따라 단축의 크기가 일정하고 제1 재료로 이루어진 프레임과 상기 장축을 따라 상기 프레임의 내부를 관통하여 상기 프레임의 내측 면을 정의하는 관통구멍을 구비한다. 상기 관통구멍은 상기 내측 면의 제1 부위를 정의하는 제1 관통부 및 상기 제1 관통부와 연통되고 상기 내측 면의 제2 부위를 정의하며 상기 제1 관통부에 비해 단면의 면적이 넓은 제2 관통부를 포함한다. 상기 중간층은 상기 제1 부위와 상기 제2 부위 중 상기 제1 부위에 선택적으로 배치되며 상기 제1 재료에 비해 열전도율이 낮은 제2 재료로 이루어진다. 상기 관로는 상기 중간층으로 둘러싸여 있는 제1 관로부 및 상기 제1 관로부와 연통되고 상기 제1 관로부에 비해 단면의 면적이 넓은 제2 관로부를 포함하고 상기 장축을 따라 형성된다.

Description

중공 프로파일 제조용 맨드릴{MANDREL FOR PREPARING HOLLOW PROFILE}

본 발명은 중공 프로파일 제조용 맨드릴에 관한 것이다.

섬유 강화 복합재료는 두 가지 이상의 소재가 복합적으로 이루어진 재료로, 유리섬유 또는 탄소섬유가 단섬유, 장섬유, 연속섬유의 형태로 고분자 수지에 함침된 소재를 일컫는다. 섬유 보강 복합재료는 두 가지 이상의 재료를 조합시켜, 소재 단독으로는 가질 수 없는 기능을 발휘하는 재료로 강화재의 역할을 하는 섬유와 고분자 기지재료(matrix)를 포함하여 구성된다.

널리 쓰이고 있는 섬유 강화재로는 유리섬유(Glass Fiber: GF) 또는 탄소섬유(Carbon Fiber: CF) 등이 있으며, 단섬유 강화재, 장섬유 강화재, 연속섬유 강화재 등이 있다. 고분자 기재재료로는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지 등이 사용되고 있다.

인발 공정은 일정한 단면 형상을 갖는 복합재료를 제조하는 연속 공정을 말한다. 인발 공정을 이용하여 중공 단면 구조를 가진 섬유강화 복합재료(이하, "중공 프로파일"이라 한다)를 구현하기 위해서, 금속 재질의 맨드릴을 이용하거나 고압의 공기를 가해주는 등 몇 가지 방법이 주로 이용되고 있다.

그 중 맨드릴을 이용하는 것이 가장 간단한 방법이다. 중공 프로파일의 구현을 위해 맨드릴은 금형에 고정되며, 일반적으로 금형과 같은 재질의 금속으로 제작된다.

중공 프로파일의 성형은, 주로 고온에서 이루어지는데, 금속 재질의 맨드릴은 중공 프로파일의 내부 형상을 유지할 뿐 만 아니라, 중공 프로파일의 내/외부의 온도를 비슷한 수준으로 유지하는 역할을 한다. 하지만, 냉각을 통해 중공 프로파일의 성형을 마무리하는 단계에서는, 중공 프로파일 내/외부의 온도차를 야기하는 요인이 되기도 한다.

본 발명은, 중공 프로파일의 치수 안정성을 향상시킬 수 있는 맨드릴을 제공하고자 한다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 맨드릴은 파이프, 중간층 및 관로를 포함한다.

상기 파이프는 장축을 따라 단축의 크기가 일정하고 제1 재료로 이루어진 프레임과 상기 장축을 따라 상기 프레임의 내부를 관통하여 상기 프레임의 내측 면을 정의하는 관통구멍을 구비한다.

상기 관통구멍은 상기 내측 면의 제1 부위를 정의하는 제1 관통부 및 상기 제1 관통부와 연통되고 상기 내측 면의 제2 부위를 정의하며 상기 제1 관통부에 비해 단면의 면적이 넓은 제2 관통부를 포함한다.

상기 중간층은 상기 제1 부위와 상기 제2 부위 중 상기 제1 부위에 선택적으로 배치되며 상기 제1 재료에 비해 열전도율이 낮은 제2 재료로 이루어진다.

상기 관로는 상기 중간층으로 둘러싸여 있는 제1 관로부 및 상기 제1 관로부와 연통되고 상기 제1 관로부에 비해 단면의 면적이 넓은 제2 관로부를 포함하고 상기 장축을 따라 형성된다.

본 발명에 따른 맨드릴은 중공 프로파일의 치수 안정성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 맨드릴이 인발 공정에 사용되는 금형들에 배치된 상태를 모식적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 맨드릴의 모식적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 맨드릴이 인발 공정에 사용되는 금형들 내에 배치된 상태를 모식적으로 도시한다
도 4는 상온의 공기를 맨드릴 내부에 흘려줌에 따라 맨드릴과 중공 프로파일 내부에서 발생하는 열 전달 과정을 도시한다.
도 5는 시간에 따른 맨드릴 표면의 온도 변화를 도시한다.

발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시형태들과 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.

또한, 발명은 이하에서 개시되는 내용에 한정되는 것이 아니라 다양한 형상으로 구현될 수 있으며, 이하에서 개시되는 내용은 발명의 개시가 완전하도록 하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이고, 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함하는(including)", "가진(having)" 이라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참고하여, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은, 기존의 맨드릴이 인발 공정에 사용되는 금형들 내에 배치된 상태를 모식적으로 도시한다.

인발 공정은, 일정한 단면 현상을 갖는 복합재료를 제조하는 연속 공정이다. 섬유강화 복합재를 이용한 인발 공정은 크게 고온에서 성형하는 단계와 성형품을 냉각하는 단계로 구성된다. 도 1을 참조하면, 인발 공정에 사용되는 금형들은, 고온의 성형 공정을 위한 성형 금형(HM)과 저온의 냉각 공정을 위한 냉각 금형(CM)을 포함하며, 이들 사이의 열 전달을 방지하기 위해, 성형 금형(HM)과 냉각 금형(CM)의 사이에는 공기 간극 구간(AG)이 존재한다.

성형 금형(HM)과 냉각 금형(CM)은 금속 재질로 제작되는 것이 일반적이며, 중공이 구비된 섬유강화 복합재(이하, "중공 프로파일"이라 한다)의 구현을 위해, 맨드릴(M)은 일단이 성형 금형(HM)에 고정되고 그에 연결된 타단은 냉각 금형(CM)내에 떠 있는 구조를 가지며, 일반적으로, 성형 금형(HM) 및 냉각 금형(CM)과 같이 금속 재질로 제작된다. 기존의 맨드릴(M)은, 중공이 구비되지 않은 비중공형(solid) 입체도형으로 제작되었다.

금속 재질의 비중공형(solid) 맨드릴(M)을 사용하여, 중공 프로파일을 제조하는 경우, 고온의 성형 공정을 통해 얻은 파이프 형상의 성형품은, 냉각 공정을 거치게 되는데, 이 때, 파이프 형상의 성형품의 외표면과 그것의 내표면의 사이에는 온도 차가 발생된다. 구체적으로, 파이프 형상의 성형품의 외표면은, 그것의 내표면에 비해 빠르게 냉각된다.

이는, 파이프 형상의 성형품의 내표면이 금속 재질의 비중공형(solid) 맨드릴(M)과 직접 접촉하고 있기 때문으로, 구체적으로, 금속 재질의 비중공형(solid) 맨드릴(M)의 일단이 성형 금형(HM)에 고정되고, 타단이 일단에 연결되어 있어서, 성형 금형(HM) 내의 열이 금속 재질의 비중공형(solid) 맨드릴(M)의 일단에서 그것의 타단으로 전도되므로, 성형 공정과 냉각 공정의 전 구간에 걸쳐, 금속 재질의 비중공형(solid) 맨드릴(M)이 고온으로 유지되기 때문이다.

성형 공정과 냉각 공정의 전 구간에 걸쳐, 고온이 유지되는 기존의 비중공형 맨드릴(M)은, 파이프형 성형품의 외표면과 그것의 내표면의 사이의 온도 차를 야기하며, 이로 인해, 파이프 형상의 성형품은 외력에 의한 휨 저항이 작아지게 되어, 결국에는, 중공 프로파일의 내부 형상의 치수 안정성이 저해되는 문제가 있다.

중공 프로파일의 생산 속도가 증가됨에 따라 불충분한 냉각으로 인해, 중공 프로파일의 내부 형상의 치수안정성이 저해되는데, 본 발명의 발명자들은, 기존의 비중공형 맨드릴(M)의 구조를 개선하여, 고온의 성형 공정을 거친 파이프 형상의 성형품의 외표면과 그것의 내표면의 온도차를 최소화함으로써, 생산 속도를 높임과 동시에 생산되는 제품의 치수 안정성을 확보할 수 있음에 착안하여, 본 발명을 완성하였다.

도 2는 본 발명의 예시적인 맨드릴(100)의 모식적인 단면도이다.

도 2를 참조하면, 맨드릴(100)은 파이프(10), 중간층(20) 및 관로(30)를 포함한다.

파이프(10)는 관형 구조물로서, 장축(LX)을 따라 단축(SX)의 크기가 일정한 프레임(frame)(F)과 장축(LX)을 따라 프레임(F)을 관통하는 관통구멍(TH)을 구비한다. 프레임(F)은 외측 면(ES)과 내측 면(IS)을 구비하며, 내측 면(IS)은 관통구멍(TH)에 의해 정의된다. 단축(SX)은 외측 면(ES)들 사이의 거리이며, 프레임(F)의 내측 면(IS)은 관통구멍(TH)과 직접 접촉한다.

파이프(10)는 관통구멍(TH)의 단면의 면적이 서로 상이한 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)을 포함한다. 관통구멍(TH)은 제1 영역(A1)에 대응하는 제1 관통부(TH1)와 제2 영역(A2)에 대응하는 제2 관통부(TH2)를 포함하며, 제1 관통부(TH1)와 제2 관통부(TH2)는 서로 연통된다. 제2 관통부(TH2)의 단면(CS2)의 면적은 제1 관통부(TH1)의 단면(CSA)의 면적에 비해 크다.

프레임(F)이 장축(LX)을 따라 단축(SX)의 크기가 일정하고 제2 관통부(TH2)의 단면(CS2)의 면적이 제1 관통부(TH1)의 단면(CSA)의 면적에 비해 크기 때문에, 프레임(F)의 내측 면(IS)과 외측 면(EX) 간의 거리는 파이프(10)의 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)에서 서로 상이하다. 프레임(F)의 내측 면(IS)과 외측 면(EX) 간의 거리를 프레임(F)의 반폭(half-width)이라 할 때, 제1 영역(A1)의 반폭(T1)은 제2 영역(A2)의 반폭(T2)에 비해 두껍다.

중간층(20)은 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2) 중 제1 영역(A1) 내에 선택적으로 배치된다. 프레임(F)의 내측 면(IS)은 중간층(20)이 배치된 제1 부위(R1)와 중간층(20)이 배치되지 않은 제2 부위(R2)를 포함하며, 제1 부위(R1)는 제1 영역(A1)내에 배치되며, 제2 부위(R2)는 제2 영역(A2) 내에 배치된다. 제1 부위(R1)의 적어도 일부에는 중간층(20)이 배치된다. 상기 제1 부위의 상기 프레임의 상기 내측 면에서 상기 프레임의 외측 면까지의 두께가, 상기 제2 부위의 상기 프레임의 상기 내측 면에서 상기 프레임의 외측 면까지의 두께보다 두껍다. 상기 제1 부위의 상기 프레임의 상기 내측 면에서 상기 프레임의 외측 면까지의 두께 및 상기 제2 부위의 상기 프레임의 상기 내측 면에서 상기 프레임의 외측 면까지의 두께 각각은 상기 단축 방향의 길이에 각각 대응한다.

제2 관통부(TH2)의 단면(CS2)은 관로(30)의 제2 관로부(32)의 단면(CS2)과 형상, 면적 등이 동일하다. 중간층(20)은 프레임(F)의 제1 부위(R1)에 직접 배치된 코팅층일 수 있다. 이 경우, 제1 영역(A1)의 단면(CSA)의 형상은 관로(30)의 제1 관로부(31)의 단면(CS1)과 형상과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(A1)의 단면(CSA)의 형상이 원형인 경우, 제1 관로부(31)의 단면(CS1)의 단면의 형상은 원형일 수 있다. 다만, 제1 관통부(TH1)의 단면(CSA)은 관로(30)의 제1 관로부(31)의 단면(CS1)에 비해 면적이 크다.

파이프(10)는 제1 재료로 이루어지며 중간층(20)은 제1 재료에 비해 열전도율이 낮은 제2 재료로 이루어진다. 제1 재료는, 예를 들어, 금속, 세라믹 및 합금 중 하나일 수 있으며, 합금의 구체 예로, 스테인리스 스틸을 들 수 있다. 다만, 이들 만으로 제1 물질이 한정되지 않는다. 제2 재료는, 예를 들어, 고분자 수지일 수 있다. 고분자 수지는 제1 재료에 비해 열전도율이 낮은 것이면 그 종류가 특별히 제한되지는 않으며, 구체 예로는, 불소계 고분자 수지를 들 수 있다.

관로(30)는 프레임(F)의 장축(LX)을 따라 형성되어 유체가 프레임(F)의 장축(LX)을 따라 이동하는 통로이다. 관로(30)는 제1 관로부(31) 및 제1 관로부(31)와 연통된 제2 관로부(32)를 포함하며, 중간층(20)이 프레임(F)의 제1 부위(R1)와 제2 부위(R2) 중 제1 부위(R1)에만 배치되므로, 제2 관로부(32)의 단면(CS2)은 제1 관로부(31)의 단면(CS1)에 비해 넓은 면적을 가진다.

제1 관로부(31)는 중간층(20)으로 둘러싸여 있고, 제1 관로부(31)의 외측 영역은 중간층(20)과 직접 접촉하며, 제2 관로부(32)는 프레임(F)의 제2 부위(R2)로 둘러싸여 있고, 제2 관로부(32)의 외측 영역은 제2 부위(R2)와 직접 접촉한다.

유체는 공기 등의 기체상 유체일 수도 있고, 또는 물, 수용액, 유기용매, 유기용액 등과 같은 액상 유체일 수도 있다. 유체는 맨드릴(100)의 냉각 매체로서 역할을 한다.

도 3은 맨드릴(100)이 인발 공정에 사용되는 금형들 내에 배치된 상태를 모식적으로 도시한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 파이프(10)의 제1 영역(A1)의 일부는 성형 금형(HM) 내에 배치될 수 있고, 파이프(10)의 제2 영역(A2)의 일부는 냉각 금형(CM) 내에 배치될 수 있다. 프레임(F)의 제1 부위(R1)의 적어도 일부는 파이프(10)의 제1 영역(A1) 내에 배치될 수 있으며, 성형 금형(HM) 내에 배치될 수 있다. 프레임(F)의 제2 부위(R2)의 적어도 일부는 냉각 금형(CM) 내에 배치될 수 있다. 중간층(20)은 프레임(F)의 제1 부위(R1)에 배치되므로, 중간층(20)의 성형 금형(HM) 내에 배치될 수 있다.

성형 금형(HM) 내에 배치된 중간층(20)은 프레임(F)에서 관로(30)로의 전도에 의한 열 전달을 방지 또는 최소화함으로써, 성형 금형(HM) 내에서 맨드릴(100)이 고온으로 유지되도록 할 수 있다.

냉각 금형(CM) 내에는 중간층(20)이 배치되지 않는다. 제2 관로부(32)는 프레임(F)의 제2 부위(R2)로 둘러싸여 있고, 제2 관로부(32)의 외측 영역은 제2 부위(R2)와 직접 접촉하며, 제2 영역(A2)의 반폭(T2)이 제1 영역(A1)의 반폭(T1)에 비해 얇기 때문에, 맨드릴(100)은 냉각 금형(CM) 내에서 쉽게 냉각될 수 있다.

따라서, 맨드릴(100)은 기존의 금속 재질의 중실 맨드릴(M)에 비해, 냉각 공정에 있어서, 중공 프로파일(P)의 외표면과 그것의 내표면 사이의 온도 차를 최소화함으로써, 중공 프로파일의 치수 안정성을 향상시킬 수 있다.

금속 재질의 비중공형 맨드릴(이하, '기존의 맨드릴'이라 함)이 원형 봉 형태로 직경 14 mm, 길이 230 mm 이상으로 제작되었다. 기존의 맨드릴을 두께(도 2의 SX 참조) 2 mm를 갖는 중공형 맨드릴로 변형하고 프레임을 구성하는 제1 재료로 스테인리스 스틸(SUS420J2, 열전도도: 24.7 W/Mk)을, 중간층을 구성하는 제2 재료로 테플론( PTFE, 열 전도도: 0.25 W/mK)을 사용하며, 관로에 25 ℃의 공기를 주입한다고 가정하여, 발명의 맨드릴(도 2의 100 참조)의 내부의 표면 온도를 계산하였다.

전도에 의한 열 전달 저항과 대류에 의한 열 전달 저항의 비를 의미하는 비오트 수(Biot number, Bi)를 통해, 전도에 의한 열 전달과 대류에 의한 열 전달 중 어느 것의 열 전달이 우세한지를 파악해보면, Bi 값이 0.02429로, 0.1 보다 작은 수를 갖기 때문에 발명의 맨드릴은 집중 변량계(Lumped parameter system)로 간주할 수 있어서, 발명의 맨드릴의 표면의 온도는 무차원 수인 비오트 수(Biot number)와 푸리에 수(Fourier number, F₀)를 이용한 다음의 식 1로 계산될 수 있다.

식 1)

상기 식 1에서, Bi는 비오트 수이며, 하기 식 1-1로 표현될 수 있다.

식 1-1)

상기 식 1-1 에서, h는 대류 열전달 계수로 25 W/m²K 내지 250 W/m²K 수준이고, k는 프레임의 열 전도도로 24.7 W/mK 이며, V는 맨드릴의 부피, A는 맨드릴의 단면적이다.

상기 식 1에서, F₀는 푸리에 수이며, 하기 식 1-2로 표현될 수 있다.

식 1-2)

상기 식 1-2 에서, t 는 시간이고, α 는 프레임의 열 확산도로 6.928 × 10^-3m²/s 이며, V는 맨드릴의 부피로 1.734×10^-5 m³, A는 맨드릴의 단면적으로 7.226×10^-3 m²이다.

상기 식 1에서, T₀ 는 맨드릴의 초기 온도로 200 ℃ 이고, T는 시간 t 가 지난 뒤의 맨드릴의 온도이며, T_∞ 는 기류(air flow)의 온도로 25 ℃ 이다.

상기 식 1을 통해, 온도가 200 ℃(T₀=200℃)로 유지되던 맨드릴의 표면이 온도가 25 ℃(T_∞=25℃)인 공기 흐름에 노출될 때, 시간(t)에 따른 맨드릴 표면의 온도 변화를 계산할 수 있다.

일반적인 강제 대류(Forced convection) 조건, 즉 h 값이 25 내지 250 W/m²K 인 조건에서, 표면 온도가 25 ℃가 되는 데까지 5 초 미만의 시간이 걸리므로, 공기가 흐르는 맨드릴 내부의 온도는 25 ℃로 간주될 수 있다.

맨드릴의 한 쪽 끝은 성형 금형에 연결되어 있어 200 ℃로 유지된다고 가정하고, 맨드릴 내부 표면과 반대쪽 끝은 25 ℃로 유지된다고 가정하여, 맨드릴 내부 표면의 온도가 25 ℃로 유지될 때 중공 프로파일과 접촉하는 맨드릴의 외부 표면의 온도 변화를 하기 식 2)를 이용하여 계산할 수 있다.

식 2)

열 전달이 2 차원으로 발생하고, 비정상 상태(unsteady-state) 상황이기 때문에 온도 T(x,y,t)는 특정 시간, 특정 위치에서의 온도를 의미한다. x 는 장축 방향의 위치를 의미하고, y 는 단축 방향의 위치를 의미한다.

k는 열 전도도, Cp는 프레임의 비열용량을 의미하며, 열이 전달되는 매질에 따라 그 값이 다르다. 상기 계산에서 프레임의 열 전도도는 24.7 W/m.K, 비열용량은 0.46 J/kg.K 을 적용하였고, 중공 프로파일의 열 전도도는 0.6 W/m.K, 비열용량은 1018 J/kg.K 을 적용하였다.

도 4에는 상온의 공기를 맨드릴 내부에 흘려줌에 따라 맨드릴과 중공 프로파일 내부에서 발생하는 열 전달 과정이 도시되어 있다. 도 5에는 시간에 따른 맨드릴 표면의 온도 변화가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 고온의 중공 프로파일로부터 저온의 맨드릴 쪽으로 열 전달이 발생하여 약 30 초 경과 후 일반적인 수지의 유리전이온도(Tg) 수준 이하의 온도로 중공 프로파일이 냉각됨을 알 수 있다.

중공 프로파일을 구성하는 수지의 유리전이온도(Tg) 이하 수준으로 냉각시켜주는 것이 적절하다고 판단되는데, 냉각된 맨드릴에 노출되는 시간에 따라 중공 프로파일 내부 표면의 냉각 정도가 달라지므로 공정 선속도와 맨드릴 길이를 조절하여 냉각 공정 조건을 확보해야 할 수 있다. 또한, 흘려주는 공기의 온도에 따라 맨드릴의 온도 조절이 가능하다.

도 5를 참조하면, 200 ℃로 유지되던 맨드릴 내부가 25 ℃ 공기 흐름에 노출된 때, 30 초 후 맨드릴 외부의 온도가 55 ℃ 수준으로 냉각됨을 알 수 있다.

이처럼 냉각 금형 내에 위치하는 맨드릴의 형상을 관로를 갖는 중공 형태로 제작하면 공기의 흐름을 이용해 맨드릴의 온도를 낮출 수 있고, 이를 통해 기존의 맨드릴에 비해 중공 프로파일의 냉각 효과가 향상되어 최종적으로 중공 단면 프로파일의 치수 안정성을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합재는, 도 2 의 맨드릴을 이용하여 제조된 중공 프로파일로, 냉각 공정에서, 파이프형 성형품의 외표면과 그것의 내표면 사이의 온도 차를 최소화할 수 있어서, 내부 형상의 수치 안정성이 향상되는 장점이 있다.

중공 프로파일은, 그것의 중심축으로부터 외표면까지의 거리와 중심축으로부터 내표면까지의 거리의 차가 실질적으로 동등한 수준으로 균일하게 형성되는 장점이 있다. 이 때, 중공 프로파일의 중심축은 그것의 중공의 중심을 지나는 가상의 축이다.

3차원 xyz 좌표계 상에서, 중공 프로파일의 중심축이 x 축과 평행한 때, y 축에서의 파단강도와 z 축에서의 파단강도의 차이가 오차범위 내에서 실질적으로 동일한 수준일 수 있다.

중공 프로파일은, 고분자 수지와 고분자 수지에 함침된 보강섬유를 포함한다.

보강섬유는, 장섬유 보강섬유, 단섬유 보강섬유, 연속 보강섬유 중 하나일 수 있다. 장섬유 보강섬유, 단섬유 보강섬유, 연속 보강섬유는, 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유 또는 천연 섬유 등일 수 있으나, 이들 만으로 제한되지 않는다.

예를 들어, 보강섬유는, 연속 보강섬유일 수 있다. 중공 프로파일이 연속 보강섬유를 포함하는 경우, 단섬유 보강섬유 또는 장섬유 보강섬유와 달리, 단일방향으로의 배향성 제어가 용이하고, 유연성 및 내충격성이 크게 향상될 수 있다. 연속 보강섬유의 예로는, 유리 섬유를 들 수 있으며, 이 경우 설비 구축이 용이하며, 기계적 물성 대비 가격 경쟁력 확보 측면에서 유리한 장점이 있다.

보강섬유는, 단일 가닥의 섬유들이 모여서 만들어진 집합체일 수 있다. 보강섬유의 단일 가닥은 단면의 직경이, 예를 들어, 약 1㎛ 내지 약 200㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 또는, 약 1㎛ 내지 20㎛ 일 수 있다. 제1 보강섬유 및 제2 보강섬유의 단일 가닥은, 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 우수한 단방향 배향성을 가질 수 있으며, 제조 과정에서 기재재료로의 함침성을 향상시킬 수 있다.

보강섬유는 중공 프로파일의 제1 방향으로 일 방향 배향될 수 있다. 예를 들면, 보강섬유는, 중공 프로파일의 길이 방향으로 일방향 배향될 수 있다.

고분자 수지는, 열경화성 수지 또는 열가소성 수지일 수 있으며, 열가소성 수지의 예로는, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있으나, 이들 만을 제한되지 않는다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나, 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예에 개시된 내용들을 조합하여 서로 다른 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형상으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

HM: 성형 금형
CM: 냉각 금형
M, 100: 맨드릴
10: 파이프
20: 중간층
30: 관로

Claims

장축을 따라 단축의 크기가 일정하고 제1 재료로 이루어진 프레임과 상기 장축을 따라 상기 프레임의 내부를 관통하여 상기 프레임의 내측 면을 정의하는 관통구멍을 구비하며, 상기 관통구멍은 상기 내측 면의 제1 부위를 정의하는 제1 관통부 및 상기 제1 관통부와 연통되고 상기 내측 면의 제2 부위를 정의하며 상기 제1 관통부에 비해 단면의 면적이 넓은 제2 관통부를 포함하는 파이프;
상기 제1 부위와 상기 제2 부위 중 상기 제1 부위에 선택적으로 배치되며 상기 제1 재료에 비해 열전도율이 낮은 제2 재료로 이루어진 중간층; 및
상기 중간층으로 둘러싸여 있는 제1 관로부 및 상기 제1 관로부와 연통되고 상기 제1 관로부에 비해 단면의 면적이 넓은 제2 관로부를 포함하고 상기 장축을 따라 형성된 관로;를 포함하는
맨드릴.
제1 항에 있어서,
상기 제1 부위의 상기 프레임의 상기 내측 면에서 상기 프레임의 외측 면까지의 두께가, 상기 제2 부위의 상기 프레임의 상기 내측 면에서 상기 프레임의 외측 면까지의 두께보다 두꺼우며,
상기 제2 관통부의 단면과 상기 제2 관로부의 단면의 면적이 동일한
맨드릴.
제1 항에 있어서,
상기 제1 재료는 금속, 세라믹 및 합금 중 하나이며,
상기 제2 재료는 고분자 수지인
맨드릴.
제3 항에 있어서,
상기 고분자 수지는 불소계 고분자 수지인
맨드릴.