KR102365834B1

KR102365834B1 - 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법

Info

Publication number: KR102365834B1
Application number: KR1020200101473A
Authority: KR
Inventors: 정민혜; 방윤혁
Original assignee: 재단법인 한국탄소산업진흥원
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-02-21

Abstract

본 발명에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법은, 표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제1단계; 상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 상기 금속튜브의 외면에 압착시키는 제2단계; 및 상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서, 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제3단계를 포함한다.
본 발명을 사용하면, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 고속 회전시, 금속튜브와 탄소섬유 강화 복합재료 접착면이 분리되지 않아, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드가 안정적으로 회전할 수 있다.

Description

금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING METAL-CARBON FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL HYBRID SHAFT}

본 발명은 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법에 관한 것이다.

회전 동력을 전달하는 샤프트를 설계함에 있어, 샤프트의 토크 능력 (Torque capacity) 뿐만 아니라 회전 속도가 증가함에 따라 발생하는 회전 진동(Whirling vibration)을 방지하기 위한 노력이 요구된다. 특히 공작 기계, 고속 원심 분리기, 항공 분야에서 사용되는 샤프트는 높은 회전 속도로 구동되며, 회전 진동이 발생하는 불안정한 구동이 지속되기 쉽다.

일반적으로 사용되는 금속 샤프트는 우수한 토크 능력을 가지지만 낮은 고유진동수로 인해 위에 언급된 고속 회전 장치에는 적용하기에 한계가 있다.

반면, 탄소섬유 강화 복합재료 샤프트는 높은 고유진동수를 가져 고속회전에 적합하나, 축 방향으로 탄소섬유가 배열되어 원심력에 의해 반경방향으로 팽창하는 문제를 가지고 있어, 탄소섬유 강화 복합재 회전시 베어링과의 간극이 변하게 되어, 베어링의 임계 부하 용량((Critical load capacity)이 감소하는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 구조의 샤프트가 사용된다.

그러나, 일반적인 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트는, 금속 튜브 위에 탄소 섬유 강화 복합재료 중간재를 감고 압력 및 열을 주어 제조되기 때문에, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 수지가 금속 튜브 쪽으로 향하다가 금속 튜브에 의해 반사되어 다시 바깥쪽으로 향하게 된다.

이로 인해, 탄소 섬유 복합재료와 금속 사이의 계면에서 수지의 양이 부족하게 되어, 금속튜브와 탄소섬유 강화 복합재료의 접착강도가 떨어져, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 고속 회전시, 금속튜브와 탄소섬유 강화 복합재료 접착면이 분리되는 현상이 발생한다.

한국등록특허(10-1372894)

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법은,

표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제1단계;

상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 상기 금속튜브의 외면에 압착시키는 제2단계; 및

상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서, 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적은,

표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에 다공성막을 감는 제1단계;

상기 다공성막이 감긴 상기 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제2단계;

상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 다공성막의 세공과 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재가 상기 금속튜브의 외면에 압착되되, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재의 수지는 상기 세공을 통과하지 못하는 제3단계; 및

상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어, 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법에 의해 달성된다.

본 발명은 표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감고, 금속튜브의 내부에 진공을 걸어줌으로써, 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 금속튜브의 외면에 압착시킨다. 이로 인해, 종래와 달리 수지가 금속 튜브 쪽으로 향하다가 금속 튜브에 의해 반사되어 다시 바깥쪽으로 향하는 것이 방지되어, 금속튜브와 복합재료층 사이에 높은 계면 접착강도를 형성할 수 있다. 또한, 금속튜브와 복합재료층 사이에 다공성막을 위치시켜, 금속튜브의 구멍 주변에 발생할 수 있는 수지 구배 현상도 방지할 수 있다.

상술한 구성으로 인해, 탄소 섬유 복합재료와 금속 사이의 계면에서 수지의 양이 부족하게 되어, 금속튜브와 탄소섬유 강화 복합재료의 접착강도가 떨어지는 현상이 방지된다. 이로 인해, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 고속 회전시, 금속튜브와 탄소섬유 강화 복합재료 접착면이 분리되지 않아, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드가 안정적으로 회전할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따라 제조된 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트를 나타낸 도면이다.
도 4는 금속튜브와 복합재료층으로 이루어진 튜브를 동시 경화법으로 경화시킬 때 수지의 유동 방향을 나타낸 것으로, 도 4(a)는 일반적인 경화 공정의 경우를 나타내고, 도 4(b)는 본 발명에 따른 진공을 이용한 경화 공정의 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트의 튜브의 단면을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법을 자세히 설명한다. 도 2 및 도 3을 기본적으로 참조한다.

설명의 편의상, 본 발명의 제1실시예에 따라 제조된 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트를 먼저 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트(100)는 본체(110)와 플랜지(120)로 구성된다.

본체

본체(110)는 중공원통체로 형성되며, 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 구조로 이루어진다. 본체(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속튜브(111)와 복합재료층(112)으로 구성된다. 금속튜브(111)는 토크에 견디는 역할을 하고, 복합재료층(112)은 고유진동수를 높이는 역할을 한다.

금속튜브(111)의 표면에는 구멍(G, 도 3 참조)들이 일정 간격으로 타공되어 형성된다. 금속튜브(111)는 우수한 토크 성능을 가진 강철, 알루미늄, 티타늄 중 어느 하나로 만들어진다.

복합재료층(112)은 금속튜브(111)의 외면에 결합되며 탄소섬유 강화 복합재료로 이루어진다.

플랜지

플랜지(120)는 본체(110)의 양단에 결합되며, 진공펌프와 연결된다. 플랜지(120)는 금속 재료로 이루어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플랜지(120)는 관부(121), 걸림턱(122), 진공인가부(123)로 구성된다.

관부(121)는 일단이 본체(110)에 삽입 결합된다. 관부(121)는 중공원통체로 형성된다.

걸림턱(122)은 관부(121)의 외면에 원주 방향으로 형성되며, 본체(110)의 이동을 제한한다. 즉, 관부(121)의 일단은 본체(110)가 관부(121)의 외면에 형성된 걸림턱(122)에 걸려 이동이 정지될 때까지 본체(110) 내부로 삽입된다.

진공인가부(123)는 관부(121)의 외면에 원주 방향으로 형성되며, 금속튜브(111)의 내부에 진공을 건다. 진공을 건다는 것은 금속튜브(111) 내부의 공기를 흡입하여 금속튜브(111) 내부의 압력을 떨어뜨리는 것을 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법은,

표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제1단계(S11);

상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 상기 금속튜브의 외면에 압착시키는 제2단계(S12); 및

상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서, 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제3단계(S13)로 구성된다.

이하, 제1단계(S11)를 설명한다.

구멍(G)들이 일정간격으로 타공된 금속튜브(111)를 준비한다.

금속튜브(111)의 외면에 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는다. 탄소섬유 강화 복합재료 중간재는 탄소섬유를 열경화성 수지의 매트릭스에 함침시킨 후 비-스테이지(B-stage)로 경화시켜 층(Laminate) 또는 시트(Sheet)로 제조된 것이다. 탄소섬유 강화 복합재료 중간재로, 단방향 탄소섬유 프리프레그, 탄소섬유 직물 프리프레그, 탄소섬유 토우 프리프레그 중 어느 하나가 사용된다.

이하, 제2단계(S12)를 설명한다.

금속튜브(111)의 양단에 플랜지(120)를 결합하고, 플랜지(120)를 통해 금속튜브(111)의 내부에 진공을 걸어준다. 금속튜브(111)의 구멍(G)들을 통해 진공이 복합재료층(112)에 전달된다. 복합재료층(112)이 진공 압력에 의해 금속튜브(111)의 외면에 압착된다.

이하, 제3단계(S13)를 설명한다.

금속튜브(111)의 내부에 진공이 걸린 상태에서, 동시 경화법(co-curing)을 실시한다. 동시 경화법(co-curing)은 탄소섬유 강화 복합재료 중간재에 압력 및 열을 가하여, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만드는 동시에, 금속튜브(11)의 외면에 탄소섬유 강화 복합재를 결합시킨다. 동시 경화법을 사용하면, 경화와 결합이 동시에 이루어지므로 생산 공정이 단순해지고 제조비를 낮출 수 있다.

동시 경화법(co-curing) 시, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재에 압력을 가하는 방법으로, 진공백성형(Vacuum bag molding), 오토클레이브성형(Autoclave molding), 압축성형(Compression molding) 등 다양한 방법이 있다.

금속튜브(111)와 복합재료층(112)을 동시 경화법으로 경화시킬 때, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 본체(110)의 바깥쪽에서 복합재료층(112)에 성형 압력이 작용하고 금속튜브(111)의 내부에서 진공 압력이 구멍(G, 도 3참조)들에 작용한다. 이로 인해, 탄소섬유 프리프레그에 함침된 수지는 금속튜브(111)의 반경 방향 안쪽으로 유도된다. 따라서, 금속튜브(111)와 복합재료층(112) 사이 계면에 충분한 양의 수지가 확보되어, 금속튜브(111)와 복합재료층(112)이 견고하게 결합된다.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법을 설명한다. 도 6을 기본적으로 참조한다.

제1실시예의 경우 금속튜브(111)의 내부에 가해지는 진공 압력이 과할 경우, 금속튜브(111)에 형성된 구멍(G)들로 수지들이 유입되어, 구멍(G) 주변에 수지구배가 발생할 수 있다. 제2실시예는 이러한 문제까지 해결한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법은,

표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에 다공성막을 감는 제1단계(S21);

상기 다공성막이 감긴 상기 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제2단계(S22);

상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 다공성막의 세공과 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재가 상기 금속튜브의 외면에 압착되되, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재의 수지는 상기 세공을 통과하지 못하는 제3단계(S23); 및

상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어, 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제4단계(S24)로 구성된다.

이하, 제1단계(S21)를 설명한다.

구멍(G)들이 일정간격으로 타공된 금속튜브(111)를 준비한다.

금속튜브(111)의 외면에 다공성막(113)을 감는다.

다공성막(113)은 기체만 통과 가능한 막이다. 이를 위해, 다공성막(113)에는 공기는 통과하나 수지는 통과하지 못하는 크기를 가진 무수히 많은 세공(細孔)이 형성된다. 이러한 다공성막(113)으로는 열경화성 에폭시 소재에 세공을 뚫은 접착필름 또는 열가소성 에폭시 소재에 세공을 뚫은 접착필름이 사용될 수 있다.

이하, 제2단계(S22)를 설명한다.

다공성막(113)이 감긴 금속튜브(111)의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는다. 탄소섬유 강화 복합재료 중간재의 종류는 전술하였으므로 그 설명을 생략한다.

이하, 제3단계(S23)를 설명한다.

금속튜브(111)의 양단에 플랜지(120)를 결합하고, 플랜지(120)를 통해 금속튜브(111)의 내부에 진공을 걸어준다. 다공성막(113)의 세공과 금속튜브(111)의 구멍(G)들을 통해 진공이 탄소섬유 강화 복합재료 중간재에 전달된다. 탄소섬유 강화 복합재료 중간재가 진공 압력에 의해 금속튜브(111)의 외면에 압착된다. 이 때, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재에 포함된 수지는 세공을 통과하지 못한다. 따라서, 금속튜브(111)의 구멍(G)을 중심으로 수지구배가 생기는 것을 막을 수 있다.

이하, 제4단계(S24)를 설명한다.

금속튜브(111)의 내부에 진공이 걸린 상태에서, 동시 경화법(co-curing)을 실시한다.

금속튜브(111)와 복합재료층(112)을 동시 경화법으로 경화시킬 때, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 본체(110)의 바깥쪽에서 복합재료층(112)에 성형 압력이 작용하고 진공 압력이 다공성막(113)의 세공과 구멍(G, 도 3참조)들을 통해 탄소섬유 강화 복합재료 중간재에 작용한다. 이로 인해, 탄소섬유 프리프레그에 함침된 수지는 금속튜브(111)의 반경 방향 안쪽으로 유도된다. 따라서, 금속튜브(111)와 복합재료층(112) 사이 계면에 충분한 양의 수지가 확보되어, 금속튜브(111)와 복합재료층(112)이 견고하게 결합된다.

한편, 복합재료층(112)의 두께에 따라, 제1실시예 또는 제2실시예를 선택적으로 사용할 수도 있다.

복합재료층(112)의 두께가 두꺼워, 금속튜브(111)의 내부에 진공 압력을 크게 걸어야 할 경우 (대략 10^-3~10^-4Torr 진공 압력), 구멍(G, 도 3 참조)으로 수지가 침투할 가능성이 높아져 제2실시예를 사용한다.

반면, 복합재료층(112)의 두께가 얇아, 금속튜브(111)의 내부에 진공 압력을 상대적으로 작게 걸어야 경우 (대략 10^-2~10^-3Torr 진공 압력), 구멍(G, 도 3 참조)으로 수지가 침투할 가능성이 낮아져 제1실시예를 사용한다.

100: 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트
110: 본체 111: 금속튜브
112: 복합재료층 113: 다공성막
120: 플랜지 121: 관부
122: 걸림턱 123: 진공인가부

Claims

표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제1단계;
상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 상기 금속튜브의 외면에 압착시키는 제2단계; 및
상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서, 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 금속튜브는 강철, 알루미늄, 티타늄 중 어느 하나로 만들어지는 것을 특징으로 하는 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법.
표면이 일정 간격으로 타공된 금속튜브의 외면에 다공성막을 감는 제1단계;
상기 다공성막이 감긴 상기 금속튜브의 외면에, 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 감는 제2단계;
상기 금속튜브의 양단에 플랜지를 결합하고, 상기 플랜지를 통해 상기 금속튜브의 내부에 진공을 걸어, 상기 다공성막의 세공과 상기 금속튜브의 구멍들을 통해 진공이 전달되어, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재가 상기 금속튜브의 외면에 압착되되, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재의 수지는 상기 세공을 통과하지 못하는 제3단계; 및
상기 금속튜브의 내부에 진공을 건 상태에서 동시 경화법(co-curing)을 통해, 상기 탄소섬유 강화 복합재료 중간재를 경화시켜 탄소섬유 강화 복합재로 만들어, 상기 금속튜브의 외면에 결합시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 다공성막에는 공기는 통과하고 수지는 통과하지 못하는 크기를 가진 세공들이 형성된 것을 특징으로 하는 금속-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 샤프트 제조방법.