KR102464661B1 - 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법 - Google Patents

필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 복합섬유 필라멘트를 1차와 2차로 나누어 단계별로 권선하도록 하되, 복수의 필라멘트 와인딩 단계 사이에는 로터세일의 축방향을 따라 연장되어 제품의 전 길이에 적용 가능한 고강도, 고강성, 경량의 인발 패널(사전 제작된 인발제품)이 부착 결합 및 접합되도록 함으로서 일체의 로터세일이 성형되도록 하는 바, 이는 원통형 제품 제작에 특화된 필라멘트 와인딩 공법의 장점(정밀한 섬유 방향 제어, 높은 섬유 함량과 기계적 물성 및 생산성 증대와 품질 안정성 확보 가능)과 동일 단면의 형상을 가지면서 고강도와 고강성 물성 및 매우 경제적인 인발 공정의 장점(낮은 초기 투자 비용, 축방향 강성 보강, 높은 생산성과 섬유 함유율, 기계적 물성 극대화, 품질 안정성 확보 가능)이 동시에 구현되도록 함으로서, 종전 대비 월등한 성능 강화가 이루어지도록 함은 물론 기존 공법(큰 직경의 긴 길이를 갖는 로터세일을 원주 방향으로 분할하여 제작한 후 접착 및 조립하는 공정) 대비 상대적으로 매우 경제적인 것을 특징으로 한다.

Description

필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법{Hybrid rotor sail manufacturing method with high performance reinforced structure}
본 발명은 복합섬유 필라멘트를 1차와 2차로 나누어 단계별로 권선하도록 하되, 복수의 필라멘트 와인딩 단계 사이에는 로터세일의 축방향을 따라 연장되어 제품의 전 길이에 적용 가능한 고강도, 고강성, 경량의 인발 패널(사전 제작된 인발제품)이 부착 결합 및 접합되도록 함으로서 일체의 로터세일이 성형되도록 하는 바, 이는 원통형 로터세일 제품 제작에 특화된 필라멘트 와인딩 공법의 장점(정밀한 섬유 방향 제어, 높은 섬유 함량과 기계적 물성 및 생산성 증대와 품질 안정성 확보 가능)과 동일 단면의 형상을 가지면서 고강도와 고강성 물성 및 매우 경제적인 인발 공정의 장점(낮은 초기 투자 비용, 축방향 강성 보강, 높은 생산성과 섬유 함유율, 기계적 물성 극대화, 품질 안정성 확보 가능)이 동시에 구현되도록 함으로서, 종전 대비 월등한 성능 강화가 이루어지도록 함은 물론 기존 공법(큰 직경의 긴 길이를 갖는 로터세일을 원주 방향으로 분할하여 제작한 후 접착 및 조립하는 공정) 대비 상대적으로 매우 경제적인 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 로터세일은 매그너스 효과(Magnus effect)에 의해 에너지를 얻는 원리로서, 선박에 장착되어 운항 중 바람을 이용하여 추력을 얻음으로서 에너지를 절감하는 장치이다.
이러한 로터세일은 1960년대에 유럽에서 개발되어 현재까지 상용화되고 있으며, 회전에 필요한 기계적 강도를 유지하면서 에너지를 최소화하도록 고강도, 고강성 및 경량의 복합재료로 제작된다.
이에 통상의 로터세일은 대형의 원통(원기둥) 구조물이기 때문에 보통 RIM(resin infusion molding) 공법을 통해 제작되고 있다.
참고로, RIM 공법은 수지가 함침되지 않은 복합섬유(dry fiber, fabric: drape ability가 뛰어난 섬유재) 등을 몰드에 적층한 후 비닐 필름을 이용하여 진공을 가하여 밀봉하고, 적절한 유기 화합물인 수지(엑폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀 수지 등)를 대기압과 진공과의 압력 차이를 이용하여 적층된 섬유에 함침시켜 성형하는 공법이다.
이러한 RIM 공법은 성형 제품의 기계적 물성이 매우 높고, 적절한 수지 함량을 유지할 수 있으며, 상대적으로 경량화가 가능함은 물론 경제적이면서 수지 함량의 조절이 용이하고 품질의 균일성이 보장되는 특징이 있다.
또한, RIM 공법은 적용 수지의 선택이 자유로우며, 대형의 부품을 제작하기 위한 몰드나 치공구의 제작 비용이 상대적으로 저렴하다는 특징이 있다.
다만, RIM 공법은 대형의 구조물인 로터세일을 일체형으로 제작하는 것이 불가능하므로, 원주 방향으로 제품을 분할하여 각 분할 제품을 각각 제작한 후, 접착 및 기계적 체결을 이용하여 일체형으로 제작하게 된다.
따라서, 종래의 RIM 공법은 매우 노동 집약적이고, 제작 시간이 상대적으로 장시간 소요되며, 분할된 제품을 조립하기 위한 조립 치공구, 분할 제품을 다루기 위한 보조 치공구 등의 추가적인 제작비용이 필요하므로 경제적이지 못하다는 단점이 발생된다.
부연하건데, 일반적인 로터세일은 직경이 3~5m이고, 길이가 30m 이상으로 제작되는데, 수직으로 조립되는 경우 자중에 의한 축하중을 받게 되며, 고중량의 회전체이므로 축 강성이 매우 중요한 제품이다.
결국, 로터세일의 제작시에는 축 하중과 높은 축 강성을 확보하기 위하여 축 방향으로 섬유 배열이 배치된 직물을 별도로 사용하여 축방향 강도 강성을 확보해야 한다.
그러나, 대형의 로터세일은 상술한 바와 같이, RIM(resin infusion molding) 공법을 통해 일체형으로 제작하는 것이 불가능한 바, 이는 원주 방향과 길이 방향으로 분할하여 제품화 된 것을 2차 접착 및 조립 공정을 통해 대형의 원기둥으로 이어 붙이는 작업을 수행해야 한다.
게다가, RIM 공법에 의한 로터세일 제작시에는 추가적인 조립 치구 및 조립, 접착 공정이 요구되며, 접착 부위에 대한 조립 공정이 별도로 필요하게 됨은 물론 분할된 대형의 복합재료 부품의 조립 공정에 추가적인 많은 제작 공수가 필요하게 된다.
또한, 접착 공정에 의한 치수 보증을 위해서 대형의 조립 치구 등과 같은 치공구의 제작에 많은 비용이 추가되는 문제가 발생된다.
아울러, 대형의 제품을 제작하기 위하여 직물의 방향성을 보장하면서 적층하는 것은 매우 많은 노동력과 일정 수준의 작업자의 기술을 요하게 하며, 작업자의 피로도를 매우 높이는 문제가 발생된다.
1. 대한만국 등록특허공보 제10-0366066호(2002.12.11. 등록)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 복합섬유 필라멘트를 1차와 2차로 나누어 단계별로 권선하도록 하되, 복수의 필라멘트 와인딩 단계 사이에는 로터세일의 축방향을 따라 연장되어 제품의 전 길이에 적용 가능한 고강도, 고강성, 경량의 인발 패널(사전 제작된 인발제품)이 부착 결합 및 접합되도록 함으로서 일체의 로터세일이 성형되도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 본 발명은 원통형 제품 제작에 특화된 필라멘트 와인딩 공법의 장점(정밀한 섬유 방향 제어, 높은 섬유 함량과 기계적 물성 및 생산성 증대와 품질 안정성 확보 가능)과 동일 단면의 형상을 가지면서 고강도와 고강성 물성 및 매우 경제적인 인발 공정의 장점(낮은 초기 투자 비용, 축방향 강성 보강, 높은 생산성과 섬유 함유율, 기계적 물성 극대화, 품질 안정성 확보 가능)이 동시에 구현되도록 함으로서, 종전 대비 월등한 성능 강화가 이루어지도록 함은 물론 기존 공법(큰 직경의 긴 길이를 갖는 로터세일을 원주 방향으로 분할하여 제작한 후 접착 및 조립하는 공정) 대비 상대적으로 매우 경제적인 것을 제공함에 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 인발 공정을 병행하는 것으로, 인발 공정의 특징은 섬유를 일방향으로 배열하여 동일 단면을 갖는 제품을 무한대로 생산할 수 있도록 하는 바, 섬유 방향으로의 강도, 강성이 타 복합재료 제작 공법에 비해 매우 뛰어나며 낮은 수지 함량으로 인해 상대적인 경량화가 우수한 특징이 있다.
다시 말해, 본 발명은 와인딩 공법과 인발 공정을 병행함으로서, 정밀한 섬유 방향 제어가 가능하고, 높은 섬유 함량과 기계적 물성 및 생산성이 증대되며 품질 안정성이 확보됨은 물론 초기 투자 비용이 낮고 축방향 강도, 강성이 월등하게 보강(일방향으로 제작된 인발 제품은 원주 방향이나 폭방향으로의 쪼개짐이 발생하기 쉬우므로 이를 방지하기 위하여 필라멘트 와인딩을 이용하여 여러 각도로의 섬유 배열을 적용함)되는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 본 발명은 1차 후프 와인딩 단계 이후 인발 패널 제품이 적용되도록 한 뒤 보강 섬유(추가적인 필라멘트 와인딩 공정)를 통해 원주 방향으로 와인딩되도록 하는 바, 이는 일정 장력으로 인해 인발 패널 제품과 보강 섬유 간 접착 계면에 압축하중이 적용됨으로서 밀접한 접착 계면을 이루게 되면 이후 건조로를 이용하여 필라멘트와 인발 패널이 상호 일체화되어 접합되도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
따라서, 본 발명은 이종 레이어(필라멘트 층과 인발 패널 사이) 간 접합 강도가 현저하게 향상되어 로터세일의 구조가 강화되도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 목적대상 로터세일을 기준으로 직경과 길이가 설정된 맨드릴(10)의 외주면에 복합유리섬유 또는 유리섬유를 포함한 복합재료 섬유 필라멘트(20)가 권선되도록 하는 1차 후프 와인딩 단계(S100)와; 맨드릴(10)의 축선을 기준으로 다수 분할된 인발 패널(30)이 원주방향을 따라 접합되도록 하되, 상기 인발 패널(30)은 맨드릴(10)의 축 방향 길이와 동일한 길이를 갖도록 형성되고, 맨드릴(10)을 기준으로 접합되는 각 인발 패널(30)의 원주방향 양단부는 서로 맞닿아 밀착 접합되도록 하는 인발제품 접착단계(S200)와; 인발 패널(30)이 부착된 외주면에 복합유리섬유 또는 유리섬유를 포함한 복합재료 섬유 필라멘트(20)가 한번 더 권선되도록 하는 2차 와인딩 단계(S300)와; 2차 와인딩 단계가 완료되면 내외층 섬유 필라멘트(20)들과 인발 패널(30)이 상호 접합되도록 가열하여 일체화된 로터세일 기둥체(40)가 성형되도록 하는 성형 단계(S400)가; 구성되어 이루어진다.
이때, 상기 성형 단계가 완료된 로터세일 기둥체의 외표면에 대해서는 연마기 또는 외경 가공기계(대형 선반 등)로 하여금 사상 작업하도록 하는 가공 단계(S500)가 수행되도록 형성되고, 사상 작업이 완료된 로터세일 기둥체의 길이방향 단부 일측 또는 양측에 각각 조립용 플랜지(50)가 결합되도록 하는 플랜지 조립 단계(S600)가 수행되도록 형성된다.
이에, 상기 인발제품 접착단계(S200)는 다수의 복합섬유 가닥이 동일 축선으로 배열되면서 함침 전경화(Precure)된 후 성형몰드의 형상(단면이 인발 패널의 폭방향 형상)을 통해 인발가공(맨드릴의 길이와 대응되는 설정된 길이로 커팅)되도록 형성(접합시 로터세일 기둥체의 축방향 강성이 크게 보강)되도록 형성된다.
이때, 상기 인발 패널(30)의 가공은 인발가공설비(60)를 통해 제작되는 것으로, 상기 인발가공설비는 일측에 크릴박스가 구비되어 복합섬유 보빈(61)이 수납 적층되면서 복합섬유가 공급되도록 형성되고, 다발 형태로 모인 복합섬유 가닥들은 에폭시 등이 침전된 함침조(62)를 경유한 후 건조기(63)를 통해 물성이 전경화되도록 하되, 이후 인발기(64)를 통해 목적한 형상인 인발 패널 피스가 인발되도록 형성된다.
참고로, 인발 패널은 기 와인딩 되어있는 1차 후프 와인딩 제품에 접착하게 되는데 이때, 1차 후프 와인딩 권선 층은 전경화(precure) 될수 있으며, 전경화(Precure)시의 표면은 필 플라이(peel ply)로 적층되어 접착 전에 벗겨지도록 형성된다.
이에, 필-플라이(Peel Ply)라는 복합 재료의 표면의 조도를 조절하거나, 접합(Joining) 할 때까지 떼지 않고 두었다가 접합시에 떼어서 외부 물질이 복합재료 표면을 접합 전에 침범하는 것을 예방하게 된다.
또한, 상기 1차 후프 와인딩 단계(S100)와 2차 와인딩 단계(S300)는 필라멘트 권선 각도가 서로 상이한 각도로 권선되도록 형성된다.
이와 같이, 본 발명은 원통형 제품 제작에 특화된 필라멘트 와인딩 공법의 장점과 동일 단면의 형상을 가지면서 고강도와 고강성 물성 및 매우 경제적인 인발 공정의 장점이 동시에 구현되도록 함으로서, 종전 대비 월등한 성능 강화(낮은 초기 투자 비용, 축방향 강성 보강, 높은 생산성과 섬유 함유율, 기계적 물성 극대화, 품질 안정성 확보 가능)가 이루어지도록 함은 물론 기존 공법 대비 상대적으로 매우 경제적인 효과가 있다.
이러한, 본 발명은 와인딩 공법과 인발 공정을 병행함으로서, 정밀한 섬유 방향 제어가 가능하고, 높은 섬유 함량과 기계적 물성 및 생산성이 증대되며, 일체형으로 제품을 제작할 수 있고, 자동화가 가능한 필라멘트 공법과 단순 구조를 갖는 인발 제품을 적용하므로 품질 안정성이 확보됨은 물론 초기 투자 비용이 낮으며, 축방향 강도, 강성이 월등하게 보강되면서 동시에 추가적인 경량화가 가능하고, 제작 경제성이 보장되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 2차 와인딩 단계 이후 건조로로 하여금 필라멘트와 인발 패널이 상호 일체화되어 접합되도록 하는 바, 이는 이종 레이어(필라멘트 층과 인발 패널 사이) 간 접합 강도가 현저하게 향상되어 로터세일의 구조가 강화되도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법을 나타낸 예시 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 1차 후프 와인딩 및 2차 와인딩 단계와 그 사이에 인발제품 접착단계가 수행되는 것을 나타낸 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드형 로터세일을 나타낸 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 인발 공정을 통해 인발 패널을 제작하는 공정을 나타낸 예시도,
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 인발 제품을 나타낸 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 조립플렌지가 로터세일 중공체에 결합되는 것을 나타낸 예시도,
도 8 내지 도 10은 통상의 로터 세일이 장착된 운송선과 작동 원리를 나타낸 예시도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
먼저 도 1 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명은 1차 후프 와인딩 단계(S100), 인발제품 접착단계(S200), 2차 와인딩 단계(S300), 성형 단계(S400), 가공 단계(S500) 및 플랜지 조립 단계(S600)로 크게 구성된다.
이에, 상기 1차 후프 와인딩 단계(S100)는 목적대상 로터세일을 기준으로 직경과 길이가 설정된 맨드릴의 외주면에 복합유리섬유 필라멘트가 권선되도록 형성된다.
이때, 상기 권선은 축선 방향 대비 원주방향으로 코일 형태로 권선하도록 하되, 필라멘트 두께 대비 1/100mm 내외에서 필라멘트 간 오버랩 형성되는 것이 바람직하다.
이는 권선 단부 겹침 발생으로 인한 단차가 방지되면서 기포 유입이 방지되도록 하기 위함이다.
이때, 축방향 대비 필라멘트의 권선각은 87~89°중 각도가 선택되는 것이 바람직하다.
이에, 상기 인발제품 접착단계(S200)는 맨드릴의 축선을 기준으로 다수 분할된 인발 패널이 원주방향을 따라 접합되도록 형성된다.
이때, 상기 인발 패널은 맨드릴의 축 방향 길이와 동일한 길이를 갖도록 형성되고, 맨드릴을 기준으로 접합시 이웃한 인발 패널의 양단부와 서로 맞닿아 밀착 접합되도록 형성된다.
이에, 상기 인발제품 접착단계(S200)는 다수의 복합섬유 가닥이 동일 축선으로 배열되면서 함침 전경화(Precure)된 후 성형몰드의 형상(단면이 인발 패널의 폭방향 형상)을 통해 인발가공(맨드릴의 길이와 대응되는 설정된 길이로 커팅)되도록 형성(접합시 로터세일 기둥체의 축방향 강성이 크게 보강)되도록 형성된다.
이때, 상기 인발 패널(30)의 가공은 인발가공설비(60)를 통해 제작되는 것으로, 상기 인발가공설비는 일측에 크릴박스가 구비되어 복합섬유 보빈(61)이 수납 적층되면서 복합섬유가 공급되도록 형성되고, 다발 형태로 모인 복합섬유 가닥들은 에폭시 등이 침전된 함침조(62)를 경유한 후 건조기(63)를 통해 물성이 전경화되도록 하되, 이후 인발기(64)를 통해 목적한 형상인 인발 패널 피스가 인발되도록 형성된다.
참고로, 인발 패널은 기 와인딩 되어있는 1차 후프 와인딩 제품에 접착하게 되는데 이때, 1차 후프 와인딩 권선 층은 전경화(precure) 될수 있으며, 전경화(Precure)시의 표면은 필 플라이(peel ply)로 적층되어 접착 전에 벗겨지도록 형성된다.
이에, 필-플라이(Peel Ply)라는 복합 재료의 표면의 조도를 조절하거나, 접합(Joining) 할 때까지 떼지 않고 두었다가 접합시에 떼어서 외부 물질이 복합재료 표면을 접합 전에 침범하는 것을 예방하게 된다.
부연하건데, 인발 공정은 일정 형상의 동일한 단면을 갖는 복합재료 부품을 연속적으로 생산할 수 있는 제작 공법으로 금속의 압출 공정과 매우 유사한 공정이다.
이러한 인발 공정의 특징은 길이 방향(0° 방향)으로의 섬유 배열이 지배적으로 제품 제작 시 적용되는 견인력에 의한 장력으로 인하여 섬유의 직진성이 보장되며, 섬유에 대한 수지 함침율이 제어되므로 상대적으로 높은 섬유 방향의 물성을 나타낸다.
이때, 적용하는 수지는 폴리에스테르, 비닐 에스테르 및 엑폭시 수지등이 있다.
이에, 통상의 인발 공법은 동일 형상의 제품을 정확한 형상과 치수로 연속적으로 생산하므로 매우 경제적인 공법이며, 일방향 제품의 단점인 섬유 방향에 대한 수직 방향으로의 갈라짐이나 쪼개짐을 방지하기 위한 복합재료 직물과의 혼용이 가능한 특징이 있다.
이러한, 인발 공법은 동일 제품의 연속 생산이 가능하므로, 대량 생산에 매우 유리하며, 균일한 품질을 생산할 수 있는 매우 경제적인 생산 공법임은 물론 높은 섬유 함유율과, 높은 섬유 함유량에 따른 높은 기계적 물성을 확보할 수 있는 특징이 있다.
한편, 상기 2차 와인딩 단계(S300)는 인발 패널이 부착된 외주면에 복합유리섬유 필라멘트가 한번 더 권선되도록 형성된다.
이에, 상기 권선은 축선 방향 대비 원주방향으로 코일 형태로 권선하도록 하되, 필라멘트 두께 대비 1/100mm 내외에서 필라멘트 간 오버랩 형성되는 것이 바람직하다.
이는 권선 단부 겹침 발생으로 인한 단차가 방지되면서 기포 유입이 방지되도록 하기 위함이다.
이때, 축방향 대비 필라멘트의 권선각은 87~89°중 각도가 선택되는 것이 바람직한 것으로, 상기 1차 후프 와인딩 단계(S100)와 2차 와인딩 단계(S300)는 필라멘트 권선 각도가 서로 상이한 각도로 권선되도록 하는 것이 바람직하다.
이는 내외층 후프 와인딩 각도(맨드릴 기준으로 안쪽은 거의 직교방향이고, 바깥쪽은 헬리컬 사선 방향-혹은 내외부 반대구조)가 서로 상이하게 함으로서 비틀림에 대한 저항력을 갖도록 하기 위함이다.
이에, 상기 성형 단계(S400)는 2차 와인딩 단계가 완료되면 필라멘트와 인발 패널이 상호 접합되도록 가열(히터 또는 건조로 이용)하여 일체화된 로터세일 기둥체가 성형되도록 형성된다.
예컨데, 원적외선 히터를 이용한 가열장치를 사용하면 건조로를 준비하지 않아도 되는데, 이는 와인딩 장비에 원적외선 히터를 장착하여 회전과 동시에 원적외선을 조사하여 성형할 수도 있는 것으로 이는 선택사항이다.
이때, 상기 가공 단계(S500)는 성형 단계가 완료된 로터세일 기둥체의 외표면에 대하여 연마기 또는 외경 가공기계(대형 선반 등)로 하여금 사상 작업하도록 형성된다.
즉, 외면에 대한 가공은 선택적인 실시예로서, 별도의 장비가 필요할 수 있으나 이는 일반 사상용 공작기계가 적용될 수 있는 것으로 갈음한다.
이에, 상기 플랜지 조립 단계(S600)는 사상 작업이 완료된 로터세일 기둥체의 길이방향 단부 일측 또는 양측에 각각 조립용 플랜지가 결합되도록 형성된다.
부연하건데, 필라멘트 와인딩 공정은 맨드릴을 사용하여 제품을 제작하게 됨으로서, 로터세일 내부 직경의 치수가 매우 정밀하게 구현되어 플랜지의 조립이 용이한 특징이 있다.
다음은 본 발명에 따른 로터세일을 보다 자세히 설명하겠다.
본 발명에 따른 필라멘트 와인딩 공법(1차 후프 와인딩, 2차 와인딩 단계를 일컫음)은 복합섬유 재료를 이용한 제작 공법 중 하나로서, 노동 집약적인 대부분의 복합재료 공법과는 달리 자동화가 이루어진 제작 공법이다.
이러한 필라멘트 와인딩 공법은 주로 파이프, 전신주, 원통형의 압력 용기(원형의 단면 모양을 갖는 부품) 등과 같은 제작에 주로 적용되며, 상대적으로 매우 높은 고압 성능이 보장된다.
이에 필라멘트 와인딩 공법은 주로 연속의 복합재료 섬유와 공정 중 장력을 적용하여 제품을 제작하므로, 상대적으로 높은 기계적 물성이 확보되며, 자동화를 통한 양산시 제작 비용의 경쟁력을 확보할 수 있으나 제품 제작을 위한 맨드릴의 제작 비용이 고가이며, 제품을 맨드릴에서 탈형하기 위한 장치가 반드시 필요하게 된다.
이러한 필라멘트 와인딩 공법은 맨드릴의 회전 속도와 섬유의 길이 방향 이송 속도를 조합하여 일정 임계 허용 각도 내에서 섬유의 적층 각도를 제어 할 수 있으며, 연속적으로 공정의 반복이 가능하고, 압력 용기의 축방향과 원주 방향에 필요한 섬유를 연속적으로 와인딩 할 수 있는 매우 효과적인 공법이다.
그러나 길이 방향으로 정확한 섬유 배열(축방향)이 불가능하여 성능 요구도를 만족하기 위하여 잉여의 재료를 추가적으로 와인딩하여야 하는 단점이 발생된다.
여기서, 인발 공정은 일정 형상의 동일한 단면을 갖는 복합재료 부품을 연속적으로 생산할 수 있는 제작 공법으로 금속의 압출 공정과 매우 유사한 공정이다.
인발 공정의 특징은 길이 방향(축방향)으로의 섬유 배열이 지배적으로서, 제품 제작시 적용되는 견인력에 의한 장력으로 인하여 섬유의 직진성이 보장되며, 섬유에 대한 수지 함침율이 제어되므로 상대적으로 높은 섬유 방향의 물성을 나타낸다.
이때, 적용하는 수지는 폴리에스테르, 비닐 에스테르 및 엑폭시 수지 등이 있다.
인발 공정은 동일 형상의 제품을 정확한 형상과 치수로 연속적으로 생산하므로 매우 경제적인 공법이며, 일방향 제품의 단점인 섬유 방향에 대한 수직 방향으로의 갈라짐이나 쪼개짐을 방지하기 위한 복합재료 직물과의 혼용이 가능하다.
이러한 인발 공정은 동일 제품의 연속 생산이 가능하므로, 대량 생산에 매우 유리하며, 균일한 품질을 생산할 수 있는 매우 경제적인 생산 공법이다.
따라서, 본 발명은 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 혼용하여 로터세일을 제작하도록 형성된다.
이에, 본 발명의 로터세일은 기본적으로 높은 축 강도, 강성 및 강도를 유지하기 위하여 길이 방향으로 섬유가 배열되어야 하며, 원주 방향의 섬유 보다 훨씬 많은 섬유가 길이 방향으로 배열되어야 한다.
그러나 필라멘트 와인딩을 이용하여 정확하게 축 방향으로(축방향) 섬유를 배열하는 것은 불가능하므로, 맨드릴에 필라멘트 와인딩을 1차 수행(축방향 대비 직교방향으로 와인딩)하고, 이후 원주 방향으로 일정하게 분활된 인발 제품(인발 패널)을 접착 고정한 뒤 2차로 필라멘트 와인딩(1차 와인딩 각도와 다르게 하되, 축방향 대비 사선방향 또는 직교된 방향이 서로 다르게 하는 방향으로 권선)을 실시한다.
이때, 인발 패널 제품은 구조 해석을 통하여 설계, 제작된 요구 강도, 강성을 만족하는 제품이어야 하며, 필라멘트 와인딩에 사용된 수지와 동일한 계통의 수지를 사용하여 완전 경화되지 않은 가황(precure: 완전히 녹지 않은 상태)된 인발 제품이다.
이에, 인발 패널 제품을 기 와인딩된 제품에 접착할 때에는 미리 원주 방향으로 와인딩된 층은 전경화(가황: precure)될 수 있으며, 전경화(가황:Precure)시에 표면은 필 플라이(peel ply)로 적층되어 접착 전에 벗겨져야 한다.
그리고 전경화로 가황(Precure)된 와인딩 표면에 인발 패널 제품을 접착할 경우에는 paste나 film 형태로 사용하며, 접착제는 통상 엑폭시, 폴리우레탄등의 접착제를 사용하는 것이 바람직하다.
즉, 인발 패널 제품은 축방향으로 높은 섬유 배열을 갖음으로써, 다른 제작 공법보다 높은 기계적인 물성을 나타내며, 인발 패널의 내외부의 원주 방향 및 +/-45° 방향의 섬유에 의하여 일방향 섬유의 쪼개짐을 방지하고 비틀림에 대한 높은 저항성을 나타내며, 최적의 섬유 배열을 통하여 제품의 추가적인 경량화가 가능하다.
또한, 필라멘트 와인딩 공법으로 마무리된 복합재료 로터세일은 경화 후 후경화를 통하여 화학적인 결합이 완성된 제품으로 종료되며, 탈형 공정을 거치게 된다.
이에, 인발 패널 제품과 필라멘트 와인딩을 이용하여 제작된 복합재료 로터세일의 경화는 IR히터나, 건조로에서 성형하며, 와인딩된 수지의 몰림을 방지하기 위하여 경화중 맨두릴을 회전시켜 경화를 수행하는 것이 바람직하다.
아울러, 로터세일에 대하여 길이 방향 단부에 결합되는 조립플랜지(50)는 금속을 사용한 원형의 플랜지로서, 중공관(52)의 가운데 부분에 접합날개(51)가 형성되도록 하되, 접합날개를 기준으로 양측에 분기된 접속관은 로터세일의 단부 개구공으로 삽입되어 본딩 접합되면서 일체화되도록 형성된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
S100 ... 1차 후프 와인딩 단계
S200 ... 인발제품 접착단계
S300 ... 2차 와인딩 단계
S400 ... 성형 단계
S500 ... 가공 단계
S600 ... 플랜지 조립 단계

Claims (3)

  1. 목적대상 로터세일을 기준으로 직경과 길이가 설정된 맨드릴(10)의 외주면에 복합유리섬유 또는 유리섬유를 포함한 복합재료 섬유 필라멘트(20)가 권선되도록 하는 1차 후프 와인딩 단계(S100)와; 맨드릴(10)의 축선을 기준으로 다수 분할된 인발 패널(30)이 원주방향을 따라 접합되도록 하되, 상기 인발 패널(30)은 맨드릴(10)의 축 방향 길이와 동일한 길이를 갖도록 형성되고, 맨드릴(10)을 기준으로 접합되는 각 인발 패널(30)의 원주방향 양단부는 서로 맞닿아 밀착 접합되도록 하는 인발제품 접착단계(S200)와; 인발 패널(30)이 부착된 외주면에 복합유리섬유 또는 유리섬유를 포함한 복합재료 섬유 필라멘트(20)가 한번 더 권선되도록 하는 2차 와인딩 단계(S300)와; 2차 와인딩 단계가 완료되면 내외층 섬유 필라멘트(20)들과 인발 패널(30)이 상호 접합되도록 가열하여 일체화된 로터세일 기둥체(40)가 성형되도록 하는 성형 단계(S400)가; 구성되어 이루어진 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법에 있어서,
    상기 인발제품 접착단계(S200)는 다수의 복합섬유 가닥이 동일 축선으로 배열되면서 함침 전경화(Precure)된 후 성형몰드의 형상을 통해 인발가공되도록 형성되고, 상기 1차 후프 와인딩 단계(S100)와 2차 와인딩 단계(S300)는 필라멘트 권선 각도가 서로 상이한 각도로 권선되도록 하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 와인딩 공법과 인발 공정을 병행하여 경제성이 향상되고 일체성이 확보된 고성능 복합재료 강화구조의 하이브리드형 로터세일 제조방법.
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