KR102472505B1 - 복합재 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 복합재 제조 방법은 (a) 수지를 함침 시킨 섬유를 펄트루젼(Pultrusion) 공법으로 인발 성형 및 경화하여 기둥 형상을 갖는 1차 복합재를 성형하는 단계, (b) 1차 복합재의 적어도 일측을 회전 척에 연결하고 1차 복합재의 길이 방향을 회전축선으로 하여 1차 복합재를 회전하는 단계 및 (c) 1차 복합재의 회전축선의 사선 방향으로 1차 복합재의 표면을 따라 일정 간격을 두고 수지를 함침 시킨 섬유를 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 1차 복합재를 둘러싸고 경화하여 1차 복합재와 결합된 2차 복합재를 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합재 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 복합재 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펄트루젼(pultrusion) 공법과 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법을 사용해서 복합재를 제조하는 복합재 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 항공 및 자동차 산업 분야에서는 연료 효율 향상을 위해 중량을 감소할 뿐만 아니라 금속 재료 대비 동일 또는 그 이상의 강성을 갖는 복합재의 적용이 증가하는 추세이다. 또한, 풍력 산업은 경량화 풍력 발전기 블레이드, 건축/토목 산업은 건물 또는 터널 벽체 보강용 구조물, 플랜트 산업은 발전 플랜트의 냉각수를 순환시키는 냉각탑의 구조물 등에 복합재를 사용하고 있다.
여기서, 복합재는 수지를 함침 시킨 섬유를 성형 및 경화하여 제조된다. 일반적으로 섬유에 함침되는 수지는 에폭시(epoxy) 수지가 많이 사용되고 있으나, 에폭시 수지 이외에도 다양한 수지가 사용될 수 있다.
한편, 복합재를 제조하는 방법은 크게 펄트루젼(pultrusion) 공법, 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법 및 펄트루젼-와인딩 공법으로 구분된다.
펄트루젼 공법은 도 1에 도시된 바와 같이, 수지를 함침 시킨 섬유를 인발 성형 및 경화하여 균일한 단면의 펄트루젼 복합재(10)를 연속적으로 제작한다. 펄트루젼 공법으로 제작된 펄트루젼 복합재(10)는 섬유가 길이 방향으로 뻗은 구조로 길이 방향 인장 및 굽힘 저항성이 높은 장점이 있다.
필라멘트 와인딩 공법은 도 2에 도시된 바와 같이, 수지를 함침 시킨 섬유를 맨드릴(mandrel) 또는 라이너에 감고 튜브 형상으로 필라멘트 와인딩 복합재(30)를 제조한다. 상세하게 필라멘트 와인딩 공법은 회전하는 맨드릴 또는 라이너의 표면에 대해 사선 방향으로 수지가 함침된 섬유를 감은 후 경화하여 필라멘트 와인딩 복합재(30)를 성형한다. 이러한 필라멘트 와인딩 복합재(30)는 원주 방향 하중 저항성 및 비틀림 저항성이 높은 장점이 있다.
다음으로 펄트루젼-와인딩 공법은 도 3에 도시된 바와 같이, 펄트루젼 장치에서 수지를 함침 시킨 섬유를 당김과 동시에 회전하는 표면을 와인딩 장비에서 나오는 섬유로 감싸고 인발 성형 및 경화하여 펄트루젼-와인딩 복합재(50)를 제조한다.
그런데, 도 1에 도시된 펄트루젼 공법으로 제작된 펄트루젼 복합재(10)는 길이 방향 인장 및 굽힘 하중 저항성은 높지만 섬유가 길이 방향으로만 배향되므로 원주 방향 하중 저항성 및 비틀림 저항성이 낮은 문제점이 있다. 그리고, 도 2에 도시된 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된 필라멘트 와인딩 복합재(30)의 패턴(32)은 섬유가 교차하여 원주 방향 하중 저항성 및 비틀림 저항성은 높지만 섬유가 길이 방향으로 배향되지 않기 때문에 인장 및 굽힘 저항성이 낮은 문제점이 있다. 또한, 도 3에 도시된 펄트루젼-와인딩 공법으로 제작된 펄트루젼-와인딩 복합재(50)의 패턴(52)은 필라멘트 와인딩 복합재(30)의 패턴(32)와 달리 섬유가 교차하지 않고 한 방향으로만 와인딩 되기 때문에 원주 방향 하중 저항성 및 비틀림 저항성이 필라멘트 와인딩 복합재(30) 대비 낮은 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2127894호: 복합재료 압력용기의 제조장치
본 발명의 목적은 인장 하중, 굽힘 하중, 원주 방향 하중 및 비틀림 저항성이 높은 복합재를 제조하도록 복합재를 제조하는 방법을 개선한 복합재 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라 (a) 수지를 함침 시킨 섬유를 펄트루젼(Pultrusion) 공법으로 인발 성형 및 경화하여 기둥 형상을 갖는 1차 복합재를 성형하는 단계와, (b) 상기 1차 복합재의 적어도 일측을 회전 척에 연결하고 상기 1차 복합재의 길이 방향을 회전축선으로 하여 상기 1차 복합재를 회전하는 단계와, (c) 상기 1차 복합재의 회전축선의 사선 방향으로 상기 1차 복합재의 표면을 따라 일정 간격을 두고 수지를 함침 시킨 섬유를 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 상기 1차 복합재를 둘러싸고 경화하여 상기 1차 복합재와 결합된 2차 복합재를 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 제조 방법에 의해서도 이루어진다.
상기 (c) 단계에서 상기 필라멘트 와인딩 공법으로 상기 1차 복합재의 표면을 둘러싸는 수지를 함침 시킨 섬유는 상호 교차하도록 각각 상이한 방향에서 순차적으로 상기 1차 복합재를 둘러쌀 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 1차 복합재에 필라멘트 와인딩 공법으로 상기 1차 복합재의 표면에 수지를 함침 시킨 섬유를 둘러싸고 래핑(wrapping) 공정을 수행한 후 오븐에서 경화하여 상기 2차 복합재를 성형할 수 있다.
또한, 상기 복합재 제조 방법은 (d) 상기 오븐에서 경화되어 성형된 상기 2차 복합재로부터 언래핑(unwrapping) 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 1차 복합재로 성형되는 기둥 형상은 중공(hollow) 및 중실(solid) 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 성형되는 상기 1차 복합재의 단면 형상은 원형 및 다각형 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 복합재 제조 방법의 효과는 다음과 같다.
펄트루젼 공법으로 수지가 함침된 섬유를 인발 성형 및 경화하여 1차 복합재를 성형한 후 필라멘트 와인딩 공법에서 1차 복합재를 맨드릴 또는 라이너로 사용하여 수지가 함침된 섬유로 1차 복합재를 둘러싸서 1차 복합재와 함께 경화하여 2차 복합재로 성형함으로써, 개별적으로 펄트루젼 공법과 필라멘트 와인딩 공법으로 제조된 복합재 대비 높은 인장 하중, 굽힘 하중, 원주 방향 하중 및 비틀림 저항성을 갖는 복합재를 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 펄트루젼(pultrusion) 공법으로 제작된 복합재,
도 2는 종래의 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 제작된 복합재,
도 3은 종래의 펄트루젼-와인딩 공법으로 제작된 복합재,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법의 공정도,
도 5의 (ⅰ) 내지 (ⅴ)는 도 3에 도시된 1차 복합재의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법의 공정 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
설명하기에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법에서 사용되는 섬유에 함침되는 수지는 에폭시 수지 이외에도 유리 및 탄소 섬유 기반 복합재 성형을 위한 수지가 사용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법의 공정도이고, 도 5의 (ⅰ) 내지 (ⅴ)는 도 3에 도시된 1차 복합재의 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법은 1차 복합재(100) 및 2차 복합재(300) 성형 공정을 포함한다. 1차 복합재(100)는 펄트루젼(pultrusion) 공법으로 인발 성형되고, 2차 복합재(300)는 성형된 1차 복합재(100)에 수지가 함침된 섬유를 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 감싼 후 경화되어 성형된다. 여기서, 2차 복합재(300)가 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법에서 제조되는 최종 제품이다.
본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 우선 1차 복합재(100)로 성형되는 섬유(fiber)를 로딩한다(S1). S1 단계에서 로딩된 섬유에 수지를 함침한다(S3). 이때, S3 단계에서 섬유에 함침되는 수지는 제조되는 1차 복합재(100)에 따라 에폭시 수지 이외에도 유리 및 탄소 섬유 기반 복합재 성형을 위한 다양한 수지가 사용된다. 펄트루젼 공법을 실행하는 펄트루젼 장치에서 수지가 함침된 섬유를 인발 성형 및 경화하고 커팅한다(S5). S5 단계에서 커팅하여 1차 복합재(100)를 제조한다(S7).
다음으로 S7 단계에서 제조된 1차 복합재(100)를 필라멘트 와인딩 장치의 회전 척에 연결한다(S9). S9 단계에서 1차 복합재(100)의 적어도 일측, 즉 1차 복합재(100)의 일측이 필라멘트 와인딩 장치의 회전 척에 연결 또는 1차 복합재(100)의 양측이 필라멘트 와인딩 장치의 회전 척에 연결될 수 있다. 1차 복합재(100)를 감싸는 섬유의 장력을 조절한다(S11). 섬유에 수지를 함친한다(S13). 1차 복합재(100)는 회전 척의 회전 운동에 따라 회전 운동되고 수지가 함침된 섬유는 1차 복합재(100)의 회전축선의 사선 방향으로 1차 복합재(100)의 표면을 따라 일정 간격을 두고 1차 복합재(100)를 둘러싼다(S15). S15 단계에서 1차 복합재(100)의 표면에 수지가 함침된 섬유를 와인딩으로 감싼 후 경화하기 위해 래핑(wrapping) 한다(S17). 래핑된 1차 복합재(100) 및 1차 복합재(100)를 둘러싼 섬유를 오븐에서 경화한다(S21). 오븐에서 경화된 제품을 커팅한다(S23). 1차 복합재(100)의 둘레에 수지가 함침된 섬유를 둘러싸서 경화한 2차 복합재(300)를 제조한다(S23).
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법에서 제조된 1차 복합재(100)는 2차 복합재(300)를 성형하기 위한 맨드릴(mandrel) 또는 라이너(liner)로 사용되나, 필라멘트 와인딩 공법과 달리 1차 복합재(100)는 와인딩된 섬유와 일체로 성형되어 2차 복합재(300)로 제조된다. 1차 복합재(100)는 기둥 형상으로 제조된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 1차 복합재(100)의 단면은 중공이 형성된 원통 튜브 형상, 솔리드한 원형 형상, 내부가 2개의 중공 영역으로 구획된 다각형 형상, 1개의 중공이 형성된 다각형 형상 및 1개의 중공이 형성된 사각형 형상 등과 같이 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
마지막으로 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합재 제조 방법의 공정 흐름도이다.
펄트루젼 공법으로 기둥 형상, 즉 도 5에 도시된 다양한 단면 형상을 갖는 기둥 형상을 갖는 1차 복합재(100)를 성형한다(S100). S100 단계는 수지가 함침된 섬유를 펄트루젼 장치에서 인발 성형 및 경화하여 1차 복합재(100)를 성형한다. 1차 복합재(100)의 적어도 일측을 필라멘트 와인딩 장치의 회전 척에 연결한다(S300). S300 단계에서 1차 복합재(100)의 양측 중 어느 일측이 회전 척에 연결 또는 1차 복합재(100)의 양측이 회전 척에 연결될 수 있다.
필라멘트 와인딩 장치의 회전 척에 연결된 1차 복합재(100)를 회전 운동한다(S500). 회전 중인 1차 복합재(100)의 표면을 따라 일정 간격으로 수지가 함침된 섬유를 필라멘트 와인딩 공법으로 둘러싼다(S700). 이때, S700 단계에서 1차 복합재(100)의 표면을 따라 일정 간격으로 와인딩 되는 수지가 함침된 섬유는 상호 교차하도록 각각 상이한 방향에서 순차적으로 1차 복합재(100)를 둘러싼다. 1차 복합재(100) 및 1차 복합재(100)의 표면을 둘러싼 수지가 함침된 섬유를 경화하여 2차 복합재(300)를 성형한다(S900).
S700 단계에서 완성된 1차 복합재(100) 및 1차 복합재(100)의 표면을 둘러싼 수지가 함침된 섬유를 래핑 공정을 수행하여 래핑한 후, S900 단계에서 길이 방향으로 회전하는 오븐에 래핑된 1차 복합재(100) 및 1차 복합재(100)의 표면을 둘러싼 수지가 함침된 섬유를 인입하고 열 경화한다. S900 단계에서 열 경화된 1차 복합재(100) 및 1차 복합재(100)를 둘러싼 수지가 함침된 섬유의 래핑을 언래핑 한 후 길이에 맞게 절단하여 2차 복합재(300)를 성형한다.
이에, 펄트루젼 공법으로 수지가 함침된 섬유를 인발 성형 및 경화하여 1차 복합재를 성형한 후 필라멘트 와인딩 공법에서 1차 복합재를 맨드릴 또는 라이너로 사용하여 수지가 함침된 섬유로 1차 복합재를 둘러싸서 1차 복합재와 함께 경화하여 2차 복합재로 성형함으로써, 개별적으로 펄트루젼 공법과 필라멘트 와인딩 공법으로 제조된 복합재 대비 높은 인장 하중, 굽힘 하중, 원주 방향 하중 및 비틀림 저항성을 갖는 복합재를 제조할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 1차 복합재 300: 2차 복합재

Claims (6)

  1. (a) 수지를 함침 시킨 섬유를 펄트루젼(Pultrusion) 공법으로 인발 성형 및 경화하여, 기둥 형상을 갖는 1차 복합재를 성형하는 단계와;
    (b) 상기 1차 복합재의 적어도 일측을 회전 척에 연결하고, 상기 1차 복합재의 길이 방향을 회전축선으로 하여 상기 1차 복합재를 회전하는 단계와;
    (c) 상기 1차 복합재의 회전축선의 사선 방향으로 상기 1차 복합재의 표면을 따라 일정 간격을 두고 수지를 함침 시킨 섬유를 필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 상기 1차 복합재를 둘러싸고 경화하여 상기 1차 복합재와 결합된 2차 복합재를 성형하는 단계를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서 상기 필라멘트 와인딩 공법으로 상기 1차 복합재의 표면을 둘러싸는 수지를 함침 시킨 섬유는 상호 교차하도록 각각 상이한 방향에서 순차적으로 상기 1차 복합재를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 복합재 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 1차 복합재에 필라멘트 와인딩 공법으로 상기 1차 복합재의 표면에 수지를 함침 시킨 섬유를 둘러싸고, 래핑(wrapping) 공정을 수행한 후 오븐에서 경화하여 상기 2차 복합재를 성형하는 것을 특징으로 하는 복합재 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복합재 제조 방법은,
    (d) 상기 오븐에서 경화되어 성형된 상기 2차 복합재로부터 언래핑(unwrapping) 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 1차 복합재로 성형되는 기둥 형상은 중공(hollow) 및 중실(solid) 구조 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 성형되는 상기 1차 복합재의 단면 형상은 원형 및 다각형 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재 제조 방법.
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